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27.01.2021

Wie gelingt die Überwachung der Varianten von SARS-CoV-2 national und international?

Anlass

Mit dem Aufkommen der offenbar ansteckenderen Variante von SARS-CoV-2 namens B.1.1.7 im Vereinigten Königreich wurde deutlich, wie wichtig die Überwachung von Mutationen im Erbgut des Virus ist. In Deutschland ist diese Surveillance mithilfe der Technik der Genom-Sequenzierung wenig etabliert und damit herrscht ein nur unvollständiges Bild darüber, wie stark sich neue Varianten des Virus hierzulande verbreiten. Mittlerweile sind auch in Deutschland einzelne Proben analysiert worden, in denen die relevanten Mutationen im Spike-Protein auftauchten. Christian Drosten warnte am 22.01.2021 allerdings in der Bundespressekonferenz noch einmal vor Verzerrungen in den aktuell erhobenen Genomdaten des SARS-CoV-2-Virus in Deutschland, da häufig Verdachtsfälle, zum Beispiel in Ausbruchs-Clustern mit Bezug zum Vereinigten Königreich, sequenziert werden könnten. Daraus ergibt sich noch einmal mehr die Notwendigkeit einer flächendeckenden und repräsentativen Überwachung der zirkulierenden Virusvarianten in Deutschland. Als Vorbilder für eine solche Strategie werden immer wieder das Vereinigte Königreich und Dänemark hervorgehoben.

Mitte Januar hat das Bundesgesundheitsministerium eine Verordnung erlassen, die Geld für die Genomsequenzierung in der Pandemie in Aussicht stellt: Labore sollen fünf Prozent der positiv auf SARS-CoV-2 getesteten Proben bei hohen Fallzahlen und zehn Prozent bei niedriger Inzidenz auf Kosten des Staates sequenzieren können [I]. Aber wie genau das bestmöglich vonstattengehen sollte, damit die Ergebnisse auch einer tatsächlich flächendeckenden Überwachung von Mutationen im Erbgut von Erregern wie SARS-CoV-2 dienlich sind, geht daraus nicht detailliert hervor. Das Robert Koch-Institut wird in der Verordnung als neue Anlaufstelle für alle erhobenen Erbgut-Sequenzen von SARS-CoV-2 benannt und stellt auf seiner Webseite die technische Infrastruktur vor, die Labore für die Datenübermittlung nutzen sollen [II]. Dabei sollen auch die epidemiologischen Daten mit den jeweiligen Erbgut-Analysen verknüpft werden.

Des Weiteren hat das Robert Koch-Institut Kriterien definiert, nach denen Labore die Proben zur Genomsequenzierung auswählen sollen [IV]. Und zwar geschieht dies entweder randomisiert aus den wöchentlichen Proben mit ausreichend hoher Viruslast oder einem Hinweis auf den Zusammenhang mit einer zirkulierenden Virusvariante folgend. Am 26.01.2021 gab das private Diagnostik-Labor Centogene außerdem erste Ergebnisse der Genomsequenzierung von SARS-CoV-2-Proben bekannt [III].

Das SMC hat internationale und deutsche Expertinnen und Experten gefragt, wie eine gelungene Strategie der Virusüberwachung in Deutschland zukünftig weiter ausgestaltet werden sollte, was wir von Vorbildern wie dem Vereinigten Königreich lernen können und wie eine internationale Zusammenarbeit die Bekämpfung der COVID-19-Pandemie unterstützen könnte.

Übersicht

     

  • Prof. Dr. Jörg Timm, Leiter des Instituts für Virologie, Universitätsklinikum Düsseldorf
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  • Prof. Dr. Joachim L. Schultze, Direktor des Forschungsbereichs Systemmedizin, Deutsches Zentrum für neurodegenerative Erkrankungen e. V. (DZNE), Bonn, und Koordinator der Deutschen COVID-19 OMICS Initiative (DeCOI)
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  • PD Dr. Roman Wölfel, Oberstarzt und Leiter, Institut für Mikrobiologie der Bundeswehr, München
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  • Prof. Dr. Manja Marz, Leiterin des Labs RNA Bioinformatics and High-Throughput Sequencing Analysis, Friedrich-Schiller-Universität Jena, und Leiterin der Fachgruppe Bioinformatik
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  • Assis.-Prof. Dr. Angeliki Melidou, Expertin für Coronaviren und Influenza, European Centre for Disease Prevention and Control (ECDC), Stockholm
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  • Prof. Sharon Peacock, Executive Director and Chair of the COVID-19 Genomics UK (COG-UK) consortium, and Professor of Public Health and Microbiology, Departement of Medicine, University of Cambridge, and Director of Science (Pathogen Genomics), Public Health England
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Statements

Prof. Dr. Jörg Timm

Leiter des Instituts für Virologie, Universitätsklinikum Düsseldorf

„Die geplante Sequenzierungs-Strategie der Bundesregierung ist sicherlich ein richtiger Schritt, aber aus meiner Sicht sind noch einige wichtige Fragen offen. Es ist nicht klar, nach welcher Vorgehensweise die fünf beziehungsweise zehn Prozent der positiven Tests für die Sequenzierung ausgewählt werden sollen. Ich befürchte, dass da aktuell in den Laboren eine Vorauswahl stattfinden könnte, die ein repräsentatives Bild beeinträchtigen. Zum Beispiel könnten gezielt Verdachtsfälle mit einer Verbindung zum Beispiel nach Großbritannien sequenziert werden oder bestimmte Regionen könnten unterrepräsentiert sein, da sich dort schlicht keine Labore an der Surveillance – also der Überwachung – beteiligen. Das muss man im Verlauf beobachten. Darüber hinaus ist nicht klar, welche Qualitätsstandard die Sequenzierungen liefern müssen und ob in das System dann auch Sequenzdaten eingebracht werden, die unter Umständen unvollständig oder fehlerhaft sind.“

„Ich sehe auch die Gefahr, dass die Daten beim Robert Koch-Institut gesammelt werden, aber darüber hinaus der Wissenschaft für die Auswertung nicht mehr zugänglich sind. Es gibt sehr profilierte Forschungsgruppen in Europa, die sich unbedingt an den Analysen der Virussequenzen aus Deutschland beteiligen sollten. Auch die Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfiehlt die Veröffentlichung von Virussequenzen in frei zugänglichen Datenbanken.“

