Diensthunde als Mittel zur Detektion von Coronavirus (SARS-CoV-2)

Service Dogs as a Means of Coronavirus (SARS-CoV-2) Detecting

Michael Engels^a, Christiane Ernst^b, Holger Andreas Volk^c, Esther Schalke^b

^a Schule für Diensthunde der Bundeswehr, Ulmen

^b Kommando Sanitätsdienst der Bundeswehr, Unterabteilung IV – Veterinärwesen, Koblenz

^c Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover, Klinik der Kleintiere

Zusammenfassung

Hintergrund: Die im Dezember 2019 ausgebrochene Atemwegserkrankung COVID-19 entwickelte sich in nur wenigen Monaten zu einer weltweiten Pandemie. Um die Ausbreitung einzuschränken, war und ist die Identifizierung von infizierten Personen eine der wichtigsten Schutzmaßnahmen. Um dieses Ziel zu erreichen,evaluierten Forscher weltweit auch den Einsatz medizinischer Spürhunde als Mittel für ein schnelles und zuverlässiges Screening auf SARS-CoV-2.

Material und Methode: In einem zivil-militärischen Forschungsprojekt untersuchten die Schule für Diensthundewesen der Bundeswehr (SDstHundeBw) und die Klinik der Kleintiere der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover, ob Diensthunde in der Lage sind, eine spezifische Infektion mit SARS-CoV-2 zu erkennen und von Erkrankungen der oberen Atemwege anderer Genese abzugrenzen. 12 Diensthunde, die alle bereits eine Spürhundausbildung absolviert hatten, wurden darauf trainiert, die spezifischen VOCs im Speichel von SARS-CoV-2 infizierten Menschen zu erkennen und anzuzeigen. Für das Training und die Tests wurde das sogenannte Detection Dog Training System verwendet. Hierbei handelt es sich um eine Maschine, die ein vollautomatisiertes Training zur Geruchskonditionierung mittels positiver Verstärkung ermöglicht. Als Probenmaterial wurden Speichel-, Urin- und Schweißproben unterschiedlicher Herkunft von infizierten Personen verwendet. Als Verleitgerüche, sog. Distraktoren, dienten Proben der gleichen Körperflüssigkeiten von nicht infizierten Personen oder Probenmaterial, welches mit verschiedenen respiratorischen Viren infiziert worden war.

Ergebnisse und Fazit: Die Diensthunde waren in der Lage, eine Infektion mit SARS-CoV-2 mit hoher Sensitivität und Spezifität zu detektieren und anzuzeigen. Dabei unterscheiden sie sicher zwischen einer Infektion mit SARS-CoV-2 und Infektionen von Erkrankungen der oberen Atemwege anderer Genese (einschließlich anderer Coronaviren). Erreichte Sensitivität und Spezifität erfüllen die Voraussetzungen des Paul-Ehrlich-­Instituts für die Zuverlässigkeit von Testsystemen. Hunde wären damit ein geeignetes Mittel zum Real-Time-Screening für hohe Probandenzahlen.

Schlüsselwörter: Coronaspürhunde, SARS-CoV2, Real-Time-Screening, volatile organische Substanzen, Geruchsidentifikation

Summary

Background: The COVID-19 respiratory disease outbreak in December 2019 developed into a global pandemic in just a few months. To contain the spread, identification of infected individuals was and remains one of the most important protective strategies. According to this goal, researchers worldwide also evaluated the use of medical detection dogs as a means of rapid and reliable screening for SARS-CoV-2.

Material and methods: In a civilian military research project, the Bundeswehr School for Service Dogs and the Department of Small Animal Medicine and Surgery of the University of Veterinary Medicine Hanover evaluated whether service dogs are able to identify a specific infection with SARS-CoV-2 and to differentiate it from diseases of the upper respiratory tract of other genesis. Twelve service dogs who had already completed detection dog training were instructed to detect and indicate the specific VOCs in the saliva of SARS-CoV-2 infected humans. For the training and testing, the so-called Detection Dog Training System was used. This machine allows fully automated training for scent conditioning by means of positive reinforcement. Saliva, urine and sweat samples of different origin from infected persons were used as sample material. Distractors were samples of the same body fluids from uninfected persons or sample material infected with different respiratory viruses.

