In den allermeisten Ländern ist die Impfung gegen das Coronavirus in vollem Gange. Wegen begrenzter Produktionskapazitäten und den großen logistischen Herausforderungen wird es jedoch noch Monate, wenn nicht gar Jahre dauern, bis eine umfassende Herdenimmunität erreicht ist. Das erklären die Wissenschaftler*innen Dr. Sara Grundel vom Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme Magdeburg sowie Prof. Dr. Thomas Hotz und Prof. Dr. Karl Worthmann an der TU Ilmenau in einer wissenschaftlichen Veröffentlichung.

Um eine größtmögliche Sicherheit in der Bevölkerung mit gleichzeitig aufgehobenen Kontaktbeschränkungen zu erreichen, müsse die Impfung sowie die Maßnahmen zur Kontaktbeschränkung bestmöglich koordiniert werden. In ihrer Arbeit erklären die Expert*innen auch, wie das aus ihrer Sicht gelingen kann. Sie empfehlen eine „optimierungsbasierte Steuerung auf einem alters-differenzierten „Compartment-Modell“. Was kompliziert klingt ist relativ einfach herunterzubrechen: Dr. Sara Grundel und ihre Kolleg*innen halten es für am sinnvollsten, diejenigen Menschen, welche die meisten sozialen und beruflichen Kontakte haben, und damit zu den größten Überträgern des Virus zählen, bevorzugt die Altersgruppe zwischen 20- und 60-Jährigen, priorisiert mit einer Impfung zu versorgen. Damit könnten langfristig auf einen Zeitraum von acht Wochen bis zu zwei Jahren gesehen Schritt für Schritt Maßnahmen des „Social Distancing“ aufgehoben werden, ohne unser Gesundheitssystem mit Intensiv-Patienten zu überlasten.

Langfristige Lockerungen nur mit Impfung der Jüngeren möglich

Grundel, Hotz und Worthmann räumen aber auch ein, dass bei kurzfristigen Maßnahmen nach wie vor die Konzentration auf die Hochrisikogruppe der beste Schritt sei. Doch mit dieser kurzfristigen Herangehensweise werde es auf lange Sicht hin zu mehr und langfristigen Kontaktbeschränkungen kommen. Erklären können sie diese Annahme mit der Verwendung mathematischer Modelle. Die Magdeburger und Ilmenauer Wissenschaftler*innen lösen mathematisch ein Optimierungsproblem, um die ideale Verteilung der Maßnahmen zu erhalten. Außerdem passen sie das Modell auf die unterschiedlichen Altersgruppen an.

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Handlungsbedarf haben sie deshalb gesehen, weil sie beobachteten, dass die Pandemie mit vielen nicht medizinischen Gegenmaßnahmen wie Kontaktbeschränkungen in Zaum gehalten werden sollte. Dabei konnten die Wissenschaftler*innen jedoch einen erheblichen negativen Einfluss auf die nationale und internationale Wirtschaft sowie die allgemeine Lebensqualität und die psychische Gesundheit beobachten.

Da zusätzlich die Einführung des Impfstoffs langsamer als erwartet verlief, neue Stämme des Virus auftauchten und die Menschen skeptisch gegenüber den Impfstoffen waren, konnten die Maßnahmen nicht so schnell aufgehoben werden, wie von den Expert*innen erhofft. Außerdem herrsche Unverständnis darüber, weshalb auch nach der Impfung einige Maßnahmen weiterhin notwendig seien. Durch diese Beobachtungen, sahen die Forschenden einen Bedarf für ein entsprechendes Modell, das eine Perspektive für eine baldige Aufhebung der Maßnahmen biete. 

Maßnahmenplanung mit mathematischer Formel sinnvoll?

Für die Entscheidungsfindung untersuchten sie unterschiedliche Fragestellungen als Gesichtspunkte der Pandemie. Etwa: „Wie wichtig ist die Verfügbarkeit und die Erfolgsrate des Impfstoffs?“ „Wer sollte zuerst geimpft werden?“ „Wie stark können soziale Distanzierungsmaßnahmen gelockert werden, wenn die Impfstoffe verfügbar sind?“ „Was sind die Auswirkungen des Planungszeitraums in Hinsicht auf eine optimierte Impfungs- und Kontaktbeschränkungs-Strategie?“ Geht es nach den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern sollten Kontaktbeschränkungen nur eingesetzt werden können, wenn diese zwingend erforderlich seien. Die Kontroll-Konzepte, welche die Forschenden verwenden, stammen aus der Regelungstechnik. Bei den sogenannten „Compartment-Modellen“ handele es sich um ein mathematisches Modell, welches beschreibe, wie sich Epidemien ausbreiten. 

Ursprünglich stammt dieses Modell aus der Steuerung von selbstständig fahrenden Autos. Das „Compartment-Modell“ wird mit Diagrammen dargestellt. An denen lässt sich dann ablesen, wie der aktuelle Stand der Maßnahmen ist. 

Grundel, Hotz und Worthmann erklärten, dass dadurch zusätzlich mit einem dynamischen Modell berechnet werden kann, welche Änderungen notwendig seien, um das angepeilte Ziel zu erreichen. Als Beispiel nennen sie etwa wie viele Impfungen in einem Bundesland notwendig seien, um weitere Lockerungen zu verantworten. „Compartment-Modelle“ werden zudem bereits bei Maßnahmen zur Eindämmung für das „Dengue-Fieber“ und Malaria verwendet. Im Vergleich zu der herkömmlichen Verwendung dieses Modells, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das „Compartment-Modell“ erweitert. So könnten nun zusätzlich Personen, die dem Virus ausgesetzt waren, berücksichtigt werden. Ebenso infizierte Menschen, die entweder schwere, milde oder asymptomatische Verläufe hatten. Außerdem sei es möglich, einen gewissen Prozentsatz an durchgeimpften Personen zu berücksichtigen, der sich unter Umständen dennoch infizieren kann.

Durch diese vielen Parameter könnten verschiedene Optimierungsziele berechnet werden. So ließe sich zum einen vermeiden, dass die Krankenhäuser überlastet werden und zum anderen Kontaktbeschränkungen nur eingesetzt werden, wenn sie unbedingt notwendig sind. Die Expert*innen erklären, dass mit diesem Modell nicht nur eine einzige langfristige Strategie errechnet werden kann. Stattdessen könne immer die bestmögliche Strategie für die nächsten drei, vier oder sechs Wochen berechnet werden. Damit wäre es leicht möglich, eventuell größere COVID-19–Ausbrüche unter Kontrolle zu halten.

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