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Mittwoch, 16 Juni 2021 11:59

Covid-19 Eindämmung

von Redaktion
Geschätzte Lesezeit: 7 - 13 Minuten
Abb. 1: Livinguard Gesichtsmasken sind so behandelt, dass die Oberfläche positiv geladen ist, was zu einer Inaktivierung von  Coronaviren auf der Maske führt. Die Filtrationsleistung wurde  nicht untersucht Abb. 1: Livinguard Gesichtsmasken sind so behandelt, dass die Oberfläche positiv geladen ist, was zu einer Inaktivierung von Coronaviren auf der Maske führt. Die Filtrationsleistung wurde nicht untersucht

Die Pandemie bestimmt die meisten Bereiche des Alltags. Impfungen – zumindest in Deutschland – verbessern die Situation maßgeblich. Dennoch sind weitere Schritte notwendig, um die Ausbreitung der Krankheit zu verlangsamen. Im Folgenden stellen wir einige davon vor.

Neue Technologie identifiziert Covid-19-Biomarker in kürzester Zeit [1]

Abb. 2: Eine Textilmaske wird in Labor fachmännisch auf ihre Abscheideeigenschaften hin überprüft.   Abb. 2: Eine Textilmaske wird in Labor fachmännisch auf ihre Abscheideeigenschaften hin überprüft. Schneller und günstiger als ein gewöhnliches Blutbild: Forschende der Charité – Universitätsmedizin Berlin und des Francis Crick Institute haben die Technologie der Massenspektrometrie so weiterentwickelt, dass sich Tausende von Proteinen in einer Probe innerhalb weniger Minuten vermessen lassen. Das Potenzial der Technik demonstriert das Forschungsteam anhand der Analyse des Blutplasmas: Mit der neuen Technologie identifizierte es elf bisher unbekannte Proteine, die den Schweregrad der Erkrankung anzeigen. Die Studie ist im Fachmagazin Nature Biotechnology [2] veröffentlicht.

Zu jedem Zeitpunkt sind im menschlichen Körper Tausende verschiedener Proteine aktiv. Sie geben ihm seine Struktur und ermöglichen lebenswichtige Reaktionen. Auch wenn der Körper auf äußere Einwirkungen wie Erreger oder Medikamente reagiert, steigert oder senkt er die Aktivität unterschiedlicher Proteine. Das detaillierte Muster von Proteinen in Zellen oder Blutproben – das sogenannte Proteom – kann Forschenden deshalb dabei helfen, Erkrankungen besser zu verstehen oder Aussagen über Diagnosen und Krankheitsverläufe zu machen. Um einen solchen „Protein-Fingerabdruck“ zu erhalten, nutzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Massenspektrometrie, die bisher jedoch sehr zeit- und kostenintensiv ist. Abhilfe verspricht jetzt die neue massenspektrometrische Technologie „Scanning SWATH“: Entwickelt von einem Team um Prof. Dr. Markus Ralser, Direktor des Instituts für Biochemie der Charité, ist sie wesentlich schneller und kostengünstiger als frühere Methoden und erlaubt die Messung von mehreren Hundert Proben pro Tag.

Die Anwendungsmöglichkeiten für diese Hochdurchsatz-Technologie sind vielfältig: Von der Grundlagenforschung über die groß angelegte Suche nach wirksamen Arzneimitteln bis zur Identifizierung von biologischen Merkmalen (Biomarkern), die sich für die Einschätzung des individuellen Risikos von Patientinnen und Patienten nutzen lassen. Dass sich die Technik für Letzteres eignet, zeigte die Forschungsgruppe in ihrer Studie am Beispiel von Covid-19. Dazu analysierte das Team das Blutplasma von 30 Patientinnen und Patienten mit unterschiedlich stark ausgeprägten Covid-19-Symptomen, die an der Charité behandelt wurden, und verglich die Proteinmuster mit dem von 15 gesunden Personen. Die Messung einer einzelnen Probe dauerte dabei nur wenige Minuten.

