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Pandemiefrüherkennung: Der trübe Blick in die Zukunft

Im Abwasser lassen sich Bruchstücke des Coronavirus bereits nachweisen, bevor Menschen erkranken. Künftig könnte das Frühwarnsystem auch auf andere Erreger ausgeweitet werden.
Die Biotechnologin Katharina Flautau entnimmt eine Abwasserprobe
Im Klärwerk Berlin-Ruhleben entnimmt Katharina Flautau eine Probe aus dem Belebungsbecken. Sie freut sich über das wachsende gesellschaftliche Interesse am Abwasser.

Katharina Flautau zieht an einer schweren Eisentür und betritt einen kleinen, kerkerähnlichen Raum auf dem Gelände des Klärwerks Ruhleben in Berlin-Spandau. Die Luft ist kühl. Es riecht etwas muffig. In der Ecke verläuft ein beachtliches Rohr, aus dem alle zwei Stunden braunes Wasser abgepumpt wird. Durch ein trichterförmiges Gerät tropft es in einen von zwölf Plastikbehältern. Frisches Abwasser, direkt aus der Berliner Kanalisation. »Ich sag immer, die Arbeit im Klärwerk ist ein bisschen wie bei der Spurensicherung«, sagt Flautau augenzwinkernd.

Die zierliche, blonde Frau arbeitet als Biotechnologin im Klärwerk. Doch während Abwasser bei den allermeisten Menschen Ekel hervorruft, ist es für die Forscherin ungeheuer spannend. Die trübe Brühe enthält Rückstände von Medikamenten, Drogen, antibiotikaresistenten Bakterien und Viren. Seit 2021 geben direkt aus dem »Rohzulauf« entnommene Proben Aufschluss über die Coronainfektionslage der Stadt. »So wie die Kacke bei uns ankommt, schicken wir sie weiter«, erläutert die gebürtige Berlinerin trocken. »Rohzulauf bedeutet: vor der Klärung.« Dieses so genannte Abwassermonitoring ist ein echtes Frühwarnsystem, da Infizierte schon Stunden und manchmal sogar Tage, bevor sie Symptome haben, Bruchstücke des Virus über Speichel und Exkremente ausscheiden.

Rohzulauf | Die trübe Brühe enthält Rückstände von Medikamenten, Drogen, antibiotikaresistenten Bakterien und Viren.

Berlin ist aktuell einer von 20 Standorten, an denen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Rahmen einer bundesweiten, EU-finanzierten Pilotstudie seit dem Frühjahr 2022 für ein Jahr Abwasserproben untersuchen. Die Standorte unterscheiden sich dadurch, wie viele Einwohner erfasst sind und welchen Einfluss Touristen und Pendler haben, etwa weil die Stadt nah an der Landesgrenze liegt. Vor Kurzem wurden weitere 28 Standorte in das Projekt integriert, die zusätzlichen Kosten trägt das Bundesministerium für Bildung und Forschung.

Auf Basis der Erkenntnisse soll im nächsten Frühjahr eine flächendeckende Analyse des Abwassers in Deutschland evaluiert werden. Da Abwassermonitoring weltweit immer wichtiger wird, gilt es laut der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA) jedoch als sicher, dass die Bundesregierung sich dafür aussprechen wird. Seit der jüngsten Novelle im Frühherbst ist die Abwasser-Epidemiologie im bundesweiten Infektionsschutzgesetz verankert. Die erhobenen Daten fließen damit auch als Indikator in das Pandemieradar des Robert Koch-Instituts ein, sind also öffentlich einsehbar. Zudem wird die in Berlin gemessene Virenlast im Abwasser auf der Webseite des Landesamts für Gesundheit und Soziales publiziert.

Dafür läuft die automatisierte Probenentnahme im Klärwerk Ruhleben zweimal in der Woche, 24 Stunden lang. Wenn am Ende des Tages alle Behälter gefüllt sind, werden die Proben gemischt, damit sie aussagekräftiger sind. Für das richtige Mischungsverhältnis stützen sich die Biotechnologin Flautau und ihr Team etwa auf Wetterdaten. Denn wenn es in einem Zeitraum viel regnet, verdünnt der Niederschlag das Abwasser. »Außerdem ist es wichtig, die Proben zu kühlen, damit sie sich nicht verändern«, erklärt Flautau. Vom Klärwerk wird die Mischung direkt ins wenige Kilometer entfernte Labor der Berliner Wasserbetriebe transportiert.

