«Der Nachweis war wissenschaftliches Neuland»

Beobachter: Ihr Institut weist Spuren des Coronavirus im Abwasser nach. Wo und wie oft führen Sie aktuell solche Proben durch?
Christoph Ort: Aktuell in Zürich und in Lausanne, täglich.

Weshalb gerade da?
Weil die Eawag nahe bei Zürich ist und in Lausanne unser Projektpartner, die EPFL, forscht – anfänglich waren dort auch die Zahlen höher. Ausserdem können wir so mit unseren beschränkten Ressourcen einen recht grossen Teil der Bevölkerung erfassen. Grossflächige Tests wären mit unserem Labor auf Dauer nicht machbar.

Wo haben Sie sonst noch getestet?
Anfangs der ersten Welle planten wir die Ausbreitung zu verfolgen, deshalb nahmen wir auch Proben in mehreren Kläranlagen im Tessin, weil absehbar war, dass das Virus von Süden herkommen würde.

Vor Weihnachten haben Sie auch in einem «geheimen Skiort» getestet.
Weil es da englische Touristen gab und wir deshalb vermuteten, dass dort die britische Mutation des Virus mit erhöhter Wahrscheinlichkeit auftreten könnte.

Warum blieb der Ort ungenannt?
Die zuständige Gemeinde wünschte das und als Forschungsinstitut sind wir auf Goodwill der Kläranlagenbetreiber angewiesen. Wir möchten weiterhin mit ihnen zusammenarbeiten. Die müssten überhaupt nichts – und doch sind fast alle äusserst offen und hilfsbereit. Ausserdem spielte es für diesen exemplarischen Nachweis keine Rolle, woher die Probe stammt.

Warum nicht?
Weil es nicht darum ging, die Öffentlichkeit über das Auftreten der Mutation zu informieren. Als wir unsere Daten veröffentlichten, war bereits bekannt, dass die britische Variante des Virus bei Patienten in der Schweiz nachgewiesen wurde. Unsere Probe stammte vom 21. Dezember, wir reichten den Preprint am 9. Januar ein und am 10. Januar war er öffentlich zugänglich. Der früheste Nachweis gelang uns übrigens in einer Lausanner Probe vom 9. Dezember, die wir aber auch erst Ende Dezember sequenzierten.

Der Nachweis ist aber doch innerhalb von zwei Tagen möglich?
Der einfache SARS-CoV-2-Nachweis schon, aber wir versuchten dort ja eben zusammen mit unseren Kollegen der ETHZ die Mutation nachzuweisen: Das war wissenschaftliches Neuland, hiess aufbereiten und sequenzieren, Daten analysieren und interpretieren, was länger dauert. So viel wir wissen, waren wir weltweit die ersten, denen dies in einer Abwasserprobe gelang, deswegen publizierten wir die Ergebnisse auch so rasch wie möglich. Schneller ging nicht.

Ganz grundsätzlich: Wie funktioniert der Nachweis von Virenfragmenten im Abwasser genau?
Kläranlagen müssen gegenüber den Behörden regelmässig ihre Reinigungsleistung nachweisen, zum Beispiel Stickstoff, Kohlenstoff oder Pharmaka-Rückstände. Deshalb gibt es in Zu- und Ablauf automatische Probenehmer. 

Wie können Sie sicher sein, dass diese Proben den Tag gut repräsentieren?
Im Durchschnitt wird im Zürcher Klärwerk Werdhölzli alle 1000 Kubikmeter eine Probe entnommen. Das ergibt an einem trockenen Tag etwa 6 Liter Probe, bei Regen bis zu 15 Liter.

Wie gross ist Ihr Sample?
Wir erhalten einen halben Liter. Davon bereiten wir eine Probe von 50 Millilitern auf. Wir filtern zuerst bei 0,22 Mikrometern sämtliche Partikel heraus. Danach stellen wir per Ultrafiltration ein Konzentrat her, aus dem wir die RNA extrahieren. Von dieser über 600fach konzentrierten Probe analysieren wir 5 Mikroliter – das entspricht einem Würfelchen mit 1,7 Millimetern Kantenlänge. Darin suchen wir dann nach Virenfragmenten.

