Wie die Abwasserüberwachung hilft, Krankheitsausbrüche frühzeitig zu erkennen

Wie die Abwasserüberwachung hilft, Krankheitsausbrüche frühzeitig zu erkennen

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In den ersten Tagen des März 2020 reichten Alexandria Boehm, PhD, Marlene Wolfe, PhD, und Krista Wigginton, PhD, alle damals an der Stanford University, einen schnellen Vorschlag bei der National Science Foundation ein, um Abwasser in der San Francisco Bay Area zu beproben Nachweis von SARS-CoV-2.

“Der Programmdirektor hat sich gemeldet und gesagt: ‘Nun, das ist wirklich interessant, aber ich glaube nicht, dass das Coronavirus in den Vereinigten Staaten ein Problem sein wird, also werden wir diesen Vorschlag nicht finanzieren'”, erinnerte sich Wolfe kürzlich mit einem Lachen. Ein paar Wochen später, als klar wurde, dass das Coronavirus tatsächlich „ein Problem sein würde“, kam die Finanzierung durch – am selben Tag, an dem die Bay Area vollständig abgeriegelt wurde.

Boehm, Wolfe und Wigginton mussten sich dann rappeln, um wieder ins Labor zu gelangen, um Probenahme- und Testprotokolle zu entwickeln, sowie eine Ad-hoc-Belegschaft zusammenstellen, um die Proben zu sammeln und zu testen, Bemühungen, die schließlich zur Entwicklung des Sewer-Coronavirus führten Alert Network (SCAN), das weiterhin täglich neun Kläranlagen in Nordkalifornien testet. Im vergangenen Monat starteten Boehm und Wolfe WastewaterSCAN, ein Versuch, die Abwasserüberwachung auf 300 Standorte im ganzen Land auszudehnen.

Während der Pandemie explodierten die staatlichen und lokalen Bemühungen, Abwasser auf das Vorhandensein des Coronavirus zu testen, da die Gesundheitsbehörden erkannten, dass sie das Vorhandensein von COVID-19 in ihren Gemeinden feststellen konnten, lange bevor die Testergebnisse eintrafen und die Krankenhäuser mit Patienten gefüllt waren. Ende 2020 richteten die Centers for Disease Control and Prevention (CDC) das National Wastewater Surveillance System (NWSS) ein, um eine bundesweite Clearingstelle für Abwassertestergebnisse bereitzustellen. Heute melden etwa 1.200 öffentliche Versorgungsunternehmen in allen 50 Bundesstaaten ihre Ergebnisse an die CDC, sagt NWSS-Direktorin Amy Kirby, PhD.

Obwohl nicht alle Gemeinden vertreten sind – laut Kirby versucht die CDC immer noch, Versorgungsunternehmen in kleinen, ländlichen Gebieten zu rekrutieren – bietet NWSS ein ziemlich solides Bild der Präsenz und Prävalenz von SARS-CoV-2 in Gemeinden im ganzen Land.

Beamte des öffentlichen Gesundheitswesens verwenden jetzt die Daten der CDC – und Daten ihrer eigenen Gesundheitsbehörden oder staatlicher, lokaler und akademischer Partner –, um mobile Teststellen und Impfkliniken einzurichten, Maskenaufträge zu erteilen (oder sie aufzuheben) und Nachrichten zu versenden an ihre Gemeinschaften über Risikoniveaus und Empfehlungen zur Minderung des persönlichen Risikos.

Jetzt, da Affenpocken und Poliovirus – zwei Viren, die in den Vereinigten Staaten seit einiger Zeit nicht mehr entdeckt wurden – auftauchen, nutzen Beamte des öffentlichen Gesundheitswesens dieselbe Infrastruktur, die während der COVID-19-Pandemie entwickelt wurde, um auf diese anderen Infektionskrankheiten zu testen.

„Die Fähigkeit, Affenpocken gleich zu Beginn des Ausbruchs in den Vereinigten Staaten zu überwachen, hat wirklich gezeigt, wie flexibel, anpassungsfähig und nützlich das System sein kann“, sagt Wolfe, der jetzt Assistenzprofessor am Gangarosa Department of Environmental Health an der Emory University ist in Atlanta. „Die Ressourcen und das Humankapital und die Menge an Forschung, die in den letzten zwei Jahren von so vielen Menschen auf diesem Gebiet durchgeführt wurde, war enorm. Ich glaube wirklich, dass wir eine neue Revolution in der Art und Weise eingeleitet haben, wie wir Infektionskrankheiten überwachen.“

Ein ziemlich chaotischer Anfang

Dass die Abwasserüberwachung heute ein akzeptierter Bestandteil der Reaktion auf die öffentliche Gesundheit ist, geht davon aus, dass weit verbreitete Abwassertests auf Krankheitserreger eine ziemlich junge Technologie sind – und dass es in den frühen Tagen der COVID-19-Pandemie mehrere akademische, staatliche und private Labors gab alle versuchen nur herauszufinden, wie es funktioniert.

