Physiker simulieren Verbreitung von Epidemien

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 Risiken, die in den bisherigen Szenarien von Epidemiologen unterschätzt wurden.

Ein Rechteck ist aufgefüllt mit kleineren Rechtecken, die mit unterschiedlichen Farben markiert sind.
Infektionen nach numerischem Schema

„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 schließen.

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 Krankheitswellen flossen in die numerische Auswertung ein. Dabei zeigten sich deutliche Unterschiede zu Epidemie-Modellen, die von einem einzigen Erreger ausgehen.

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 Patienten bereits durch die jeweils andere Infektionskrankheit geschwächt wurde.

Treten beide Erreger in gleichen Regionen fast 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, kann er sich schnell 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 Ansätze, um die epidemische Ausbreitungen von Krankheiten zu beschreiben. Laut Cai und Kollegen können ihre Szenarien für Doppelinfektionen auch auf Krisen im Finanzmarkt angewendet werden, etwa wenn zwei Spekulationsblasen zeitlich versetzt platzen. Und auch für die Ausbreitung von Fehlstellen in Werkstoffen, die durch unterschiedliche Ursachen bereits Schäden erlitten haben, wollen die Forscher mit ihren Modellen bessere Erklärungen ermöglichen.