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Mit diesem Impulspapier, enstanden während des #WirvsVirus Hackathons, möchten wir Möglicheiten aufzeigen, wie die Testkapazitäten auf das Coronavirus SARS-CoV-2 erhöht werden können. Durch konsequentes und umfangreiches Testen ist für unsere Gesellschaft ein Pfad zur Normalität möglich. Ein Pfad mit dem zum einen die "Durchseuchung" der Bevölkerung potenziell vermieden werden kann, der aber zum anderen nicht erfordert, die momentan nötigen und akut sinnvollen sehr starken Einschränkungen des Alltags über lange Zeit aufrecht zu erhalten. Je mehr getestet wird und damit Infizierte frühzeitig erkannt werden bevor sie viele andere anstecken, desto weniger tiefgreiferendere Maßnahmen sind nötig.
Eine Erweiterung der Testkapazitäten ist unter anderem möglich in dem auch auf nicht-medizinische Labore zurückgegriffen wird und weitere, als die momentan in Deutschland eingesetzten, Testverfahren angewandt werden. Die Nachweisverfahren erfordern kein spezifisch medizinisches Wissen, sondern sind gängige Verfahren in der Biologie und Biochemie, so dass ausreichend qualifiziertes, zusätzliches Personal zur Verfügung stünde.

Wir sind uns bewusst, dass - unter normalen Umständen - die hier vorgeschlagenen Ansätze zumindest teilweise mit guten Gründen inakzeptabel wären, aber zur Zeit ist “Perfect the enemy of good” und eine fehlende Laborakkreditierung sollte in der jetzigen Situation kein automatisches Aussschlusskriterium sein.

Karte

Die öffentliche Datenlage, an welchen Standorten sich in Deutschland PCR, qPCR oder Next Generation Sequencing (NGS) Maschinen befinden, ist schlecht. Wir haben, basierend auf stichprobenartigen Recherchen und Annahmen über die Anzahl der Universitäten/Hochschulen, öffentlichen und privaten Instituten die in den relevanten Bereichen arbeiten, eine sehr konservative Abschätzung über die Anzahl der Geräte im nicht-medizinischen Bereich vorgenommen: mindestens 500 Standorte mit PCR, mindestens 100 Standorte mit qPCR, mindestens 25 Standorte mit NGS Maschinen. Mit dieser Karte, in der jeder Nutzer ihm bekannte Standorte eintragen kann, wollen wir per Crowdsourcing die Datenlage verbessern. Ihr seid herzlich eingeladen hier weiter Labore einzutragen.

Anzahl der Labore: 18

Testmethoden

Reverse Transkription PCR

Es gibt verschiedene Testmethoden zur Identifizierung von Infizierten. Die momentan am häufigsten angewendete Methode, die auch von WHO und CDC empfohlen wird, ist die reverse Transkription Polymerasekettenreaktion (RT-PCR). Hier gibt es zwei mögliche Verfahren, die One-Step und Two-Step RT-PCR. Beide Methoden beginnen zunächst mit der Entnahme einer Probe der Testperson (Nasen-oder Mundschleimhautabstrich). Aus dieser Probe wird zunächst die RNA isoliert, wofür üblicherweise kommerziell erhältliche Extraktionskits verwendet werden können; aber auch eine klassische Phenol/Chloroform-Extraktion wäre möglich, sollte es einen Engpass an Kits geben. Bei der One-Step RT-PCR wird nun in einem Schritt die Umschreibung der RNA in die komplementäre DNA (cDNA) sowie die anschließende PCR durchgeführt. Hierfür kann entweder ein Mix aus einer reversen Transkriptase und DNA Polymerase verwendet werden, oder eine DNA-Polymerase, die beide Schritte simultan erledigen kann (z.B. Tth-Polymerase aus Thermus thermophilus). Im Gegensatz dazu werden bei der Two-Step RT-PCR beide Schritte (cDNA Synthese und PCR) getrennt durchgeführt. Beide Methoden können als standard PCR oder quantitative PCR durchgeführt werden. Das Ergebnis der standard PCR ist eine Bande auf einem Agarosegel nach einer Gelelektrophorese bei einem positiven Test oder keine Bande bei einem negativen Test. Bei der quantitativen PCR erhält man einen Graphen, der die Amplifikation in Echtzeit wiedergibt. Letzteres kann für eine weitere Quantifizierung des Ergebnisses genutzt werden (z.B. Bestimmung der Virenlast), während man bei der standard PCR lediglich erfährt, ob die Testperson infiziert ist oder nicht. Vorteil der standard PCR ist, dass eine viel höhere Kapazität an normalen PCR-Geräten zur Verfügung steht als qPCR Maschinen und man somit viel mehr Test in kurzer Zeit durchführen kann.
PCR
Reverse Transkription PCR (RT-PCR)

