Dr. Wilfred Ndifon - Entwickler der Test-Innovation gegen Covid-19

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Vor wenigen Jahren, genauer gesagt am 27. Oktober 2017, wandte sich Thierry Zomahoun in einem Vortrag auf der Weltkonferenz der Wissenschaftsjournalisten an die anwesenden Gäste. 

Der umtriebige Geist und geschäftsführende Direktor des African Institute for Mathematical Sciences (AIMS) kritisierte, dass die sogenannten Mainstream-Medien ein Bild Afrikas zeichneten, wonach die Gesellschaften Afrikas bis heute keinen nennenswerten Beitrag bei der Evolution des menschlichen Wissens gespielt hätten.

"Wenn man sich die konventionelle Geschichtsschreibung anschaut, hat man den Eindruck, dass Afrika keine bedeutenden Beiträge zur Wissenschaft geleistet hat."

Dabei handele es sich um eine Verzerrung der Realität, der es entschieden entgegenzutreten gelte.

Auch im zweiten Artikel von The African Scientist soll ein Beitrag dazu geleistet werden, dem entsprechende Narrativ des wissenschaftlich desinteressierten, da intellektuell rückständigen Kontinents entgegenzutreten.

Eher durch Zufall ergab es sich, dass auch diesmal Covid-19 eine zentrale Rolle spielt. Für mich selbst war es erneut faszinierend und mal wieder aufschlussreich, diesmal ansatzweise in die Arbeitswelt von Dr. Ndifon einzutauchen.

Wilfred Ndifon ist ein ausgewiesener Experte für die Anwendung der Immunologie und Mathematik bei der Untersuchung von Mechanismen und Dynamiken von Infektionskrankheiten. Geboren wurde er in der 52.000 Einwohner zählenden Stadt Buea im westafrikanischen Kamerun. Schon früh entwickelte er ein großes Interesse an der Lösung medizinischer Probleme. Zunächst schreibt sich Ndifon als junger Mann für ein Bachelor-Studium an der Universität von Buea ein - mit den Hauptfächern Mathematik und Informatik. Physik wählt er als Nebenfach.

Durch Zielstrebigkeit und entsprechende Leistungen verschlägt es ihn durch ein Stipendium zum Biologiestudium an die US-amerikanische Morgan State University. Während der Ausbildung erkennt er die Bedeutung der Mathematik für die Probleme, die er zu lösen gedenkt. Nichts liegt für ihn also näher, als sich außerdem für ein Studium der angewandten Mathematik einzuschreiben. Aufgrund herausragender Leistungen führt Ndifons Weg weiter an die Universität Princeton, wo er im Jahr 2009 den Doktortitel in theoretischer Biologie erhält. Ein Studium an der Schnittstelle von Mathematik, Physik und Biologie. Als Hobby entwickelt er nebenher kommerzielle Software. 

Doch damit ist der akademische Wissensdurst des Kameruners noch nicht gestillt. Mit dem Doktortitel in der Tasche und einem frischen Forschungsstipendium ausgestattet, zieht es ihn ans Institut für Immunologie am Weizmann Institute of Science in Israel.

Im Mittelpunkt seines Forschungsinteresses steht seither das menschliche Immunsystem. Dabei befasst sich Dr. Ndifon bevorzugt mit der Entwicklung von Technologien für das Design von Impfstoffen. Sein oberstes Ziel ist es, neue Ansätze (einschließlich Diagnostik-Verfahren) zur Kontrolle verschiedener übertragbarer und nicht übertragbarer Krankheiten zu entwickeln.

Internationale Anerkennung in Fachkreisen erhält der Forscher aus einer kleinen Stadt in Kamerun im November 2015 durch eine Veröffentlichung im Journal of the Royal Society. Dort präsentiert er eine Arbeit zur Lösung eines seit 70 Jahren bestehenden immunologisches Rätsels: Das Mysterium der sogenannten ursprünglichen antigenen Sünde

https://youtu.be/8ytJnjZT6vk

Aufgrund seiner bemerkenswerten Expertise wird Ndifon Berater des  Immunization and Vaccines related Implementation Research Advisory Committee der Weltgesundheitsorganisation (IVIR-AC).

