Pipetteerrobot

Meer monitoring

Lin verwacht dat rioolwatermonitoring steeds belangrijker zal worden als middel om de verspreiding van COVID-19 te helpen beheersen. “Als een substantieel deel van de bevolking is gevaccineerd zullen er ook minder swabtests worden uitgevoerd. Door monitoring van het rioolwater blijf je in staat om het virus en zijn mutanten in de gaten te blijven houden. Daar denk ik niet als enige zo over. De afgelopen tijd heb ik tijdens maandelijkse online sessies onder de vlag van het consortium voor monitoring van rioolwater van het Centers for Disease Control and Prevention (CDC), waar ons project deel van uitmaakt, met een kleine 250 wetenschappers vanuit alle hoeken van de Verenigde Staten overleg gevoerd. Het is dan ook goed om te zien dat inmiddels in bijna alle staten initiatieven als de onze in de praktijk zijn gebracht.”

Meer informatie

Illustratief voor de informatievoorsprong met rioolwatermonitoring is de volgende constatering van Chung-Ho Lin: “Ongeveer vier weken nadat we begonnen waren met het analyseren op varianten vonden we dat SARS-CoV-2-varianten aanwezig waren in bijna 24% van de door ons geteste rioolwatermonsters. Maar op datzelfde moment was er officieel pas bij één persoon in Missouri, waarbij een swabmonster was afgenomen, een besmetting met een van de varianten vastgesteld.”

De onderzoekers houden de varianten ook nauwlettend in de gaten om zo goed mogelijke input te geven voor de verschillende strategieën om virusinfectie te vermijden en/of te behandelen. “Het huidige massale vaccinatieplan zorgt in feite voor selectiedruk op het virus. Het virus wil overleven, dus blijft het muteren”, zegt Lin. ”De meeste van de huidige behandelingsmethoden zijn ontworpen voor de oorspronkelijke stam. Als we meer informatie hebben over de varianten, kunnen we bepalen of die behandelingsopties nog steeds effectief zijn.”

Varianten volgen

Onlangs heeft het team de helft van zijn inspanningen verlegd van routinemonitoring naar het opsporen van de verschillende SARS-CoV-2-varianten. Op basis van de rioolwatermonitoring kwam naar voren dat in amper acht weken tijd een enorme verschuiving in de samenstelling heeft plaatsgevonden, van bijna exclusief alleen het oorspronkelijke SARS-CoV-2-virus naar tussen de 80 en 95% varianten.

In vergelijking met individuele diagnostische tests genereert de aanpak via rioolwatermonitoring een populatiepool die snel en tegen lage kosten kan worden gesequenced om SARS-CoV-2-varianten op te sporen. Door de snellere beschikbaarheid van informatie over de varianten kunnen de benodigde maatregelen effectiever worden genomen. Als daarentegen bij iemand, die ervan verdacht wordt besmet te zijn met een SARS-CoV-2-variant, een neusswabtest wordt uitgevoerd, en die swab vervolgens naar het Center for Disease Control (CDC) wordt gestuurd voor genoom sequencing, kan het volgens Lin minstens drie weken duren voordat daar een resultaat uitkomt. Het is volgens hem dan ook bijna onmogelijk om de omvang van de variantinfecties te achterhalen via de klinische aanpak.

Geen intervariabiliteit

Het gebruik van de pipetteerrobot komt ook ten goede aan de nauwkeurigheid en precisie en –zeker niet onbelangrijk– elimineert de intervariabiliteit. “Met pipetteervolumes van 4 tot 5 μl is het onmogelijk om handmatig de vereiste precisie en nauwkeurigheid te bereiken. Het gebruik van een geautomatiseerd systeem geeft ons ook gemoedsrust. Het stelt ons ook in staat om op schema te blijven omdat we weten hoe lang het systeem nodig heeft om de monsters te laden. Als we alles handmatig doen, zijn er veel onzekerheden. Verschillende mensen kunnen verschillende gewoonten hebben die voor variatie zorgen. Met een robot kunnen we efficiënter werken en kunnen we de vereiste kwaliteit borgen”, aldus Lin.

Automatiseren is een must

Een geautomatiseerd vloeistofverwerkingssysteem is een essentieel onderdeel binnen het analyseprotocol. “Ons lab werkt 13 tot 14 uur per dag om ervoor te zorgen dat we de data snel kunnen rapporteren, soms binnen 12 uur. Automatisering is essentieel om deze productiviteit te halen en het grote publiek snel te kunnen informeren over eventuele gezondheidsrisico's”, stelt Lin.

Elke week verwerken de onderzoekers met hulp van de Pipetmax ongeveer 2.000 RT-qPCR-reacties voor het kwantificeren van SARS-CoV-2 en varianten daarvan in 200 rioolwatermonsters. De verwachting is dat die capaciteit nog zal worden verdubbeld. “We draaien nu al bijna non-stop. Stel je voor hoeveel mensen er nodig zouden zijn om dit soort werk uit te kunnen voeren met de vereiste precisie en nauwkeurigheid. Zonder Pipetmax is dat onmogelijk”, zegt Lin.

Bij de monstervoorbereiding voor de RT-qPCR-analyse wordt gebruik gemaakt van de geautomatiseerde liquid handling robot Pipetmax van Gilson. Met deze compacte benchtop pipetteerrobot is een dusdanig grote efficiency van de monstervoorbewerking gerealiseerd dat de gewenste doorvoercapaciteit van de assays is gehaald. De robot maakt gebruik van de Pipetman-technologie om vloeistoffen met een hoge nauwkeurigheid en precisie over te brengen en helpt zo de variantie tussen gebruikers te elimineren.

