Studie untersucht, ob Abwasser Darmkrebs auf Bevölkerungsebene verfolgen kann

Mithilfe eines Proof-of-Concept-Ansatzes zeigen Forscher, dass Darmkrebs-assoziierte RNA-Biomarker, einschließlich CDH1, im kommunalen Abwasser nachgewiesen werden können.

Eine Machbarkeitsstudie zum Machbarkeitsnachweis, veröffentlicht in der Zeitschrift für Epidemiologie und Gemeindegesundheit zeigt einen machbarkeitsbasierten Ansatz zur Erkennung von Darmkrebs (CRC)-bezogenen Signalen auf Gemeindeebene durch Abwasserüberwachungssysteme auf.

Zum ersten Mal haben Forscher spezifische menschliche Ribonukleinsäure (RNA)-Biomarker im Zusammenhang mit kolorektalen Neoplasien im kommunalen Abwasser nachgewiesen. Dabei stützten sie sich auf Biomarker, die im hochempfindlichen Multitarget-Stuhl-RNA-Assay (mt-sRNA) zur Früherkennung von Darmkrebs bei Erwachsenen ab 45 Jahren verwendet werden.

Der Nachweis von Biomarkern wie Cadherin 1 (CDH1) unterstreicht die Machbarkeit und den potenziellen Nutzen dieser Methode als Ergänzung zum herkömmlichen Screening und bietet einen zukünftigen Forschungsweg für gemeindenahe Interventionen im Bereich der öffentlichen Gesundheit und gezielte Präventionsprogramme, insbesondere da die CRC-Raten bei jüngeren Bevölkerungsgruppen steigen.

Einschränkungen traditioneller CRC-Screening-Methoden

CRC bleibt eine große Gesundheitsbedrohung und eine frühzeitige Erkennung ist für die Verbesserung der Ergebnisse von entscheidender Bedeutung. Das herkömmliche Screening mittels Koloskopie oder Stuhltests hängt von der individuellen Beteiligung ab und ist in ressourcenarmen Umgebungen oft begrenzt.

Die Abwasserüberwachung bietet einen potenziellen ergänzenden Ansatz auf Bevölkerungsebene und erkennt RNA-Biomarker, die ins Abwasser gelangen, um Muster im Zusammenhang mit der CRC-Belastung auf Gemeindeebene zu untersuchen, anstatt das individuelle Risiko direkt zu messen. Durch die potenzielle Reduzierung der Abhängigkeit von der individuellen Compliance kann dieser Ansatz ein umfassenderes, gerechteres und gemeinschaftsorientiertes CRC-Screening und eine Risikoüberwachung auf Bevölkerungsebene ermöglichen.

Frühere Forschungen konzentrierten sich auf Krebsmedikamente oder unspezifische mitochondriale Desoxyribonukleinsäure (DNA) im Abwasser. Die Ausrichtung auf CRC-spezifische Biomarker könnte in zukünftigen Studien die Früherkennung stärken und bestehende Präventionsstrategien ergänzen.

Studiendesign und Abwasser-Probenahmemethoden

In dieser retrospektiven Studie bewerteten die Forscher die Machbarkeit des Nachweises menschlicher RNA-Biomarker für Darmkrebs im Abwasser auf Nachbarschaftsebene mit dem Ziel, Signale zu verfolgen, die möglicherweise mit der Darmkrebsbelastung der Gemeinde verbunden sind.

Mithilfe traditioneller Methoden wählten die Forscher RNA-Biomarker aus, die durch den Multitarget-Stuhl-RNA-Assay für die explorative CRC-Überwachung auf Populationsebene ermittelt wurden. Sie sammelten Abwasserproben aus vier Abwasserschuppen in Wohngebieten, drei CRC-Clustern mit hoher Inzidenz und einer Kontrollregion.

Aus den Proben extrahierte RNA wurde einer digitalen Polymerase-Kettenreaktion (PCR) unterzogen, um die Biomarker-Expression zu quantifizieren. Zu diesen Biomarkern gehören Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH), ein Housekeeping-Gen, und CDH1, das mit kolorektalen Neoplasien assoziiert ist.

Das Team sammelte zwischen 2021 und 2023 CRC-Daten von einem spezialisierten Pflegezentrum. Anschließend kartierten sie die Wohnadressen der Patienten, um Gebiete mit einer höheren CRC-Inzidenz zu identifizieren. Die ersten beiden Cluster stellten Stadtteile mit mehr als vier Fällen im Umkreis von einer halben Meile um das Zentrum dar.

Die Forscher wählten den dritten Cluster anhand landesweiter Krebsregisterdaten und übereinstimmender demografischer Daten aus und stellten einen Bereich mit hoher Inzidenz dar, der sich nicht vollständig mit den Clustern der Pflegezentren überschnitt.

Der vierte Cluster (Kontrolle) umfasste einen Abwasserschuppen ohne identifizierte Fälle in den spezifischen verwendeten Datensätzen, obwohl bei Bewohnern möglicherweise immer noch Darmkrebs diagnostiziert oder außerhalb dieser Quellen behandelt wurde.