„Die Sequenziertechnik hat das große Potenzial, viele offene Fragen zur Pandemie zu beantworten. Zum Beispiel könnte man auch anhand der Genomsequenzen zurückverfolgen, wo und in welchem Ausmaß Übertragungen stattgefunden haben. Somit könnten Übertragungswege identifiziert werden, die durch die Befragung der Erkrankten allein nicht zu ermitteln sind. Eine lokale Nutzung der Sequenzierungsdaten gemeinsam mit den Gesundheitsämtern kann für die Nachverfolgung von Infektionsketten daher sehr wertvoll sein, wenn die Daten schnell verfügbar sind.“

Prof. Dr. Joachim L. Schultze

Direktor des Forschungsbereichs Systemmedizin, Deutsches Zentrum für neurodegenerative Erkrankungen e. V. (DZNE), Bonn, und Koordinator der Deutschen COVID-19 OMICS Initiative (DeCOI)

„Für die deutsche und europäische Strategie zur Bekämpfung der Pandemie ist eine erhöhte Genom-Surveillance von höchster Bedeutung, ähnlich wichtig wie die Entwicklung effizienter Impfstoffe. Sie ermöglicht es, jede Veränderung der Erbinformation des Krankheitserregers – in diesem Fall die mRNA-Sequenz von SARS-CoV-2 – zu erfassen. Das erlaubt es, Veränderungen, also Mutationen, zu erkennen, die sich ausbreiten. Nur durch die Zusammenarbeit vieler unterschiedlicher wissenschaftlicher Experten kann abgeschätzt werden, ob solche Mutationen eine erhöhte Gefahr für die Bevölkerung darstellen. Dies ist ein kontinuierlicher Prozess, der auch während nicht-pandemischer Phasen von großer Bedeutung für andere gefährliche Krankheitserreger sein wird, zum Beispiel für Krankenhauskeime.“

„Wichtig zu betonen ist dabei, dass die Genom-Surveillance die klassische Surveillance nicht ersetzt, sondern erweitert und ergänzt. Es werden damit völlig neue Möglichkeiten in der Abwehr gegen pandemische Gefahren geschaffen. Man benutzt quasi die Information des sich verändernden Pathogens, um unter anderem besser zu verstehen, wie genau das Virus sich ausbreitet und unter welchen Umständen es sich schneller verändern kann. Ziel dieser Informationen ist es, insbesondere nicht-pharmakologische Interventionsmaßnahmen – Masken, Abstandsregeln, Hygiene-Regeln – noch besser mit Fakten zu untermauern.“

Auf die Frage, wie die Surveillance optimal ausgestaltet werden sollte:
„Genom-Surveillance profitiert davon, wenn viele Experten mit unterschiedlichen Expertisen – also Epidemiologen, Virologen, Mikrobiologen, Hygiene-Experten, klinische Infektiologen, Genomforscher, Bioinformatiker, Laborautomatisierungs-Experten, Informatiker, Mathematiker und weitere – in gut organisierten Netzwerken ohne große bürokratische Hürden zusammenarbeiten können und mit ausreichend Mitteln ausgestattet werden.“

„Stellen Sie sich vor, Sie würden mit nur einem Tanklaster der Feuerwehr zu einem großen Waldbrand gerufen werden – das würde nicht funktionieren. Wir müssen alle Kräfte mobilisieren und nicht nur mit einfachen Routine-Methoden herangehen. Für einen solchen Waldbrand wie COVID-19 brauchen wir alle Spezialkräfte und alle Werkzeuge, die wir aufbieten können.“

„Genom-Surveillance ist ein komplexer Prozess und stellt aus der Sicht der Experten im DeCOI, dem Deutschen COVID-19 OMICS Initiative-Netzwerk noch immer keine Routine dar. Das DeCOI-Netzwerk beschäftigt sich seit März 2020 mit den technischen, prozess-orientierten, analytischen und wissenschaftlichen Aspekten und hat auch über die notwendigen Schritte Expertise erlangt, wie eine Genom-Surveillance skalierbar ist und was dazu benötigt wird.“

„Kurz zusammengefasst können die Mutationen des Virus ähnlich eines Barcodes benutzt werden. Das erlaubt es, unterschiedliche Fragestellungen und Themenfelder zu bearbeiten, wie zum Beispiel die kontinuierliche Überwachung der Mutationsrate in der Bevölkerung. Verändert sich das evolutionäre Verhalten des Virus, kommen massive Veränderungen vor – wie jetzt bei den oft diskutierten Varianten B.1.1.7 und B.1.1.351. Wie sind diese zu erklären und muss mit weiteren solcher Veränderungen gerechnet werden? Des Weiteren spielen Mutationen in folgenden Bereichen eine große Rolle: im Spike-Protein und wie sie sich auf Übertragungsrate und Infektiosität auswirken; Mutationen, die einen Impfstoff weniger effizient werden lassen könnten und zu einer Anpassung führen müssten; Mutationen, die durch eine vorangegangene SARS-CoV-2-Infektion erworbene Immunität weniger effizient machen könnten; Mutationen, die PCR-Tests ineffizient werden lassen könnten. Außerdem ermöglicht es die Surveillance, Infektionsketten genauer geografisch und über die Zeit zu verfolgen sowie spezifische lokale Ausbrüche zu untersuchen, zum Beispiel in Krankenhäusern, Schulen und Altenheimen.“

Auf die Frage, wie die derzeit anlaufenden politischen Bestrebungen hierzulande einzuschätzen sind, eine stärkere Sequenzierung zu etablieren:
„Die Umsetzung durch eine Verordnung durch das Bundesgesundheitsministeriums (BMG) und klare Vorgaben geben Rechtssicherheit und klare Regeln, wer welche Rolle spielt und welche Aufgabe übernehmen kann oder muss. Dem Robert Koch-Institut (RKI) kommt hier eine ganz entscheidende Rolle zu. Auch die Befristung der Verordnung auf einen kurzen Zeitraum (sie gilt nur bis zum 31.10.2021; Anm. d. Red.) erscheint aufgrund der aktuellen Lage als sehr sinnvoll. Insgesamt ist diese Entwicklung also sehr zu begrüßen.“

