Nachweis von SARS-CoV-2 (Coronavirus) in Abwasser

02.03.2021

Nachweis von SARS-CoV-2 (Coronavirus) in Abwässern

Die Überwachung des Abwassers auf SARS-CoV-2 – besser bekannt als Coronavirus - kann eine wertvolle Datenquelle für ein effektives COVID-19-Management sein. Der Nachweis biologischer Parameter im Abwasser ist jedoch mit einigen Herausforderungen verbunden. Inzwischen gibt es verschiedene Lösungen, um diese zu überwinden.

Jüngste Studien haben gezeigt, dass Abwasser eine wertvolle Informationsquelle für die SARS-CoV- 2-Verbreitung sein kann. Im Jahr 2020 unterstützten Analytik Jenas Real-time PCR-Thermocycler der qTOWER³ Serie bereits eines der ersten SARS-CoV-2 Abwasser-Screenings in Japan. Seitdem gewinnt die Überwachung von Abwasser auf SARS-CoV-2 und weitere Krankheitserreger mehr und mehr an Aufmerksamkeit. Behörden und Forschung integrieren derartige Screenings als Werkzeug für die Überwachung und das Management der öffentlichen Gesundheit. Der folgende Artikel zeigt, wie der Analyseprozess zum Nachweis von Coronaviren im Abwasser - von der Probennahme über die Probenanreicherung und Nukleinsäureextraktion bis hin zum Real-Time-PCR-Nachweis - effizient umgesetzt und wie er zur Unterstützung des COVID-19-Management eingesetzt werden kann.

Kundenstimme aus Japan Über den Einsatz des qTOWER³ für die Detektion von SARS-CoV-2 in Wasserproben aus der Umwelt

"Unabhängig von der Probenmatrix konnten geringe Konzentrationen von Genen nachgewiesen werden."

"Wir haben den qTOWER³ G zur Quantifizierung von Virusgenen, einschließlich SARS-CoV-2, in verschiedenen Umweltwasserproben eingesetzt. Unabhängig von der Probenmatrix konnten geringe Konzentrationen von Genen nachgewiesen werden. Die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ist gut. Aufgrund der effizienten Heiz- und Kühlraten läuft die Reaktion schnell ab. Filter für verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe sind verfügbar und können nachträglich eingebaut werden. Diese Flexibilität ist sehr gut."

Dr. Akihiko Hata, Toyama Prefectural University, Japan

Warum ist die Überwachung des Abwassers auf SARS-CoV-2 wichtig?

Die abwasserbasierte Epidemiologie (engl. wastewater-based epidemiology - WBE) ist der Ansatz, sowohl biologische als auch chemische Parameter in einem geographischen Gebiet zu identifizieren. Sie gibt Aufschluss über regionale Belastungen und ermöglicht eine umfassende Echtzeit-Überwachung der öffentlichen Gesundheit. Das Screening von kommunalem Abwasser auf Krankheitserreger wie SARS-CoV-2 wurde kürzlich in verschiedenen wissenschaftlichen Arbeiten* aufgezeigt. Es kann ein nützliches Werkzeug für ein gezieltes COVID-19-Management sein. Ähnliche Ansätze** lieferten auch bei anderen Krankheiten wertvolle Erkenntnisse über epidemiologische Aspekte. Die Überwachung des kommunalen Abwassers auf SARS-CoV-2 unterstützt dabei, die regionale Prävalenz in Gebieten mit einer großen Bevölkerungszahl zu beurteilen. Individuelle Tests sind notwendig und unerlässlich, allerdings wird nicht jede potenziell infizierte Person getestet. Im Abwasser sammelt sich biologisches Material von vielen verschiedenen Menschen an, die in einem bestimmten Gebiet leben - in städtischen Gebieten bis zu Millionen von Individuen. Die Untersuchung dieses Abwassers auf das Vorkommen von SARS-CoV-2 liefert Daten für ein Gesamtbild der Infektion und hilft, Hot Spots frühzeitig zu erkennen. Auch das Screening auf das Vorhandensein spezifischer Varianten des Erregers ist hier möglich.

