Ist die Epidemie während der Hundstage im Sommer noch nicht vorbei und wird sie im Herbst und Winter noch mehr Ärger verursachen?

Schon vor Tausenden von Jahren fiel den Menschen auf, dass bestimmte Krankheiten zu bestimmten Jahreszeiten häufiger auftraten. Liegt es am Klima/Wetter? Liegt es an den Mustern menschlichen Handelns? Oder liegt es daran, dass das Immunsystem selbst mal stark und mal schwach ist? Dieses uralte Rätsel ist bis heute ungelöst. Darüber hinaus wird es einige Zeit dauern, bis die Frage beantwortet werden kann, ob COVID-19 auch saisonale Merkmale aufweist.

Geschrieben von | Idobon

Anfang 2020, während einer Grippesaison mit hohem Infektionsrisiko, verbreitete sich auch das neue Coronavirus rasant und auf der ganzen Welt. Seit dem Ausbruch hofften die Menschen, dass COVID-19 mit steigenden Temperaturen allmählich verschwinden würde, genau wie die Grippe. Im Februar äußerte US-Präsident Trump wiederholt die Theorie, dass das neue Coronavirus abgetötet würde, wenn es im April wärmer wird. Allerdings liegt die Zahl der neu bestätigten Fälle in den Vereinigten Staaten seit heute bei über 70.000 pro Tag.

Vor mehr als 2.500 Jahren entdeckten die Menschen, dass viele Infektionskrankheiten zu bestimmten Jahreszeiten häufiger auftreten. Beispielsweise tritt die Grippe am häufigsten in kalten und trockenen Wintern auf. Allerdings ist die Saisonalität der Erkrankung bislang nicht ausreichend erklärt worden. Andrew Loudon, Chronobiologe an der Universität Manchester, sagte, dass dieses Thema sehr schwer zu untersuchen sei, da es zwei oder drei Jahre dauern könne, die „saisonale Hypothese der Krankheit“ zu verifizieren. Zudem sei es für die Karriere ziemlich schädlich, wenn man während der Postdoc-Studien nur dieses eine Experiment durchführen könne. Noch wichtiger ist jedoch, dass es in diesem Bereich viele Störvariablen gibt und Forscher leicht in die Falle scheinbarer Korrelationen tappen können.

Im Jahr 2018 veröffentlichte Micaela Martinez, eine Ökologin für Infektionskrankheiten an der Columbia University, eine Studie in PLOS Pathogens[1]. Darin stellte sie fest, dass mindestens 68 Infektionskrankheiten saisonal auftreten, ihre Epidemiezyklen jedoch nicht synchronisiert sind und je nach Epidemiegebiet variieren:

Außer in tropischen Regionen kommt das Respiratorische Synzytial-Virus (RSV) am häufigsten im Winter vor, während Windpocken am häufigsten im Sommer auftreten. In den Vereinigten Staaten kommt das Rotavirus am häufigsten von Dezember bis Januar im Südwesten und von April bis Mai im Nordosten vor. Genitalherpes breitet sich im Frühling und Sommer im ganzen Land aus, während Tetanus bis zum Hochsommer warten muss. Im Sommer und Herbst beginnt die Gonorrhoe Probleme zu verursachen, und von Juni bis Oktober tritt Keuchhusten häufiger auf. In China ist die Syphilis im Winter ansteckender und im Juli nimmt die Typhus-Gefahr zu. In Indien tritt Hepatitis C im Winter am häufigsten auf, während sie in Ägypten, China und Mexiko im Frühling und Sommer auftritt. Die Guineawurmkrankheit und das Lassa-Fieber in Nigeria sowie die Hepatitis A in Brasilien stehen eindeutig mit der Trockenzeit in Zusammenhang.

Die folgende Tabelle basiert auf Daten aus US-Gesundheitsakten. Die Größe des Kreises stellt das Verhältnis der Zahl der in diesem Monat mit der Krankheit infizierten Personen zur jährlichen Zahl der Infektionen dar. Bei vielen Daten in der Tabelle handelt es sich um historische Daten, da die Zahl der mit vielen Krankheiten infizierten Menschen seit der Einführung von Impfstoffen sehr gering oder sogar null geworden ist.