Results and Conclusion: The service dogs were able to detect and indicate infection with SARS-CoV-2 with high sensitivity and specificity. They reliably distinguished between infection with SARS-CoV-2 and infections of upper respiratory tract diseases of other genesis (including other coronaviruses). The sensitivity and specificity fulfilled the requirements of the Paul Ehrlich Institute for the reliability of test systems. Dogs would thus be a suitable means of real-time screening for high numbers of subjects.

Keywords: medical detection dogs, SARS-CoV-2, real-­time-screening, volatile organic compounds, olfactory detection

Hintergrund

Die erstmals im Dezember 2019 ausgebrochene Atemwegserkrankung COVID-19 entwickelte sich in nur wenigen Monaten zu einer weltweiten Pandemie. Ursächlich für die Erkrankung ist eine Infektion durch das bis dahin unbekannte Coronavirus SARS-CoV-2. Zur Eindämmung des Virus wurden weltweit sowohl massive Einschnitte in das öffentliche Leben der Gesellschaft als auch in das Privatleben der Bevölkerung vorgenommen. Um die Ausbreitung einzuschränken war und ist die Identifizierung von infizierten Personen eine der wichtigsten Schutzmaßnahmen. Um dieses Ziel zu erreichen, untersuchten Forscher weltweit auch den Einsatz medizinischer Spürhunde als Mittel für ein schnelles und zuverlässiges Screening auf eine Infektion mit SARS-CoV-2 [9]. Die Fähigkeit von Hunden, Krankheiten mit Hilfe ihres Geruchssinns zu unterscheiden, basiert auf der Volatile Organic Compound (VOC)-Hypothese [7]. Zahlreiche Krankheiten verändern Stoffwechselprozesse, die charakteristische VOC-Muster in Form eines „olfaktorischen Fingerabdrucks“ produzieren [1][4][11]. Speziell ausgebildete Hunde sind in der Lage, diesen speziellen Duftcocktail zu erkennen und anzuzeigen. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass Hunde Krankheiten wie z. B. Krebs erkennen [10], Hypoglykämie anzeigen und epileptische Anfälle vorhersagen können [2][6]. Sie sind sogar in der Lage, verschiedene Krankheitserreger zu unterscheiden [3][8][12].

Zum Zeitpunkt der Untersuchung standen sowohl ein POC-Antigen-Test als auch ein PCR-Test zur SARS CoV-2-Erkennung zur Verfügung. Es war dennoch von hohem wissenschaftlichem und operativem Interesse zu prüfen, ob eine große Probandenzahl innerhalb sehr kurzer Zeit auf den spezifischen Erreger getestet werden konnte. Medical Detection Dogs standen vor allem deshalb gedanklich dabei im Vordergrund, da Wissenschaftler aus England über Erfahrungen berichtet hatten, dass Hunde in der Lage sind, eine Anzahl von 300 Probanden innerhalb von nur 30 min sicher „untersuchen“ zu können [9].

