Eines der besten Tools zur Vorhersage von COVID-19-Ausbrüchen? Abwasser.

CICERO, ILLINOISEin übler Geruch schlägt mir entgegen, sobald ich das Westside-Feinsiebgebäude der Stickney Water Reclamation Plant betrete – eine der weltweit größten Abwasserbehandlungsanlagen außerhalb von Chicago. In diesem industriell anmutenden Backsteingebäude mit freiliegenden Rohren, Förderbändern und klobigen Maschinen befinden sich Kammern mit ungeklärten Abwässern – hauptsächlich aus den Häusern der Menschen –, die gesiebt werden, um Plastik, Lumpen, Metalle und andere Abfälle zu entfernen.

Neben mir lauscht Betriebsleiter Joe Cummings auf ein surrendes Geräusch. „Du wirst die Pumpe laufen hören“, sagt er mir, während ein dünnes Saugrohr alle fünf Minuten fünf Esslöffel trübes, dunkelgraues, unbehandeltes Abwasser absaugt. Über 24 Stunden jeden Tag entleert dieser Autosampler Rohabwasser in ein 5-Gallonen-Plastikgefäß und Biologen testen dann den Inhalt des Gefäßes auf giftige Mineralien oder Verbindungen, die Mikroben schaden könnten, die zur Reinigung und Verarbeitung des Abwassers vor seiner Einleitung in das Abwasser benötigt werden Chicago Sanitär- und Schiffskanal.

Seit März 2020, als die COVID-19-Pandemie begann, verwenden Wissenschaftler diese unbehandelten Abwasserproben auch, um nach Fragmenten des SARS-CoV-2-Virus zu suchen, das im Kot infizierter Patienten ausgeschieden wird, um frühzeitig vor Virusausbrüchen zu warnen . Die Virenkonzentrationen steigen normalerweise für ungefähr an vier bis sechs Tage im Abwasser, bevor ein Bereich in klinischen Fällen einen Anstieg verzeichnet. Gemeinden und medizinische Anbieter können daher Abwasserdaten verwenden, um lokale Überspannungen vorherzusagen und die Test- und Impfbemühungen zu intensivieren.

Die ersten Arbeiten waren so erfolgreich, dass die US-amerikanischen Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten im September 2020 ein nationales Abwasserüberwachungssystem einrichteten, das mit Dutzenden von Kläranlagen im ganzen Land zusammenarbeitete und die Abwasserüberwachung für SARS-CoV-2 finanzierte. Bis Februar 2022 lagen CDC-Mittel bei Förderprogrammen an mehr als 400 Standorte in 37 Bundesstaaten, vier Städten und zwei Territorien, obwohl die Abdeckung lückenhaft bleibt. Mit einer garantierten Finanzierung bis 2025 ist es das Ziel, alle 50 Bundesstaaten zu erreichen, sagt der CDC-Projektleiter Amy Kirbyund die Datenerhebung auszuweiten, um andere Viren wie Influenza und Norovirus, die durch Lebensmittel übertragenen Bakterien, einzubeziehen Escherichia coliBakterien, die gegen Antibiotika resistent geworden sind, und der Pilzerreger Candida-Ohr.

Anfänglich waren Beamte des öffentlichen Gesundheitswesens skeptisch gegenüber den Bemühungen, Abwasser auf SARS-CoV-2 zu überwachen, stellt fest Rahel Poretsky, ein mikrobieller Ökologe an der University of Illinois Chicago. Einige befürchteten, dass Chemikalien im Abwasser das genetische Material des Virus abbauen könnten, während andere bezweifelten, dass es möglich sei, aus dem Abwasser stammendes Virusmaterial zu sequenzieren.

Poretsky und andere Wissenschaftler haben ihnen das Gegenteil bewiesen. Mit einem unabhängigen Stipendium arbeiteten sie und ihre Kollegen mit dem Chicago Department of Public Health zusammen, um SARS-CoV-2 in Stickney und einigen anderen Kläranlagen in der Region nachzuweisen und zu quantifizieren. „Als wir diese Daten zeigen konnten [from wastewater] spiegelte, was in klinischen Umgebungen gesehen wurde, oder füllte Löcher in unserer öffentlichen Gesundheitsinfrastruktur, die Leute begannen, sich ein bisschen mehr darauf zu stützen“, sagt sie.