Das Houston Health Department hat sich mit zwei akademischen Labors zusammengetan – eines am Baylor College of Medicine und ein weiteres an der Rice University –, um zu sehen, ob ihre Tests die gleichen Ergebnisse lieferten. „Wir beschlossen, Proben aus unseren Kläranlagen zu nehmen, und dann ließen wir Baylor und Rice die Daten jeder Probe separat analysieren“, sagt Loren Hopkins, PhD, Chief Environmental Science Officer des Gesundheitsamtes der Stadt Houston. „Sie haben jeweils drei Tests an jeder Probe mit unterschiedlichen Methoden durchgeführt. … Es waren fünf Wochen wirklich intensiver Tests, bevor wir endlich die Genauigkeit erreicht hatten und ich dachte: ‚Jetzt kann ich das verwenden.’“

Houston analysiert immer noch jede Abwasserprobe zweimal, aber jetzt wird ein Test vom eigenen Labor des Gesundheitsministeriums und der andere von Rice durchgeführt. Alle Ergebnisse werden auf der Website des Gesundheitsministeriums von Houston veröffentlicht und an die CDC gesendet, die das Ministerium kürzlich als Exzellenzzentrum für das National Wastewater Surveillance System anerkannt hat.

In den frühen Tagen der Abwasserüberwachung in Stanford mussten Studenten und Lehrkräfte buchstäblich zu verschiedenen öffentlichen Versorgungsunternehmen in Nordkalifornien geschickt werden, um Proben abzuholen und sie zum Testen zurück ins Labor zu bringen. Als sich die Technologie weiterentwickelte, ging Stanford eine Partnerschaft mit Verily, einem Biowissenschaftsunternehmen in der Bay Area, ein, um die Tests durchzuführen, wobei die Proben jeden Tag per Kurier oder per FedEx oder UPS an das Labor geschickt wurden.

Im Labor suchen Wissenschaftler nach dem genetischen Material des Coronavirus, um festzustellen, ob es im Abwasser – und damit in der Gemeinde – vorhanden ist. Im Laufe der Zeit konnten sie nach bestimmten Varianten suchen, indem sie auf den Bereich des Genoms abzielten, der eine für diese Variante spezifische Mutation aufwies, sagt Wolfe.

In der Tat, eine im Juli veröffentlichte Studie in Natur fanden heraus, dass die Abwasserüberwachung die Omicron-Variante in San Diego 10 Tage vor dem ersten klinischen Nachweis genau vorhersagen konnte.

Solche Frühwarnsignale können helfen, Interventionen im Bereich der öffentlichen Gesundheit zu bestimmen, können aber auch von Klinikern verwendet werden. Zum Beispiel konnten Kliniker in Nordkalifornien früh in der Omicron-Welle eingreifen, um Patienten eine bestimmte Art von monoklonaler Antikörperbehandlung zu verabreichen, nachdem aus Abwassertestdaten klar wurde, dass Omicron häufiger war als die Delta-Variante, sagt Wolfe.

Jetzt, da Affenpocken und Poliovirus als Bedrohungen für die öffentliche Gesundheit identifiziert wurden, entwickeln Wissenschaftler im ganzen Land erneut Testprotokolle für diese beiden Infektionserreger.

In New York, nicht lange nachdem in Rockland County ein Patient mit paralytischer Kinderlähmung diagnostiziert worden war, begann das Gesundheitsministerium des Staates New York damit, das Abwasser auf das Vorhandensein des Poliovirus zu testen. Was sie herausgefunden haben, war alarmierend: Polio kursiert tatsächlich nicht nur in Rockland County, sondern auch in den umliegenden Bezirken und in New York City, was die Beamten des öffentlichen Gesundheitswesens dazu veranlasst, Impfkliniken einzurichten und diejenigen, die nicht geimpft sind, zu ermutigen, sich impfen zu lassen. Die Impfung gegen Polio ist in den letzten Jahren zurückgegangen, wobei 86,2 % der Kinder in New York City die empfohlenen drei Impfdosen erhalten haben. Allerdings haben nur 60,3 % der Kinder in Rockland County, wo der Polio-Patient identifiziert wurde, ihre Impfung erhalten.

„Für jeden identifizierten Fall von paralytischer Polio können Hunderte weitere unentdeckt bleiben“, sagte die Gesundheitskommissarin des Bundesstaates New York Mary T. Bassett, MD, MPH, in einer Pressemitteilung vom 12. August. „Der Nachweis des Poliovirus in Abwasserproben in New York City ist alarmierend, aber nicht überraschend. Das State Health Department – ​​in Zusammenarbeit mit lokalen und föderalen Partnern – reagiert bereits dringend, setzt die Falluntersuchung fort und bewertet die Ausbreitung aggressiv. Der beste Weg, Erwachsene und Kinder poliofrei zu halten, ist eine sichere und wirksame Impfung.“

Die Zukunft der Krankheitserkennung?

