Seit mehr als zwei Jahren leben wir unter Pandemie-Bedingungen und trotz der Verfügbarkeit von wirksamen Impfstoffen sind die Inzidenzzahlen in Deutschland zurzeit so hoch wie nie zuvor. Verschiedene Gründe machen es so schwer, die Ausbreitung des Virus zu verhindern. So bleiben viele Infektionen unerkannt, weil die Infizierten keine Symptome aufweisen. Sie können aber trotzdem – so wie geimpfte Personen auch – das Virus übertragen und dadurch die Infektionsketten aufrechterhalten.
Um geeignete Maßnahmen anordnen zu können, benötigen die Gesundheitsämter einen möglichst genauen Überblick über aktuelle Infektionszahlen und Verbreitung potenziell gefährlicher Virusvarianten. Diese Daten stammen weitgehend aus Material- und Personal-intensiven Individualtestungen, die überproportional Menschen mit Krankheitssymptomen erfassen. Da SARS-CoV-2 mit dem Stuhl ausgeschieden wird, gibt es aber auch eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Alternative: das infektiologische Abwasser-Monitoring als Teil der Abwasser-Epidemiologie.
EU-Empfehlung nicht umgesetzt
Der Ansatz, Abwässer zu nutzen, um die Ausbreitung von Infektionskrankheiten in der Bevölkerung zu überwachen, ist nicht neu. Einer seiner Vorteile ist, dass dadurch die gesamte Bevölkerung einschließlich der asymptomatisch Erkrankten erfasst wird. In der aktuellen SARS-CoV-2-Pandemie setzen bereits verschiedene Länder wie Schweden, die Niederlande und Italien auf ein flächendeckendes Abwasser-Monitoring. Im Frühjahr 2021 empfahl sogar die Europäische Kommission seine Einführung in allen Mitgliedsstaaten. In Deutschland wurde diese Empfehlung bisher nicht flächendeckend umgesetzt. Verschiedene Studien zeigen jedoch, dass Abwasser-Untersuchungen auch hierzulande dazu geeignet sind, Infektionsdynamiken zu verfolgen.
Metropolregionen, in denen sich Infektionen besonders schnell ausbreiten, können besonders von Abwasser-Analysen profitieren. In München fand ab März 2020 ein einjähriges Pilotprojekt unter der Leitung des Tropeninstituts des LMU Klinikums statt. Dazu wurden an sechs Stellen über das Stadtgebiet verteilt Abwasserproben genommen, die mit 500.000 Einwohnern rund ein Drittel der Münchner Bevölkerung erfassten. Die Abwasserproben wurden zur Feststoffabtrennung filtriert und ultrazentrifugiert; anschließend wurden virale Genome mittels reverser Polymerase-Kettenreaktion vervielfältigt und danach sequenziert (Sci Total Environ, 797:149031).
Schneller als die Behörden
Die im Abwasser gemessene Viruslast korrelierte dabei gut mit den behördlichen Daten der 7-Tages-Inzidenz und hatte darüber hinaus prädiktiven Charakter wie Studienleiter Andreas Wieser vom Tropeninstitut in einer Pressemitteilung darlegt: „Durch die im Abwasser gemessene Viruslast haben wir die lokale Inzidenz für die Verbreitung von SARS-CoV-2 bereits drei Wochen früher festgestellt als in den Meldezahlen der Behörden, die auf der Analyse von Atemwegsabstrichen basieren.“ Auch die Ausbreitung der Alpha-Varianten Anfang Januar 2021 in der Münchner Bevölkerung konnte so frühzeitig nachgewiesen werden.
In Berlin läuft seit Februar 2021 eine ähnliche Studie unter Leitung von Altuna Akalin vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC). In Zusammenarbeit mit den Wasserbetrieben werden Abwasserproben aus vier Berliner Klärwerken untersucht. Die Ergebnisse werden mithilfe des computergestützten Werkzeugs „PiGx SARS-CoV-2“ grafisch so aufbereitet, dass sich Infektionsdynamik und Ausbreitung von zirkulierenden Virusvarianten zeitgleich an verschiedenen Orten verfolgen lassen. Ergebnisse der Analyse von 38 Proben aus dem Versuchszeitraum bis Juni 2021 wurden auf der Preprint-Plattform MedRxiv publiziert (DOI: 10.1101/2021.11.30.21266952).
Alpha, Delta und Omikron
Wie bei der Münchner Studie gab es eine signifikante Korrelation zwischen dem behördlich gemeldeten Inzidenzwert und der Viruslast im Abwasser mit einem zeitlichen Versatz von rund zwei Wochen. Zusätzlich ließ sich die Ausbreitung der Virusvarianten Alpha und Delta verfolgen. Laut Studienleiter Akalin werden derzeit Daten der zweiten Jahreshälfte für die Publikation vorbereitet. Eine Pressemitteilung meldete vorab, dass auch der Aufstieg der Omikron-Variante frühzeitig verfolgt werden konnte. Und zwar alle beiden Subtypen: BA.1 und BA.2. „Die Daten zu BA.2 zeigen, wie empfindlich und effizient das Abwasser-Monitoring ist beim Bestimmen von Krankheitserregern“, betont Markus Landthaler, der ebenfalls am Projekt des MDC beteiligt ist, in einer weiteren Pressemitteilung.