Herausforderungen bei der Untersuchung von Abwasser auf SARS-CoV-2

Aufgrund seiner komplexen Zusammensetzung und des hohen Verdünnungsgrades ist die Analyse von Abwasser eine Herausforderung. Für den Nachweis des Coronavirus und anderer Erreger bestehen mehrere größere Hürden. Hinzu kommen viele lokale oder regionale Faktoren, die den Nachweis beeinflussen. Es können jedoch drei wesentliche Herausforderungen identifiziert werden.

Prozess der Probennahme 
Abwasser ist ein komplexes Medium und Proben zu finden, die für ein bestimmtes Gebiet repräsentativ sind, gestaltet sich häufig sehr schwierig. Nicht jede Probenahmestelle liefert die gleiche Probenzusammensetzung und muss sorgfältig ausgewählt werden. Zudem kann der Abwasserabfluss im Laufe des Tages variieren. Eine angepasste, über die Zeit gemittelte Probenahmestrategie ist der Schlüssel, um eine aussagekräftige, repräsentative Anzahl von Mischproben zu erhalten.

Erhöhte Probenvolumina und niedrige Zielkonzentrationen
Normalerweise liegen die zu extrahierenden Probenvolumina für die Real-Time PCR-basierte Detektion im Milliliterbereich. Bei Abwasserproben ist das meist anders. Repräsentative Proben können bis zu mehreren Liter groß sein. Labore müssen einen Prozess etablieren, um das Probenvolumen zu verkleinern. Zudem müssen Substanzen und Stoffe entfernt werden, die weitere Downstream-Anwendungen behindern könnten – etwa große Mengen von Partikeln.  

Diese erhöhten Volumina bedeuten auch eine hohe Verdünnung der Probe. Die Konzentrationen von SARS-CoV-2 und anderen Krankheitserregern sind darin oft sehr gering, was den Nachweis erheblich erschwert. Anreicherungsprozesse sind notwendig, um die Nachweisgrenzen der Methode zu senken. Leistungsstarke Thermocycler sind hier unerlässlich, um die notwendige Sensitivität zu erreichen und eine zuverlässige Target-Suche bei der Real-Time-PCR zu ermöglichen.

Hohe Anzahl von Proben
Um den zeitlichen Verlauf zu überwachen, verschiedene Gebiete abzudecken und ein repräsentatives Bild des SARS-CoV-2-Vorkommens zu erhalten, muss eine hohe Anzahl von Proben gesammelt werden. Dies schafft eine weitere Herausforderung: die Verarbeitung dieser hohen Probenmenge. Um mehrere Proben pro Tag zu bewältigen, werden adäquate Automatisierungslösungen benötigt. Die Automatisierung ermöglicht dabei nicht nur die Verarbeitung vieler Proben gleichzeitig, sie minimiert zugleich die erforderlichen manuellen Arbeitsschritte, senkt das Risiko von Fehlern und gewährleistet eine höhere Reproduzierbarkeit der Ergebnisse.

SARS-CoV-2-Workflow-Lösungen von Analytik Jena

Um alle Herausforderungen zu meistern, bieten wir eine effiziente Workflow-Lösung für den Nachweis von SARS-CoV-2 im Abwasser an - beginnend mit der repräsentativen Probennahme, über die effektive Probenanreicherung und Nukleinsäureextraktion bis hin zur Detektion mit Real-Time PCR. Die Real-Time PCR hat sich als Goldstandard für den direkten und hochsensitiven Nachweis von SARS-CoV-2 in der Forschung und im klinischen Umfeld bewährt und ist ideal für den Nachweis im Abwasser geeignet.

Vollautomatische Probennahme
Analytik Jena und Endress+Hauser haben ihre Kompetenzen gebündelt, um den Anwendern eine einzigartige, vollautomatische Probenahme-Lösung für Abwasser zu bieten. Die Liquistation CSF48 von Endress+Hauser ist ein stationärer automatischer Probenehmer, der in der Prozessindustrie sehr geschätzt wird. Dank der Automatisierung werden repräsentative Proben über einen längeren Zeitraum in großer Menge und unter stets gleichen Bedingungen gesammelt, was der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zugutekommt. Darüber hinaus spart die Liquistation CSF48 dem Anwender Zeit und Arbeitsaufwand, ist konform zu weltweiten Wasserrichtlinien und lässt sich einfach programmieren, einrichten und warten.

