Die Probenahme von Abwasser kann zeitintensiv sein. John Eisele/Colorado State University
Mikrobiologen Susanne De Long und Carol Wilusz lernten sich kennen und wurden im April 2020 zu Abwasserbegeisterten, als eine Basisgruppe von Kläranlagenbetreibern sie bat, einen Test zum Nachweis von SARS-CoV-2 in Proben aus der Kanalisation von Colorado zu entwickeln und einzusetzen. De Long ist ein Umweltingenieur, der nützliche Bakterien untersucht. Die Expertise von Wilusz liegt in der RNA-Biologie. Hier beschreiben sie, wie die Abwasserüberwachung funktioniert und was sie in einer postpandemischen Zukunft leisten könnte.
Wie wird Abwasser auf SARS-CoV-2 überwacht?
Die Abwasserüberwachung macht sich die Tatsache zunutze, dass viele menschliche Krankheitserreger und Produkte des menschlichen Arzneimittelstoffwechsels im Urin, Kot oder beidem landen. Das SARS-CoV-2-Virus, das COVID-19 verursacht, taucht überraschend auf große Mengen im Kot infizierter Personen, obwohl dies kein Hauptweg der Krankheitsübertragung ist.
Um herauszufinden, ob Krankheitserreger vorhanden sind, müssen wir zunächst eine repräsentative Abwasserprobe entnehmen, entweder direkt aus der Kanalisation oder an der Stelle, an der das, was Ingenieure als „Zufluss“ bezeichnen, in eine Kläranlage eintritt. Auch Feststoffe, die sich aus dem Abwasser abgesetzt haben, können wir verwenden.
Techniker müssen dann große Fäkalienpartikel entfernen und alle Mikroben oder Viren konzentrieren. Der nächste Schritt ist die Extraktion ihrer Nukleinsäuren – der DNA oder RNA, die die genetische Information der Krankheitserreger enthält.
Die in der DNA oder RNA enthaltenen Sequenzen fungieren als eindeutige Strichcodes für die vorhandenen Krankheitserreger. Wenn wir beispielsweise Gene entdecken, die einzigartig für SARS-CoV-2 sind, wissen wir, dass sich das Coronavirus in unserer Probe befindet. Wir verwenden PCR-basierte Ansätze, ähnlich wie diese in klinischen diagnostischen Tests verwendet, um SARS-CoV-2-Sequenzen nachzuweisen und zu quantifizieren.
Eine genauere Charakterisierung der Nukleinsäuresequenz kann Aufschluss über Virusstämme geben – zum Beispiel es kann Varianten identifizieren wie omicron BA.2.
Derzeit konzentriert sich die überwiegende Mehrheit der Bemühungen zur Abwasserüberwachung auf SARS-CoV-2, aber die gleichen Techniken funktionieren auch mit anderen Krankheitserregern, einschließlich Poliovirus, beeinflussen und Noroviren.
Vor der Pandemie war eine Anwendung Überwachung auf seltene Ausbrüche des Poliovirus in Gebieten, in denen Polio-Impfungen durchgeführt werden. Abwasser kann auch auf Anzeichen verschiedener Drogen überwacht werden, um Einblicke in die zu geben Ausmaß und Art des Drogenkonsums in einer Bevölkerung.
Wohin gehen die Daten?
Während der Pandemie entwickelten die US Centers for Disease Control and Prevention die Nationales Abwasserüberwachungssystem speziell zur landesweiten Verfolgung von SARS-CoV-2. Über 800 Websites melden Daten zu diesem NWSS-System, aber nicht alle Bundesstaaten und Bezirke sind derzeit vertreten.
Mehr als 800 Standorte, die Bevölkerungsgruppen unterschiedlicher Größe abdecken, melden COVID-19-Abwasserzahlen an die CDC. CDC COVID-Daten-Tracker, CC BY
Viele staatliche Stellen, wie die Colorado Department of Public Health und Umwelt, und Städte, wie Tempe, Arizona, verfügen über eigene Dashboards für Berichtsdaten. Einige Unternehmen, die Abwasseranalysen durchführen, melden Daten auf ihren eigenen Dashboards, Zu.
Unserer Meinung nach stellt das NWSS einen spannenden ersten Schritt zur Überwachung der Bevölkerungsgesundheit durch Abwasser dar. Ähnliche Systeme werden in anderen Ländern etabliert, einschließlich Australien und Neuseeland.
Was zeigen Abwasserdaten wirklich?
SARS-CoV-2-Konzentrationen im Abwasser großer Bevölkerungsgruppen sind ein hervorragender Indikator für das Infektionsniveau in einer Gemeinde. Das System überwacht automatisch jeden, der in der Kanalisation lebt, also ist es anonym, unvoreingenommen und gerecht. Wichtig ist, dass es auch unmöglich ist, die Infektion auf eine bestimmte Person, einen bestimmten Haushalt oder eine bestimmte Nachbarschaft zurückzuverfolgen, ohne zusätzliche Proben zu nehmen.
Die Abwasserüberwachung hängt nicht von der Verfügbarkeit klinischer Tests oder Personen ab, die ihre Testergebnisse melden. Es erfasst auch asymptomatische und präsymptomatische Fälle von COVID-19; Dies ist entscheidend, weil Menschen, die sind infiziert sind, sich aber nicht krank fühlen, können COVID-19 dennoch verbreiten.
