CoMoTH flächendeckendes Abwassermonitoring, PCR-Lösung

„Wir hat­ten kür­zlich den Fall eines Indus­trie­un­ternehmens mit 5.000 Mitar­beit­ern: Bei ein­er 24-Stun­den-Mis­ch­probe aus einem Abwasser­schacht auf dem Fir­men­gelände haben wir SARS-CoV­‑2 nachgewiesen. Die indi­vidu­elle Tes­tung ergab, dass dort ein Kol­lege infiziert war“, erk­lärt Jens Olk, Betrieb­sleit­er beim Chemis­chen Unter­suchungsamt Emden.
Seit Mitte 2021 ver­fügt sein Labor über die Ana­lytik Jena-Geräte­for­ma­tion. Im geschilderten Fall habe sich der poten­zielle Aus­bruch bei seinem Kun­den noch am sel­ben Tag ban­nen lassen. „Damit“, so Olk weit­er, „hat sich erwiesen: Mit der PCR im Abwass­er kön­nen Fir­men ihr Hygien­ekonzept unter­mauern, im Sinne eines Frühwarnsystems.“

„Es ist noch nicht lange her“, erin­nert sich Dr. Chris­tine Gräfe, Pro­duk­t­man­agerin bei Ana­lytik Jena, „da war es undenkbar, schwieri­gen Proben aus dem Klär­w­erk genetis­che Infor­ma­tio­nen abzugewin­nen. Aber die Life Sci­ences entwick­eln sich ras­ant. Inzwis­chen sind Virus­par­tikel und andere Keime ab ein­er gewis­sen Konzen­tra­tion in so schwieri­gen Proben, wie es Abwass­er darstellt, nachweisbar.“

Vom 17. März 2021 datiert eine EU-Empfehlung,  wonach die Mit­glied­slän­der Kläran­la­gen mit mehr als 150.000 Ein­leit­ern regelmäßig auf die Viren­last überwachen soll­ten, und Ana­lytik Jena beteiligt sich gemein­sam mit der Mut­ter­fir­ma Endress+Hauser an der Entwick­lung entsprechen­der Stan­dards. Bei­de wirk­ten mit der Emschergenossenschaft/Lippeverband im Ruhrge­bi­et, dem größten Wasser­wirtschaftsver­band Deutsch­lands, an ein­er gemein­samen Meth­ode zum Virus­nach­weis. Im Früh­jahr 2021 stand ein funk­tion­ieren­der und getesteter Work­flow zur Ver­fü­gung. Dr. Jens Schoth von EGLV resümiert: „Wir sind zuver­sichtlich, mit unserem Mod­ell­pro­jekt gemein­sam die Basis für ein abwasser­basiertes Mon­i­tor­ingsys­tem bilden zu können.“

Das Pro­jekt CoMoTH zielt nun auf ein flächen­deck­endes Abwasser­mon­i­tor­ing für Thürin­gen, mit den Ver­bund­part­nern Bauhaus-Uni­ver­sität Weimar und Ana­lytik Jena. Beprobt wer­den zunächst 15 bis 20 Kläran­la­gen mit dem Ziel, den Work­flow voranzubrin­gen, die Gesund­heit­sämter einzu­binden und die Ergeb­nisse in geeigneter Weise darzustellen.

Als assozi­iert­er Part­ner beteiligt sich der umwelt­an­a­lytis­che Dien­stleit­er Eurofins Umwelt Ost: „Wir hof­fen, gemein­sam mit Wis­senschaftlern der Bauhaus-Uni­ver­sität Weimar und Ana­lytik Jena zu einem vernün­fti­gen Schema zu gelan­gen, um Früh­warn­sys­teme zu etablieren. Nicht nur im kom­mu­nalen Bere­ich, wo es auf den Geset­zge­ber ankom­men wird, die Träger zu verpflicht­en, son­dern auch klein­teiliger, für Indus­triebe­triebe oder sen­si­ble Ein­rich­tun­gen. Damit ließen sich Gefahren für Leib und Leben abwen­den und die Betrieb­ssicher­heit gewährleis­ten“, erk­lärt der Jenaer Eurofins-Geschäfts­führer Dr. Ben­no Schneider. 

Und das beschränkt sich nicht auf SARS-CoV 2: „Mit der­sel­ben Gerätekon­stel­la­tion des Work­flows kann man der Ver­bre­itung ander­er Patho­gene in der Bevölkerung auf die Spur kom­men“, erk­lärt Ana­lytik Jena-Pro­jek­tleit­er Dr. Robert Möller. Waste Water Based Epi­demi­ol­o­gy, abwasser­basierte Epi­demi­olo­gie, nen­nt man den Ansatz, dessen Poten­zial erst in Ansätzen erkennbar ist. Früh­warn- und Mon­i­tor­ingsys­teme seien beispiel­sweise für antibi­otikare­sistente Keime, Magen-Darm-Viren wie Noro oder Cholera, Grippe­viren, Sal­mo­nel­la, Legionel­la, Clostri­di­en, Hepati­tis und Polio denkbar.

