Erik Jepsen
Die zentralen Thesen
- Das Testen von Abwasser auf COVID-19 ist eine effektive Methode, um potenzielle Ausbrüche zu verfolgen.
- Dank einer verbesserten Methode kann diese Art der Überwachung schneller, effizienter und billiger durchgeführt werden.
- Durch die Verbesserung des Verfahrens können täglich Dutzende von Proben aus Abwasserkanälen und Kläranlagen getestet werden und nicht nur eine Handvoll.
- Schnelle Abwassertests können auch verwendet werden, um in Zukunft andere Virusausbrüche zu erkennen und zu verfolgen.
Zu Beginn der Pandemie wandten sich Wissenschaftler dem Abwasser als Warnsystem für COVID-19-Ausbrüche zu. Das Testen von Abwasserproben auf das Vorhandensein des Virus hat sich als nützlich erwiesen, um ein Gebäude oder Gebiet herauszusuchen, in dem COVID-19 bereits vorhanden ist wenn Träger asymptomatisch sind. Die Methode wurde überall implementiert, von Colleges bis zu lokalen Gemeinschaften.
Diese Methode hat jedoch einen wesentlichen Fehler: ihre Geschwindigkeit. Jetzt hat ein Team an der Medizinischen Fakultät der Universität von Kalifornien in San Diego (UCSD) einen Weg gefunden, den Erkennungsprozess zu beschleunigen und genaue Daten schneller bereitzustellen.
Der ursprüngliche Prozess war langsam, da Abwasser- oder Abwasserproben verdünnt und konzentriert werden müssen, was viele Schritte erfordert und viele Ressourcen verbraucht, sagt Dr. Smruthi Karthikeyan, Umweltingenieur und Postdoktorand an der UCSD School of Medicine, gegenüber Verywell. Karthikeyan ist der Hauptautor eines Berichts über den Prozess, der diesen Monat in der Zeitschrift veröffentlicht wurdemSystems.
Beschleunigung des Prozesses
Im Gegensatz zu einem Nasentupfer, bei dem eine kleine Schleimprobe entnommen wird, wird eine Abwasserprobe aus einem Abwasserkanal oder einer Kläranlage verdünnt, nachdem sie mit allem anderen, was in den Abfluss gelangt ist, herumgeschwappt wurde.
Abwasserproben müssen konzentriert werden, damit SARS-CoV-2, das Virus, das COVID-19 verursacht, leichter gefunden werden kann. Es bestand jedoch Bedarf an einer schnelleren Methode, um diese Proben zu konzentrieren und RNA aus dem Virus zu finden. Die Forscher waren speziell daran interessiert, eine Methode zu finden, die gleichzeitig an vielen Proben durchgeführt werden kann und genaue Ergebnisse am selben Tag liefert.
Um den Prozess zu beschleunigen, wandten sich Karthikeyan und ihr Team an eine Roboterhilfe, die sie bereits in ihrem Labor hatte. Bevor die Pandemie begann, konzentrierte sich ihre Forschung auf das Darmmikrobiom, ein Untersuchungsgebiet, in dem auch Abwasserproben untersucht werden. Durch Modifizieren dieses Systems konnten sie schnell RNA aus den Abwasserproben extrahieren und eine Polymerasekettenreaktion (PCR) durchführen, um nach Signaturgenen von COVID-19 zu suchen.
In Systemen, die zuvor zur Abwasserüberwachung verwendet wurden, wurden die Wasserproben unter Verwendung von Filtrations- oder Fällungsmethoden konzentriert, was Zeit und viele Ressourcen benötigte, um Tests durchzuführen.
Stattdessen verwendet dieses Hochdurchsatzsystem Magnetkügelchen, die sich vorzugsweise mit Virusstücken verbinden, erklärt Karthikeyan. Der Roboterprozessor nimmt dann die Perlen mit einem Magnetkopf auf und lässt alles andere zurück.
"Auf diese Weise wählen Sie nur den Virus aus und nehmen nicht den gesamten Müll auf", sagt sie. "Es erhöht Ihre Chancen, das Virus auch in einem verdünnten System zu finden." Die konzentrierten Proben werden dann mittels PCR-Test auf drei verschiedene Genziele auf dem COVID-19-Genom getestet.
Was ist Hochdurchsatz-Screening?
Das Hochdurchsatz-Screening verwendet automatisierte Geräte, um Tausende bis Millionen von Proben schnell auf biologische Aktivität auf Organismus-, Zell-, Stoffwechsel- oder molekularer Ebene zu testen.
Das verbesserte System erhöht die Testgeschwindigkeit erheblich.
