Während der COVID-19-Pandemie ist sich die Welt des Werts der Verwendung von Abwasseranalysen zur Überwachung der Krankheitsentwicklung in einem Gebiet bewusst geworden. Am DTU National Food Institute nutzt eine Gruppe von Forschern jedoch seit 2016 die Abwasserüberwachung aus der ganzen Welt als effektives und kostengünstiges Instrument zur Überwachung von Infektionskrankheiten und antimikrobieller Resistenz.
Durch die Analyse von Abwasserproben, die die DTU zwischen 2016 und 2019 aus 243 Städten in 101 Ländern erhalten hat, haben die Forscher nun kartiert, wo auf der Welt das Vorkommen von Resistenzgenen am höchsten ist, wo die Gene sitzen und in welchen Bakterienarten sie vorkommen .
Die Ergebnisse der neuen metagenomischen Studie, die gerade in veröffentlicht wurden Naturkommunikation– haben die Forscher überrascht. Tatsächlich zeigt die Studie, dass die Gene in vielen verschiedenen genetischen Kontexten und Bakterientypen aufgetreten sind, was auf eine stärkere Übertragung hindeutet, als die Forscher erwartet hatten.
„Wir haben ähnliche Resistenzgene in sehr unterschiedlichen Bakterienarten gefunden. Wir finden es besorgniserregend, wenn Gene von einer sehr breiten Gruppe von Bakterien auf eine völlig andere Gruppe übertragen werden können, mit der es keine Ähnlichkeit gibt. Es ist selten, dass diese Genübertragungen auftreten über so große Entfernungen. Es ist ein bisschen so, als würden sehr unterschiedliche Tierarten Nachwuchs zeugen“, erklärt Assistant Professor Patrick Munk.
Wenn sich die Gene in Bakterien befinden, die Menschen normalerweise nicht krank machen – wie Milchsäurebakterien –, ist dies weniger besorgniserregend. Gelangen die Resistenzgene jedoch in für die menschliche Gesundheit wichtige Bakterien wie Salmonellen, sieht das ganz anders aus.
„Dadurch wird es viel wahrscheinlicher, dass die Bakterien tatsächlich Menschen töten – zum Beispiel in einem Krankenhaus – weil keine Behandlung verfügbar ist“, sagt Patrick Munk.
Wie ein kompliziertes Puzzle
Die Forschungsgruppe für genomische Epidemiologie am DTU National Food Institute hat eine der weltweit umfassendsten Resistenzdatenbanken entwickelt und pflegt diese. Es umfasst derzeit 3.134 bekannte Resistenzgene.
Die Forscher haben die Datenbank verwendet, um Resistenzgene in den Abwasserproben der neuen Studie zu kartieren.
Die Proben enthalten eine sehr große Anzahl von Mikroorganismen aus verschiedenen Quellen, einschließlich menschlicher Fäkalien. Die gefrorenen Abwasserproben wurden an die DTU geschickt, wo Labortechniker alle Bakterien aus den aufgetauten Proben extrahieren.
Die Bakterien werden dann aufgebrochen und ihre kollektive DNA wird in kleinere Stücke zerlegt, die modernste DNA-Sequenziergeräte auf einmal lesen können.
Ein Supercomputer kann dann die Milliarden von aufgezeichneten DNA-Sequenzen mit bekannten Genen vergleichen und größere Teile der in den Proben enthaltenen ursprünglichen Genome konstruieren.
Dieser Prozess gibt Aufschluss über mehrere Bereiche, beispielsweise in welchen Bakterien und genetischen Nachbarschaften sich die Resistenzgene befinden.
Hotspots für die Übertragung von Genen
An verschiedenen Orten in Subsahara-Afrika haben die Forscher das gleiche Resistenzgen in verschiedenen Bakterien gefunden.
