潜力巨大:废水可以早期检测SARS-CoV-2病毒
撰文于2022年7月7日在线刊自然加州大学圣地亚哥分校和斯克里普斯研究所的科学家和医生，以及当地和联邦公共卫生官员，描述了废水测序如何为校园和更广泛的社区中SARS-CoV-2的水平和变体提供了惊人的新见解，这是在COVID-19病例激增之前进行公共卫生干预的关键一步。
重要的是，作者说，这种方法由加州大学圣地亚哥分校部署，作为其回归学习工作的一部分，然后更广泛地应用于周边地区，是社区和地区检测冠状病毒并采取适当行动的一种可扩展、更便宜和更快的方式。
该研究的共同高级作者、加州大学圣地亚哥分校微生物组创新中心教授兼主任罗布·奈特博士说:“冠状病毒将继续传播和进化，这使得我们必须尽早发现新的变种，以减轻后果。”
“在废水测序之前，唯一的方法是通过临床测试，这在大规模上是不可行的，特别是在资源有限、公众参与有限或没有能力进行足够检测和测序的地区。我们已经证明，废水测序可以成功跟踪区域感染动态，与临床测试相比，限制和偏差更少，几乎有益于任何社区。”
COVID-19患者通过粪便传播病毒，无论他们是否有症状。2020年夏天，奈特和同事们利用这一事实开始在加州大学圣地亚哥分校的废水中进行机器人采样。
加州大学圣地亚哥分校校长、研究合著者普拉迪普·k·科斯拉说:“该大学的回归学习计划的构想和建立在三个支柱上:病毒检测、风险降低和干预。”“以前从来没有这样做过。采样和检测工作开始时很有限，但随着研究能力和经验的增加而稳步增长。目前，我们正在监控校园内近350栋建筑。”
该项目取得了成功。2020年年中，学生们开始重返校园，COVID-19病例率远低于周边社区。2021年3月，废水监测进入区域，每周对圣地亚哥县位于洛马角的主要污水处理厂的多个样本进行测序，该污水处理厂的集水区规模为230万人。
“废水项目是加州大学圣地亚哥分校应对COVID - 19大流行的一个重要组成部分，”加州大学圣地亚哥分校医学院医学系教授、“回归学习”项目的联合负责人和研究合著者罗伯特·斯库利医学博士说。“它为我们提供了校园内病毒活动持续位置的实时情报。
“废水采样基本上让我们每天从收集器上游‘擦拭’每个人的鼻子，并利用这些信息将病毒检测工作集中在个人层面。”
这些努力的核心是SEARCH(圣地亚哥COVID健康流行病学和研究)，它汇集了来自加州大学圣地亚哥分校、斯克里普斯研究中心和圣地亚哥Rady儿童医院的科学家，开发了病毒跟踪的方法，包括提高废水中病毒RNA的浓度，以及一种名为“Freyja”的算法，这是在已发表的研究中描述的。
SEARCH科学家的努力还包括各种以临床为重点的项目，他们现在可以准确地确定仅两茶匙原始污水中存在的SARS-CoV-2变体的基因混合物，并在传统临床测试前14天识别出新的“令人担忧的变体”。该小组在圣地亚哥首次临床报告欧米克隆变异的11天前，在废水中检测到了它。
克里普斯研究所免疫学和微生物学教授Kristian Andersen博士说:“在很多地方，对新变异的标准临床监测不仅缓慢，而且成本极高。”“但有了Freyja，你可以拿一个废水样本，基本上可以分析整个城市。”
2021年8月，奈特实验室的环境工程师、博士后研究员Smruthi Karthikeyan博士和同事们发表了数据，显示校园废水测序启用早期检测85%的COVID-19病例。
当年晚些时候，加州大学圣地亚哥分校的研究人员与县、州和联邦公共卫生机构合作，当区域废水中的病毒载量达到一定水平时，他们开始发出警告。这些增加通常标志着一到两周后COVID-19病例的相应激增。
“我们的想法是让每个人都警惕，疫情激增即将到来，并采取相应的行动:如果你没有接种疫苗，就接种疫苗。得到提振。戴上口罩。参加大型室内聚会要三思，”奈特说。“这是一个避免激增的机会，因为激增意味着医院和停尸房有更多的病人。”