„Da es sich um eine bisher nicht genutzte und komplexe Technologie handelt, die davon profitiert, so viele Akteure und Experten wie möglich zu aktivieren und an der Genom-Surveillance teilhaben zu lassen, wird es auch notwendig sein, mit getroffenen Regeln flexibel umzugehen. Insbesondere solche Regeln, die sich im Laufe der nächsten Wochen als noch nicht optimal erweisen, sollten veränderbar bleiben.“

„Es wäre dabei besonders wünschenswert, wenn es gelänge, einen Mechanismus zu schaffen, der sicherstellt, dass die für die Sequenzierung ausgewählten Proben repräsentativ für die in Deutschland zirkulierende virale Population sind. Damit würde die Aussagekraft der generierten Daten noch weiter erhöht.“

„Momentan stammen circa 40 Prozent der verfügbaren Sequenzen in Deutschland von DeCOI-Partnern. Private Labore sind derzeit noch nicht in die Initiative eingebunden, aber das ist definitiv ein Ziel in Deutschland. Echte Surveillance kann nur über die Fläche funktionieren und da spielen die Diagnostik-Labore eine wichtige Rolle. Deshalb ist es gut, dass nun die finanziellen Möglichkeiten für eine ausgedehnte Sequenzierung zur Verfügung stehen. Allerdings macht es auch keinen Sinn, so viele Proben wie möglich zu sequenzieren. Sie müssen intelligent ausgewählt werden, damit die Daten aussagekräftig sind. Diese Aufgabe der Priorisierung sollte die akademisch organisierte Wissenschaft übernehmen. In einer Art Management-Struktur könnte dann eine Gruppe von wechselnden Wissenschaftlern beispielsweise Regionen priorisieren, aus denen noch zu wenige Daten vorliegen. Außerdem macht es Sinn, lokales Ausbruchsgeschehen wie einen auffälligen Hotspot innerhalb einer Stadt, genauer zu untersuchen. Diese Entscheidungen sollten in enger Abstimmung mit dem Robert Koch-Institut getroffen werden.“

„Aufgrund unserer Erfahrungen aus den vergangenen Monaten gehen wir davon aus, dass die Universitätskliniken eine ganz wichtige Rolle spielen werden, die jetzt im Rahmen des Netzwerk Universitätsmedizin (NUM) zusammengeschlossen sind und in mehreren Projekten die Pandemieabwehr verbessern sollen. Von besonderer Bedeutung ist hier das Projekt B-FAST – Bundesweites Forschungsnetz Angewandte Surveillance und Testung –, mit dem unter anderem das Netzwerk DeCOI eine enge Zusammenarbeit bereits im Spätherbst 2020 begonnen hat, um eine skalierbare Genom-Surveillance zu entwickeln.“

„Insgesamt votieren wir für einen sehr engen Dialog zwischen den Wissenschaftlern, dem RKI und den zuständigen Ministerien, insbesondere dem BMG, aber auch anderen Ministerien wie dem BMBF und Ministerien auf Länderebene sowie deren nachgeschalteten Behörden des Öffentlichen Gesundheitsdienstes (ÖGD). Dieser wichtige Dialog hat bereits auf vielen Ebenen sehr erfolgreich begonnen und wird weiter fortgeführt werden. Wir werden sicherlich noch Anpassungsbedarf haben.“

„Neben einer Surveillance im Rahmen der jetzt ablaufenden SARS-CoV-2-Pandemie ist es auch wichtig, ein schnell hoch skalierbares generisches Surveillancesystem zu entwickeln, das im Falle zukünftiger Pandemien schnell aktiviert werden könnte. Das Potenzial der genomischen Surveillance sollte auch für andere Krankheitserreger, nutzbar gemacht werden, zum Beispiel sexuell übertragbare Krankheiten oder multiresistente Krankenhauskeime. Im Vergleich zu anderen Ländern gibt es auch an dieser Stelle in Deutschland Nachholbedarf. Die jetzt geschaffenen Strukturen sind dafür ein guter Beginn.“

Auf die Frage, wie die Qualitätssicherung in der Genomsequenzierung funktioniert und welche Standards gelten (sollten) bei der Erhebung und Übermittlung an das RKI:
„Da es sich um einen sehr komplexen Prozess handelt, kann diese Frage nicht umfassend beantwortet werden. Es geht nicht nur um die Daten, die laut Verordnung an das RKI übermittelt werden. Sondern es geht auch um die Qualitätssicherung des gesamten Prozesses, von der Sicherstellung der Proben, der Probenvorbereitung für die Erstellung der Sequenzierbibliothek, der Erstellung der Sequenzierbibliothek selbst, der Sequenzierung selbst, der Erstverarbeitung der Rohdaten der Sequenzierung, der Weiterverarbeitung der Rohdaten für die Vorbereitung für die Übermittlung an das RKI, des Übermittlungsprozesses an das RKI und dann später auch der Nutzung der Daten durch die Wissenschaft. Letzterer Punkt ist deshalb so wichtig, da immer noch neue Prozesse entwickelt werden, die Daten noch besser auszuwerten. Es ist daher essenziell, die Qualität der generierten Daten kontinuierlich zu überwachen und agil mit möglicherweise auftretenden Qualitätsproblemen oder Verbesserungspotentialen umzugehen.“

„Neben diesen rein technologischen Kriterien spielt auch die Auswahl der Proben für die Sequenzierung eine wichtige Rolle (siehe oben).“

„Wichtige Vertreter und Experten aus der Wissenschaft an deutschen Universitäten, Universitätskliniken und außeruniversitären Großforschungseinrichtungen sind bereits in engem Austausch mit Spezialisten und Experten am RKI, um all diese Prozesse möglichst optimal zu gestalten und für alle transparent bestmögliche Prozesse an allen beteiligten Standorten vorhalten zu können. Es ist zudem angestrebt, den Austausch zwischen den akademischen Strukturen und den privatwirtschaftlichen Strukturen, wie den Diagnostiklaboren, zu entwickeln und zu optimieren. Auch hier gilt: Ein Miteinander wird den Mehrwert für die Bevölkerung erhöhen.“

