Schutz vor COVID-19: Wirksamkeit des Mund-Nasen-Schutzes

Seit dem Ausbruch in Wuhan Anfang 2020 hat sich SARS-CoV-2 pandemisch ausgebreitet. Der Erreger wird hauptsächlich respiratorisch übertragen und führt vor allem bei älteren und vulnerablen Bevölkerungsgruppen zu zahlreichen Todesfällen. Seit kurzem stehen Impfstoffe zur Verfügung. Wie schnell mit Hilfe dieser Impfungen eine Immunität auf Bevölkerungsebene erreicht werden wird, ist noch unklar (1). Zu den wichtigsten Schutzmaßnahmen gegen die Ansteckung mit SARS-CoV-2 gehören

• die Einhaltung von Mindestabständen

• die Durchführung von Hygienemaßnahmen und

• das Tragen eines Mund-Nasen-Schutzes (Maske).

Letzteres wird im Folgenden anhand von Daten aus der wissenschaftlichen Literatur und Fallbeispielen (Kasten 1) erläutert.

Methode

In einer selektiven Literaturrecherche in PubMed wurden anhand von Kombinationen der Suchbegriffe „COVID-19”, „SARS-CoV-2”, „virus”, „viral”, „masks”, „droplets”, „aerosol”, „transmission” und „prevention” ohne Begrenzung des Suchzeitraums englisch- und deutschsprachige Artikel zur Schutzwirkung von Masken gegenüber COVID-19 gesucht. Informationen des Robert Koch-Instituts sowie der Centers for Disease Control (Atlanta, USA) wurden zusätzlich berücksichtigt.

Infektionswege, Virusdosis und Infektiosität

SARS-CoV-2 wird durch Tröpfchen und Aerosole übertragen (4). Infektionstüchtiges SARS-CoV-2 ist experimentell in Aerosolen über drei Stunden lang nachweisbar (5). Infektionen sind auch durch direkten Personenkontakt möglich. Die Übertragung über Oberflächen wird derzeit als weniger wahrscheinlich angesehen, wenngleich infektionstüchtiges SARS-CoV-2 auf Stahloberflächen bis zu 48 Stunden und auf Plastikoberflächen bis zu 72 Stunden lang nachweisbar sein kann (5, 6). Möglicherweise kann eine SARS-CoV-2-Infektion auch dann weitergegeben werden, wenn sich die Indexperson und die Person, die durch die Indexperson infiziert wird, nicht gleichzeitig in geschlossenen Räumen aufhalten. Ein Fallbericht legt dies für den Umkleidebereich eines Squash-Zentrums nahe. Allerdings war nicht auszuschließen, dass gleichzeitig anwesende Mitarbeiter des Squash-Zentrums symptomlos infiziert waren (7).

Die Grenze zur Unterscheidung zwischen Tröpfchen und Aerosolen wird in der Regel bei einer Größe der Flüssigkeitspartikel von 5–10 µm gezogen. Video-Untersuchungen zeigen, dass menschliche Sprecher innerhalb von 16,7 ms (= Belichtungsdauer eines einzelnen Bildes) je nach Sprechlautstärke zwischen 227 und 347 Tropfen einer Größe von 20 bis 500 µm abgeben (8). Dies entspricht bis zu etwa 20 000 Tropfen pro Sekunde.

Während größere Tröpfchen meist innerhalb von 1,5–2 m Abstand vom Sprecher auf den Boden fallen, verdunsten kleinere Tröpfchen, und die nichtlöslichen Bestandteile verbleiben als Schwebeteilchen in der Luft. Somit ist die Exposition gegenüber Tröpfchen in der exhalierten Luft bei einem Abstand von weniger als 1,5–2 m zum Sprecher weitaus stärker als bei größeren Abständen (9). Durch einen Mund-Nasen-Schutz wird die Anzahl der Tröpfchen auch im Nahbereich (15 cm Entfernung von der Maske) reduziert, und zwar um 60–95 % (Baumwollmaske) beziehungsweise um 99 % oder mehr (chirurgische Maske und N-95-Maske ohne Ventil) reduziert (Abbildung) (10).

Daten zur Höhe der Viruslast, die bei 50 % der exponierten Menschen eine Infektion oder Erkrankung auslöst (ID-50), fehlen bisher weitestgehend für SARS-CoV-2. Infektionsversuche beim Menschen scheiden aus ethischen Gründen aus, da es keine wirksame Therapie gibt. Makaken, die mit 0,5 × 106 Plaque Forming Units (PFU) SARS-CoV-2 intratracheal inokuliert werden, scheiden das Virus zwar aus, erkranken jedoch in der Regel nicht (11). Bei einer Inokulationsdosis von 4,75 × 106 PFU entwickeln sie wiederum eine leichte bis mittelschwere Erkrankung (12). Somit scheint die Krankheitsschwere wie zum Beispiel bei Influenza von der Infektionsdosis abzuhängen (13).

