Die Abwasserüberwachung kam während der COVID-19-Pandemie in Schwung – und hier erfahren Sie, wie sie dabei helfen könnte, künftige Ausbrüche zu verhindern.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel, der am 4. Mai 2022 veröffentlicht wurde.

Das Abwasser einer Gemeinde enthält Hinweise auf ihre COVID-19-Belastung. Im Verlauf der Pandemie ist die Abwasserüberwachung zu einer immer beliebteren Methode geworden, um lokale Infektionstrends zu verstehen.

Die Mikrobiologen Susan De Long und Carol Wilusz lernten sich im April 2020 kennen und wurden zu Abwasser-Fans, als eine Basisgruppe von Kläranlagenbetreibern sie bat, einen Test zum Nachweis von SARS-CoV-2 in Proben aus den Abwasserkanälen von Colorado zu entwickeln und einzusetzen. De Long ist ein Umweltingenieur, der nützliche Bakterien untersucht. Wilusz‘ Expertise liegt in der RNA-Biologie. Hier beschreiben sie, wie die Abwasserüberwachung funktioniert und was sie in einer Zukunft nach der Pandemie bewirken 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, im Kot oder in beidem landen. Das SARS-CoV-2-Virus, das COVID-19 verursacht, kommt in überraschend großen Mengen im Kot infizierter Menschen vor, obwohl dies kein wichtiger Übertragungsweg für Krankheiten ist.

Um herauszufinden, ob Krankheitserreger vorhanden sind, müssen wir zunächst eine repräsentative Probe des Abwassers entnehmen, entweder direkt aus der Kanalisation oder an der Stelle, an der das, was Ingenieure als „Zufluss“ bezeichnen, in eine Kläranlage gelangt. Wir können auch Feststoffe verwenden, die sich aus dem Abwasser abgesetzt haben.

Anschließend müssen die Techniker große Fäkalienpartikel entfernen und etwaige 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 Barcodes für die vorhandenen Krankheitserreger. Wenn wir beispielsweise Gene entdecken, die nur für SARS-CoV-2 gelten, wissen wir, dass sich das Coronavirus in unserer Probe befindet. Zur Erkennung und Quantifizierung von SARS-CoV-2-Sequenzen verwenden wir PCR-basierte Ansätze, ähnlich denen, die in klinischen Diagnosetests verwendet werden.

Eine genauere Charakterisierung der Nukleinsäuresequenz kann Aufschluss über Virusstämme geben – so können beispielsweise Varianten wie Omicron BA.2 identifiziert werden.

Derzeit konzentrieren sich die meisten Abwasserüberwachungsbemühungen auf SARS-CoV-2, aber die gleichen Techniken funktionieren auch bei anderen Krankheitserregern, einschließlich Polioviren, Influenza und Noroviren.

Vor der Pandemie diente eine Anwendung der Überwachung seltener Poliovirus-Ausbrüche in Gebieten, in denen Polioimpfungen durchgeführt werden. Abwasser kann auch auf Anzeichen verschiedener Drogen überwacht werden, um Einblicke in das Ausmaß und die Art des Drogenkonsums in einer Bevölkerung zu erhalten.

Wohin gehen die Daten?

Während der Pandemie haben die US-amerikanischen Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten das National Wastewater Surveillance System speziell zur Verfolgung von SARS-CoV-2 im ganzen Land entwickelt. Über 800 Standorte melden Daten an dieses NWSS-System, aber derzeit sind nicht alle Bundesstaaten und Landkreise vertreten.

Viele staatliche Behörden, wie das Colorado Department of Public Health and Environment, und Städte wie Tempe, Arizona, verfügen über eigene Dashboards für die Datenmeldung. Einige Unternehmen, die Abwasseranalysen durchführen, melden Daten auch in ihren eigenen Dashboards.

Unserer Meinung nach stellt das NWSS einen spannenden ersten Schritt zur Überwachung der Bevölkerungsgesundheit durch Abwasser dar. Ähnliche Systeme werden in anderen Ländern eingerichtet, darunter Australien und Neuseeland.

Was zeigen Abwasserdaten wirklich?

Der SARS-CoV-2-Gehalt im Abwasser großer Bevölkerungsgruppen ist ein hervorragender Indikator für die Infektionsrate in einer Gemeinde. Das System überwacht automatisch alle Bewohner des Abwasserschachts und ist daher anonym, unvoreingenommen und gerecht. Wichtig ist, dass es ohne die Entnahme zusätzlicher Proben auch unmöglich ist, die Infektion auf eine bestimmte Person, einen bestimmten Haushalt oder eine bestimmte Nachbarschaft zurückzuführen.

Die Abwasserüberwachung hängt nicht von der Verfügbarkeit klinischer Tests oder der Meldung von Testergebnissen durch Personen ab. Es erfasst auch asymptomatische und präsymptomatische Fälle von COVID-19; Dies ist von entscheidender Bedeutung, da Menschen, die infiziert sind, sich aber nicht krank fühlen, dennoch COVID-19 verbreiten können.