Eine zivil-militärische Zusammenarbeit

In einem zivil-militärischen Forschungsprojekt untersuchten die Schule für Diensthundewesen der Bundeswehr (SDstHundeBw) und die Klinik der Kleintiere der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover, ob Diensthunde in der Lage sind, eine spezifische Infektion mit SARS-CoV-2 zu erkennen und von Erkrankungen der oberen Atemwege anderer Genese zu unterscheiden. In dieses Projekt waren weitere sowohl militärische als auch zivile Einrichtungen involviert. Hierzu zählen von ziviler Seite: Research Center for Emerging Infections and Zoonoses der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover, Institut für Biochemie der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover, Klinik für Pneumologie der Medizinischen Hochschule Hannover, Zentrale Biobank der Medizinischen Hochschule Hannover, Institut für Infektionsforschung und Impfstoffentwicklung des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf, Abteilung Klinische Infektionsimmunologie des Bernhard-Nocht-Instituts für Tropenmedizin Hamburg, Max von Pettenkofer-Institut der Ludwig-­Maximillians-­Universität München und das Zentrum für Biologische Gefahren und Spezielle Pathogene des Robert-Koch-Instituts. Von militärischer Seite waren folgende weitere Einrichtungen involviert: Zentrales Institut des Sanitätsdienstes der Bundeswehr Kiel, Institut für Mikrobiologie der Bundeswehr, Sanitätszentrum Fürstenfeldbruck und das Kommando Sanitätsdienst der Bundeswehr.

Material und Methode

Auswahl der Hunde

Neben einer gut funktionierenden und harmonischen Partnerschaft zwischen Hund und Hundeführer können viele weitere individuelle Faktoren die Effektivität und damit die Zuverlässigkeit der Geruchsdetektion stark beeinflussen [9]. Obwohl man davon ausgehen kann, dass anatomische und physiologische Merkmale des Riechorgans eine entscheidende Rolle für die Riechfähigkeit spielen, sind verhaltensbezogene und mentale Aspekte, persönliche Eigenschaften und Erfahrungen für eine adäquate Screening-Arbeit bei Hunden nicht weniger wichtig [5].

In diesem Forschungsprojekt wurden insgesamt 12 Hunde der Rassen Malinois, Deutscher Schäferhund, Holländischer Schäferhund und Labrador Retriever verwendet. 10 Hunde waren Diensthunde der SDstHundeBw, die alle bereits eine Spürhundausbildung absolviert und ihre hohe Motivation sowie eine gute Leistungsbereitschaft unter Beweis gestellt hatten. 2 Hunde, die mit Hilfe der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover bereitgestellt wurden, verfügten ebenfalls über eine Vor­ausbildung.

Training

Für das Training und auch für den Test wurde das soge­nannte Detection Dog Training System (DDTS/Kynoscience UG, Hörstel) verwendet. Mit dieser Maschine ist ein vollautomatisiertes Training zur Geruchskonditionierung möglich, ohne dass die Tiere in direkten physischen Kontakt mit dem Probenmaterial gelangen können. Die Trainingsmethode basiert auf klassischer und operanter Konditionierung und verwendet ausschließlich positive Verstärkung. Das DDTS ermöglicht eine schnelle, automatische, randomisierte, von der Verzerrung des Ausbilders freie und doppelblinde Präsentation der Proben [13]. Um die aufgezeichneten Ergebnisse des DDTS zu überprüfen, wurden die Hunde während des Trainings und der Tests gefilmt und die Videos manuell ausgewertet. Für das Training wurden insgesamt 14 Tage benötigt. Am Ende des Trainings unterschieden die Hunde zuverlässig zwischen positivem und negativem Probenmaterial und zeigten die positiven Proben an, in dem sie mit der Nase an der Öffnung des Geruchscontainers, der das entsprechende Probenmaterial enthielt, für mindestens 4 Sekunden zuverlässig verharrten.

Probenmaterial für das Training

Für das Training wurden Speichelproben infizierter Personen von verschiedener Herkunft verwendet. Die Personen hatten einem unterschiedlichen Schweregrad der Erkrankung, von asymptomatisch bis schwer erkrankt. Es wurden von Anfang an auch Speichelproben nicht infizierter Menschen als Disktraktoren eingesetzt. Alle gesammelten Proben wurden mittels RT-PCR-SARS-CoV-2-IP4 vom Pasteur Institut als positive oder negative Proben bestätigt. Das gesammelte Probenmaterial wurde mit Betapropiolactone (BPL) inaktiviert, um ein mögliches Infektionsrisiko für Mensch und Hund auszuschließen. Dabei wurde auch den negativen Speichelproben BPL zugesetzt, um zu verhindern, dass die Hunde den Unterschied zwischen inaktiviertem und nicht inaktiviertem Material anhand des Zusatzes erkennen und anzeigen und damit das Testergebnis verfälschen.