Ein PCR-Test im Abwasser

Dort wartet bereits Uta Böckelmann auf die Proben. Die 62-jährige Mikrobiologin schaut zusammen mit ihrem Team, ob sich Sars-CoV-2-Partikel im Abwasser befinden. Eine richtige Detektivarbeit. »Dafür machen wir einen PCR-Test im Abwasser«, sagt sie. Die Proben werden im Labor zunächst gereinigt und aufkonzentriert, denn für die PCR, die Polymerase-Kettenreaktion, werden nur einige Mikroliter benötigt. »Im Abwasser befinden sich im Zweifel winzig kleine Bruchstücke des Virus, im Fall von Sars-CoV-2 sind das RNA-Partikel«, erklärt die Laborleiterin. Mit der PCR-Methode werden die Erbgutbestandteile des Virus vervielfältigt. Denn: Je mehr der Viruspartikel in der Probe sind, desto leichter ist der Erreger nachweisbar. »Infektiös sind die Partikel aber nicht«, betont Böckelmann. »Das ist tote Materie.«

Uta Böckelmann | Die 62-jährige Mikrobiologin leitet das Labor der Berliner Wasserbetriebe.

Der Startschuss dafür, das Berliner Abwasser nach Erregern abzusuchen, fiel bereits im November 2020. »Damals erfuhren wir, dass man in einem Wiener Klärwerk Bestandteile von Sars-CoV-2 im Abwasser entdeckt hatte«, erzählt Böckelmann. »Wir dachten sofort: Das können wir auch!« Gemeinsam mit dem Auftragslabor amedes und dem Max-Delbrück-Centrum für Molekularbiologie, das zur Helmholtz-Gemeinschaft deutscher Forschungszentren gehört, tastete sich das Labor der Berliner Wasserwerke an das Thema heran und entwickelte die Methodik. Prinzipiell nutzen die Forscherinnen und Forscher dafür denselben PCR-Test, der auch für Humanproben verwendet wird. Da im Abwasser jedoch viele Störstoffe enthalten sind, mussten sie zunächst die richtige Verdünnung finden, mit der sie arbeiten können. Aber schon im Februar 2021 fanden Untersuchungen in allen sechs Berliner Klärwerken statt, bei denen Sars-CoV-2 tatsächlich eindeutig im Abwasser nachgewiesen werden konnte.

Die Neugier der Forscherinnen und Forscher war entfacht. »Wir wollten wissen, wie weit sich Infektionsherde zurückverfolgen lassen«, sagt Uta Böckelmann. Bis in den Stadtteil, ins Viertel oder sogar bis zum Hausanschluss? Unter allen Klärwerken sei Ruhleben wegen der besonders hohen Virenlast aufgefallen. Also suchten die Abwasser-Detektive die zuliefernden Pumpwerke und später einzelne Kanäle auf, um dort Proben zu entnehmen. Beim Zulauf eines Klärwerks sei die Entnahme einfach, aber in den Kanälen werde das immer aufwändiger, da man in die Schächte einsteigen muss. »Als wir bei einem Raster von rund 1000 Einwohnern angekommen waren, haben wir aufgehört mit dem Experiment, das wurde uns zu heikel«, erklärt sie und verweist auf den Datenschutz. »Man kann so aber Hotspots ausfindig machen.«

Inzwischen gibt es in den Laborräumen ein eigenes PCR-Gerät, mit dem die Proben untersucht werden können. Für Böckelmann ist das Abwassermonitoring ein Herzensprojekt, das sie aktiv vorantreibt. Mit der Entwicklung des PCR-Verfahrens für die Abwasserproben begann ihr Team bereits, bevor es eine Finanzierung gab. Sozusagen auf eigene Faust. Ihren Arbeitsplatz versteht sie als modernes Umweltlabor, nicht nur als Routinelabor, wie sie betont: »Gerade entwickeln wir parallel zu dem Coronaprojekt eine Alternativmethode zur Erfassung von Legionellen im Trinkwasser.«

Die Mikrobiologin zieht sich, während sie spricht, einen weißen Laborkittel an und entnimmt anschließend mit einer Pipette etwas Flüssigkeit aus einem kleinen Reagenzglas. Sorgfältig träufelt sie einige Tropfen in die zahlreichen Vertiefungen einer Probenplatte und schiebt diese in das PCR-Gerät. »Das ist eine digitale PCR, die liefert ein Ja- oder Nein-Ergebnis«, erklärt sie. Die digitale PCR teilt die Probe in eine große Zahl von Einzelreaktionen und macht es so besonders einfach, ein positives Signal zu finden. Seit einiger Zeit wird im Berliner Labor zusätzlich der Zulauf aus dem Flughafen BER untersucht. Schließlich kommen mit den Reisenden auch etliche neue Coronavarianten an.

