Fortschrittliche Keimtests auf der Raumstation verbessern die Abwasserüberwachung

Nachdem die Tücher, mit denen die Raumstation abgewischt wurde, auf der Erde angekommen waren, wurden sie in dem hier gezeigten Wasserkrug mit orangefarbenem Deckel ausgespült, um Mikroben zu entfernen. Diese Flüssigkeit wurde dann in diesem Fläschchen (Einschub) konzentriert, um sie mit dem CP Select-System von InnovaPrep zu testen. (Bild:NASA)

Die Verfolgung der Ausbreitung von COVID-19 in Gemeinden lieferte wichtige Daten für Beamte des öffentlichen Gesundheitswesens und Einzelpersonen, um während der Pandemie fundierte Entscheidungen zu treffen. Eine Methode, die sich als nützlich erwies, war das Sammeln, Konzentrieren und Testen kommunaler Abwässer auf das Vorhandensein des Virus, das die Krankheit verursacht hat. Als diese Tests intensiviert wurden, sparte eine für die NASA entwickelte Technologie zur Identifizierung von Krankheitserregern in Raumfahrzeugen Zeit und lieferte zuverlässige Ergebnisse auf der Erde.

Die NASA-Astronautin Megan McArthur sammelt mikrobielle Proben von Oberflächen innerhalb der Raumstation, um die Mikroben zu untersuchen, die mit geschlossenen Wohnräumen in Verbindung stehen, und um vorherzusagen, welche Mikroben eine Gefahr für die Gesundheit der Besatzung darstellen könnten. (Bild:NASA)

Mehrere einige Jahre zuvor vergebene Small Business Innovation Research (SBIR)-Aufträge halfen InnovaPrep LLC aus Drexel, Missouri, seinen bestehenden Biokonzentrationsprozess zu verbessern und ihn für automatisierte Tests auf Viren, Bakterien und andere Krankheitserreger in der Luft und im Wasser sowie auf Oberflächen der Internationalen Raumstation anzuwenden. Neben der Verwendung eines neuen Filtermaterials, der Verbesserung des Prozesses und der Anpassung an den Platzbedarf entwickelte das Unternehmen neue Fertigungsschritte zur Halbautomatisierung von Produktionsprozessen. Vor der SBIR-Arbeit stellte das Unternehmen den Einwegfilter, eine sogenannte Pipette, von Hand her und produzierte etwa 200 Stück pro Woche. Mittlerweile liegt die Produktion bei 12.000 pro Woche, mit einem System, das problemlos an die steigende Nachfrage angepasst werden kann.

Die verbesserte Produktion kam gerade noch rechtzeitig. InnovaPrep konnte die Aufträge von Gesundheitsämtern, kommerziellen Labors und Forschern problemlos erfüllen, da Maßnahmen zur Überwachung von COVID-19 ergriffen wurden. Andy Page, CTO bei InnovaPrep, lobt die NASA für die Fähigkeit des Unternehmens, seine AirPrep- und FluidPrep-Produktlinien weiterzuentwickeln.

„Wir hatten viele gute Interaktionen mit NASA-Wissenschaftlern, die viele gute Erkenntnisse lieferten. Diese Zusammenarbeit ist überaus wertvoll“, sagte er. „Das SBIR-Programm ermöglicht es Ihnen, Dinge zu entdecken, die Sie ohne diese Finanzierung nicht so einfach entdecken könnten.“

Krankheitserreger, darunter einige Bakterien und Viren, können in der Schwerelosigkeit noch schädlicher werden. Daher ist Wachsamkeit erforderlich, um die Sicherheit eines Raumfahrzeugs für Astronauten zu gewährleisten. Aber Probenentnahme und Tests sind zeitaufwändige Aufgaben. Das Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien leitete die Bemühungen, es durch Automatisierung effizienter zu machen. Kasthuri „Venkat“ Venkateswaran, leitender Forschungswissenschaftler am JPL, arbeitete mit InnovaPrep zusammen, um seine Probenkonzentrationstechnologie für den Weltraum zu modifizieren.

Die Konzentration der Mikroben in Gallonen Wasser auf wenige Unzen zum Testen könnte eine zeitaufwändige Aufgabe sein. Aber das spezielle InnovaPrep-Filtersystem namens CP Select, das von der Expertise der NASA profitierte, kann genau das auf der Erde schnell tun. (Bild:InnovaPrep LLC)

Eine Möglichkeit, schnellere Ergebnisse zu ermöglichen, ist ein Polymerase-Kettenreaktionstest (PCR). PCR verstärkt schnell kleine Abschnitte des genetischen Materials – DNA oder RNA – durch die Anfertigung vieler Kopien. Dadurch entsteht eine größere Probe für Gentests, wodurch die Art der vorhandenen Bakterien oder Viren leichter identifiziert werden kann. Im Weltraum ist es besser, gezielt auf bestimmte Molekülfragmente von Viren oder Bakterien zu zielen, als eine lebende Kultur zu züchten, wie es auf der Erde häufig der Fall ist.

„Wenn man Mikroben im Weltraum züchtet, bedeutet das, dass aus einer einzigen Zelle Milliarden von Zellen werden. Eine Zelle schadet der menschlichen Gesundheit nicht, aber das Züchten dieser einen Zelle in einem geschlossenen System ist gefährlich“, sagte Venkateswaran. Winzige Mikroben sind schwer zu finden, daher hat die NASA einige Nachforschungen angestellt, um herauszufinden, was auf der Raumstation lebt.

