08.05.2020

Salzburger Geoinformatiker entwickelt Modell zu Covid-19 und Social Distancing

Forscher um den Salzburger Geoinformatiker Christian Neuwirth haben ein mathematisches Modell zu Covid 19 entwickelt, das der Frage nachgeht, wie lang und intensiv Social Distancing Maßnahmen aufrechterhalten bleiben müssten, um Corona-Todesfälle weiter zu reduzieren.

Die Wissenschaftler haben verschiedene Szenarien simuliert. Ein Ergebnis: Je schärfer die Maßnahmen, desto länger müssen diese aufrechterhalten bleiben, um damit eine Verringerung der Todesfälle durch Covid-19 zu erreichen. Die Forscher plädieren daher für moderate Maßnahmen, die länger durchgehalten werden  können.

Die Maßnahmen

Eindämmung der Covid-19 Pandemie, wie das Social Distancing, wirken. Klares Indiz dafür ist R, die Zahl, auf die alle schauen. Die Reproduktionszahl R ist eine der wichtigsten Kennziffern in der Corona-Pandemie. In Österreich und anderen Ländern ist sie inzwischen auf unter 1 gesunken, das heißt ein Infizierter steckt statistisch weniger als eine Person an. Vor den Maßnahmen (Nachverfolgung der Infektionsketten, Kontaktreduktion) nahmen die Coronavirusfälle exponentiell zu. Das ist derzeit vorbei. Es kommt daher jetzt zu Lockerungen des Kontaktverbots, was das Risiko einer zweiten Welle erhöht, wie Experten warnen.

Was bringt die fortgesetzte Kontaktreduktion?

Doch wie groß wäre der Nutzen einer fortgesetzten harten und langandauernden Kontaktreduktion hinsichtlich einer Verringerung der Sterblichkeit durch SARS-CoV-2? Das haben Salzburger Geoinformatiker um Christian Neuwirth in Kooperation mit der TU Wien in einem mathematischen Modell simuliert. „Derzeit gibt es noch viele unsichere Parameter bzw. Parameter mit großer Schwankungsbreite wie die Anzahl an asymptomatischen Fällen oder die Sterblichkeit. Wir wissen nicht genau wie groß die Dunkelziffer ist, wie viele Infizierte keine Symptome haben und daher andere Personen unwissentlich anstecken. Die letzte österreichische Prävalenzstudie, die den Zeitraum vom 21. bis 24. April 2020 abbildet, ergab eine hochgerechnete Dunkelziffer von 0,15. Das würde bedeuten, dass es in Österreich ungefähr 11.000 tatsächlich Infizierte Personen gibt. Doch die Datenlage ändert sich ständig. In unserer Studie haben wir sehr viele Annahmen aus anderen Studien zusammengetragen und ihre Auswirkungen auf das Modell getestet.“

Daraus resultierten logischerweise verschiedene Ergebnisse. Was die Forscher aber vor allem interessierte, waren die Ähnlichkeiten zwischen den Ergebnissen und jene Muster die unabhängig von den unsicheren Annahmen bestehen bleiben. Ein solches Muster fanden sie bei der Abflachung der Kurve der Neuinfektionen durch Social Distancing, so Neuwirth. „Eigentlich wird die Kurve durch die Reduktion der Kontakte nicht nur flacher, sondern erreicht auch später ihren Höchststand. Dieser Zusammenhang zwischen Kontaktreduktion und Kurvenverlauf ist aber nicht linear. Das heißt eine Halbierung der sozialen Kontakte führt nicht zu einer Verdoppelung des Abflachungseffekts, sondern wirkt sich viel stärker aus. Der Effekt wird immer stärker je näher sich die Reproduktionszahl R an 1 annähert.“ 

Strategien müssen langfristig angelegt werden

Das hat weitreichende Folgen auf die Dauer der Social Distancing Maßnahmen wie zum Beispiel die Schließung von Schulen, sagt Neuwirth. „Bei einer sehr drastischen Reduktion der Kontakte muss die Maßnahme viel länger aufrechterhalten bleiben, um überhaupt einen zusätzlichen Nutzen zu erzielen. Nach dem Motto: “The harder you break the longer it takes“. 

