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Coronavirus: Im Abwasser auf Varianten-Jagd

Wissenschaftler haben einen neuen Coronavirus-Stamm bis zu einem Büro zurückverfolgt - durch Abwässer. Die stark mutierte Variante könnte das nächste Omikron sein.
Mit einer langen Stange wird eine Probe aus einem Klärbecken genommen und in einen Messzylinder gefüllt.

Dave O'Connor wurde klar, dass er einen besonders verzweifelten Punkt seiner Karriere erreicht hatte, als er begann, Hundebesitzer um Kotproben ihrer Tiere zu bitten. Aber der Forschungsdrang war stärker: Der Virologe der University of Wisconsin-Madison war schließlich einer stark mutierten Variante von Sars-CoV-2 auf der Spur, dem Virus, das Covid-19 verursacht. Anfang 2022 entdeckte er die Variante gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen im Abwasser von mehr als 100 000 Menschen in Wisconsin.

Die Forschenden konnten die Quelle der Variante schließlich auf ein bestimmtes Gebiet eingrenzen. O'Connor und sein Team vermuteten, dass die Variante auch bei Hunden vorkommen könnte, unter anderem weil sie in denselben Abwasserproben genetisches Material von Hunden fanden. Also begaben sie sich in den örtlichen Hundepark. »Es war die seltsamste Anfrage, die Sie jemals hören werden: ›Hey, wir sind Wissenschaftler. Können wir die Tüte Hundekacke haben, die ihr wegwerft?‹« Aber die Hunde entpuppten sich schließlich als eine von vielen Sackgassen bei der monatelangen Suche des Teams nach dem Ursprung der Variante.

Wie entwickelt sich die Pandemie? Welche Varianten sind warum Besorgnis erregend? Und wie wirksam sind die verfügbaren Impfstoffe? Mehr zum Thema »Wie das Coronavirus die Welt verändert« finden Sie auf unserer Schwerpunktseite. Die weltweite Berichterstattung von »Scientific American«, »Spektrum der Wissenschaft« und anderen internationalen Ausgaben haben wir zudem auf einer Seite zusammengefasst.

Ähnlich aussehende Varianten waren auch bei Menschen mit geschwächtem Immunsystem aufgetaucht – und immer mehr Forschende glauben, dass Virusvarianten von dieser Patientengruppe zu pandemieverändernden Linien wie Omikron führen könnten.

Lässt sich die betroffene Person finden?

O'Connor und sein Team suchen nun nach einer Einzelperson, die die Variante in sich trägt – bisher gibt es keine Anzeichen dafür, dass sich die neue Coronavirus-Linie auf andere Personen übertragen hat. Die Forscher arbeiten dabei auch mit Beamten des öffentlichen Gesundheitswesens zusammen: Diese hoffen, die Person identifizieren zu können, die seit mindestens acht Monaten infiziert sein muss, und die Infektion behandeln zu können, um eine weitere Ausbreitung zu verhindern.

Keiner diese Einzelfälle hat für sich genommen große Chancen, die nächste Supervariante hervorzubringen (die nach dem Varianten-Namenssystem der WHO wahrscheinlich Pi genannt werden wird). Aber das Aufspüren der Quelle einer potenziellen Variante – unter den Tausenden, die wahrscheinlich weltweit im Umlauf sind – könnte den Forschenden helfen, zu verstehen, welche Faktoren dazu beitragen, dass Varianten wie Omikron entstehen. Solche Infektionen könnten auch als eine Art Kristallkugel für die Zukunft des Virus dienen.

»Das ist wirklich komplexe Detektivarbeit, es ist phänomenal. Wir wissen immer noch nicht wirklich, woher die Varianten kommen«Bill Hanage, Epidemiologe an der Harvard Chan School of Public Health

»Ich glaube nicht, dass den Leuten klar ist, dass Pi fast schon hier ist. Viele der Varianten, die wir finden, lassen Omikron klein aussehen«, sagt Marc Johnson, ein Virologe an der University of Missouri in Columbia, der das Projekt zusammen mit O'Connor leitet und an mehr als 20 anderen Orten nach ähnlichen Varianten sucht. »Das ist wirklich komplexe Detektivarbeit, es ist phänomenal«, fügt Bill Hanage hinzu, ein Epidemiologe an der Harvard Chan School of Public Health in Boston. »Wir wissen immer noch nicht wirklich, woher die Varianten kommen.«

Forscher im Bereich der öffentlichen Gesundheit haben schon vor mehr als 100 Jahren entdeckt, dass ihnen das Abwasser weiterhelfen kann: 1854 führte der britische Epidemiologe John Snow einen Choleraausbruch in London auf eine verunreinigte Wasserpumpe zurück. Der weltweite Kampf gegen das Poliovirus, das über Fäkalien ausgeschieden wird, stützt sich auf den Nachweis von Viren in Abwässern, da Lähmungsfälle so selten sind.