"[Zuvor] konnte ich nicht mehr als 10 Proben pro Tag machen. Ich habe Stunden gebraucht, um das Gleiche zu tun “, sagt Karthikeyan. "Damit können wir 120 Proben in 4,5 Stunden vom Eingang der Probe bis zum eigentlichen PCR-Nachweis durchführen."
Dieser Prozess hat den zusätzlichen Vorteil, dass er billiger ist, da weniger Ressourcen und weniger Personen für die Durchführung der Tests erforderlich sind, fügt sie hinzu. Die Prüfung kann an Abwasserproben mit einem Volumen von nur 10 Millilitern durchgeführt werden.
Die Genauigkeit der Ergebnisse mit dieser Methode ist ebenfalls hoch. Laut einer Aussage der UCSD School of Medicine können die Forscher anhand von Schnelltests vorhersagen, was mit der Verbreitung von COVID-19 eine Woche im Voraus mit guter Genauigkeit und drei Wochen im Voraus mit angemessener Genauigkeit geschehen wird.
Was dies für Sie bedeutet
Die Abwasserüberwachung für COVID-19 erinnert daran, dass sich das Virus auch dann ausbreiten kann, wenn bei Personen keine Symptome auftreten. Es ist wichtig, weiterhin die notwendigen Sicherheitsvorkehrungen zu treffen, wie das Tragen einer Maske, soziale Distanzierung und Händewaschen, um sich und Ihre Gemeinde zu schützen.
Eine Erfolgsgeschichte
Seit Juli 2020 werden Abwässer aus Schlafsälen und anderen Gebäuden am UCSD getestet. Ein Team unter der Leitung von Rob Knight, PhD, Professor und Direktor des Zentrums für Mikrobiominnovation am UCSD, entdeckte die Technik.
Einen Monat, nachdem die Schule mit der Überwachung des Abwassers begonnen hatte, stellten sie einen positiven asymptomatischen Fall fest und die Universität konnte Warnmeldungen an die Menschen in den betroffenen Gebäuden senden. Dies erleichterte das gezielte Testen von Personen in einem bestimmten Bereich, anstatt zu versuchen, alle auf dem Campus zu testen. Die Screening-Ergebnisse werden jetzt in einem öffentlichen Dashboard verfügbar gemacht.
Andere Universitäten wie die University of Arizona verwenden Abwassertests, um die Ausbreitung von COVID-19 zu verfolgen. New York City überwacht sogar COVID-19 in Proben seiner 14 Kläranlagen.
Mit dem UCSD-System können schnell mehr Wasserproben getestet werden, sodass die Gesundheitsbehörden einen Blick auf die Ausbreitung des Virus werfen können, bevor Menschen klinisch krank werden. "Ich glaube nicht, dass es jemand in einer solchen Größenordnung macht", sagt Karthikeyan.
Das bei UCSD verwendete System kann sogar nur einen Fall von COVID-19 in einem Gebäude mit mehr als 400 Einwohnern erkennen. In einer jungen Bevölkerung, wie der Studentenschaft an der UCSD, sind infizierte Menschen oft asymptomatisch, scheiden aber immer noch das Virus aus, sagt Karthikeyan. Wenn ein asymptomatischer Träger symptomatisch wird oder das Virus auf jemanden überträgt, der Symptome einer Infektion zeigt, könnte sich das Virus exponentiell ausgebreitet haben.
Karthikeyan und ihre Kollegen testen derzeit Abwasserproben für San Diego County. Die Kläranlage in Point Loma verarbeitet Abwasser für mehr als 2,2 Millionen Menschen und ermöglicht die Entnahme von Proben an einem Ort für den gesamten Versorgungsbereich. Es ist schwierig und teuer, Tests auf das Virus für die gesamte Bevölkerung durchzuführen, aber die Verwendung von Abwassertests als Überwachungstechnik ermöglicht es den Beamten des öffentlichen Gesundheitswesens, die Bereiche einzugrenzen, in denen Tests von entscheidender Bedeutung sind.
San Diego County möchte, dass das UCSD-Team nicht nur das Virus erkennt, sondern auch das Virusgenom sequenziert, um festzustellen, welche Varianten des Virus möglicherweise zirkulieren, sagt Karthikeyan. "Jetzt werden wir eine groß angelegte Genomsequenzierung durchführen", fügt sie hinzu.
Diese Art der Abwasserüberwachung kann angepasst werden, um die Überwachung von Viren durchzuführen, die sich im Kot befinden, sagt Karthikeyan und fügt hinzu, dass sie bei vielen Arten von Epidemien von Infektionskrankheiten eingesetzt werden könnte und dazu beitragen könnte, zukünftige Pandemien früher zu erkennen.
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