Respiratorische Virusinfektionen: Mechanismen der saisonalen Ausbreitung

Viele Viren, die Atemwegserkrankungen verursachen, weisen in Abhängigkeit von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Sonneneinstrahlung eine saisonal bedingte Aktivität auf. Dadurch wird ihre Stabilität und/oder Übertragbarkeit beeinflusst.

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Klassischerweise gilt die kalte Jahreszeit als Hochsaison der Erkältungs- und Grippeviren. Diese beinhalten über 200 Vertreter aus mehreren Virusfamilien. Dazu gehören unter anderem die Rhinoviren, Coronaviren, Influenzaviren, Adenoviren, Parainfluenzaviren, die humanen Metapneumoviren, humanen Bocaviren und respiratorischen Synzytialviren (1). Dabei sind die Rhinoviren für circa 30–50 % der jährlichen Erkältungsfälle verantwortlich, gefolgt von Coronaviren mit 10–15 % der Fälle (2). In der Tat gibt es in der nördlichen Hemisphäre ein vermehrtes Auftreten respiratorischer Infektionskrankheiten in den Herbst- und Wintermonaten, deren Zahl im Frühling wieder langsam absinkt. In den tropischen Regionen hingegen wird der Höhepunkt der Fallzahlen während der Regenmonate erreicht (2).

Verschiedene Studien weisen darauf hin, dass saisonale Determinanten höchstwahrscheinlich eine Rolle bei der Aktivität und Verbreitung von respiratorischen Erregern spielen (3). Dabei wird die Beteiligung mehrerer Faktoren vermutet (Grafik). Umweltfaktoren können einen direkten Einfluss auf die Übertragung beziehungsweise Stabilität von Viren in Aerosolen/Tröpfchen ausüben und zudem pulmonale Abwehrmechanismen beeinflussen.

Grafik

Einflussfaktoren der Saisonalität von respiratorischen Erregern (nach [3])

Zudem wird dem menschlichen Verhalten eine Rolle in der Saisonalität von Infektionskrankheiten zugeschrieben unter anderem durch die Anzahl und Dauer der Sozialkontakte. Generell kann die Übertragung respiratorischer Erreger über 3 verschiedene Wege stattfinden:

1. Luftübertragung durch kleine Aerosole (< 5 μm), die sich über einen gewissen Zeitraum in der Luft halten,

2. größere Tröpfchen, die direkt mit den Schleimhäuten von uninfizierten Personen in Kontakt kommen, oder

3. (in)direkten Kontakt mit infektiösen Sekreten, zum Beispiel direkt von einer infizierten Person oder indirekt über kontaminierte Oberflächen (Grafik).

Einfluss von Umweltfaktoren auf respiratorische Erreger

Verschiedene Umweltfaktoren beeinflussen die Aktivität der Viren. Besonders die Temperatur, Luftfeuchtigkeit und das Sonnenlicht spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Es wird vermutet, dass die Temperatur und Luftfeuchtigkeit einen Einfluss auf die viralen Oberflächenproteine und die Lipidmembran ausüben und damit direkt die Stabilität von behüllten Viren, zum Beispiel Influenzaviren, beeinflussen können (4, 5). Sowohl die absolute als auch die relative Luftfeuchtigkeit scheinen dabei entscheidende Parameter zu sein. Während die absolute Luftfeuchtigkeit den Gehalt des tatsächlichen Wasserdampfs in der Luft angibt (in g/m³), bezieht sich die relative Luftfeuchtigkeit darauf, wie viel des maximal möglichen Wasserdampfs momentan in der Luft vorhanden ist (in %).

Luftsättigung oder Verdunstung haben einen direkten Einfluss auf die Stabilität und Dynamik von Tröpfchen oder Aerosolen und beeinflussen damit auch Virusstabilität und Übertragungsroute. Dabei können Veränderungen in der Wassermenge, der Equilibriumsgröße und damit der Tröpfchenoberfläche, der Konzentration von Salzen sowie des pH-Werts eine Rolle spielen (6).

Eine aktuelle Studie hat sich mit der Lebenszeit von Aerosolen in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit beschäftigt (7). Nach den Berechnungen der Forscher halten sich demnach Partikel von einer mittleren Größe (50 μm) sehr viel länger bei hoher Luftfeuchtigkeit in der Luft im Vergleich zu einer niedrigen Luftfeuchtigkeit. Je nach Partikelgröße kann sich dieses Verhältnis aber ändern. Gleichzeitig konnten die Forscher zeigen, dass die Luftfeuchtigkeit einen Einfluss auf die Distanz hat, mit der sich Partikel von ihrer Quelle entfernt bewegen können, bei mittelgroßen Partikeln (50 μm) war die Reichweite deutlich größer bei hoher Luftfeuchtigkeit im Vergleich zu einer mittleren Luftfeuchtigkeit.