Auf diese Weise identifizierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler insgesamt 54 Proteine, deren Konzentration im Blut abhängig vom Schweregrad der Covid-19-Erkrankung erhöht oder verringert war. 43 davon waren in früheren Studien bereits mit der Schwere der Erkrankung in Verbindung gebracht worden; für elf der Proteine war dieser Zusammenhang jedoch bisher nicht bekannt gewesen. Mehrere dieser bisher unbekannten Proteine sind Teil der Reaktion des Immunsystems auf Erreger, die auch die Gerinnungsneigung erhöht. „Wir haben mit unserer neuen Methode also in kürzester Zeit Protein-Fingerabdrücke in Blutproben entdeckt, anhand derer wir jetzt Covid-19-Betroffene entsprechend der Schwere ihrer Erkrankung einteilen können“, sagt Dr. Christoph Messner, einer der Erstautoren der Studie und Wissenschaftler am Institut für Biochemie der Charité sowie am Francis Crick Institute. „Eine solche objektive Einschätzung kann sehr wertvoll sein, da die Patientinnen und Patienten ihren Gesundheitszustand zum Teil überschätzen. Um eine massenspektrometrische Analyse aber standardmäßig für die Klassifizierung von Covid-19-Betroffenen nutzen zu können, muss die Technik zu einem diagnostischen Test weiterentwickelt werden. In Zukunft könnte es darüber hinaus möglich sein, mit einer schnellen Analyse des Proteinmusters auch Aussagen über den voraussichtlichen Verlauf von Covid-19 zu treffen. Hierzu haben wir bereits erste vielversprechende Ergebnisse gesammelt, bis zu einem routinemäßigen Einsatz sind aber noch weitere Studien nötig.“

Prof. Ralser ist überzeugt, dass die massenspektrometrische Untersuchung des Blutes in Zukunft das klassische Blutbild ergänzen wird: „Das Proteom zu bestimmen, kostet weniger als ein großes Blutbild. Durch die Bestimmung vieler Tausend Proteine gleichzeitig liefert eine Proteom-Analyse zusätzlich mehr Informationen. Ich sehe in der Anwendung deshalb großes Potenzial, beispielsweise für die frühzeitige Erkennung von Krankheiten. In unseren Studien werden wir daher weiter auf einen solchen Einsatz der Proteom-Technologie hinarbeiten.“

Beschichtete Gesichtsmasken [3]

Textilien für Gesichtsmasken können SARS-CoV-2 direkt inaktivieren, wie Forscher der Freien Universität Berlin und der RWTH Aachen University zeigten. Sie können SARS-CoV-2-Viruspartikel binnen weniger Stunden um bis zu 99,9 Prozent reduzieren.

Forscher der Freien Universität Berlin am Institut für Tier- und Umwelthygiene und des Instituts für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University haben bei der Erforschung von alternativer persönlicher Schutzausrüstung innovative Textilien für Gesichtsmasken untersucht, die den Erreger Sars-CoV-2 direkt inaktivieren. Die Tests wurden im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten EIT-Gesundheitsprojektes ViruShield durchgeführt, das sich zum Ziel gesetzt hat, alternative Materialien für Gesichtsmasken vor dem Hintergrund eines knappen Angebots und global unausgewogener Lieferketten für persönliche Schutzausrüstung zu finden. Während die Forscher des Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University die chemischen und physikalischen Eigenschaften verschiedener Textilien für Gesichtsmasken untersuchten, konnten die Forscher der Freien Universität Berlin nachweisen, dass neuartige, von der Schweizer Firma Livinguard entwickelte Textilien im Vergleich zu bisher üblichen für die Maskenproduktion genutzten Materialien hohe Mengen an SARS-CoV-2-Viruspartikeln innerhalb weniger Stunden um bis zu 99,9 Prozent reduzieren können. „Die Textilien in diesen Masken können so die ausgeatmeten und an der Gesichtsmaske anhaftenden Viren kontinuierlich inaktivieren und den Umgang mit diesen Masken insgesamt sicherer machen“, erläutert Professor Dr. Uwe Rösler vom Institut für Tier- und Umwelthygiene der Freien Universität Berlin. „Darüber hinaus könnten solche Textilien auch dazu beitragen, Hygieneprobleme in anderen allgemeinen und medizinischen Bereichen, auch über Covid-19 hinaus, zu reduzieren.“ Die Filtrationsleistung der Masken oder der Masken-Textilien gegenüber virushaltigen Aerosolen wurde vom Institut für Tier- und Umwelthygiene im Rahmen des Forschungsprojekts jedoch nicht untersucht.

Das Coronavirus SARS-CoV-2 kann durch luftgetragene Tröpfchen und Aerosole übertragen werden. Aus diesem Grund empfehlen Regierungen und Gesundheitsbehörden weltweit sowie die Weltgesundheitsorganisation das Tragen von Gesichtsmasken, um andere Menschen und in geringem Maße auch sich selbst zu schützen. Gesichtsmasken können bei entsprechend ausreichender Filterleistung (z.B. medizinischer Mund-Nase-Schutz, FFP2/FFP3) SARS-CoV-2-haltige Tröpfchen zurückhalten, die beim Ausatmen, Sprechen, Husten und Niesen entstehen.

