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Pandemie Spezial

Aus fünf mach eins

Pool-Bildung von PCR-Einzeltests bietet Ausweg bei begrenzten Testkapazitäten

Im Juli 2020 überschritt die Zahl wöchentlicher PCR-Tests auf SARS-CoV-2 die 500.000, mittlerweile schrammt sie an der Millionengrenze. Testmaterialien werden knapp, Laborverbände beklagen eine Überlastung. Was sie allerdings ablehnen, und was auch in der aktuellen Diskussion um neue Teststrategien kaum angekommen ist: Gruppentests durch „Pooling“ mehrerer Einzeltests. Sie stellen eine ressourcenschonende und praktikable Option dar, um asymptomatische Personen zu testen. | Von Ralf Schlenger 

Es ist keine Hexerei: Man poolt die Abstriche mehrerer Testpersonen und analysiert zum Beispiel statt fünf individueller Tests eine Sammelprobe. Fällt der Sammeltest negativ aus, spart man sich den Material- und Zeitaufwand für die Einzeltests. Ist er positiv, führt man zusätzliche Tests mit den zurückbehaltenen Proben durch. Die Sache ist auch nicht neu: PCR-Pool-Testung wurde beispielsweise mit dem Aufkommen von Aids in den 1990er-Jahren als Nachweis für HI- und Hepatitis-Viren im Blutspendewesen eingeführt.

Doch der Teufel steckt im Detail. Wie steht es um die analytische Zuverlässigkeit der Pool-Testungen im Vergleich zur Einzeltestung? Wie verlässlich sind negative Ergebnisse, wenn Proben verdünnt werden? Bei welchen Prävalenzraten lassen sich Gruppentests sinnvoll durchführen? Für welche Settings bietet es sich überhaupt an – für begrenzte Gruppen wie medizinisches Personal oder für ein Massenscreening? Wie verhält sich der organisatorische Mehraufwand zur erzielten Kosten- und Reagenzieneinsparung? Verschiedene Arbeitsgruppen in Deutschland wie international haben sich auf die Suche nach Antworten begeben und haben praktikable Verfahren für Gruppentestungen auf SARS-CoV-2-beschrieben.

FACT: Frankfurt Adjusted COVID-19 Test

Erfahrung mit Massenscreening haben die Blutspendedienste. Ein Pooling-Verfahren für Tests auf SARS-CoV-2 wurde von Mitarbeitern des Blutspendedienstes beim Deutschen Roten Kreuz in Frankfurt/Main um Prof. Dr. Erhard Seifried (Institut für Transfusionsmedizin und Immunhämatologie) und Prof. Dr. Sandra Ciesek (Institut für Medizinische Virologie des Universitätsklinikums der Goethe-Universität) schon Ende März vorgestellt: der Frankfurt Adjusted COVID-19-Test (FACT) [1]. Einzelproben werden dabei auf dem üblichen Weg gewonnen. Jeder Abstrichtupfer wird im Speziallabor in sein Archivröhrchen (als Rückstellmuster) gegeben und anschließend in ein gemeinsames Pool-Gefäß mit etwa fünf Proben. Entscheidend: Die Untersucher konnten nachweisen, dass bei mehrmaligem Auswaschen eines Abstrichstäbchens die Viruskonzentration im Eluat nicht signifikant abnimmt [2]. „Da sich bei dieser Methode das Volumen im Pool-Gefäß nicht vermehrt, wird keine Verdünnung und damit keine Abnahme der Sensitivität beobachtet“, erklärt Prof. Dr. Sandra Ciesek. Ringversuche hätten auf die Gleichwertigkeit von Einzel- und Pool-Testung nach diesem Verfahren hingedeutet, auch bei Proben mit geringer Konzentration an Virusmaterial. Die Nachtestung im Falle eines positiven Pools dauere bei einem vollautomatischen Prozess nur etwa vier Stunden, sagt Prof. Dr. Erhard Seifried [1].

