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Epidemien - Verläufe und Handlungsszenarien simulieren

Um die Ausbreitung von Infektionen vorherzusagen, werden detaillierte Informationen zum Erreger und zum Krankheitsverlauf sowie umfassende Daten zur Bevölkerungsstruktur benötigt. Aber das allein reicht nicht. Genauso wichtig ist die Geschichte dahinter, weiß der Tübinger Epidemiologe Prof. Dr. Martin Eichner.

Eichners Epidemie-Simulationen sind international gefragt. So wurde unter anderem am KCDC (Korea Centers for Disease Control and Prevention), einer Einrichtung des koreanischen Gesundheitsministeriums, die Ausbreitung von Grippe simuliert. © Eichner, Epimos GmbH

Im Zuge der Globalisierung wird es immer wichtiger, die Ausbreitung von Infektionskrankheiten frühzeitig abschätzen und gegebenenfalls eindämmen zu können. Und das gilt keineswegs nur, wenn ansteckende Erreger in bevölkerungs- und verkehrsreichen Regionen unterwegs sind. Prof. Dr. Martin Eichner vom Institut für Klinische Epidemiologie und angewandte Biometrie der Universität Tübingen ist ein Experte für Ausbreitungsszenarien und räumt auf mit der Vorstellung, man könne von einer globalen Epidemie verschont bleiben, wenn man sich in entlegene Gebiete zurückzöge.

Vor einigen Jahren sind die neuseeländischen Behörden mit der Frage auf ihn zugekommen, was man tun könne, damit Neuseeland oder zumindest einige Inseln des Pazifikstaates bei einer weltweiten Grippeepidemie verschont blieben. Eine interessante Fragestellung für Eichner. Er hat mit seiner Firma Epimos GmbH & Co. KG, die er neben seiner akademischen Tätigkeit gegründet hat, schon häufiger für öffentliche Auftraggeber und für die Pharmaindustrie derartige Untersuchungen durchgeführt.

Grundlage ist stets eine authentische Simulation der Infektionsausbreitung. „Am Anfang steht die Frage, welche Ideen-Komponenten für eine Simulation der Ausbreitung benötigt werden. Ausgangslage sind natürlich alle verfügbaren Daten zur globalen Ausbreitung. Hinzu kamen in diesem Fall Daten der neuseeländischen Behörden zum gewöhnlichen Verkehr zu und von den Inseln. Aber wir mussten zum Beispiel auch berücksichtigen, wie viele Menschen auf die Idee kommen könnten, vor einer Epidemie auf die Inseln fliehen zu wollen“, so Eichner.

Das Krankheitsgeschehen von allen Seiten beleuchten

Prof. Dr. Martin Eichner (rechts, hier beim Gesundheitsamt in Ilam, Nepal) forscht an der Universität Tübingen und hat nebenbei die Epimos GmbH gegründet, die im Kundenauftrag Simulationen zur Ausbreitung von Erkrankungen erstellt. © Eichner, Epimos GmbH

Man ahnt es bereits: Modelle und Simulationen zur Ausbreitung von Epidemien können kompliziert werden. „Wenn wir neue Simulationen für spezielle Fragestellungen entwickeln, haben wir es zum Teil mit sehr komplexen Modellen mit mehreren 10.000 Gleichungen zu tun, die abgearbeitet werden müssen“, so Eichner. Entsprechend schwierig ist es dann auch, die Wirkung bestimmter Maßnahmen abzuschätzen. Es könnten zum Beispiel Grenzkontrollen und Quarantäne eingeführt werden, um infizierte Personen bei der Einreise abzufangen. „Damit sind wir bereits in der nächsten Ebene der Überlegungen, denn wir müssen fragen, wie die jeweilige Ansteckung überhaupt abläuft. Wir benötigen zuverlässige Daten über die Inkubationszeit und in unserem Beispiel auch über die Flugzeiten nach Neuseeland“, sagt Eichner.

Im Grippefall ist leider gar nicht so eindeutig bekannt, wie lange ein Mensch braucht, um Krankheitssymptome zu zeigen, und wie lange, bis er selbst ansteckend wird. Je nach Konstitution jedes Einzelnen ist die Varianz hier groß. „In der Literatur haben wir Untersuchungen gefunden, denen zufolge rund ein Drittel derer, die angesteckt sind, nicht krank werden und demzufolge keine Symptome zeigen. Das würde sich auf Grenzkontrollen natürlich verheerend auswirken“, sagt Eichner.

