von Simon Schöpf
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Wir alle müssen auf die Toilette und das hat in Zeiten einer Pandemie einen Vorteil für die Wissenschaft. Was damit gemeint ist, möchten wir euch im folgenden Artikel erläutern. Wir haben uns mit Professor Heribert Insam und dem PhD-Studenten Rudolf „Rudi“ Markt vom Institut für Mikrobiologie getroffen, um mehr über die Abwasserepidemiologie zu erfahren.
Abwasserepidemiologie
Heribert Insam, Leiter der Arbeitsgruppe Mikrobielles Ressourcenmanagement an der Uni Innsbruck, ist Umwelt- bzw. Mikrobiologe und hat sich vor der Pandemie hauptsächlich mit Bakterien und Pilzen und deren Umsetzungsvorgängen auseinandergesetzt. Dazu gehören die Vorgänge der Mikroben im Boden und im Abwasser, aber auch deren Beteiligung bei der Kompostierung oder der Biogasgewinnung.
Rudi Markt, unser zweiter Gesprächspartner, hatte im ersten Lockdown (März 2020) die Idee, das Virus im Abwasser nachzuweisen. Nach einer kurzen Recherche hatte er herausgefunden, dass dies bereits mit Polioviren in Israel gemacht wurde und ein stiller Polioausbruch dort früh detektiert werden konnte. Forscher*innen in den Niederlanden hatten zu diesem Zeitpunkt bereits angefangen, SARS-CoV-2 im Abwasser nachzuweisen. Kurz darauf veröffentlichte das MIT ein Protokoll, wie das Virus aus dem Abwasser aufkonzentriert werden kann.
„Das Problem ist, dass die PCR zwar super sensitiv ist, aber ich muss trotzdem aufkonzentrieren, weil ich einzelne Moleküle nachweise“, hält Rudi Markt fest – Näheres dazu gleich mehr.
Markts Doktorvater, Andreas Wagner, gefiel die Idee ebenso und Insam gelang es, über die Spin-off Firma BioTreaT sehr schnell eine Förderung durch die Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) und später durch den Förderkreis 1669 der Universität Innsbruck zu erlangen.
Die Finanzierung wurde unter anderem für die Reagenzien der PCR benötigt. Wenige Milliliter kosten an die 2000 Euro. Es kam sogar zu Engpässen, da Bestellungen von mehreren Litern zu Beginn der Pandemie bei den Anbietern für PCR-Produkte eingingen.
Mikrobiolog*innen bei der Arbeit, im Bild Fabiana Nägele ©Simon Schöpf
Ischgl – Great minds think alike
Schnell rief Insam beim Abwasserverband Oberpaznaun an, um an Positivproben zu kommen. Der Klärmeister leitete die Anfrage an den Bürgermeister weiter, der Probennahmen zusagte und zwei Tage später anrief, dass auch ein Wiener Kollege gerne Proben hätte. Schnell wurde mit Norbert Kreuzinger von der Technischen Universität Wien eine Allianz geschmiedet, und mit Unterstützung der Bundesministerien für Bildung, Wissenschaft und Forschung sowie Landwirtschaft, Regionen und Tourismus das österreichweite Coron-A-Projekt begründet, zu dem auch die Medizinische Universität Innsbruck mit Herbert Oberacher eingeladen wurde. Expertise für Kanalsysteme und Modellierung lieferte Wolfgang Rauch vom Arbeitsbereich Umwelttechnik der Uni Innsbruck. Die mit April 2020 begonnen Messungen konnten damit nahtlos fortgesetzt werden.
Auf Initiative des damaligen Bildungsministers Heinz Faßmann wurde das SARS-CoV-Monitoring als ‚Schulstandortmonitoring‘ mit über 100 Anlagen auf die Beine gestellt. Damit sollte die Sicherheit an Schulen für den Herbst gewährleistet werden. Große Schulstandorte, wie Vöcklabruck oder Saalfelden, dienen bis Projektende im Juni 2022 somit als Proxy der Infektionslage für ganze Bezirke, insgesamt werden über 70% der österreichischen Bevölkerung erfasst.
