Abwasserbasierte Epidemiologie zur Überwachung von COVID-19 und zum Schutz der öffentlichen Gesundheit an drei britischen Flughäfen

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in PLOS Globale öffentliche GesundheitForscher führten eine Überwachung des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) auf britischen Flughäfen durch, indem sie das Abwasser überwachten.

Studie: Abwasserbasierte Überwachung von SARS-CoV-2 an britischen Flughäfen und ihre potenzielle Rolle bei der internationalen Überwachung der öffentlichen Gesundheit. Bildnachweis: Caron Badkin/Shutterstock

Hintergrund

Flugreisen spielen eine bedeutende Rolle bei der Verbreitung zahlreicher Darm- und Atemwegsinfektionen weltweit, einschließlich der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19). Obwohl weltweit Reisebeschränkungen eingeführt wurden, können asymptomatische oder präsymptomatische Träger von SARS-CoV-2 das Virus übertragen.

Um die SARS-CoV-2-Infiltrationsraten über internationale Grenzen hinweg zu bewerten, müssen zusätzliche Methoden entwickelt werden, da die derzeitigen klinischen Überwachungssysteme noch begrenzt sind. Eine solche Methode ist die abwasserbasierte Epidemiologie (WBE), die eine unvoreingenommene Probenahme von SARS-CoV-2 bei Gruppen von Passagieren ermöglicht, die Flughäfen betreten.

Über das Studium

In der vorliegenden Studie untersuchte das Team über einen Zeitraum von ein bis drei Wochen Abwasser, das in Proben von Terminals und Flugzeugen an drei internationalen Flughäfen im Vereinigten Königreich gefunden wurde.

Das Team bewertete fünf Probenkonzentrationsverfahren an SARS-CoV-2-Proben und verwendete den effektivsten Ansatz für Überwachungsproben. Als Prozesskontrolle wurden mit SARS-CoV-2 gespikte Proben in drei Aliquot-Sets aufgeteilt, die mit dem Bakteriophagen phi6 gespikt wurden. Bei jeder Probencharge wurden auch positive und negative Prozesskontrollen verwendet, um die Kreuzkontamination und die Rückgewinnungseffizienz zu beurteilen. Jede Probe wurde zwei Vorbehandlungen mit Rinderextrakt (BE)-Natriumnitrat (NaNO3) und Natriumchlorid (NaCl) sowie zwei Konzentrationstechniken unterzogen, die Ultrafiltration und Fällung mit Polyethylenglykol (PEG) umfassten.

Einer der Aliquotsätze wurde mit PEG-Präzipitation sowie Ultrafiltration ohne Vorbehandlung konzentriert. Der zweite Satz wurde mit Natriumchlorid kombiniert. Die Proben wurden zentrifugiert, um die Feststoffe vom Überstand abzutrennen, die anschließend mit PEG ausgefällt wurden, um NaCl/PEG zu bilden, gefolgt von einer Ultrafiltration, um NaCl/Amicon zu bilden. Im dritten Satz wurden Natriumnitrat und Rindfleischextrakt kombiniert. Zentrifugation und PEG-Präzipitation der Proben führten zur Bildung von BE-NaNO3/PEG-Proben.

Ergebnis

Der BE-NaNO3/PEG-Präzipitationsansatz zeigte die höchste Virusausbeute unter den untersuchten Verfahren, sowohl für das SARS-CoV-2-N1-Genfragment als auch für das Prozesskontrollvirus phi6. Auch ein Shapiro-Wilk-Normalitätstest zeigte, dass die Datenverteilung für phi6, SARS-CoV-2 und crAssphage bemerkenswert von der Normalität abwich. Ein Kruskal-Wallis-Rangsummentest und Pairwise-Wilcoxon-Tests zeigten, dass die BE-NaNO3-Technik für die Wiederherstellung von SARS-CoV-2 und phi6 und crAssphage signifikant überlegen war. Daher wurden Kontrollproben vor der PEG-Präzipitation mit BE-NaNO3 behandelt.