Lin werkte al eerder met geautomatiseerde vloeistofbehandelingssystemen van Gilson. “Ik heb altijd een positieve ervaring met Gilson-producten. Ze zijn zeer robuust en betrouwbaar. Daarom keek ik ook eerst naar Gilson toen ik een geautomatiseerd systeem nodig had om te zien wat zij te bieden hadden waar ik mijn voordeel mee kon doen voor de RT-qPCR-monstervoorbereiding.”

Efficiënter dan testen

Volgens Lin pakt deze monitoring-aanpak qua testkosten zeer gunstig uit voor met name de plekken waar veel mensen samenkomen, zoals verpleeghuizen en penitentiaire inrichtingen. “Ons surveillanceproject bestrijkt ongeveer 70% van de bevolking van Missouri, een kleine 4 miljoen mensen. Als je kosten voor dit project over die mensen uitsplitst kom je op niet veel meer dan een dollarcent per persoon. Heel wat anders dan een swabtest in het ziekenhuis, waar met alles erop en eraan soms wel meer dan 200 dollar gemoeid is!”

Niet minder belangrijk is dat door deze methode vroegtijdig een infectie in een populatie kan worden gesignaleerd, wat uitbraken kan helpen voorkomen. “In de regel kunnen we bedrijven en instellingen zo’n zeven dagen van tevoren waarschuwen als we de eerste tekenen van de aanwezigheid van SARS-CoV-2 hebben vastgesteld. Zo kunnen ze beslissen hoe ze de middelen voor het testen van personen zo efficiënt mogelijk kunnen inzetten, want het is duur om iedereen individueel te testen. Zodra er een piek in het virus is te zien, kunnen direct maatregelen worden genomen om de kans op een uitbraak zo klein mogelijk te maken. Zo hebben we in de loop van dit project al verschillende grote uitbraken in penitentiaire inrichtingen in de staat kunnen voorkomen”, zegt Lin.

Kwantitatieve realtime PCR

De door Lin en zijn medewerkers ontwikkelde methode maakt voor de kwantificering van het aantal kopieën van SARS-CoV-2 in rioolwater gebruik van absolute kwantitatieve real-time PCR (RT-qPCR). Na extractie van het RNA uit rioolwatermonsters wordt de RT-qPCR uitgevoerd. Op basis van vergelijking met een kalibratiecurve wordt het aantal viruskopieën in de rioolwatermonsters bepaald. Met deze methode kunnen tot vijf kopieën van het virus in een RNA-monsterextract worden gekwantificeerd.

“De kwantitatieve gegevens stellen ons in staat te evalueren hoeveel mensen besmet zijn. Veel mensen zijn geïnfecteerd maar asymptomatisch. Ze weten niet dat ze ziek zijn en hebben geen symptomen, maar toch verspreiden ze het virus. Met dit soort surveillancetests kunnen we een algemeen beeld krijgen van de omvang en de trend van de besmetting in de loop van de tijd”, legt Lin uit.

Uitgebreid

“In samenwerking met verschillende instanties van de state of Missouri hebben we het grootste SARS-CoV-2 rioolwatermonitoringprogramma van de Verenigde Staten ontwikkeld. We hebben de aanwezigheid van SARS-CoV-2 en de varianten daarvan in rioolwater in bijna 100 faciliteiten in de staat Missouri nauwlettend in de gaten gehouden. Denk daarbij aan gemeentelijke rioolwaterzuiveringsinstallaties, verpleeghuizen, militaire bases, opleidingskampen en penitentiaire inrichtingen”, vertelt Lin. “Door dit programma zijn we in staat om vroegtijdig te waarschuwen voor de aanwezigheid van SARS-CoV-2, en ook om preventie-inspanningen in de hele staat te evalueren.”

Inwoners van Missouri kunnen wekelijks via internet op interactieve kaarten een update zien of er in hun buurt een toe- of afname van SARS-CoV-2 in het rioolwater is gemeten, en –als er genoeg data zijn– welke varianten daar dan bij betrokken zijn. De ‘COVID-19 Tracking Tool’ van het ‘Sewershed Surveillance Project’ is een schoolvoorbeeld van publiekscommunicatie, waar enorme bergen aan analysedata in hapklare brokken van mooi vormgegeven kaarten zijn verwerkt. Dit project is een samenwerking van het Missouri Department of Health and Senior Services, het Missouri Department of Natural Resources en de Universiteit van Missouri.

Dr. Chung-Ho Lin staat samen met zijn collega dr. Marc Johnson aan de basis van een ook voor Amerikaanse begrippen groots SARS-CoV-2 rioolwatermonitoring programma. Hij is universitair hoofddocent aan de Universiteit van Missouri en heeft de leiding over het bioremediatieprogramma van het ‘MU Center for Agroforestry’ in het ‘College of Agriculture, Food, and Natural Resources’. In die hoedanigheid richt hij zich op de ontwikkeling van methoden voor de detectie en kwantificering van moleculair genetisch materiaal en verontreinigende stoffen in het milieu; het isoleren, identificeren en kwantificeren van bio-actieve verbindingen in plantaardig materiaal, en het onderzoeken van industriële toepassingen voor rioolwater.

Bij de groep van dr. Lin aan de Universiteit van Missouri (‘Mizzou’) wordt ook nog wel handmatig gepipetteerd.

Voordat de monsters naar de pipetteerrobot gaan vindt een filtratiestap plaats.