Jens Olk von der CUA Emden erken­nt das Poten­zial des Ver­fahrens beispiel­sweise für den Nach­weis antibi­otikare­sisten­ter Keime, Grippe­viren und Legionellen: „Nehmen wir die Legionellen: Hier ist derzeit allein die Mikro­bi­olo­gie behördlich akzep­tiert, die mehrere Tage beansprucht, um den Erreger zu kul­tivieren und nachzuweisen. In dieser Zeit dürfte in der betrof­fe­nen Ein­rich­tung nie­mand einen Wasser­hahn auf­drehen. Mit der PCR wüsste man bin­nen Stun­den, ob man ein Prob­lem hat oder nicht. Im Sinne eines prag­ma­tis­chen Vortests kön­nte man im pos­i­tiv­en Fall das Wasserzapfen stop­pen und die Leitun­gen spülen, bis das amtliche Ergeb­nis vor­liegt. Daran – aber auch an der Durch­set­zung der PCR als Stan­dard – wollen wir gemein­sam mit Ana­lytik Jena arbeiten.“

Generell gilt: Massen­tests im Klär­w­erk sind nicht auf Frei­willigkeit angewiesen, indi­vidu­elle Per­sön­lichkeit­srechte bleiben aber den­noch gewahrt. Geringe Kosten ste­hen einem hohen Nutzen gegenüber, um das jew­eilige Infek­tion­s­geschehen frühzeit­ig zu überblick­en. Robert Möller: „Damit ließe sich die kri­tis­che Infra­struk­tur ergänzen, ger­ade mit Blick auf die Wasser­wiederver­w­er­tung, um die Bevölkerung zu schützen und Gefahren für die natür­liche Umwelt abzuwenden.“

Ulrich Krauss, CEO von Ana­lytik Jena, erin­nert daran, dass Wass­er unser Lebenselix­i­er ist: „Es ist eine endliche Ressource, zu deren Schutz wir mit unser­er Lösung aktiv beitra­gen.“ Prof. Sil­vio Beier, der an der Bauhaus-Uni­ver­sität Weimar die Pro­fes­sur für Tech­nolo­gien urbaner Stoff­strom­nutzun­gen innehat und das CoMoTH-Pro­jekt leit­et, ergänzt: „Wass­er und Gesund­heit sind zen­tral für die Leben­squal­ität. Entsprechend bedarf es inno­v­a­tiv­er Ansätze, für die wir jet­zt die Stan­dards etablieren.“

In vier Stun­den mit bis zu 96 Proben, deren Vol­u­men frei wählbar ist, schafft es der Work­flow von der Proben­nahme bis zum fer­ti­gen PCR-Resul­tat. Automa­tisierte Schritte erle­ichtern die Bedi­enung. Dazu Jens Olk, CUA Emden: „Wir waren völ­lig unbe­darft, was die PCR und die Proben­vor­bere­itung ange­ht. Es ist in kürzester Zeit gelun­gen, uns das neue Ver­fahren zu erschließen und zu aus­sagekräfti­gen, belast­baren Ergeb­nis­sen zu gelangen.“

Im Klär­w­erk ent­nimmt der Proben­nehmer Liquis­ta­tion CSF48 von Endress+Hauser vol­lau­toma­tisiert die Probe; kanalaufwärts wird die mobile Vari­ante CSP44 einge­set­zt. Im Labor wird die Probe aufkonzen­tri­ert, um die Zielor­gan­is­men nach­weisen zu kön­nen. Im Anschluss an die elek­troneg­a­tive Fil­tra­tion wer­den die Viren­frag­mente und Par­tikel mit der Speed­MillPLUS aus der Fil­ter­mem­bran herausgelöst.

Für die Probenisolierung im Labor übernehmen Pipet­tier­ro­bot­er von Ana­lytik Jena – entwed­er der InnuPure C16touch, der bis zu 16 Proben ver­ar­beit­et, oder der CyBio FeliX für 96 Proben. Bei­de bieten ein­satzbere­ite Pro­tokolle, die – in Kom­bi­na­tion mit entsprechen­den Extrak­tion­skits – DNA bzw. RNA automa­tisiert aus den Proben aufreinigen.

Und schließlich fol­gt die Detek­tion per Flu­o­reszenzmes­sung mit dem qTow­er. Im Prozess der Poly­merase-Ket­ten­reak­tion (PCR) wird der gesuchte kopierte Abschnitt der DNA beziehungsweise cDNA kopiert und flu­o­reszierend markiert. Je häu­figer die fragliche Buch­staben­folge auf­taucht, desto stärk­er das Sig­nal im Real Time PCR-Prozess und desto ein­deutiger lässt sich entz­if­fern, wie hoch die Viren­last wirk­lich ist.