Rätselhafte Abstammungen

Während der Pandemie fanden Forscher heraus, dass Abwasserproben als eine Art Frühwarnsystem für Covid-19-Ausbrüche fungieren können. Meist konzentrierten sie sich auf häufige Sars-CoV-2-Varianten, die in der Bevölkerung zirkulierten und bei Routineuntersuchungen festgestellt wurden. Doch im März 2021 begannen Johnson und seine Kollegen, Viruslinien im Abwasser zu entdecken, die mit nichts in globalen Datenbanken mit Millionen von Sequenzen übereinstimmten.

Diese »kryptischen Linien« wiesen Veränderungen am Spike-Protein auf, mit dem Sars-CoV-2 in die Zellen eindringt und gegen das das Immunsystem vorgeht. Diese Veränderungen tauchten später in Varianten wie Omikron auf, die die Immunabwehr umgingen. Die Sequenzierung von Abwässern auf Sars-CoV-2 kann ohnehin sehr schwierig sein. Doch als Omikron-Fälle Ende 2021 die von Johnson untersuchten Wassereinzugsgebiete überschwemmten, übertünchten sie die rätselhaften Linien, die das Team suchte. Um dieses Problem zu lösen, entwickelte Johnson einen Sequenzierungsansatz, um seltene Nicht-Omikron-Linien zu identifizieren, die möglicherweise nur eine einzige Person infiziert haben. »Man sucht wirklich nach einer Nadel im Heuhaufen«, sagt er.

Mit dieser Methode rief Johnson zu einer Abwasseruntersuchung auf und sammelte schließlich Proben aus mehr als 600 Gebieten mit Abwassersammelsystemen in 39 US-Bundesstaaten. »Ich schrieb jeden an, den ich kannte. Ich habe es auf Twitter gepostet: ›Schickt mir einfach euren Scheiß.‹« Martin Shafer, ein Umweltbiogeochemiker am Staatlichen Hygienelabor von Wisconsin in Madison, stellte Proben aus dem Bundesstaat zur Verfügung. O'Connors Labor war Teil eines Projekts, um Sars-CoV-2 durch Abwasser- und Luftproben aufzuspüren. Der Forscher mobilisierte ein Team, um die rätselhafte Linie zu untersuchen, die die Forscher bis heute verfolgen. Die Variante, die erstmals im Januar 2022 in Abwasserproben auftauchte, teilt viele Mutationen mit Omikron, stammt aber aus einem völlig anderen Teil des Sars-CoV-2-Stammbaums. »Wir sind nicht zufällig darauf gestoßen. Ich war auf der Jagd«, sagt Johnson. »Ich wollte wissen, was die Quelle war.

Detektive in der Kanalisation

Um den Ursprung der Variante einzugrenzen, verfolgten die Forscher Proben, die in immer kleineren Wassereinzugsgebieten des Kanalisationsnetzes gesammelt worden waren. Dazu mussten die Mitarbeiter der Stadtverwaltung Dutzende von speziellen Probenahmegeräten im tiefsten Winter in Wisconsin unter den Kanaldeckeln platzieren. »Die Leute machten Arbeiten, die weit über ihren Aufgabenbereich hinausgingen«, sagt O'Connor.

Auf der Jagd nach der kryptischen Viruslinie |

Solche Hilfe ist nicht selbstverständlich, sagt auch Rose Kantor, Mikrobiologin an der University of California, die mit Johnson zusammenarbeitet, um rätselhafte Abstammungslinien in kalifornischen Abwässern aufzuspüren. Ihre Untersuchungen gerieten in eine Sackgasse, als sie die Behörden nicht überzeugen konnten, zusätzliche Proben zu nehmen. Während sich die Suche nach der Wisconsin-Variante immer mehr auf ein Gebiet eingrenzen ließ, war Johnson ständig in Sorge, dass die Variante verschwinden könnte: »Es war nicht das erste Mal, dass wir versucht haben, eine Abstammung zu verfolgen, aber oft verlaufen sie im Sande.«

Doch an jeder Abzweigung im Kanalsystem wurde die Linie nur auf einem Weg gefunden. Nachdem sie Hunde, Ratten und Rehe – die alle Sars-CoV-2 übertragen können – ausgeschlossen hatten, vermuteten die Forschenden, dass sie nach einer Person mit einer chronischen Infektion suchten. Im Juni verfolgten sie die Spur zu den Abwässern eines einzigen Unternehmens mit weniger als 30 Mitarbeitenden. In einem Vortrag haben die Forscher über ihre Arbeit berichtet.

Patient null einer neuen Variante

Während die an der Untersuchung beteiligten Beamten des öffentlichen Gesundheitswesens ihre nächsten Schritte abwägten, verfolgte das Team von Dave O'Connor und Marc Johnson die Variante weiter und untersuchte ihre Eigenschaften. Seit der Entdeckung hatte die Linie des Virus zusätzliche Mutationen erhalten und die genetische Vielfalt war gewachsen – Kennzeichen eines Virus, das sich im Körper einer einzelnen Person entwickelt, ohne sich zu verbreiten. Experimente zeigten, dass die Variante sogar besser als die Omikron-Linie BA.1 in der Lage war, durch Impfungen und frühere Infektionen ausgelöste Antikörper zu überwinden. Es war jedoch nicht klar, welches Risiko die Variante für andere Personen als die Trägerin oder den Träger der Variante darstellte. »Die überwiegende Mehrheit dieser Linien ist nicht übertragbar«, sagt O'Connor.