Nicht geeignet ist die Pooling-Methode für die Testung symptomatischer Patienten mit Verdacht auf SARS-CoV-2-Infektion mit einer hohen Wahrscheinlichkeit auf ein positives Testergebnis, stellt Seifried klar. Ihre Domäne sei das Screening systemrelevanter Gruppen wie Mitarbeitern im Gesundheitswesen und der (Alten-)Pflege, bei Polizei, Feuerwehr, sowie von besonders gefährdeten Menschen wie in Pflege- und Altenheimen.

Berlin: Pool-Tests bei Mitarbeitern der Notaufnahmen

An der Charité Berlin wurde schon im April ein Screening-Programm für Mitarbeiter der Zentralen Notaufnahme (ZNA) entwickelt und validiert [3]. „Sie entnehmen auf freiwilliger Basis mindestens wöchentlich selbst einen tiefen Nasen- und Rachenabstrich und erstellen auch den Pool von drei bis fünf Proben selbst“, erläutert Prof. Dr. Martin Möckel, Leiter der Notfall- und Akutmedizin. Bei den „Tupfer-Pools“ werden keine zu lagernden Rückstellmuster gebildet. Positive Pools werden nach einem fixen Protokoll aufgelöst, die betreffenden Personen erneut einzeln getestet. Nur die positiven Tests einzelner Mitarbeitender werden intern und behördlich wie vorgeschrieben gemeldet. Ein Vorteil des Verfahrens ist der geringe Aufwand ohne weiteres Personal und ohne Anlegen von Schutzkleidung. Vermieden würde durch das „Eigen-Pooling“ auch eine eventuelle sekundäre Kontamination der Proben im Labor. Der Ansatz freiwilliger Testung führe zu hoher Akzeptanz und Zufriedenheit des Personals, so Möckel.

Während eines Zeitraums von rund drei Monaten kamen zu rund 600 Pool-Tests (entsprechend 1800 bis 3000 Einzeltests) nur 13 Einzeltests infolge positiver Pools. Eine Mitarbeiterin war letztlich SARS-CoV-2-positiv. Alle Pools bis 14 Tage nach diesem Ereignis blieben negativ, sodass man von keiner weiteren Ansteckung von Mitarbeitenden ausgehen musste.

„Ein freiwilliges Pool-Testen selbst durchgeführter Abstriche auf SARS-CoV-2 stellt in Bereichen mit hohem Risiko wie den Notaufnahmen eine wirksame und kosteneffektive Maßnahme zum Personalschutz und einer unbemerkten Ausbreitung von COVID-19 in medizinischen Teams dar“, schlussfolgert Möckel.

Testkapazitäten schonen

Anzahl notwendiger Testungen bei einem Mini-Pool von fünf Proben in Abhängigkeit von der Häufigkeit positiver Fälle. Die Abstriche von z. B. 1000 Personen erfordern in der ersten Runde 200 Tests. Sind alle negativ, ist kein weiterer Test erforderlich. Liegt die Prävalenz in dem Kollektiv bei 1%, sind 10 Teilnehmer positiv. Im ungünstigsten Fall, dass sie sich auf zehn Pools verteilen, wären 50 Einzeltests erforderlich, insgesamt nicht also mehr als 250 Tests (statt 1000 bei Individualtestung). Liegt die Prävalenz bei 10%, wären 500 Nachtestungen nötig, also insgesamt 700 Tests. Bei höherer Durchseuchung, nähert sich die Anzahl erforderlicher Test jener der Individualtestung an, um sie bei einer Prävalenz von 20% zu übersteigen, wie die Tabelle illustriert.

