Workflow mit integriertem Liquid-Handling-System

SARS-CoV-2 in Abwässern nachweisen

Der Nachweis von SARS-CoV-2 im Abwasser hat sich als effektives Monitoring-Mittel für das COVID-19-Management etabliert. Mehr und mehr Kläranlagen sowie verbundene Labore führen entsprechende Nachweisprozesse ein. Eine Herausforderung dabei ist die Skalierung der großen Probenmengen. Hierbei kommt es auf geeignete Liquid-Handling-Systeme an.

© Aufwind-Luftbilder/stock.adobe.com

Die abwasserbasierte Epidemiologie (engl. wastewater-based epidemiology – WBE) verfolgt das Ziel, mittels Identifikation biologischer und chemischer Parameter Aufschluss über regionale Belastungen mit potenziellen Krankheitserregern und chemischen Substanzen zu geben. Sie ermöglicht eine umfassende Echtzeitüberwachung des Gesundheitsstatus einer Region, wobei je nach Entnahmestrategie das gesamte Einzugsgebiet einer Kläranlage oder Teile betrachtet werden. WBE hat sich als ein effektiver Monitoring-Ansatz in der aktuellen Corona-Pandemie erwiesen. Der direkte Nachweis von SARS-CoV-2 in Abwasser liefert Daten, um das Infektionsgeschehen abzubilden. Das macht es Behörden möglich, flexibel und zeitnah auf steigende Viruslasten zu reagieren bzw. lokale Hot Spots frühzeitig zu erkennen. Auch das Screening auf Virusvarianten ist mit aus Abwasser gewonnenen Proben möglich. Die EU empfiehlt inzwischen allen Mitgliedsstaaten, ein SARS-CoV-2-Abwasser-Monitoring zu etablieren [1]. Analytik Jena hat zusammen mit verschiedenen Partnern einen der ersten Workflows zum Nachweis von SARS-CoV-2 im Abwasser entwickelt. Aufgrund der verwendeten Technologien ist der Workflow nicht auf die SARS-CoV-2-Detektion beschränkt und kann auch zum Nukleinsäure-basierten Nachweis einer Vielzahl gesundheitsrelevanter Parameter verwendet werden, um beispielsweise Behörden und andere Institutionen der öffentlichen Gesundheit für künftige Pandemien zu rüsten, oder um deren Eingreifen bei Überschreitung von Belastungsgrenzen zu ermöglichen. Der Workflow deckt die gesamte Prozesskette ab – von der Entnahme der Proben bis zum PCR-Nachweis des Erregers – und wird bereits von zahlreichen Anwendern, wie etwa den Kläranlagen der Emschergenossenschaft/Lippeverband, für das Pandemie-Monitoring eingesetzt. Im Folgenden wird skizziert, wie der Workflow für den Nachweis von SARS-CoV-2 im Abwasser mit aufgebaut ist, und wie die notwendige Skalierung für bioanalytische Labore realisiert werden kann.

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Kernkomponenten des beschriebenen Workflows für die SARS-CoV-2-Abwasseranalytik. © Analytik Jena

Workflow zum Nachweis von SARS-CoV-2 im Abwasser

Damit die gesammelten Proben repräsentativ sind, wird vollautomatisch eine 24-h-Mischprobe mit der „Liquistation CSF48“ von Endress+Hauser generiert. Die virale RNA, die in der Probenmatrix stark verdünnt vorliegt, wird vor dem Extraktionsprozess via Filtration über einen elektronegativen Filter (Drittanbieter) angereichert und unter Verwendung der Reaktionsgefäße „InnuSPEED Lysis Tubes“ von IST Innuscreen in dem Homogenisiersystem „SpeedMill PLUS“ von Analytik Jena desorbiert. Die Gesamtnukleinsäure-Extraktion aus der so erzeugten partikelfreien Probe findet im Anschluss daran mit dem „innuPREP AniPath DNA/RNA Kit – IPC16“ (von IST Innuscreen) automatisch im System „InnuPure C16 touch“ von Analytik Jena statt, wobei auch ggf. in der Probe vorhandene, die nachfolgende PCR inhibierende Substanzen entfernt werden. Die Amplifikation der viralen Zielsequenzen erfordert eine effiziente Instrumentierung in Kombination mit einem spezifischen Detektions-Assay. Die von Analytik Jena etablierte und getestete Kombination aus Nachweisreaktion (Water SARS-CoV-2 RT-PCR Test, IDEXX Laboratories) und dem PCR-Analysegerät „qTOWER3“ (Analytik Jena) zeigte sich hier sehr gute Ergebnisse. Der Assay kombiniert die Umsetzung der extrahierten viralen RNA in DNA-Templates mittels reverser Transkription und die nachfolgende Amplifikation der viralen Zielsequenzen. Für ein aussagekräftiges Ergebnis sind im Test zudem Verfahrenskontrollen für Extraktion und PCR integriert.

