ArchivDeutsches Ärzteblatt11/2021SARS-CoV-2: Was Superspreader auszeichnet

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SARS-CoV-2: Was Superspreader auszeichnet

Schlenger, Ralf L.

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Schon in einer gesunden Population gehen 80 % der exhalierten Partikel auf das Konto von 18 % der Individuen. Kommt eine Atemwegsinfektion hinzu, ist das ein Turbo für den Aerosolausstoß. Kennzeichnend für die „Superspreader“ ist eine Art Barrierestörung der Atemwegsschleimhaut, die mit dem Alter und dem Körpergewicht zunimmt.

Foto: Photocreo Bednarek/stock.adobe.com
Foto: Photocreo Bednarek/stock.adobe.com

Forschende gehen davon aus, dass von einem kleinen Teil der mit SARS-CoV-2 infizierten Menschen die Mehrheit der Ansteckungen ausgeht. Das Konzept der „Superspreader“ ist allerdings wissenschaftlich nicht leicht zu greifen oder gar zu quantifizieren. Eine Gruppe um den Harvard-Forscher David A. Edwards machte die Probe aufs Exempel, indem sie die exhalierten Teilchen bestimmten, die von gesunden Menschen ausgingen und, in einer 2. Versuchsreihe, von infizierten Tieren (1).

Als menschliche Freiwillige wurden gesunde Mitarbeiter eines Lebensmittelbetriebes in North Carolina und eines College in Michigan rekrutiert. Die Probanden im Alter von 19 bis 66 Jahren atmeten mit zugehaltener Nase in das Mundstück eines Detektors, der Partikel in der Größe von 0,3 µm bis 5 µm zählte. Heraus kam: 35 der 194 Probanden (18 %) sorgten für 80 % der gesamten Aerosolproduktion. Der Cut-off zwischen „low spreader“ und „super spreader“ verlief bei 156 Tröpfchen je Liter Ausatemluft. Doch auch innerhalb der Superspreader-Gruppe bestand noch eine ungleiche Verteilung: 80 % der Partikel gingen wiederum auf das Konto von nur 18 Personen, also der Hälfte dieser Gruppe.

Die niedrigsten und die höchsten gezählten Tröpfchenzahlen lagen insgesamt um den Faktor 1 000 auseinander. Die klassische 20/80 Regel, so die Autoren, gelte also auch für den Ausstoß von Bioaerosolen bei Gesunden und reflektiere die häufig angenommene 20/80-Superspreader-Verteilung von Infektionen. Doch welchen Individuen ist schon physiologisch ein hoher Partikelausstoß zuzuschreiben? Bei der Suche nach Beziehungen der Zahlenwerte zu Geschlecht, Alter und Body-Mass-Index (BMI) fanden sich signifikante Korrelationen mit dem Alter und dem BMI, insbesondere den BMI-Jahren als Produkt aus Alter und BMI. Die Spanne der BMI-Jahre reichte von 200 bis 2 700, mit je der Hälfte der Teilnehmer unter oder über 650. Die Gruppe mit mehr als 650 BMI-Jahren trug signifikant mehr zur Gesamtaerosolproduktion bei, in ihr fand sich die Mehrzahl der Superspreader. Wer unter 26 Jahre alt war und wer einen niedrigeren BMI als 22 hatte, war stets ein „low spreader“.

Infektiosität im Tiermodell

In den Humanversuchen wurden nur gesunde Probanden auf ihre Aerosolproduktion untersucht. Dass sich die Lage bei vorgeschädigten Atemwegen anders darstellt, demonstrierten die Forschenden im Tierversuch. Sie infizierten 8 Nichtprimaten (Rhesusaffen und äthiopische Grünmeerkatzen) mit SARS-Cov-2 und nahmen an den Tieren mithilfe von Baby-Atemmasken analoge Partikelzählungen mit einem Detektor wie in der humanen Kohorte vor.

Auffallend am Ergebnis war zum einen die Parallelität der Aerosolproduktion und der Virusreplikation: Virale DNA war im Nasalabstrich am 1. Tag nach der Infektion nachweisbar, virale Titer erreichten ein Maximum am Tag 7 und fielen danach deutlich ab. Die exhalierten Partikel stiegen ab Tag 3 an und erreichten ihr Maximum ebenfalls am 7. Tag, um danach abzufallen. Des Weiteren verschob sich im zeitlichen Verlauf das Teilchenspektrum deutlich hin zu kleineren Tröpfchen: Mit dem Anstieg der Virustiter dominierten immer mehr die Partikel < 1 µm; der Anteil größerer Partikel war um den Tag 7 – bei der stärksten Viruslast – am geringsten. Die Krankheit verlief bei allen Affen mild und selbstlimitierend.

Wenn sich die höchste Aerosolproduktion bei älteren und übergewichtigen Menschen einerseits und und bei infizierten Atemwegen andererseits zeigt, wie erklärt sich dies, und was lässt sich daraus ableiten? Als gemeinsamen Nenner sehen die Autoren Faktoren wie Alter, Ernährungsgewohnheiten und Lungeninfektionen. Sie alle sind dafür bekannt, die Struktur und die Barrierefunktion der Atemwegsschleimhaut beziehungsweise des Flüssigkeitsfilms, der die Atemwege auskleidet („airway lining fluid“), zu verändern. Die Chemie des Schleims, die Art und Menge von Surfactant wie auch entzündliche Veränderungen durch Infekte beeinflussen die viskoelastischen Eigenschaften der Schleimschicht und ihre Neigung zur Disintegration. Bei gestörter Integrität der Schleimhaut steigt die Abgabe von Partikeln an den Luftstrom in den Atemwegen beim Atmen, Sprechen, Husten.