Beim Umgang mit kontaminierten Gesichtsmasken ist jedoch große Vorsicht geboten, und nach dem Gebrauch müssen die Masken entweder entsorgt werden, oder die Viren können durch Waschen bei höheren Temperaturen oder durch Mikrowellenbehandlung inaktiviert werden.

Das Prinzip der Livinguard-Technologie besteht darin, die Textiloberfläche mit einer starken positiven Ladung zu versehen. Wenn Bakterien und Viren mit der Technologie in Kontakt kommen, wird die negativ geladene mikrobielle Zelle zerstört, was zu einer dauerhaften Vernichtung der Krankheitserreger führt. Im Gegensatz zu alternativen Lösungen auf Metallbasis hat sich die neuartige Technologie als sicher für Haut und Lunge erwiesen. Darüber hinaus ist die Livinguard-Technologie sehr nachhaltig und ermöglicht es den Anwendern, die Maske bis zu 200 Mal wiederzuverwenden, ohne dass die Sicherheit oder Wirksamkeit beeinträchtigt wird.

Selbstgemachte Gesichtsmasken [4]

Flauschige Stoffe wie Sommersweat, Fleece oder Nicki, ein guter Sitz und mehrere Lagen Stoff sind wichtig für die Schutzfunktion.

Im April 2020 startete das Team um Frank Drewnick, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Chemie, eine durch die Covid-19-Pandemie spontan initiierte Forschungsreihe. Darin untersuchten sie verschiedenste Alltagsmaterialien auf ihre Eignung als Mund-Nasen-Maske. Die Fortführung der Testreihe bringt nun weitere Erkenntnisse: Die Filterwirkung wird maßgeblich durch den dichten Sitz am Gesicht bestimmt. Zudem wirkt sich die Anzahl der Stofflagen erheblich auf die Filterleistung aus. Mit einigen flauschigen Materialien konnten die Forscher mit mehreren Stofflagen übereinander eine so gute Filterwirkung erzielen, dass diese Masken sogar den Träger schützen könnten. Letzteres müsste aber in weiteren Tests gezielt untersucht werden und war nicht Bestandteil der aktuellen Forschungsreihe.

Kleine Lecks reduzieren Filterwirkung stark

Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass schon kleinste Ab- deckungslecks einen Abfall der Filterwirkung um 50 Prozent oder mehr bewirken. Dies gilt vor allem für Partikel, die kleiner als fünf Mikrometer sind. Dabei reichen Lecks von nur wenigen Prozent der Maskenfläche aus, um die gesamte Filterwirkung der Maske erheblich zu verschlechtern. Außerdem zeigen die neuen Messungen, dass das Übereinanderlegen mehrerer Stofflagen die Filterwirkung von selbstgemachten Gesichtsmasken sowohl für kleine als auch für größere Partikel ganz erheblich steigern kann, ohne dass das Atmen durch das Maskenmaterial schwerfällt. Sie filtern dann so gut, oder sogar besser, wie beispielsweise professionelle OP-Masken (s. Abb. 3). Notwendig ist dazu allerdings ein geeigneter flauschiger Stoff, der Luft auch in mehreren Lagen gut hindurchlässt.

„Wenn man eine Maske mit mehreren Lagen aus Sommersweat, Fleece oder Nicki so herstellt, dass sie überall dicht am Gesicht anliegt, dann werden Partikel erstaunlich effizient abgefangen“, fasst Frank Drewnick die neusten Forschungserkenntnisse zusammen.

In den Materialien, die laut den Tests gut abgeschnitten haben, sieht der Atmosphärenforscher einen weiteren Vorteil: Sie sind vergleichsweise günstig und gut verfügbar. So können sie auch in Regionen, in denen die Versorgungslage hinsichtlich Gesichtsmasken schwierig ist, helfen, die Pandemie durch selbstgemachte Masken einzudämmen. Gut abgeschnitten haben: Sommersweat (French Terry), Fleece, Mikrofasertuch (Microfiber), Filz (Felt) und Nicki (Velour). Drewnick und sein Team haben ihre gesamten Ergebnisse in einer wissenschaftlichen Publikation zusammengefasst, die im Fachmagazin „Aerosol Science and Technology“ erschienen ist [1].