Für einige respiratorische Erreger konnte eine höhere Stabilität und/oder Übertragbarkeit bei niedriger und/oder hoher relativer Luftfeuchtigkeit gezeigt werden (8, 9, 10). Weitere Studien haben gezeigt, dass die niedrige absolute Luftfeuchtigkeit in Wintermonaten mit der Saisonalität von Influenzaviren korreliert (11, 12).

Ähnliche Beobachtungen wurden in Bezug auf die Temperatur gemacht. Bei niedrigen Temperaturen erhöhte sich die Stabilität und/oder Übertragbarkeit einiger respiratorischer Erreger im Vergleich zu höheren Temperaturen (9, 13, 14). Basierend auf experimentellen Beobachtungen in Tierversuchen wurde die Hypothese aufgestellt, dass respiratorische Infektionen (am Modell Influenza) je nach Klima/Jahreszeit auf unterschiedlichen Wegen übertragen werden können (15).

Während der Wintermonate ist demnach die Übertragung durch Aerosole begünstigt, da diese in Innenräumen länger in der Luft verbleiben. Im Gegensatz hierzu sorgt eine tropische Atmosphäre mit hoher Luftfeuchtigkeit dafür, dass sich Aerosole und Tröpfchen zwar schneller absetzen, jedoch länger auf Oberflächen stabil bleiben und somit eventuell eine indirekte Kontaktübertragung begünstigen (Tabelle).

Tabelle

Übersicht über Luftfeuchtigkeit, Virusstabilität und Übertragungswege (mod. nach [3])

Neben Temperatur und Luftfeuchtigkeit spielt auch das Sonnenlicht eine wichtige Rolle. Neueste Studien konnten eine inaktivierende Wirkung von – dem Sonnenlicht nachempfundener – UV-Strahlung gegen das neu-aufgetretene SARS-CoV-2, den Erreger von COVID-19, zeigen (16). Zudem hat die Sonneneinstrahlung einen direkten Einfluss auf das Vitamin-D-Level im Körper (17), das auch die Immunfunktionen beeinträchtigen kann (18).

In der Tat haben einige randomisierte, placebokontrollierte Studien einen positiven Einfluss von Vitamin-D-Supplementation in der Inzidenz von respiratorischen Winterinfektionen gezeigt (19, 20).

Saisonaler Einfluss auf intrinsische Abwehrmechanismen

Intrinsische Barrieren sind die erste Verteidigung gegen eintretende respiratorische Erreger. Dabei tragen pulmonale Abwehrmechanismen und mukoziliäre Clearance (MCC) dazu bei, dass Erreger am Eintritt gehindert werden. Durch koordinierte Bewegung werden in die Atemwege eingedrungene kleinere Fremdkörper und Erreger ständig aus den Atemwegen befördert. In verschiedenen Studien konnte eine Beeinträchtigung der MCC und Ziliarbewegung durch niedrige Temperaturen und niedrige Luftfeuchtigkeit gezeigt werden (21, 22).

Zudem gibt es Hinweise darauf, dass die Epithelintegrität durch niedrige Luftfeuchtigkeit beeinträchtigt wird (21). Dies könnte zu einer erhöhten Empfänglichkeit des Epithelgewebes gegenüber respiratorischen Erregern führen.

Neben den Einfluss auf diese intrinsischen Barrieren spielt auch das antivirale Immunsystem eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle von respiratorischen Erregern. Das angeborene Immunsystem erkennt dabei Signaturen eintretender Erreger über verschiedene Rezeptoren, wodurch Signaltransduktionskaskaden initiiert werden, die zur Produktion von Typ-I- und Typ-III-Interferon führen. Interferonstimulierte Gene (ISG) können dann direkte antivirale Effektoraktivitäten bewirken und die Zellen in einen antiviralen Status versetzen.

Verschiedene Studien konnten zeigen, dass die Interferon-Antwort durch die Temperatur beeinflusst werden kann (21, 23, 24). Dies hat zur Folge, dass einige respiratorische Erreger präferenziell bei 33 °C im Vergleich zu 37 °C replizieren. Neben der angeborenen Immunantwort gibt es Hinweise, dass die virusspezifische adaptive Immunität ebenfalls durch die Temperatur negativ beeinträchtigt werden kann (25).