Next Generation Sequencing

Als alternative Methode zur PCR gibt es die Möglichkeit, mit Hilfe von Next Generation Sequencing (z.B. Illumina) parallel eine Vielzahl von Proben gezielt nach Vorhandensein des Virus zu durchsuchen. Diese Methode ist generell zeitaufwendiger als die RT-PCR, hat aber durch den hohen Durchsatz den Vorteil, dass sehr viele Proben (ca. 20.000–40.000 Proben pro Durchlauf) in einem Durchgang getestet werden können. Wie auch bei der RT-PCR muss zunächst den Testpersonen eine Probe entnommen und die RNA daraus isoliert werden. Danach wird die isolierte RNA jeder Testperson in komplementäre DNA (cDNA) umgeschrieben. Bei diesem Schritt bekommt jede Probe eine spezifische Markierung, anhand der später jede Sequenz der entsprechenden Testperson zugeordnet werden kann. Anschließend werden alle Proben in einer einzigen Reaktion vereinigt und gemeinsam in der Sequenziermaschine sequenziert. Als Ergebnis erhält man Milliarden durchmischter Sequenzen. In diesen Sequenzen sucht man nun mit Hilfe von Computerprogrammen nach den Gensequenzen des Virus. Durch die spezifische Markierung der cDNA können diese Sequenzen nun einzelnen Testpersonen zugeordnet werden, wodurch man sehr schnell infizierte Personen identifizieren kann.
NGS
Next Generation Sequencing (NGS)

CRISPR nucleic acid detection

Eine weitere alternative Methode ist die Detektion von Nukleinsäuren mit Hilfe der Genschere CRISPR. Auch bei dieser Methode wird zunächst eine Probe entnommen und die RNA isoliert, danach amplifiziert und anschließend in einer speziellen Reaktionslösung, die das entsprechend modifizierte Cas-Enzym enthält inkubiert. Diese Lösung wird dann auf einen speziellen Teststreifen gegeben, bei dem nach einer kurzen Wartezeit bei einem negativen Test ein farbiger Streifen und bei einem positiven Test zwei farbige Streifen erscheinen. Vorteil dieser Methode ist, dass man keine teuren Geräte benötigt, sondern lediglich zwei Wasserbäder (60°C und 37°C) sowie die entsprechenden Materialien (Amplifikation, CRISPR-Cas, Teststreifen). Dadurch wäre diese Methode für Schnelltests auch außerhalb von Laboren geeignet. Die Methode ist allerdings noch neu und wurde bisher noch nicht klinisch getestet.
CRISPR
CRISPR nucleic acid detection

Durchsatz

Durchsatz
Abschätzung der Durchsatzrate verschiedener Testgeräte

Abschätzung zur schnellen Umsetzung und Durchführbarkeit der genannten Methoden

Die momentan zugelassene und verwendete Methode in der Diagnostik ist die qPCR, diese Methode ist also direkt einsetzbar und die Kapazitäten können durch Anschaffung neuer Geräte erhöht werden. Die Anschaffung der entsprechenden Geräte könnte allerdings ein möglicher Engpass sein, da momentan nicht klar ist, wie viele Geräte produziert werden und somit zur Verfügung stünden. Daher könnte man alternativ auf standard PCR-Maschinen ausweichen, die in einer viel höheren Anzahl bereits zur Verfügung stehen und in vielen Laboren momentan ungenutzt sind.

Im Gegensatz dazu sind sowohl das Next Generation Sequencing als auch die Detektion von Nukleinsäuren mit Hilfe der Genschere CRISPR bisher wenig für diesen speziellen Fall getestet und daher ist wenig über die Zuverlässigkeit dieser Methoden für diese Anwendung bekannt. Generell sind beide Methoden jedoch seit Jahren in der Wissenschaft etabliert und erprobt, und könnten in der momentanen Ausnahmesituation auch für die COVID-19 Diagnostik eingesetzt werden.