Nach eigener Aussage wendet Ndifon "mathematisches Denken und Modellierungen an, um mechanistische Erkenntnisse über verschiedene Phänomene zu erhalten, die für die adaptive Immunität relevant sind".

https://twitter.com/royalsociety/status/1052574047693938688?s=20

Dann ein weiterer Meilenstein: Im Zuge der Corona-Krise veröffentlichten Ndifon und 21 weitere, überwiegend aus Ruanda stammende Wissenschaftler am 2. Oktober 2020 im Fachmagazin Nature eine Studie über eine Teststrategie zur Identifizierung von SARS-CoV-2 bei niedriger Prävalenz. Die Arbeit sorgte für einiges Aufsehen. Auch aus Kostengründen sei es für viele afrikanische Staaten  bei der Identifizierung von SARS-CoV-2 von Vorteil auf sogenannte Gruppentests zu setzen, heißt es in der Fachpublikation.

"Um Personen zu identifizieren, die mit SARS-CoV-2 infiziert sind, besteht der naive Ansatz darin, jeden einzeln zu testen, d. h. einen Test pro Person durchzuführen. Bei niedriger Prävalenz ist es jedoch weitaus effizienter, Proben zu sammeln (oder zu kombinieren) und diese Probenpools gemeinsam zu testen."

Die Anwendung des Gruppentest-Verfahrens geht in seiner ursprünglichen Form auf den US-amerikanischen Professor für politische Ökonomie an der Harvard University Robert Dorfmann zurück. Er entwickelte das Verfahren im Jahr 1943, um etwa Wehrpflichtige der US-Armee auf Syphilis zu testen. Die Strategie wird seither u.a. für Tests auf sexuell übertragbare Infektionen, und Malaria eingesetzt. Der Kameruner entwickelte das Verfahren mit seinen ruandischen Kollegen weiter, um die Anzahl notwendiger Tests bei gleicher Effektivität weiter zu reduzieren.

Stark vereinfacht ausgedrückt, kann das Prinzip wie folgt beschrieben werden: Die COVID-19-Proben einer Gruppe von Menschen werden gesammel. Wenn eine der Proben ein positives Ergebnis zeigt, werden die sämtliche Proben anhand eines Algorithmus neu sortiert und neu kombiniert. Dies erlaubt es den Laboranten letztendlich, einzelne, ebenfalls positive Personen zu identifizieren. Anschließende PCR-Tests, die das Vorhandensein des Virus und nicht die Antikörper nachweisen, benötigen weniger Reagenzien.

https://twitter.com/DrDanielNgamije/status/1260607747122479105?s=20

Das kleine und prosperierende westafrikanische Ruanda setzt auf diese Art des Pool-Testings für den Nachweis einer Infektion mit dem Erreger SARS-Coronavirus-2. Der dabei zur Anwendung kommende sogenannte Hypercube-Algorithmus, bietet demzufolge einen „attraktiven Kompromiss, zwischen der Minimierung der Gesamtzahl der Tests zur Kostenreduzierung und der Maximierung der Testgeschwindigkeit zur Reduzierung der Verbreitung des Virus“. Lagen die Test-Kosten zuvor bei etwa 9 US-Dollar, sind es jetzt noch 75 Cent pro Person.

Sabin Nsanzimana, Epidemiologe und Teil der ruandischen Task Force zur Bekämpfung von COVID-19:

"Der Einsatz von Technologielösungen hat dazu beigetragen, den Druck auf unser Gesundheitssystem zu verringern."