Der Kalender der Epidemien

Quelle | https://www.sciencemag.org/news/2020/03/why-do-dozens-diseases-wax-and-wane-seasons-and-will-covid-19 (Originalbild kann detaillierte Daten zeigen)

Es gibt viele Faktoren, die saisonale Epidemien von Infektionskrankheiten verursachen. Der einfachste und intuitivste davon sind Krankheiten, die durch Insekten übertragen werden. Beispielsweise treten die Afrikanische Schlafkrankheit, Chikungunya, Denguefieber und Flussblindheit während der Regenzeit, wenn es viele Mücken gibt, häufiger auf.

Bei anderen Infektionskrankheiten ist es jedoch möglicherweise unmöglich, überhaupt einen Zyklus zu finden, geschweige denn die Ursache herauszufinden. „Das Erstaunlichste ist, dass man jeden Monat in derselben Umgebung am selben Ort ein Virus finden kann, das weit verbreitet ist“, sagte Neal Nathanson, ein pensionierter Virologe der University of Pennsylvania. Dies bedeutet, dass menschliche Aktivitäten – wie etwa die Rückkehr der Schüler in die Schule oder das Zuhausebleiben im Winter – nicht die eigentliche Ursache der Epidemie sind. Dies liegt daran, dass die meisten Viren zwischen Kindern übertragen werden. Wenn die Saisonalität der Infektionen vollständig vom menschlichen Verhalten beeinflusst wird, dann müssten die meisten Infektionskrankheiten in denselben Monaten vorherrschen.

Nathanson vermutet, dass die Fähigkeit des Virus, außerhalb des menschlichen Körpers zu überleben, ein wichtigerer Faktor ist als menschliche Aktivitäten. Manche Viren besitzen nicht nur ein Kapsid, das ihr Erbgut umhüllt, sondern auch eine äußere Hülle aus Lipiden. Die Hülle erleichtert die Interaktion zwischen dem Virus und den Wirtszellen und hilft dem Virus, Angriffen des Immunsystems zu entgehen. Allerdings bringt die Hülle auch Nachteile für das Virus mit sich: Viren mit Hülle sind anfälliger und können in den heißen und trockenen Sommern schlechter überleben.

Ein Bericht in Scientific Reports aus dem Jahr 2018 unterstützte Nathansons Hypothese. Der Virologe Sandeep Ramalingam von der Universität Edinburgh im Vereinigten Königreich hat in 36.000 Atemwegsproben von Patienten in den letzten sieben Jahren neun Viren gesammelt, einige mit und einige ohne Hülle. Nach der Analyse stellte Ramalingam fest, dass die behüllten Viren eine ziemlich eindeutige Saisonalität aufwiesen.

Wie das Influenzavirus haben auch das Respiratorische Synzytialvirus und das Humane Metapneumovirus eine Hülle, sind im Winter vorherrschend und treten nicht länger als vier Monate im Jahr auf. Das Rhinovirus, das eine Erkältung verursacht, hat keine Hülle und ist natürlich nicht winterfest. Atemwegsproben zeigen, dass das Rhinovirus an 84,7 % der Tage im Jahr aktiv ist und sich am stärksten ausbreitet, wenn die Schüler nach den Winter- und Sommerferien wieder zur Schule gehen. Ein weiteres häufiges Virus, das Erkältungen verursacht, sind Adenoviren, die ebenfalls keine Hülle haben und mehr als die Hälfte des Jahres aktiv sind.

Ramalingams Team untersuchte auch die Beziehung zwischen Viruslast und täglichen Wetteränderungen. Wenn sich die relative Luftfeuchtigkeit innerhalb von 24 Stunden um nicht mehr als 25 % ändert, ist die Menge an Influenzaviren und Respiratorischem Synzytialvirus am größten; Bei starken Feuchtigkeitsschwankungen wird die Lipidhülle brüchiger und die Virenmenge nimmt ab.

Der Klimageophysiker Jeffrey Shaman glaubt, dass die absolute Luftfeuchtigkeit und nicht die relative Luftfeuchtigkeit entscheidend ist. Ersteres bezieht sich auf den gesamten Wasserdampfgehalt pro Volumeneinheit Luft und Letzteres auf den Grad, in dem sich die Luftfeuchtigkeit der Sättigung nähert. In seiner gemeinsamen Forschung mit dem Epidemiologen Marc Lipsitch von der Harvard University kam er zu dem Schluss, dass der Rückgang der absoluten Luftfeuchtigkeit besser erklären kann, warum die Grippesaison in den kontinentalen Vereinigten Staaten in den Winter fällt, als die relative Luftfeuchtigkeit und die Temperatur – die absolute Luftfeuchtigkeit sinkt im Winter stärker, weil kalte Luft weniger Wasserdampf enthält.