Die Bedeutung der Polymerasekettenreaktion (PCR) für die Diagnostik und der Zusammenhang zwischen Virusausscheidung und Infektiosität werden in den Kästen 2 und 3 erläutert.

In geschlossenen Räumen nimmt die Exposition gegenüber der Ausatemluft bei einem Abstand von mehr als 1,2 m deutlich ab (20). Eine Studie bei Mitarbeitern des Gesundheitswesens ergab eine Erhöhung der Ansteckungsgefahr bei Unterschreiten eines Abstandes von 1,8 m zu Grippepatienten (21). Daher empfehlen die amerikanischen Gesundheitsbehörden (CDC, Centers for Disease Control and Prevention), wann immer möglich, einen Mindestabstand von 1,8 m (6 Fuß) zu Patienten mit Atemwegsinfekten. Da sich jedoch virushaltige Aerosole in der Ausatemluft, zum Beispiel beim Niesen, bis zu 8 m weit ausbreiten können, reicht der Mindestabstand von 1,8 m möglicherweise nicht immer aus (22). In experimentell erzeugten Aerosolen zeigte infektiöses SARS-CoV-2 eine Halbwertszeit von 1,1 h (4), und selbst 90 Minuten nach Aerosolfreisetzung war vermehrungsfähiges SARS-CoV-2 nachweisbar (23).

Experimentelle Daten

In einem Modellversuch mit 99-Technetium-markiertem Aerosol an Plastik-Nachbildungen von menschlichen Köpfen (sogenannten Dummies) reduzierte das Tragen chirurgischer Masken bei den Indexdummies die Menge der „ausgeatmeten” Radioaktivität um den Faktor 250, allerdings war für die optimale Maskenwirkung eine gute Raumlüftung erforderlich (24). Vom Empfängerdummy getragene Masken hatten in diesem Modellversuch keine signifikante Schutzwirkung gegenüber dem radioaktiven Aerosol. Die Aerosolzusammensetzung war auf die Größe der Partikel betrachtet (circa 95 % Partikel kleiner als 2 µm) der Situation in vivo nachempfunden. Dennoch ist die Übertragbarkeit von Ergebnissen aus Modellversuchen auf die Situation beim Menschen vermutlich eingeschränkt, da unter anderem die biophysikalischen Eigenschaften der Aerosole voneinander abweichen können.

Eine andere Arbeit findet für chirurgische Masken in Bezug auf Aerosole eine durchschnittliche Filtrationswirkung von 96 % gegenüber Testbakterien und 90 % gegenüber Testviren (25). Auch selbstgefertigte Masken wiesen eine Filtrationswirkung auf, diese lag jedoch – je nach Material – zwischen 60 und 94 % gegenüber Bakterien und zwischen 49 und 86 % gegenüber Viren (25).

Die Filtrationswirkung von Masken zeigt auch eine Arbeit aus Taiwan (26). Durch das Tragen von Masken in Schlafzimmern (3,30 m × 3,60 m) und in Autos konnte die Menge von 0,02–1 µm großen Partikeln, die normalerweise in einem Meter Entfernung von der Versuchsperson gefunden wird, in der Studie nahezu auf den Hintergrundwert (das heißt Abwesenheit von Personen) reduziert werden. Dies gilt sowohl für das Tragen von chirurgischen Masken, als auch von selbstgefertigten Baumwollmasken. Chirurgische Masken verringern bei Patienten mit einer Atemwegserkrankung durch saisonale Corona-Viren die mittels PCR gemessene Virusmenge in der Ausatemluft unter die Nachweisgrenze, und zwar sowohl in Tropfen mit einer Partikelgröße > 5 µm, als auch in Aerosolen mit einer Partikelgröße < 5 µm. Allerdings waren bei den geringen untersuchten Fallzahlen (10 Patienten ohne und 11 mit Maske) nur die Ergebnisse für die Aerosolpartikel signifikant (27). In einem Tiermodell verhinderten chirurgische Masken, die zwischen den Käfigen infizierter und nichtinfizierter Hamster angebracht waren, in einem Teil der Fälle die Weitergabe der Infektion auf nichtinfizierte Tiere (66,7 % Transmission ohne Luftschranke durch chirurgische Maske versus 25 % mit Maske) (28).

