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PUBLIC RELEASE DATE: 18 Oktober 2004

In 80 Tagen um die Welt - wie sich Epidemien ausbreiten

Göttinger Max-Planck-Wissenschaftler haben Computermodell zur Vorhersage weltweiter Epidemien entwickelt



Abb.: Das weltweite Flugnetz. Die Linien symbolisieren den Flugverkehr zwischen den 500 grten Flughfen weltweit. Die Farbe der Linien codiert die "Strke" der Verbindungen, d.h. die Anzahl der Reisenden zwischen zwei Flughfen pro Tag. So bewegen sich beispielsweise zwischen Chicago und New York etwa 25.000 Reisende pro Tag.
Bild: Max-Planck-Institut fr Strmungsforschung

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Die weltweite Ausbreitung der Lungenerkrankung SARS (Severe Acute Respiratory Syndrome) hat gezeigt, ber welch tdliches Potenzial moderne Infektionskrankheiten in einer global vernetzten, interdependenten Welt verfgen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts fr Strmungsforschung in Gttingen und der Universitt Gttingen haben jetzt ein mathematisches Modell vorgestellt, mit dem man die weltweite Verbreitung von Infektionskrankheiten nicht nur beschreiben, sondern auch mithilfe von Computersimulationen voraussagen kann. Das Modell kombiniert die lokale Dynamik der Infektion von Individuen mit dem Transport in einem Netzwerk, das den weltweiten zivilen Luftverkehr nachbildet. Damit gelang bei der Simulation von SARS eine berraschend gute bereinstimmung mit dem tatschlichen Verlauf der Epidemie. Knftig sollte das neue Modell es ermglichen, sowohl die Ausbreitung neu ausgebrochener Infektionskrankheiten als auch die davon besonders bedrohten Regionen vorher zu sagen. Die Simulationen zeigen, dass nur eine schnelle und konzentrierte Reaktion die Chance bietet, die globale Ausbreitung moderner Epidemien einzudmmen (PNAS, 19. Oktober 2004).

Die globale Ausbreitung von SARS im Frhjahr 2003 hat gezeigt, wie stark unsere vernetzte Welt durch die Ausbreitung neuartiger infektiser Krankheiten bedroht ist. Im Fall der Vogelgrippe knnte eine genetische Vermischung mit menschlichen Grippeviren sogar pltzlich zum Entstehen eines gnzlich neuartigen "Supervirus" fhren. Nach Einschtzung von Experten wre eine weltweite Epidemie mit erheblichen Konsequenzen die Folge: Allein in den USA msste man vorsichtigen Schtzungen zufolge mit rund 200.000 Toten und Kosten zwischen 60 und 160 Milliarden US-Dollar rechnen.

Eine groe Rolle bei der heutigen Ausbreitung von Epidemien spielt die globale Vernetzung. Aufgrund der hohen Mobilitt in modernen Gesellschaften, insbesondere durch den internationalen Flugverkehr, knnen sich hoch virulente Krankheitserreger rasend schnell ber alle besiedelten Gebiete der Erde ausbreiten. Wie und auf welchen Wegen das geschieht, haben Wissenschaftler des Gttinger Max-Planck-Instituts fr Strmungsforschung und des Instituts fr Nichtlineare Dynamik der Universitt Gttingen jetzt berechnet. Mit einem neuartigen Modell, das die Infektionsdynamik mit dem Transport in einem Netzwerk kombiniert, in dem 95 Prozent des weltweiten Flugverkehrs erfasst sind, konnten sie zeigen, dass sich die geographische Ausbreitung von Epidemien durch die Analyse der Passagierstrme im internationalen Flugverkehr vorhersagen lsst. Computersimulationen am Beispiel von SARS lieferten nicht nur eine genaue Vorhersage der Ausbreitung, sondern ermglichen auch Vorhersagen, welchen Erfolg potenzielle Impf- und Kontrollstrategien haben wrden.

In der Geschichte der Menschheit haben sich immer wieder ansteckende Krankheiten lawinenartig ber weite geographische Gebiete ausgebreitet und Opfer in groer Zahl gefordert. Prominente Beispiele sind die Pest-Epidemie aus dem 14. Jahrhundert, der etwa ein Viertel der damaligen Bevlkerung in Europa zum Opfer fiel, oder die "Spanische Grippe" von 1918, die mehr Opfer gefordert hat als die beiden Weltkriege zusammen.

