監測廢水中的流行病 7 10 
對廢水進行採樣可能會耗費大量時間。 John Eisele/科羅拉多州立大學

微生物學家 蘇珊·德龍卡羅爾·維魯茲 2020 年 2 月,一群污水處理廠運營商基層組織要求他們開發和部署一項測試,以檢測科羅拉多州下水道樣本中的 SARS-CoV-XNUMX。 德龍是一位研究有用細菌的環境工程師。 Wilusz 的專長是 RNA 生物學。 在這裡,他們描述了廢水監測的工作原理以及它在大流行後的未來可以做些什麼。

如何監測廢水中的 SARS-CoV-2?

廢水監測利用了許多人類病原體和人類藥物代謝產物最終存在於尿液、糞便或兩者中的事實。 導致 COVID-2 的 SARS-CoV-19 病毒出人意料地出現了 大量感染者的糞便,儘管這不是疾病傳播的主要途徑。

為了弄清楚是否存在任何病原體,我們首先需要直接從下水道或工程師所謂的“流入”進入處理廠的地方收集有代表性的廢水樣本。 我們也可以使用從廢水中沉澱出來的固體。

然後,技術人員需要去除糞便中的大顆粒並濃縮所有微生物或病毒。 下一步是提取它們的核酸——保存病原體遺傳信息的 DNA 或 RNA。


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DNA 或 RNA 中包含的序列充當了存在的病原體的獨特條形碼。 例如,如果我們檢測到 SARS-CoV-2 特有的基因,我們就知道冠狀病毒就在我們的樣本中。 我們使用基於 PCR 的方法,類似於那些 用於臨床診斷測試,以檢測和量化 SARS-CoV-2 序列。

更詳細地表徵核酸序列可以提供有關病毒株的信息——例如, 它可以識別變體 像 omicron BA.2。

目前,絕大多數廢水監測工作都集中在 SARS-CoV-2 上,但同樣的技術也適用於其他病原體,包括 脊髓灰質炎病毒, 影響諾如病毒.

在大流行之前,一份申請是 監測罕見的脊髓灰質炎病毒爆發 在正在進行脊髓灰質炎疫苗接種的地區。 還可以監測廢水中各種藥物的跡象,以深入了解 人群中藥物使用的水平和類型.

數據去哪兒了?

在大流行期間,美國疾病控制和預防中心製定了 國家污水監測系統 專門用於在全國范圍內追踪 SARS-CoV-2。 超過 800 個網站報告數據 到這個 NWSS 系統,但目前並不是所有的州和縣都有代表。

監測廢水中的流行病2 7 10 覆蓋各種規模人口的 800 多個地點向 CDC 報告了 COVID-19 廢水數量。 CDC COVID數據跟踪器, CC BY

許多國家機構,如 科羅拉多州公共衛生與環境部, 和城市, 比如 坦佩,亞利桑那州,擁有自己的儀表板來報告數據。 部分企業進行廢水分析報告數據 在他們自己的儀表板上了。

我們認為,NWSS 代表了通過廢水監測人口健康的令人興奮的第一步。 其他國家也正在建立類似的系統, 包括澳大利亞新西蘭.

廢水數據真正顯示了什麼?

大量人群廢水中的 SARS-CoV-2 水平是社區感染水平的一個很好的指標。 該系統自動監控生活在下水道中的每個人,因此它是匿名的、公正的和公平的。 重要的是,如果不採集額外樣本,也不可能將感染追溯到特定的人、家庭或社區。

廢水監測不依賴於臨床測試的可用性或人們報告他們的測試結果。 它還收集無症狀和症狀前的 COVID-19 病例; 這很關鍵,因為那些 感染但不感到不適仍然可以傳播 COVID-19.

我們認為,隨著越來越多的 COVID-19 測試在家中進行,廢水測試變得越來越重要。 而且因為疫苗接種也導致 更多輕度和無症狀的 COVID-19 病例,人們可能在根本沒有接受檢測的情況下被感染。 這些因素意味著臨床病例數據的信息量不如大流行早期,而廢水數據仍然是社區感染水平的一致指標。 廢水監測不依賴於人們報告家庭檢測呈陽性,甚至不依賴於他們的感染情況。 斯賓塞普拉特/蓋蒂圖片社新聞

到目前為止,您無法根據社區廢水中的病毒水平準確預測社區中的感染人數。 某人感染的階段,他們的身體對病毒的反應,病毒變種,一個人離廢水樣本的採集地有多遠,甚至天氣都可以 影響污水中測量的 SARS-CoV-2 量.

但科學家可以推斷出感染率的相對變化。 觀察污水中的病毒水平上下波動,可以一窺整個社區的病例是上升還是下降。

由於 SARS-CoV-2 可以在暴發前幾天甚至幾週在廢水中檢測到,因此廢水監測可以提供早期警告,表明可能需要採取公共衛生措施。 信號的趨勢很重要—— 如果你知道水平在上升,現在可能是重新制定口罩授權或建議在家工作的好時機。 目前,公共衛生官員使用廢水監測數據 連同其他信息 比如檢測陽性率和社區中的臨床病例和住院人數,以做出這些決定。

測序數據還可以幫助檢測新變體並監測其水平,從而使健康反應能夠考慮存在的變體特徵。

在較小的人群中,例如大學宿舍和療養院,廢水監測可以檢測到少數感染者。 這可以敲響警鐘,針對性的臨床測試是為了識別感染者進行隔離。 早期發現、有針對性的檢測和隔離是 有效預防疫情. 管理員可以在廢水中檢測到 SARS-CoV-2 時保留破壞性臨床測試,而不是使用臨床測試進行常規監測。

未來的監控會是什麼樣子?

廢水監測的廣泛和常規使用將使公共衛生官員能夠獲得有關美國社區一系列潛在感染水平的信息。 這些數據可以指導決定在哪裡向社區提供額外資源,例如在感染上升的地方開設檢測或疫苗接種診所。 它還可以幫助確定何時需要戴口罩或關閉學校等乾預措施。

在最好的情況下,廢水監測可能會在新病毒首次到達新區域時捕獲它; 在非常局部的地區提前關閉可能會阻止未來的大流行。 有趣的是,研究人員在 之前收集的歸檔廢水樣本 任何人都被診斷出患有 COVID-19。 如果廢水監測早在 2019 年底就已成為已建立的公共衛生基礎設施的一部分,那麼它可能會提供更早的警告,即 SARS-CoV-2 正在成為全球威脅。

然而,就目前而言,建立和運行一個國家廢水監測系統,特別是包括在關鍵地點進行建築級監測的系統,仍然過於昂貴和勞動密集型。

正在進行的研究和開發工作正試圖簡化和自動化廢水採樣。 在分析方面,採用 PCR 和測序技術檢測其他病原體,包括新病原體,對於充分利用這一系統至關重要。 最終,廢水監測可以幫助支持未來流行病的致命性要低得多,社會和經濟影響也更小。

關於作者

蘇珊·德龍, 土木與環境工程副教授, 科羅拉多​​州立大學卡羅爾·維魯茲, 微生物學、免疫學和病理學教授, 科羅拉多​​州立大學

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.

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