Auf die Frage, was einzelne Länder und Europa als Ganzes von den zurzeit als Vorbilder geltenden Ländern lernen können:
„Der freie Austausch innerhalb der internationalen wissenschaftlichen Community spielt eine große Rolle für die erfolgreiche Bewältigung der Pandemie, insbesondere zum Beispiel in Bezug auf den Austausch von Untersuchungsmethoden und auch den generierten Daten. Beim schnellen Datenaustausch über Länder- und Kontinentalgrenzen handelt es sich um eine Win-Win-Situation, die es ermöglicht, Daten über die Evolution des Virus zum Beispiel in Südafrika in die Szenario-Planung für Deutschland einzubeziehen.“

„Als wissenschaftliche Community innerhalb von Deutschland sind wir in engem Austausch mit unseren europäischen Kollegen, insbesondere in den Ländern, die durch frühzeitige und sehr freie Finanzierung des Aufbaus der Genom-Surveillance für SARS-CoV-2 profitiert haben. Es darf angemerkt werden, dass die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) sehr wohl am Anfang das Startkapital für die Entwicklung der Virus-Genom Surveillance zur Verfügung gestellt. Dies hat wesentlich zur Entwicklung des DeCOI-Netzwerkes beigetragen. Wenn wir jetzt in Deutschland die bereits etablierten Strukturen im akademischen Bereich skalieren, aktivieren und intelligent mit RKI und den privatwirtschaftlichen Aktivitäten verbinden, dann sind wir vielleicht insgesamt etwas später als das Vereinigte Königreich und Dänemark, aber nicht zu spät dran. Es kommt jetzt darauf an, möglichst unbürokratisch und flexibel die einzelnen Akteure im Netzwerk zu unterstützen. Die akademischen Zentren in Deutschland werden dabei eine wichtige Rolle bei der internationalen Verbindung in die europäischen Länder spielen können. Das gilt für die verschiedensten Ebenen: bei den Daten über die entsprechenden europäischen Datenportale – GISAID, ENA, GHGA, EU COVID-19 Data Portal –, bei der phylogeographischen Analyse, bei den Laborprotokollen und weiteren.“

Auf die Frage, inwiefern die vorhandenen Strukturen zur länderübergreifenden Surveillance von SARS-CoV-2 ausreichen und welche Institutionen eingebunden werden sollten:
„An dieser Stelle hat die wissenschaftliche Community tatsächlich bereits sehr gute Arbeit geleistet. Es bestehen für die Daten bereits die entsprechenden Datenbanken und Strukturen und auch ein Prozess, wie diese Daten geteilt werden können. Auch die Institutionen, die hier bereits Verantwortung übernehmen – zum Beispiel das European Molecular Biology Laboratory (EMBL), Großforschungseinrichtungen aus der Helmholtz-Gemeinschaft und weitere – können diese Mandate weiter ausführen. Wichtig ist dabei, dass der jetzt geplante Schulterschluss – auch auf wissenschaftlicher Ebene – mit dem RKI weiter ausgebaut wird. Die wissenschaftliche Community stellt die hoheitliche Aufgabe des RKI nicht in Frage. Wir möchten vielmehr die wissenschaftlich notwendige Betreuung der Genom-Surveillance unterstützen und durch die Einbindung möglichst vieler Experten in Deutschland erst wirklich schlagkräftig machen. Was uns bisher in Deutschland gefehlt hat, sind die Daten. Mit der Verordnung sind jetzt erstmals Rahmenbedingungen geschaffen worden, die diese Entwicklungen überhaupt erst ermöglichen.“

PD Dr. Roman Wölfel

Oberstarzt und Leiter, Institut für Mikrobiologie der Bundeswehr, München

„Durch eine verstärkte Genom-Surveillance – der Überwachung des Erbguts – von SARS-CoV-2 ist es möglich, die genetischen Veränderungen des Coronavirus während seiner Verbreitung genauer zu beobachten und dabei detailliertere Informationen über neue Virusvarianten zu erhalten. Die Verbreitung des Virus über Ländergrenzen und auch innerhalb von Deutschland kann damit besser nachvollzogen werden. Durch die genaue Beobachtung einzelner Genmutationen und insbesondere durch gezielte Laborversuche mit verdächtigen Varianten können möglicherweise auftretende Auswirkungen auf den Immunschutz nach überstandener COVID-19-Erkrankung oder nach Impfung schneller erkannt werden.“

„Bei der Auswahl der zu sequenzierenden Proben sind mehrere Strategien sinnvoll: Durch die ‚zufällige‘ Auswahl eines festen Prozentsatzes positiv getesteter Proben kann ein repräsentatives Bild der Virusvarianten in einem bestimmten Gebiet gewonnen werden. Da wir immer noch wenig über das genetische Verhalten von Coronaviren im Allgemeinen und SARS-CoV-2 im Speziellen während der Ausbreitung in einer Bevölkerung wissen, ist dieser Ansatz in jedem Fall zielführend. Ein anderer – durchaus parallel zur verfolgender – Ansatz ist die Sequenzierung von Virusproben mit auffälligen Ergebnissen bei der PCR-Diagnostik von SARS-CoV-2. Auch im Falle der zuerst in Großbritannien aufgetauchten Virusvariante B.1.1.7 wurde ja zunächst in einigen Labors beobachtet, dass eine der drei Zielsequenzen in PCR-Tests nicht mehr anschlug. Durch die daraufhin durchgeführte Sequenzierung wurde dann Virusvariante B.1.1.7 erstmals entdeckt. Eine Sequenzierung von in PCR-Tests auffälligen Patientenproben macht daher auch weiter sicherlich Sinn.“