Probenmaterial für die Tests

Außer für die unten aufgeführten wissenschaftlichen Fragestellungen zwei und drei wurden sämtliche Proben inklusive der Zellkulturen aus Sicherheitsgründen ebenfalls mit BPL inaktiviert. Um die Sicherheit bei der Präsentation von nicht inaktivierten Proben zu gewährleisten, wurden speziell für die Ausbildung von Spürhunden entwickelte Training Aid Delivery Devices (TADD, Sci-K9, USA) mit einer geruchsdurchlässigen Fluorpolymermembran verwendet. Ein 1 × 1 × 0,5 cm großes Wattepad, getränkt mit 10 μl flüssigem Probenmaterial, wurde auf den Boden des TADD-Glases gelegt; das Glas wurde im Labor unter Laborbedingungen der Biosicherheitsstufe 3 versiegelt. Obwohl die Proben den Hunden in den sicheren TADD-Gläsern dargeboten wurden, wurden die Tests in einem Labor der Biosicherheitsstufe 2 durchgeführt, um jegliches Infektionsrisiko zu vermeiden.

Double Blind Tests

In insgesamt 4 voneinander unabhängigen Tests wurden folgende Fragegestellungen geklärt:

1. Können Hunde Speichelproben von mit SARS-CoV-2 infizierten Menschen von dem Probenmaterial nicht infizierter Menschen unterscheiden, wenn das Virus zuvor inaktiviert wurde?
2. Können Hunde, die an Virus inaktiviertem Probenmaterial trainiert wurden, das Wissen auf nicht inaktiviertes Probenmaterial übertragen?
3. Können Hunde, die mit Hilfe von Speichelproben trainiert wurden, die Infektion auch in anderen Körperflüssigkeiten erkennen?
4. Können Hunde zwischen einer Infektion mit SARS-CoV-2 und einer Infektion mit einem anderen Erreger, der ähnliche Symptome auslöst, unterscheiden?

Die Studie wurde unter Einhaltung der Sicherheits- und Hygienevorschriften gemäß den Empfehlungen des Robert Koch-Instituts (Berlin, Deutschland) durchgeführt und von den örtlichen Behörden (Kreisgesundheitsamt und Landesuntersuchungsamt Hannover, Deutschland) genehmigt. Alle Proben wurden von der gleichen speziell geschulten Tierärztin gehandhabt.

In allen vier Tests war der Rahmen der Durchführung gleich. Sowohl der Diensthundeführer als auch die verantwortliche Versuchsleiterin befanden sich während des Suchvorganges hinter einem Sichtschutz. Der Hund befand sich somit allein im Raum und arbeitete ohne jeden Einfluss selbständig an dem DDTS. Dort wurden ihm alle Proben automatisiert und randomisiert präsentiert (Abbildung 1).

Abb. 1: Versuchsumgebung: Der Hund schnüffelt an den im DDTS angebotenen Proben.

Ergebnisse

Es gab 4 Möglichkeiten, wie die Hunde auf die dargebotenen Gerüche reagieren konnten:

1. True positive (TP): Der Hund zeigt eine SARS-CoV-2-positive Probe korrekt an
2. False positive (FP): Der Hund zeigt eine negative Kontroll- oder Ablenkungsprobe an
3. True negative (TN): Der Hund riecht kurz an einer negativen Probe, zeigt sie aber nicht an
4. False negative (FN): Der Hund riecht kurz an einer positiven Probe, zeigt sie aber nicht an.