Ergänzend dazu analysierten die Forscher Krebsregisterdaten auf Landesebene von 1995 bis 2018, um geschlechts- und altersstandardisierte CRC-Raten in den Volkszählungsgebieten von Kentucky zu berechnen. Mithilfe der Geostatistik Getis-Ord Gi* identifizierten sie weitere Gebiete mit hoher Inzidenz, bestätigten die drei CRC-Cluster und unterstützten die Auswahl eines Kontrollkanalisationsschuppens.

Alle Abwasserschuppen befanden sich in Wohngebieten. Die Forscher erhielten bevölkerungsdemografische Daten mithilfe der Business Analyst-Plattform des Environmental Systems Research Institute (ESRI). Um die Abdeckung zu verbessern, sammelten sie zu drei Zeitpunkten im Laufe des Tages (morgens, vormittags und am frühen Nachmittag) Abwasserproben aus einem Mannloch in jedem Abwasserschuppen.

Die Abwasserkanäle umfassten sowohl integrierte Regenwasser-Abwassersysteme als auch separate Sanitärleitungen. Diese Proben erfassten RNA-Biomarkermuster im Laufe der Zeit und über Gemeinden hinweg, obwohl die Probenahme auf einen einzigen Tag beschränkt war, mit einer kleinen Anzahl von Proben und ohne statistische Tests, was die Abwasserüberwachung zur CRC-Überwachung unterstützte.

Nachweis von CRC-Biomarkern im Abwasser

Die Abwasseranalyse bestätigte das Vorhandensein menschlicher RNA-Biomarker in nachweisbaren Mengen in allen Proben. GAPDH betrug durchschnittlich etwa 52 Kopien pro Mikroliter, was eine konsistente RNA-Extraktion bestätigt.

CDH1 im Zusammenhang mit kolorektalen Neoplasien, normalisiert auf GAPDH, war in den Proben am Morgen und am Vormittag im Allgemeinen niedrig. Im Gegensatz dazu stiegen die CDH1-Werte in den Proben des ersten Clusters am frühen Nachmittag an.

Die durchschnittlichen normalisierten CDH1/GAPDH-Werte unterschieden sich zwischen den Clustern. Das Team ermittelte Werte von 20,0 im ersten Cluster, 2,2 im zweiten und 4,0 im dritten Cluster, verglichen mit 2,6 im Kontrollcluster.

Der erste Cluster, der bekannte Patienten aus dem spezialisierten Pflegezentrum umfasste, zeigte das höchste CDH1-Signal und stimmte mit klinischen Daten überein. Im Kontrollkanalisationsschacht war CDH1 weiterhin nachweisbar, jedoch im Allgemeinen niedriger, wobei 2 von 3 Messungen unter 1,0 lagen, was auf niedrige Hintergrundwerte hinweist. Das ausgeprägte CDH1-Signal im ersten Cluster legt nahe, beweist jedoch nicht, dass die Abwasserüberwachung die zugrunde liegende lokale Krankheitslast widerspiegeln könnte.

Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit und die CRC-Überwachung

Die Ergebnisse zeigen, dass CRC-assoziierte RNA-Biomarker, einschließlich CDH1, im kommunalen Abwasser nachgewiesen werden können, was einen praktikablen, aber vorläufigen und hypothesengenerierenden Ansatz zur epidemiologischen Überwachung auf Nachbarschaftsebene unterstützt.

Erste Erkenntnisse deuten darauf hin, dass nicht-invasive Überwachung möglicherweise zur herkömmlichen CRC-Erkennung beitragen und diese Risikobewertung auf Bevölkerungsebene unterstützen kann, statt sie zu ersetzen.

Durch die Identifizierung von Hochrisikobereichen mit minimaler Patientenbeteiligung könnte diese Methode, wenn sie validiert wird, letztendlich in die öffentliche Gesundheitspolitik einfließen, die Ressourcenzuweisung optimieren und gezielte Screening-Programme steuern.

Zukünftiger Forschungs- und Validierungsbedarf

Zukünftige Forschungen sollten die Anzahl und Häufigkeit der Probenahmestellen erweitern, die Sensitivität und Spezifität von Abwasserbiomarkern validieren, Ergebnisse mit Krebsregisterdaten integrieren, um die räumliche Kartierung des Darmkrebsrisikos zu verfeinern, und ethische und datenschutzrechtliche Überlegungen sorgfältig berücksichtigen.

Um die Gültigkeit, Sensitivität, Spezifität und Anwendbarkeit in der Praxis zu bestimmen, werden größere Längsschnittstudien mit wiederholter Probenahme und stärkerer Verknüpfung mit der bestätigten CRC-Inzidenz unerlässlich sein. Diese Schritte werden dazu beitragen, einen robusten, evidenzbasierten Rahmen für die CRC-Überwachung auf Gemeindeebene zu schaffen und die Entwicklung gezielter Interventionen im Bereich der öffentlichen Gesundheit zu unterstützen.

Quellen: