Nuotekų stebėjimas buvo ypač sėkmingas COVID-19 pandemijos įkarštyje, kai pareigūnai pradėjo naudoti šią techniką vietinio viruso lygiui stebėti. Tačiau mano kolegos ir aš tyrinėjome nuotekų, kaip visuomenės sveikatos priemonės, pažadą daug metų, kol kas nors nebuvo girdėjęs apie SARS-CoV-2.
Mano aplinkos virusologijos laboratorija, įsikūrusi Mičigano valstijos universitete, bendradarbiauja su Detroito miestu ir Didžiųjų ežerų vandens administracija nuo 2017 m., kai pradėjome tirti komunalines nuotekas iš Veino, Oklando ir Makombo apygardų, siekdami ištirti virusines ligas Didžiojo Detroito bendruomenėje. .
Įsivaizduokite, kad norite nustatyti galimai atsirandančią infekcinę ligą miesto teritorijoje, kol ji netaps protrūkiu. Ar galėtumėte reguliariai rinkti klinikinius mėginius iš visų bendruomenės narių ir juos visus patikrinti dėl visų galimų virusų? Ne, tai neįmanoma užduotis.
Vietoj to, mes surinkome komunalines nuotekas kaip tipinį sudėtinį bendruomenės mėginį ir išbandėme jas pažangiais molekuliniais metodais, kad atskleistume endemines ir atsirandančias su virusais susijusias ligas, cirkuliuojančias rajone. Mes nustatėme virusų genomus, susijusius su daugybe gyventojų išskiriamų virškinimo trakto, kvėpavimo takų, kraujo ir pernešėjų plintančiomis ligomis. Mes nustatėme herpesvirusus, įskaitant retas rūšis, ir nustatėme hepatito A protrūkio smailes atlikdami nuotekų analizę, kuri pasireiškė anksčiau nei klinikiniuose mėginiuose.
Vykdomas projektas Detroite buvo perkeltas į SARS-CoV-2 stebėjimą 2020 m. Mūsų komanda, kurią vėliau papildė vietiniai sveikatos departamentai, praktikuojantys inžinieriai ir Mičigano sveikatos ir žmogiškųjų paslaugų departamentas, sugebėjo nustatyti COVID-19 viršūnes Detroito metropoliteno gyventojų likus penkioms savaitėms iki delta varianto padidėjimo buvo matomi teigiami COVID testo duomenys.
Mūsų komanda toliau plečia ir tobulina savo metodiką, kad patikrintų, ar Detroito metropolyje cirkuliuoja endeminės ir atsirandančios užkrečiamosios ligos, ir prognozuoja, kada ir kur įvyks padidėjimas.
Duomenys, paslėpti tame, kas patenka į kanalizaciją
Nuotekos yra mišinys, kuriame yra visko, kas patenka į kanalizaciją iš tualeto, dušo, skalbinių, indaplovės ar kriauklės. Daugumoje miestų į nuotekas patenka ir lietaus vanduo bei pramoniniuose procesuose naudojamas vanduo.
Komunalinėse nuotekose yra virusų ir kitų patogenų, kuriuos išskiria visi užsikrėtę asmenys, net ankstyvose stadijose, kol nepasireiškia simptomai.
Šie mikroorganizmai praskiedžiami dideliu kiekiu vandens ir sumaišomi su muilu, asmens priežiūros priemonėmis, kelių nuotėkiais ir daugeliu kitų cheminių medžiagų bei priemaišų. Kraujo ar seilių lašas, kurį klinika tirtų dėl infekcinių ligų sukėlėjų, yra daug labiau koncentruotas ir daug mažiau užterštas kitomis molekulėmis.
Ieškoti atsirandančių žmogaus virusų nuotekose – tai lyg bandymas rasti adatą šieno kupetoje. Koncentruojame ir išskiriame virusus nuotekų mėginiuose. Tada išgauname bet kokią DNR arba RNR, esančią mėginiuose, ir analizuojame molekuliniais metodais, tokiais kaip PGR ir naujos kartos sekos nustatymas, ieškodami su virusais susijusių genų. Tie genetiniai kodai rodo, kurios virusinės infekcijos yra populiacijoje, kuri sukūrė nuotekas.
Be patogeno buvimo patvirtinimo
Vienas dalykas yra nustatyti, kad tam tikras virusas yra bendruomenėje. Tačiau sudėtingesnė užduotis yra išsiaiškinti, kaip tam tikras nuotekų lygis reiškia, kiek žmonių serga, arba palyginti bendruomenių užkrėtimo lygius. Kaip greitai žmonių antplūdis pradės sirgti pastebėjus nuotekų piką?