Mathematische Standardmodelle beschreiben die Entwicklung von Epidemien bisher durch Diffusionsprozesse ganz hnlich zu Moleklen, die in einer Flssigkeit diffundieren und mit anderen Moleklen chemische Reaktionen ausfhren knnen. Diese Standardmodelle sagen voraus, dass sich Epidemien in Form von Wellenfronten mit konstanter Geschwindigkeit geographisch ausbreiten. In der Tat konnte diese Art der Ausbreitung bei der Pestepidemie des 14. Jahrhunderts nachvollzogen werden, die sich innerhalb von drei Jahren vom Sden Europas (Sizilien) ber Zentraleuropa nach Norden (Norwegen) ausdehnte. Diese diffusionsartige Ausbreitung basiert jedoch auf der Tatsache, dass Menschen in frheren Jahrhunderten nur vergleichsweise kurze Distanzen pro Tag zurcklegen konnten. Hingegen reisen die Menschen in der heutigen globalisierten Welt viel weiter, viel hufiger und vor allem - viel schneller. Das Beispiel von SARS hat gezeigt, dass das vernderte Reiseverhalten einen erheblichen Einfluss auf die Ausbreitung von Krankheiten hat. Von der Provinz Guandong (China) aus hat sich der SARS-Erreger in Windeseile ber Hongkong in alle Teile der Welt ausgebreitet.

L. Hufnagel, D. Brockmann und T. Geisel vom Max-Planck-Institut fr Strmungsforschung und vom Institut fr Nichtlineare Dynamik der Universitt Gttingen haben jetzt erstmals ein dynamisches Modell entwickelt, das quantitative Erkenntnisse und Vorhersagen der globalen Ausbreitung von Epidemien erlaubt. In ihrem Modell bewegen sich infizierte Individuen zwischen den verschiedenen Knotenpunkten des globalen Flugnetzes und infizieren auf diese Weise andere Individuen - hnlich wie bei einer chemischen Reaktion. Die Wissenschaftler haben in ihrem Modell mehr als 2 Millionen Flge pro Woche zwischen den 500 grten Flughfen der Welt bercksichtigt, was etwa 95 Prozent des gesamten zivilen Luftverkehrs entspricht. Die Ausbreitungs- und Ansteckungsdynamik wird durch einen Satz so genannter stochastischer Differenzialgleichungen beschrieben. Parameter des Modells sind krankheitsspezifische Gren, etwa die Zahl von Sekundrinfektionen, die ein infiziertes Individuum durchschnittlich auslst, oder Heilungs- bzw. Mortalittsraten.

Auf diese Weise konnten die Gttinger Forscher nachweisen, dass groe Knoten im Luftverkehrsnetz, wie London, New York und Frankfurt, fr eine rapide weltweite Ausbreitung einer Epidemie verantwortlich sind, und das weitestgehend unabhngig vom Ort des ersten Auftretens eines Krankheitserregers. Dabei ist die Kapazitt des Flughafens an einem Knotenpunkt viel weniger entscheidend als der Grad seiner Vernetzung. "Wir konnten zeigen, dass der Versuch, eine Epidemie durch Isolation der zentralen Knoten einzudmmen, sehr vielversprechend ist, whrend ein Blockieren der strksten Verbindungslinien praktisch kaum einen Effekt hat", so die Forscher.

"Das berraschend hohe Ma an bereinstimmung zwischen den Vorhersagen des Modells und der von der WHO registrierten faktischen Ausbreitung von SARS legen nahe, dass man mithilfe dieses neuen Modells die fatalen Folgen zuknftiger Epidemien einschrnken knnte." So kann die Effizienz verschiedener Strategien schon vor der Durchfhrung von Impf- und Kontrollmanahmen in der Computersimulation getestet und verglichen werden. Gerade weil sich Epidemien heute so rasant ber den gesamten Globus ausbreiten knnen, ist die schnelle Verfgbarkeit solcher Vorhersagen von entscheidender Bedeutung. Sie knnte letztlich zu einer Reduktion der Kosten, vor allem aber der Zahl der Opfer beitragen.

Warum befassen sich gerade Physiker mit Untersuchungen zur Ausbreitung von Epidemien? Professor Geisel, Direktor am Max-Planck-Institut fr Strmungsforschung erklrt: "Als theoretische Physiker sind wir gewohnt, mehr oder weniger komplexe Vorgnge in mathematische Modelle zu fassen, das gehrt zu unseren Strken. Im Falle der Epidemien sind unsere Modelle formal hnlich zu Modellen, die man auch in der statistischen Physik formulieren wrde. Meinem Mitarbeiter Lars Hufnagel, der brigens inzwischen am Institut des diesjhrigen Nobelpreistrgers fr Physik David Gross in Santa Barbara arbeitet, war aufgefallen, dass die Standardmodelle fr die Ausbreitung von Epidemien ungeeignet waren, um die sprunghafte globale Verbreitung von SARS zu simulieren. Es ist uns dann gelungen, ein realistischeres Modell aufzustellen und zu untersuchen, ein Beispiel fr die Fruchtbarkeit interdisziplinrer Anstrengungen."

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Originalverffentlichung:

L. Hufnagel, D. Brockmann, and T. Geisel
Forecast and control of epidemics in a globalized world
PNAS, vol. 101, 15124-15129, 19 October 2004