Erik Reisdorf, leitender Virologe im staatlichen Hygienelabor von Wisconsin, bearbeitet Proben für den COVID-19-Test. Foto: John Maniaci, UW Health

Da COVID-19 seit Ende Dezember 2019 mehr als eine Million Menschen auf der ganzen Welt – und mehr als 2.500 Einwohner von Wisconsin – infiziert hat, ist alles, von Nasen- und Rachenabstrichen bis hin zu den chemischen Substanzen oder Reagenzien, die für die Durchführung von Tests auf die Krankheit benötigt werden, Mangelware.

Alana Sterkel, stellvertretende Direktorin in der Abteilung für übertragbare Krankheiten des Staatlichen Hygienelabors von Wisconsin an der University of Wisconsin-Madison, das Tausende von Tests auf COVID-19 im Bundesstaat durchgeführt hat, sagt, dass wir mehr allgemein verfügbare Tests brauchen, um die Pandemie zu verstehen und einzudämmen. Obwohl der weltweite Anstieg der Nachfrage nach Testmaterialien die Durchführung des Tests an vielen Orten erschwert hat, haben sich die Kollegen der WSLH an der Universität dafür eingesetzt, dass die Tests in Wisconsin weiterhin zur Verfügung stehen.

Für den Test auf COVID-19 sind spezielle Geräte erforderlich, mit denen Wissenschaftler und Kliniker das Virus nachweisen und genügend Kopien seines genetischen Materials für die Messung herstellen können. Die farbigen Linien auf dem Computer zeigen die Ergebnisse der COVID-19-Tests. Foto: John Maniaci, UW Health

Unter normalen Bedingungen ist der Test ein einfaches Laborverfahren, mit dem ein bestimmtes Virus aufgespürt werden kann.

Um ein Virus in einer Probe aus der Nase oder dem Rachen eines infizierten Patienten nachzuweisen, müssen mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktion Spuren des genetischen Materials identifiziert werden. Bei Coronaviren wie dem Erreger von COVID-19 ist dieses genetische Material ein RNA-Molekül.

Kyley Guenther, Virologe im staatlichen Hygienelabor von Wisconsin, bereitet Proben von Atemwegsviren für die Arbeit des National Influenza Reference Center vor. Foto: John Maniaci, UW Health

Um den Test durchführen zu können, müssen die Wissenschaftler zunächst die RNA des Virus in DNA umwandeln, wofür ein Enzym erforderlich ist, das eine Art von genetischem Code in den anderen übersetzt. Das Enzym heißt Reverse Transkriptase und wurde 1970 von dem Virologen und Nobelpreisträger Howard Temin von der UW-Madison zusammen mit seinem Kollegen David Baltimore vom Massachusetts Institute of Technology entdeckt.

Für die Durchführung des Tests ist außerdem ein so genannter Thermocycler erforderlich, der es den Wissenschaftlern ermöglicht, viele Kopien des genetischen Materials anzufertigen, damit genügend davon für die Messung vorhanden ist. Weitere Reagenzien sind notwendig, um die Reaktionen zu stabilisieren und zu vervollständigen.

Es wäre relativ einfach gewesen, die lokalen Testkapazitäten zu erhöhen, wenn das neue Virus nur einen Teil der Welt befallen hätte. Aber das war nicht der Fall.

„Überall auf der Welt versuchten alle gleichzeitig, die gleichen Materialien zu beschaffen“, sagt Sterkel.

Die Kollegen der WSLH in der gesamten Universität haben jedoch geholfen, indem sie einen Teil der benötigten Reagenzien, Vorräte und mehr gespendet haben. Einer der wichtigsten Partner war das Wisconsin Veterinary Diagnostic Laboratory, das dem WSLH Geräte und Reagenzien geliehen und Schulungen angeboten hat.

Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme eines Isolats aus dem ersten Fall von COVID-19 in den USA. Die kugelförmigen Viruspartikel, blau eingefärbt, enthalten Querschnitte durch das virale Genom, zu sehen als schwarze Punkte. CDC / Hannah A Bullock; Azaibi Tamin

Das WVDL hat sich auch um die Herstellung der viralen Transportmedien gekümmert, die Patientenproben für Tests aufbewahren – ein entscheidender Engpass an vielen Orten. Das Labor führt genau die gleichen Tests für Tierkrankheiten durch und stellt seit langem ähnliche Testkits für Partner im ganzen Bundesstaat her. Ein Team von acht bis zehn Mitarbeitern ist nun in der Lage, bis zu 10.000 Kits pro Woche herzustellen.

