Nutzung von Abwassertests zur Vorhersage von Virenausbrüchen

Von Christina P. Hooton.

Ein Krankheitserreger kann sich lautlos durch eine Gemeinschaft bewegen, bevor er sich bemerkbar macht. Ansteckende Menschen zeigen möglicherweise erst mit Verzögerung Symptome oder sind asymptomatisch und stecken andere unwissentlich an. Plötzlich sind viele Menschen an der gleichen Krankheit erkrankt. Um ein Virus einzudämmen, bevor es zu einem Problem auf Stadt- oder Landesebene wird, muss man wissen, dass Menschen krank sind, bevor es sich äußert. Diese Art von Früherkennung scheint eher unwahrscheinlich zu sein, aber das Abwasser, eine reichhaltige und leicht zugängliche Ressource, ist in letzter Zeit zu einem beliebten Ort geworden, um nach Warnzeichen zu suchen.

Forscher und Gemeinden auf der ganzen Welt haben versucht, die Wirksamkeit der abwasserbasierten Epidemiologie bei der Vorhersage eines Anstiegs der COVID-19-Fälle zu verstehen. Da eine infizierte Person das Virus bereits im Stuhl ausscheidet, bevor Symptome auftreten, können Abwassertests helfen, einen Anstieg der Fälle früher zu erkennen als klinische Testergebnisse.¹ Außerdem ist der Nachweis wie bei klinischen Tests sowohl bei symptomatischen als auch bei asymptomatischen Patienten möglich.

Die Technik ist nicht neu. Im Jahr 2013 wurde in Israel eine wilde Polio-Epidemie durch Umweltüberwachung von Abwässern aufgedeckt.² Diese Art der Überwachung auf nationaler Ebene nimmt in den Vereinigten Staaten als Reaktion auf die Pandemie allmählich Gestalt an. Die Centers for Disease Control and Prevention (CDC) und das US-Gesundheitsministerium haben das National Wastewater Surveillance System (NWSS) eingerichtet, um das Ausmaß der SARS-CoV-2-Infektionen in den Gemeinden besser zu verstehen. Im Laufe der Zeit werden die Gesundheitsämter der Bundesstaaten, Regionen, Gemeinden und Territorien in der Lage sein, ihre Abwassertestdaten über ein Portal zu übermitteln, und die Daten werden zusammengefasst und interpretiert, um die öffentliche Gesundheit zu unterstützen. Darüber hinaus stellt die CDC 33 Millionen Dollar für öffentliche Gesundheitslabors bereit, damit diese mit der Durchführung von Abwassertests beginnen können.

Die Kraft des Abwassers testen

Zwei Forscher der University of Minnesota Medical School haben die Wirksamkeit von Abwassertests bei der Vorhersage der Zunahme von COVID-19-Fällen in ihrem Bundesstaat untersucht. Die Assistenzprofessoren Glenn Simmons Jr., PhD, und Richard Melvin, PhD, sammelten und analysierten von Mai 2020 bis August 2020 Proben aus Kläranlagen in 19 Städten in Minnesota. Das Team begann zunächst damit, die Abwässer von Wohnheimen auf dem Campus zu untersuchen, um COVID-19-Ausbrüche unter Studenten vorherzusagen und zu verhindern, und nahm schließlich etwas ins Visier, das breitere Auswirkungen hat. Sie wollten insbesondere verstehen, was in einer großen Region mit unterschiedlichen Bevölkerungsgruppen über einen langen Zeitraum hinweg passieren würde. Eine Vorabversion ihrer Studie ist auf medRxiv verfügbar und wird derzeit von Experten geprüft.

Sie waren in der Lage, das Vorhandensein von SARS-CoV-2-RNA im Abwasser von Städten mit einer Bevölkerung von 500 bis über 1 Million Menschen 15 bis 17 Tage vor der Bestätigung neuer klinischer Fälle nachzuweisen. Seitdem sie die Probenahme von 19 Städten einmal pro Woche auf 44 Städte zweimal pro Woche ausgeweitet haben, hat sich dieses Zeitfenster auf 10 bis 14 Tage verringert.³

Diese Art von Informationen ist besonders wertvoll in Gebieten, in denen der Zugang zu Tests unterschiedlich ist. Dr. Simmons sagte, dass er dieses Projekt zunächst unter dem Gesichtspunkt der Chancengleichheit betrachtete und sich fragte, was man gegen die unterschiedliche Verfügbarkeit von individualisierten Tests tun könne. "In Duluth haben wir verschiedene Gruppen von Menschen mit unterschiedlichen Lebensumständen. Tests im Auto sind sehr praktisch, aber was ist mit den Menschen, die kein Auto haben", fragte er. Einige Fälle könnten unentdeckt bleiben.

"Wenn man sich das Abwasser ansieht, sieht man, was in Zukunft mit klinischen Fällen passieren wird", sagte Dr. Simmons.

Schaffung eines stetigen Datenflusses

Um ein Forschungsprojekt wie das in Minnesota zu initiieren, mussten mehrere Kläranlagen an unterschiedlichen Standorten mitmachen und sich beteiligen. Außerdem brauchte man genügend Laborpersonal, um die Proben zu verarbeiten - eine Ressource, die in der Zeit der Pandemie knapp war. Sie rekrutierten Hochschulabsolventen für die Arbeit in ihrem Labor und baten die Kläranlagen über die Website des Minnesota Environmental Science and Economic Review Board um ihre Mitarbeit.