(nach: Prof. Dr. Jörg Hofmann. Institut für Virologie, Charité – Universitätsmedizin Berlin und Labor Berlin – Charité Vivantes GmbH)

Tab.: Häufigkeit der Testungen in Abhängigkeit von der Prävalenz
Prävalenz ­positiver Proben
Pool-Tests
Einzel-Tests
Summe
0
200
0
200
10 (1%)
200
50
250
50 (5%)
200
250
450
100 (10%)
200
500
700
200 (20%)
200
1000
1200

Saarland: Ausreichend sensitiv bis 30 Proben

Auch an der Universität des Saarlandes wurde ein Protokoll entwickelt, Abstriche bei asymptomatischem medizinischem Personal im Pool-Verfahren zu analysieren. Im März 2020 wurden bei 1191 Abstrichen nur 267 PCR-Tests benötigt, um 23 SARS-CoV-2-positive Personen zu identifizieren. „Unser molekularbiologisches Verfahren mittels RT-PCR war so empfindlich, dass wir Proben von bis zu 30 Personen in einem Teströhrchen zusammenführen konnten, um mit einem einzigen Test ein positives Ergebnis zu erhalten, auch wenn nur eine einzelne Probe tatsächlich Viren enthielt“, erklärte Prof. Dr. Sigrun Smola, Direktorin des Instituts für Virologie am Universitätsklinikum des Saarlandes [4]. Das Protokoll der Arbeitsgruppe um Erstautor Stefan Lohse, publiziert in „Lancet Infectious Diseases“, beschreibt Pool-Größen zwischen vier und 30 Proben und Ct-Werte (Cycle Threshold, Schwellenwertzyklus, s. Kasten „Der Ct-Wert“) unter 30, womit Abstriche sicher als positiv eingeordnet werden könnten [5]. Smola räumt ein, dass bei großen Pool-Bildungen grenzwertig positive Einzelproben unentdeckt bleiben könnten. Die Pool-Größe könne aber an verschiedene Infektionsszenarien angepasst werden. Andersherum, bei niedriger zu erwartender Infektionsprävalenz (geringer Vortestwahrscheinlichkeit, s. „Wie Testergebnisse zu interpretieren sind … und warum ein negativer PCR-Test längst keinen Freibrief darstellt“ DAZ 2020, Nr. 21, S. 28) schlagen die Saarländer gar die Bildung von Sub-Pools vor, was die Anzahl der Re-Testungen weiter reduziere.

Freiburg: Hart an der Nachweisgrenze

Einen weiteren „proof of concept“ des Mini-Pooling veröffentlichten Virologen um Prof. Dr. Marcus Panning in Freiburg ebenfalls schon Ende März [6]. Die Autoren verwendeten hier Nukleinsäurepräparationen aus den Abstrichen. Dass die RNA-Eluate beim Pooling-Vorgang 1 : 10 verdünnt wurden, spiegelte sich in einer fast exakt zehnfach höheren unteren Nachweisgrenze wider. Die Autoren sehen indes auch bei Mini-Pools dieser Größe eine ausreichende Empfindlichkeit der PCR-Tests. Bei mild erkrankten oder asymptomatischen Personen sei aber über die Viruslast zu wenig bekannt.

Der Ct-Wert

Der Ct-Wert (Cycle Threshold, Schwellenwertzyklus) spielt vor allem für die Quantifizierung von Nukleinsäuremolekülen bei einer real-Time-quantitativen PCR eine Rolle. Er beschreibt den Anfang des exponenziellen Wachstums einer Kurve und stellt die Zahl der Amplifikationszyklen dar, die nötig sind, um Virusgene nachzuweisen. Als relatives Maß für die Konzentration des Ziels in der PCR-Reaktion erhöht er sich mit abnehmender Konzentration des Virusmaterials.

Laborverband beharrt auf Individualtestungen

Das Pooling von SARS-CoV-2-Tests sieht man beim Interessenverband der Akkreditierten Labore in der Medizin (ALM e. V.) grundsätzlich kritisch. Noch am 30. Juni 2020 waren die Kontra-Argumente einer Pressemitteilung, dass in Deutschland die Testkapazität die Anzahl der angeforderten Tests deutlich übersteige, dass sie flächendeckend verfügbar sei, auch in ländlichen Gebieten, und dass sie kontinuierlich ausgeweitet werde. Letzteres ist geschehen, aber nach der Ausweitung der nationalen Teststrategie (etwa mit Pflichttests von Reiserückkehrern) räumt man im September beim ALM ein, „am Limit“ zu sein. Die Testanforderungen überstiegen in vielen Laboren bereits die rationierten Liefermengen an Reagenz- und Verbrauchsmaterialien. Als Ausweg fordert man ein gezielteres Testen [7]. Gegen Pooling-Lösungen argumentiert man wie bisher, ein Kostenvorteil in der medizinischen Routineversorgung sei kaum zu erwarten. Kostensenkungen beim Reagenzverbrauch würden durch die deutlich erhöhten Organisations- und Prozesskosten mehr als verbraucht [8, 9].