Rudolf „Rudi“ Markt erklärt uns den Ablauf der Analyse ©Simon Schöpf
Vom Klo zur Kläranlage ins Labor – die Methodik
Die Abwasseranalyse wird an Mischproben des Zulaufes durchgeführt, die an jeder Kläranlage mit einem 24-h-volumsproportionalen Probennehmer geworben werden. In einem ersten Aufbereitungsschritt werden die Feststoffe, die Inhibitoren enthalten könnten, entfernt. Danach wird die virale RNA wird mittels eines Zentrifugationsverfahrens bei 12.000 g (zwölftausendfache Erdbeschleunigung) aufkonzentriert. Aus dem verbleibenden Pellet wird dann die RNA extrahiert, und dann mit quantitativer PCR die Menge an SARS-CoV-RNA gemessen. Genauer gesagt, es wird ein bestimmter Teil des Nukleocapsid-Gens quantifiziert. Zusätzlich wird die Probe durch das Labor Bergthaler am CeMM auch sequenziert, wodurch Information über die kursierenden Virenvarianten gewonnen werden kann. An den Kläranlagen werden routinemäßig auch Populationsmarkern wie Ammonium oder Gesamtstickstoff gemessen, womit auf die Virenfracht pro Einwohner zurückgerechnet werden kann. Die Messergebnisse werden dann als Millionen Virenkopien pro Einwohner dargestellt.
Zentrifuge zur Aufkonzentrierung der Abwasserprobe ©Simon Schöpf
„Ein Populationsmarker ist zum Beispiel der Gesamtstickstoff im Abwasser. Jede*r Einwohner*in scheidet ca. elf Gramm Stickstoff pro Tag aus. Das heißt, ich weiß ziemlich genau, wie viele Leute im Einzugsgebiet dieser Kläranlage an diesem Tag waren, von dem die Probe stammt. Und wir haben damit Touristenströme, Pendlerströme usw. ganz gut im Griff. Ich kann dann sagen, die Virenabundanz in der Bevölkerung ist so und so groß“, hält Heribert Insam fest.
Erste Analysen haben gezeigt, dass die Proben gekühlt gelagert und transportiert werden müssen, um nicht einen Teil der Signalstärke zu verlieren, und dass die Halbwertszeit, die temperaturabhängig ist, auch für die Bewertung der Ergebnisse herangezogen werden muss.
Ein Vorteil der Abwasseranalyse ist die Tatsache, dass sie pandemische Entwicklungen früher als die Ergebnisse der Individualtests sichtbar machen kann: Das Virus ist bereits ein bis drei Tage vor dem Auftauchen von Krankheitssymptomen im Kot feststellbar. D. h. mit den Daten aus dem Abwasser konnte und kann das österreichweite Infektionsgeschehen früher festgestellt werden. Außerdem ist diese Methode viel kostengünstiger als die massenhafte Anwendung von Individualtests. Bei der Omikron-Variante ging die Vorlaufzeit im Vergleich zu den Individualtestungen zurück. Die dahinterliegende These ist, dass bei einer Ansteckung mit Omikron eventuell weniger fäkal ausgeschieden wird. Gleichzeitig wurde die Testfrequenz mit gewöhnlichen Tests massiv erhöht.
Inzidenzzahlen der Individualtests (gelb) im Vergleich mit der Abwasseranalytik (grün). (Beispiel Kläranlage Bregenz) ©Schulstandortmonitoring
Rudi Markt dazu: „Abwasserepidemiologie wirft einen Blick von außerhalb auf die Pandemie, vielleicht ein bisschen getrübt und nicht ganz scharf, aber ein guter Überblick. Wohingegen die Individualtests nur ein Blick durch die Lupe auf einzelne Punkte ist. Die Perspektive, die wir durchs Abwasser kriegen, die ist hochinteressant, vor allem auch um einzelne Varianten besser zu verstehen.“
Nico Peer bei der Arbeit an der sterilen Arbeitsbank ©Simon Schöpf
Die erhaltenen Proben werden in einem Zentralarchiv in Wien gelagert und werden von dort an das Bergthaler-Labor am Zentrum für molekulare Medizin der ÖAW gebracht. Die Gesamtgenomsequenzierung im Bergthaler-Labor gibt Auskunft über die sich ausbreitenden Varianten und dauert ca. 10 – 14 Tage. Eine etwas schnellere aber nicht so umfassende Genotypisierung zur Bestimmung von Varianten wird ebenfalls durchgeführt. Die Analysen werden am Esterbauer-Labor am AKH durchgeführt und dauern ca. eine Woche.
Ein weiterer interessanter Aspekt ist die Korrelation der Impfrate mit dem Infektionsgeschehen. Im Herbst 2021 waren in Bezirken mit einer hohen Impfrate die Corona-Signale im Abwasser dementsprechend niedriger. In Oberösterreich hingegen, wo die Impfrate niedriger war, waren die Werte besonders hoch.
