Warum Abwasser möglicherweise den Schlüssel zur Verfolgung von Krankheiten fernab von COVID-19 birgt

Die Zukunft der Krankheitsüberwachung geht buchstäblich den Abfluss hinunter. Nach dem Erfolg bei der Erkennung des Coronavirus in Abwässern, einschließlich spezifischer Varianten von SARS-CoV-2, dem Virus, das COVID-19 verursacht, richten Forscher nun ihren Blick auf unsere gemeinsamen Ausscheidungen, um eine Vielzahl von Gesundheitsbedrohungen zu überwachen.

Vor der Pandemie war die Überwachung von Abwässern ein kleineres Feld, das hauptsächlich auf den Test von Drogen oder die Kartierung von Mikroökosystemen ausgerichtet war. Aber diese Forscher verfolgten spezifische Gesundheitsbedrohungen an spezifischen Orten - Opioid-Missbrauch in Teilen von Arizona, Kinderlähmung in Israel - und hatten das Potenzial für nationale oder globale öffentliche Gesundheit noch nicht ganz erkannt.

Dann kam COVID-19.

Die Pandemie löste eine "unglaubliche Beschleunigung" der Abwasserwissenschaft aus, so Adam Gushgari, ein Umweltingenieur, der vor 2020 Abwasser auf Opioidspuren getestet hatte. Er entwickelt jetzt eine Reihe von Projekten zur Überwachung von Abwässern für Eurofins Scientific, ein globales Labor für Tests und Forschung mit Hauptsitz in Luxemburg.

Einst war das Fachgebiet von einigen Spezialisten besetzt, heute gibt es jedoch mehr als genug Wissenschaftler, um ein Stadion zu füllen, sagt er. Und sie kommen aus einer Vielzahl von Fachgebieten - Umweltwissenschaften, analytische Chemie, Mikrobiologie, Epidemiologie und mehr - die alle zusammenarbeiten, um das Coronavirus zu verfolgen, die Daten zu interpretieren und die Ergebnisse der Öffentlichkeit mitzuteilen. Mit dem Rückgang anderer Methoden zur Überwachung von COVID-19 ist die Überwachung von Abwässern zu einer der wichtigsten Informationsquellen für Gesundheitsexperten geworden, um neue Ausbrüche zu erkennen.

Hunderte von Kläranlagen in den Vereinigten Staaten nehmen jetzt an COVID-19-Testprogrammen teil und senden ihre Daten an das National Wastewater Surveillance System (NWSS), ein Überwachungsprogramm, das im Herbst 2020 vom U.S. Centers for Disease Control and Prevention (CDC) gestartet wurde. Hunderte weitere solcher Testprogramme wurden weltweit gestartet, wie das COVIDPoops19-Dashboard der Forscher an der University of California in Merced zeigt.

Im letzten Jahr haben Abwasserwissenschaftler begonnen zu überlegen, was sonst noch über diese neue Infrastruktur verfolgt werden könnte. Sie untersuchen saisonale Krankheiten wie die Grippe, neu auftretende Krankheiten wie die Vogelgrippe und Mpox (früher als Affenpocken bekannt), sowie gegen Medikamente resistenten Pathogene wie den Pilz Candida auris. Die Wissenschaftler überlegen sogar, wie man völlig neue Bedrohungen identifizieren kann.

Die Überwachung von Abwässern wird laut Amy Kirby, einer Gesundheitswissenschaftlerin beim CDC, die das NWSS leitet, "gesundheitliche Auswirkungen haben, die weit über COVID hinausgehen".

Aber es gibt Herausforderungen, von der Möglichkeit zur Realität zu gelangen. Bisher war diese Form der Abwasserüberwachung größtenteils ein Machbarkeitsnachweis, der Daten aus anderen Überwachungssystemen bestätigt hat. Experten müssen immer noch herausfinden, wie Daten aus unseren Ausscheidungen tatsächlich zur Politikgestaltung beitragen können - das gilt sogar für COVID-19, das jetzt das Aushängeschild für diese Überwachung ist. Zudem stehen sie vor öffentlichen Funktionären, die skeptisch sind, und der Frage, ob die finanzielle Unterstützung gekürzt wird, da die COVID-19-Gesundheitsnotfälle vorbei sind.