Pipettieren | Uta Böckelmann bereitet die Abwasserproben auf, um zu schauen, ob sich Sars-CoV-2-Partikel darin befinden.

Dafür sind die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Delbrück-Centrums zuständig. Sie sequenzieren das Erbgut und untersuchen auf diese Weise, ob sich genetische Informationen verändert haben. So lässt sich bestimmen, welcher Omikron-Subtyp gerade vorliegt, und vor allem, ob sich neue Mutationen und Varianten entwickelt haben, die sich der menschlichen Immunabwehr entziehen. Diese früh zu erkennen, ist wichtig, da schon winzige Veränderungen im Erbgut die Viren ansteckender und Impfungen weniger effektiv machen können.

Omikron ist später nachweisbar als Delta

Wie viele Tage vor Symptombeginn die Viruspartikel im Abwasser nachweisbar sind, variiere je nach vorherrschender Variante, sagt Uta Böckelmann. »Bei den Delta-Varianten waren es sieben bis zehn Tage, doch bei der momentan dominanten Variante Omikron BA.5 ist die Vorlaufzeit mit drei bis vier Tagen deutlich kürzer.« Ein Grund dafür sei, dass es Varianten gibt, die eher im Bereich der Atemwege verbleiben und folglich weniger über Fäkalien ausgeschieden werden. Da müsse man die eigene Methode auch hinterfragen.

»Darüber zu entscheiden, welche politischen Schlüsse die Gesundheitsbehörden aus den Informationen ziehen, ist nicht unsere Aufgabe«Uta Böckelmann, Mikrobiologin

Um die Datenübermittlung an die Gesundheitsbehörden zu vereinfachen, hat das IT-Team der Berliner Wasserbetriebe die HyMo-App, kurz für Hygienemonitoring, entwickelt, eine zunächst nur intern verwendete digitale Plattform. Bis in den Sommer 2021 reichen die eingespeisten Zahlen des Abwassermonitorings zurück. Eine blaue Kurve zeigt die Viruslast im Abwasser und eine rote die offizielle 7-Tage-Inzidenz des RKI. Die blaue Kurve hebt oder senkt sich stets etwas früher als die rote. »Darüber zu entscheiden, welche politischen Schlüsse die Gesundheitsbehörden aus den Informationen ziehen, ist nicht unsere Aufgabe«, stellt Böckelmann klar. »Wir sind nur Dienstleister.« Persönlich würde sie sich aber wünschen, dass die Plattform zukünftig öffentlich einsehbar ist.

Die Infektionslage in der Erkältungssaison überblicken zu können, ist weit über Corona hinaus interessant. Zukünftig könnte dieses Verfahren auch bei anderen viralen Erregern und Epidemien als Frühwarnsystem eingesetzt werden. Darin sieht Böckelmann eine große Chance. »Wir können fast alle Viren im Abwasser erkennen«, sagt die Mikrobiologin, »Influenza-, Polio-, ja selbst Affenpockenviren.« Am Max-Delbrück-Centrum hat man die Suche bereits auf andere Viren ausgeweitet, um zu zeigen, welche Krankheitserreger sich frühzeitig »herauslesen« lassen. Ein aktuelles Beispiel aus dem Bundesstaat New York zeigt, warum das sinnvoll sein kann. Dort wurden im September Polioviren im Abwasser nachgewiesen. Gouverneurin Kathy Hochul rief daraufhin den Katastrophenfall aus, die Gesundheitsbehörden wiesen alle nicht oder unzureichend geimpften Personen an, sich immunisieren zu lassen.