Virologe Helene Norder an der Universität Göteborg in Schweden gehört zu den Wissenschaftlern, die sich seit Jahren dafür einsetzen, die Forschung zur Abwasserüberwachung voranzutreiben. Mit Verbesserungen bei molekularen Sequenzierungswerkzeugen, die Wissenschaftler zuvor identifiziert hatten Influenza-A-Virus, Rotavirus, Adenovirus, Aichi-Virus und Astrovirus im Abwasser. Aber Norder sagt, es sei ihr oft schwer gefallen, ihre Arbeit ernst zu nehmen, oder sie habe gekämpft, um Gelder zu bekommen – bis jetzt.

„Leider brauchte es eine Pandemie, um überhaupt zu erkennen, wie wichtig und spannend dieses Forschungsgebiet ist“, sagt der Umweltchemiker Arjun Venkatesan an der Stony Brook University in New York.

Tiefe Geschichte der Abwasserbeobachtung

Einer der frühesten Erfolge beim Nachweis von Krankheitserregern in Abwasserkanälen ereignete sich in Belfast, Irland, wo es im 19. Jahrhundert zu verheerenden Typhusausbrüchen kam. Die Krankheit breitete sich aus, wenn Menschen kontaminierte Lebensmittel oder Wasser zu sich nahmen Salmonella typhi Bakterien, die im Kot infizierter Personen vorhanden waren. Selbst nachdem die Ausbrüche abgeklungen waren, schieden chronisch asymptomatische Träger noch jahrelang Bakterien mit ihrem Kot aus. Aber in jenen frühen Tagen hatten Wissenschaftler Schwierigkeiten zu beweisen, dass Abwasserverschmutzung ein Übeltäter für Krankheitsausbrüche war.

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Dann, im Jahr 1928, wandte William James Wilson, Professor für Hygiene und öffentliche Gesundheit an der Queen’s University in Irland, eine neue Kultivierungstechnik an Abwasserproben auf ihrem Weg zu den Sedimentationstanks von Belfast an. Er konnte isolieren 21 Stämme von S. Typhi aus den Proben, was einen direkten Beweis dafür liefert, dass das Abwasser den Erreger trug.

James Allan Gray an der schottischen Edinburgh University ähnlich bestätigte die Anwesenheit von Salmonella paratyphi­– ein Bakterium, das einen weniger schweren Typhus namens Paratyphus verursacht – in sieben von 20 Abwasserproben, die 1929 in Edinburgh gesammelt wurden. Und im US-Virologen John Paul von der Yale School of Medicine und seinen Kollegen bestätigten das Vorhandensein des Poliovirus, indem sie Affen mit Abwasserproben infizierten 1939 in Charleston, South Carolina, gesammelt, wo eine ungewöhnlich große Zahl von Polio-Fällen registriert worden war.

In den folgenden Jahren erforschten Wissenschaftler die Abwasserüberwachung als Instrument zur Überwachung der öffentlichen Gesundheit. Israel zum Beispiel war sechs Jahre lang frei von Polio, als ein Ausbruch im Jahr 1988 15 Menschen gelähmt hinterließ. Das zeigten Abwasserproben Offene Abwasserkanäle waren eine potenzielle Quelle für die Exposition gegenüber Viren. Seit damals, 25 bis 30 Standorte in Israel und den angrenzenden palästinensischen Gebieten haben monatliche Abwasserproben gesammelt Poliovirus zu erkennen, bevor symptomatische Fälle in der Gemeinde auftreten. Eine solche Überwachung ermöglichte es den israelischen Behörden, die zu erkennen „stille Zirkulation“ des Polio-Wildvirus in den Abwasserkanälen des Landes im Jahr 2013, was zu Massenimpfungsbemühungen führt. In den letzten zwei Jahrzehnten oder so Mehr als 20 Länder haben den gleichen Ansatz gewählt.