Diese Überwachung wird hoffentlich "eine der Technologien sein, die sich nach der Pandemie weiterentwickeln und bestehen bleiben", sagt Mariana Matus, Mitbegründerin von Biobot Analytics, einem in Cambridge, Massachusetts, ansässigen Unternehmen, das Abwasser für das CDC und viele andere Gesundheitsbehörden getestet hat. Aber dafür benötigt die Technologie weiterhin die Zustimmung von Regierungen, Forschungseinrichtungen und der Öffentlichkeit, so Matus und andere Wissenschaftler.

Die abwasserbasierte Epidemiologie hat eine lange Geschichte, die mindestens bis zu den Beobachtungen des Arztes John Snow in den 1850er Jahren zurückverfolgt werden kann, wonach Cholera-Ausbrüche in London mit kontaminiertem Wasser zusammenhängen.

In den 1920er und 1930er Jahren begannen Wissenschaftler Proben aus Abwasser zu entnehmen und im Labor zu untersuchen, um bestimmte Krankheitserreger zu isolieren. Diese frühen Forscher konzentrierten sich auf Krankheiten, die sich über kontaminiertes Wasser verbreiten, wie Polio und Typhus.

Heutzutage werden Abwasserproben in der Regel automatisiert entnommen. Die Maschinen, die Abfälle unter Straßenabdeckungen sammeln, sind "in Bezug auf ihre Größe wie R2-D2 oder kleiner", sagt Erin Driver, eine Umweltingenieurin an der Arizona State University in Tempe, die an Sammelmethoden arbeitet.

Driver kann diese Maschine oder eine größere Version, die für die Probenahme in Kläranlagen verwendet wird, an eine Wasserleitung anschließen und sie programmieren, eine kleine Menge Abwasser in eine leere Flasche in regelmäßigen Abständen zu ziehen, zum Beispiel einmal pro Stunde für 24 Stunden. Sie und ihre Kollegen entwickeln auch kleinere Versionen des automatisierten Samplers, die besser für gezieltere Probenahmen geeignet sein könnten.

Was im Labor mit dieser Flasche Abfall passiert, hängt davon ab, wonach die Wissenschaftler testen. Um nach Opioiden und anderen Chemikalien zu testen, könnten Wissenschaftler große Partikel aus der Probe mit einem Vakuumsystem filtern, die spezifischen Chemikalien extrahieren, die sie testen möchten, und dann die Ergebnisse durch einen Spektrometer laufen lassen, ein Instrument, das chemische Konzentrationen durch Analyse des von den Chemikalien abgegebenen Lichts misst.

Um den SARS-CoV-2 oder ein anderes Virus zu bestimmen, könnte ein Wissenschaftler flüssigen von festem Abfall mit einer Zentrifuge trennen, virales genetisches Material isolieren und dann die Ergebnisse mit einer PCR-Maschine testen, ähnlich wie bei einem Nasenabstrich. Oder, wenn Wissenschaftler wissen wollen, welche SARS-CoV-2-Varianten vorhanden sind, können sie das Material einer Maschine aussetzen, die verschiedene genetische Sequenzen identifiziert.

In den panischen Anfangstagen der Pandemie stellte sich eine dringende Grundfrage. "Funktioniert das überhaupt?" erinnert sich Marlene Wolfe, eine Umweltmikrobiologin an der Emory University in Atlanta. Während Polio durch Fäkalien verbreitet wird, gab es frühe Hinweise darauf, dass das Coronavirus hauptsächlich durch die Luft verbreitet wird; Die Wissenschaftler waren anfangs nicht einmal sicher, ob es im Abwasser nachweisbar sein würde.

Am selben Tag im Jahr 2020, an dem die San Francisco Bay Area abgeriegelt wurde, erhielt Wolfe zusammen mit Kollegen an der Stanford University, wo sie zu der Zeit tätig war, ein Stipendium, um es herauszufinden. Das Team verbrachte bald Stunden damit, durch die Bay Area zu fahren, um Abwasserproben zu sammeln, "Lockdown-Regeln zu navigieren" und Sondergenehmigungen zur Nutzung von Laborflächen auszuhandeln, sagt sie.

"Wir warteten gespannt, ob unsere ersten Proben ein positives Ergebnis für SARS-CoV-2 zeigen würden", sagt Wolfe.