In einer Kolumne des Spiegel hieß es im Januar 2021:

"Die Idee dazu kam von Wilfred Ndifon, einem mathematischen Epidemiologen und Forschungsdirektor am African Institute for Mathematical Sciences (AIMS), der zusammen mit Leon Mutesa, einem Experimentalphysiker vom Gesundheitsministerium, beauftragt wurde, dieses Problem zu lösen."
https://youtu.be/tYENh3kw2TQ

Und seit der Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Nature, wenden sich am Verfahren interessierte Länder an die Forscher um Dr. Wilfred Ndifon. Zu den Kollegen des gebürtigen Kameruners zählen neben dem Südafrikaner Neil Turok, Kosmologe, theoretischer Physiker und AIMS-Gründer, auch der erwähnte Leon Mutesa, Direktor des Zentrums für Humangenetik an der Hochschule für Medizin und Gesundheitswissenschaften an der Universität von Ruanda. Mutesa validierte den von Ndofin entwickelten Test-Algorithmus. Mutesa erläutert:

"Das auffälligste Ergebnis unseres Ansatzes ist die Geschwindigkeit, mit der die Kosten für das Screening der gesamten Bevölkerung bei sinkender Prävalenz abnehmen, da die Übertragungsrate sinkt."

Ghana und Kenia nutzen das Verfahren des Pool-Testing bereits, aus den USA kamen Anfragen und an der Universität Edinburgh wird es demzufolge bei Studenten angewendet. In Deutschland liefen bisher einige Modellversuche an ausgewählten Schulen - mit sehr positiven Ergebnissen. Der Deutschlandfunk schrieb Anfang März: 

"Durch eine so engmaschige Testung kann dann auch verhindert werden, dass  ganze Klassen oder große Teile vom Kollegium in Quarantäne geschickt  werden, wenn sie direkten Kontakt mit einer corona-positiven Person  hatten."

Wenn die Proben nicht mit herkömmlichen Schnelltests genommen werden, sondern anhand der "Lolly-Methode" stoße dies zudem auf eine wesentlich höhere Akzeptanz bei den Schülern, aber auch den Lehrern. 

Die Fachzeitschrift Spektrum berichtete bezogen auf Dr. Ndifon Mitte März:

"Alle Menschen auf eine Corona-Infektion zu testen, ist zeit- und geldaufwändig. In Ruanda hat ein Mathematiker nun eine Methode entwickelt, die Testkosten zu senken und trotzdem große Teile der Bevölkerung zu untersuchen: das Pool-Testing."

Weitere Vorteile liegen auf der Hand: Durch die Ressourcen-Ersparnis werden auch die Testlabore und Gesundheitsämter entlastet. Außerdem bergen herkömmliche Schnelltestverfahren nicht nur die Gefahr sogenannter falsch-negativer Testergebnisse.  

"(...) Die Schnelltests zeigen häufig eine Infektion an, wenn keine vorhanden ist."

Die Associated Press verwies im August 2020 auf die Assistenzprofessorin für globale Gesundheit an der Harvard-Universität Sema Sgaier. Diese nannte die Innovation aus Ruanda ein Beispiel für "unglaubliche Lösungen in sehr ressourcenarmen Umgebungen", die auf dem afrikanischen Kontinent entstanden sein. Aufgrund der Komplexität des Verfahrens, arbeiten Ndifon und sein Team demzufolge nun an einer Softwarelösung, um die eingebundenen Labortechniker zu entlasten und menschliche Fehler zu minimieren.

https://twitter.com/AIMS_Next/status/1336320320349720577?s=20

Bereits im Juli 2016 beklagte Ndifon, dass er bei seiner Forschung leider nicht auf die nötige Aufmerksamkeit und eine ausreichende finanzielle Unterstützung durch die Staaten Afrikas vertrauen könne. Quartz Africa zitiert den renomierten Wissenschaftler:

"Was ich tue, wäre ohne Unterstützung aus dem Westen nicht möglich. Staatliche Förderprogramme für wissenschaftliche Projekte gibt es in Afrika so gut wie gar nicht. Wo es sie gibt, sind die Mittel meist sehr begrenzt."

Dieser Mangel an Unterstützung für die Wissenschaften, könnte laut dem Doktor der theoretischen Biologie den Fortschritt bei der Lösung einiger der größten Herausforderungen Afrikas behindern. Es müssten die richtigen Prioritäten gesetzt werden und es brauche eine "nachhaltige Finanzierung" für Wissenschaftler. Durch seinen eigenen Erfolg hofft Dr. Ndifon zumindest "andere afrikanische Wissenschaftler zu inspirieren".

