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Als der Feuerwehrmann John Burke vor einem Jahrzehnt seinen Master in Notfallmanagement im Gesundheitswesen machte, schrieb er seine Abschlussarbeit über Pandemieplanung. Als das Coronavirus im vergangenen Frühjahr zuschlug, war Mr. Burke, jetzt Feuerwehrchef in Sandwich, Massachusetts, tätig bereit.
„Ich hatte mein Spielbuch fertig“, sagte Mr. Burke.
Das Testen auf das Virus hatte oberste Priorität, daher verband er sich mit einem privaten Labor, um sicherzustellen, dass seine Feuerwehrleute, die Coronavirus-Patienten in Krankenhäuser transportierten, regelmäßig getestet werden konnten.
Und dann hörte er, dass Thermo Fisher Scientific, ein Unternehmen aus Massachusetts, das Laborgeräte und -materialien herstellt, Betatests für einen Luftkeimsammler durchführte, der ihm helfen könnte, luftgetragene Coronavirus-Partikel zu erkennen.
Bis Dezember hatte er einen in einem Flur der Feuerwache installiert. Das Gerät, etwa so groß wie ein Toaster, saugte Umgebungsluft an und fing Virenpartikel in der Luft – falls vorhanden – in einer speziellen Patrone auf. Jeden Nachmittag entfernte ein Mitarbeiter die Patrone und brachte sie zur UPS-Dropbox auf der anderen Straßenseite, um sie zur Laboranalyse einzusenden.
Noch vor Ende des Monats hatte der Luftprobennehmer Spuren des Virus gefunden. Die Beamten führten es schließlich auf einen Mitarbeiter der Stadt zurück, der während einer ruhigen Ferienzeit ohne Maske auf der Station gearbeitet hatte.
Es war ein Machbarkeitsnachweis für den AerosolSense Sampler von Thermo Fisher Scientific, den das Unternehmen am Mittwoch öffentlich zugänglich machte. Das Gerät, so das Unternehmen, kann zum Nachweis einer Vielzahl von Krankheitserregern in der Luft, einschließlich des Coronavirus, verwendet werden. Es könnte in Krankenhäusern, Büros, Schulen und anderen Gebäuden eingesetzt werden, um auf Anzeichen des Virus zu überwachen, wenn die Gesellschaft beginnt, sich wieder zu öffnen.
Der AerosolSense, der für 4.995 US-Dollar verkauft wird, ist nicht der erste Luftkeimsammler, der das Coronavirus erfassen kann; Wissenschaftler haben im vergangenen Jahr mehrere andere Modelle verwendet, um den Erreger zu untersuchen. Aber das neue Gerät scheint einfacher und zugänglicher zu sein, sagten Experten.
„Ich bin mir nicht sicher, ob es etwas anderes auf dem Markt gibt, das so einfach anzuwenden ist“, sagte Linsey Marr, ein Experte für luftübertragene Viren bei Virginia Tech. „Dies wird die Entnahme von Luftproben durch fast jeden ermöglichen.“
Thermo Fisher Scientific wird wahrscheinlich Konkurrenz ausgesetzt sein. Die Pandemie hat das Interesse an einem einstigen Nischenbereich der Krankheitsüberwachung geweckt – dem Herausziehen von Krankheitserregern aus dem Nichts. Experten auf diesem Gebiet sagen, dass sie mit Anrufen und E-Mails von Unternehmen, Organisationen und anderen Labors überschwemmt wurden, die an der Entwicklung oder Verwendung von Luftprobenehmern zum Sammeln von Coronaviren interessiert sind. (Dr. Marr berät sich mit einem Unternehmen, dessen Namen sie nicht preisgeben konnte, um einen Luftprobennehmer zu entwickeln, der öffentliche Orte auf das Virus überwacht.)
Und im November begann die Defense Advanced Research Projects Agency, Forschungsvorschläge zur Entwicklung eines Luftsensors zur Erkennung von Coronaviren einzuholen.
„Das Interesse ist enorm“, sagte John Lednicky, Virologe an der University of Florida.
Der Ansatz hat echtes Potenzial, sagen Experten. Aber es wirft auch ein Dickicht logistischer Fragen auf, fügen sie hinzu, und muss sorgfältig eingesetzt werden, mit einem klaren Verständnis dafür, was die Technologie leisten kann und was nicht.
Luftkeimsammler sind bereits weit verbreitet, um eine Vielzahl von Schadstoffen nachzuweisen. Das Einfangen von Viren in der Luft ist jedoch erheblich schwieriger. Virale Aerosole sind winzig klein und machen nur einen kleinen Bruchteil des Abfalls aus, der in der Luft herumschwebt.
„Sie suchen nach einer Nadel im Heuhaufen in einem Feld voller Heuhaufen“, sagte Dr. Marr.
