Ausbruch von Epidemien: Physiker simulieren komplexe Verbreitungsszenarien

Stochastisches Modell zeigt starken Einfluss vom Doppelinfektionen – Risiko plötzlicher Ausbrüche wird erhöht
Basisschema für die numerische Simulation von Infektionswellen zweier verschiedener Erreger (A & B). Die kleinen Buchstaben zeigen den Status nach überstandener Infektion an.
Basisschema für die numerische Simulation von Infektionswellen zweier verschiedener Erreger (A & B). Die kleinen Buchstaben zeigen den Status nach überstandener Infektion an.
© Weiran Cai et al., TU Dresden
Dresden - Die Spanische Grippe forderte zwischen 1918 und 1920 weltweit über 25 Millionen Todesopfer. Diese Epidemie verbreitete sich in drei Wellen, für die hohe Sterblichkeit spielten Doppelinfektionen mit Lungenentzündung eine fatale Rolle. Mit komplexen, statistischen Modellen analysierten nun Wissenschaftler in Dresden, wie zwei verschiedene Infektionskrankheiten ihre gegenseitige Verbreitung beeinflussen können. Ihre Ergebnisse, die sie in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlichten, offenbaren große Risiken, die in den bisherigen Szenarien von Epidemiologen unterschätzt wurden.

„Die fundamentale Dynamik von Doppelinfektionen im großen Maßstab ist bislang wenig verstanden“, sagt Weiran Cai von der Technischen Universität Dresden. Diese Wissenslücke konnte er nun zusammen mit Kollegen vom Robert Koch Institut in Berlin und dem Max-Planck-Institut für die Physik komplexer Systeme in Dresden stopfen. Mit einem aufwendigen Computermodell simulierten sie die Ausbreitungsdynamik von zwei Infektionen. Zahlreiche Parameter von der Ansteckungswahrscheinlichkeit über Dauer einer Infektion und die räumliche Verteilung bis zum zeitlichen Ablauf der einzelnen Krankheitenswellen flossen in die numerische Auswertung ein. Dabei zeigten sich deutliche Unterschiede zu Epidemie-Modellen, die nur einen einzigen Erreger berücksichtigen.

So prägt eine kontinuierliche Entwicklung die Ausbreitung einer einzigen Krankheit. Nach ihrem ersten Ausbruch kann sie sich je nach Infektionsrisiko und Übertragungsweg rasch ausbreiten und zu einer mehr oder weniger gefährlichen Epidemie entwickeln, die nach einem Höhepunkt wieder abklingt. Doppelinfektionen jedoch können sich durch überraschende, sich wiederholende Ausbrüche mit lawinenartig ansteigenden Infektionszahlen auszeichnen. Die Forscher beschreiben diese Szenarien als diskontinuierlich. Eine Grundlage dafür ist beispielsweise das höhere Ansteckungsrisiko, wenn etwa das Immunsystem eines Patientens bereits durch die jeweils andere Infektionskrankheit geschwächt wurde.

Treten beide Erreger in gleichen Regionen mehr oder weniger zeitgleich auf, unterscheidet sich das Ausbreitungsszenario der Doppelinfektion kaum von dem einer einzelnen Krankheit. Doch erreicht ein zweiter Erreger eine Bevölkerungsgruppe, die eine erste Krankheitswelle schon fast überstanden hat, hat er ein leichtes Spiel und kann sich rasant ausbreiten. „Diese Übertragung kann durch globalisierte Verkehrsnetzwerke geschehen und eine plötzliche Epidemie von mehr als einer Infektionskrankheit ohne Vorwarnung verursachen“, sagt Weiran Cai. Die Simulationen zeigten, dass sich beide Infektionskrankheiten so gegenseitig beeinflussen und ihre Ausbreitung verstärken können. Erneute Ausbrüche sogar in der Phase des Abklingens einer Epidemie werden so bei zeitlich versetzten Infektionen wahrscheinlich.

Mit ihren Simulationen lieferten die Dresdner Forscher nicht nur neue Impulse für epidemische Ausbreitungen von Krankheiten. Laut Cai und Kollegen können ihre Szenarien für Doppelinfektionen auch auf Krisen im Finanzmarkt angewendet werden, wenn etwa zwei Spekulationsblasen zeitlich versetzt platzen sollten. Sogar für die Ausbreitung von Fehlstellen in Werkstoffen, die durch unterschiedliche Ursachen bereits Schäden erlitten haben, könnten diese Modelle bessere Erklärungen ermöglichen.

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