Während die COVID-19-Pandemie das erste Mal war, dass die Abwasserüberwachung eingesetzt wurde, um das Vorhandensein eines Atemwegsvirus in einer Gemeinde festzustellen, wird es sicherlich nicht das letzte Mal sein. Die CDC prüft bereits die Verwendung von NWSS als „Multi-Pathogen-Plattform“, um Influenza und Respiratory Syncytial Virus (RSV) sowie lebensmittelbedingte Krankheiten, Affenpocken und den aufkommenden Pilzerreger zu erkennen Candida aurissagt Kirby.

Landesweite Tests auf das Poliovirus sind unwahrscheinlich, da die Impfraten in den meisten Gemeinden ziemlich hoch sind. Die CDC ist jedoch dabei, Gemeinden mit niedrigen Impfraten zu identifizieren, und wird „mit den Gesundheitsbehörden in diesen Gemeinden zusammenarbeiten, um eine Abwasserüberwachung einzurichten“, sagt Kirby.

Das Interesse an der Überwachung von Abwasser auf Infektionskrankheiten ist ungebrochen hoch, nicht nur bei Gesundheitsbehörden, sondern auch in Krankenhäusern, Arztpraxen und sogar bei Einzelpersonen.

„Beamte des öffentlichen Gesundheitswesens haben uns gegenüber zum Ausdruck gebracht, dass sie das finden [wastewater] Daten unglaublich nützlich“, sagt Wolfe. „Wir haben auch gesehen, dass Kliniker und Krankenhäuser dies zur Vorhersage der Überspannungskapazität verwendet haben. … Aber wir haben auch viele Leute sagen hören: „Weißt du, ich schaue auf deine Website, um zu entscheiden, ob ich beim Einkaufen eine Maske tragen werde, obwohl es nicht erforderlich ist.“ Es ist wichtig, Richtlinien zu haben, aber wir wollen sicherstellen, dass Einzelpersonen in Ermangelung öffentlicher Richtlinien auch gute Daten in der Hand haben, um ihre eigenen Entscheidungen zu treffen, denn Risiko ist viel mehr als nur die Anzahl der Fälle in der Gemeinschaft.“

In Houston hat das Gesundheitsamt ein ähnliches Interesse bei Personen festgestellt, die ihre eigenen Berechnungen zum Risikomanagement anstellen möchten. Beamte dort haben gerade eine Umfrage abgeschlossen, in der untersucht wurde, wie die Abwasserüberwachung Schulen besser unterstützen könnte, in der sie Schulkrankenschwestern, Lehrer und sogar Eltern befragten. „Eine wirklich interessante Sache war, dass die Mütter mehr Daten wollen. Es gab ein Gefühl unter den Schulmitarbeitern, dass sie dachten, all diese Informationen würden beängstigend sein, aber die Eltern sagten: „Nein, mach schon. Wir wollen wissen, was passiert’“, sagt Hopkins.

Da die Öffentlichkeit mit den Ergebnissen von Abwassertests vertrauter wird und sich Gesundheitsbehörden darauf verlassen, um Krankheitsausbrüche frühzeitig zu erkennen, nehmen die Bemühungen zum Ausbau der Infrastruktur zum Sammeln und Testen von noch mehr Proben zu. Bisher hat WastewaterSCAN 50 öffentliche Versorgungsunternehmen in das Programm aufgenommen und verfügt über Mittel, um es auf 300 zu erweitern.

Die CDC setzt sich weiterhin für die Gemeinden ein, die derzeit keine Tests durchführen, um Finanzmittel und Ressourcen anzubieten. „Wir haben jetzt 42 Staaten, die für die Abwasserüberwachung finanziert werden, gegenüber 33 im Jahr zuvor“, sagt Kirby. „Leider haben wir einige Gemeinden, die einfach keine zusätzlichen Ressourcen oder Zeit für die COVID-Überwachung aufwenden wollen, aber wenn wir uns auf andere Ziele ausdehnen, hoffe ich, dass sich das ändern wird.“

Wolfe fügt hinzu: „Das Zählen einzelner Fälle und die Betreuung einzelner kranker Patienten wird immer der Eckpfeiler der Reaktion auf den Ausbruch von Infektionskrankheiten sein. Aber wir haben jetzt die Möglichkeit, diese Perspektive auf Bevölkerungsebene zu bieten, ein System zu haben, das ständig im Hintergrund läuft, mit dem wir nicht nur saisonale Bedrohungen wie Grippe und RSV überwachen, sondern auch auf neue Ausbrüche wie Affenpocken vorbereitet sein können . Das wird unserer öffentlichen Gesundheitsinfrastruktur einen enormen Schub geben, zumal wir sehen, dass Infektionskrankheiten angesichts des Klimawandels weiterhin eine globale Bedrohung darstellen werden.“

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