Probenanreicherung durch Filtration und Nukleinsäureextraktion
Die Herausforderung niedriger Konzentrationen kann durch einen effizienten Prozess der Zielanreicherung überwunden werden. Dies kann durch die Filtration (Drittanbieter) der Proben leicht realisiert werden. Dank der Filtration wird der Nachweis von sehr geringen Mengen des SARS-CoV-2-Erregers mittels Real-Time PCR möglich. Die Homogenisierung der Filtermembran erfolgt mit der SpeedMill PLUS von Analytik Jena, einem der wenigen Geräte zur Probenhomogenisierung im Markt, das eine vollständige und reproduzierbare Probenhomogenisierung bei geringem Platzbedarf ermöglicht.

Der nächste Schritt ist die Extraktion der DNA und/oder RNA des Erregers. Für die reproduzierbare Extraktion von SARS-CoV-2 RNA ist der innuPREP AniPath DNA/RNA Kit-IPC16 in Kombination mit der automatisierten Extraktionsplattform InnuPure C16 touch die ideale Lösung. Der innuPREP AniPath DNA/RNA Kit ermöglicht die hocheffiziente Extraktion von viraler oder bakterieller DNA und/oder RNA aus einer Vielzahl von Ausgangsmaterialien. Für die notwendige Automatisierung der Extraktionsphase sorgt der InnuPure C16 touch, mit dem bis zu 16 Proben gleichzeitig bearbeitet werden können.

Hochsensitive Real-time PCR
Für die Detektionsphase bietet Analytik Jena die technisch fortschrittlichsten Real-Time PCR-Thermocycler im Markt - die qTOWER³-Serie. Die Cycler sind mit einer patentierten Faseroptik ausgestattet, die für eine erhöhte Sensitivität und extrem niedrige Nachweisgrenzen sorgt. Darüber hinaus bietet das Design des Thermoblocks beste Wärmeleitfähigkeit für optimale PCR-Ergebnisse. In Kombination mit einem spezifischen Real-Time PCR-Assay (von Drittanbietern, z.B. Water SARS-CoV-2 RT-PCR Test von IDEXX) und den oben beschriebenen Probenvorbereitungs- und Anreicherungsmethoden kann der qTOWER³ beste Sensitivität und Reproduzierbarkeit erreichen.

Workflow-Vorteile auf einen Blick

  • Automatisierte und kontrollierte Probenentnahme für reproduzierbare Probenqualität
  • Effiziente Anreicherung ermöglicht niedrige Nachweisgrenzen
  • Automatisierte Nukleinsäureextraktion für minimalen Arbeitsaufwand
  • Von der Probenahme bis zum endgültigen Ergebnis in lediglich 3 Stunden
  • Zuverlässige Ergebnisse auch in schwieriger Abwassermatrix
  • Nachweis auf Basis von Real-Time-PCR - dem Goldstandard in der Virendiagnostik
  • Ein Arbeitsablauf - mehrere biologische Parameter

Alle Komponenten sind aufeinander abgestimmt und bieten dem Laboranwender einen schnellen, zuverlässigen und skalierbaren Workflow für den Nachweis von SARS-CoV-2 in Abwasser.

Quellen

*Lancet Gastroenterol Hepatol. 2020 Jun;5(6):533-534. doi: 10.1016/S2468-1253(20)30087-X. Epub 2020 Apr 1 (https://www.thelancet.com/pdfs/journals/langas/PIIS2468-1253(20)30087-X.pdf)
 Sci Total Environ. 2021 Mar 1;758:143578. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.143578. Epub 2020 Nov 10 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720371096)

** Proc Natl Acad Sci U S A. 2018 Nov 6;115(45):E10625-E10633. doi: 10.1073/pnas.1808798115. Epub 2018 Oct 18 (https://www.pnas.org/content/115/45/E10625)

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Überwachung biologischer Parameter in Abwässern (DE)

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Complete PCR-based Detection Workflow of SARS-CoV-2 in Wastewater (EN)

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Kompletter PCR-basierter Workflow zum Nachweis von SARS-CoV-2 in Abwasser (DE)

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