Frage 1

Zur Klärung der ersten Fragestellung wurden den Hunden am Testtag insgesamt 1012 Proben präsentiert. Die durchschnittliche Detektionsrate lag bei 94 % (±3,4 %) mit 157 korrekt positiven Anzeigen,792 korrekten Ablehnungen, 33 falsch positiven und 30 falsch negativen Anzeigen. Die Hunde diskriminierten zwischen infizierten und nicht-infizierten Personen mit einer diagnostischen Gesamtsensitivität von 82,63 % (95 %-Konfidenzintervall [CI]: 82,02–83,24 %) und einer Spezifität von 96,35 % (95 %-CI: 96,31–96,39 %) [5].

Fragen 2 und 3

Die Versuche zur Beantwortung der Fragen 2 und 3 ­wurden am selben Testtag in 2 unabhängigen Versuchsdurchläufen durchgeführt. Am Ende der Testreihen ­wurden alle Hunde nach einem speziellen Dekontaminationsprotokoll gewaschen, um sicher zu gehen, dass sie über das Fell nicht als Vektoren dienen. Des Weiteren wurde bei ihnen ein PCR-Test durchgeführt. Insgesamt wurden den Hunden 5 308 Proben präsentiert.

Die Tiere waren in der Lage auch bei nicht inaktiviertem Probenmaterial zwischen infizierten (RT-PCR positiv) und nicht-infizierten (RT-PCR negativ) Personen mit einer diagnostischen Sensitivität von 84 % (95 %-CI: 62,5–94,44 %) und einer Spezifität von 95 % (95 %-CI: 93,4–96 %) zu differenzieren (Abbildung 2).

Abb. 2: Median der diagnostischen Spezifität und Sensitivität für alle Hunde für nicht inaktivierte Schweiß- (rotes Dreieck), Urin- (grünes Quadrat) und Speichelproben (lila Kreis). Die 95 %-Konfidenzintervalle der Mediane für Spezifität und Sensitivität sind mit horizontalen bzw. vertikalen Balken dargestellt [7].

In den Folgedurchgängen war das DDTS nacheinander mit nicht-inaktivierten Proben anderer Körperflüssigkeiten (Speichel, Schweiß oder Urin) bestückt. Die entsprechenden Werte für Sensitivität und Spezifität lagen für Speichelproben bei 82 % (95 %-CI: 64,29–95,24 %) und 96 % (95 %-CI: 94,95–98,9 %), für Schweißproben bei 91 % (95 %-CI: 71,43–100 %) und 94 % (95 %-CI: 90,91–97,78 %), sowie für Urinproben bei 95 % (95 %-CI: 66,67–100 %) und 98 % (95 %-CI: 94,87–100 %) [7].

Alle PCR-Tests der Hunde und auch die Abstriche von den TAAD-Gläsern waren SARS-CoV-2-negativ.

Frage 4

Im letzten Testdurchlauf wurde die Frage zur Fähigkeit der Hunde zur Differenzierung von SARS-CoV-2 von anderen Erregern überprüft. Zusätzlich zu dem Probenmaterial, welches für die oben bereits beschriebenen Versuche verwendet wurde, wurde für die letzte Studie auch Überstand von Zellkulturen verwendet, welche mit verschiedenen respiratorischen Viren infiziert wurden (Tabelle 1). Der Grund dafür lag in der Ermangelung von Infektionsmaterial von Probanden.

Tab. 1: Verwendete respiratorische Viren [13]

Insgesamt wurde den Hunden in allen drei Testszenarien 2 054 Proben präsentiert. (Tabelle 2). Im ersten Test­szenario lag die Sensitivität bei 73,8 % (95 %-CI: 60,0–81,7 %) und die Spezifität bei 95,1 % (95 %-CI: 92,6–97,7 %). Im zweiten Testszenario erreichten die Hunde eine Sensitivität von 61,2 % (95 % CI: 50,7–71,6 %) und eine Spezifität von 90,9 % (95 % CI: 87,3–94,6 %). Im letzten Testszenario 3 erlangten die Hunde eine Sensitivität von 75,8 % (95 %-CI: 53,0–98,5 %) und eine Spezifität von 90,2 % (95 %-CI: 81,1–99,4 %) [13].