Aktuell ist der Top-Wissenschaftler als Professor für Theoretische Biologie am AIMS und als Forschungsdirektor des AIMS-Netzwerks tätig. Ferner forscht er an der Abteilung für mathematische Wissenschaften an der Universität Stellenbosch in Südafrika. 

English version

Dr. Wilfred Ndifon - Developer of the Group Test Innovation against Covid-19

A few years ago, on October 27, 2017 to be precise, Thierry Zomahoun addressed the guests present at the World Conference of Science Journalists.

The enterprising mind and executive director of the African Institute for Mathematical Sciences (AIMS) criticized the so-called mainstream media for painting a picture of Africa according to which African societies have not played any significant role in the evolution of human knowledge to date.

"If you look at conventional historical writing, you get the impression that Africa has not made significant contributions to science."

This, he said, is a distortion of reality that must be resolutely countered.

Also the second article of The African Scientist is intended to contribute to countering the corresponding narrative of the scientifically disinterested, because intellectually backward continent.

It was rather by chance that Covid-19 plays a central role this time as well. For myself, it was again fascinating and once more revealing to dive into the working world of Dr. Ndifon.

Wilfred Ndifon is a renowned expert in the application of immunology and mathematics to the study of infectious disease mechanisms and dynamics. He was born in the city of Buea, population 52,000, in the West African country of Cameroon. Early on, he developed a keen interest in solving medical problems. Initially, as a young man, Ndifon enrolled in a bachelor's degree program at the University of Buea - majoring in mathematics and computer science. He chose physics as a minor subject.

Through determination and appropriate performance, he was awarded a scholarship to study biology at Morgan State University in the United States. During his studies, he recognizes the importance of mathematics for the problems he intends to solve. So nothing is more natural to him than to also enroll in a degree program in applied mathematics. Due to outstanding academic achievements, Ndifon's path leads him on to Princeton University, where he receives a PhD in theoretical biology in 2009. A field of study at the intersection of mathematics, physics and biology. As a hobby, he develops commercial software on the side. 

But this does not yet quench the Cameroonian's thirst for academic knowledge. With his doctorate in his pocket and a fresh research grant, he moves to the Institute of Immunology at the Weizmann Institute of Science in Israel.

Since then, his research interests have focused on the human immune system. Dr. Ndifon's preferred area of interest is the development of technologies for the design of vaccines. His ultimate goal is to develop new approaches (including diagnostic methods) to control various communicable and non-communicable diseases.

The researcher from a small town in Cameroon received international recognition among experts in November 2015 with a publication in the Journal of the Royal Society. There, he presented a paper on the solution of an immunological puzzle that has existed for 70 years: the mystery of the so-called original antigenic sin.

https://youtu.be/8ytJnjZT6vk

Due to his remarkable expertise, Ndifon becomes an advisor to the World Health Organization's Immunization and Vaccines related Implementation Research Advisory Committee (IVIR-AC).

By his own account, Ndifon "applies mathematical reasoning and modeling to gain mechanistic insights into various phenomena relevant to adaptive immunity."

https://twitter.com/royalsociety/status/1052574047693938688?s=20

Then another milestone: in the wake of the Corona crisis, Ndifon and 21 other scientists, mostly from Rwanda, published a study in the journal Nature on October 2, 2020, on a testing strategy to identify SARS-CoV-2 at low prevalence. The work caused quite a stir. Partly for cost reasons, it is advantageous for many African countries to rely on so-called group testing to identify SARS-CoV-2, according to the technical publication.

"To identify individuals infected with SARS-CoV-2, the naive approach is to test everyone individually, i.e., one test per person. However, at low prevalence, it is far more efficient to collect (or combine) samples and test these sample pools together."

The use of the group testing procedure in its original form can be traced back to Robert Dorfmann, a U.S. professor of political economy at Harvard University. He developed the procedure in 1943 to test, for example, U.S. Army conscripts for syphilis. The strategy has since been used to test for sexually transmitted infections, and malaria, among other things. The Cameroonian further developed the method with his Rwandan colleagues to further reduce the number of tests needed while maintaining the same effectiveness.