Exemplarische Analyseergebnisse für zwei Abwasserproben in Doppelbestimmung. Die PCR detektiert das N-Gen des SARS-CoV-2-Virus und sichert die Funktionalität des Workflows mittels Positivkontrolle (PC), No-template-Kontrolle (NTC) und interner Kontrolle ab. © Analytik Jena

Probenvorbereitung skalieren

Mit der Intensivierung des Abwasser-Monitorings stehen die beauftragten Labore vor der Herausforderung, die wachsende Anzahl von Proben zeitnah zu bearbeiten. Neben der Sicherstellung einer verlässlichen Probennahme und Aufkonzentrierung der in der Primärprobe hochverdünnt vorliegenden viralen RNA ist die effiziente Skalierung der Probenzahl eine der drei wesentlichen Herausforderungen beim Nachweis von SARS-CoV-2 im Abwasser. Eine räumlich und zeitlich engmaschige Überwachung, die für ein repräsentatives Bild des SARS-CoV-2-Vorkommens notwendig ist, ist nur darüber möglich, wenn eine hohe Anzahl von Proben an verschiedenen Entnahmestellen regelmäßig gesammelt und untersucht werden. Daher bedarf es adäquater Lösungen zur Automatisierung des Liquid Handlings, nicht nur um die zeitnahe und zuverlässige Bearbeitung einer großen Zahl von Proben durch parallele Verarbeitung sicherzustellen, sondern auch zur Sicherstellung der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und zur Reduktion manueller Arbeitsschritte. Je nach Probenaufkommen sind auch unterschiedliche Lösungen möglich.

In der Basisvariante des Analytik Jena Abwasser-Workflows erfolgt die Nukleinsäureextraktion mit dem Innupure C16 touch. Das Gerät ist in der Lage, bis zu 16 Proben parallel und vollautomatisch aufzureinigen und eignet sich für Labore mit moderatem Probendurchsatz. Nach der Bestückung des Systems laufen die Schritte der Magnetpartikel basierten Aufreinigung bis hin zur Elution automatisch ab. Labore mit großem Probenaufkommen setzen hingegen auf flexible Liquid-Handling-Plattformen. Zum Beispiel hat das System „CyBio FeliX“ von Analytik Jena ein modulares Konzept und kann so an wechselnde Anforderungen angepasst werden. Je nach Workflow-Anforderungen prozessiert die Plattform bis zu 384 Proben parallel. Das Gerät arbeitet dabei mit Probenvolumina von 1 µl bis 1 000 µl. Darüber hinaus ist es möglich, individuell entwickelte Automatisierungslösungen für Ultra-Hochdurchsatz-Anforderungen im Workflow zu etablieren.

Zusammenfassung

Das automatisierte Liquid Handling ist ein zentraler Bestandteil für die effektive Probenvorbereitung und damit die Skalierung des Nachweisverfahrens für SARS-CoV-2 im Abwasser. Mit der zunehmenden weltweiten Etablierung von Abwasser-Screenings werden auch die Probenzahlen weiter steigen. Mit der Automatisierung des Liquid Handlings, der Probennahme und anderer Prozessschritte ist ein effizientes, reproduzierbares und flächendeckendes Monitoring möglich, welches Behörden und anderen Institutionen Daten für das Pandemie-Management liefern kann.

Referenzen
[1] European Comission > EU Science Hub > News > Coronavirus commission adopts approach track covid 19 through wastewater monitoring: https://ec.europa.eu/jrc/en/news/coronavirus-commission-adopts-common-approach-track-covid-19-through-wastewater-monitoring (last accessed on 5 July 2021).

AUTOR
Christoph Heddergott
Analytik Jena GmbH, Jena
Tel.: +49 36 41 77 70
info@analytik-jena.com
www.analytik-jena.de

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