Handelt es sich um infektiöse Partikel, resultiert dies in einer entsprechend höheren Umgebungsbelastung und Ansteckungsgefahr für exponierte Menschen. Der Hauptübertragungsweg für SARS-CoV-2 ist bekanntlich die respiratorische Aufnahme virushaltiger Partikel, die beim Atmen, Husten, Sprechen, Singen und Niesen eines Infizierten entstehen.

Korrelation zwischen ausgeatmeten Partikeln, BMI und Alter
Grafik
Korrelation zwischen ausgeatmeten Partikeln, BMI und Alter

Praktische Implikationen

Die Studie von Edwards et al. liefert einen starken Hinweis darauf, dass eine Minderheit von Individuen von ihrem Phänotyp her für einen Hauptteil der Produktion von Aerosolen verantwortlich ist. Sie reiht sich in Arbeiten ein, die für eine Dominierung der COVID-19-Ausbreitung durch wenige „Superspreader“ argumentieren.

Die Autoren vermeiden, den idealtypischen Superspreader explizit als alten, übergewichtigen Menschen mit Atemwegsvorerkrankungen zu zeichnen, wenngleich ihre Ergebnisse in diese Richtung deuten. Junge Menschen mit intaktem, stabilem Atemwegsepithel kommen nach den hier dargestellten Daten praktisch niemals als Superspreader infrage und die Wahrscheinlichkeit, dass sie sich oder andere infizieren, erscheint ebenfalls geringer.

Dennoch ist auch bei jungen Menschen im Falle einer akuten SARS-CoV-2-Infektion von einer relativ erhöhten Aerosolproduktion auszugehen. Edwards und Kollegen verzichteten auf COVID-19-Patienten in ihrer Versuchsreihe. Doch im Experiment mit infizierten Affen zeigte sich eine Infektionskinetik, die der humanen ähnlich war: Das Maximum der Exhalation der Tiere lag am Tag 7, zeitgleich mit der höchsten Viruslast. SARS-CoV-2-infizierte Menschen haben eine durchschnittliche Inkubationszeit von etwa 5–6 Tagen und in den Tagen nach dem Symptombeginn die höchste Viruslast und Ansteckungsfähigkeit (2). In Abstrichen, die mehr als 9 Tage nach Symptombeginn genommen wurden, wurden keine infektionsfähigen Coronaviren mehr gefunden (3). Die Bedeutung hochwertiger Schutzmasken unterstreicht der Umstand, dass – zumindest im Tierversuch – die exhalierten Partikel mit dem Anstieg der Viruslast kleiner wurden (0,3–1 µm). SARS-CoV-2 selbst hat nur etwa 0,1 µm Durchmesser, im Aerosol könnten sich also wasserummantelte Viren in „Reinform“ finden (4).

Für den Effekt der gestörten Schleimbarriere, von der sich beim Husten Tröpfchen losreißen, finden die Autoren das Bild vom Meer unter Sturm, von dem die Gischt aufstiebt. Dieser Effekt sei keine Einbahnstraße: Wird Virusmaterial massiv exhaliert, finde es auch leicht den Weg in die Tiefen der eigenen Lunge. Dies könnte bei fulminanten Verläufen von COVID-19 eine Rolle spielen, außerdem korreliert es mit dem höheren Risiko schwerer Verläufe bei älteren (etwa 50–60 Jahre) und adipösen (BMI > 30) beziehungsweise stark adipösen (BMI > 35) Menschen (1).

Die Autoren betonen schließlich, dass ein Superspreader allein kein entsprechendes „Event“ macht. Er oder sie ist aber der Treibsatz der Infektion in einem Setting mit vielen Menschen, wenig Abstand und schlechter Lüftung. Ralf L. Schlenger

Literatur im Internet:
www.aerzteblatt.de/lit1121
oder über QR-Code.

1.
Edwards DA, Ausiello D, Salzman J, at el.: Exhaled aerosol increases with COVID-19 infection, age, and obesity. Proc Natl Acad Sci USA 2021; 118 (8): e2021830118 CrossRef MEDLINE PubMed Central
2.
Robert Koch-Institut: Epidemiologischer Steckbrief zu SARS-CoV-2 und COVID-19. https://www.rki.de/DE/Content/InfAZ/N/Neuartiges_Coronavirus/Steckbrief.html.
3.
Cevik M, Tate M, Lloydet O, et al.: SARS-CoV-2, SARS-CoV, and MERS-CoV viral load dynamics, duration of viral shedding, and infectiousness: a systematic review and meta-analysis. Lancet Microbe 2021; 2 (1): e13-e22 CrossRef
4.
Peeples L.: Face masks: what the data say. Nature 2020; 586: 186–9 CrossRef MEDLINE
Korrelation zwischen ausgeatmeten Partikeln, BMI und Alter
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Korrelation zwischen ausgeatmeten Partikeln, BMI und Alter
1.Edwards DA, Ausiello D, Salzman J, at el.: Exhaled aerosol increases with COVID-19 infection, age, and obesity. Proc Natl Acad Sci USA 2021; 118 (8): e2021830118 CrossRef MEDLINE PubMed Central
2.Robert Koch-Institut: Epidemiologischer Steckbrief zu SARS-CoV-2 und COVID-19. https://www.rki.de/DE/Content/InfAZ/N/Neuartiges_Coronavirus/Steckbrief.html.
3.Cevik M, Tate M, Lloydet O, et al.: SARS-CoV-2, SARS-CoV, and MERS-CoV viral load dynamics, duration of viral shedding, and infectiousness: a systematic review and meta-analysis. Lancet Microbe 2021; 2 (1): e13-e22 CrossRef
4.Peeples L.: Face masks: what the data say. Nature 2020; 586: 186–9 CrossRef MEDLINE

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