„Wir interpretieren dies so, dass wir uns möglicherweise ganz in der Nähe eines Übertragungs-Hotspots befinden, an dem eine Genübertragung von einem zum anderen auf ein drittes Bakterium stattfindet. Deshalb sehen wir das Gen genau dort in so vielen verschiedenen Zusammenhängen“, Patrick Munk erklärt.
Er fügt hinzu, dass viele der überraschenden Übertragungen in Subsahara-Afrika zu erfolgen scheinen. Dies sind auch Länder mit den am wenigsten entwickelten Programmen zur Überwachung von Resistenzen, was bedeutet, dass nur sehr wenige Daten zur Resistenzsituation vorliegen.
„Wir riskieren, wichtige Trends zu übersehen, weil wir keine Daten haben“, schlägt er vor und betont, dass solide Daten genau das sind, was erforderlich ist, um wirksame Strategien zur Bekämpfung von Resistenzen zu entwickeln:
„Im Moment haben wir ein riesiges Wissen darüber, wie sich der Widerstand im Westen verhält, und – basierend auf diesem Wissen – planen wir, wie wir den Widerstand bekämpfen können. vermutlich, weil sie günstigere Übertragungsbedingungen haben. Daher muss auch die Art und Weise, wie man Resistenzen bekämpft, den örtlichen Gegebenheiten angepasst und angepasst werden.“
Nachfolger
Das globale Abwasserprojekt, das von der Novo Nordisk Foundation und dem Forschungsprojekt VEO unterstützt wird, endet 2023. Die Forscher finden, dass es sich als gute Ergänzung zu bestehenden Monitoring-Initiativen erwiesen hat, die hauptsächlich auf nationaler oder regionaler Ebene agieren und messen Resistenz bei Bakterien von Kranken.
Sie hoffen daher, dass ein Nachfolger für das Projekt erscheint, damit die Welt weiterhin von den wichtigen Erkenntnissen profitieren kann, die durch das Überwachungsprogramm generiert werden. Dies gilt auch für Länder, die über solide Überwachungsprogramme und Kontrollstrategien verfügen.
„Es gibt viele Analogien zum Klimawandel, wo es einem nicht egal ist, was auf der anderen Seite der Erde passiert. Irgendwann wird uns das Problem wieder treffen, wie wir immer wieder gesehen haben.“ betont Patrick Munk.
Wiederverwendbare Daten
Im Gegensatz zu Daten aus herkömmlichen Analysemethoden können Rohdaten aus metagenomischen Studien wiederverwendet werden, um Licht auf andere Probleme zu werfen. So haben die Forscherinnen und Forscher des Abwasserprojekts ihren Datensatz genutzt, um das Vorkommen anderer krankheitserregender Mikroorganismen im Abwasser zu analysieren.
Der gesamte Datensatz aus dem Abwassermonitoring wurde Forschern weltweit frei zur Verfügung gestellt. Beispielsweise wurde es bereits verwendet, um weltweit viele neue Viren zu erkennen und die ethnische Zusammensetzung verschiedener Bevölkerungsgruppen zu kartieren.
Wenn neue Resistenzgene entdeckt werden – sogar weit in der Zukunft – werden Forscher in der Lage sein, Rohdaten wiederzuverwenden, um schnell festzustellen, wo sie zuerst aufgetreten sind und wie sie sich verbreitet haben.
In der Studie haben die Forscher 757 Abwasserproben aus 243 Städten in 101 Ländern analysiert. Die Proben wurden zwischen 2016 und 2019 gesammelt und an den Campus der DTU in Lyngby geschickt.
Die genomische Analyse von Abwasser ist schnell und relativ kostengünstig im Vergleich zur Anzahl der Personen, die Sie abdecken können. Abwasseranalysen bedürfen keiner ethischen Begutachtung, da das Probenmaterial nicht personenbezogen ist.
Mehr Informationen:
Patrick Munk et al., Genomische Analyse von Abwässern aus 101 Ländern zeigt globale Landschaft antimikrobieller Resistenz, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-34312-7