Tab. 2: Untersuchungsaufbau

Fazit

In den Versuchen konnte gezeigt werden, dass Diensthunde innerhalb kürzester Zeit so trainiert werden können, dass sie eine Infektion mit dem SARS-CoV-2 mit hoher Sensitivität und Spezifität detektieren und anzeigen können. Dabei unterscheiden sie sicher zwischen einer Infektion mit SARS-CoV-2 und Infektionen von Erkrankungen der oberen Atemwege anderer Genese (einschließlich anderer Coronaviren), wenn sie vorher mit dem entsprechenden Probenmaterial ausgebildet wurden. Ein sicheres Training mit durch BPL inaktivierten Viren ist möglich, da Diensthunde in der Lage sind, ihr Wissen auf nicht inaktiviertes Probenmaterial zu transferieren. Die erreichte Sensitivität und Spezifität erreicht die Voraussetzungen des Paul-Ehrlich-Instituts für die Zuverlässigkeit von Testsystemen. Hunde wären damit ein geeignetes Mittel zum Real-Time-Screening für hohe Probandenzahlen.

Kernsätze

• In einem zivil-militärischen Forschungsprojekt wurden Hunde darauf ausgebildet, eine SARS-CoV2-Infektion zu erkennen und anzuzeigen.
• In einer Double Blind Studie konnte gezeigt werden: die Diensthunde waren in der Lage, eine Infektion mit SARS-CoV-2 mit hoher Sensitivität und Spezifität zu detektieren.
• Dabei unterscheiden sie sicher zwischen einer Infektion mit SARS-CoV-2 und Infektionen von Erkrankungen der oberen Atemwege anderer Genese.
• Hunde wären damit ein geeignetes Mittel zum Real-Time-Screening für hohe Probandenzahlen.

Literatur

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Autorenerklärung: Die Studie wurde in Übereinstimmung mit den ethischen Anforderungen der Deklaration von Helsinki durchgeführt. Die lokale Ethikkommission der Medizinischen Hochschule Hannover und der Ärztekammer Hamburg für das Universitätskrankenhaus Eppendorf genehmigten die Studie (Zulassungsnummer: 9042_BO_K_2020 und PV7298). Die schriftliche Einwilligung aller Teilnehmer wurde vor der Probenentnahme eingeholt.

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit jeglicher kommerzieller oder finanzieller Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnte.

Eine Förderung erfolgte durch die Sonderforschungsprojekte mit den Kennziffern 01Z9-S-852021 und 02Z9-S-852121

Manuskriptdaten

Zitierweise

Engels M, Ernst C, Volk HA, Schalke E: Diensthunde als Mittel zur Detektion von Coronavirus (SARS-CoV-2). WMM 2023: 67(1-2): 22-26.

DOI: https://doi.org/10.48701/opus4-61

Für die Verfasser

Oberstabsveterinär Dr. Esther Schalke
Kommando Sanitätsdienst der Bundeswehr
Unterabteilung IV, Sachgebiet 1–3 (Tierseuchen, Tierschutz, Diensttiere)
Von-Kuhl-Straße 50, 56070 KOBLENZ
E-Mail: kdosandstbwiv@bundeswehr.org

Manuscript data

Citation

Engels M, Ernst C, Volk HA, Schalke E: [Service Dogs as a Means of Coronavirus (SARS-CoV-2) Detecting]. WMM 2023: 67(1-2): 22-26.

DOI: https://doi.org/10.48701/opus4-61

For the authors

Major (VC) Dr. Esther Schalke
Bundeswehr Medical Service Headquarters
Division IV, Section 1.3 (Animal Epidemics, Animal Welfare, Service Animals)
Von-Kuhl-Straße 50, 56070 KOBLENZ
E-Mail: kdosandstbwiv@bundeswehr.org