Nicht nur die Abwasserproben waren positiv, Wolfe und ihre Kollegen stellten fest, dass die Konzentration des Coronavirus im Abwasser den gleichen Trends wie die gemeldeten Fälle folgte, berichtete das Team im Dezember 2020 in Environmental Science & Technology. Wenn die Fallzahlen stiegen, erschien mehr Virus im Abwasser und umgekehrt. Frühe Projekte in anderen Teilen des Landes zeigten ähnliche Ergebnisse.

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Mehr als drei Jahre später sind die Daten zu gemeldeten Fällen viel weniger zuverlässig geworden. Weniger Menschen lassen sich laborgestützten PCR-Tests unterziehen, zugunsten leichter zugänglicherer Tests zu Hause - bei denen die Ergebnisse oft nicht gemeldet werden. Die Abwassertrends sind zur besten Methode geworden, um frühe Warnungen vor möglichen neuen COVID-19-Wellen, wie der erhöhten Verbreitung diesen Sommer, zu liefern, sowohl an Gesundheitsbehörden als auch an die Öffentlichkeit.

Im Sommer 2022 bekam die Abwasserüberwachung eine neue Chance, sich zu bewähren. Mpox breitete sich weltweit aus, auch in den Vereinigten Staaten. Aber die Tests waren begrenzt, und die Krankheit, die sich hauptsächlich durch intime Kontakte zwischen Männern verbreitete, zog schnell soziale Stigmatisierung nach sich, so dass einige Menschen zögerten, medizinische Hilfe in Anspruch zu nehmen.

Innerhalb weniger Wochen nach Beginn des Ausbruchs in den USA hatten Wolfe und ihre Kollegen sowie Forscherteams bei Biobot und anderen Unternehmen Tests zur Identifizierung von Mpox im Abwasser entwickelt.

Genau wie bei COVID-19 stimmten die Abwassertrends mit den offiziellen Fallzahlen überein. In Kalifornien deuteten die Ergebnisse aus dem Abwasser sogar darauf hin, dass die Krankheit sich weiter ausgebreitet haben könnte als die Daten aus Arztpraxen vermuten ließen, berichteten Wolfe und ihre Kollegen im Februar im New England Journal of Medicine.

Wie COVID-19 wird Mpox nicht durch Wasser übertragen, aber durch Abwassertests wurde das Virus trotzdem entdeckt. Die frühen Ergebnisse des Sommerausbruchs überzeugten einige Gesundheitsbeamte davon, dass die Abwassertechnologie für viele Krankheiten verwendet werden könnte, unabhängig von ihrer Verbreitungsweise, sagt Matus.

Wissenschaftler entdecken immer mehr Infektionskrankheiten, die im Abwasser nachverfolgt werden können. "Ehrlich gesagt hat alles, was wir bisher ausprobiert haben, funktioniert", sagt Wolfe, die heute Hauptermittlerin von WastewaterSCAN ist, einem nationalen Abwassertestprojekt unter der Leitung von Forschern der Stanford und Emory Universitäten. Das Projektteam testet derzeit Proben auf sechs verschiedene Viren und arbeitet an weiteren Tests, die es an die mehr als 150 Standorte seines Überwachungsnetzwerks senden kann.

In einer informellen Literaturübersicht zu für die öffentliche Gesundheit wichtigen Krankheitserregern stellten Wissenschaftler bei Biobot fest, dass durch vorherige Forschungen 76 von 80 dieser Erreger im Abwasser, Stuhl oder Urin identifiziert wurden. Das legt nahe, dass diese Erreger durch Abwasser überwacht werden könnten. Die Liste reicht vom Windpocken-Virus bis zu den Mikroben, die sexuell übertragbare Krankheiten wie Chlamydien verursachen, bis hin zu Zeckenbakterien, die Lyme-Borreliose verursachen.

Bei so vielen Möglichkeiten lautet die Frage vieler Forscher nicht "Wofür können wir testen?", sondern "Wofür sollten wir testen?"

Im Januar stellte ein Bericht der Nationalen Akademien der Wissenschaften, Ingenieurwissenschaften und Medizin drei Kriterien auf. Der Erreger sollte die öffentliche Gesundheit bedrohen. Er sollte im Abwasser nachweisbar sein. Und er sollte Daten generieren, die Gesundheitsbehörden nutzen können, um ihre Gemeinden zu schützen.

Vor dem Hintergrund aller Bedrohungen und Hinweise, die im Abwasser gefunden werden können, schränken die ersten beiden Kriterien das Feld nicht zu sehr ein. Deshalb orientieren sich die Forscher vorerst an den Vorgaben der staatlichen und lokalen Gesundheitsbehörden, welche Erreger priorisiert werden sollen.

