Überwachung von Antibiotika-Resistenzen im Abwasser – Entwicklung einer innovativen Methode zur Qualitätssicherung

Antimikrobielle Resistenzen (AMR) gehören zu den größten Gesundheitsgefahren unserer Zeit. In Europa sterben jedes Jahr rund 35.000 Menschen an Keimen, gegen die viele Antibiotika nicht mehr wirken. Ab Juli 2027 verlangt daher die überarbeitete EU-Kommunale Abwasser Richtlinie (EU-KARL), dass größere Kläranlagen solche Resistenzen im Abwasser mit PCR-Tests überwachen. Doch bisher werden dafür sehr unterschiedliche Methoden genutzt und noch ist nicht klar, welche davon für Abwasserproben optimal geeignet und genau genug sind. Es fehlen insbesondere geeignete Materialien, um die Qualität der Messungen zu prüfen. Das Projekt AMRready4KARL (April 2026 bis März 2027) will diese Lücke schließen. Das Projekt nutzt sogenannte virusähnliche Partikel (VLPs) als sicheres Testmaterial. Sie enthalten die zum Nachweis erforderlichen Erbinformationen von Antibiotikaresistenzen, sind aber selbst harmlos und nicht ansteckend. Durch ihre stabile Hülle eignen sie sich gut für Untersuchungen im Abwasser. So können PCR-Testverfahren sicher geprüft und besser miteinander verglichen werden.
 
Als innovativer Lösungsansatz werden in AMRready4KARL sogenannte Virus-like-Particles, (VLPs) eingesetzt. Hierbei wird bereits etablierte VLP-Technologie aus der molekularen Virologie in die Umweltmikrobiologie transferiert. Diese sind kleine, kugelförmige synthetisch herstellbare Strukturen, die aus viralen Hüllproteinen aufgebaut sind, aber kein funktionales genetisches Material eines Virus enthalten. Sie können jedoch mit unterschiedlichen DNA-Fragmenten, wie zum Beispiel mit solchen, die für den PCR-Nachweis erforderlichen genetischen-Informationen der Resistenzgene, bestückt werden. Die durch die virusähnliche Hülle im Abwasser geschützte, jedoch nicht infektiöse DNA macht sie zu einem idealen Vehikel für die Qualitätskontrolle in der abwasserbasierten Epidemiologie gemäß EU-KARL. Aufgrund dieser Eigenschaften ermöglicht sie einen risikofreien Umgang und eignet sich ideal zur Validierung von PCR-basierten Nachweismethoden von AMR im Abwasser. 

Das Funktionsprinzip: Aufgrund der präzise ermittelten exakten Menge der ins Abwasser gegebenen VLPs (spiking) kann eine Überprüfung erfolgen, ob die bestehende Methode zur Detektion von AMR-tragenden Bakterien im Abwasser diese exakte Menge im Ergebnis wiederfindet. Dadurch würden erstmals auch bundesweite Laborvergleiche zur Qualitätssicherung im PCR-basierten Monitoring von Antibiotika-Resistenzen im Abwasser ermöglicht, wie sie bei SARS-CoV-2 bereits im Rahmen von AMELAG 2024 durchgeführt wurden. 

Die geplanten Arbeitspakete von AMRready4KARL umfassen initial einen Methodenabgleich und eine Erfassung des Ist-Zustands der aktuell eingesetzten PCR-Methoden innerhalb des AMELAG-Netzwerks (Abwassermonitoring für die epidemiologische Lagebewertung), die Entwicklung eines Abwasseroptimierten und qualitätsgeprüften PCR-Assays, die VLP-Produktion und -Charakterisierung sowie die Durchführung eines Pilot-Laborvergleichs unter Anwendung der Technologie. Zu den geplanten Ergebnissen gehören die Bereitstellung von zwei Endprodukten, die spezifisch auf landes- bzw. bundesweite Anwendergruppen konfektioniert sind: 1) AMR-VLP-Referenzmaterial für Labor-interne Qualitätskontrollen und Kalibrierung der Testverfahren. 2) Erstellung von AMR-VLP gespikten Ringversuchsproben, um Laborvergleiche durchzuführen und die Harmonisierung analytischer Methoden zu unterstützen.

Abgerundet wird das Vorhaben durch die Ausarbeitung einer Handreichung zur Anwendung der Technologie in der Routine-AMR-Überwachung in Deutschland und durch die Erstellung eines kurzen Erklärvideos zur leicht verständlichen Kommunikation der wissenschaftlichen Ergebnisse und Anwendung der VLP-Technologie zur Qualitätskontrolle. Die wirtschaftliche Skalierung der Technologie soll schließlich bis zur kommerziellen Vermarktung weiterentwickelt werden, sodass zum Inkrafttreten der EU-KARL ein EU-weiter Roll-Out stattfinden kann. 

Das Forschungskonsortium besteht aus dem Institut für Medizinische Virologie und dem Institut für Medizinische Mikrobiologie und Krankenhaushygiene der Goethe-Universität Frankfurt am Main, sowie dem Forschungsinstitut für Wasserwirtschaft und Klimazukunft an der RWTH Aachen e.V. (FiW). Das Vorhaben wird unterstützt von der Emschergenossenschaft und Lippeverband (EGLV), dem Landesamt für Natur, Umwelt und Klima Nordrhein-Westfalen (LANUK), und dem Gesundheitsamt Frankfurt am Main als assoziierte Partner.