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Der Nachweis des neuen Coronavirus im Abwasser ist gelungen. Selbst kleine Konzentrationen in Proben, die in einer frühen Phase des Ausbruchs entnommen wurden, lassen sich nachweisen. Ein Team von Forschenden der EPFL und der Eawag arbeitet jetzt daran, die Methode zu optimieren. Entstehen soll ein System, das einen allfälligen Wiederanstieg der Fallzahlen früher anzeigen kann als klinische Tests bei infizierten Menschen.
Wissenschaftler auf der ganzen Welt untersuchen das neuartige Coronavirus (Sars-CoV-2) aus vielen verschiedenen Perspektiven, um besser zu verstehen, wie es den Körper infiziert und sich von Mensch zu Mensch ausbreitet. Hauptziel des Projekts ist jedoch nicht der Rückblick, sondern der Aufbau eines Systems mit Frühwarnfunktion. Ein Ansatz, den die Forschenden der EPFL und der Eawag verfolgen bis zur Entwicklung von medikamentösen Behandlungen und eines Impfstoffs, ist die Analyse von Abwasserproben. Damit können die Gesundheitsbehörden das Virus dokumentieren, bevor die Krankheit klinisch diagnostiziert wird. «Unsere Studie untersucht, wie wir das Virus im Abwasser nachweisen und seine Konzentration messen können, bevor die Menschen klinische Symptome entwickeln – und wie viel Zeit bis dahin vergeht», sagt Tamar Kohn, Leiterin des Labors für Umweltchemie (LCE) der EPFL.
Virus im Abwasser gefunden
Dank Christoph Ort von der Abteilung Siedlungswasserwirtschaft und Tim Julian von der Abteilung Umweltmikrobiologie der Eawag gelang es den Forschenden, in einem grossen Kraftakt aufzuzeigen, dass das neuartige Coronavirus innerhalb weniger Wochen im Abwasser nachgewiesen und gemessen werden kann. Die Forschenden analysierten Proben aus Lausanne, Zürich und Lugano. Darunter befanden sich auch Proben aus Zürich und Lugano, die Ende Februar gesammelt wurden, als die ersten Fälle in der Schweiz registriert wurden. «Als Umweltepidemiologe war ich sofort bereit, an der Pandemie zu arbeiten, nachdem sie zum ersten Mal in Italien auftrat», sagt Xavier Fernandez Cassi von der LCE. «Mir war schnell klar, dass sich das Virus auch auf die Schweiz ausbreiten würde. Wenn man bedenkt, wie vernetzt die Länder heute sind, wäre ich überrascht gewesen, wenn es nicht so gewesen wäre», meint der Umweltepidemiologe Cassi.
Die Forscher fanden Spuren des Virus in allen von ihnen gesammelten Proben. Während die Konzentrationen in den neueren Proben so hoch waren, dass sie relativ einfach gemessen werden konnten, traf dies für die Proben vom Februar nicht zu. «Wir hatten nicht erwartet, in den Abwässern von Lugano – wo zu diesem Zeitpunkt nur ein Fall identifiziert worden war – und von Zürich, wo nur sechs Fälle identifiziert worden waren, einen Hinweis zu finden», sagt Kohn. Ihr Team ist auf die Entwicklung neuer Abwasserbehandlungsmethoden spezialisiert. Zusammen mit Kollegen der Eawag sammelten sie Proben von neun Kläranlagen im Tessin, zwei in Zürich und einer in Lausanne, was insgesamt den Ausscheidungen von rund 800’000 Stadtbewohnern entspricht.
Die möglichen Auswirkungen dieser Studie sind so wichtig, dass Cassi und Marie-Hélène Corre, eine weitere LCE-Biologin, eine Sondergenehmigung für die Arbeit in ihrem EPFL-Labor während des Lockdowns erhielten. Sie waren bei der Durchführung ihrer Experimente äusserst effizient, da fast niemand sonst die Testgeräte benutzte, während der Campus fast menschenleer war. Doch die Forscher mussten besonders vorsichtig sein, denn das neuartige Coronavirus, auch wenn es aus einer bekannten Virusfamilie stammt, ist dennoch ein Zoonose-Virus. «Das Hauptmerkmal dieses Virus ist, dass es eine Hülle besitzt. Sein Viruskapsid ist von einer biologischen Membran umhüllt», erklärt Corre. «Auch das Virus der saisonalen Grippe und von HIV haben Hüllen.»