Das bedeutet, dass die meisten Luftkeimsammler viel Luft einatmen müssen, um Virusstücke einzufangen, und selbst dann erfassen sie Viren, die in geringen Konzentrationen vorhanden sind, möglicherweise nicht.
Die Technologie verbessert sich laut Experten, bleibt aber kompliziert und arbeitsintensiv. „Es gibt nur sehr wenige Orte, die über das Wissen, die Ausrüstung und die virologischen Fähigkeiten verfügen, um dies richtig durchzuführen“, sagte Dr. Lednicky.
Der AerosolSense-Probenehmer wurde für eine einfache Handhabung entwickelt. Das Gerät saugt Luft in ein Sammelrohr und leitet sie zu einer austauschbaren, zylindrischen Patrone. Die Patrone, die etwa die Größe einer 10-Milliliter-Spritze hat, enthält eine proprietäre schaumartige Substanz, die Viruspartikel einfängt.
Nach ein paar Stunden oder länger kann die Kartusche aus der Maschine gezogen und zur Analyse an ein Labor geschickt werden. Techniker können PCR, die Polymerase-Kettenreaktionstechnik, die dem Goldstandardtest für Covid-19 zugrunde liegt, verwenden, um festzustellen, ob genetisches Material des Coronavirus vorhanden ist.
Es kann ein oder zwei Tage dauern, bis die Ergebnisse vorliegen, wenn die Kartusche an ein Drittlabor geschickt werden muss, aber Krankenhäuser, Universitäten und Pflegeheime, die Labore vor Ort haben, können die Kartuschen innerhalb weniger Stunden verarbeiten, sagt Thermo Fisher Scientific.
Das Unternehmen hat auch „erste Machbarkeitstests“ mit einem PCR-Schnelltest durchgeführt, der Ergebnisse in 30 Minuten liefert. (Der Test wird von Mesa Biotech durchgeführt, das kürzlich von Thermo Fisher Scientific übernommen wurde.)
Ein Luftkeimsammler am Memorial Medical Center der Universität von Massachusetts. Obwohl das Gerät vielversprechend ist, kann es nicht als Wunderwaffe angesehen werden, sagte Chief Burke. Kredit… Thermo Fisher Scientific
Eine Reihe von Studien – durchgeführt in einer geschlossenen Kiste, einem 9 x 14 Fuß großen Raum und den Krankenhauszimmern von Covid-19-Patienten – deutete darauf hin, dass der AerosolSense-Probenehmer das Coronavirus auch dann erfassen könnte, wenn es in geringen Mengen vorhanden ist, sagte Kevin Van Den Wymelenberg, der die Forschung leitete und das Biology and the Built Environment Center an der University of Oregon leitet.
„Wir sind zuversichtlich, dass dies empfindlich genug ist, um in realen Umgebungen mit Covid-positiven Personen eingesetzt zu werden“, sagte er.
(Die Forschung, die noch nicht in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht wurde, wurde von Thermo Fisher Scientific finanziert.)
Thermo Fisher Scientific testete die Probenehmer auch in einem Covid-19-Feldkrankenhaus in Worcester, Massachusetts. Das Krankenhaus setzte die Geräte in Patientenversorgungsbereichen ein, in denen das Virus erwartet wurde, und in Pausenräumen des Personals, in denen dies nicht der Fall war.
„Unsere kalten Zonen waren tatsächlich kalt“, sagte Dr. John Broach, Notarzt am UMass Memorial Medical Center und medizinischer Direktor des Feldkrankenhauses. „Und unsere heiße Zone war wie erwartet stark kontaminiert.“
Thermo Fisher Scientific, das sich in der ersten Phase seiner Einführung auf Krankenhäuser konzentrieren wird, sagt, dass andere Gesundheitseinrichtungen die Probenehmer verwenden könnten, um sicherzustellen, dass ihre Covid-Protokolle funktionieren – und dass das Virus nicht aus den Patientenzimmern gelangt.
„Wir sehen, dass die Einrichtungen fragen, sind ihre Planungs- und Vorabprüfungsaktivitäten effektiv?“ sagte Mark Stevenson, Executive Vice President und Chief Operating Officer von Thermo Fisher Scientific. „Sind ihre Reinigungs- und Belüftungsverfahren angemessen? Und kann ich meinen Patienten folglich Vertrauen in ihren Besuch in der Einrichtung geben?“
Natürlich ist der Nachweis des Virus im Krankenzimmer eines Covid-19-Patienten eine Sache, sagte Alex Huffman, ein Aerosolwissenschaftler an der Universität von Denver: „Es ist ein weiterer Schritt, in eine Umgebung zu gehen, die wahrscheinlich noch viel geringere Konzentrationen aufweist. ein Klassenzimmer oder eine medizinische Klinik überwachen, wo man keine Ahnung hat, ob es jemanden gibt, der positiv ist oder nicht.“
Und ein Luftprobennehmer ist keine Wunderwaffe, sagte Herr Burke, der dafür sorgte, dass seine Feuerwehrleute auch nach der Installation des Luftprobennehmers weiterhin Masken trugen, soziale Distanz einhielten und regelmäßige Covid-Tests erhielten.