„Der Qualitätssicherung kommt selbstverständlich auch bei der Anwendung von Next-Generation-Sequenziertechnologien eine große Bedeutung zu (Next-Generation-Sequencing fasst verschiedene neue Technologien zusammen, das Erbgut zu entschlüsseln, im Vergleich zu ursprünglichen Methoden aus den 1970er-Jahren; Anm.d Red.). Dabei ist zu sagen, dass nahezu alle medizinischen Labore, die solche Genomsequenzierungen anbieten, die Qualitätsstandards der DIN EN ISO 15189 oder der DIN EN ISO 17025 einhalten. Eine Genomsequenzierung besteht grundsätzlich nicht nur aus dem eigentlichen Sequenzierlauf in einem Laborgerät, sondern immer auch aus einer bioinformatischen Analyse durch speziell ausgebildetes wissenschaftliches Personal. Dabei werden Qualitätsparameter des gesamten Sequenzierungslaufs, von allen Sequenzen einer Probe sowie von jeder individuellen Sequenz geprüft. Eine gute Qualität der Sequenzdaten ist eine wesentliche Voraussetzung für verlässliche Vergleichsuntersuchungen. Angaben zur eingesetzten Technologie sowie zur Sequenziertiefe – diese gibt an, wie oft ein bestimmter Abschnitt des Genoms analysiert wurde – sind nützliche Parameter, die auch oft in Gendatenbanken zur Qualitätsbewertung genutzt werden. Auch bei fertiggestellten Genomsequenzen ist es noch möglich, bestimmte grobe Qualitätsmängel zu entdecken. Solche Sequenzen müssen dann gegebenenfalls noch mal genauer kontrolliert werden.“

Prof. Dr. Manja Marz

Leiterin des Labs RNA Bioinformatics and High-Throughput Sequencing Analysis, Friedrich-Schiller-Universität Jena, und Leiterin der Fachgruppe Bioinformatik

„Wir arbeiten jetzt seit zehn Jahren an und mit Coronaviren und haben schon vor der Pandemie versucht, anhand von Genomdaten wiederkehrende Ausbrüche zu untersuchen und zu verstehen, wie sich diese Viren verbreiten [1]. Allerdings war die Datenlage aus Erbgutanalysen noch nie sehr umfangreich. Genauso verhielt es sich auch mit SARS-CoV-2. Im Herbst haben wir versucht, alle entschlüsselten Genome des Erregers zusammenzutragen. Bis zum vergangenen Sommer hatten wir in Deutschland allerdings nur ungefähr 20 Vollgenome des Virus vorliegen und auch in anderen Ländern war das nicht viel anders – lediglich das Vereinigte Königreich und die Niederlande stachen etwas hervor, aber auch nicht so, dass man damit bioinformatisch arbeiten könnte. Auf dieser Datenbasis kann ich als Bioinformatikerin keine Analysen machen; das sind einfach viel zu wenig Daten. Eine Vollgenom-Sequenzierung kostet aber eben mehr Geld als die einfache klinische Überwachung durch PCR-Tests und ist daher kaum eingesetzt worden.“

„Seitdem haben sich nun verschiedene Konsortien gebildet, die die Genomsequenzierung in Deutschland systematisch und mit möglichst vollständigen Informationen voranbringen wollen. Ich selbst beteilige mich bei dem zu etablierenden NFDI4Microbiota und dem bereits existierenden DeCOI. Es ist extrem sinnvoll, unterschiedliche Expertisen in solchen Netzwerken zu bündeln und daher freut mich die politische Initiative enorm – das braucht die Welt! Für mich als Grundlagenforscherin ist es extrem wichtig, Dinge von Grund auf zu verstehen. Daher ist es nun ein richtiger und wichtiger Schritt, in die Genomsequenzierung zu investieren, um ein tieferes Verständnis für SARS-CoV-2 zu entwickeln. Anhand von Erbgutanalysen kann beispielsweise verfolgt werden, wie schnell sich das Virus ausbreitet, wie groß der Raum der Quasispezies – also verschiedener Varianten – ist und mehr über den Lebenszyklus des Virus und seine Vermehrung zu erfahren.“

„Sicher sind solche schnell eingerichteten Initiativen, wie sie jetzt anlaufen, ein zweischneidiges Schwert. In der Wissenschaft gilt allerdings immer schon das Prinzip des ‚try and error‘, das auch hier zum Tragen kommt. Es ist essenziell, jetzt schnell vielfältige Daten zusammenzubinden und beim Robert Koch-Institut ist dieser Prozess in guten Händen. Viele Forschende, so auch wir, arbeiten außerdem eng mit den Verantwortlichen dort zusammen. Allerdings werden auch Fehler passieren, aus denen alle Beteiligte lernen können, das ist ganz normal. Wichtig ist, jetzt damit zu beginnen, Daten zu sammeln und sie so zu speichern, dass sie auch nachträglich gut und in verschiedene Richtungen ausgewertet werden können. Denn so eine Datenmenge gab es noch nie und auch die Tools und die Fragestellungen werden sich in diesem Lernprozess stetig ändern.“

„Schon vor einigen Jahren haben sich die Top-Virologen – von denen viele aus Deutschland stammen – an nationale und europäische Regierungen gewandt, um für mehr Genomsequenzierung zu werben [2]. Damals hat uns niemand zugehört. Selbst verheerende Ausbrüche wie der des Ebolavirus in Westafrika haben leider nur kurzfristig, aber nicht grundsätzlich etwas an dieser Einstellung geändert. Wir können nur hoffen, dass mit der neuen Initiative Grundsteine für eine nachhaltige Genomüberwachung für Viren geschaffen wurde, die auch nach der Pandemie erhalten bleibt.“

„Denn die Notwendigkeit für eine bessere Genomsequenzierung gilt nicht nur für die akute Pandemie, sondern auch darüber hinaus. Wir verstehen derzeit noch erschreckend wenig über zirkulierende Coronaviren, wenn auch mehr als über andere, teilweise gefährlichere Viren. Es war eine Frage der Zeit, bis ein weiteres Coronavirus den Weg in den Menschen findet, allerdings ist die Intensität dieser Pandemie etwas überraschend. Doch auch weitere Viren verbreiten sich auch durch den Klimawandel stärker in immer mehr Regionen, ohne dass wir die genauen Zusammenhänge verstehen würden. Als Beispiel seien hier Dengue-Viren genannt. Wir sollten schon vor der nächsten Pandemie einen Plan davon haben, was uns alles erwarten kann. Dabei wird die Erbgutanalyse entscheidend helfen.“