它是如何工作的
废水测序项目涉及许多参与者和大量专业知识，从疾病建模师和流行病学家到病毒学家和基因组学专家，再到公共卫生官员、教育工作者和公民领袖。参与研究的机构包括加州大学圣地亚哥分校健康中心、斯克里普斯研究中心、斯克里普斯健康中心、夏普医疗保健中心、圣地亚哥县卫生与公众服务部、加州公共卫生部和联邦疾病控制与预防中心。
奈特的实验室部署了商用自动采样机器人来收集废水样本，他的实验室对废水样本进行了SARS-CoV-2 RNA水平的分析，并由加州大学圣地亚哥分校的EXCITE (EXpedited COVID-19识别环境)实验室进行了测序，并在斯克里普斯研究所的安德森实验室进行了进一步的计算分析。
从废水中测序RNA有两个具体的好处:首先，它避免了临床检测的潜在偏差，例如有限或不具代表性的样本;其次，它可以跟踪SARS-CoV-2变体的流行率随时间的变化。
但要确定目前存在的特定病毒谱系，包括新的变种，需要对病毒的基因组进行测序，这是它们完整的遗传指令集。
在研究期间，研究人员收集并分析了21383个废水样本:来自加州大学圣地亚哥分校的19944个样本，作为比较，来自大圣地亚哥地区的1475个样本，包括Point Loma工厂，以及圣地亚哥四个学区的17所公立学校。
600个校园废水样本的基因组测序与从校园临床拭子中获得的759个基因组进行了比较，所有这些基因组都由加州大学圣地亚哥分校卫生高级实验室医学中心(CALM)或加州大学圣地亚哥分校EXCITE实验室处理。
此外，研究人员将来自圣地亚哥社区临床基因组监测的31,149个基因组与从圣地亚哥县收集的837个废水样本(包括来自加州大学圣地亚哥校区的样本)的测序进行了比较。
加州大学圣地亚哥分校赫伯特·韦特海姆公共卫生和人类长寿科学学院的助理教授兼传染病流行病学家丽贝卡·菲尔丁-米勒博士说:“在大流行期间，更安全的学校早期预警(SASEA)项目使用废水监测来支持40多所社会弱势小学和托儿所。”
“通过部署加州大学圣地亚哥分校开发的快速和负担得起的技术，作为综合公共卫生干预措施的一部分，SASEA通过‘让看不见的变得可见’来减轻父母和孩子的焦虑。由于社区学校服务于特定的社区，使用基因监测的废水监测可以为研究人员和公共卫生官员提供快速识别新疫情的工具，调整他们的应对措施，以适应他们所在的社区，地理和文化。”
SARS-CoV-2变体之间的突变差异，如Delta和Omicron之间的突变差异，通常非常小而微妙，尽管它们可能会导致显著的生物学变化，如传播性或症状的严重程度。后来的欧米克隆变种被证明比Delta变种更具传染性，并且能够更好地逃避人类免疫系统和疫苗。然而，Omicron的平均病程较短，症状较轻。
斯克里普斯研究所博士后、卡西基安的共同第一作者约书亚·列维博士开发了一个“条形码”库，根据每种变体独特的RNA短片段识别SARS-CoV-2变体。他发明了一种新的计算工具，可以从废水中的大量遗传信息中筛选出这些条形码。由此产生的freyja程序是免费的，已经被公共卫生机构广泛用于废水监测。
他说:“如果你在一个已经可以对废水样本进行测序的实验室里，那就很好了。”“你只需运行这段代码，再过20秒，就完成了。”
随着大流行的继续，SEARCH项目和废水测序也在继续，它们像病毒一样不断进化，以改进现有工具，也许还可以将吸取的经验教训应用于威胁公共健康的其他人类病原体和即将到来的其他大流行。
“我们知道，其他病原体，从流感到猴痘，都可以在细菌中检测到废水奈特说。“与县、州和国家合作公共卫生将这一系统扩展到SARS-CoV-2之外的组织将彻底改变我们应对疫情和未来疫情的能力。”
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