Modellrechnungen und Infektionsmodelle

Inzwischen gibt es mehrere epidemiologische und praktische Hinweise auf die Schutzwirkung der Mund-Nasen-Bedeckung während der COVID-19-Pandemie. In Jena sank wenige Tage nach Einführung einer städtischen Maskenpflicht am 06. 04. 2020 die Zahl der COVID-19-Neuinfektionen auf nahezu Null. Die Anzahl neu registrierter COVID-19-Fälle war 20 Tage nach Einführung der Maskenpflicht im Vergleich zu gewichteten Durchschnittsfallzahlen aus strukturähnlichen Regionen (sogenannten synthetischen Kontrollen) um 75 % niedriger. Auch in anderen Regionen Deutschlands war nach Einführung der Maskenpflicht eine Reduktion der Zahl der Neuinfektionen je nach Region um 15–75 % zu beobachten (29).

Modellrechnungen bestätigen, dass durch die Verwendung von Masken, vor allem in Verbindung mit anderen nichtmedizinischen Maßnahmen (zum Beispiel Einhaltung eines Mindestabstands), die Ausbreitung von SARS-CoV-2 stark verlangsamt und die Infektionsgefahr vermindert wird. Für den US-amerikanischen Bundesstaat New York wurde berechnet, dass eine etwa 80-prozentige Einhaltung der Regeln zum Tragen von Masken etwa 17–45 % der Todesfälle durch COVID-19 verhindern könnte, sogar dann, wenn die Masken nur eine Filterwirkung von 50 % haben (30). Bei niedrigeren Infektionsraten, wie sie zum Beispiel anfangs im Bundesstaat Washington beobachtet wurden, würde selbst das Tragen von Masken mit einer Filtereffektivität von nur 20 % die Sterblichkeit um 24–65 % vermindern, wenn 80 % der Bürger in der Öffentlichkeit diese Masken nutzen würden (30). Eine Reduktion der Infektionszahlen durch das Tragen von Masken ist in diesen Modellrechnungen mit einer Verringerung der Todeszahlen assoziiert. Dies zeigt sich am deutlichsten, wenn mit dem Tragen von Masken bereits bei niedrigen Übertragungsraten begonnen wird (30).

Auch lassen die bisherigen Erfahrungen vermuten, dass in Ländern, in denen von Anfang an ein hoher Bevölkerungsanteil Masken getragen hat, die COVID-19-Pandemie deutlich weniger Menschenleben fordert, als in Ländern, in denen das nicht der Fall ist (31). Allerdings leisten auch andere Interventionen hierzu ihren Beitrag. Ein wesentlicher epidemiologischer Grund dafür, dass sowohl Masken, als auch Kontaktbeschränkungen selbst bei einer Wirksamkeit von deutlich unter 100 % die Ausbreitung von Epidemien verhindern können, ist, dass die Ausbreitung von COVID-19 mit einem auf „Percolation” (Durchdringen) basierenden Modell zu beschreiben ist.

Die klassischen S-I-R-Infektionsmodelle (S-I-R, „susceptible, infected, recovered”) basieren auf Arbeiten von Kermack und McKendrick. Sie modellierten die Daten einer Pestepidemie in Bombay 1905/06 und gingen davon aus, dass eine Infektion auf eine homogene Gruppe trifft, deren Mitglieder nach und nach infiziert werden. Im Gegensatz dazu berücksichtigen Percolationsmodelle (32, 33), dass empfängliche Personen nicht mit allen anderen Gruppenmitgliedern Kontakt haben, sondern in Untergruppen organisiert sind, die über einzelne Kontaktpersonen (sogenannte Knoten, also Mitglieder mehrerer Untergruppen) miteinander verbunden sind. Selbst wenn eine Infektion zeitweilig nicht von einer Untergruppe (zum Beispiel Familie, Schulklasse, Hochzeitsgesellschaft, Reisegemeinschaft, Altersheim) auf die nächste Untergruppe überspringt, so kann sie trotzdem innerhalb einer isolierten Untergruppe über verhältnismäßig lange Zeit unerkannt persistieren. Sobald die Isolation der Untergruppe durchbrochen wird, gelangt sie in andere Untergruppen und breitet sich weiter aus. Dies wurde auch an Tierpopulationen eindrucksvoll gezeigt (34, 35). Bei respiratorischen Infektionen können Masken diese „Percolation” bremsen (1, 31).