„Generell gibt es verschiedene Technologien, das Erbgut von Viren zu analysieren. In dieser akuten Pandemie sind alle gebräuchlichen Methoden gleich gut – die Hauptsache ist, dass überhaupt sequenziert wird und wir Daten sammeln. Allerdings bieten fortgeschrittenere Technologien – wie das Nanopore-Sequencing, das wir anwenden – auch einige Vorteile. Mit dieser Methode kann das Erbgut weitestgehend am Stück erfasst werden und wird nicht aus vielen kleinen Teilen zusammengesetzt, wie es bei herkömmlicheren der Fall ist. Durch solch zusammenhängende Genomdaten und ihre Zurückführbarkeit auf einen gemeinsamen Ursprung können auch beispielsweise kompensatorische Mutationen detektiert werden – also Veränderungen im Erbgut, die ausschließlich gemeinsam auftreten. Sie sind meist ein Hinweis auf essenzielle Anpassungen des Virus, die beispielsweise Aufschluss darüber geben können, wie es sich repliziert. SARS-CoV-2 stellt allerdings keinen besonderen Fall hinsichtlich der Genomsequenzierung unter anderen Coronaviren dar. Wir untersuchen es genauso, wie alle anderen auch.“

Assis.-Prof. Dr. Angeliki Melidou

Expertin für Coronaviren und Influenza, European Centre for Disease Prevention and Control (ECDC), Stockholm

„Eine ausreichende Genomsurveillance ist der Schlüssel für die rechtzeitige Einführung geeigneter Maßnahmen zur Reduzierung der Übertragung der neuen besorgniserregenden Varianten.“

„Das ECDC hat einen Leitfaden für die Sequenzierung veröffentlicht [3], der Laboratorien und maßgeblichen Akteuren in der Europäischen Union, dem Europäischen Wirtschaftsraum und anderen Ländern der Europäischen Region der WHO bei Entscheidungen über die Einrichtung von Sequenzierungskapazitäten und -fähigkeiten, einschließlich der Berechnung des Probenumfangs, als Orientierung dienen soll.“

„Der Umfang der Sequenzierung ist derzeit von Land zu Land unterschiedlich, je nach verfügbaren Ressourcen und Prioritäten. In der schnellen Risikobewertung vom 21. Januar [4] empfiehlt das ECDC den Mitgliedsstaaten, die Labore auf ein erhöhtes Testvolumen vorzubereiten. Die Labore sollten die Durchführung eines diagnostischen Vorscreenings für besorgniserregende Varianten – zum Beispiel auf die Mutation N501Y und die Deletion 69-70 – in Erwägung ziehen, sicherstellen, dass Ressourcen zur Verfügung stehen, um eine steigende Anzahl von Anfragen zur Erkennung und Charakterisierung von COVID-19-Proben zu bewältigen, und die Sequenzierkapazität erhöhen.“

„Eine Zufallsstichprobe der aus positiven Fällen gewonnenen Virusisolate sollte sequenziert werden, um das Ausmaß der Zirkulation und die geografische Verteilung der Virusvarianten überwachen zu können. Um solche Varianten frühzeitig identifizieren zu können und Maßnahmen zur Infektionsprävention und -kontrolle einzuleiten, sollte außerdem der Sequenzierung von Isolaten aus folgenden Fällen besondere Priorität eingeräumt werden: Proben mit epidemiologischen Verbindungen zu Gebieten, die bekanntermaßen betroffen sind, Isolate, die im Rahmen von plötzlichen Anstiegen oder ungewöhnlichen Verteilungen von Fällen, Reinfektionen und Versagen der Behandlung mit monoklonalen Antikörpern auftreten und solche, bei denen fehlende Signale in der PCR-Diagnostik (sogenanntes S-Gen-‚Drop-out‘) auffallen.“

„Einige Länder verwenden einen Algorithmus für das Screening unter Verwendung von PCR S-Gen-Drop-Out-Proben für die Früherkennung, gefolgt von einer Bestätigung durch Sequenzierung einer Teilmenge dieser Proben, während andere Länder die Sequenzierung aller oder einer Teilmenge positiver Proben anstreben. Neue SNP-Assays (Single-Nucleotide-Polymorphism) (Methode, bei der einzelne Veränderungen in Basenpaaren – den Bausteinen des Erbgutes – detektiert werden können; Anm. d. Red.) zum Nachweis von varianten Stämmen mit spezifischen Aminosäure-Substitutionen befinden sich in der Entwicklung. Diese Assays können für das Vor-Screening von Proben auf die spezifischen Varianten, die derzeit in Europa zirkulieren, nützlich sein.“

„Nationale Gesundheitsinstitute arbeiten zusammen mit SARS-CoV-2-Referenzlaboratorien und solchen, die mit der Sequenzierung zirkulierender Viren beauftragt sind, um die Pipeline für die Probensammlung, den Virusnachweis, die Sequenzierung und die Ergebnismeldung auf nationaler und internationaler Ebene einzurichten.“

„Die Überwachung von SARS-CoV-2-Fällen auf EU/EWR-Ebene (EWR – Europäischer Wirtschaftsraum; Anm. d. Red.) findet bereits statt und wird gemeinsam vom ECDC/WHO-Regionalbüro für Europa koordiniert. Wöchentlich übermitteln die öffentlichen Gesundheitsinstitute in Zusammenarbeit mit den SARS-CoV-2-Referenzlaboratorien Überwachungsdaten für wahrscheinliche und SARS-CoV-2-Infektionen an das Europäische Überwachungssystem (TESSy). Das ECDC erstellt regelmäßig Berichte aus diesen Daten. Das ECDC hat in TESSy Variablen zur fallbasierten und aggregierten Berichterstattung implementiert, um Daten über die Anzahl der festgestellten Fälle von neuen genetischen Varianten von SARS-CoV-2 zu sammeln. Die Labore müssen die Virussequenzen an die Datenbank GISAID [5] übermitteln, und das ECDC überprüft diese Daten regelmäßig.“