Auch im Großraum Leipzig wird seit Mai 2020 ein infektiologisches Abwasser-Monitoring durchgeführt. „Aus dem deutschlandweiten Projekt, das wir damals mit der DWA [Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall] angeschoben hatten, haben sich unter dem Dach der DWA (COROMONI-Projekt) mehrere kleine dezentrale Initiativen in Deutschland entwickelt. Darunter ein vom Freistaat Sachsen finanziertes Projekt, das nach wie vor der TU Dresden und dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Leipzig betrieben wird“, teilt uns die Pressestelle des UFZ auf Nachfrage mit.
Aktuell ist man beim COROMONI-Projekt dabei, Leitlinien zu erarbeiten und vor allem Betreiber von Abwasseranlagen für das Projekt zu interessieren sowie Mitarbeiter für die korrekte Probennahme und den Transport zu schulen. Bis Ende des Jahres hat man sich zunächst dafür Zeit gegeben. Ziel ist, der „strategische Aufbau eines bundesweiten Abwasser-Monitoringsystems auf Grundlage der EU-Empfehlungen mit verhältnismäßigem Aufwand und überschaubarem Kostenrahmen“.
Praxistest auf dem Land
Dass nicht nur Metropolregionen, sondern auch eher ländlich geprägte Gegenden von einer Überwachung des kommunalen Abwassers profitieren könnten, zeigt eine Fallstudie der Technischen Universität München und des DVGW Technologiezentrums Wasser (TZW) im Berchtesgardener Land, die von Jörg Drewes vom Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft koordiniert wird (Bundesgesundheitsbl, DOI: 10.1007/s00103-021-03425-7).
Der von Tourismus und Pendlern geprägte oberbayerische Landkreis im Grenzgebiet zu Österreich hatte als einer der ersten in der zweiten Pandemiewelle den Lockdown ausrufen müssen. Ab November 2020 ergänzte das Abwasser-Monitoring zur Früherkennung des lokalen Infektionsgeschehens die Maßnahmen des Krisenstabs. Dafür wurden an zwei Tagen pro Woche an neun kommunalen Kläranlagen und an drei Standorten zusätzlich direkt aus der Kanalisation Proben genommen, die 95 Prozent der 106.000 Einwohner des Landkreises repräsentierten. Als SARS-CoV-2-Biomarker dienten vier spezifische Gene; der im menschlichen Darm verbreitete Bakteriophage CrAss wurde quantifiziert, um mögliche Verdünnungen durch Regenwasser herausrechnen zu können. Die Nachweisgrenze lag bei 2,5 Genkopien pro Milliliter Abwasser, was in etwa 20 Infizierten pro 100.000 Einwohner entspricht. Gemeinsam mit den amtlich erfassten COVID-19-Neuinfektionen speisten die Daten aus der Abwasser-Untersuchung ein digitales Dashboard, auf dessen Basis gezielte Maßnahmen ergriffen werden konnten. Da durch die Ergebnisse die Trendanalyse bereits 7-10 Tage vor den klinischen Fallzahlen möglich war, gelang es den Behörden in verschiedenen Fällen Ausbruchsgeschehen etwa durch private Feiern effizient nachzuverfolgen und die Infektionsketten durch geeignete Maßnahmen frühzeitig zu unterbrechen.
Sinnvolle Ergänzung
Das Abwasser-Monitoring soll nun bis Anfang 2023 fortgesetzt werden und gemeinsam mit ähnlichen Projekten, die in diesem Monat anlaufen, eine Entscheidungsgrundlage dafür liefern, ob das Verfahren in Deutschland flächendeckend zum Einsatz kommen soll. Die Verantwortlichen der Berchtesgardener Studie sind davon überzeugt, wie sich ihrer Publikation von Oktober 2021 entnehmen lässt: „Eine rechtliche Verankerung der Abwasser-Surveillance als kosteneffiziente wie flächendeckende Ergänzung zum individuellen Testen erscheint aus einer Public-Health-Perspektive sinnvoll.“
Nicht nur bei der gegenwärtigen Corona-Pandemie, auch bei anderen Infektionswellen oder zur Überwachung von Antibiotika-Resistenzen könnte das infektiologische Abwasser-Monitoring zukünftig eingesetzt werden. Welches der vielen Projekte sich letztlich durchsetzt, wird sich zeigen.
Larissa Tetsch
Bild: Pixabay/aitoff
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