Tragen von Masken schützt auch den Träger

Masken dienen in erster Linie dem Virusrückhalt bei Indexpersonen, sie schützen aber auch den Träger. Eine ausführliche Metaanalyse hat 172 Beobachtungsstudien zu COVID-19 (64 Studien), SARS (55 Studien), MERS (25 Studien) sowie Atemwegsviren und Arbeitsschutz (28 Studien) berücksichtigt (36). Unter diesen Arbeiten wurden 44 nichtrandomisierte Vergleichsstudien mit insgesamt 25 697 Patienten zwischen 30 und 60 Jahren ausgewertet (36). Von den 44 Vergleichsstudien untersuchten 30 die Wirkung von Masken auf die Virusübertragung (davon 7 bei COVID-19). Die Autoren der hier zitierten Metaanalyse und wir haben keine randomisierten kontrollierten oder clusterrandomisierten Studien zum Einfluss von Masken auf die Übertragung von Coronaviren gefunden.

Statistische Assoziationen wurden durch Poolen von relativen Risiken (RR) und adjustierten Odds Ratios (aOR) analysiert. Das Poolen von 29 nichtadjustierten und 10 adjustierten Studien ergab, dass das Tragen einer Maske vom Typ N95 assoziiert war mit einer Reduktion der Gefahr (absolutes Risiko, AR) für eine Erkrankung des Maskenträgers an COVID-19, SARS oder MERS von 17,4 % (ohne Maske) auf 3,1 % (mit Maske) (RR 0,34; 95-%-Konfidenzintervall: [0,26; 0,45] für nichtadjustierte Studien, aOR 0,15 [0,07; 0,34] für adjustierte Studien), wenn auch der Evidenzgrad als gering eingestuft wird. Eine Sensitivitätsanalyse im Hinblick auf COVID-19 ergab eine aOR von 0,40 [0,16; 0,97]. Der Schutz ist wahrscheinlich am stärksten bei Masken vom Typ N95 (aOR = 0,04; [0,004; 0,3]), allerdings reduzieren auch andere Maskentypen (aOR 0,33; [0,17; 0,61]) das Ansteckungs- und Erkrankungsrisiko für den Träger (mittelgradig sichere Aussage) (36). Dies gilt laut dieser Metaanalyse speziell auch für Untersuchungen über aerosolerzeugende medizinische Prozeduren. Dabei bieten Masken vom Typ N95 einen besseren Schutz als chirurgische Masken, und N95-Masken und chirurgische Masken schützen besser als einlagige Masken.

Weitere Beobachtungen sprechen ebenfalls dafür, dass das Risiko, nach einer Infektion mit SARS-CoV-2 Krankheitssymptome zu entwickeln, stark von der Infektionsdosis abhängt (37). Somit schützen Masken vermutlich nicht nur das Umfeld des Trägers, sondern auch den Träger selbst vor COVID-19.

Ein Beispiel sind Soldaten einer Einheit der schweizerischen Streitkräfte (38). Bei zwei gemeinsam untergebrachten Kompanien wurden erst neun Tage nach dem ersten Infektionsfall Masken und Mindestabstände angeordnet. Von 345 Soldaten erkrankten 102 (30 %) an COVID-19. Von 181 getesteten Soldaten ohne Symptome wurden bei 113 (62 %) SARS-CoV-2-RNA oder SARS-CoV-2-Antikörper nachgewiesen.

In einer anderen, räumlich getrennten Kompanie wurden bereits vor dem ersten Infektionsfall Masken und Mindestabstände angeordnet. Hier erkrankte von 154 Soldaten keiner, und nur bei 13 von 88 getesteten Soldaten (15 %) wurden SARS-CoV-2-RNA oder SARS-CoV-2-Antikörper nachgewiesen.

Auch bei Ausbrüchen in lebensmittelverarbeitenden Betrieben in Oregon und Arkansas, in denen die Angestellten Masken trugen, verliefen circa 95 % der Infektionen asymptomatisch (39, 40).

Schließlich legen Statistiken nahe, dass selbst bei einem größeren Anstieg der Infektionszahlen die Komplikations- und Todesraten in Ländern niedrig bleiben, in denen die Mund-Nasen-Bedeckung weit verbreitet ist (37, e1). Dies galt beispielsweise für Japan, Hong Kong und Süd-Korea, wo bereits vor der COVID-19-Pandemie das Tragen von Masken während der Erkältungssaison üblich war. Ferner tragen hohe Testraten, konsequentes Tracking und Quarantäne zur Eindämmung der Pandemie bei (www.worldometers.info/coronavirus für einen Ländervergleich). Dagegen haben in anderen Ländern widersprüchliche Botschaften die Bevölkerung verwirrt und die Compliance vermindert. Neben klarer Kommunikation hat die Vorbildwirkung der Verantwortungsträger eine entscheidende Bedeutung (e2).