Abb. 3: Die Abbildung zeigt die berechnete Abscheideeffizienz für Masken, bei denen so viele Lagen Material aufeinander gestapelt wurden (Anzahl über jedem Balken), bis man genauso leicht oder schwer durch den Material-Stapel atmen kann, wie durch eine Standard-OP-Maske. Die Materialien sind entsprechend ihrer Abscheidegüte geordnet, sodass (von links nach rechts) die ersten Materialien Partikel am effektivsten abscheiden, während die letzten dazu am wenigsten geeignet sind. Das bedeutet, dass alle Materialien, die vor „Surgical Mask1“ (Platz 14) in der Grafik erscheinen, bei gleicher „Durchatembarkeit“ Partikel besser abscheiden als die OP-Maske Quelle: [5] (CC-By 4.0)Abb. 3: Die Abbildung zeigt die berechnete Abscheideeffizienz für Masken, bei denen so viele Lagen Material aufeinander gestapelt wurden (Anzahl über jedem Balken), bis man genauso leicht oder schwer durch den Material-Stapel atmen kann, wie durch eine Standard-OP-Maske. Die Materialien sind entsprechend ihrer Abscheidegüte geordnet, sodass (von links nach rechts) die ersten Materialien Partikel am effektivsten abscheiden, während die letzten dazu am wenigsten geeignet sind. Das bedeutet, dass alle Materialien, die vor „Surgical Mask1“ (Platz 14) in der Grafik erscheinen, bei gleicher „Durchatembarkeit“ Partikel besser abscheiden als die OP-Maske Quelle: [5] (CC-By 4.0)

Covid-19-Ansteckungsrisiko selbst berechnen [4]

Aerosolpartikel spielen bei der Übertragung von Sars-CoV-2-Viren eine wichtige Rolle. Aerosole entstehen beim Atmen, Husten oder Niesen, aber auch beim Reden und Singen. Anders als Tröpfchen fallen sie nicht schnell zu Boden, sondern können längere Zeit in der Luft bleiben und sich im ganzen Raum verteilen. In Innenräumen, in denen viele Menschen längere Zeit zusammen sind, ist die Gefahr also besonders groß, sich auch über Aerosole mit dem Coronavirus anzustecken. Doch wie hoch ist das Infektionsrisiko wirklich? Und wie stark lässt es sich durch Maske Tragen, Lüften und Abstandhalten reduzieren? Wie hoch das Risiko ist, sich in einem geschlossenen Raum über winzige Schwebteilchen mit dem Coronavirus SARS-CoV-2 anzustecken, lässt sich jetzt mit einem Algorithmus ermitteln. Er gibt auch an, wie das Risiko durch Schutzmaßnahmen wie Masken tragen und Lüften herabgesetzt wird. Er erlaubt allerdings keine Aussagen über das Risiko, sich durch größere Tröpfchen anzustecken, wenn man mit einem Virusträger auf kurze Distanz Kontakt hat. Der Ansatz kann vielmehr die AHA-L-Regeln ergänzen. Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie und des Cyprus Instituts, Zypern, haben nun eine Studie veröffentlicht, in der sie einen einfachen Rechenalgorithmus vorstellen, um die Wahrscheinlichkeit von Coronavirusinfektionen durch Aerosole in Innenräumen abzuschätzen [6]. Der Algorithmus beruht auf Messdaten zur Virenlast in Aerosolen, zur Menge der Schwebteilchen, die Menschen abgeben, und zum Verhalten der Partikel in Räumen. Eine große Unsicherheit ist dabei die Anzahl an Viren, die Aerosole enthalten, da sie sich zwischen verschiedenen Trägern stark unterscheiden kann. Das Modell ermittelt zudem gezielt das Ansteckungsrisiko über die Tröpfchen und Partikel, die so klein sind, dass sie lange in der Luft bleiben und sich in Räumen verteilen. Zur Gefahr, sich über größere, schnell zu Boden fallende Tröpfchen zu infizieren, wenn man mit Trägern des Virus über kurze Distanz spricht, lacht oder singt, erlaubt es keine Aussagen.

Die Berechnung des Ansteckungsrisikos über Aerosole ist über eine Eingabemaske auf der Webseite des Max-Planck-Instituts für Chemie möglich. Darin kann man verschiedene Parameter wie Raumgröße, Personenzahl und Dauer des Aufenthaltes eintragen. Mit der Annahme, dass eine Person in dem Raum hochinfektiös ist, errechnet der Algorithmus automatisch die Übertragungswahrscheinlichkeit für die vom Nutzer eingestellten Szenarien. Und zwar sowohl die individuelle Ansteckungsgefahr als auch diejenige für irgendeine Person im Raum. Zudem kann man zwischen verschiedenen Szenarien wählen: einem Klassenraum, einem Büro, einer Feier und einer Chorprobe. Für Experten stehen zudem Felder zur Verfügung, in denen man Angaben wie die Infektionsdosis, die Viruskonzentration des Infizierten und Überlebenszeit des Virus in der Luft variieren kann. Auch die Filtereffizienz von Gesichtsmasken oder die Luftwechselrate sind flexibel einzustellen.