Verbrauchsmaterialien

Zur Durchführung der genannten Testverfahren sind neben den erforderlichen Laborgeräten (PCR, qPCR, NGS Sequenzierer) üblicherweise auch Einwegverbrauchsartikel und Reagenzien nötig. Unabhängig von Pipetten, Zentrifugen und anderen zur Aufbereitung der Proben nötigen Werkzeuge, die in jedem Labor standardmäßig vorhanden sind, werden Einwegartikel wie Reaktionsröhrchen, Pipettenspitzen und Schutzhandschuhe sowie Reagenzien für die RNA-Extraktionen (Extraktionskits) und PCR-Reaktionen (Primer, Polymerasen) benötigt. Sämtliche benötigten Materialien können über etablierte Vertriebsfirmen und Hersteller von Laborequipment, bzw. Biotechfirmen bezogen werden. Im Sinne einer standardisierten Vorgehensweise bei der Durchführung der Tests erscheint eine zentrale Beschaffung und Verteilung der Materialien sinnvoll. Ein vereinheitlichtes Testprotokoll, in dem Materialien verschiedener Hersteller eingesetzt werden können, gewährleistet eine maximale Verfügbarkeit und zudem einen einheitlichen Teststandard, der zur Sicherstellung der Testqualität nötig ist. Engpässe sind bei keinem der benötigten Materialien zu erwarten, da diese von einer Vielzahl etablierter und hochspezialisierter Hersteller sehr leicht, schnell und im großen Maßstab (nach-)produziert werden können. So unterliegt beispielsweise die Synthese der benötigten Primer keiner aufwendigen Umstellung der Produktion, da diese ohnehin stets gezielt nach Erfordernissen und Bedarf des Kunden, bzw. Forschers synthetisiert werden. Sämtliche für die Testreaktion nötigen Primer, bzw. Oligonukleotide können von diesen Firmen bereits als „Ready-to-use“-Lösung vorgemixt werden, um den Arbeitsaufwand und mögliche Fehlerquellen im Testlabor weiter zu reduzieren. Die hier vorgenommene erste Verfügbarkeitsabschätzung basiert auf der Annahme das zukünftige Engpässe bereits frühzeitig erkannt werden und die gegebenenfalls notwendigen Signale von der Politik an die Hersteller gegeben werden, die Produktion zu erhöhen um aktive Engpässe zu vermeiden bevor sie auftreten.
Verfügbarkeitsabschätzung
Pipettenspitzen, Reaktionsröhrchen, -platten Versorgung potentiell unkritisch; können von einer Vielzahl an Herstellerfirmen in großen Mengen produziert werdenk
RNA-Extraktionskits Engpässe möglich; Nutzung von Extraktionskits verschiedener Hersteller; alternative Extraktionsmethoden mittels Phenol/Chloroform möglich
Primer/Oligonukleotide Versorgung potentiell unkritisch; können von einer Vielzahl an Biotechfirmen in großen Mengen synthetisiert werden, „Ready-to-use“-Mischungen möglich
Polymerasen/Enzyme Versorgung potentiell unkritisch; können von einer Vielzahl an Biotechfirmen in großen Mengen synthetisiert werden
Alternativen zu RNA-Extraktionskits
Alternativen zu RNA-Extraktionskits

Simulation der Verbreitung bei verschiedenen Testraten

Die hier dargestellten Simulationen stellen auf stark vereinfachte Weise dar, welchen Effekt umfangreiche Tests auf die Ausbreitung einer Krankheit haben können. Die drei hier dargestellen Beispiele stehen für ein Szenario mit sehr wenigen Tests, mit einigen Tests und mit sehr vielen Tests. Dabei wird unterstellt, dass eine diagnostizierte Person keine weiteren Personen mehr anstecken kann, weil sie sich beispielsweise in Heimquarantäne begibt. Die echte Welt ist natürlich viel komplexer als so ein vereinfachtes Modell, das nur eine einzelne Maßnahme schablonenhaft abbildet. Daher dienen die Videos hier lediglich zur qualitativen Veranschaulichung des Nutzens ausgiebiger Tests.

Fazit & Maßnahmenvorschläge

  • Eine Erhöhung der Testrate ist möglich und mit weniger Einschränkungen verbunden, als viele andere Maßnahmen, die die Ausbreitung der Krankheit verringern, so dass ein Teil der gesellschaftlich nachteiligsten Maßnahmen vermutlich durch vermehrte Tests substituiert werden könnte.
  • Es können nicht-medizinischer Einrichtungen (z.b Biologie- und Biochemielabore) genutzt werden, die über die nötige Ausstattung und qualifiziertes Personal verfügen. Es sollten nur Mitarbeiter eingesetzt werden, die sich dafür freiwillig melden.
  • Die eigentlich nötige Labor-Akkreditierung die im medizinschen Bereich normalerweise erfoderlich ist sollte dafür ausgesetzt werden und durch Supervisionsmaßnahmen ersetzt werden.
  • Die Personalkosten für die freiwilligen Mitarbeiter sollten komplett vom Staat übernommen werden, in der Höhe des eigentlichen Gehaltes/Lohnes aber mit einem angemessenen Mindestbetrag und auf das tatsächliche Arbeitspensum angepasst. Ebenso muss für Haftungs- und Rechtssicherheit gesorgt werden, um die Freiwilligen von möglichst von allen Risiken zu befreien.
  • Wichtig ist eine frühzeitige Identifikation möglicher Engpässe bei Verbrauchsmaterial. Damit, falls nötig, die Produktion einzelner Produkte erhöht werden kann bevor der Engpass eintritt. Dabei sollte nicht von der momentanen Anzahl an Tests ausgegangen werden, sondern von dem Zielwert den man erreichen möchte.
  • Eine bessere Kommunikation der Langfriststrategie um die Pandemie zu bewältigen und ausführliche Erklärungen des Nutzens der einzelnen Maßnahmen können die Akzeptanz in der Bevölkerung erhöhen.

Quellen

Mitwirkende

Dr. Momchil Ivanov - Simulation
Dr. Sandra Treffkorn - Beschreibung Testverfahren, Inhalte und Layout
Dr. Martin Treffkorn - Software Lead
Lars Hering - Beschreibung Testverfahren, Inhalte und Layout
Aurel Wünsch - Koordination und Inhalte