19.10.2004

Epidemie-Vorhersagen

Göttinger Physiker entwickeln Computermodell zur Ausbreitung von Epidemien in der modernen Welt.

In 80 Tagen um die Welt: auf der Basis von Flugpassagierströmen

(pug) "Die globale Ausbreitung von SARS im Frühjahr 2003 hat gezeigt, wie stark unsere heutige Welt durch neuartige infektiöse Krankheiten bedroht ist. Eine zentrale Rolle bei der Entwicklung moderner Epidemien spielen die weltweite Vernetzung und die große Mobilität unserer Gesellschaft. So können sich hoch virulente Krankheitserreger rasend schnell über alle besiedelten Gebiete der Erde ausbreiten; wir untersuchen wie und auf welchen Wegen", erläutert Dr. Theo Geisel, Professor für Theoretische Physik am Institut für Nichtlineare Dynamik der Universität Göttingen und Direktor am Max-Planck-Institut für Strömungsforschung. Mit seinen Mitarbeitern Dr. Lars Hufnagel und Dr. Dirk Brockmann hat er ein dynamisches Simulationsmodell entwickelt, das erstmals quantitative Erkenntnisse und Vorhersagen der weltweiten Verbreitung von Epidemien erlaubt. Das Modell kombiniert dabei die lokale Infektionsdynamik einer Erkrankung mit der räumlichen Ausbreitung in einem Netzwerk, das 95 Prozent des zivilen Luftverkehrs auf der ganzen Welt erfasst. Damit konnten die Physiker zeigen, dass sich die geographische Verbreitung einer Krankheit wie SARS durch die Simulation der Passagierströme im Flugverkehr vorhersagen lässt. Prof. Geisel: "Die Computersimulationen können darüber hinaus im voraus Aussagen über den potentiellen Erfolg von Impf- und Kontrollstrategien liefern."

Mathematische Standardmodelle beschreiben die Entwicklung von Epidemien als Diffusionsprozesse. Sie sind vergleichbar mit denen von Molekülen, die sich in einer Flüssigkeit ausbreiten, und sagen voraus, dass sich infektiöse Erkrankungen in Form von Wellenfronten mit konstanter Geschwindigkeit geographisch ausdehnen. Tatsächlich konnte diese Art der Verbreitung nachvollzogen werden für die Pestepidemie im 14. Jahrhundert, die sich innerhalb von drei Jahren von Sizilien über Zentraleuropa bis nach Norwegen hinzog. Die diffusionsartige Ausbreitung basiert auf der Tatsache, dass in früheren Jahrhunderten Menschen nur sehr kurze Distanzen reisen konnten. Das plötzliche weltweite Auftreten einer Erkrankung wie im Fall von SARS ließ sich mit diesen Standardmodellen jedoch nicht erklären, wie die Göttinger Wissenschaftler festgestellt haben. So hat sich SARS über Flugreisende von Hongkong aus in kürzester Zeit in viele Teile der Erde verbreitet.

In dem neuen Göttinger Simulationsmodell "bewegen" sich erkrankte Individuen zwischen den verschiedenen Knotenpunkten des globalen Flugnetzes und infizieren dort andere Personen - ähnlich wie bei einer chemischen Reaktion. Die drei Experten der theoretischen Physik haben in dem Modell mehr als zwei Millionen Flüge pro Woche zwischen den 500 größten Flughäfen der Welt berücksichtigt. Die Verbreitungs- und Ansteckungsdynamik wird mit einem Satz stochastischer Differentialgleichungen beschrieben. Parameter des Modells sind krankheitsspezifische Größen, wie zum Beispiel die Zahl der Sekundärinfektionen, die ein Mensch durchschnittlich auslöst, sowie Heilungs- oder Mortalitätsraten.

Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass große Knoten in diesem Luftverkehrsnetz für eine rapide weltweite Ausbreitung einer Epidemie verantwortlich sind, und zwar weitgehend unabhängig vom Ort des ersten Auftretens eines Krankheitserregers. "Dabei ist die Kapazität eines Flughafens viel weniger entscheidend als sein Vernetzungsgrad. So fanden wir heraus, dass der Versuch, eine Epidemie durch Isolation der zentralen Knoten einzudämmen, vielversprechend ist, während ein Blockieren der stärksten Verbindungslinien praktisch kaum einen Effekt hat", sagt Prof. Geisel mit Blick auf die vorliegenden Simulationen.

"Das überraschend hohe Maß an Übereinstimmung zwischen unseren Berechnungen und der von der Weltgesundheitsorganisation registrierten faktischen Ausbreitung von SARS legt nahe, dass mit Hilfe unseres Modells katastrophale Folgen zukünftiger Epidemien eingeschränkt werden können", sagt der Wissenschaftler. Schon vor der Durchführung von Impf- und Kontrollmaßnahmen lässt sich die Effizienz verschiedener Strategien in Computersimulationen testen und vergleichen. "Gerade weil sich moderne Epidemien so rasant über den Globus ausbreiten können, wird die schnelle Verfügbarkeit solcher Vorhersagen von großer Bedeutung sein und zu einer Reduktion von Kosten und insbesondere Opferzahlen beitragen können."

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