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Das im Januar 2020 erstmals nachgewiesene Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) [1] ist der Erreger der Corona Virus Disease 2019 (COVID-19), die am 11. März 2020 als Pandemie klassifiziert wurde [2]. Bereits am 27. Februar 2020 erklärte das deutsche Bundesgesundheitsministerium, die Epidemie habe Deutschland erreicht [3]. Bis Anfang November 2022 wurden in Deutschland über 35 Millionen COVID-19 Fälle und rund 153.000 Todesfälle an das Robert Koch-Institut übermittelt [4]. Zu Beginn der Pandemie wurden in Deutschland drastische Maßnahmen zur Eindämmung des Infektionsgeschehens beschlossen, wie Ausgangsbeschränkungen und die Schließung von Schulen und Kindertageseinrichtungen (Kitas). Aus früheren Studien war bekannt, dass das Übertragungsrisiko viraler Erkrankungen in Kitas durch das enge Zusammensein in Gruppen begünstigt wird und dass das Vorkommen von verschiedenen Infektionskrankheiten in der Bevölkerung oftmals mit Infektionsgeschehen in Kitas assoziiert ist [5], [6].

Schulschließungen können allerdings die physische und psychische Gesundheit von Kindern und Jugendlichen gravierend beeinträchtigen [7]. Um wiederholten großflächigen Schulschließungen in der SARS-CoV-2 Pandemie entgegenzuwirken, wurden auch in Deutschland verschiedene Surveillance-Programme als Pilotprojekte initiiert bzw. in größerem Maßstab umgesetzt. Die Studien STACAMA bzw. STACADO zielten auf die Ausbruchsvermeidung an Magdeburger Schulen bzw. einem Regensburger Internat ab [8], [9]. Die WICOVIR Studie adressierte Schulen in Bayern [10], die B-FAST Studie Schulen in Nordrhein-Westfalen [11], [12], [13]. Die genannten Studien basierten auf Nukleinsäure-basierten Methoden zur Detektion der SARS-CoV-2 Infektionen, die deutlich sensitiver und spezifischer sind als Antigentests und so virales Genmaterial noch vor der Infektiosität eines infizierten Trägers detektieren können [14]. Im Vergleich zu Antigentests sind PCR-Tests jedoch aufwändiger und bedürfen eines höheren apparativen Aufwands, weswegen diese vorwiegend von akademischen Instituten und kommerziellen Labordienstleistern durchgeführt werden. Die Probenahme kann durch Abstriche, Rachenspülung (Gurgeln) oder die Gewinnung von Speichel (z. B. durch „Lolli-Tests“) erfolgen [9], [12]. Dieser Artikel beschreibt die Etablierung eines PCR-Labors zur regionalen Pandemieeindämmung sowie die Erfahrungen des Labors in der SARS-CoV-2 Pandemie zwischen Juli 2021 und Juni 2022.

Im Frühjahr 2021 erarbeiteten Mitglieder der Führungsgruppe Katastrophenschutz Nürnberger Land ein Testkonzept zur Flankierung der pandemischen Lage, in dem auch PCR-Tests eine zentrale Rolle spielten. In Erwartung einer Überlastung bestehender kommerzieller Labore gründeten im Mai 2021 drei Privatpersonen und sieben mittelständische Betriebe die „Wirtschaftskraft Nürnberger Land GmbH“, um schnellstmöglich ein PCR-Labor zu betreiben. Die ehrenamtlich tätige Geschäftsführung verfolgte keine Gewinnabsicht. Der Landrat des Landkreises Nürnberger Land, die im Kreistag vertretenen Parteien sowie mehrere Behörden begrüßten die Idee. Die Initiatoren einte die Mission, das regionale SARS-CoV-2 Infektionsgeschehen durch eng getaktetes PCR-Screening asymptomatischer Personen öffentlicher und privater Einrichtungen faktenbasiert zu beobachten und nach Möglichkeit einzudämmen. Eine gewichtige Rationale dahinter war, somit Schul- und Kindergartenschließungen zu verhindern. Auch Unternehmen erhielten die Möglichkeit, an den Screeningtests teilzunehmen. Das PCR-Labor wurde in den Räumen einer Gesundheitseinrichtung im Landkreis Nürnberger Land eingerichtet und ging im Juli 2021 unter Mitnutzung der WICOVIR IT-Infrastruktur [10] in Betrieb. Mit Beginn des Schuljahres 2021/2022 sollten bis zu 35.000 Kinder zweimal wöchentlich getestet werden können.