„Das ECDC sammelt auch Daten, die aus öffentlichen Online-Quellen zusammengestellt wurden. Diese Daten zu Fallzahlen und Todesfällen wurden automatisch oder manuell aus nationalen/offiziellen öffentlichen Online-Quellen der EU/EWR-Mitgliedstaaten abgerufen. Es ist zu beachten, dass diese Art von Daten mehrere Einschränkungen aufweist. Informationen über die Anzahl der Variantenfälle werden auch durch diese Überprüfung von Online-Quellen gesammelt, um die über TESSy gemeldeten Informationen zu ergänzen [6][7][8].“

„Labore sollten ihre Sequenzier-Pipelines validieren und nach den etablierten Standards der Laborpraktik arbeiten. Die vom ARTIC-Netzwerk [9] veröffentlichten Open-Source-Laborpipelines bieten auch zugehörige Datenanalyse-Pipelines, die den Datenanalyseprozess vereinfachen. Das ECDC hat ein External Quality Assessment (EQA) für den molekularen Nachweis gestartet und plant ein zweites, das auch die neuen Varianten einschließt. Es gibt jedoch noch keinen Plan für ein ECDC-EQA-Schema für die Sequenzierung.“

„Um die Einschleppung bekannter Varianten sowie das Auftreten neuer Varianten zu erkennen, müssen die Mitgliedstaaten das Niveau der Überwachung und Sequenzierung einer repräsentativen Stichprobe von COVID-19-Fällen erhöhen. Die rasche Erkennung neuer Varianten und die Überwachung der Zirkulation dienen als Grundlage für Reaktionsmaßnahmen, Kontaktverfolgung, Pandemiestrategie und so weiter. Mit der Einführung von Impfstoffen wird die Sequenzierung von Viren Studien zur Wirksamkeit von Impfstoffen und Entscheidungen über die Zusammensetzung des Impfstoffs unterstützen. Die Sequenzierung wird auch benötigt, um Reinfektionen zu identifizieren und zu untersuchen. Schließlich wird die Sequenzierung benötigt, um die Evolution des Virus zu überwachen und Aminosäuresubstitutionen zu identifizieren, die Veränderungen in der Antigenität oder Pathogenität der Viren oder der Empfindlichkeit gegenüber antiviralen Medikamenten bewirken können.“

Prof. Sharon Peacock

Executive Director and Chair of the COVID-19 Genomics UK (COG-UK) consortium, and Professor of Public Health and Microbiology, Departement of Medicine, University of Cambridge, and Director of Science (Pathogen Genomics), Public Health England

„Die Sequenzierung von SARS-CoV-2-Genomen liefert Informationen über die Evolution und Übertragungsdynamik des Virus, die über Tests – PCR, Lateral Flow, Antigen- oder Antikörper-Tests –, Hospitalisierungs- oder Mortalitätsdaten nicht zugänglich sind. Sie ermöglicht außerdem die Überwachung der Evolution von Varianten/Linien mit Kombinationen von Mutationen, die das biologische Verhalten des Virus beeinflussen könnten - zum Beispiel im Hinblick auf Veränderungen in der Schwere der verursachten Krankheit, Veränderungen in der Übertragung oder Veränderungen in der Erkennung durch das Immunsystem, unabhängig davon, ob es durch einen Impfstoff oder eine Infektion ausgelöst wurde. Die Integration der Genomsequenzierung in Ausbruchsuntersuchungen kann zudem dazu genutzt werden zu verstehen, wie gut die Maßnahmen zur Infektionskontrolle funktionieren, und kann dazu beitragen, Übertragungswege aufzudecken, die bisher übersehen wurden.“

„Das COVID-19 Genomics UK Consortium im Vereinigten Königreich, kurz COG-UK, erhält Proben von Diagnoselaboren des National Health Service (NHS) (Säule 1) und Lighthouse-Laboren (nationale COVID-19-Testlabore; Säule 2) in Form von einzelnen Röhrchen und 96-microwell plates (Mikrotiterplatten, in denen 96 Proben gleichzeitig vorgehalten werden; Anm. d. Red.). Diese Proben sind eine Mischung aus positiven und negativen Tests, so dass die COG-UK-Forscher identifizieren müssen, welche Proben positiv sind (basierend auf den Informationen, die mit jeder Probe verbunden sind) und dann die Proben für die Sequenzierung ‚herauspicken‘ müssen. Der Prozentsatz der sequenzierten Proben hängt von den COVID-19-Infektionsraten und dem Anteil der positiven Proben ab, aber derzeit sequenziert COG-UK zwischen 10.000 und 20.000 positive Proben pro Woche über das Netzwerk der Labore im Konsortium.“

„Das Verständnis der viralen Evolution und der Übertragungsmuster, die durch die gezielte Sequenzierung von Proben aus mutmaßlichen Ausbrüchen oder Untergruppen der Bevölkerung – wie beispielswiese derjenigen, die Impfstoffe erhalten – aufgedeckt werden können, ist nur möglich, wenn ausreichend Genomsequenzdaten aus der Gemeinschaft in der Umgebung zur Verfügung stehen. Für die Untersuchung von Ausbrüchen ist die Schnelligkeit vom Erhalt einer positiven Probe bis zur Lieferung der Genomsequenzen für die Analyse von entscheidender Bedeutung, und in Versuchen für bestimmte lokale Ausbrüche war COG-UK in der Lage, dies in nur 24 Stunden zu erledigen.“