Siekdami numatyti protrūkio piko laiką, mokslininkai atsižvelgia į kelis kintamuosius, įskaitant tai, kiek viruso išskiria tipiškas pacientas, kiek laiko žmonės išskiria patogeną po užsikrėtimo, klinikinių simptomų atsiradimą ir trukmę bei kiek laiko patogenas buvo nuotekų rinkinyje. vamzdžiai. Naudodami visus šiuos veiksnius, nuotekų rodmenis susiejame su klinikinės ligos metrika.
Be sudėtingų modelių, numatančių skirtumus laikui bėgant ir klinikinių atvejų piką, sukūrėme paprastus duomenų analizės metodus, kuriuos visuomenės sveikatos pareigūnai gali naudoti priimdami sprendimus. Taip pat stebėjome laiko tarpą tarp SARS-CoV-2 koncentracijos nuotekose ir klinikinės metrikos.
Svarbus žingsnis yra susieti tam tikrą viruso rodmenį nuotekose su žmonių, gyvenančių toje kanalizacijos sistemoje, skaičiumi. Apskaičiuodami, kiek žmonių nuotekų patenka į mūsų mėginį, naudojame žmogaus kūno pagamintas molekules. Pavyzdžiui, naudodami metabolitus, tokius kaip kreatinas, 5-HIAA ir ksantinas, apskaičiavome COVID-19 tendencijas vienam gyventojui, susiedami jų lygius su viruso lygiu. Šis procesas leidžia palyginti bendruomenes.
Atranka dėl kito protrūkio
Galiausiai visuomenės sveikatos pareigūnai nori apeiti bet kokį gresiantį protrūkį. Šiuo tikslu mūsų komanda sukūrė reitingavimo sistemą, pagal kurią nustatoma, kurioms ligoms, apie kurias reikia pranešti, ateityje turėtų būti sutelktas dėmesys stebint nuotekas.
Gydytojai teisiškai įpareigoti pranešti apie daugybę ligų – nuo vėjaraupių ir COVID-19 iki meningito ir tymų – sveikatos departamentui, kai jiems diagnozuojama. Stebėdami šias ligas, apie kurias reikia pranešti, pareigūnai gali skaičiuoti ir registruoti atvejus ir tendencijas.
Mūsų reitingavimo sistema yra viena iš pirmųjų tokio pobūdžio. Mes naudojame 12 veiksnių, įskaitant klinikines tendencijas konkrečiose geografinėse vietose ir žinias apie tam tikrų mikrobų užkrečiamumą. Žinodami, kokios užkrečiamosios ligos plinta konkrečioje bendruomenėje, pareigūnai gali teikti pirmenybę ištekliams ir pastangoms stebėti ir užkirsti kelią jų plitimui.
Pavyzdžiui, Detroito srityje nustatėme, kad tam tikros ligos, įskaitant kai kurias lytiniu keliu plintančias infekcijas, buvo vertinamos aukščiau nei visoje Mičigano valstijoje. Tikslinga skirti išteklius joms spręsti.
Mes taip pat sukūrėme sekos nustatymo ir bioinformatikos protokolą – tai žingsnis po žingsnio procesas, kuris tikrina galimas su virusais susijusias sekas, kurios gali cirkuliuoti bendruomenėje. Tai būdas išplėsti priežiūrą už įprastų ligų, apie kurias medicinos paslaugų teikėjai turi pranešti pareigūnams, kai nustato diagnozę. Ši priemonė gali iš anksto įspėti pareigūnus, jei nuotekose atsirastų kažkas naujo ar netikėto.
Nuotekų stebėjimo mokslo įtvirtinimas
Nuotekų priežiūra pasitvirtino kaip epidemiologinė priemonė. Tačiau nors nuotekų epidemiologija padarė didelę pažangą technologijų, metodų ir pritaikymo srityse, reikia daugiau nuveikti, kad būtų integruotos įvairios pastangos visoje šalyje. Norint tiksliai prognozuoti protrūkį, nuotekų priežiūros duomenų bazės turėtų būti integruotos su klinikinių duomenų metrika, elgesio, socialine ir demografine informacija, taip pat duomenimis, rodančiais gyventojų mobilumą. Glaudus bendradarbiavimas su vietos sveikatos departamentais yra labai svarbus, nes vietos epidemiologai yra tie, kurie priimdami sprendimus naudos stebėjimo pastangas.