В течение нескольких недель после появления на мировой арене SARS-CoV-2 сумел охватить земной шар, оставив после себя болезни, смертность и экономические разрушения. Одной из основных задач, стоящих перед органами здравоохранения и медицинским сообществом, было тестирование на наличие неуловимого вируса в достаточно широком масштабе.
Новый подход к мониторингу нового коронавируса (а также других опасных патогенов и химических агентов) разрабатывается и совершенствуется. Этот метод, известный как эпидемиология на основе сточных вод (WBE), собирает образцы сточных вод для получения важных сведений о здоровье человека. Он потенциально может определять уровни заражения коронавирусом как в локальном, так и в глобальном масштабе.
В конечном счете, WBE обещает почти в реальном времени мониторинг вспышек заболеваний, устойчивых микробов, уровней употребления наркотиков или показателей здоровья, таких как диабет, ожирение и другие болезни.
В новом исследовании исследователи ASU Рольф Халден и Ольга Харт анализируют, что можно, а что нельзя измерить при отслеживании SARS-CoV-2 в сточных водах, и подчеркивают экономические преимущества нового подхода по сравнению с обычным тестированием болезней и эпидемиологическим надзором.
"Наши результаты показывают, что полагаться исключительно на тестирование отдельных лиц слишком медленно, дорого и в большинстве случаев непрактично, учитывая наши текущие возможности тестирования," Халден говорит. "Однако, когда этому предшествует проверка сточных вод в масштабе всего населения, задача становится менее сложной и более управляемой."
Харт – ведущий автор нового исследования и научный сотрудник Центра биодизайна здравоохранения. Халден, который руководит центром, также является профессором инженерии в Фултонской школе устойчивой инженерии и искусственной среды и автором книги “ Окружающая среда ” 2020 года.
Их исследование опубликовано в текущем выпуске журнала Science of the Total Environment.
Литр воды, океан информации
Эпидемиология, связанная со сточными водами, может помочь преодолеть тупик при тестировании на коронавирус во многих развитых странах, таких как США.S., но также может быть бесценным инструментом для сбора данных о состоянии здоровья в бедных регионах, которые могут столкнуться с основной тяжестью пандемии.
В настоящее время U.S. имеет крупнейшую национальную и международную сеть WBE и хранилище образцов, известную как Обсерватория здоровья человека (HHO) в ASU. Недавно SARS-CoV-2 был добавлен к ряду показателей здоровья, которые HHO постоянно отслеживает с мая 2008 г.
Отслеживание смертельной угрозы
Техника Халдена может похвастаться высокой чувствительностью, с возможностью обнаружения сигнатуры одного инфицированного человека среди 100–2 миллионов человек. Для этого образцы сточных вод проверяются на наличие фрагментов нуклеиновых кислот вируса SARS-CoV-2. Геномы РНК амплифицируются с помощью процесса, известного как количественная ПЦР с обратной транскриптазой (RT qPCR).
Стратегия WBE включает сначала транскрипцию РНК коронавируса в комплементарную ДНК (кДНК) ферментом обратной транскриптазы, а затем амплификацию полученной ДНК для улучшения обнаружения сигнала. Для подтверждения наличия вируса в образцах сточных вод используются методы секвенирования.
"Мы можем за один раз контролировать все сообщество на предмет наличия нового коронавируса," Харт сказал. "Однако существуют компромиссы. Чтобы получить наилучшие результаты и избежать потери информации, мы хотим проводить измерения вблизи очагов заражения вирусом и учитывать температуру сточных вод и степень разбавления при оценке числа инфицированных случаев."
В текущем исследовании ученые смоделировали образцы сточных вод в Темпе, Аризона., на наличие вируса SARS-CoV-2. Их работа основана на компьютерном анализе и моделировании, а также на прогнозировании очагов эпидемий в прошлом, настоящем и будущем.
Исследование показывает, что необходимо проводить тщательную калибровку для обеспечения точности данных, которые очень чувствительны к ключевым переменным, включая сезонную температуру, среднее время в пути в канализацию, скорость деградации биомаркеров, демографические данные сообщества и потребление воды на человека. (В сопутствующей статье Халдена и Харта подробно рассматривается влияние этих переменных на результаты WBE.)
Оценки, основанные на данных по Европе и Северной Америке, показывают, что каждый человек, инфицированный SARS-CoV-2, будет выделять миллионы, если не миллиарды вирусных геномов в сточные воды в день. Это означает от 0.15 и 141.5 миллионов вирусных геномов на литр образующихся сточных вод.
С помощью RT qPCR исследователи должны иметь возможность обнаруживать новый коронавирус с высокой чувствительностью, требуя мониторинга примерно у каждого из 114 человек в наихудшем сценарии и только 1 положительный случай среди 2 миллионов неинфицированных людей в оптимальных условиях.
Помимо снижения передачи и смертности в результате инфекции SARS-CoV-2, улучшенные данные по населению обеспечивают и другие социальные преимущества. Выявив горячие точки вирусов, исследователи смогут лучше направлять ресурсы на защиту уязвимых групп населения с помощью мер социального дистанцирования, одновременно ослабляя ограничения в регионах, свободных от вирусов, сводя к минимуму экономические и социальные потрясения.
Для этого Халден и его команда создали OneWaterOneHealth, некоммерческий проект фонда ASU Foundation, цель которого – предоставить тестирование на COVID-19 тем, кто в настоящее время не может себе это позволить.
Халден сказал, что если этот подход будет применяться в США,.S, примерно 70% населения можно проверить на SARS-CoV-2 путем мониторинга 15014 очистных сооружений страны при ориентировочной стоимости химических реагентов в размере 225000 долларов США.
Более детальный надзор может быть достигнут путем использования WBE для выявления региональных или глобальных горячих точек вируса, а затем применения целевого тестирования отдельных лиц с использованием клинических методов.