Wir wissen jedoch immer noch nicht, warum manche Viren so anfällig gegenüber absoluter Luftfeuchtigkeit sind. Osmotischer Druck, Verdunstungsrate und pH-Wert können alle die Überlebenswahrscheinlichkeit der Viruskapside beeinflussen, aber es gibt noch keine Antwort auf die Frage nach dem Wirkungsmechanismus.

Auch das neue Coronavirus hat einen Umschlag. Wird es im Frühling und Sommer anfälliger, wenn die Luftfeuchtigkeit steigt? Leider haben uns das SARS-Coronavirus und das MERS-Coronavirus keine Hinweise hinterlassen. SARS brach Ende 2002 heftig aus und verschwand im Sommer des folgenden Jahres. MERS ist von Kamelen auf den Menschen übergesprungen und hat nur kleinere Ausbrüche in Krankenhäusern verursacht, sich jedoch nie so weit verbreitet wie das neue Coronavirus. Die kurze Dauer und die geringe Übertragungsreichweite dieser beiden Viren reichen nicht aus, um saisonale Zyklen aufzuzeigen.

Im Gegensatz dazu sind die vier menschlichen Coronaviren, die Erkältungen verursachen, aussagekräftiger. Kate Templeton, Molekularbiologin an der Universität Edinburgh, untersuchte und fasste insgesamt 11.611 Atemwegsproben aus den Jahren 2006 bis 2009 zusammen und stellte fest, dass drei davon typische Winterepidemien auslösen könnten, während ihr Vorkommen im Sommer nahezu nicht nachweisbar sei. Alle drei Coronaviren verhalten sich sehr ähnlich wie die Grippe.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass dies auch für das Coronavirus gilt. In Singapur gibt es mittlerweile mehr als 40.000 bestätigte Fälle (im März gab es weniger als 200 Fälle). Die südwestlichen Bundesstaaten der USA, insbesondere Arizona, leiden derzeit unter schweren COVID-19-Ausbrüchen. All dies zeigt, dass sich das neue Coronavirus zweifellos in warmen und feuchten Umgebungen verbreiten kann. Derzeit gibt es zwei gegensätzliche Schlussfolgerungen: Erstens: Betrachtet man die Epidemie auf dem chinesischen Festland, die 19 Provinzen, Kommunen und autonome Gebiete umfasst, von kalten und trockenen bis hin zu heißen Regionen, so hat die Übertragbarkeit des neuen Coronavirus nicht abgenommen. Zweitens kann sich das neue Coronavirus nur in Gebieten auf der Welt stabil verbreiten, in denen die Temperatur zwischen 5 °C und 11 °C und die relative Luftfeuchtigkeit zwischen 47 % und 79 % liegt[2]. Die Schlussfolgerungen dieser beiden Studien sind widersprüchlich.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Gleichgewicht zwischen Umweltfaktoren und dem Immunsystem der Bevölkerung besteht. Andere Coronaviren existieren bereits seit langer Zeit in der menschlichen Gesellschaft und ein Teil der Bevölkerung hat eine Resistenz entwickelt, die dazu beitragen kann, die Ausbreitung von Infektionskrankheiten zu verhindern, insbesondere wenn die natürliche Umgebung der Ausbreitung des Virus nicht förderlich ist. Dies gilt jedoch nicht für COVID-19. Martinez sagte, dass das neue Coronavirus zwar einen saisonalen Zyklus aufweist und im Frühling und Sommer weniger aktiv ist, sich aber über einen beträchtlichen Zeitraum hinweg halten kann, solange sich genügend anfällige Menschen auf einer Insel aufhalten. Als Trump wiederholt behauptete, die Epidemie werde bis April abklingen (wir wissen heute natürlich alle, dass er dafür eine Ohrfeige bekommen hat), hielten viele Forscher seine Behauptung für unglaubwürdig. Selbst wenn das Coronavirus weniger aktiv werde und der Ausbruch tatsächlich verlangsamt werde, werde dies nicht ausreichen, um die Ausbreitung des Virus zu stoppen, schrieb Lipsitch auf seinem Blog.