Das Labor verfügte nach Fertigstellung unter anderem über zwei Sicherheitswerkbänke, ein UV-Kabinett für PCR-spezifische Arbeiten und weitere Ausstattung eines molekularbiologischen Nachweislabors. Verbrauchsmittel und molekularbiologische Reagenzien wurden von etablierten Herstellern und Vertrieben bezogen. Es wurde als Umweltlabor für niederschwellige PCR-Testung auf SARS-CoV-2 konzipiert, für die biologische Sicherheitsstufe 2 zugelassen und von der Prüfgesellschaft Dekra nach DIN EN ISO 9001 zertifiziert. Das von den teilnehmenden Einrichtungen eingesandte Probenmaterial bestand aus vereinigten Gurgelaten („Gurgel-Pools“) oder Tupfern („Lolli-Pools“) mit maximal 25 Proben pro Pool. Im Falle eines positiven Signals bei einem Pool wurden sämtliche Rückstellproben der im Pool vertretenen Einzelpersonen nachgetestet. Die Proben der beteiligten Einrichtungen wurden dem Labor in der Regel binnen 90 min, teils in weniger als 30 min, nach Probenahme per Kurier zugestellt. SARS-CoV-2-RNA wurde durch ein etabliertes, frei zugängliches RT-PCR-Protokoll [15] für quantitative real-time-PCR (RT-PCR) nachgewiesen. Das Labor bearbeitete die Proben von der Erfassung und Aufbereitung über die Herstellung der Reaktionsgemische bis zur Auswertung der RT-PCR-Signale mit einem niedrigen Automatisierungsgrad. Herzstück waren zwei qTOWER³ RT-PCR-Thermocycler (Analytik Jena) für Reaktionen im 96-well-Format. Die Kapazität des Labors belief sich auf ca. 700 gepoolte oder einzelne Proben pro Tag. Den einsendenden Einrichtungen wurden die Ergebnisse der Pooltestungen umgehend nach Fertigstellung, meist am Nachmittag des Testtages, mitgeteilt, damit ggf. schon Isolationsmaßnahmen für Gruppen ergriffen werden konnten. Nach Poolauflösung wurden die positiven Einzelergebnisse in der Regel ebenfalls noch am Testtag an die Einsender mitgeteilt und zusätzlich vor 7 Uhr des Folgetages an das Deutsche Elektronische Melde- und Informationssystem (DEMIS) gemeldet, so dass Gesundheitsämter und das Robert Koch-Institut über positive Nachweise schnell und digital informiert wurden. Für einen Teil der positiven Proben wurde am Institut für Virologie des Universitätsklinikums Erlangen eine Variantentestung durchgeführt. Hierfür wurden die SARS-CoV-2-Variant-I-, Variant-IV- und Variant-VII-Assays der Fa. Seegene (Seoul, Republik Korea) eingesetzt.

