Ścieki systemem wczesnego ostrzegania

W londyńskich ściekach wykryto niedawno zarazki polio. To dowód na krążenie zmutowanej wersji tzw. szczepionkowej odmiany tego wirusa, która może zagrażać osobom nieuodpornionym. Badanie nieczystości pozwoliło więc ostrzec mieszkańców Londynu, by upewnili się, czy są na bieżąco ze szczepieniami.

W ściekach Poznania stężenie SARS-CoV-2 wzrosło ostatnio do poziomu porównywalnego z grudniem ubiegłego roku. To pierwszy sygnał świadczący o początku kolejnej fali pandemii i wskazówka dla służb medycznych, by zaczęły przygotowywać się na wzrost liczby zakażeń.

A w ściekach San Diego znaleziono nowe warianty koronawirusa kilka tygodni wcześniej zanim pojawiły się w punktach testowania. Umożliwiła to nowa metoda badawcza, bo co innego wykrycie samej obecności, czy nawet pomiar ilości wirusów, a co innego precyzyjne ustalenie ich mutacji. Epidemiolodzy będą teraz szybciej zdobywać informacje, które odmiany krążą w danej populacji by móc w porę ograniczać ich rozprzestrzenianie.

Koronawirus w ściekach się nie ukryje

Monitorowanie ścieków jest jak system wczesnego ostrzegania – przekonują autorzy artykułu opublikowanego w „Nature”. Według nich tego typu analizy są dziś najbardziej wiarygodnym źródłem danych o sytuacji epidemicznej. Pozwalają śledzić jej rozwój i docierać do źródeł – tak jak pokazują to przykłady z Londynu, Poznania czy San Diego.

Z tej metody korzystano na świecie przez kilkadziesiąt lat zanim pojawił się SARS-CoV-2. Monitorowano krążenie polio lub wykrywano nielegalne zażywanie narkotyków (chodzi o chemiczną analizę ścieków pod kątem śladów rozmaitych używek lub ich charakterystycznych metabolitów wydalanych z moczem; metodę tę wprowadzono nie tylko w Chinach, znanych ze ścisłego nadzoru nad obywatelami, ale też stosowana jest w Europie: m.in. w Belgii, Holandii, Hiszpanii i Niemczech).

Pandemia i szybkie rozprzestrzenianie koronawirusa sprawiły, że liczba programów nadzoru ścieków śledzących SARS-CoV-2 eksplodowała z kilkunastu projektów badawczych w 2020 r. do ponad 200 pod koniec 2021 r. Przyczyniło się do tego odkrycie, że koronawirus w stolcu osoby zakażonej jest obecny nawet do siedmiu dni przed wystąpieniem objawów chorobowych. W Zjednoczonych Emiratach Arabskich testowano ścieki z samolotów komercyjnych, aby sprawdzić, czy podróżowali w nich zakażeni pasażerowie. Naukowcy z Hongkongu na bieżąco monitorują je w budynkach mieszkalnych, aby znaleźć niewykryte infekcje. Dzięki temu SARS-CoV-2 znaleziony w kanalizacji na jednym z osiedli doprowadził w styczniu ubiegłego roku do obowiązkowych testów mieszkańców z dwóch 30-piętrowców, co pomogło namierzyć miejscowym inspektorom dziewięć bezobjawowych przypadków.

Nowa metoda skraca czas

Na University of California w San Diego regularnie analizować ścieki zaczęto już w pierwszym roku pandemii. Nadzorem objęto 343 budynków wokół kampusu i za każdym razem, gdy jakaś próbka okazywała się pozytywna, służby sanitarne wysyłały w konkretne miejsca ostrzeżenia, aby zachęcić studentów do poddania się testom i izolacji. Jak mówiła cytowana przez czasopismo „Nature” inżynierka środowiska dr Smruthi Karthikeyan, trudno sobie wyobrazić szybkie przetestowanie 10 tys. studentów każdego dnia, więc monitoring ścieków uznano za tanią alternatywę, która umożliwiła wczesne wykrycie 85 proc. przypadków Covid-19.

Na początku 2021 r. badacze z kalifornijskiej uczelni wpadli jednak na pomysł, jak zmodyfikować ocenę próbek, aby była ona dokładniejsza i pozwalała określić już na wstępnym etapie konkretny wariant wirusa, który jest wydalany przez zakażonych. Aby przetestować nową metodę, spędzili niemal rok na pobieraniu próbek z oczyszczalni ścieków w San Diego, obejmującej teren zamieszkiwany przez 2,3 mln ludzi. Przez 10 miesięcy zajmowali się również ściekami z rur kanalizacyjnych w ponad 130 punktach na terenie kampusu uniwersyteckiego. W sumie zebrali i przeanalizowali ponad 21 tys. próbek ścieków: 19944 z kampusu i – dla porównania – 1475 próbek z większego obszaru całego miasta.

Do swoich badań naukowcy pierwszy raz użyli nanogranulek zwiększających ilość wirusowego RNA, jaki poddaje się sekwencjonowaniu z próbek pobieranych z oczyszczalni. Poprzednie techniki pozwalały sekwencjonować nie więcej niż 40 proc. wirusowego RNA w jednej próbce, podczas gdy metoda z nanogranulkami umożliwiła sekwencjonowanie prawie 95 proc. Zespół z Kalifornii opracował również specjalny algorytm o nazwie Freyja do identyfikacji wariantów obecnych w każdej próbce. Do jego stworzenia przyczynił się dr Joshua Levy ze Scripps Research Institute w La Jolla i współautor badania – opracował bibliotekę „kodów kreskowych" w celu identyfikacji różnych wariantów SARS-CoV-2 na podstawie krótkich fragmentów RNA specyficznych dla każdego wariantu. Stworzył nowe narzędzie obliczeniowe, które przesiewa masę informacji genetycznej w ściekach, aby znaleźć te kody kreskowe. Czas potrzebny na sekwencjonowanie skrócono dzięki temu z dwóch tygodni do kilku dni.

Laboratoria przenoszą się do oczyszczalni

Efekty były takie, że warianty alfa i delta koronawirusa udało się wykryć w ściekach do dwóch tygodni przed pojawieniem się ich w wynikach analiz z wymazów pobieranych od zakażonych studentów. Omikron zaś dziesięć dni przed tym, kiedy pierwsza osoba uzyskała pozytywny wynik testu w całym San Diego.

Jak podkreśla cytowany przez „Nature” Joshua Levy, w ściekach pobieranych na kampusie jeszcze do niedawna znajdowano warianty alfa, delta oraz mniej rozpowszechnioną odmianę epsilon SARS-CoV-2, choć niemal wszystkie one już dawno zniknęły z nadzoru klinicznego, czyli nie pojawiały się podczas rutynowych testów wykonywanych u osób z potencjalnym zakażeniem.

Ponieważ SARS-CoV-2 nadal ewoluuje, wczesne wykrywanie nowych wariantów będzie miało kluczowe znaczenie w reagowaniu na kolejne fale pandemii. Monitorowanie ludzkich odchodów w miastach, gdzie tego typu zarazki przenoszą się najszybciej, nabiera więc coraz większego znaczenia. Jednocześnie zdobyte doświadczenia z sekwencjonowania pobranych z oczyszczalni próbek będzie można zastosować do innych patogenów, które zagrażają zdrowiu publicznemu i epidemii, które mogą nadejść. Przecież w ściekach można wykryć nie tylko koronawirusy lub polio, ale też wirusy grypy albo małpiej ospy.