Wissenschaftler konnten auch unbehandeltes Abwasser verwenden, um andere Virusausbrüche zu erkennen, bevor Menschen krank wurden. In Schweden Norder und ihre Kollegen verzeichnet ein Höhepunkt des Norovirus im Jahr 2013, das als Wintererbrechenswanze bezeichnet wird, in Abwasserproben mindestens zwei Wochen, bevor die meisten infizierten Patienten in Krankenhäusern und Altenpflegezentren in Göteborg diagnostiziert wurden. Sie haben auch bestimmte Hepatitis-A-Virusstämme im Abwasser nachgewiesen a paar Wochen vorher zu gemeldeten klinischen Fällen.

Doch in vielen Ländern und Regionen fehlt es seit langem an einer systematischen Überwachung der Kläranlagen. Das kann sich aufgrund von COVID-19 ändern.

Absuchen der Kanalisation nach SARS-CoV-2

Anfang 2020 bestätigten chinesische Wissenschaftler dies Vorhandensein von genetischem Material von SARS-CoV-2 in Stuhlproben von einem infizierten Patienten. Bald darauf berichteten Forscher in den Niederlanden das Vorhandensein von viraler RNA im Abwasser in ihrem Land.

In der Kläranlage Amersfoort in den zentralen Niederlanden fanden sie SARS-CoV-2-RNA-Fragmente in unbehandeltem Wasser sechs Tage bevor im März 2020 die ersten Fälle des Landes gemeldet wurden. Je mehr Menschen COVID-19 bekamen, desto häufiger wurden diese Fragmente. Die Forscher schlugen daher eine Abwasserüberwachung vor, um das Vorhandensein und die Verbreitung von SARS-CoV-2 in der Gemeinde nachzuweisen. Dies ist besonders wertvoll, wenn viele Infektionen leicht oder asymptomatisch verlaufen oder Tests möglicherweise nicht leicht zugänglich sind.

Rolf Halden, Umweltingenieur an der Arizona State University, wurde schnell aufmerksam. Seit 2018 nutzten Halden und seine Kollegen die Abwasserüberwachung, um den Opioidkonsum in Tempe zu verfolgen und monatliche Updates mit der Gemeinde über eine zu teilen Online-Dashboard. Die Influenza stand als nächstes auf ihrer Liste, aber sie drehten sich schnell um, um nach SARS-CoV-2 zu suchen, als die Pandemie ausbrach. Im Mai 2020 identifizierte sich sein Team ein Infektions-Hotspot in Guadalupe– eine überwiegend hispanische und indianische Stadt, in der es an Tests mangelte – und löste einen aus schnelle Antwort von Gemeindesanitätern.

Ähnliche Erfolge gab es bei der Analyse von Abwasser auf SARS-CoV-2 an Universitäten. Im August 2020 entdeckte ein Team von Wissenschaftlern der University of Arizona genetisches Material von SARS-CoV-2 im Abwasser eines Wohnheims, was zu sofortigen Tests und zur Identifizierung von zwei asymptomatischen Studenten führte, die dann isoliert wurden.

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Zwischen November 2020 und April 2021 a lernen Unter Verwendung von Daten aus New York City fand sich ein ähnlicher Trend beim Anstieg und Rückgang neuer COVID-19-Fälle und Viruskonzentrationen in den 14 Kläranlagen der Stadt. Und im November 2021 die Stadt fand Hinweise auf Omicron in seinem Abwasser mindestens einige Tage, bevor der erste Fall klinisch identifiziert wurde.

Als Omicron die Delta-Variante in den USA überholte, nutzten Beamte des öffentlichen Gesundheitswesens Abwasserdaten, um Entscheidungen darüber zu treffen, wann Behandlungen wie z zwei monoklonale Antikörper, die nicht funktionierten gegen die neue Variante, sagt Umweltingenieur Colleen Naughton an der University of California, Merced, wer Spuren SARS-CoV-2-Abwasserüberwachungsbemühungen auf der ganzen Welt.