Sobald die Rahmenbedingungen feststanden, wurden wöchentlich und schließlich zweiwöchentlich Mischproben von den Mitarbeitern der Kläranlagen entnommen und über Nacht auf nassem Eis ins Labor geschickt. Nach dem Empfang sterilisierte das Laborpersonal die Probenröhrchen und pasteurisierte die Proben zur Vorbereitung der RNA-Extraktion. Die extrahierten RNA-Proben wurden dann auf SARS-CoV-2 getestet.

Gewinnung aussagekräftiger Informationen

Das Sammeln von Abwasser aus einer Vielzahl von Städten bedeutete, dass es eine beträchtliche Anzahl von Variablen gibt, die die Konzentration von Krankheitserregern beeinflussen. Dazu gehören das Vorhandensein von Industriebetrieben sowie Unterschiede in der Größe und Durchflussmenge der einzelnen Abwasseranlagen.

Um den Schwankungen in jeder Einrichtung Rechnung zu tragen, verwendeten die Forscher das Pepper Mild Mottle Virus als Standard. Dieses Pfeffervirus ist das am häufigsten vorkommende RNA-Virus in menschlichen Fäkalien und bleibt unter einer Vielzahl von Umweltbedingungen stabil.⁴ Sie maßen die Auswirkungen von Systemvariationen auf die Konzentration des Pfeffervirus und stuften jede Einrichtung entsprechend ein.

Außerdem musste das Team die Rohdaten so aufbereiten, dass sie für die Öffentlichkeit leicht verständliche Informationen darstellen. Sie erstellten den Melvin-Index, einen vereinfachten Wert zur Verfolgung der Viruskonzentration im Vergleich zum Pfeffervirus.

Fortschritte bei Abwassertests

Abwassertests erweisen sich zwar als wirksames Instrument zur Verfolgung des Anstiegs und Rückgangs von Virusfällen, aber es gibt immer noch Informationen, die sie nicht liefern können. Dr. Simmons erwähnte, dass es nur begrenzt möglich ist, allein auf der Grundlage von Abwassertests abzuschätzen, wie viele Menschen infiziert sind. Die Anzahl der Variablen macht es zu einem komplexen Ratespiel.

Klinische Tests sind immer noch die genaueste Methode, um Virusfälle zu zählen. Wenn jedoch ein signifikanter Anstieg des Virus im Abwasser festgestellt wird, bevor die klinischen Fälle ansteigen, können den betroffenen Gebieten Ressourcen zugewiesen werden.

Dies geschah kürzlich in Davis, Kalifornien. Gesundheitsbehörden und Forscher sahen dank der Abwasserüberwachung einen möglichen Anstieg der Fälle, und die örtlichen Behörden verschickten Warnmeldungen und forderten die Menschen in den betroffenen Vierteln auf, sich testen zu lassen. In Verbindung mit der Entnahme von Patientenproben konnten sie feststellen, dass die Delta-Variante in der Mischung enthalten war.⁵

Varianten sind ein weiteres Puzzlestück, das Dr. Simmons und sein Team bis Ende des Jahres in ihre Studien einbeziehen möchten, und es gibt auch ein Potenzial für zukünftige Viren. Laut einer niederländischen Studie wurde die Influenza während der H1N1-Pandemie 2009 erfolgreich im Abwasser nachgewiesen. "Einer unserer Wünsche ist, dass dieses System beibehalten wird und wir einfach das, was wir untersuchen, austauschen. Oder wir erstellen ein Panel mit verschiedenen Zielen, die wir untersuchen, sei es eine andere aufkommende Tropenkrankheit wie das Nipah-Virus oder Chikungunya oder SARS", so Dr. Simmons.

Er weist darauf hin, dass wir durch die Bereitstellung von Überwachungsdaten über neue und neu auftretende Viren in kleinen Dosen, sobald sie uns durch Techniken wie Abwassertests zur Verfügung stehen, einen ständigen Dialog mit den Menschen führen und ihnen helfen, die Wissenschaft besser zu verstehen, ohne sie zu überfordern. Diese Art des Dialogs und der Transparenz wird auch in Zukunft eine wichtige Rolle bei der Bewältigung von Gesundheitskrisen spielen.

Referenzen

1. Jones D.L., Baluja M.Q., Graham D.W., Corbishley A., McDonald J.E., Malham S.K., et al. (2020). Shedding of SARS-CoV-2 in feces and urine and its potential role in person-to-person transmission and the environment-based spread of COVID-19. Sci Total Environ, 749. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141364
   
2. Brouwer, A.F., Eisenberg, J.N.S., Eisenberg, M.C., Grotto, I., Hindiyeh, M., Koopman, J.S., Manor, Y., Pomeroy, C.D., Shulman, L. M., (2018). Epidemiology of the silent polio outbreak in Rahat, Israel, based on modeling of environmental surveillance data. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(45). https://doi.org/10.1073/pnas.1808798115
   
3. Chaudhry, N., Freese, R., Georgewill, O., Melvin, R.G. & Simmons, G.E. (2021). Predictive power of SARS-CoV-2 wastewater surveillance for diverse populations across a large geographical range. medRxiv. https://doi.org/10.1101/2021.01.23.21250376
   
4. Kitajima, M., Sassi, H.P. & Torrey, J.R. (2018). Pepper mild mottle virus as a water quality indicator. npj Clean Water, 1, Article 19. https://doi.org/10.1038/s41545-018-0019-5
   
5. Abbott, B. (2021, July 25). Wastewater Helps Health Officials Spot Covid-19 Warning Signs. TheWall Street Journal.https://www.wsj.com/articles/wastewater-helps-health-officials-spot-covid-19-warning-signs-11627214400