Rund 135 Einrichtungen der Landkreise Nürnberger Land, Erlangen-Höchstadt, Ansbach, sowie der Städte Nürnberg und Erlangen nahmen das Screening-Angebot des PCR-Labors wahr. Damit betrug das Einzugsgebiet für das Labor etwa 3.600 km² (Abbildung 1 [Abb. 1]). Die meisten der Einrichtungen waren Kindergärten und Kindertagesstätten verschiedener Träger sowie Schulen und privatwirtschaftliche Unternehmen. Letztere trugen die Kosten für das Screening selbst, während in den anderen Fällen der Landkreis Nürnberger Land bzw. das Land Bayern die Finanzierung übernahmen. Zwei Tests pro Woche und Einrichtung etablierten sich als adäquate Frequenz in Übereinstimmung mit der Literatur [11], [12]. Die Anzahl der wöchentlich getesteten Pools erhöhte sich in den ersten Betriebswochen des Labors von Anfang bis Mitte Juli 2021 von 54 auf 218. In Ferienzeiten sanken die Poolzahlen zumeist deutlich und stiegen bis Februar/März 2022 auf Höchststände um 850 pro Woche (Abbildung 2 [Abb. 2]). Mit dem Auslaufen der Regelungen zum anlasslosen Testen für Schülerinnen und Schüler sank die Anzahl der untersuchten Pools seit Mitte März 2022. Mitte Juni 2022 lag die Anzahl getesteter Pools bei knapp 200 pro Woche. Insgesamt testete das Labor zwischen Juli 2021 und Mitte Juni 2022 rund 18.500 Pools auf SARS-CoV-2-RNA. Dabei zeigten sich rund 1.250 Pools und daraus wiederum ca. 1.570 Einzelproben RT-PCR positiv.

Zwischen Anfang Juli und Anfang September 2021 waren alle 665 getesteten Pools negativ. Bis Mitte Oktober 2021 bewegten sich die Positivraten unter 1%. Die höchsten Quoten an positiven Pools waren zwischen Mitte Januar und Ende Mai 2022 zu verzeichnen, mit einem Höchststand von 14,7% in der Kalenderwoche 11 (14.–20. März 2022). Der Vergleich mit den regionalen Inzidenzwerten in den Vergleichszeiträumen [16] zeigt eine sehr gute Übereinstimmung der Verläufe (Abbildung 3 [Abb. 3]). Eine stichprobenartige Testung positiver Proben auf SARS-CoV-2-Varianten mittels mutationsspezifischer PCR-Assays zeigte eindrucksvoll die Verdrängung der Delta-Variante durch die Omikron-Variante am Jahreswechsel 2021/2022 auf [17] (Abbildung 4 [Abb. 4]). Waren zwischen Ende November und Ende Dezember 2021 alle variantengetesteten Proben der Delta-Variante zuzuordnen (21/21), lag der Anteil der Omikron-Variante in der zweiten Kalenderwoche 2022 bereits bei 50% (1/2), in KW 3/2022 bei 87,5% (14/16) und bewegte sich in den darauffolgenden fünf Wochen bei über 90 %. Danach wurde die Varianten-Testung aufgrund der Dominanz der Omikron-Variante aus Kostengründen eingestellt.

Selbstverständlich schützt ein Screening-Regime wie das dieses Testlabors nicht vor Primärinfektionen. Jedoch können durch frühzeitige Isolation Infizierter Sekundärinfektionen verhindert werden [18]. Im Folgenden soll grob quantifiziert werden, wie das Screening zur Vermeidung von Sekundärinfektionen in der Region beigetragen haben könnte. Entsprechend der Studienlage bewegen sich die Sekundärinfektionsraten bei rund 18% für die Delta-Variante und ca. 27% für die Omikron-Variante [19]. Demzufolge steckt eine mit Delta infizierte Person innerhalb eines Vierpersonenhaushalts durchschnittlich 0,54 weitere Personen an (bei Omikron: 0,81), eine mit Omikron infizierte Person innerhalb einer 20-köpfigen Gruppe mit engem Kontakt (etwa ein Kind in einem Kindergarten) im Durchschnitt 5,1 weitere Personen (bei Delta: 3,4). Gerade letztere Dynamik lässt sich durch frühzeitige Isolierung infizierter Kinder aus der Gruppe effizient unterbinden. Die durch das Labor beprobten Personenkreise setzen sich vorwiegend aus Schülerinnen und Schülern, Kindergartenkindern und in geringerem Maße Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmern zusammen. Als grobe Gesamtabschätzung dürfte hier ein gemittelter Faktor um drei für Sekundärinfektionen pro infizierter Person plausibel sein (Details zur Berechnung auf Anfrage). Bei insgesamt knapp 1.600 detektierten SARS-CoV-2-Einzelfällen durch das Labor und optimaler Prävention vor Sekundärinfektionen bedeutete das in dieser Modellrechnung ca. 4.800 potenziell verhinderte Ansteckungen im Zeitraum Juli 2021 bis Mitte Juni 2022.