In den meisten Proben wurde ein Leervirus nachgewiesen; jedoch meldete keine der Vakuum-LKW-Proben des Flughafens Heathrow Virenpräsenz. Die Rückgewinnungsraten von Vakuum-LKW-Proben an den Standorten Bristol und Heathrow Central Terminal (CTA) waren niedrig. In einigen wenigen Fällen wurden SARS-CoV-2 und crAssphagen in Proben ohne Phi6-Wiederfindung gefunden, möglicherweise aufgrund geringer Wachstumsraten.

Die meisten der an den drei Flughäfen gesammelten Abwasserproben enthielten crAssphage-Desoxyribonukleinsäure (DNA) und SARS-CoV-2-Ribonukleinsäure (RNA). Flughafenproben vom Edinburgh International Terminal (JR)-1 zeigten die niedrigsten Konzentrationen und Erkennungsraten von SARS-CoV-2. Die restlichen in Edinburgh gesammelten Proben wurden positiv auf SARS-CoV-2 getestet, mit Ausnahme einer Probe, die in der Kläranlage (WWTP) gesammelt wurde.

Alle am Flughafen Edinburgh gesammelten Proben zeigten hohe Mengen an crAssphagen. Die Pumpstationen (P1), JR2 und JR3 zeigten jedoch signifikant höhere Trübungen, Ammoniumwerte und elektrische Leitfähigkeit als die WWTP- und JR1-Standorte. An keiner der beprobten Stellen wurden im Laufe der Zeit bemerkenswerte Trends bei den SARS-CoV-2-Konzentrationen beobachtet.

An den Flughäfen Bristol und Heathrow wurden alle von den Terminals entnommenen Abwasserproben positiv auf SARS-CoV-2 und CrAssphagen getestet. An diesen Stellen waren die Mengen an Ammonium und Trübung in den Proben höher als in den Proben aus Edinburgh. Auch die pH-Werte der an den Standorten in Bristol gewonnenen Proben waren höher als in Heathrow und Edinburgh. Darüber hinaus wurde kein Zusammenhang zwischen viralen Konzentrationen und chemischen Daten festgestellt.

Auch der Inhalt von Vakuum-LKWs, die Abwässer zu Flugzeugen befördern, wurde auf das Vorhandensein von SARS-CoV-2 untersucht. In Bristol und Edinburgh wurden alle Proben positiv auf SARS-CoV-2 getestet, während in Heathrow alle bis auf zwei Proben positiv getestet wurden. crAssphagen wurden auch in allen Proben von Saugwagen identifiziert, die von den Flughäfen Bristol und Edinburgh und in 40 % der Proben vom Flughafen Heathrow erhalten wurden. Darüber hinaus fand das Team keinen Zusammenhang zwischen Erkennungsraten oder -niveaus von SARS-CoV-2 und crAssphage. Auch der pH-Wert, die Orthophosphatwerte, die Trübung und in einigen Fällen die elektrische Leitfähigkeit der Probe waren signifikant höher als bei den anderen Proben.

Fazit

Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass WBE als effektive Überwachungstechnik für SARS-CoV-2 und andere Virusinfektionen auf Flughäfen eingesetzt werden könnte, um internationale Hotspots von Ausbrüchen zu lokalisieren und Trends bei der Infektionsprävalenz zu bewerten. Die Studie stellte fest, dass Flugzeugabwasserproben selbst mit hocheffizienten Extraktionstechniken Feststoffe und Chemikalien enthalten könnten, die die Wahrscheinlichkeit eines effektiven Virusnachweises verringern.

Die Forscher glauben, dass die regelmäßige Probenahme von Flugzeug- und Flughafenabwässern als Methode zur gezielten Überwachung neuer Krankheiten und anderer Erreger dienen kann, die im Land noch nicht endemisch sind.

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