Biobot arbeitet an Tests für häufige Krankheiten wie Grippe, RSV, Hepatitis C und Gonorrhö. Auch das CDC hat einige der gleichen häufigen Erreger im Blick, sowie Strategien zur Verfolgung von antimikrobieller Resistenz, einer Bedrohung, die während der Pandemie zugenommen hat, da Gesundheitssysteme stark belastet waren.

Auch wenn sie die perfekten Zielobjekte wählen, müssen die Forscher herausfinden, wie man nützliche Daten generiert. Das ist derzeit ein Knackpunkt.

Die Verfolgung von Erregern ist das eine. Aber die Bestimmung, wie die Ergebnisse mit tatsächlichen Zahlen von erkrankten Menschen korrelieren, ist etwas anderes, selbst im Fall von COVID-19, wo Forscher mittlerweile Jahre an detaillierten Daten haben. Als Folge davon sind viele öffentliche Gesundheitsbeamte noch nicht bereit, politische Entscheidungen auf der Grundlage von Kacke-Daten zu treffen.

Ein Beispiel hierfür ist New York City, wo die städtische Regierung in den letzten drei Jahren mehr als 1 Million US-Dollar für Tests auf COVID-19, Masern und Polio in Abwasser aus den Kläranlagen der Stadt ausgegeben hat. Das Gesundheitsamt der Stadt hat die daraus resultierenden Daten jedoch nicht genutzt, um lokale COVID-19-Sicherheitsmaßnahmen zu informieren, daher ist unklar, was mit den Daten geschieht.

Gesundheitsbeamte sind es gewohnt, einen Abstrich pro Person zu machen, sagt Rachel Poretsky, Mikrobiologin an der University of Illinois Chicago. Sie leitet auch die Überwachung des Abwassers für die Stadt Chicago und den Bundesstaat Illinois.

Das Training im öffentlichen Gesundheitswesen basiert darauf, individuell kranke Menschen zu identifizieren und zu verfolgen, wie sie erkrankt sind. Aber bei der Überwachung von Abwasser kann ein Datenpunkt Tausende von kranken Menschen repräsentieren - und die Daten stammen aus der Umwelt, nicht aus Krankenhäusern und Gesundheitskliniken. Was als nächstes zu tun ist, wenn positive Ergebnisse auftauchen, ist nicht so offensichtlich.

Zahlen, die aus dem Gesundheitssystem gesammelt werden, repräsentieren immer Patienten, so dass ein Anstieg auf eine Zunahme von Fällen hinweist. Im Fall von Abwasserdaten können jedoch Umweltfaktoren wie Wetter, lokale Industrien und das Kommen und Gehen von Touristen auch "seltsame Ausreißer" erzeugen, die sich nur schwer interpretieren lassen, sagt Poretsky. Zum Beispiel könnte ein massiver Regen die Proben verdünnen oder Chemikalienabflüsse aus einer Fabrik könnten die analytischen Methoden eines Forschungsteams stören.

Die Dateninterpretation wird nur komplizierter, wenn Wissenschaftler anfangen, Abwasser auf eine steigende Anzahl von Gesundheitsbedrohungen zu testen. Die Daten jedes Erregers müssen unterschiedlich interpretiert werden.

Bei Coronaviren zum Beispiel sind Abwassertests durchweg positiv, daher geht es bei der Interpretation der Daten um das Suchen nach Trends: Steigt oder fällt die Viruskonzentration? Wie verhält sich die Menge des vorhandenen Virus im Vergleich zur Vergangenheit? Ein Anstieg an einem bestimmten Ort könnte auf eine Gemeinschaft hindeuten, in der es noch keine Erkennung durch das Gesundheitssystem gibt. Die Gemeinschaft könnte reagieren, indem sie Gesundheitsressourcen wie Impfkliniken eröffnet, kostenlose Masken und Tests zu Hause verteilt oder Personal in den lokalen Krankenhaus-Notaufnahmen hinzufügt.

Mpox hingegen hat weit weniger Menschen infiziert und positive Tests waren selten, nachdem die Ausbrüche im vergangenen Sommer endeten. Die Forscher beobachten nun einfach, ob das Virus in einer bestimmten Kanalisation vorhanden oder abwesend ist.