Durch großes Engagement und Zusammenwirken relevanter Akteure vor Ort gelang es innerhalb weniger Wochen, Fachpersonal zu rekrutieren, ein kapazitiv für die regionalen Bedürfnisse geeignetes PCR-Labor zum Coronanachweis auszustatten und standardisierte Arbeitsabläufe zu etablieren, die internationalen Qualitätsmanagement-Kriterien genügen. Das Labor zeichnete sich unter anderem durch gute Erreichbarkeit bei Rückfragen, hohe Flexibilität, Nähe zu den Einrichtungen und die Befugnis zur DEMIS-Meldung aus. Durch kurze Transportwege und rasche Probenverarbeitung erhielten Einrichtungen bei einer Probenahme am Morgen in der Regel bereits zur Mittagszeit Meldungen positiver Pools; positive Einzelproben wurden in der Regel noch am selben Tag identifiziert und gemeldet. Somit konnten bereits wenige Stunden nach Probenahme nötigenfalls erste Maßnahmen ergriffen werden. Für eine geeignete Balance zwischen Übertragungsprävention und logistischem Aufwand wurde in Übereinstimmung mit ähnlichen Studien, in denen die wöchentliche Testfrequenz pro Woche untersucht worden war [11], [12], eine Beprobung an zwei Tagen pro Woche gewählt. Limitationen des Labors liegen unter anderem in der begrenzten Skalierbarkeit (räumliche und kapazitive Begrenzungen, wenig Automatisierung). Auch war durch den schlank gehaltenen Arbeitsablauf im PCR-Labor keine hauseigene Variantentestung positiver Proben möglich. Zu den Unwägbarkeiten zählen, wie auch bei anderen Labordienstleistern, die Präanalytik in Form der Probenahme. So schienen, wie auch die Literatur nahelegt [13], die Ergebnisse verlässlicher auszufallen, wenn die Probenahmen nicht zuhause, sondern unter Aufsicht in den jeweiligen Einrichtungen erfolgten. Die Vorhaltung eines PCR-Labors mit genossenschaftlichem Charakter vor Ort bietet die Möglichkeit, auf zukünftige Coronawellen oder weitere Infektionskrankheiten mit epidemischem oder pandemischem Potential zeitnah und effektiv reagieren zu können. Dies kann einen erheblichen Beitrag zur Eindämmung des regionalen Infektionsgeschehens leisten.

Die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte in Zusammenhang mit diesem Artikel haben.

Die Ethik-Kommission der Bayerischen Landesärztekammer hat bestätigt, dass für diesen Bericht keine Beratungspflicht nach § 15 der Berufsordnung der Ärzte Bayerns besteht.

Wir danken allen Mitarbeiterinnen, Mitarbeitern, Praktikantinnen und Praktikanten des PCR-Labors sowie allen Gesellschafterinnen und Gesellschaftern der Wirtschaftskraft Nürnberger Land GmbH. Wir bedanken uns bei Frau Dr. Ulrike Artmeier-Brandt (Ethik-Kommission der Bayerischen Landesärztekammer) für die ethische Bewertung der Studie. Schließlich danken wir Prof. Dr. Jörg Steinmann für die kritische Durchsicht des Manuskripts.

Ralph Bertram und Laura Grebenstein sind als gleichberechtigte Erstautoren anzusehen.

Ralph Bertrams ORCID-ID lautet: 0000-0003-0654-6381

Klaus Korns ORCID-ID lautet: 0000-0003-1891-2107