Abwassermonitoring als innovatives Element der COVID-19-Surveillance

Die Herausforderungen einer epidemiologischen Krisensituation wie der aktuellen SARS-CoV-2-Pandemie stellen staatliche Verwaltungsstrukturen, besonders diejenigen der Gesundheitsbehörden, vor erhebliche Probleme, was wiederum in einer unterschiedlichen Effizienz des Krisenmanagements resultiert. Die Entwicklung innovativer Instrumente der Pandemiebekämpfung im Sinne der Surveillance (= epidemiologische Überwachung) und deren Einbindung in das Krisenmanagement von Behörden sind daher zwingend notwendig. Bis zu einer erfolgreichen Umsetzung erfordert dies nicht selten das Verlassen der eigenen Komfortzone.

Anfang 2021 hat die EU-Kommission eine Empfehlung zur systematischen Überwachung von SARS-CoV-2 im Abwasser ver­öffent­licht. Dieses sogenannte Abwassermonitoring kann als ergänzendes Instrument zur individualmedizinischen Diagnostik und präventiven Infektionsüberwachung genutzt werden, da der Nachweis von Viruspartikeln im Abwasser als Indikator für eine mögliche Lagever- oder -entschärfung dienen bzw. zur Aufhellung des Dunkelfelds genutzt werden kann.

Die Unterabteilung VI des Kommandos Sanitätsdienst der Bundeswehr (Kdo SanDstBw) führte im Rahmen der Amtshilfe mehrfach Beratungen von Landkreisen und kreisfreien Städten zur Evaluierung und Anpassung des Coronakrisenmanagements durch. In Form von zivilmilitärischer Zusammenarbeit konnte zudem in zwei Landkreisen Bayerns ein SARS-CoV-2-Abwassermonitoring etabliert werden. Im Landkreis Berchtesgadener Land wurden Probenahmegeräte genutzt, um zweimal wöchentlich 24 h-Mischproben aus dem Abwasser zu entnehmen und auf das Vorhandensein und die Menge von SARS-CoV-2 in einem kommerziellen Labor zu untersuchen. Mit diesem flächendeckenden Ansatz konnten rund 95 % der Bevölkerung des Landkreises in die Surveillance einbezogen werden. Im Landkreis Ebersberg hingegen wurde ein anderer Ansatz gewählt: Hier wurden an drei ausgewählten Standorten entlang eines ländlich-urbanen Gradienten zwar nur rund 25 % der Bewohner Landkreises abgedeckt, allerdings stellen die ausgewählten Gemeinden einen repräsentativen Querschnitt durch die Bevölkerung dar. Von besonderer Bedeutung war, dass die durch das Abwassermonitoring gewonnen Daten durch Nutzung digitaler Techniken (sogenannter Dashboards) unmittelbar in die Entscheidungen der Führung des jeweiligen Landkreises einfließen konnten. Durch Nutzung des Abwassermonitorings als Frühwarn- bzw. auch Entwarnsystem konnten die Landkreise ihre ohnehin knappen Ressourcen besser einteilen und in der Kommunikation mit der Bevölkerung überzeugender argumentieren. Die in den beiden bayerischen Landkreisen seit 2020 (Berchtesgadener Land) bzw. 2021 (Ebersberg)  eingesetzten Abwassermonitoringsysteme sind derzeit noch immer in Betrieb und dienen mittlerweile u. a. auch als Blaupause für die bevorstehende bundesweite Einführung solcher Surveillance-Instrumente.

Nach den vielversprechenden Erfahrungen im zivilen Bereich wurde das SARS-CoV-2-Abwassermonitoring auch an zwei Bundeswehrstandorten im Inland in Form eines Sonderforschungs­vorhabens sowie als Pilotprojekt unter Einsatzbedingungen im Ausland (hier: Camp Castor in Gao, Mali, MINUSMA-Einsatz) ein- und in der Folge auch durchgeführt. Für die Integration des innovativen Ansatzes zum Zwecke einer proaktiven Krisenreaktion ist eine umfassende Lageführung in Form eines Dashboards auf Basis eines Geoinformationssystems unerlässlich, welche durch IT-Experten des Kdo SanDstBw VI-2 sichergestellt wird.

