充斥着潜在:废水提供了SARS-CoV-2病毒的早期检测

2022年7月7日写在线的问题自然,科学家和医生在加州大学圣地亚哥斯克里普斯研究,与当地和联邦公共卫生官员,描述废水测序提供了引人注目的新的见解水平和变异的SARS-CoV-2校园和更广泛的社区公共卫生干预措施的关键步骤提前COVID-19案件激增。

重要的是,作者说的方法,由加州大学圣地亚哥分校部署的回到学习努力,然后在周围的地区更广泛,是一个可伸缩的、更便宜、更快的社区和地区检测冠状病毒和采取适当的行动。

“冠状病毒将继续进化和传播,这使得它必须对公共卫生,我们及早发现新的变种足以减轻后果,”文章的第二研究作者罗伯•奈特说,博士,教授,主任在加州大学圣地亚哥分校微生物创新中心。

“污水测序之前,唯一的方法是通过临床测试,在大规模不可行,尤其是在资源有限的地区,公众参与或能力做足够的测试和测序。我们已经表明,废水测序可以成功地跟踪区域感染动力学限制较少比临床试验和偏见的好处几乎任何社区。”

残疾人COVID-19摆脱病毒在凳子上,他们是否有症状。在2020年的夏天,骑士和他的同事们利用这个事实开始机械抽样的废水在加州大学圣地亚哥分校校园。

“回归大学学习项目设计和建立在三大支柱:病毒检测、风险缓解和干预,”加州大学圣地亚哥分校校长说,这项研究的合作者Pradeep斯拉。以前做过这样的事。抽样和检测工作开始适度,但增长稳步增加研究能力和经验。目前,我们校园监控近350建筑。”

这个项目是成功的。学生于2020年年中开始返回校园,COVID-19情况下利率远远低于周围的社区。2021年3月,废水监测区域,与多个样本测序每周从圣迭戈县的主要污水处理厂,Point Loma排水规模230万人。

“污水项目是加州大学圣地亚哥分校的一个基本元素的反应COVID大流行,”罗伯特斯库利说,医学博士,教授在加州大学圣地亚哥医学院医学系,回到学习项目的联合研究的合著者。“它为我们提供了关于地点的实时情报校园病毒活动还在进行中。

“废水采样本质上允许我们每个人的鼻腔拭子的上游每天从收集器和使用这些信息集中病毒检测在个体层面的努力。”

这些努力的核心是搜索(圣地亚哥COVID健康流行病学研究),它汇集了来自加州大学圣地亚哥分校的科学家,斯克里普斯研究开发方法和瑞迪儿童Hospital-San迭戈的病毒跟踪,包括改善废水中的病毒RNA浓度和一个算法称为“Freyja”所描述的研究发表。

搜索科学家的努力还包括各种clinical-focused项目,现在可以准确地确定SARS-CoV-2变异的基因混合在两茶匙的未经处理的污水和识别新“变异的关切”传统的临床测试前14天。小组发现了ο变体在废水11天前首次报道临床在圣地亚哥。

“在很多地方,标准的临床监测的新变体问题不仅是缓慢的,但是成本非常高昂,”克里斯蒂安·安德森说,免疫学和微生物学教授博士,斯克里普斯研究和文章的第二作者骑士。“但Freyja,你可以带一个废水样本和基本概要整个城市。”

2021年8月,Smruthi Karthikeyan博士,一个骑士的实验室环境工程师和博士后研究员,他和他的同事发表的数据显示,校园污水测序使早期检测COVID-19病例的85%。

同年晚些时候,与县、州和联邦公共卫生机构、加州大学圣地亚哥分校的研究人员开始发出警告,当病毒载量在地区废水达到一定水平。这些增加通常表示一个相应的激增COVID-19情况下一个或两个星期之后。

“我们的想法是为了让每个人都保持警惕,飙升即将到来,并采取相应行动:接种如果你不接种疫苗。得到提振。戴上面具。考虑参加大型室内集会,”奈特说。“这是一个机会来避免大量转化为更多的病人在医院和停尸房。”

它如何工作

废水测序项目涉及许多球员和相当多的专业知识,从疾病建模者和流行病学家病毒学家和公共卫生官员基因组学专家,教育工作者和公民领袖。参与机构包括加州大学圣地亚哥分校健康,斯克里普斯研究,斯克里普斯健康,医疗,圣地亚哥县的卫生和人类服务机构,加州公共卫生部门和联邦疾病控制和预防中心。

骑士的实验室部署商业auto-sampling机器人收集废水样品,分析SARS-CoV-2 RNA水平的实验室,测序的激发(加速COVID-19识别环境)在加州大学圣地亚哥分校实验室,进一步计算分析在安徒生的斯克里普斯研究所的实验室进行。

RNA序列从废水有两个具体的好处:首先,它避免了潜在的临床测试偏差,如有限的或非代表性样本,第二,它可以追踪SARS-CoV-2变异的发生率随时间的变化。

但识别特定病毒谱系,包括新的变种,需要测序的病毒的遗传指令genomes-their完整。

在研究期间,研究人员收集和分析21383年废水样本:从加州大学圣地亚哥校区和19944个样本,相比之下,1475年样本大圣地亚哥地区,包括植物Point Loma和17四圣地亚哥公立学校学区。

基因组测序比759年600校园污水样品基因组从校园获得临床调查,所有处理的先进实验室医学中心(平静)加州大学圣地亚哥医疗或激发在加州大学圣地亚哥分校的实验室。

此外,研究人员将31149基因组从临床基因组监测大837年圣地亚哥社区测序的废水从圣地亚哥县收集的样本(包括那些来自加州大学圣地亚哥分校校园)。

“安全在学校早期的警告(SASEA)项目使用废水监测支持40多个社会脆弱的小学和育儿网站整个大流行,”丽贝卡Fielding-Miller研究的合著者说,博士,助理教授和传染病流行病学家赫伯特·韦特海姆公共卫生学院,在加州大学圣地亚哥分校人类长寿的科学。

快速部署和负担得起的技术发展在加州大学圣地亚哥分校的全面的公共卫生干预,SASEA减轻父母和孩子由“无形为有形的焦虑。”,因为社区学校服务特定的社区,废水监测与遗传监测可以给研究人员和公共卫生官员的工具快速识别新疫情,个性化他们的反应以满足他们的社区,地理和文化。”

突变差异SARS-CoV-2变体,如三角洲和ο之间,往往很小,微妙,虽然他们可能会导致显著的生理变化,如遗传性或症状的严重性。后来ο变异比δ变体,传播,并能更好地逃避人体免疫系统和疫苗。然而,疾病的平均持续时间短,与ο症状不太严重。

约书亚Levy博士,斯克里普斯研究的博士后和Karthikeyan co-first作者,开发一个图书馆的“条形码”来识别SARS-CoV-2变体基于短片段RNA独特的变体。他创建了一个新的计算工具,能够过滤质量的遗传信息在废水找到这些条形码。结果program-Freyja-is已经广泛使用的自由和公共卫生机构废水监测。

“如果你在实验室已经可以废水样本序列,你很棒,”他说。“你只是运行这段代码,在另一个20秒,你就完成了。”

随着大流行的继续,也会搜索项目和污水测序,进化改进现有工具和像病毒,也许,教训适用于其他人类病原体,威胁公众健康和其他流行病。

“我们知道其他病原体,包括流感猴痘,可以检测到废水,”奈特说。“工作与县、州和国家公共卫生组织扩大这个系统除了SARS-CoV-2将彻底改变我们的反应能力不仅仅是这次大流行,但未来的。”