Derzeit konzentrieren sich die meisten Theorien auf die Beziehung zwischen Krankheitserregern, Umwelt und menschlichem Verhalten. Beispielsweise tritt die Grippe häufiger im Winter auf, was auf niedrige Luftfeuchtigkeit, niedrige Temperaturen, größere Menschenmengen, Veränderungen in der Ernährung, Veränderungen des Vitamin-D-Spiegels usw. zurückzuführen sein könnte. Der Epidemiologe Scott Dowell glaubt jedoch, dass diese Faktoren nicht ausreichen, um die Situation zu erklären. In einem vielzitierten Artikel aus dem Jahr 2001[3] stellte er eine ungeprüfte „Photoperiodenhypothese“ auf: Die Widerstandsfähigkeit des Immunsystems gegen verschiedene Infektionskrankheiten schwankt je nach Jahreszeit und hängt mit der Lichtmenge zusammen, die der menschliche Körper erhält.

Dowells Hypothese inspirierte Martinez. Sie ließ die Probanden regelmäßig zu vier Zeitpunkten in die Klinik kommen: zur Frühlings-Tagundnachtgleiche, zur Sommersonnenwende, zur Herbst-Tagundnachtgleiche und zur Wintersonnenwende, um den Zustand ihres Immunsystems und andere physiologische Veränderungen im Tagesverlauf zu beurteilen. Sie hatte nicht erwartet, dass das Immunsystem einfache zeitliche Merkmale aufweist: beispielsweise schwach im Winter und stark im Sommer. Doch Martinez hofft, durch die Zählung der verschiedenen Zellen des Immunsystems, die Untersuchung von Metaboliten und Zytokinen im Blut, die Entschlüsselung des fäkalen Mikrobioms und die Messung des Hormonspiegels Jahreszeiten zu identifizieren, in denen das Immunsystem „neu verdrahtet“ wird – mit anderen Worten, in denen bestimmte Zellen an bestimmten Stellen häufiger und andere seltener vorkommen und sich dadurch die Anfälligkeit einer Person für Krankheitserreger ändert.

Tierstudien stützen die Hypothese, dass das Immunsystem mit den Jahreszeiten schwankt. Barbara Hall, Ornithologin an der Universität Groningen in den Niederlanden, hat europäische Drosseln untersucht. Sie sammelten mehrmals im Jahr Blutproben von den Vögeln und stellten fest, dass das Immunsystem dieser Drosseln im Sommer aktiver und im Herbst unterdrückter und stabiler war. Dies kann daran liegen, dass der Herbstzug ziemlich energieintensiv ist.

Randy Nelson, Endokrinologe an der West Virginia University, glaubt, dass die saisonalen Schwankungen des Immunsystems durch Melatonin gesteuert werden. Melatonin, das von der Zirbeldrüse abgesondert wird, reguliert nicht nur den zirkadianen Rhythmus, sondern auch den saisonalen „biologischen Kalender“. Wenn die Nächte länger werden, schüttet die Zirbeldrüse mehr Melatonin aus. „Die Zellen sagen: Oh, ich sehe etwas mehr Melatonin und weiß, es ist eine Winternacht.“ Nelson führte Experimente mit tagaktiven sibirischen Hamstern durch (beachten Sie, dass gewöhnliche Mäuse nachtaktiv sind) und fand heraus, dass die Regulierung des Melatonins oder die Veränderung von Lichtmustern die Immunreaktion der Hamster beeinflussen kann, wobei die Auswirkung bis zu 40 % betragen kann.

Auch das menschliche Immunsystem scheint über einen angeborenen zirkadianen Rhythmus zu verfügen. Im Jahr 2016 führte die Universität Birmingham im Vereinigten Königreich einen Grippeimpfstofftest an 276 Erwachsenen durch, wobei die eine Hälfte nach dem Zufallsprinzip morgens und die andere Hälfte nachmittags geimpft wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass die Antikörperreaktion bei denjenigen, die den Impfstoff morgens erhalten hatten, deutlich stärker war[4].

Noch erstaunlicher ist, dass es auch Hinweise darauf gibt, dass sich das menschliche Immunsystem mit den Jahreszeiten verändert. Im Jahr 2015 sammelten Forscher der Universität Cambridge mehr als 10.000 Blut- und Gewebeproben aus Europa, den Vereinigten Staaten, Gambia und Australien und stellten fest, dass etwa 4.000 immunbezogene Gene je nach Jahreszeit unterschiedlich exprimiert wurden. In einer Gruppe deutscher Proben veränderte sich die Expression von fast einem Viertel der Immungene in weißen Blutkörperchen mit den Jahreszeiten. Einige Gene werden nicht exprimiert, wenn sich der menschliche Körper auf der Südhalbkugel befindet, aber sie werden aktiviert, wenn sich der menschliche Körper auf die Nordhalbkugel bewegt und umgekehrt[5].