Frühwarnsystem als Ziel
Die Proben, die seit der Meldung der ersten Fälle von Covid-19 in der Schweiz gesammelt wurden, sind wertvolle Unterlagen. Das Hauptziel dieser Studie ist jedoch nicht die Rückverfolgung der Vergangenheit, sondern die Entwicklung eines Frühwarnsystems. Christoph Ort von der Eawag erläutert: «Mit Proben von 20 grossen Kläranlagen, die über die Schweiz verteilt sind, könnten wir die Abwässer von rund 2,5 Millionen Menschen überwachen. Wenn die Proben schnell analysiert werden, wären wir wahrscheinlich in der Lage, ein Wiederauftreten von Infektionen früher als mit diagnostischen Tests festzustellen. Wir rechnen mit etwa einer Woche Zeitgewinn, vor allem in der Periode, in der die Ausgangssperre aufgehoben wird». Christoph Ort beschäftigt sich seit langem mit der abwasserbasierten Epidemiologie und konzentrierte sich früher auf Vergleiche des Drogenkonsums in ganz Europa. «Abwasser lügt nicht – es spiegelt das wider, was eine Bevölkerung innerhalb weniger Stunden ausgeschieden hat», sagt er. Das Forschungsteam greift dabei auf seine langjährigen Kontakte zu lokalen Regierungsbehörden und den Verantwortlichen von Kläranlagen zurück.
Verfolgung von Infektionstrends
Da es den Forschenden gelungen ist, niedrige Viruskonzentrationen im Frühstadium des Covid-19-Ausbruchs in der Schweiz erfolgreich nachzuweisen, sollten sie die Infektionskurve rekonstruieren können. Die Analyse der über 300 Proben, die derzeit bei der Eawag und der EPFL tiefgekühlt eingelagert sind, wird aber noch einige Wochen dauern.
Die genaue Zahl der Infektionen werden sie anhand dieser Daten nicht berechnen können, da es zu grosse Unterschiede bei der Menge des Virus gibt, die jeder Patient ausscheidet. Es wird jedoch wichtig sein, den Trend zu verfolgen. Anhand von Proben, die im März und April in Lausanne gesammelt wurden, konnten die Forschenden zum Beispiel den Anstieg der Abwasserkonzentration von Sars-CoV-2 grob verfolgen. Tamar Kohn von der EPFL schätzt die Vervielfachung der Konzentration zurzeit auf das Zehn- bis Hundertfache.
Trotz der ersten Erfolge der Forscher müssen sie ihre Methode noch weiter verbessern. So steht noch nicht eindeutig fest, welcher Anteil der Viren beim Extrahieren, dem Knacken der Hülle um die verräterische Erbinformation (RNA), erfasst wird. Diesem Schritt folgen mehrere Filtrations- und Zentrifugierschritte. Und auch danach, bei der selektiven Vervielfältigung der gesuchten Gensequenz, sind die Unsicherheitsfaktoren aktuell noch gross. Nur wenn der Grad der Unsicherheit reduziert wird, kann das Forscherteam zuverlässige Rückschlüsse auf die Viruskonzentrationen in den Originalproben ziehen.
Verbreitung über Wasser oder Abwasser
Während genetisches Material des neuartigen Coronavirus im Abwasser nachgewiesen werden kann, gibt es derzeit keine Hinweise darauf, dass sich der Erreger über Wasser oder Abwasser verbreitet. Das Trinkwasser in der Schweiz besitzt eine ausgezeichnete mikrobiologische Qualität und eignet sich deshalb auch während einer Pandemie zum Trinken.
Der vollständige Bericht ist im Fachmagazin Phase 5, Ausgabe 3:2020 erschienen.