Experten weisen darauf hin, dass die Abwasserüberwachung kein Ersatz für ordnungsgemäße Testprogramme ist. Zum einen ist es schwierig, die absolute Menge viraler RNA in einer Gemeinschaft aus dieser Art von Probe zu verstehen.

„Es ist einfach zu kompliziert, die Anzahl der Viren mit der Anzahl der Personen zu verknüpfen, die möglicherweise infiziert sind“, sagt Poretsky. Dazu müssen wir stattdessen wissen, wie viele Menschen das Virus ausscheiden und wie lange sie es ausscheiden, und das kann je nach Variante, Infektionsverlauf und Impfstatus der Menschen variieren.

„Selbst mit diesen Einschränkungen kann die Abwasserüberwachung sehr nützlich sein“, sagt Kirby.

Die Zukunft der Kanalüberwachung

Deshalb sind mittlerweile viele Experten auf dem Gebiet von der begeistert Das Engagement von CDC um die Abwasserüberwachung über SARS-CoV-2 hinaus auszuweiten. Einzelheiten über den Aufwand und Umfang der Überwachung müssen jedoch noch geklärt werden.

Beispielsweise entnehmen viele Kläranlagen zweimal pro Woche Proben für SARS-CoV-2-Tests. Dieses Testniveau ist möglicherweise nicht erforderlich für Krankheitserreger, die sich nicht so schnell ändern. Außerdem können einige Krankheiten saisonbedingt sein und erfordern keine ganzjährigen Tests, während einige in bestimmten Regionen relevanter sind als in anderen.

Einige Wissenschaftler schlagen einen umfassenden Ansatz vor, der die gesamte Vielfalt der Viren in städtischen Abwasserkanälen auf der ganzen Welt untersucht. Der Prozess würde beinhalten, dass über Jahre hinweg wiederholt Proben aus denselben Abwasserkanälen entnommen werden, um Viren zu identifizieren, die für diese Region typisch sind, und einzugreifen, wenn sich diese Zusammensetzung ändert.

„Je nachdem, wie häufig einige Mutationen oder Viren in einer Probe im Vergleich zur globalen Vielfalt vorkommen, könnten wir etwas finden, das lokal auffällt“, sagt sie Marion Koopmans, ein Virologe am Erasmus University Medical Center in den Niederlanden. Aber Werkzeuge, um unbekannte Viren in einer Probe einfach zu identifizieren, sind noch nicht ganz da, sagt sie. Auch die Trennung menschlicher Viren von Tier- und Pflanzenviren in Proben mit neuartigen Mikroben könnte eine Herausforderung darstellen.

Abgesehen von den technologischen Hürden wirft die Abwasserüberwachung ethische und datenschutzrechtliche Bedenken auf, insbesondere wenn die Überwachung eher auf lokaler als auf kommunaler Ebene erfolgt. „Das ist, als würde man den Mülleimer des Nachbarn ausgraben“, sagt Venkatesan.

Außerhalb eines schweren Ausbruchs könnte die Rückverfolgung einer Krankheit oder des Konsums bestimmter Medikamente auf eine Person oder eine Nachbarschaft zu Stigmatisierung führen. Auch die Durchführung einer solchen Arbeit ohne Einbindung in die Gemeinschaft könnte ihr Vertrauen gefährden. „Wir kennen die ethischen Richtlinien für klinische Probleme“, sagt Kirby, „aber es gibt keine ähnlichen Richtlinien für Umweltproben.“

Dieses Problem wird besonders wichtig angesichts des wachsenden Interesses an der Archivierung solcher Proben für den Fall, dass Ausbrüche auf die Ankunft bestimmter Krankheitserreger zurückgeführt werden müssen.

In der Zwischenzeit entwickeln sich die Überwachungsbemühungen weiter. Nach den letzten Nachrichten über die Nachweis von Virus-DNA von Affenpocken In einer Kläranlage in San Francisco wird Poretsky in jüngsten Abwasserproben aus Stickney und anderen Anlagen in Illinois nach Beweisen für dieses Virus suchen. Angesichts der begrenzten Verfügbarkeit klinischer Tests für eine solche Krankheit, sagt sie, „zeigt das wirklich den Wert von Abwasser.“

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