Das WVDL konnte seine ersten Chargen von Testkits mit vorhandenen Materialien herstellen, sobald das WSLH sie benötigte, und hat frisches Material geliefert, um so lange wie nötig Medien herzustellen. Das Labor erfüllt auch weiterhin seine Pflichten in Bezug auf Tierversuche.

„Wir hatten bereits eine enge Zusammenarbeit mit dem staatlichen Hygienelabor von Wisconsin“, sagt Keith Poulsen, Direktor des WVDL und Professor an der UW School of Veterinary Medicine. „

Obwohl der weltweite Anstieg der Nachfrage nach Testmaterialien die Durchführung des Tests an vielen Orten erschwert hat, haben die Kollegen des WSLH an der Universität mit angepackt, um die Tests in Wisconsin verfügbar zu halten.

Das UW Hospital und das WSLH haben ebenfalls eng zusammengearbeitet. Sie haben Materialien ausgetauscht, damit sowohl das WSLH als auch das klinische Labor des UW-Krankenhauses weiterhin Patienten testen können. Das WSLH hat UW Health und Dutzenden von anderen Gesundheitssystemen im ganzen Bundesstaat Validierungs- und Schulungsmaterial zur Verfügung gestellt, um die landesweite Testkapazität zu erhöhen.

Und das WSLH hat Unterstützung aus den eigenen Reihen erhalten. Andere Abteilungen der Behörde haben Zeit, Material und Fachwissen zur Verfügung gestellt, um bei der Durchführung von Tests zu helfen.

Neue Schnelltests kommen langsam auf den Markt, sagt Sterkel, und das könnte die Fähigkeit der Krankenhauslabors zur Diagnose von Patientenproben verbessern. Mit diesen Tests können Mitarbeiter des Gesundheitswesens und ihre Patienten innerhalb von nur fünf Minuten ein Ergebnis erhalten. Außerdem sind sie einfach zu handhaben und Ärzten und Krankenschwestern vertraut, die seit Jahren ähnliche Tests für Infektionen wie die Grippe verwenden. Sobald diese Schnelltests online sind, wird WSLH sie einbeziehen, um eine schnelle Diagnose zu ermöglichen, wenn die Zeit drängt.

Die Schnelltests könnten auch den Druck auf die weltweite Nachfrage nach Materialien verringern, da sie auf einer anderen Lieferkette beruhen als die derzeitige, arbeitsintensivere Testmethode. Ein Element, das alle Tests gemeinsam haben, sind die Nasen- und Rachenabstriche, die zur Entnahme von Proben von Patienten verwendet werden. Die Tupfer sind nach wie vor knapp.

Die Kollegen des WSLH in der gesamten Universität haben sich bereit erklärt, zu helfen, indem sie einige der erforderlichen Reagenzien, Materialien und mehr gespendet haben.

Das WSLH wird weiterhin Tests auf der Grundlage der Polymerase-Kettenreaktion anbieten. Das liegt daran, dass diese Methode nach wie vor eine wichtige Grundlage für die Reaktion auf sich entwickelnde Infektionen darstellt. Sie ist anpassungsfähig und kann schnell auf neue Viren ausgerichtet werden.

„Dies ermöglichte es uns, mit den Tests (auf das neue Coronavirus) vor allen anderen in diesem Bundesstaat zu beginnen. Es ist auch viel billiger als diese Schnellkits, so dass wir kostenlose Tests anbieten können. Außerdem lässt es sich leichter skalieren als die Schnellmethoden, so dass wir an einem Tag viel mehr Menschen testen können“, sagt Sterkel.

Das WSLH testet weiterhin Hunderte von Proben pro Tag, nicht nur auf COVID-19, sondern auch auf andere Infektionskrankheiten, die die Gesundheit der Einwohner des Bundesstaates beeinträchtigen. Das Labor ist nach wie vor dankbar für die Stärke seiner einzigartigen Partnerschaften.

„Es war eine erstaunliche Zusammenarbeit von Menschen, die sich zusammengetan haben, um die Bedürfnisse des Staates zu erfüllen“, sagt Sterkel.