Die andere Frage war, wie man mit dem betroffenen Unternehmen umgehen sollte, in dem die infizierte Person vermutlich tätig war. Laut Ryan Westergaard, einem Epidemiologen für übertragbare Krankheiten bei der Gesundheits- und Sicherheitsbehörde von Wisconsin, habe sein Team lange und gründlich überlegt, bevor es das Unternehmen und seine Angestellten fragte, ob sie auf Sars-CoV-2 getestet werden wollen: »Wir wollten keine Panik auslösen und sagen, dass dort eine gefährliche neue Variante lauert.« Aber er wollte der infizierten Person helfen, sich behandeln zu lassen – und das Risiko einer Ausbreitung zu verringern.

Etwa 60 Prozent der Mitarbeitenden des Unternehmens haben sich einem Nasenabstrich unterzogen – die betroffene Person schien aber nicht darunter zu sein: Diese Spur der neuen Variante hat sich verlaufen. Westergaards Team sucht nun weiter nach der Variante – mit Sar-CoV-2-Tests in der Gemeinde und in Abwässern aus anderen Abwasserkanälen in Wisconsin. Die Forschenden untersuchen auch früher gesammelte klinische Proben, um zu sehen, ob die Variante bereits aufgetaucht ist. »Wir bleiben wachsam«, sagt Westergaard.

Virus im Darm statt in den Atemwegen?

Johnson, O'Connor und ihr Team haben die Suche noch nicht aufgegeben. Sie weisen die Variante weiterhin nach, und zwar in Mengen, die Johnson noch nie in Abwässern gesehen hat. Bei diesen Mengen – und in Verbindung mit den negativen Nasenabstrichen der Angestellten – fragt sich Johnson, ob die infizierte Person das Virus hauptsächlich in ihrem Darm und nicht in ihren Atemwegen hat. Das Team hofft, Stuhlproben von Angestellten analysieren zu können – es bemüht sich gerade um eine Ethikfreigabe für eine solche Studie.

Smruthi Karthikeyan, ein Computerbiologe an der University of California in San Diego, bemerkte etwas Ähnliches, als er Abwasserproben in Universitätsgebäuden analysierte. Einige Menschen scheiden noch Wochen nach dem Verschwinden von Atemwegsinfektionen und Symptomen große Mengen an genetischem Material von Sars-CoV-2 aus.

Kristian Andersen zufolge, einem Evolutionsbiologen bei Scripps Research in La Jolla, Kalifornien, kommen als Quelle für gefährliche Sars-CoV-2-Varianten wie Omikron chronische Darminfektionen in Frage. Die Immunzellen im Darm sind toleranter gegenüber Mikroorganismen als die in anderen Teilen des Körpers, so dass sich das Virus möglicherweise in Gegenwart eines gewissen – aber nicht zu starken – Immundrucks entwickeln kann. In den meisten Fällen werden solche Darminfektionen nicht auf andere übertragen, sagt Andersen – es sei denn, etwas im Körper verändert sich und das Virus wandert zurück in die Atemwege. »Dann besteht das Risiko, dass eine neue Variante wie Omikron entsteht.«

Die kryptische Linie im Vergleich

Die Identifizierung der Person in Wisconsin könnte den Forschenden helfen zu verstehen, wie Varianten wie Omikron entstehen, fügt Andersen hinzu. »Die Detektivarbeit, die sie geleistet haben, ist unglaublich.« Selbst wenn die Forschungsgruppen keine Person identifizieren können, die die Wisconsin-Linie trägt, könnte die Untersuchung rätselhafter Linien wie dieser helfen, die Zukunft von Sars-CoV-2 vorherzusagen, sagt O'Connor. Die meisten der auffälligen Mutationen befinden sich im Spike-Protein, aber sein Team hat auch Veränderungen in Schlüsselregionen eines anderen Virusmoleküls identifiziert, die für die Immunität ebenfalls wichtig sein könnten.

Rätselhafte Abstammungslinien werden sich vielleicht nicht als »Orakel der Kloschüssel« erweisen, sagt O'Connor, aber wenn sie helfen können, allgemeine Trends in der Sars-CoV-2-Evolution vorherzusagen, könnte dies der Forschung dabei helfen, Impfstoffe und Behandlungen gegen potenzielle künftige Varianten zu testen – die vielleicht schon irgendwo auf der Welt in der Kanalisation herumschwimmen. »Wenn wir das in Wisconsin sehen, weil wir intensiv danach suchen«, sagt O'Connor, »dann muss man wissen, dass es überall passiert.«

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