Der Erstautor der Studie, der Immunologe Xaquin Castro Dopico, wies in dem Artikel allerdings auch darauf hin, dass noch unklar sei, wie sich diese großflächigen, allgemeinen Veränderungen des Immunsystems auf die körpereigene Abwehr von Krankheitserregern auswirken. Darüber hinaus können einige Veränderungen eher das Ergebnis einer Infektion als deren Ursache sein. Obwohl das Forschungsteam sein Bestes tat, um Proben von Personen mit akuten Infektionskrankheiten auszuschließen, wurden unvermeidlicherweise einige Proben daruntergemischt.

Darüber hinaus reichen jahreszeitliche Veränderungen des Immunsystems nicht aus, um die saisonalen Krankheitsmuster zu erklären, die viel komplexer sind und mehr Variablen aufweisen. Wie Nathanson sagte: Diese Epidemien verlaufen einfach nicht synchron. Er vermutet, dass jahreszeitliche Veränderungen des Immunsystems nicht ausreichen, um eine derart ausgeprägte Desynchronisation hervorzurufen.

Martinez‘ Experimente haben bereits Daten gesammelt und keine Hinweise auf Saisonalität im Immunsystem gefunden. Sie stellte jedoch fest, dass eine Untergruppe der weißen Blutkörperchen, die eine zentrale Rolle im Immunsystem spielen, zu bestimmten Tageszeiten stärker reagiert. Martinez ist jedoch zutiefst besorgt, dass künstliches Licht den circadianen Rhythmus, mit dem wir durch die Evolution ausgestattet sind, stören könnte, was letztlich unvorhersehbare Auswirkungen auf die Krankheitsanfälligkeit haben könnte.

In seiner Arbeit aus dem Jahr 2001 schlug Dowell vor, dass wir durch „Experimente mit der Natur“ Einblicke in Faktoren gewinnen könnten, die die Saisonalität von Krankheiten beeinflussen. Auf Kreuzfahrtschiffen beispielsweise treffen sich Menschen aus der nördlichen und südlichen Hemisphäre und pflegen gesellige Kontakte. Sie passen sich zwar an unterschiedliche Jahreszeitenzyklen an, sind aber mit denselben Krankheitserregern konfrontiert. Im Falle des Ausbruchs auf der Diamond Princess könnten Forscher die Infektionsraten von Passagieren aus verschiedenen Regionen analysieren, um festzustellen, ob sie gleich sind.

Obwohl die COVID-19-Pandemie derzeit einen globalen Notfall darstellt und die meiste Aufmerksamkeit auf sich zieht, ist es ebenso wichtig zu untersuchen, warum verschiedene Infektionskrankheiten im Laufe des Jahres manchmal ihren Höhepunkt erreichen und manchmal aussterben. Das Verständnis dieses Problems kann uns neue Ideen zur Vorbeugung und Behandlung der neuen Coronavirus-Erkrankung liefern. Das Verständnis der sogenannten „Saisonalität“ kann uns auch dabei helfen, Krankheiten zu überwachen und den Zeitpunkt von Impfungen zu bestimmen. „Wenn wir herausfinden könnten, was die Ausbreitung der Grippe im Sommer verhindert, wäre das viel nützlicher als jeder Grippeimpfstoff“, sagte Dowell.

Verweise

[1] Martinez ME (2018) Der Kalender der Epidemien: Saisonale Zyklen von Infektionskrankheiten. PLoS Pathog 14(11): e1007327. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1007327

[2] https://gvn.org/enhanced-model-for-monitoring-zones-of-increased-risk-of-covid-19-spread/

[3] Dowell SF (2001). Saisonale Schwankungen in der Anfälligkeit des Wirtes und in den Zyklen bestimmter Infektionskrankheiten. Neu auftretende Infektionskrankheiten, 7(3), 369–374. https://doi.org/10.3201/eid0703.010301

[4] Long, JE, Drayson, MT, Taylor, AE, Toellner, KM, Lord, JM, & Phillips, AC (2016). Eine morgendliche Impfung verstärkt die Antikörperreaktion im Vergleich zur Nachmittagsimpfung: Eine Cluster-randomisierte Studie. Vaccine, 34(24), 2679-2685.

[5] Dopico,

Die Hauptreferenzquelle dieses Artikels: https://www.sciencemag.org/news/2020/03/why-do-dozens-diseases-wax-and-wane-seasons-and-will-covid-19