Quantifizierung und Charakterisierung des gesamten Genoms von SARS-CoV-2-RNA in Abwasser- und Luftproben

Im Dezember 2019 trat eine neuartige Krankheit namens COVID-19 auf, die durch ein bisher unbekanntes Coronavirus, SARS-CoV-2¹, verursacht wurde. Die daraus resultierende globale Pandemie stellt eine große Herausforderung für klinische und öffentliche Gesundheitslabore weltweit dar, da eine große Anzahl von Personen Tests benötigt, um die Virusübertragung und -prävalenz in der Gemeinschaft genau zu bewerten. In vielen Regionen ist es jedoch wirtschaftlich nicht machbar, das erforderliche Testniveau zeitnah und räumlich umfassend zu erreichen ^2,3. Derzeitige Surveillance-Systeme, die auf individueller klinischer Diagnostik basieren, stützen sich stark auf die Schwere der Symptome und die individuelle Berichterstattung sowie auf das Ausmaß, in dem sich diese Symptome mit bestehenden Krankheiten überschneiden, die in der Bevölkerung zirkulieren 4,5,6,7,8,9,10. Folglich trägt eine hohe Zahl asymptomatischer Fälle zu einer deutlichen Unterschätzung der Krankheitslast bei ^7,11.

Aufgrund dieser Herausforderungen wurde die abwasserbasierte Epidemiologie (WBE) für die COVID-19-Überwachung als ergänzende Überwachungsstrategie vorgeschlagen. WBE wurde erstmals im Jahr 2001 beschrieben¹² und wurde ursprünglich zur Aufspüren von Kokain und anderen illegalen Drogen verwendet¹³. Dieser Ansatz beruht auf der Annahme, dass es möglich ist, die Anfangskonzentration jeder Substanz zu berechnen, die im Abwasser stabil ist und vom Menschen ausgeschieden wird ^8,12. WBE wurde in vielen Ländern erfolgreich als ergänzendes und effizientes Überwachungssystem für SARS-CoV-2 3,8,14,15,16 eingesetzt. Die meisten Methoden zum Nachweis menschlicher Viren in aquatischen Umgebungen folgen diesen Schritten: Konzentration, Nukleinsäureextraktion, Amplifikation des ausgewählten genomischen Segments (oder der ausgewählten Segmente) und Nachweis/Quantifizierung des amplifizierten genomischen Segments³.

Eine weitere wichtige Umgebung für den Nachweis und die Quantifizierung von SARS-CoV-2 sind Luftproben. Ursprünglich ging man davon aus, dass SARS-CoV-2 hauptsächlich durch engen persönlichen Kontakt mit Atemtröpfchen aus Aerosolen übertragen wird, die von einer infizierten Person beim Sprechen, Niesen, Husten, Singen oder Atmen erzeugt werden¹⁷. Mehrere Studien berichteten jedoch über das Vorhandensein von SARS-CoV-2-RNA in der Luft, insbesondere in Gesundheitseinrichtungen und anderen geschlossenen Räumen 18,19,20,21. Hinweise auf die Lebensfähigkeit von SARS-CoV-2 wurden in Luftproben gefunden, die in Innenräumen von Krankenhäusern und anderen geschlossenen Räumen entnommen wurden, wenn die Viruskonzentration ausreichend hoch war^{22,23,2 4}. Studien im Freien haben im Allgemeinen keine Hinweise auf SARS-CoV-2 gefunden, außer in überfüllten Außenbereichen 21,25,26,27,28,29. Bisher ist die Übertragung von SARS-CoV-2 über die Luft als Übertragungsweg anerkannt^30,31. Eine kürzlich durchgeführte Übersichtsstudie zeigt die Unterschiede zwischen dem Freien, wo das Risiko einer Übertragung über die Luft außerhalb von überfüllten Bereichen minimal ist, und Innenräumen, wo größere Risiken in schlecht belüfteten Umgebungen bestehen könnten, in denen starke Quellen (d. h. die Anzahl der infizierten Personen) vorhanden sein könnten. Eine kürzlich durchgeführte umfassende Übersichtsstudie hat die erheblichen Unterschiede zwischen den Risiken einer Übertragung über die Luft im Freien und in Innenräumen hervorgehoben, insbesondere in überfüllten Bereichen mit schlechter Belüftung. Die Studie zeigt, dass das Risiko einer Übertragung über die Luft in Außenumgebungen minimal ist, in denen ein größeres Luftvolumen für die Verdünnung und Ausbreitung von Viruspartikeln zur Verfügung steht³². Diese Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf die Gesundheitspolitik und die Richtlinien im Zusammenhang mit COVID-19. Durch die Anerkennung der erheblichen Unterschiede bei den Übertragungsrisiken zwischen Innen- und Außenbereichen können politische Entscheidungsträger wirksamere Strategien entwickeln, um die Ausbreitung des Virus einzudämmen und die öffentliche Gesundheit zu schützen.

Es gibt eine Vielzahl von Methoden und Protokollen für den Nachweis, die Quantifizierung und die Sequenzierung von SARS-CoV-2 aus verschiedenen Umweltproben. Dieser Methodenartikel zielt darauf ab, eine Kombination etablierter Protokolle vorzustellen, die es Laboren mit unterschiedlichen Kapazitäten ermöglichen, den Umweltnachweis, die Quantifizierung und die Sequenzierung von Viren aus Abwasser- und Luftproben durchzuführen.