Zusammen mit der Technischen Universität München (TUM) und dem Institut für Mikrobiologie der Bundeswehr (InstMikroBioBw) war es das Ziel dieses Projekts, die SARS-CoV-2-Verbreitung in Echtzeit zu erfassen, um zum einen die Dunkelziffer der Infizierten an den Standorten zu ermitteln und, falls notwendig, ­Gegen­maßnahmen (z. B. Reihentestungen) zu initiieren. Für die Projektstandorte fiel die Wahl auf zwei Kasernen mit Grundausbildungseinheiten (Mittenwald und Bischofswiesen), da dort überproportional viele junge und gesunde Soldaten dienen, die häufig a-/prä-/oligosymptomatisch verlaufende SARS-CoV-2-Infektionen aufweisen. Zudem treffen sich Menschen dieser Altersgruppe oft zum sozialen Austausch untereinander und weisen nach monatelangem Pandemieverlauf oft „Ermüdungserscheinungen“ in der Compliance von AHA-L-Maßnahmen auf. Mittels automatischem Probennehmer wurden über einen Zeitraum von insgesamt acht Wochen zweimal pro Woche qualifizierte 24 h-Ab­wasserproben entnommen, um diese quantitativ (SARS-CoV-2 in welcher Menge vorhanden?) und qualitativ (Mutationen nachweisbar?) zu analysieren. An der TUM wurden über eine quantitative Echtzeit-PCR SARS-CoV-2-spezifische Gene (Nucleocapsidgene N1 und N2 sowie Hüllproteingen E) erfasst und quantifiziert. Als Positivbefund wurde gewertet, wenn mindestens zwei der drei Gene bei der PCR-Analytik detektiert wurden. Dies traf an beiden Standorten jeweils auf vier Messtage zu. Anschließend wurden die Proben, die zur Mutationsanalyse als geeignet befunden wurden, an das InstMikroBioBw weiter­geleitet. Dies traf insgesamt auf zwei Abwasserproben zu. Das Institut detektierte zwar keine variant of concern, identifizierte allerdings einige zusätzliche Mutationen.

Mit dem Pilotprojekt unter Einsatzbedingungen verfügt die Bundeswehr über ein NATO- und EU-weites Alleinstellungsmerkmal zum Erhalt der Force Health Protection. In Kooperation mit der Universität Innsbruck sowie der Firma WasteWater Solutions Group GmbH erfolgt die Probenverarbeitung und -analyse innerhalb eines komplett ausgestatteten RNA-Laborcontainers im Feldlager Camp Castor (siehe Abbildung).

Die Abwasserprobennahmen erfolgen täglich an sechs von insgesamt 45 möglichen Probenahmestellen. Die gewonnenen Proben werden aufgereinigt, RNA extrahiert und dann mittels PCR auf das Vorhandensein von SARS-CoV-2 hin untersucht. Die Probenahmestellen werden hierfür je nach Bedarf individuell ausgewählt. So kann man entweder einen Überblick über das ganze Lager erhalten oder sich auf einzelne Shelterbereiche, in denen ein Ausbruch vermutet wird. Anschließend wird das genetische Material nach chemischer Stabilisierung zur weiteren Analyse an das InstMikroBioBw versendet. Bisher wurden im Camp Castor etwa 1 000 Abwasserproben untersucht, davon war etwa ein Drittel positiv auf SARS-CoV-2. Ferner wurden bis dato insgesamt acht MedInt-Produkte für die Mission erstellt, zwei infektiöse Cluster erfolgreich lokalisiert sowie mehrere asymptomatische Soldaten in den folgenden Einzeltests identifiziert und der Ausbruch durch Isolierung der infizierten Personen eingedämmt.

Aufgrund der anlasslosen, kontinuierlichen und relativ präzise lokalisierbaren Nachweismöglichkeiten einer Erregerausscheidung wird das Abwassermonitoring unserer Ansicht nach in Zukunft ein fester Bestandteil der öffentlichen Gesundheitsüberwachung werden.