»Je weniger klinische Daten wir haben, desto wichtiger werden die Abwasserwerte«Sabine Thaler, Biologin

Neben dem zeitlichen Vorsprung sprechen auch andere Argumente für das Abwassermonitoring. »Es gibt diesen simplen Spruch, an dem aber etwas Wahres dran ist«, sagt Böckelmann. »Nicht jeder geht zum PCR-Test, aber alle müssen zur Toilette.« Sabine Thaler, die als Biologin bei der DWA arbeitet und seit zwei Jahren Forschungsinitiativen zum Abwassermonitoring koordiniert, unterstreicht das: »Je weniger klinische Daten wir haben, desto wichtiger werden die Abwasserwerte.« Diese seien unabhängig davon, wie oft und wie sorgfältig sich die Bevölkerung testet. »Zur offiziellen Statistik zählen nur Infizierte mit positivem PCR-Ergebnis, die PCR-Tests werden aber immer weniger durchgeführt«, erläutert sie. Dazu kämen symptomlose oder schwache Verläufe, wo Betroffene gar nicht auf die Idee kommen, sich testen zu lassen. Dass die derzeitige Dunkelziffer sehr hoch liege, belege der Vergleich der Virusmenge im Abwasser mit den Inzidenzwerten. »Während zu Beginn der Pandemie die Kurven noch weitgehend deckungsgleich waren, ist die der Viruslast im Abwasser nun deutlich höher,« stellt sie fest.

Deutschland ist spät dran

Die deutschlandweite Pilotstudie zum Abwassermonitoring kommt spät. Länder wie Griechenland, die Niederlande oder Österreich haben das Potential viel früher erkannt und flächendeckende Strukturen aufgebaut. Im August veröffentlichte eine interdisziplinäre Arbeitsgruppe von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, der MedUni Wien und der Universität Innsbruck eine Studie in der Fachzeitschrift »Nature Biotechnology«, in der sie zeigen, wie genau die Analysen des Abwassers die Variantendynamik abbilden.

Die beteiligten Forscherinnen und Forscher sequenzierten und analysierten von Dezember 2020 bis Februar 2022 insgesamt 3413 Abwasserproben aus über 90 Kläranlagen, die jede Woche mehr als die Hälfte der österreichischen Bevölkerung abdeckten. Die erfassten Daten glichen sie mit jenen des epidemiologischem Meldesystems ab. Die Ergebnisse waren erstaunlich präzise. Für jede Woche und jedes Einzugsgebiet, in dem eine bestimmte Variante mindestens einmal auftrat, konnten sie in 86 Prozent der Proben ein entsprechendes Signal im Abwasser nachweisen. Umgekehrt habe man in drei Prozent der Abwasserproben Varianten entdeckt, die dem patientenbasierten System entgangen waren.

Warum hinkt Deutschland hinterher? »In einem Föderalstaat ist es schwer, alle Akteure an einen Tisch zu bekommen«, erklärt Thaler. »Es musste zunächst viel Übersetzungsarbeit zwischen der Gesundheits- und der Umweltforschung geleistet werden.« Biomediziner müssen erst lernen, Abwasserdaten zu lesen. Dazu kämen rechtliche Aspekte, denn Kläranlagen haben in Deutschland Aufgaben, die dem Umweltschutz und nicht dem Gesundheitswesen zugeordnet sind. Die Idee, Viren im Abwasser nachzuweisen, sei wissenschaftlich nicht neu, aber auf politischer Ebene habe es in Deutschland kein Dringlichkeitsempfinden für entsprechende Strukturen gegeben. Jetzt braucht es diese umso schneller. »Uns kann jederzeit die nächste Pandemie treffen«, sagt Thaler. Neben viralen Erregern steht vor allem auch der Nachweis antibiotikaresistenter Bakterien im Fokus.

»Wir nehmen es oft als so selbstverständlich hin, ein funktionierendes Kanalsystem zu haben, dass uns gar nicht bewusst ist, was da alles drinsteckt«Katharina Flautau, Biotechnologin

Im Klärwerk Ruhleben freut Katharina Flautau sich über das wachsende gesellschaftliche Interesse am Abwasser. Sie zeigt auf ein Klärbecken, in dem braunes Wasser blubbert wie in einem Whirlpool. Hier findet eine Belebungsphase statt, in der Sauerstoff zugeführt wird. »Da wohnen unsere wichtigsten Mitarbeiter«, erklärt sie. Flautau meint die Mikroorganismen, die klangvolle Namen haben wie Glockentierchen, Rädertierchen oder Pantoffeltierchen. »Wir schaffen ein gutes Milieu, damit die gut arbeiten können«, sagt sie.

Dann taucht sie einen Schöpfbecher mit langem Stiel in die blubbernde Brühe und entnimmt ein wenig Schlamm: »Wir nehmen es oft als so selbstverständlich hin, ein funktionierendes Kanalsystem zu haben, dass uns gar nicht bewusst ist, was da alles drinsteckt.« Etwa ein Schlüssel zur frühzeitigen Pandemiebekämpfung.

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