Dem widersprechen Mediziner wie Prof. Dr. Sandra Ciesek deutlich: „Den Mehraufwand für Fachpersonal eingerechnet, sparen wir mit der Mini-Pool-Methode an der Uniklinik Frankfurt rund ein Drittel der Laborkosten ein“, sagt die Virologin. Im Falle, dass kaum zusätzliche Laborarbeit nötig ist, wie in der Notaufnahme der Charité praktiziert, liegen die prozentualen Einsparungen weit höher, rechnet ihr Leiter Prof. Dr. Martin Möckel vor. „Das Labor möchte natürlich so viel testen wie es geht, denn damit wird Geld verdient“, meint er.

Abb. 1: Die Mini-Pool-Methode, entwickelt von Frankfurter
Wissenschaftlern von Uniklinikum, DRK Blutspendedienst
und Goethe-Universität, erhöht die Testkapazität zum Nachweis
des Virus bei unveränderter Empfindlichkeit des Tests.(nach: Michael Schmidt, DRK Blutspendedienst Institut Frankfurt [1])

Weiterhin geht man beim Interessenverband der Akkreditierten Labore in der Medizin von einem „unstrittigen Verlust an diagnostischer Sensitivität einer PCR-Untersuchung beim Poolen“ aus. Das bestätigen die vorliegenden Untersuchungen so pauschal keinesfalls – insbesondere, wenn, wie bei dem Frankfurter FACT-Modell, gar keine Verdünnung stattfindet. „Rein technisch gibt es beim Pooling ausgereifte Lösungen, die in der Lage sind, bei ausreichender Sensitivität den Probendurchsatz gewaltig zu erhöhen“, sagt Prof. Dr. Marcus Panning aus Freiburg. Vor diesem Hintergrund hält der Virologe Einwände wie mögliche Haftungsfragen, Probenverwechslung oder Zeitverlust für fragwürdige Argumente.

Pooling-Pilotprojekt: Jena geht (wieder) voran

Ungeachtet der politischen und wissenschaftlichen Diskussion hat man im thüringischen Jena eine eigene Teststrategie gestartet. In der Stadt, die schon in der Hochphase der Pandemie durch ihr effektives Pandemie-Management glänzte, geht man weg von Individualtests hin zu einer Pool-Lösung. Petra Dickmann, Leiterin des Bereiches Public Health an der Uniklinik Jena, will an „sensiblen Orten“ wie Alten- und Pflegeheimen, Kitas und Schulen, aber auch bei größeren Feiern, regelmäßig testen lassen. Statt des invasiven Nasen/Rachenabstrichs sollen einfach durchzuführende Rachen- und Mundspülungen die Probennahme erleichtern. Jede Woche soll eine bestimmte Anzahl von Proben in Pools aus zehn Einzelproben gebündelt und analysiert werden. Die Pooling-Lösung spare Ressourcen und mache die Arbeit auch für die Labors planbar, so Dickmann [10].

Fazit: Pools mit fünf bis zehn Proben als guter Kompromiss

  • Durch geeignete Pooling-Verfahren können nicht nur definierte homogene Gruppen wie medizinisches Personal, sondern auch große Kohorten asymptomatischer Menschen getestet werden.
  • Dies ermöglicht eine massive Einsparung insbesondere von Testkits, die derzeit vielerorts knapp werden.
  • Die publizierten Verfahren unterscheiden sich grundlegend in der Herstellung und Art des Probengemischs und der Zahl der Proben im Pool. Damit sind sie unterschiedlich aufwendig und sensitiv und eignen sich nicht unbedingt außerhalb des geprüften Settings.
  • Zumindest bei kleinen Pool-Größen (fünf bis zehn Proben) ist die diagnostische Sensitivität zur Erkennung deutlich positiver Proben (Ct-Werte < 30) nicht reduziert.
  • Selbstabstriche mit Bildung von Tupfer-Pools reduzieren im Vergleich zur Pool-Bildung im Labor den organisatorischen und Prozess-Aufwand am meisten, jedoch unter Verzicht auf Rückstellmuster. |