Das liegt daran, dass sehr harte Kontaktverbote den Höchststand der Neuinfektionen weit in die Zukunft verschieben, wie Neuwirths Modell zeigt. „Damit es zu einer leichten Verringerung der Sterbefälle kommt, müssen um 10 Prozent reduzierte Sozialkontakte länger als ein Jahr aufrechterhalten bleiben. Zumindest unter bestimmten Annahmen zeigt unser Modell dieses Extrem. Fazit: Sehr drastische Maßnahmen zur Kontaktreduktion wirken sich - bei exorbitanten Kollateralschäden – nur dann positiv auf die Covid Sterbezahlen aus, wenn diese auf lange Sicht - im Extremfall über Jahre - aufrechterhalten werden.“

Die Bevölkerung würde das vermutlich nicht so lange durchhalten. „Nehmen wir folgendes Szenario an: Zu Beginn der Pandemie herrscht Verständnis in der Bevölkerung, die Maßnahmen werden mitgetragen, der Effekt ist groß und der Höchststand der Neuinfektionen wird in die Zukunft verschoben. Nach mehreren Monaten stellt sich Ernüchterung ein, die wirtschaftlichen und sozialen Probleme sind gravierend und kaum jemand kennt jemanden persönlich, der von der Krankheit betroffen ist. Als Folge bricht die Disziplin zusammen und eine sehr starke zweite Welle macht die Erfolge der sozialen Isolation zunichte.“ Neuwirth wählt für dieses Szenario das Bild eines Marathonläufers „Ein zu schneller Start macht einen Zusammenbruch wahrscheinlich, da das Tempo nicht gehalten werden kann.“ Es sei daher zielführender, moderate - in Dauer und Intensität abgestimmte - Maßnahmen zu setzen. Diese können länger durchgehalten werden und zeigen früher Wirkung, so Neuwirth. Das schwedische Modell zur Bekämpfung der Corona-Folgen ist für ihn ein Weg in diese Richtung.

„Wenn wir es nicht schaffen, Covid-19 vollständig mittels gesellschaftlicher Maßnahmen zu eliminieren, wovon ich ausgehe, und es auch keine umfassende Grundimmunisierung gibt - an dieser Frage forschen Immunologen -  dann müssen wir unsere Strategien sehr langfristig anlegen, vermutlich auf mehr als ein Jahr. Das heißt soziale Kontakte nur soweit einschränken, wie es aufgrund der limitierten medizinischen Kapazitäten erforderlich ist, sodass es nicht zu einer Überlastung der Gesundheitssysteme kommt, “ resümiert Neuwirth.

Bleibt die Frage, warum gerade ein Geoinformatiker (in Zusammenarbeit mit einem anderen Geoinformatiker und einem Physiker) ein mathematisches Modell zu Covid-19 entwickelt? „Der Grund für mein Interesse an dem Thema liegt im Verhalten des Systems Covid-19 an sich“, sagt Neuwirth. „Es handelt sich um eines jener Systeme, das sich gegenläufig zur Intuition verhält, und daher mittels Computersimulation analysiert werden muss. Das ist einer der Schwerpunkte unserer Forschungsgruppe (Research Group on Spatial Simulation: https://spatial-simulation.zgis.at ) am Fachbereich.“  

Die Studie „Investigating duration and intensity of Covid-19 social-distancing strategies“ ist als Vorabdruck in medRxiv (https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2020.04.24.20078022v2) erschienen und steht derzeit im Journal PLOS ONE unter Begutachtung.

Publikation: C. Neuwirth, C. Gruber, T. Murphy (under review). Investigating duration and intensity of Covid-19 social-distancing strategies“. PLOS ONE. Pre-print: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2020.04.24.20078022v2

Fotonachweis: Universität Salzburg  

Kontakt:
Dr. Christian Neuwirth
Studienleiter UNIGIS MSc
Universität Salzburg
Interfakultärer Fachbereich Geoinformatik - Z_GIS
Email: christian.neuwirth@sbg.ac.at - Mobil: 0650 8424928

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