Das führt zur Frage, wie weit man vernünftigerweise mit Schutzmaßnahmen gehen soll, was finanziell überhaupt machbar ist. „Im Neuseeland-Fall zeigten unsere Simulationen, dass nicht einmal die kleinsten Inseln auf Dauer wirksam geschützt werden können. Wegen der asymptomatischen Überträger gelingt dies selbst dann kaum, wenn die Zahl der Passagiere um 99 Prozent reduziert wird“, so der Experte. Und hundertprozentige Abschottung – wenn sie denn überhaupt möglich ist – wäre immens teuer. Die Simulationen zeigten jedoch noch etwas anderes: Es könnte gelingen, auf Zeit zu spielen, kleine Regionen für circa ein halbes Jahr grippefrei zu halten. Denn so lange dauert es laut Eichner in der Regel, bis ein Impfstoff gegen einen neuen Grippetyp entwickelt ist.

Bei Erregern wie dem Ebola-Virus und einer hohen Sterblichkeitsrate der an Ebola Erkrankten sieht die Sache völlig anders aus, wie Eichner erklärt: „Hier dauert es einige Wochen, bis die Menschen Krankheitssymptome zeigen, und ab diesem Moment sind sie auch ansteckend.“ Wenn effektive Maßnahmen zur Quarantäne getroffen werden, müsste sich die Ausbreitung also eindämmen lassen.

Entsprechende Simulationen zeigen jedoch nicht die ganze Wahrheit, wenn ihnen ganz entscheidende Strukturen fehlen: Die Ausbreitung von Ebola in Afrika hängt nämlich nicht nur von den Kontakten zwischen Lebenden ab, sondern ganz entscheidend vom Umgang mit den Toten. „Bei dem Ausbruch in Ostafrika vor einiger Zeit haben sich die Begräbnisrituale als problematisch erwiesen. Dort wurden die Verstorbenen aufgebahrt und von den Besuchern zum Abschied berührt. Da Ebola auch in einem Leichnam noch mehrere Tage virulent ist, kam es zu weiteren Ansteckungen. Wenn wir die Ausbreitung in solchen Gegenden simulieren wollen, müssen wir also Daten darüber mit einfließen lassen, wie viele Menschen in welchen Zeiträumen die Toten anfassen und wie die Infektionsrate dabei aussieht“, sagt Eichner.

Das Drehbuch der Simulation muss den Hintergrund der Story widerspiegeln

Populationsmodelle helfen bei der Entwicklung von Simulationen zur Ausbreitung von Erkrankungen. In diesem Fall geht es um die Ausbreitung von Bilharziose (Schistosomiasis), einem parasitären Befall mit Schistosoma-Würmern. Hier gehen auch Parameter mit ein, die auf Ansteckung und Erkrankung Einfluss haben, wie zum Beispiel eine parallele Erkrankung mit HIV. © Eichner, Epimos GmbH

Es kommt neben der Qualität der Daten also auch immer auf den Hintergrund an, vor dem sie erhoben wurden. „Wir müssen uns stets fragen, wie die Geschichte hinter der Epidemie aussieht. Die Daten kommen erst in zweiter Linie hinzu, wenn ich den Kontext kenne“, bekräftigt Eichner. Die notwendigen Zahlen scheinen oft recht banal: Wie viele Patienten haben welche Art von Kontakt, wie viele Personen stecken sich mit welcher Wahrscheinlichkeit an – das sind die Daten, mit denen dann gearbeitet wird. „Wenn wir bei den Simulationen Überraschungen erleben, vermeintliche Fehler in den Modellen, liegt das oft daran, dass wir noch nicht kompliziert genug gedacht haben“, so Eichner. Dann gilt es, die Geschichte nochmal genau zu reflektieren.

Die wissenschaftliche Herausforderung liegt darin, die Geschichte nicht nur möglichst lückenlos zu erfassen, sondern sie dann auch adäquat in ein mathematisches Modell zu übersetzen. Damit das Ganze am Computer visualisiert werden kann, kooperiert Eichner eng mit Dr. Markus Schwehm von der ExploSYS GmbH. Vor rund zehn Jahren hatten beide Wissenschaftler das Unternehmen als Start-up aus der Universität Tübingen heraus gegründet. Heute führt Schwehm ExploSYS als alleiniger Inhaber und Geschäftsführer.

„Ich mache die Recherchen und entwickle die mathematischen Modelle anhand der epidemiologischen Krankheitsgeschichte und der Fragestellung des Auftraggebers. Markus Schwehm übernimmt die zum Teil sehr diffizilen Programmierungen. Insofern ergänzen sich unsere beiden Firmen hervorragend und wir sind für unsere Kunden ein eingespieltes, effizientes Team“, erzählt Eichner. Neben Behörden wie Gesundheitsämtern kommen zum Beispiel Impfstoff-Hersteller und andere Pharma-Unternehmen als Auftraggeber infrage. Auch größere Unternehmen aller Art sind interessiert. Wenn sie wissen wollen, in welchem Ausmaß eine Ansteckungswelle ihre ‚Business Continuity’ stören kann, kann im Vorfeld entsprechend geplant beziehungsweise im Epidemie-Fall schnell gehandelt werden.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/epidemien-verlaeufe-und-handlungsszenarien-simulieren