Literatur

 [1] Corona-Test: Pool-Methode steigert Kapazität enorm. Informationen der European Hospital Verlags GmbH, Stand: 31. März 2020, https://healthcare-in-europe.com/de/news/corona-test-pool-methode-steigert-kapazitaet-enorm.html

 [2] Schmidt M et al. FACT – Frankfurt adjusted COVID-19 testing – a novel method enables high-throughput SARS-CoV-2 screening without loss of sensitivity. medRxiv vom 1. Mai 2020, doi: https://doi.org/10.1101/2020.04.28.20074187

 [3] Möckel M, Hofmann J, Edelmann A, Schwarzer R et al. Konzept und Validierung einer SARS-CoV-2-Pooltestung bei Mitarbeitenden der Notaufnahmen Das Krankenhaus 2020;8: 688-691

 [4] NN. Pooling-Verfahren ermöglicht Corona-Massentests. aerzteblatt.de vom 5. Mai 2020, www.aerzteblatt.de/nachrichten/112549/Pooling-Verfahren-ermoeglicht-Corona-Massentests#comments

 [5] Lohse S et al. Pooling of samples for testing for SARS-CoV-2 in asymptomatic people. The Lancet Infectious Diseases, published 28. April 2020, DOI:https://doi.org/10.1016/S1473-3099(20)30362-5

 [6] Eis-Hübinger et al. Ad hoc laboratory-based surveillance of SARS-CoV-2 by real-time RT-PCR using minipools of RNA prepared from routine respiratory samples. medRxiv vom 31. März 2020, https://doi.org/10.1101/2020.03.30.20043513

 [7] NN. Über 400.000 PCR-Tests in der vergangenen Woche: Facharztlabore sichern die Ausweitung der Teststrategie in den „Hotspot-Regionen“. Akkreditierte Labore in der Medizin – ALM e. V., Stand 30. Juni 2020, www.alm-ev.de/pressemitteilung/ueber-400000-pcr-tests-in-der-vergangenen-woche-facharztlabore-sichern-die-ausweitung-der-teststrategie-in-den-hotspot-regionen.html

 [8] NN. Rund eine Million SARS-CoV-2-PCR-Tests in der vergangenen Woche – Labore mahnen erneut zielgerichtete Testung an. Akkreditierte Labore in der Medizin – ALM e. V., Stand 1. September 2020, www.alm-ev.de/pressemitteilung/rund-eine-million-sars-cov-2-pcr-tests-in-der-vergangenen-woche-labore-mahnen-erneut-zielgerichtete-testung-an.html

 [9] Positionspapier „Pooling“ (Gruppentestung) zum PCR-Direktnachweis des Coronavirus SARS-CoV-2. Akkreditierte Labore in der Medizin – ALM e. V., Stand: 15. Mai 2020, https://ladr.de/sites/all/themes/cont/files/_01_bilder/01_medizin/02_beratung/infektiologie/200515_ALM-POSITIONSPAPIER_SARS-CoV-2-POOLING.pdf

[10] Weiß F. Neues Frühwarnsystem in Jena: Kampf gegen Superspreader: Deutsche Vorzeige-Stadt probt den „Corona-Bewegungsmelder“. Focus-online vom 11. September 2020, www.focus.de/perspektiven/gesellschaft-gestalten/testergebnis-noch-am-selben-tag-wie-pilotprojekt-aus-corona-vorzeigestadt-jena-unser-testsystem-revolutionieren-kann_id_12417561.html

Autor

Ralf Schlenger ist Apotheker und arbeitet als freier Autor und Medizinjournalist in München.

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