Mobiles Labor für die Lokalisierung von Corona-Hotspots

Het mobiele labor is onderverdeeld in verschillende ruimtes om de voorbereiding van het afvalwatermonster, de zuivering van de virusfragmenten en de gevoelige virusanalyse van elkaar te scheiden. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Laborapparatuur voor de detectie van SARS-CoV-2-fragmenten uit geconcentreerde afvalwatermonsters. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Voorbereiding van het afvalwatermonster voor isolatie van SARS-CoV-2-fragmenten. © Fraunhofer IPA, foto: Rainer Bez

Met een testlaboratorium op wielen kunnen onderzoekers van het Fraunhofer IPA in de toekomst snel en betrouwbaar fragmenten van coronavirussen in afvalwater opsporen. Deze vormen een aanwijzing voor verhoogde infectiecijfers en dienen daarmee als indicator voor hotspots van de pandemie. In september moet het van start gaan.

De aftelling is begonnen. Nog staat de aanhanger met de tekst »Detectie van corona in afvalwater« op de parkeerplaats achter het IPA-gebouw. De bioloog Sibylle Thude houdt zich bezig met de conceptie en inrichting van het mobiele laboratorium, inclusief de elektrische beveiliging van de laboratoriumapparatuur, de risico-inventarisatie, de biologische veiligheid tot en met de implementatie van het analytische proces in het mobiele laboratorium: »Het is helemaal niet zo eenvoudig om de proefprocessen logistiek te coördineren en alle benodigde apparaten op een krappe ruimte onder te brengen en zo te plaatsen dat je analytisch zinvol en veilig kunt werken. Bovendien moet alles heel goed vastgezet worden, zodat hooggevoelige en dure analysetoestellen tijdens het vervoer geen schade oplopen.«

Over enkele weken zal Sibylle Thude met het mobiele laboratorium op tour gaan. Tijdens de eerste rit moeten monsters worden genomen uit verschillende zuiveringsinstallaties in de regio Stuttgart en ter plaatse worden onderzocht. »Ons doel is om met het mobiele laboratorium corona-hotspots sneller en preciezer op te sporen dan tot nu toe mogelijk was«, legt Guido Kreck uit, projectleider reinheidstechnologie bij het IPA. »In elke zuivering worden afvalwater van ongeveer 10.000 inwoners verzameld. Als daar geïnfecteerde personen tussen zitten, kunnen we in het afvalwater fragmenten van coronavirussen aantonen, anderhalf week voordat de getroffen personen überhaupt symptomen ontwikkelen en getest kunnen worden.« Het idee om met behulp van afvalwateronderzoek corona-uitbraken op te sporen, is niet nieuw. Analyses van afvalwatermonsters uit bijvoorbeeld Milaan en Turijn wijzen erop dat het virus al in december 2019 – twee maanden vóór de eerste bekende uitbraak – in Italië was aangekomen. De afvalwateranalyses waren tot nu toe echter tijdrovend: monsters moesten worden verpakt en naar gespecialiseerde laboratoria worden gestuurd, waar ze weer contaminatievrij werden behandeld en geanalyseerd. Het kon meerdere dagen duren voordat een resultaat beschikbaar was.

Sneller is beter

Wie corona-gevallen wil opsporen voor de bestrijding van de pandemie, moet sneller zijn: De resultaten zijn direct nodig om met passende maatregelen verdere verspreiding te voorkomen. Met de mobiele laborant-aanhanger kunnen monsters zonder vertraging ter plaatse worden geanalyseerd. Alles wat daarvoor nodig is, bevindt zich aan boord: centrifuge, vriezer, droogtemperatuurapparaat en pipetteerhulpmiddelen. Daarnaast een zuiveringsinstallatie, waarin – met behulp van magnetische balletjes – de virusfragmenten uit het afvalwater worden gevist. En last but not least een PCR-cycler, die het virale genetisch materiaal vermeerdert en analyseert. Binnen enkele uren liggen de resultaten klaar.

Algoritmen voor de prognose

»Als alles goed gaat, kunnen we met de nieuwe methode binnen slechts één tot twee weken alle zuiveringsinstallaties van een deelstaat onderzoeken. Omdat alle analyses in hetzelfde laboratorium worden uitgevoerd, zijn de resultaten goed vergelijkbaar – mogelijke hotspots kunnen daardoor zeer nauwkeurig worden gelokaliseerd«, voorspelt Kreck. Uit de concentratie van de virusfragmenten in een monster kunnen met behulp van algoritmen conclusies worden getrokken over het aantal geïnfecteerde personen.

De gegevensbasis voor dergelijke berekeningen moeten nu de onderzoeken in de regio Stuttgart leveren: »Ons laboratorium is nog een prototype. We moeten de apparaten testen, de werkprocessen optimaliseren, gegevens verzamelen en de prognose-tools verder ontwikkelen«, aldus Kreck. Dankzij kunstmatige intelligentie leert het systeem voortdurend bij: hoe meer metingen beschikbaar zijn die kunnen worden vergeleken met de bekende infectiecijfers van een regio, des te beter worden de voorspellingen.

En wat als de coronapandemie ooit voorbij is? Het mobiele laboratorium zal ook na de crisis nog nodig zijn, is de IPA-onderzoeker Thude ervan overtuigd: »In het geval van een nieuwe pandemie kunnen we de analyse snel aanpassen en zoeken naar andere virussen. Het mooie van de nieuwe laborant-aanhanger is dat we volledig flexibel zijn: we kunnen gaan waar we nodig zijn – bijvoorbeeld om met aangepaste apparatuur en analyse op zoek te gaan naar gezondheidsbedreigende stoffen zoals insecticiden of antibiotica in grond- of afvalwater.«