So atmet ein Erwachsener durchschnittlich etwa 10 Liter Luft pro Minute ein und wieder aus. Zudem nehmen sie an, dass die infektiöse Dosis, sich mit Sars-CoV-2 zu infizieren, größenordnungsmäßig bei etwa 300 Viren bzw. RNA-Kopien pro Person liegt. Verdeutlicht wird die Berechnung anhand einer Schulklasse, in der keine Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden: Ein 60 Quadratmeter großer und drei Meter hoher Klassenraum mit 25 Schülern älter als zehn Jahre und sechs Stunden Unterricht, in dem ein Schüler zwei Tage lang hoch infektiös ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich eine bestimmte Person unter diesen Umständen infiziert, liegt laut Rechnung bei knapp 10 Prozent, die, dass sich eine beliebige Person ansteckt, jedoch bei über 90 Prozent. Eine Ansteckung ist also nahezu unvermeidbar. Hoch infektiös ist eine infizierte Person in der Regel nur wenige Tage. Von den Personen, die positiv auf das Corona-Virus getestet wurden, sind immer etwa 20 Prozent hoch infektiös. Sie sind nicht zu verwechseln mit den sogenannten Superspreadern, von denen bisher nicht bekannt ist, wie häufig sie auftreten. Die Berechnungen zeigen, dass man das Infektionsrisiko durch regelmäßiges Stoßlüften etwa um die Hälfte, durch zusätzliches Maskentragen sogar um einen Faktor fünf bis zehn senken kann. Am Beispiel der Schulklasse heißt das: Lüftet die Klasse aus dem Beispiel oben einmal Mal pro Stunde, reduziert sich die Wahrscheinlichkeit auf 60 Prozent. Tragen zudem alle Schüler Masken, sinkt das Infektionsrisiko auf etwa 24 Prozent. Gibt man nun noch in die Eingabemaske ein, dass nur die Hälfte der Schüler am Unterricht teilnimmt, sinkt die Übertragungswahrscheinlichkeit auf 12 Prozent. Das individuelle Risiko, sinkt im gleichen Fall von zehn Prozent auf ein Prozent.

In ihrer Publikation gehen die Forscher auch darauf ein, welche Unsicherheiten es in den Berechnungen gibt. Diese liegen zum Beispiel in Annahmen wie der Überlebensdauer der SARS-CoV-2 Viren in der Luft oder der Virusmenge, die ein Infizierter abgibt. „Unseren Annahmen liegt der derzeitige Stand der Wissenschaft zugrunde,“ sagt Frank Helleis, Physiker am Max-Planck-Institut für Chemie. „In der Rechnung stecken mehrere Variablen und Annahmen. So machte es einen Unterschied, ob und wie viel Menschen in einem Raum sprechen und singen, wie hoch die Viruskonzentration im Speichel ist und wie die Raumluftwechselrate ist, aber jeder Faktor geht über einen einfachen Dreisatz in die Kalkulation ein“, so Helleis, der die Rechenbasis erstellt hat.

Der Algorithmus ist verfügbar unter: https://www.mpic.de/4747361/risk-calculator 

Literatur

[1] Charité – Universitätsmedizin Berlin
[2] Messner, C.B.; Demichev, V;, Bloomfield, N. et al.: Ultra-fast proteomics with Scanning SWATH, Nat Biotechnol (2021), https://doi.org/10.1038/s41587-021-00860-4
[3] FU Berlin
[4] Max-Planck-Institut für Chemie
[5] Drewnick, F.; Pikmann, J.; Fachinger,F.; Moormann, L.; Sprang, F.; Borrmann, S.: Aerosol filtration efficiency of household materials for homemade face masks: influence of material properties, particle size, particle electrical charge, face velocity, and leaks, , Aerosol Science and Technology (2020), doi:10.1080/02786826.2020.1817846
[6] Lelieveld, J.; Helleis, F.; Borrmann, S.; Cheng, Y.; Drewnick, F.; Haug, G.; Klimach, T.; Sciare, J.; Su, H.; Pöschl, U.: Model Calculations of Aerosol Transmission and Infection Risk of Covid-19 in Indoor Environments, Int. J. Environ. Res. Public Health (2020), 17, 8114, https://doi.org/10.3390/ijerph17218114 

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  • Ausgabe: 5
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Redaktion

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