Forscher aus Frankfurt und Aachen haben eine Methode zur Überwachung von Corona-Infektionen über das Abwasser entwickelt. Die Idee: Infizierte scheiden zumindest Fragmente des Coronavirus über ihre Fäkalien aus. Abwasser könnte daher Aufschluss über die Zahl der Corona-Fälle in der Bevölkerung geben. An solchen Verfahren wird seit Beginn der Coronavirus-Pandemie geforscht. Nun konnte für Deutschland gezeigt werden, dass sich Genmaterial von Sars-CoV-2 mit modernen molekularen Methoden in Kläranlagen nachweisen lässt.

Die Virologin Sandra Westhaus vom Institut für medizinische Virologie der Goethe Universität Frankfurt am Main ist Mitautorin der Studie zu SARS-CoV-2-Viren im Abwasser.

In Abwasserproben seien Fragmente, also kurze Abschnitte des viralen Genoms des Coronavirus nachgewiesen worden, erklärte Sandra Westhaus im Deutschlandfunk. 50 Fälle pro hunderttausend Einwohner könnten mit dieser Messmethode quantifiziert werden. Damit sei eine Möglichkeit gegeben, bei frühzeitiger Testung einen Anstieg der Fallzahlen schon im Abwasser zu sehen, obwohl vielleicht bei den Gesundheitsämtern noch gar nicht so viel gemeldet wird. Mit dieser Methode haben "wir einen kleinen Werkzeugkoffer geschaffen für die Testung von SARS-CoV-2 im Abwasser", erklärte die Virologin.

Die im Abwasser nachgewiesenen SARS-CoV-2 Fragmente hätten sich in Tests überdies als nicht-infektiös dargestellt, so Sandra Westhaus: In Abwässern seien viele Abfallstoffe wie Tenside, Fette, Chemikalien enthalten. SARS-CoV-2 sei ein behülltes Virus, habe also eine Lipidhülle, die durch diese Substanzen aufgebrochen werden kann und dadurch werde das Viruspartikel inaktiviert.

Das Interview in voller Länge:

Ulrich Blumenthal: Wie kann man SARS-CoV-2 Viren im Abwasser überhaupt nachweisen?

Sandra Westhaus: Wir haben bei neun kommunalen Abwasserverbänden oder Kläranlagen in NRW am 8. April Proben entnommen über eine Zeitdauer von 24 Stunden. Die Proben wurden dann auf Eis transportiert und am Folgetag direkt weiterverarbeitet. Dazu müssen die Proben natürlich aufgereinigt werden, man trennt die Fest- von der Flüssigphase. Das passiert mittels Zentrifugation. Anschließend wird diese Flüssigphase noch ein bisschen eingeengt, aufkonzentriert, damit auch die Isolation der viralen RNA möglich ist. Auch von den Feststoffproben wurde RNA isoliert, das Ganze wurde dann analysiert: Findet man denn virale SARS-CoV-2-RNA in diesen Proben?

Blumenthal: Das heißt, Sie weisen nicht direkt die Viren nach, sondern Sie weisen Genfragmente nach?

Westhaus: Genau! Die PCR weist natürlich Fragmente, kurze Abschnitte des viralen Genoms nach. Wir haben verschiedene virale Gene getestet, haben uns dann speziell für zwei entschieden. Und bei einem positiven Nachweis haben wir zusätzlich dann auch noch diese PCR-Produkte sequenzieren lassen, einfach um unser Ergebnis noch mal mittels Sequenzierung zu bestätigen. Allerdings haben wir auch einen Replikationstest durchgeführt. Wir haben diese Abwasserproben benutzt und haben geschaut, ob infektiöses Material, also positive Proben, wo wir halt auch RNA nachweisen konnten, ob die in einem zellkulturbasierten Testverfahren eben auch eine Infektion der Zellen auslösen können. Jetzt haben wir spezifische Zielzellen, die permissiv für SARS-CoV-2 sind, genutzt und haben die in diese konzentrierte Abwasserprobe inkubiert und dann geschaut, ob wir einen sogenannten zytopathischen Effekt sehen, das ist ein Effekt, den SARS-CoV-2 in dieser speziellen Zielzelle auslöst. Der führt dazu, dass diese Zellen sterben, man bekommt so Löcher in einem Zellrasen. Das ist im Prinzip der Positivnachweis dafür, dass noch replikationsfähiges Material in diesen Abwasserproben mit drin ist. Das konnten wir aber nicht beobachten.

Blumenthal: Inwieweit kann man jetzt über diese Genfragmente, die Sie dann im Abwasser finden, überhaupt auf die Zahl der infizierten Menschen im Einzugsbereich einer solchen Kläranlage schließen?

Westhaus: Mit den Genfragmenten ist das ein bisschen schwieriger. Wir haben uns im Prinzip dafür entschieden, das mit einer sogenannten Virusfracht eine Korrelation anzustellen, weil die Virusfracht natürlich ein bisschen mehr die Einflussfaktoren, die so eine Kläranlage mit sich bringt, auch normalisieren kann. Da kann man sich drunter vorstellen, dass unter dem Lockdown unterschiedliche Wassermengen, zum Beispiel dass Industrieabwässer weniger sind, weil eben weniger produziert wird. Oder beispielsweise, wenn es eine regenreiche Zeit ist, dass Regenwasser natürlich auch eine Rolle spielt. Und mit dieser Virusfracht konnten wir tatsächlich auch eine positive Korrelation mit den akuten COVID-19-Fällen in dem entsprechenden Einzugsgebiet herstellen. Und mit dieser derzeitigen Messmethode können wir dann sogar eine Aussage zur Quantifizierung von bis zu 50 Fällen pro 100.000 Einwohner treffen.

