Project

Discipline

virucidal drugs; wastewater-based epidemiology; epidemic curve

Lead
Stellen Sie sich vor, wir könnten i) Tausende von Menschen gleichzeitig auf das neue Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) untersuchen, ii) den Ausbruch erkennen, bevor Menschen mit Symptomen einen Arzt aufsuchen, und iii) die räumlich-zeitliche Dynamik der Pandemie ohne grosse Zeitverzögerung verfolgen. Die Quantifizierung von SARS-CoV-2 im Abwasser ermöglicht genau das: Eine einzige Routine-Abwasserprobe vom Zulauf einer Kläranlage enthält Erbgut von Viren, die im gesamten Einzugsgebiet ausgeschieden werden, bevor Erkrankte klinisch diagnostiziert werden. Da wir das einzigartige Potenzial der abwasserbasierten Epidemiologie (ABE) als Frühwarninstrument erkannt haben, stellten wir rasch ein interdisziplinäres Team zusammen und begannen am 28. Februar mit dem täglichen Sammeln von Proben in den Kantonen Tessin, Waadt und Zürich (12 Kläranlagen, Abwasser von knapp einer Million Menschen).
Lay summary
Mit dem aktuellen Wissen gehen wir davon aus, dass wir im Rohabwasser ein SARS-CoV-2-Signal von etwa 10 Erkrankten nachweisen können. Unser Hauptziel ist es, ein ABE-Instrument zu etablieren, mit dem die aktuelle - und eine zukünftige - Pandemie nahezu in Echtzeit verfolgt werden können. Damit könnten Institutionen des öffentlichen Gesundheitswesens und Entscheidungsträger wertvolle Zeit gewinnen, um den Ausbruch und die "wahre" Dynamik früher als mit herkömmlichen Daten zu erkennen. Dies wird die Planung und Durchsetzung von Maßnahmen erleichtern und letztlich Leben retten. Unsere spezifischen Ziele (Z) sind: Z1: Erkennen - Früherkennung und kontinuierliche Überwachung des Ausbruchs Der zuverlässige und schnelle Nachweis von SARS-CoV-2 im Abwasser ist entscheidend für die Umsetzung eines ABE-Ansatzes. Wir werden Erbgut von SARS-CoV-2 in Abwasserproben aufkonzentrieren und die Konzentration mit einer Bearbeitungszeit von 10 Stunden – vom Erhalt der Probe bis zum Ergebnis – bestimmen. Mit chemischen Analysen werden wir ein begleitendes Instrument zur Einschätzung der Ausbruchsdynamik bereitstellen, indem wir indirekt die medizinische Intervention in der Bevölkerung messen. Ausgewählte Abwasserproben werden auf Medikamente wie z.B. antiretrovirale Medikamente untersucht, die möglicherweise eingesetzt werden und mit der COVID-19-Diagnose zusammenfallen.   Z2: Modellieren - Abschätzung des Pandemieverlaufs und des Effekts von Gegenmaßnahmen Die SARS-CoV-2-Fracht im Rohabwasser liefert einen quantitativen Indikator für die Anzahl Menschen, die das Virus ausscheiden. Zur Verfolgung der Ausbruchskurve werden Zeitreihen verwendet, die den klinisch bestätigten Fällen um bis zu zwei Wochen vorausgehen. Durch die Analyse des Verlaufs werden wir die wahre COVID-19-Epidemiekurve abschätzen können, einschließlich milde und asymptomatische Fälle, Zeitpunkt des Ausbruchs und der Abflachung und Wirksamkeit von Intervention – respektive deren Lockerung – nahezu in Echtzeit. Z3: Umsetzen - Vorschlag für ein zukünftiges Frühwarnsystem Rückstellproben von ausgewählten Kläranlagen sollten jederzeit zur Analyse verfügbar sein. Mit nur 19 grösseren Kläranlagen, geographisch gut in der Schweiz verteilt, könnte ein zukünftiges Notfall-Abwasserüberwachungsnetz rund 2.5 Millionen Menschen abdecken (ca. 30% der Bevölkerung). Die Anzahl und strategische Auswahl der Kläranlagen kann je nach Kapazität erweitert werden. Unser Ansatz ist nicht auf COVID-19 beschränkt und kann angepasst werden, um saisonale Viren (z.B. Grippe) oder neue Krankheitserreger einzubeziehen. Die Relevanz dieser Arbeit geht somit über die aktuelle COVID-19-Krise hinaus.

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Last update: 20.05.2020

Natural persons

Imagine we could i) screen effectively thousands of people for severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) simultaneously, ii) detect the outbreak before people with symptoms present at hospitals, and iii) track the spatio-temporal dynamics in real-time. The quantification of the SARS-CoV-2 load in wastewater enables such an opportunity: a single routine wastewater sample encompasses viruses shed in an entire wastewater treatment plant’s (WWTP) catchment, and includes viruses excreted by infected individuals well before they are clinically diagnosed. Recognizing the unique potential of wastewater-based epidemiology (WBE) to serve as an early warning tool, we rapid-ly assembled an interdisciplinary team and started daily wastewater sample collection on 28 February in the affected areas Ticino, Vaud and Zurich (12 WWTPs covering a population of 737’000 people). Based on our team’s experience in environmental virology, we anticipate detecting a SARS-CoV-2 signal in raw wastewater from as few as 10 infected indi-viduals. Our ultimate objective is to establish a WBE tool to track the current and future disease outbreaks in close to real-time. A WBE early warning system would allow public health institutions and decision makers to gain valuable time to assess the ‘true’ extent of an outbreak and react to its dynamics. This will facilitate adapting and enforcing mitigation measures, and ultimately save lives. Our specific goals (G) are:G1: Detect - Early detection and continued monitoring of outbreak. The reliable and rapid detection of SARS-CoV-2 in wastewater is instrumental to implementing a WBE approach to detect an outbreak early. We will optimize and apply a method to concentrate wastewater samples and quantify the concentration of SARS-CoV-2 with a turnaround time of 10 hours from sampling to result. With accompanying chemical analyses we will provide a second, indirect tool to esti-mate the outbreak dynamics, by measuring the medical intervention of the population. Selected wastewater samples will be screened for medication like antiretroviral drugs that may be used and co-occur with the COVID-19 diagnosis. G2: Model - Estimate outbreak curve and effect of mitigation measures. SARS-CoV-2 loading in raw wastewater pro-vides a quantitative indicator of the number of people actively shedding the virus in feces. Time series data on loading will be used to track the outbreak curve, preceding clinical case confirmation data by up to two weeks. Through analysis of the trajectory of loading rates, we will inform the true COVID-19 epidemic curve, including magnitude of the out-break, timing of outbreak stabilization, and - crucially - real-time feedback on intervention effectiveness.G3: Implement - Suggest design for future early warning system. Routine samples from selected WWTPs should be available for collection and analyses at any time. Aiming for a substantial population size and a good geographical distri-bution of WWTPs, a future emergency wastewater surveillance network in Switzerland could consist of 19 WWTPs covering 2.5 million people (30% of the population). The number and strategic selection of WWTPs can be extended depending on testing capacity. Our approach is not limited to COVID-19 and can readily be adapted to include notifiable seasonal viruses (e.g., influen-za) or future pandemic viruses. The relevance of this work thus goes beyond the current COVID-19 crisis.