Unserer Meinung nach werden Abwassertests immer wichtiger, da immer mehr COVID-19-Tests zu Hause durchgeführt werden. Und da hat die Impfung auch dazu geführt mildere und asymptomatische Fälle von COVID-19, Menschen können infiziert werden, ohne überhaupt getestet zu werden. Diese Faktoren bedeuten, dass klinische Falldaten weniger aussagekräftig sind als zu Beginn der Pandemie, während Abwasserdaten ein konsistenter Indikator für das Infektionsniveau in der Gemeinschaft bleiben. Die Abwasserüberwachung ist nicht darauf angewiesen, dass Menschen einen positiven Heimtest melden oder sich ihrer Infektionen bewusst sind. Nachrichten von Spencer Platt/Getty Images
Bisher kann man die Anzahl der infizierten Personen in einer Gemeinde anhand der Viruskonzentration im Abwasser nicht genau vorhersagen. Das Stadium der Infektion einer Person, wie ihr Körper auf das Virus reagiert, die Virusvariante, wie weit eine Person von dem Ort entfernt war, an dem die Abwasserprobe entnommen wurde, sogar das Wetter kann alles die im Abwasser gemessenen Mengen an SARS-CoV-2 beeinflussen.
Wissenschaftler können jedoch auf relative Änderungen der Infektionsraten schließen. Die Beobachtung, wie die Viruskonzentrationen im Abwasser steigen und fallen, gibt einen Einblick, ob die Fälle in der Gemeinde insgesamt steigen oder fallen.
Da SARS-CoV-2 Tage oder sogar Wochen vor dem Auftreten von Ausbrüchen im Abwasser nachgewiesen werden kann, kann die Abwasserüberwachung eine Frühwarnung geben, dass Maßnahmen im Bereich der öffentlichen Gesundheit gerechtfertigt sein könnten. Und Trends im Signal sind wichtig – wenn Sie wissen, dass die Pegel steigen, kann es ein guter Zeitpunkt sein, eine Maskenpflicht wieder einzuführen oder die Arbeit von zu Hause aus zu empfehlen. Derzeit verwenden Beamte des öffentlichen Gesundheitswesens Abwasserüberwachungsdaten zusammen mit anderen Informationen wie Testpositivitätsraten und die Anzahl klinischer Fälle und Krankenhausaufenthalte in der Gemeinde, um diese Art von Entscheidungen zu treffen.
Daten aus der Sequenzierung können auch dabei helfen, neue Varianten zu erkennen und deren Niveaus zu überwachen, sodass Gesundheitsreaktionen die Merkmale der vorhandenen Variante berücksichtigen können.
In kleineren Bevölkerungsgruppen, wie z. B. in Studentenwohnheimen und Pflegeheimen, kann die Abwasserüberwachung eine kleine Anzahl infizierter Personen erkennen. Das kann den Alarm auslösen, dass gezielte klinische Tests dazu dienen, Infizierte für die Isolierung zu identifizieren. Früherkennung, gezielte Tests und Quarantäne sind wirksam bei der Vorbeugung von Ausbrüchen. Anstatt klinische Tests zur routinemäßigen Überwachung zu verwenden, können Administratoren störende klinische Tests für Zeiten reservieren, in denen SARS-CoV-2 im Abwasser nachgewiesen wird.
Wie sieht die Überwachung in Zukunft aus?
Eine weit verbreitete und routinemäßige Anwendung der Abwasserüberwachung würde den Gesundheitsbehörden Zugang zu Informationen über das Ausmaß einer Reihe potenzieller Infektionen in US-Gemeinden verschaffen. Diese Daten könnten Entscheidungen darüber leiten, wo zusätzliche Ressourcen für Gemeinden bereitgestellt werden sollen, wie z. B. das Abhalten von Tests oder Impfkliniken an Orten, an denen Infektionen zunehmen. Es könnte auch helfen, festzustellen, wann Maßnahmen wie Masken oder Schulschließungen erforderlich sind.
Im besten Fall könnte die Abwasserüberwachung einen neuen Virus fangen, wenn er zum ersten Mal in einem neuen Gebiet ankommt; Eine frühzeitige Abschaltung in dem sehr begrenzten Bereich könnte möglicherweise eine zukünftige Pandemie verhindern. Interessanterweise haben Forscher SARS-CoV-2 in nachgewiesen zuvor gesammelte archivierte Abwasserproben jemand mit COVID-19 diagnostiziert worden war. Wenn die Abwasserüberwachung Ende 2019 Teil der etablierten öffentlichen Gesundheitsinfrastruktur gewesen wäre, hätte sie früher warnen können, dass SARS-CoV-2 zu einer globalen Bedrohung wird.
Derzeit ist der Aufbau und Betrieb eines nationalen Abwasserüberwachungssystems, insbesondere eines Systems, das die Überwachung auf Gebäudeebene an Schlüsselstellen umfasst, jedoch noch zu kostspielig und arbeitsintensiv.
Laufende Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen versuchen, die Abwasserprobenahme zu vereinfachen und zu automatisieren. Auf der Analyseseite wird die Anpassung von PCR- und Sequenzierungstechnologien zum Nachweis anderer Krankheitserreger, einschließlich neuer, von entscheidender Bedeutung sein, um die Vorteile eines solchen Systems voll auszuschöpfen. Letztendlich könnte die Abwasserüberwachung dazu beitragen, eine Zukunft zu unterstützen, in der Pandemien weitaus weniger tödlich sind und weniger soziale und wirtschaftliche Auswirkungen haben.
Über den Autor
Susanne De Long, außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen, Colorado State University und Carol Wilusz, Professor für Mikrobiologie, Immunologie und Pathologie, Colorado State University
Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.
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