Gegen die Annahme einer starken Beeinträchtigung des Gasaustauschs durch Masken spricht eine kürzlich veröffentlichte Studie (e3). Diese Studie zeigt zwar, dass Masken unterschiedlichen Typs den Anstieg des CO2-Partialdrucks unter starker Belastung (100 W) messbar verstärken (40,5 ± 4,9 mm Hg mit FFP2-Maske versus 38,4 ± 4,3 mm Hg ohne Maske; p < 0,001) und FFP2-Masken darüber hinaus die periphere O2-Sättigung geringfügig senken (97,4 ± 1,4 % mit Maske versus 98,0 ± 0,8 % ohne Maske; p = 0,005). Diese Veränderungen sind jedoch so gering, dass sie bei Gesunden höchstwahrscheinlich keine klinische Bedeutung haben.

Um die Übertragung von SARS-CoV-2 in Alltagssituationen deutlich zu reduzieren, reichen in aller Regel Stoffmasken aus, allerdings sollten sie aus wenigstens drei Lagen dichtem Stoff bestehen (e4, e5) und mit anderen Maßnahmen (Einhaltung der Mindestabstände) kombiniert werden. Im medizinischen Bereich werden in der Regel chirurgische Masken verwendet. Für risikoreiche Tätigkeiten, insbesondere bei Patienten mit SARS-CoV-2-Infektion, die ihrerseits keine Maske tragen, empfiehlt das Bundesamt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin eine FFP2-Maske für das Gesundheitspersonal (e5). Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass Masken mit Ausatmungsventil den angestrebten Hauptzweck (Schutz der Umgebung ) nicht erfüllen, da infizierte Träger beim Ausatmen durch das Ventil infektiöse Viruspartikel ungefiltert in der Umgebung verbreiten. Die Verwendung von Masken mit Ausatmungsventil sollte im Zusammenhang mit COVID-19 daher untersagt werden.

Die dargestellte Evidenz beruht auf Beobachtungsstudien, denen allgemein ein niedrigeres Evidenzlevel zugeordnet wird als randomisierten kontrollierten Studien. Es handelt sich jedoch um die beste gegenwärtig verfügbare Evidenz, und da die Ergebnisse zur Wirksamkeit der Masken auch wissenschaftlich plausibel sind, raten wir eindeutig zum Tragen von Masken zur Infektionsprävention.

Fazit

Die zitierten Daten legen in ihrer Gesamtheit nahe, dass das Tragen von Gesichtsmasken in öffentlichen Räumen zur Verminderung der Ausbreitung von SARS-CoV-2 entscheidend beitragen kann. Auch dort, wo die Infektion nicht vermieden wird, werden durch Reduktion der Infektionsdosis wahrscheinlich symptomatische Erkrankungen verhindert oder die Schwere der Erkrankungen reduziert – gemäß den geschilderten Beobachtungen der Schweizerischen Streitkräfte sowie den Inokulationsversuchen in Makaken. Aktuell ist unklar, inwieweit die vorliegenden Daten auf das Infektionsgeschehen mit mutierten SARS-CoV-2 übertragbar sind.

Alle Ärztinnen und Ärzte sollten ihren Patientinnen und Patienten die große Bedeutung des Tragens von Masken erläutern und Zweifel im Hinblick auf den Nutzen von Masken ausräumen. Eine Bescheinigung zur Befreiung von der Maskenpflicht sollte nur dann ausgestellt werden, wenn durch objektive Befunde feststeht, dass das Tragen einer Maske eine konkrete Gesundheitsgefahr bedeutet.

Interessenkonflikt
Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Manuskriptdaten
eingereicht: 26. 10. 2020, revidierte Fassung angenommen: 7. 1. 2021

Anschrift für die Verfasser
Prof. Dr. med. univ. Emil Reisinger, MBA
Klinik fur Innere Medizin
Universitätsmedizin Rostock
Ernst-Heydemann-Straße 6
18057 Rostock
Emil.Reisinger@uni-rostock.de

Zitierweise
Hemmer CJ, Hufert F, Siewert S, Reisinger E: Protection from COVID-19—the efficacy of face masks.
Dtsch Arztebl Int 2021; 118: DOI: 10.3238/arztebl.m2021.0119 (online first).

Dieser Beitrag erschien online am 20. 1. 2021 (online first)
auf www.aerzteblatt.de

►Die englische Version des Artikels ist online abrufbar unter:
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Zusatzmaterial
Mit „e“ gekennzeichnete Literatur:
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