Politik und Wissenschaft
Heribert Insam war bestrebt sich gegenüber den Auftraggebern und den Stakeholdern in den Bundesländern durchzusetzen und die Daten der Abwasseranalyse öffentlich zugänglich zu machen. Insbesondere in Tirol war der Widerstand groß obwohl dort beispielgebend im Rahmen eines Landesmonitorings 43 Kläranlagen, die mehr als 90% der Bevölkerung abdecken, beprobt und analysiert werden.
Insam dazu: „Es sind große Widerstände gegen die Datenfreizügigkeit. Ich habe in den zwei Jahren Projektlaufzeit so viel über Föderalismus gelernt, wie nie zuvor. […] Hier spielen nicht nachvollziehbare Ängste mit. Schließlich werden die Inzidenzen und gar Todesfälle auf Gemeindeebene täglich veröffentlicht. Aber das, was da beim Kanal daherkommt, das unterliegt strengster Geheimhaltung.“
Stand April 2022 sind die Daten nun wenigstens teilweise öffentlich einsehbar und langsam wird auch eine Kommunikation zwischen den Gesundheitsbehörden der Bundesländer ermöglicht. Überraschend dabei ist, dass das Gesundheitsministerium bisher wenig Interesse an den Zahlen aus dem Abwassermonitoring hatte. Dies änderte sich nun mit einer Empfehlung der EU-Kommission, nach der nun die 24 größten Kläranlagen für die nächsten vier Jahre beobachtet werden sollen.
Virusvarianten im Abwasser, wobei die beiden Subtypen BA.1 (rot) und BA.2 (grün) der Omicron-Variante dargestellt sind ©Schulstandortmonitoring
Vom Labor ins Kriegsgebiet
Wie wichtig die Abwasseranalyse auch für z. B. militärische Einsätze ist, zeigt sich an den Erlebnissen von Rudi Markt in Gao, Mali. Die deutsche Bundeswehr unterhält im Rahmen der UN-Friedenssicherungsmission „MINUSMA“ das Camp Castor in der Sahelzone. Nachdem die mikrobiologische Abteilung der Bundeswehr von der erfolgreichen Abwasseranalyse gehört hatte, bot sich das oberösterreichische Unternehmen Waste Water Solutions Group an, das umzusetzen. Es sollten mittels Abwasseranalysen frühzeitig Cluster im ca. 1500 Personen umfassenden Camp entdeckt werden. Die Expertise dafür kam von Rudi Markt, der für die Inbetriebnahme und Schulung des Personals in das Krisengebiet reiste.
„Ein Problem zum Beispiel war: Wie bringt man die Reagenzien nach Mali? DHL gibt es im Kriegsgebiet eher nicht, das heißt wir haben alle Reagenzien usw. für ein ganzes Jahr eingekauft und haben das in einem Container runtergeschickt. Dann gibt es Reagenzien in der PCR, die müssen gefroren bleiben, bis man sie verwendet. Mit Trockeneis dürfen wir aber nicht in einen Flieger rein. Wir haben uns Styroporboxen mit sehr kalten Kühlakkus umgehängt und sind in den Flieger rein“, erzählte uns Rudi Markt von einigen der Probleme, vor die sich er und sein Team gestellt sahen.
Beyond Covid – Blick in die Zukunft
Neben der Möglichkeit Polioviren und SARS-CoV-2 im Abwasser nachzuweisen, gibt es Pläne, weitere, epidemiologisch wichtige Krankheitserreger mit diesen Methoden zu ermitteln. Es gibt bereits die ersten vielversprechenden Versuchsläufe, um Noroviren und Influenza und deren Subtypen über das Abwasser zu analysieren.
„Das Ganze kann man weiterdenken und ausbauen. Eine wissenschaftliche Spielwiese, auf der noch viel gemacht werden kann!“, hält Rudi Markt abschließend fest.
Google Scholar von Heribert Insam:
https://scholar.google.at/citations?user=PLYKvE0AAAAJ&hl=de
Orcid Profil von Heribert Insam:
https://orcid.org/0000-0002-5136-2752
Orcid Profil von Rudolf Markt:
https://orcid.org/0000-0003-0195-1249
Publons Profil von Rudolf Markt:
https://publons.com/researcher/3453878/rudolf-makrt/
Österreichisches Abwassermonitoring:
https://corona.hydro-it.com
Weiterführender Link zur Abwasseranalyse Gerichtsmedizin Innsbruck:
https://www.i-med.ac.at/pr/presse/2021/22.html