Auf die Frage, welche Strukturen national und transnational benötigt werden, um eine Überwachung zu gewährleisten und welche Standards gelten sollten:
„Der Erfolg von COG-UK ist zu einem großen Teil der Zusammenarbeit zwischen den vier britischen Gesundheitsbehörden, akademischen Einrichtungen im ganzen Land – einschließlich des Wellcome Sanger Institute, das circa 50 Prozent der Genome sequenziert hat – sowie dem National Health Service (NHS) und den Lighthouse-Laboren zu verdanken. Die Grundlage für diese Zusammenarbeit wurde in einem formellen Konsortialvertrag kodifiziert, der von allen Partnern unterzeichnet wurde. COG-UK verfügt über eine Governance-Struktur, die eine gute ethische Praxis auf allen Ebenen sicherstellen, die Koordination der Aktivitäten optimieren und dazu beitragen soll, die Ziele der Konsortien zu erreichen. Der Direktor übernimmt die Führung und arbeitet eng mit der Lenkungsgruppe zusammen, die die Verantwortung für das Management des gesamten Programms und die Kommunikation mit den Geldgebern trägt. Die Management-Gruppe kümmert sich um die operative Komponente der Konsortien und arbeitet mit den verschiedenen Partnern zusammen, um Daten zu liefern und Analysen zu erleichtern. Die Governance-Gruppe bietet dem Direktor unabhängige Beratung und Anleitung. Der Konsortialvertrag sowie die ‚Terms of References ‘ für jede Gruppe definieren die Funktion und bilden den rechtlichen Rahmen. COG-UK ist eine Untergruppe der Scientific Advisory Group for Emergencies (SAGE), die die britische Regierung bei der COVID-19-Pandemie berät. COG-UK interagiert direkt mit den Chief Scientific and Medical Officers der britischen Regierung und den dezentralen Verwaltungen.“

„Die von COG-UK generierten Sequenzdaten beruhen auf den heroischen und größtenteils freiwilligen Bemühungen von Forschern aus allen Institutionen des Netzwerks, ohne die das Konsortium gescheitert wäre. Damit die beispiellose Menge an viralen Sequenzdaten – mittlerweile über 200.000 Genome – verwaltet und analysiert werden kann, bauten die Mitglieder von COG-UK auf der bestehenden Cloud-Infrastruktur für mikrobielle Bioinformatik (CLIMB) auf, um eine nationale Infrastruktur für COVID-19-Genomik zu schaffen, die mit epidemiologischen Daten von den Public Health Behörden (PHA) der Länder und dem NHS verknüpft ist. Es wurde ein Data Sharing Agreement erarbeitet, um diese Integration von epidemiologischen und Patientendaten mit den Genomsequenzdaten in einer sicheren und verwalteten Weise zu ermöglichen, die es den Forschern erlaubt, die aus den Genomdaten gewonnenen Erkenntnisse zu maximieren und gleichzeitig die Privatsphäre der Patienten zu schützen.“

„COG-UK ist ein starker Befürworter der offenen Wissenschaft. Alle von COG-UK generierten Genomsequenzdaten werden in offenen Datenbanken – GISAID, NextStrain und dem European Nucleotide Archive – hinterlegt, während alle Protokolle, bioinformatischen Tools und Publikationen offen zugänglich gemacht werden. COG-UK arbeitet mit einer Reihe anderer Einrichtungen zusammen, die als Teil der britischen COVID-19-Response gegründet wurden, darunter andere SAGE-Untergruppen, GenOMICC und das kürzlich angekündigte ‚G2P-UK‘ National Virology Consortium.“

Auf die Frage, welche Fragen mit Genomsequenzierung beantwortet werden können, die aktuell noch offen bleiben:
„COG-UK generiert Sequenzdaten, die für eine Reihe von Forschungs-, Ausbruchsuntersuchungen und Überwachungszwecken verwendet werden. Dazu gehören: Das Verständnis der Dynamik der SARS-CoV-2-Epidemie in Großbritannien, einschließlich der Virusimporte und der Übertragung im Lande; das Verstehen der Muster der SARS-CoV-2-Übertragung in Krankenhäusern, Pflegeheimen, Universitäten, am Arbeitsplatz und in der weiteren Umgebung sowie die Überwachung der Entwicklung neuer Varianten, die für weitere phänotypische Untersuchungen priorisiert werden sollten.“

„In dem Maße, wie die internationalen Bemühungen zur Sequenzierung von SARS-CoV-2 zunehmen, wird es möglich sein, Genomdaten zu nutzen, um ein höher aufgelöstes Bild der Bewegung der viralen Linien auf der ganzen Welt zu erstellen und potenziell Möglichkeiten zur gezielten Unterbrechung von Übertragungswegen zu identifizieren.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Prof. Dr. Joachim L. Schultze: „Keine.“

Alle anderen: Keine Angaben erhalten.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Hölzer A et al. (2019): Virus- and interferon alpha-induced transcriptomes of cells from the microbat Myotis daubentonii. iScience; 19: 647-661. DOI: 10.1016/j.isci.2019.08.016.

[2] Marz M et al. (2014): Challenges in RNA virus bioinformatics. Bioinformatics; 30 (13): 1793–1799. DOI: 10.1093/bioinformatics/btu105.

[3] ECDC (2021): Sequencing of SARS-CoV-2: first update. Webseite des ECDC.

[4] ECDC (2021): Risk assessment on COVID-19, 21 January 2021. Webseite des ECDC.

[5] Webseite GISAID Inititiative.

[6] EDCD (2021): EU level surveillance of COVID-19. Webseite des ECDC.

[7] EDCD (2020): How ECDC collects and processes COVID-19 data. Webseite des ECDC.

[8] ECDC (2020): Situation updates on COVID-19. Webseite des ECDC.

[9] Webseite des Artic-Netzwerks.

Literaturstellen, die vom SMC zitiert wurden

[I] Bundesministerium für Gesundheit: Verordnung zur molekulargenetischen Surveillance des Coronavirus SARS-CoV-2 (Coronavirus-Surveillanceverordnung – CorSurV). Bundesanzeiger, 19.01.2021.

[II] Robert Koch-Institut (18.01.2021): Deutscher elektronischer Sequenzdaten-Hub (DESH).

[III] Centogene (26.01.2021): CENTOGENE veröffentlicht erste Ergebnisse zur Sequenzierung positiver COVID-19 Befunde auf neue SARS-CoV-2 Varianten. Pressemitteilung.

[IV] Robert Koch-Institut (22.01.2021): Handlungsanleitung für primärdiagnostizierende Labore zur Auswahl von SARS-CoV-2-positiven Proben für die Sequenzierung im Rahmen der Coronavirus-Surveillanceverordnung (CorSurV).