導讀
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編者按
世界各地的研究小組都在研究城市污水監測是否能被整合到SARS-CoV-2和其他病原體的監測系統中。作者Charles Schmidt梳理了疫情發生以來世界各國污水監測預警的情況，小編對本文進行了翻譯，由于翻譯能力有限，譯文可能有誤，請以原文為準。
今年6月，美國各地對COVID-19解除封鎖后，該國一些地區新增病例數突然開始增加。現在，休斯敦貝勒醫學院的微生物學家Anthony Maresso提供技術支持，休斯頓的衛生官員正在該市龐大的下水道系統中追蹤這種疾病的病原體SARS-CoV-2。他們每周都要在38個地方進行取樣，同時發現在城市中病毒傳播呈波狀流動的活動模式：一個地區確診病例可能減少，而它附近地區的確診病例開始上升。”
來自世界各地的研究表明，SARS-CoV-2的遺傳痕跡與COVID-19疾病趨勢相關。一項研究報道稱從荷蘭的阿默斯福特收集的污水樣本，在該城市被診斷出COVID-19的六天前就呈陽性檢測，表明”廢水監測可以作為SARS-CoV-2社區傳播的早期預警。”（SCI搬運工 | 污水流行病學（WBE）應用于COVID-19的全球經驗）
圖片來源：STANCA SANDA / Alamy Stock Photo，Fred Mack / Alamy Stock Photo
衛生官員依賴于病人的臨床診斷來進行檢測。這種方法忽略了未報告的病例，因此低估了實際發病率和未來的住院人數。水研究基金會的首席執行官彼得·格雷瓦特(Peter Grevatt)表示，迄今為止的證據表明，廢水中的病毒信號與臨床病例的趨勢相關，這使得當時成為疾病流行的領先指標，并為COVID-19減少后可能再次出現的先兆。
已知的未知數
SARS-CoV-2在糞便和污水中仍具有傳染性的程度仍不確定。該病毒可在表達其結合位點的血管內皮上皮細胞中高效復制-血管緊張素轉化酶2受體。在2002年至2003年的SARS流行期間，在香港高層公寓的管道系統中被檢測到SARS冠狀病毒。據推測，某些感染可能是由于暴露于從浴室通風口和開放的地漏向空氣中遷移的霧化病毒顆粒引起的。最近的一項研究表明，通過沖水的馬桶向上拋出的霧化SARS-CoV-2可以在空中的云中盤旋數分鐘，作者認為廁所可以促進病毒傳播。科學家推測，新鮮糞便構成最大的暴露風險。同時也有專家表示，SARS-CoV-2可能無法在腸道細胞中正確復制，因此病毒后代可能無法感染其他人。此外，去污劑和pH值的變化可能會破壞病毒，因為它們在污水中傳播時，同時稀釋將其濃度降低至低于感染劑量的水平。
圖源：攝圖網
污水監測的歷史
檢測污水中的病毒由來已久。在20世紀40年代，細胞培養方法被用于監測污水中的脊髓灰質炎和其他病毒病原體。在20世紀80年代采用了cDNA探針雜交技術來監測甲型肝炎病毒，在90年代科學家開始轉向更敏感的聚合酶鏈反應(PCR)方法，這種方法至今仍在該領域廣泛使用。
污水監測項目
世界各國目前正在啟動污水監測項目，目的是預測疫情新爆發，加強防備，并為開放學校、餐館和其他公共場所的計劃提供信息。例如，西班牙的科學家已經宣布計劃每周對250個污水處理廠進行兩次取樣。今年3月，以色列本古里安大學(Ben Gurion University)和衛生部的研究人員開始對污水進行常規取樣，以檢測SARS-CoV-2的蹤跡。在美國， BioBot Analytics公司正在代表全國400多家污水處理廠進行樣品分析。
美國疾病控制和預防中心(CDC)的環境微生物學家艾米·柯比(Amy Kirby)說：“污水監測的科學仍在發展，但有證據表明，它可以成為一個特定社區流行趨勢的有用指標。”Kirby補充說：“疾控中心目前正在評估污水監測的效用，以提供可靠和可操作的應對信息，并計劃建立一個全國住房監測系統，并解讀污水數據，為應對COVID-19提供信息。”
現在還處于早期階段，Kirby表示，不應僅將污水監測用于做出公共衛生決策，而應“與流行病趨勢的其他臨床指標相一致”。
污水監測發展協議
目前，制定檢測未經處理的污水中SARS-CoV-2的標準實驗室規程已成為該領域的優先事項。6月，水研究基金會開始組建一個專家小組，負責評估現有的實驗室方法，并選擇產生最可靠結果的方法。他們需要更好地了解不同實驗室的方案，如何根據它們使用的PCR引物組以及濃縮和保存遺傳信號的方法進行比較。
污水樣本一般從流入污水處理廠的未經處理的污水中采集，或在某些情況下從下水道、泵站或個別建筑物(如醫院)的管道系統中采集。有機物含量、工業廢料、腐殖酸、溫度、降雨、海水和其他變量可以抑制、延緩或改變病毒信號，而病毒信號在一天中不斷變化。基于這個原因，在多個小時內采集的復合樣本比在單一時間點采集的樣本更具代表性。
