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07.06.2021

Grund für plötzliche Sprünge im Corona-Epidemieverlauf

Testen und Contact Tracing sind bei der Bekämpfung von EpidemienEpidemien
Tritt eine Erkrankung örtlich und zeitlich stark gehäuft auf, spricht man von einer Epidemie. Trifft beispielsweise eine neue Variante des wandelbaren Influenza-Virus auf eine Bevölkerungsgruppe, die noch keine Abwehr gegen diesen bestimmten Erreger aufgebaut hat, kann diese Virus-Variante sich schnell verbreiten. Die Ausbreitung stoppt erst, wenn der Erreger Menschen befällt, die z.B. aufgrund einer Grippe-Schutzimpfung Antikörper dagegen gebildet haben.
Das amerikanische Center for Disease Control spricht von einer Grippe-Epidemie, wenn die Todesrate durch Influenza und Lungenentzündung (die so genannte Übersterblichkeit) um mehr als 7,5% höher liegt als in einem durchschnittlichen Winter.
Eine Epidemie bleibt im Gegensatz zur Pandemie auf eine bestimmte Region begrenzt.
äußerst effizient. Sobald aber deren Kapazitäten erschöpft sind, beschleunigt sich die Epidemie zu einer exponentiellen Ausbreitung. Das haben Strömungsphysiker aus Österreich beobachtet.

Schon kleine Unterschiede im Maßnahmenpaket gegen Epidemien können einen Sprung in den Infektionszahlen verursachen. Das berichtet ein Team von Strömungsphysikern am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) unter der Leitung von Prof. Björn Hof. Dessen Artikel in Kooperation mit Marc Timme von der TU Dresden zeigt, dass die Limits des Testens und der Kontaktverfolgung für plötzliche Sprünge im Epidemieverlauf verantwortlich sind (siehe Nature Communications, Online-Veröffentlichung am 10.5.2021). Testen gefolgt von Kontaktverfolgung (contact tracing) ist bei der Bekämpfung von Epidemien zwar äußerst effizient. Sobald aber ihre Kapazitäten erschöpft sind, beschleunigt sich die Epidemie zu einer exponentiellen Ausbreitung.

Das Team von Physikprofessor Björn Hof am IST Austria hat sich eigentlich auf Flüssigkeiten und turbulente Strömungen spezialisiert. Als Hof Anfang letzten Jahres seinen geplanten Besuch in Wuhan, der Heimatstadt seiner Frau, wegen der zunehmenden Verbreitung des Corona-Virus SARS-CoV-2 absagen musste, verlagerte sich sein Fokus schlagartig auf die Ausbreitung von Epidemien. „Meine Gruppe untersucht normalerweise turbulente Strömungen in Rohren und Kanälen“, erklärt er. „In den letzten 10 Jahren haben wir gelernt, das Auftreten von Strömungsturbulenzen mit statistischen Modellen zu beschreiben, die gleichermaßen zur Beschreibung von Waldbränden und Epidemien verwendet werden.“ Angesichts der Erfahrung war die Programmierung eines Epidemiemodells für Burak Budanur, den Theoretiker und Computerexperten der Gruppe, eine einfache Übung.

Modellierungen von Epidemien legen nahe, dass die Stärke der Vorkehrungen einen kontinuierlichen Effekt auf das Maximum der Ausbreitungszahlen hat. „Die Erwartung ist, dass die Kurve gemäß dem Grad der sozialen Distanzierung abflacht“, sagt Davide Scarselli, Erstautor der Arbeit. Als er jedoch die Epidemie simulierte und dabei gezielt die endlichen Ressourcen bei Testungen und Kontaktverfolgung berücksichtigte, ergab sich ein ganz anderes Bild. Das Maximum der infizierten Personen nahm zunächst wie erwartet ab, brach dann aber plötzlich auf fast Null zusammen, als die Eindämmung einen bestimmten Schwellenwert überschritt. In einem Fall infizierte sich etwa die Hälfte der Menschen während der Epidemie. In einem anderen Fall erkrankten nur drei Prozent. Überraschenderweise war es unmöglich, ein Ergebnis zwischen diesen beiden Ergebnissen zu erhalten: Entweder gibt es einen Ausbruch von beträchtlicher Größe, oder es gibt fast gar keinen.

Das Testen von bekannten Kontaktpersonen eines Infektionsfalls ist eine der wirksamsten Möglichkeiten, eine Epidemie zu verlangsamen. Allerdings ist die Anzahl der Fälle, die jeden Tag aufgespürt werden können, begrenzt, ebenso wie die Anzahl der Testungen, die durchgeführt werden können. Wie die Forscher herausfanden, hat das Überschreiten dieser beiden Grenzen während der Epidemie weitreichende Konsequenzen. „Wenn das passiert“, erklärt Timme, „beginnt sich die Krankheit in den unkontrollierten Gebieten schneller auszubreiten und das führt unweigerlich zu einem superexponentiellen Anstieg der Infektionen.“ Schon exponentielles Wachstum ist immens. Es bedeutet eine Verdoppelung der Infektionen alle paar Tage. Überexponentiell bedeutet aber, dass auch die Rate der Verdopplung immer schneller wird.

Solange diese Beschleunigung vermieden werden kann, liegen die Ansteckungskurven auf einem niedrigen Niveau. Interessanterweise macht es relativ wenig aus, wie groß die „Sicherheitspolster“ bei den Kapazitäten des Contact Tracings sind. Die Zahlen bleiben vergleichsweise niedrig. Wird der Grenzwert dagegen nur durch einen einzigen Fall überschritten, führt das superexponentielle Wachstum dazu, dass die Gesamtfallzahlen auf das Zehnfache ansteigen.

„Wie die meisten Nationen hat auch Österreich nicht frühzeitig auf die zweite CoronaCorona
-Welle reagiert. Nachdem im vergangenen September nicht mehr alle Kontaktpersonen nachverfolgt werden konnten, war es abzusehen, dass die Fallzahlen bald überproportional ansteigen würden“, erläutert Scarselli. Im Laufe des letzten Jahres hat sich jedoch gezeigt, dass eine frühzeitige und entschlossene Reaktion unerlässlich ist, wenn man mit einem exponentiellen Wachstum konfrontiert ist. Die Studie des Teams zeigt, dass begrenzte Testkapazitäten das Timing noch entscheidender machen. Der Unterschied zwischen Erfolg und Misserfolg eines Lockdowns ist minimal, oder wie Budanur es ausdrückt: „Eine Maßnahme, die gestern noch funktioniert hätte, braucht nicht nur viel länger, um ihre Wirkung zu entfalten, sondern kann auch komplett scheitern, wenn sie einen einzigen Tag zu spät umgesetzt wird.“ Hof ergänzt: „Die meisten europäischen Länder reagieren erst, wenn die Kapazitäten der Intensivmedizin bedroht sind. Eigentlich müssten die politischen EntscheidungsträgerInnen auf ihre Kontaktverfolgungsteams achten und abriegeln, bevor dieser Schutzschild zusammenbricht.“

Zuletzt hat sich die Forschungsgruppe mit optimalen Strategien beschäftigt, bei denen Lockdowns als präventives Werkzeug und nicht als Notbremse eingesetzt werden. Ein Forschungspapier, das die optimale Strategie skizziert, um sowohl die Anzahl der infizierten Personen als auch die benötigte Lockdown-Zeit zu minimieren, ist derzeit in Arbeit.

Quelle: Institute of Science and Technology Austria