In einer Studie mussten Astronauten Oberflächen mit sterilen Tüchern abwischen, bevor sie sie zur Erde schickten. Im Labor wurden die Tücher mit viel Wasser gespült, die resultierende Flüssigkeit gefiltert und die Mikroben zum Testen in einer kleinen Menge Flüssigkeit konzentriert. Die SBIR-Technologie sollte Viren und Bakterien konzentrieren und so den Zeit- und Kostenaufwand für die Erzielung von Ergebnissen reduzieren.

InnovaPrep nutzte für die SBIR-Arbeit seine bisherige Pipettenstruktur, aber die hohen Filtrationsanforderungen der NASA zwangen das Unternehmen, nach einem neuen Material zu suchen. Tests ergaben, dass die beste Option ein Hohlfasermaterial war, das aus 72 winzigen Strohhalmen besteht, die einen Teil des Filters in der Pipette bilden. Ein besserer Filter bedeutet, dass pro Probe mehr virale und bakterielle Zellen erfasst werden.

Anschließend automatisierte das Unternehmen das Auftragen des Klebers, der die Filter an Ort und Stelle hält. Dies verbesserte die Leistung und Zuverlässigkeit des Geräts und war gleichzeitig ein erster Schritt in Richtung einer verbesserten Produktion.

Die Zerstörung der Hardware des Rovers Perseverance ist ein Schritt in der Planetenschutzstrategie der NASA, um die Anzahl der Erdmikroben, die zum Mars fliegen, zu begrenzen. Der Reinraum des Jet Propulsion Laboratory, einer der saubersten Orte der Welt, hat mithilfe der InnovaPrep-Technologie Verfahren entwickelt, um vor dem Flug nach Mikroben zu suchen, die auf der Oberfläche zurückgeblieben sind. (Bild:NASA)

Die Anforderungen der NASA veranlassten InnovaPrep außerdem dazu, die Qualität einer schäumenden Flüssigkeit zu verbessern, die die eingeschlossenen Mikroben aus dem Filter entfernt.

Um eine Probe zur Vorbereitung auf die Analyse – einschließlich PCR-Tests – zu konzentrieren, fängt eine Pipette mit Filter in einer Wasserprobe suspendierte Moleküle und Mikroben ein. Im nächsten Schritt, der sogenannten Nassschaumelution, wird die schäumende Flüssigkeit in die Pipette über die Innenfläche des Filters gedrückt, um die Organismen oder Verunreinigungen aus einer Flüssigkeitsprobe zu entfernen. Dadurch werden sie in ein Fläschchen gedrückt, wo sie zum Testen bereit sind.

Der NASA-Antrag erforderte Modifikationen des Prozesses, um im Weltraum funktionieren zu können, sowie eine längere Haltbarkeit der Elutionsflüssigkeit. Die Flüssigkeitskanister wurden so modifiziert, dass sie die Flüssigkeit in der Schwerelosigkeit abgeben und ein Jahr oder länger stehen bleiben, bevor sie verwendet werden. Mit etwas Arbeit erfüllte InnovaPrep alle Anforderungen der NASA.

Das für die Schwerelosigkeit entwickelte Biokonzentrationssystem wurde auf der Raumstation noch nicht eingesetzt, aber Unternehmen auf der Erde sparen durch die Technologie-Upgrades Zeit und Geld. Ein Vorteil der von InnovaPrep angebotenen Wasser- und Luftüberwachungsgeräte besteht darin, dass sie einfach zu bedienen sind. Im Gegensatz zum Züchten von Kulturen im Labor ist keine spezielle Schulung erforderlich.

Es geht nicht nur um die Verfolgung einer Pandemie, die die Konzentration und Prüfung von Krankheitserregern erfordert. Freizeiteinrichtungen nutzen die InnovaPrep-Technologie zur Überwachung der Wasserqualität in Schwimmbädern. Krankenhäuser nutzen es zur Abschirmung von Innenräumen, um diese möglichst steril zu halten. Wasser aus Kühltürmen und kommunalen Wassersystemen wird regelmäßig auf Legionellen untersucht Bakterien, die eine schwere Form einer Lungenentzündung verursachen können.

Landwirte testen Bewässerungswasser auf Krankheitserreger und Lebensmittelhersteller überwachen die Spülung von Produkten und Geräten, um durch Lebensmittel übertragene Krankheiten zu beseitigen. Der InnovaPrep FluidPrep-Konzentrator, der jetzt von Unternehmen verwendet wird, ist tatsächlich so effizient, dass JPL eine Reihe von Reinraumprotokollen mit dem kommerziellen Gerät entwickelt hat.

Wenn die NASA Hardware an andere Planetenkörper schickt, versuchen Technologen sicherzustellen, dass diese so sauber wie möglich ist. Ziel ist es, mikroskopisch kleine Anhalter von der Erde zu entfernen, um die Gefahr einer Kontamination zu begrenzen. Reinraummitarbeiter verwenden ein drei Fuß großes Stück steriles Tuch, um große Flächen abzuwischen und so viel Biomasse wie möglich zu entfernen.

„Wenn man die zu sammelnde Oberfläche vergrößert, erhöht sich natürlich auch der Flüssigkeitsverbrauch. Und man muss umständlich filtern“, sagte Venkateswaran. „Das gesamte Material muss DNA-frei sein, deshalb haben wir InnovaPrep gebeten, ein Produkt zu entwickeln, das steriler ist als das, was sie hatten. Sie haben die Technologie entwickelt, um sicherzustellen, dass ihre Produkte frei von Biomolekülen sind.“

Die veröffentlichte Studie, die die Wirksamkeit der Reinraumverfahren bestätigte, half InnovaPrep dabei, neue Kunden zu gewinnen, die eine sterile Umgebung benötigen. Der größte Kundenstamm von InnovaPrep ist jedoch immer noch die Abwasserüberwachung.

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