Wie lassen sich diese Fragmente identifizieren?
Mit Hilfe von PCR-Analysen. Vereinfacht gesagt wird bei der quantitativen PCR-Analyse ein bestimmtes Fragment des Genoms von SARS-CoV-2 gezielt verstärkt bis ein messbares Niveau erreicht ist. Wir benutzen Digital Droplet PCR, bei dem die Probe in tausende von Tröpfchen aufgeteilt wird. Dann wird ausgezählt wie viele Tröpfchen das Ziel-Fragment enthalten.

Wie genau messen Sie das?
Die gesuchten Virenfragmente werden mit einem fluoreszierenden Stoff markiert und optisch ausgezählt.

Wonach suchen Sie?
Nach typischen Ausschnitten des N-Gens, N1 und N2, welche das SARS-CoV-2-Virus eindeutig entlarven.

Und in den Tröpfchen finden Sie wie viele Treffer?
Die untere Nachweisgrenze ist bei etwa 5, wir fanden schon über 1000. Danach wird das Ganze wieder zurückgerechnet auf die x-tausend Kubikmeter Abwasser während der 24 Stunden. Am Ende erhalten wir den Wert für die Zahl der Virenfragmente pro Tag im Rohabwasser.

Und daraus schliessen Sie auf die Anzahl betroffener Personen?
Es gibt verschiedene Unbekannte und Annahmen. Aber letzten Sommer, als in Zürich lediglich 10 bis 15 neue Fälle pro Tag gemeldet wurden, war dies messbar. Kein schlechtes Ergebnis für eine Stadt dieser Grösse. Seither messen wir bei zunehmenden Fallzahlen auch eine Zunahme im Abwasser und können damit eine Korrelation herstellen. Eine simple Umrechnung von der Zahl der Virenfragmente auf die Zahl der infizierten Personen ist jedoch kaum möglich, da nicht jede und jeder Infizierte gleich viele Viren ausscheidet.

Wo müssen Sie bei der Aussagekraft Ihrer Daten Abstriche machen?
Da gibt es verschiedene Einschränkungen zu berücksichtigen. Zum Beispiel scheiden nicht alle infizierten Personen Virenfragmente über den Stuhl aus. Und unter denjenigen, die welche ausscheiden, könnten einige auch Pendler sein.

Also lassen sich anhand dieser Daten keine lokalen Massnahmen ableiten?
Das müssen andere entscheiden. Man kann aufgrund unserer Werte sicher nicht einzelne Personen in Quarantäne schicken.

Gibt es auch äussere Faktoren, die Ihre Daten beeinträchtigen?
Das Wetter. Bei wärmeren Temperaturen sind RNA Fragmente im Abwasser weniger stabil. Regen spielt ebenfalls eine Rolle, weil er den Durchlauf in den Kläranlagen erhöht und das Abwasser verdünnt – gleichzeitig verdünnt das Regenwasser aber auch die Konzentration störender Stoffe, die den Polymerase-Prozess beeinträchtigen können, zum Beispiel Strassensalz.

Allen Einschränkungen zum Trotz: Wie könnte ein grossflächiges Abwasser-Monitoring die Pandemiebekämpfung konkret unterstützen?
Das kommt auf die Phase einer Pandemie an. Sobald die RNA-Sequenz des Virus bekannt ist, könnten wir flächendeckenden mit wenigen Proben einen grossen Teil der Bevölkerung erfassen. Ganz ähnlich könnte man die Ausbreitung von Mutationen im Land überwachen. Und wenn die Kapazität klinischer Tests erschöpft ist, könnte man auf unsere Analysen zurückgreifen. Flaut die Welle ab, liesse sich frühzeitig erkennen, wo die Pandemie erneut aufflackert.

Könnte, liesse… – in anderen Ländern wird aber bereits ein grossflächiges Abwasser-Monitoring gemacht?
Natürlich, zum Beispiel in Spanien, Holland und Luxemburg. Die haben das im Lauf des letzten Sommers aufgebaut. Diese grossflächigen Tests müssten aber kantonale oder kommerzielle Labore übernehmen. Das ist ein strategischer Entscheid. Wir stellen unsere Erfahrungen und unser Wissen gerne zur Verfügung.