Beitrag menschlichen Verhaltens zu saisonalem Infektionsgeschehen

Die Übertragung von Infektionskrankheiten ist ein dynamischer Prozess, der stark vom Verhalten der Menschen geprägt ist. Neben der grundlegenden Hygiene spielen auch weitere Faktoren eine Rolle, so zum Beispiel Anzahl/Dauer der Sozialkontakte, Aufenthalt im Freien oder in gut belüfteten Räumen oder auch vermehrte (Flug-)Reisen.

In diesem Zusammenhang vermutet man, dass schlechte (d. h. kalte und nasse) Wetterverhältnisse die Aufenthaltsdauer in geschlossenen Räumen steigert und damit eine potenzielle Übertragung durch engere und gegebenenfalls längere Kontakte begünstigt. Dabei gilt: Je mehr Personen sich in einem geschlossenen Raum befinden und je länger die dort verbrachte Zeitspanne, umso größer ist das potenzielle Risiko einer Übertragung. Statistisch gesehen wurde gezeigt, dass die durchschnittliche Mensch-zu-Mensch-Kontaktzahl an Arbeitstagen unter der Woche im Vergleich zum Wochenende oder während Urlaubsperioden ansteigt (26).

Der genaue Einfluss meteorologischer Faktoren bei der Art und Dauer der Sozialkontakte ist dabei nicht genau bekannt, aber es wird vermutet, dass lokale Wetterereignisse die Anzahl an sozialen Kontakten nicht stark beeinflussen, sondern vielmehr die Kontaktdauer erhöhen (27).

Generell wird davon ausgegangen, dass bei einem Aufenthalt im Freien oder in größeren Räumen mit einem besseren Luftaustausch das Übertragungsrisiko sinkt. Eine infizierte Person kann zum Beispiel durch Aktivitäten wie Niesen, Husten oder Sprechen eine Vielzahl an Tröpfchen oder Mikroorganismen verteilen. Beim Niesen werden dabei etwa 40 000 Partikel (Tröpfchen oder Mikroorganismen) pro Niesen verteilt, wohingegen ein Husten etwa 710 Partikel erzeugt und beim Sprechen circa 36 Partikel pro Wort freigesetzt werden (28). Die minimale Infektionsdosis (Anzahl an Viruspartikeln, die eine Infektion auslöst) variiert dabei zwischen Erregern. Der Aufenthalt im Freien oder in größeren Räumen sorgt dafür, dass potenziell infektiöse Partikel verdünnt werden, sodass das Infektionsrisiko sinkt, wie exemplarisch für das SARS-CoV-2 berechnet (29). Damit können meteorologische Bedingungen über das Verhalten von Menschen indirekt zur Saisonalität von respiratorischen Erregern beitragen.

Reisen und insbesondere Flugreisen werden ebenfalls in einen Zusammenhang mit der Saisonalität von Virusinfektionen gebracht. Dabei geht es vor allem um die geografische Verbreitung, nachdem ein epidemischer oder pandemischer Virusstamm neu aufgetreten ist (30). Dies hat in der Vergangenheit zur globalen Verbreitung von pandemischen Influenzaviren geführt (31) und auch eine signifikante Rolle bei der Ausbreitung der COVID-19-Pandemie gespielt (32). Zudem wurde zum Beispiel für Influenza gezeigt, dass die Viren häufig von wärmeren zu kälteren geografischen Regionen migrieren (33); aber auch saisonale Infektionsereignisse können zum Teil mit Flugreisen in Verbindung gebracht werden (34).

Fazit

• Viele respiratorische virale Erreger weisen eine Saisonalität auf, die zum Teil durch meteorologische Faktoren mitbedingt ist.
• Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Sonneneinstrahlung können dabei auf verschiedene Weise die Stabilität und/oder Übertragbarkeit einiger Erreger beeinflussen.
• Intrinsische Abwehrmechanismen können durch meteorologische Faktoren beeinflusst werden.
• Das Verhalten von Menschen spielt ebenfalls eine Rolle bei der Saisonalität von respiratorischen Erregern. ▄

DOI: 10.3238/PersInfek.2020.09.11.05

Jun.-Prof. Dr. rer. nat. Stephanie Pfänder

Abteilung für Molekulare und Medizinische Virologie,
Ruhr-Universität Bochum

Interessenkonflikt: Die Autorin erklärt, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Literatur im Internet:
www.aerzteblatt.de/lit3720

Literatur

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