"Es geht mehr darum, eine Frühwarnung zu haben", sagt Matus. Wenn eine Kanalisation plötzlich positiv auf mpox getestet wird, nachdem es in den letzten Monaten negative Ergebnisse gab, könnten Gesundheitsbeamte lokale Ärzte und Gemeindeorganisationen alarmieren, um auf Personen mit Symptomen zu achten, um Fälle zu identifizieren und einen möglichen Ausbruch zu verhindern.

Ein weiterer komplizierter Erreger ist C. auris, ein Pilz, der gegen häufig eingesetzte Medikamente resistent geworden ist. Er kann sich rasch in Gesundheitseinrichtungen verbreiten - und im Abwasser nachgewiesen werden. Forscher aus Utah und Nevada berichteten im Februar in Emerging Infectious Diseases, dass es möglich war, C. auris im Abwasser von Gebieten mit Ausbrüchen zu verfolgen.

Wenn Krankenhäuser oder Gesundheitsbeamte das Vorhandensein dieses Pilzes frühzeitig identifizieren könnten, könnten diese Informationen die öffentliche Gesundheit beeinflussen, um Ausbrüche einzudämmen, sagt Alessandro Rossi, ein Mikrobiologe am Utah Public Health Laboratory in Salt Lake City. Aber die Interpretation der Warnungen bei C. auris ist nicht so eindeutig wie bei Viren.

The fungus can grow in sewage after it leaves health care facilities, Rossi says. The pathogen has “the potential to replicate, form biofilms and colonize a sewershed.” In other words, C. auris can create its own data interference, potentially making wastewater results seem worse than they really are.

As mpox spread in the United States in 2022, scientists tested wastewater samples at nine sites in California for the virus. At five of those sites, the virus was detected before or within a day of the first case being confirmed in that sewershed.

Most current testing programs are reactive. By looking at health threats one at a time using specific PCR tests, the programs mostly confirm that pathogens we already are worrying about are getting people sick.

But some scientists, like Wim Meijer, envision a future in which wastewater monitoring wades into the unknown and alerts us to unusual disease outbreaks. The microbiologist, of the University College Dublin, heads Ireland’s wastewater surveillance program. Ideally, in this ahead-of-the-curve future, after detecting something alarming in sewage, his team could closely collaborate with health officials to study the pathogen and, if necessary, start combating the threat.

One idea for turning the tech proactive is to prepare for new health threats that we can see coming. For example, Meijer and his colleagues are interested in screening Ireland’s sewage for the H5N1 bird flu, but they are not yet doing this testing.

Another approach takes advantage of genetic testing technology to look at everything in our waste. Kartik Chandran, an environmental engineer at Columbia University who has mapped sewers’ microbial ecosystems with this technique, describes it as “trying to shine the light more broadly” rather than looking where the light is already shining brightest.

Such an approach might identify new pathogens before sick people start going to the doctor’s office, potentially leading to an earlier public health response. But with health officials still unsure of how best to use wastewater data, much more basic research is needed first.

“People think wastewater surveillance is the answer to everything, and clearly that’s not true,” says Kirby, of the CDC, reflecting concerns from the state and local officials that she collaborates with at NWSS. Before diving ahead into proactive surveillance, Kirby and her colleagues are working to set up basic wastewater standards and protocols for health agencies. Priorities include evaluating how sewage trends correlate to cases for different pathogens and developing standards for how to use the data.

The wastewater surveillance field also needs to keep growing if the goal is to monitor and contribute to global health, with more sites contributing data and more scientists to analyze it. All of this work requires sustained funding.

The CDC’s program so far has been funded by COVID-era legislation and will run out of money in 2025. While wastewater surveillance is more cost-effective than other types of testing, it still requires a lot of resources. Washington’s state health department, for example, paid Biobot more than $500,000 for a one-year sewage testing contract, while the CDC has paid the company more than $23 million since 2020 for its work with NWSS.

For the last few years, wastewater surveillance has been a giant, messy group project. Scientists have collaborated across fields and locations, across private and public institutions, through Zoom calls and through poop samples shipped on ice. They’ve shown that waste might hold the key to a new way of tracking our collective health.

A lot of unanswered questions remain, and it could be some time before your local sewer can tell you exactly what disease risks you might be facing. But COVID-19 pushed thousands of experts to look into their toilets and start asking those questions. “Now, everyone’s a believer,” says Driver, of ASU. “Everyone’s doing the work.”

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