Unserer Meinung nach werden Abwassertests immer wichtiger, da immer mehr COVID-19-Tests zu Hause durchgeführt werden. Und da die Impfung auch zu mehr milden und asymptomatischen Fällen von COVID-19 geführt hat, kann es sein, dass sich Menschen anstecken, ohne sich überhaupt testen zu lassen. Diese Faktoren führen dazu, dass klinische Falldaten weniger aussagekräftig sind als zu Beginn der Pandemie, während Abwasserdaten weiterhin ein konsistenter Indikator für das Infektionsniveau in der Gemeinde sind.

Bisher lässt sich die Anzahl der infizierten Personen in einer Gemeinde anhand des Virusgehalts 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 der Stelle entfernt war, an der die Abwasserprobe entnommen wurde, sogar das Wetter können die im Abwasser gemessenen Mengen an SARS-CoV-2 beeinflussen.

Wissenschaftler können jedoch auf relative Veränderungen der Infektionsraten schließen. Wenn man beobachtet, wie die Viruskonzentration im Abwasser steigt und sinkt, erhält man einen Eindruck davon, ob die Fälle in der gesamten Gemeinde zunehmen oder sinken.

Da SARS-CoV-2 Tage oder sogar Wochen vor dem Ausbruch von Ausbrüchen im Abwasser nachgewiesen werden kann, kann die Abwasserüberwachung eine Frühwarnung liefern, dass möglicherweise Maßnahmen im Bereich der öffentlichen Gesundheit erforderlich sind. Und Trends im Signal sind wichtig – wenn Sie wissen, dass die Werte steigen, ist es möglicherweise ein guter Zeitpunkt, die 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 der Anzahl klinischer Fälle und Krankenhausaufenthalte in der Gemeinde, um solche Entscheidungen zu treffen.

Daten aus der Sequenzierung können auch dabei helfen, neue Varianten zu erkennen und ihre Mengen zu überwachen, sodass Gesundheitsreaktionen die Merkmale der vorhandenen Variante berücksichtigen können.

In kleineren Bevölkerungsgruppen, beispielsweise in Studentenwohnheimen und Pflegeheimen, kann die Abwasserüberwachung eine kleine Anzahl infizierter Personen erkennen. Das kann Alarm schlagen, dass gezielte klinische Tests dazu dienen, infizierte Personen für die Isolierung zu identifizieren. Früherkennung, gezielte Tests und Quarantäne verhindern wirksam Ausbrüche. Anstatt klinische Tests zur Routineüberwachung zu verwenden, können Administratoren störende klinische Tests für Zeiten reservieren, in denen SARS-CoV-2 im Abwasser nachgewiesen wird.

Wie wird die Überwachung in Zukunft aussehen?

Durch den weit verbreiteten und routinemäßigen Einsatz der Abwasserüberwachung könnten Beamte des öffentlichen Gesundheitswesens Zugang zu Informationen über das Ausmaß einer Reihe potenzieller Infektionen in US-Gemeinden erhalten. Diese Daten könnten Entscheidungen darüber leiten, wo den Gemeinden zusätzliche Ressourcen zur Verfügung gestellt werden sollen, etwa durch die Durchführung von Test- oder Impfkliniken an Orten, an denen die Infektionen zunehmen. Es könnte auch dabei helfen, festzustellen, wann Maßnahmen wie Maskenpflicht oder Schulschließungen notwendig sind.

Im besten Fall könnte bei der Abwasserüberwachung ein neues Virus entdeckt werden, wenn es zum ersten Mal in einem neuen Gebiet ankommt; Eine frühzeitige Abschaltung in dem sehr begrenzten Gebiet könnte möglicherweise eine zukünftige Pandemie verhindern. Interessanterweise haben Forscher SARS-CoV-2 in archivierten Abwasserproben nachgewiesen, die gesammelt wurden, bevor bei jemandem COVID-19 diagnostiziert wurde. Wäre die Abwasserüberwachung bereits Ende 2019 Teil der etablierten öffentlichen Gesundheitsinfrastruktur gewesen, 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 wichtigen Standorten umfasst, jedoch noch zu kostspielig und arbeitsintensiv.

Laufende Forschungs- und Entwicklungsbemühungen zielen darauf ab, die Abwasserprobenahme zu vereinfachen und zu automatisieren. Auf der Analyseseite wird die Anpassung von PCR- und Sequenzierungstechnologien zum Nachweis anderer Krankheitserreger, einschließlich neuartiger, von entscheidender Bedeutung sein, um die Vorteile eines solchen Systems voll ausnutzen zu können. Letztendlich könnte die Abwasserüberwachung dazu beitragen, eine Zukunft zu unterstützen, in der Pandemien weitaus weniger tödlich sind und weniger soziale und wirtschaftliche Auswirkungen haben.

Geschrieben von Susan De Long, außerordentliche Professorin für Bau- und Umweltingenieurwesen, Colorado State University, und Carol Wilusz, Professorin für Mikrobiologie, Immunologie und Pathologie, Colorado State University.