„Es kann nicht wie ein Rauchmelder in Ihrem Haus sein, wo Sie sagen: ‚Ich werde nur die Maschine haben, ich werde nichts anderes tun, sie wird mich wissen lassen, wenn es ein Problem gibt ,'“ er sagte.
Es gibt noch keine wirklich autonomen Virensammler, die immer noch Menschen benötigen, um die Proben zu entnehmen und zu analysieren. Das braucht Zeit – und bedeutet, dass die von diesen Probenehmern gelieferten Ergebnisse keine Echtzeit-Schnappschüsse sind, sondern zusammengesetzte Porträts eines Gebäudes über den beiden vorherigen oder 12 oder 24 Stunden.
Und die PCR-Analyse kann zwar aufzeigen, ob genetisches Material des Coronavirus vorhanden ist, aber nicht zwischen intaktem, infektiösem Virus und ungefährlichen Virusfragmenten unterscheiden.
Keiner dieser Nachteile ist ein Dealbreaker, sagte Dr. Marr, der feststellte, dass es immer noch nützlich sei zu wissen, ob sich in letzter Zeit luftgetragene Coronavirus-Partikel in einem Raum befanden.
„Wenn sie es in der Luft entdeckt haben, dann ist es wahrscheinlich ziemlich frisch emittiert“, sagte sie. „Und ich wäre bereit zu wetten, dass da ein ansteckender Virus drin ist.“
Aber die Ergebnisse müssen mit Vorsicht interpretiert werden. Ein negatives Ergebnis bedeutet nicht, dass kein Virus vorhanden ist – einfach, dass der Luftkeimsammler keine gesammelt hat.
„Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit für falsch negative Ergebnisse, da Viren in notorisch niedrigen Konzentrationen in der Luft vorkommen“, sagte Kristen Coleman, Expertin für Bioaerosole an der Duke-NUS Medical School in Singapur.
Herauszufinden, wie man auf eine positive Probe reagiert, könnte sich als noch schwieriger erweisen. „Ich glaube nicht, dass die Lösung einfach darin besteht, das Gebäude zu evakuieren“, sagte Dr. Van Den Wymelenberg.
Stattdessen stellte er sich eine Reihe maßvollerer Reaktionen vor – von der Erhöhung der Beatmungsraten bis hin zu strategischen Tests und Rückverfolgungen – die Unternehmen ergreifen könnten, wenn sie Anzeichen des Virus finden.
Aber Büroangestellte davon zu überzeugen, dass eine vorübergehende Erhöhung der Belüftung es sicher macht, ein Büro zu betreten, in dem das Virus gefunden wurde, könnte schwer zu verkaufen sein. Und selbst diese bescheidenen Maßnahmen könnten Bedenken hinsichtlich der Privatsphäre und der gesetzlichen Haftung hervorrufen.
„Ich habe während dieser Pandemie mit mehreren großen Gebäudeeigentümern über die Umweltüberwachung in Innenräumen gesprochen, und es stellt sich immer die Frage, wie diese Informationen verwendet werden und wer für eine falsche Anwendung der Informationen haftet“, sagt Dr. Van Den Wymelenberg genannt.
(Herr Burke sorgte dafür, dass die örtlichen Gewerkschaften, die, wie er sagte, „zu 100 Prozent unterstützten“, die Verwendung des Luftprobennehmers klarstellten.)
Ein anderer Ansatz könnte darin bestehen, Luftproben für eine Überwachung in größerem Maßstab zu verwenden. Wenn die Gesundheitsbehörden in einer bestimmten Region oder Nachbarschaft einen Anstieg der Viruswerte feststellen, könnte dies ein Frühwarnzeichen dafür sein, dass eine Welle neuer Covid-19-Fälle bevorsteht – und dass die Beamten ihre Tests und Kontaktverfolgung verstärken müssen.
Leicht verfügbare, benutzerfreundliche Luftkeimsammler könnten es auch mehr Wissenschaftlern ermöglichen, Forschung zu viralen Aerosolen durchzuführen, sagte Dr. Huffman.
„Mittel- und langfristig denke ich, dass eine Technologie wie diese eine enorme Rolle spielen muss, um den Wissensstand über diese Dinge weiter voranzutreiben, damit wir bessere Entscheidungen treffen können, die bei anderen viralen Aerosolen wie Influenza und den nächsten helfen Pandemie, die kommt “, sagte er. „Das heißt nicht, dass es jetzt nicht helfen kann, aber ich denke, dass sein wirklicher Einfluss noch größer sein wird, wenn wir immer weiter in die Zukunft gehen.“