SARS-CoV-2病毒在污水中被高度稀釋，因此將其濃縮成較小的液體量對分析過程至關重要。有些實驗室使用靜電過濾器來濃縮病毒，帶負電荷的病毒會吸附到靜電過濾器上。基于尺寸排除的超濾是另一種選擇，如聚乙二醇沉淀。
上述方法在環境病毒學中有著悠久的歷史，但它們是為諾如病毒、甲型肝炎病毒等無包膜腸道病毒而發展起來的。相比之下，SARS-CoV-2是一種包膜病毒，這意味著外部的脂膜保護著它的RNA基因組。風險在于目前的方法過于苛刻，以至于病毒在濃縮過程中分解，其中一部分RNA在被檢測到之前就丟失了。
用于病毒檢測的逆轉錄和PCR (RT-PCR)引物組也可能是這樣。目前，大多數實驗室都使用CDC為臨床診斷目的而選擇的引物——特別是針對SARS-CoV-2核衣殼蛋白1 (N1)和2 (N2)基因的引物，這兩個基因是病毒基因組的保守區域。根據Kirby的說法，N1和N2引物對SARS-CoV-2具有高度特異性。
污水監測與診斷結果呈平行的趨勢
到目前為止，污水取樣結果和診斷趨勢之間的相關性看起來很強。對從事COVID-19污水監測工作的人來說，最令人鼓舞的是，獨立小組的數量能夠證明臨床確診病例數量與相應下水道中RNA信號強度之間高質量相關性。
漢普頓公路環衛區(HRSD)已經對污水中的腸道病原體進行了多年的監測， HRSD的化學家在3月初發現了SARS-CoV-2信號，當時該地區只有兩例COVID-19確診病例。到目前為止，分析趨勢“似乎與弗吉尼亞州衛生部提供的診斷信息相吻合。”他補充道。此外，基因信號強度的趨勢因不同服務區的特征而不同，有些國家擁有更多的工業和醫院。
由亞利桑那州坦佩市發起的污水監測項目還顯示了污水中的病毒載量如何隨人口的性質而變化，瓜達盧佩的COVID-19發病率比周圍的馬里科帕縣高出4倍以上。此外，瓜達盧佩的污水中的病毒載量一直在升高，盡管在市政府官員于4月和5月實施封鎖期間，坦佩較富裕地區的污水水平有所下降。
BioBot的Matus將污水監測描述為監測高危地區的一種有效的“熱點定位工具”，并補充說，通過在街道或建筑層面采樣，科學家可以更細致地了解當地的疾病趨勢。取樣顯示，污水中的病毒濃度因社區的不同而不同，這取決于家庭的平均收入和獲得醫療保健的機會。有專家表示，如果想部署資源抗擊COVID-19，我們需要把重點放在服務不足的社區。
污水監測的數據
Alm和Matus表示，他們的模型現在已經超出了趨勢估計的范圍，無法推斷出特定地區的感染人數。6月23日，BioBot團隊及其合作者在medRxiv發布了一份研究報告，該報告指出，馬薩諸塞州城市污水處理廠的病毒載量在服務總計225萬人飆升的診斷病例激增。該病毒在3月3日從該水廠的樣本中首次檢測到的，當時服務區域中只有兩個人被診斷出患有COVID-19。四天后，新冠肺炎的臨床報告達到了相應的高度，這符合從感染到癥狀出現的典型的4~5 d潛伏期。
通過將污水中的病毒滴度與經過診斷的病例數進行數學擬合，可以推斷出與感染數量相對應的糞便排便率。在感染初期，脫落功能在患者出現癥狀和接受檢測之前就出現了一個巨大的峰值。在那之后，它就呈指數級下降。基因信號的突然增強反映疾病的發病率——實際上是未來將報告的新病例數量。
然而，另一些專家則持懷疑態度，他們認為，考慮到建模的不確定性，特別是在排污率方面，污水監測目前更適合于對特定地區的疾病發病率是下降還是上升進行更有限的評估。
馬薩諸塞州公共衛生部傳染病和實驗室科學局的醫學主任勞倫斯·馬多夫(Lawrence Madoff)說，污水監測不能取代其他監測方法，他認為所有這些方法都是互補的。但他補充說，到目前為止，污水監測的證據是令人鼓舞的和可操作的。這可以促使工作者通過觀察其他信號（如檢測或住院數據），來更仔細地觀察特定區域的情況。
特拉華州紐卡斯爾的縣長馬修·邁耶（Matthew Meyer）表示，污水監測已經在他所管轄區（大約有56萬居民）的大流行應對措施中提供了信息。縣政府官員每周都要從該地區的11個污水處理分站獲取最新的采樣數據，據邁耶（Meyer）說，其覆蓋范圍遠遠超過了臨床測試的可行性。
加州大學圣地亞哥分校的微生物學家羅布·奈特（Rob Knight）說，對COVID-19的污水監測顯示出巨大的潛力。他的團隊計劃監測食堂、宿舍和其他校園建筑中的污水樣本，這是作為該校“重返校園”計劃的一部分，該計劃還包括對SARS-CoV-2檢測呈陽性的學生進行聯系追蹤和隔離居住。但奈特說，仍然需要從不同人群獲得更多數據，特別是關于流失率以及其控制因素的數據。
本文作者：Charles Schmidt Portland， ME， USA.