In highly simplified terms, the principle can be described as follows: COVID-19 samples from a group of people are collected. If one of the samples shows a positive result, all samples are re-sorted and re-combined using an algorithm. This ultimately allows lab technicians to identify individuals who are also positive. Subsequent PCR tests, which detect the presence of the virus rather than the antibodies, require fewer reagents.

https://twitter.com/DrDanielNgamije/status/1260607747122479105?s=20

The small and prosperous West African country of Rwanda is using this type of pool testing to detect infection with the SARS coronavirus-2. The so-called hypercube algorithm used in this process offers an "attractive compromise between minimizing the total number of tests to reduce costs and maximizing the speed of testing to reduce the spread of the virus. Whereas testing costs were previously about $9, they are now 75 cents per person.

Sabin Nsanzimana, epidemiologist and part of Rwanda's task force to combat COVID-19:

"The use of technology solutions has helped reduce the pressure on our health system."

A January 2021 column in Der Spiegel said:

"The idea came from Wilfred Ndifon, a mathematical epidemiologist and research director at the African Institute for Mathematical Sciences (AIMS), who was commissioned to solve this problem with Leon Mutesa, an Experimental physicist from the Ministry of Health."
https://youtu.be/tYENh3kw2TQ

And since its publication in the journal Nature, countries interested in the process have turned to the researchers led by Dr. Wilfred Ndifon. The Cameroon native's colleagues include Neil Turok, a South African cosmologist, theoretical physicist and AIMS founder, and the aforementioned Leon Mutesa, Director of the Center for Human Genetics at the College of Medicine and Health Sciences at the University of Rwanda. Mutesa validated the testing algorithm developed by Ndofin. Mutesa explains:

"The most striking result of our approach is the speed at which the cost of screening the entire population decreases as the prevalence decreases, because the transmission rate declines."

Ghana and Kenya are already using the pool-testing method, inquiries have come from the U.S., and the University of Edinburgh is using it among students. In Germany, some model tests have been running at selected schools so far - with very positive results. Deutschlandfunk wrote in early March:

"Such close-meshed testing can then also prevent entire classes or large sections from being sent into quarantine by the college staff if they have had direct contact with a corona-positive person."

If the samples are not taken with conventional rapid tests, but using the "lolly method", this would also meet with a much higher acceptance among the students, but also the teachers.

The science journal Spektrum reported with reference to Dr. Ndifon in mid-March:

"Testing all people for Corona infection is time-consuming and expensive. In Rwanda, a mathematician has now developed a method to reduce testing costs while still screening large portions of the population: pool testing."

Other benefits are obvious: The resource savings will also reduce the burden on testing labs and health departments. Furthermore, conventional rapid test methods not only carry the risk of so-called false-negative test results.  

"(...) The rapid tests frequently indicate an infection when there isn't one."

The Associated Press referred to Harvard University assistant professor of global health Sema Sgaier in August 2020. The latter called the Rwandan innovation an example of "incredible solutions in very low-resource settings" that have emerged on the African continent. Because of the complexity of the process, Ndifon and his team are consequently now working on a software solution to ease the burden on the laboratory technicians involved and minimize human error.

https://twitter.com/AIMS_Next/status/1336320320349720577?s=20

Back in July 2016, Ndifon lamented that he unfortunately could not rely on the necessary attention and sufficient financial support from the states of Africa in his research. Quartz Africa quotes the renowned scientist:

"What I do would not be possible without assistance from the West. Government-backed funding programs for science projects are nearly nonexistent in Africa. Where they do exist, they usually have very limited funding."

This lack of support for the sciences, according to the PhD in theoretical biology, could hinder progress in solving some of Africa's biggest challenges. The right priorities need to be set, he said, and there needs to be "sustainable funding" for scientists. Through his own success, Dr. Ndifon hopes to at least "inspire other African scientists."

Currently, the top scientist serves as a professor of theoretical biology at AIMS and as research director of the AIMS network. He also conducts research at the Department of Mathematical Sciences at Stellenbosch University in South Africa.

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