Blumenthal: Aber wie können Sie eigentlich genau sagen, wie viele Leute im Einzugsbereich jetzt sozusagen eine SARS-CoV-2-Infektion haben oder hatten? Also, wie viel Virusfracht muss man sozusagen jeder Person dann zuordnen? Gibt es da so eine Zahl, die man nehmen muss?

Westhaus: Im Prinzip rechnet man die Genfracht im Rohwasser auf den Tag aus, also durch eine Kläranlage laufen ja auch entsprechend viele Liter Wasser am Tag durch. Und wir haben das korreliert im Prinzip mit den Fallzahlen, die halt beschrieben sind in diesem Einzugsgebiet, die sind ja veröffentlicht für das entsprechende Einzugsgebiet. Und daraus errechnet sich dann diese Korrelation. Und wir haben halt gesehen, dass bei dieser Berechnung ab 50 halt eine gesichertere Aussage getroffen werden kann.

Blumenthal: Sie haben auch ältere Proben, sogenannte Rückstellungsproben, aus den Jahren 2017 und 2018 vor dem Ausbruch der Pandemie untersucht und haben da ebenfalls virale Signale gefunden. Wie kann das sein?

Westhaus: Das hat uns tatsächlich auch sehr überrascht. Wir haben tatsächlich diese Rückstellproben von 2017 und 2018 als Kontrollen genutzt und haben dort ein sehr, sehr schwaches Signal gemessen, das aber am Detektionslimit der PCR lag, das war nur sehr, sehr leicht über dem Hintergrund der PCR. Und wir haben uns deswegen entschieden, diese Proben noch mal zusätzlich sequenzieren zu lassen, und konnten dann eben sehen, dass in der Sequenzierung keine Korrelation oder kein Hit für SARS-CoV-2 vorhanden war und damit im Prinzip das Ergebnis tatsächlich negativ war. Das ist nicht so ungewöhnlich, das passiert halt auch bei diagnostischen Proben, dass man da mal am Detektionslimit ist.

Blumenthal: Teilweise enthielt das Abwasser nach der Behandlung in den Kläranlagen eine höhere Konzentration an SARS-CoV-2-Viren als zuvor. Heißt das, dass das Abwasser nach dem Klärprozess immer noch infektiös ist?

Westhaus: Das ist definitiv nicht infektiös, das konnten wir auch zeigen. Dass nach dem Klärprozess vielleicht manchmal ein bisschen mehr drin ist, muss man vielleicht so auch betrachten: Wir haben ja die Flüssigphase benutzt und auch die Festphase. Während die Flüssigphase eine Sammlung von Abwasser über 24 Stunden war, ist bei der Festphase diese Schlacke, die bei der Reinigung des Abwassers anfällt, die wird natürlich nicht alle 24 Stunden gewechselt, sondern in größeren Zeitabständen. Damit kann da natürlich auch ein bisschen mehr virales Material sich anlagern. Nichtsdestotrotz, in den Abwässern sind so viele Abfallstoffe drin wie zum Beispiel Tenside, Fette, andere Chemikalien. Und SARS-CoV-2 ist ein behülltes Virus, es hat eine Lipid-Hülle, die durch diese chemischen Verbindungen eben aufgebrochen werden kann und damit das Viruspartikel inaktiviert. Und wie ich bereits am Anfang erwähnt hatte, haben wir dieses aufgereinigte Abwasser ja genutzt und haben das in einem Zellkultursystem getestet, ob positive Proben zu einer Infektion unserer Zielzellen führen können. Das war definitiv nicht der Fall, wir haben da keine replikationskompetenten Viren nachweisen können.

Blumenthal: Wie würden Sie es jetzt abschließend bewerten, ist dieses Verfahren, was Sie bei verschiedenen Klärwerken untersucht haben, ist das tauglich als Frühwarnsystem für und auf SARS-CoV-2?

Westhaus: Ja, das würde ich schon sagen. Wir haben uns ja so einen kleinen Werkzeugkoffer gebaut, der die Kombination von PCR, Sequenzierung und auch der Replikationskompetenz von positiven Abwässern untersuchen kann. Wir konnten zeigen, dass unsere Messmethode im Prinzip eine hohe Sensitivität und Selektivität hat, um eine Quantifizierung von 50 Fällen pro 100.000 Einwohnern zu erlauben. Und natürlich mit einer weiteren Optimierung sind natürlich die Unterscheidungen vielleicht zwischen 40 und 50 Fällen auch noch möglich, dazu müssten aber halt weitere Methodenoptimierungen erfolgen. Und ich denke schon, dass das eine Möglichkeit ist, frühzeitig bei regelmäßiger Testung eben auch einen Anstieg der Fallzahlen schon im Abwasser zu sehen, obwohl vielleicht bei den Gesundheitsämtern noch gar nicht so viel gemeldet wird.