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搜寻污水中的奥密克戎/Omicron病毒

作者:吴道琦 郝晓地等 发表时间:2022-05-05 09:21:22 来源:水业碳中和资讯

 导言:自COVID-19首次爆发两年后,该病毒仍持续地干扰着人类生活,且其不断变异为疫情防控带来了更多不确定性。本文回顾最近一次关于各行业如何应对不断变化的疫情形势网络研讨会内容。

 2021年8月,《源》(The Source)强调了正在开发的污水中COVID-19病毒、SARS-CoV-2及变种病毒追踪技术。全球各地专家也在不断研究该病毒传播方式、症状及疫苗有效性问题。同时,具有污水处理设施的社区正在通过协助监测社区污水中COVID-19来探究其突变速度与机理,以发挥社区的基础监测作用。

 污水流行病学

 污水流行病学(WBE)正不断被完善,以支持公共卫生相关决策。最近由密歇根州立大学(Michigan State University)Joan Rose教授主持的IWA网络研讨会上,IWA COVID-19工作组召集了众多微生物学家和流行病学家,讨论在监测COVID-19方面取得的进展以及下一步应对计划。

 事实证明,污水是应对这一大范围流行病的宝贵信息来源。通过对污水样本检测,我们可以对成千上万人的基因序列片段进行测试,从而为研究和追踪病毒突变组合提供机会,以进一步定义各种突变病毒。

 变种病毒——解锁突变基因图谱

 COVID-19监测的主要任务是确定存在哪些变异,并确定它们是新兴的、当前主流的还是正在衰亡的的病毒。它的主要困难在于,由于病毒变异是由完整突变基因组合来定义的,所以,检测单个变异突变基因并不能证明变异本身存在。

 荷兰KWR首席微生物学家Gertjan Medema教授使用液滴式数字聚合酶链式反应评估方法(Digital let-PCR assessment)追踪荷兰境内SARS-CoV-2。与会期间,他剖析了2021年初在英国出现的Alpha变种,它包含N501Y,E484K和K417突变基因。然而,随着Delta变种(其缺失N501Y突变基因)逐步成为主流,N501Y突变基因踪迹开始从污水样本中消失。

 与此相对的是,Omicron(变异号B.1.1.529)具有50个突变基因变异图谱(包含N501Y突变基因),是迄今为止突变最多的变种。有趣的是,随着Omicron在当前疫情中逐步占据主导地位,N501Y突变基因也随之回归。这种“插入”的基因使我们能够更加容易地区分污水中的Omicron和Delta变种。

 

 图1新冠病毒蛋白编码基因集剖析(doi:10.1038/s41467-021-22905-7)

 追踪污水中的变种病毒

 世界各地研究人员正在开发工具和技术,以明确定义已存在的变种是何时出现的。其中,一种方法是靶向RT-PCR检测法(Targeted RT-PCR assays),其原理是寻找特定变种特征基因序列。一旦临床数据通过测序并确认了突变的基因,便能够确定靶向突变位点以开发和测试相应特征分析方法。

 这种方式具有较高准确性,并且相对便宜,测试周期短(与临床数据相比)。然而,这种方法依赖于临床阶段所提供的数据,并存在诊断试剂盒供应链的延后问题。

 另一种方法是使用液滴式数字聚合酶链式反应进行测序。并且,现已通过该方法分析了污水中的SARS-CoV-2基因图谱。其分析重点在于通过与现有主流突变基因对比,检测“插入”或“删除”突变基因的存在,以确认是否存在突变。这种方法可以在变种特异性测定探针交付前使用。

 

 随着2020年初Alpha变种出现,在荷兰城市阿姆斯特丹和乌特勒支的病毒追踪工作便立即展开。随后,欧盟委员会也逐渐认识到了污水监测的重要意义,认为它是一种比临床数据具有更快提供更高精度结果的有力手段,并向欧盟成员国建议进行污水中病毒的监测。

 同时,8月刊《源》(TheSource)强调了国家监测计划的有效性。这其中包括丹麦的一种方法,是将移动污水检测设备运输到感染率呈指数级增长的地区,以监测病毒传播速度。然而,根据欧陆集团(Eurofins)负责环境监测的Jesper Gamst说法,具有空前传播速度的Omicron完全能够在设备到达目的地前亦完成大规模传染。所以,很快否定了这种方法。也正因如此,丹麦当局认识到了缩短供应链以建立分散产能的必要性。

 飞机卫生系统——国际旅行的关键?

 一个针对澳大利亚4个主要国际机场项目正在引领利用污水来实现几乎实时的COVID-19监测技术。CSIRO环境污染物降解和生物技术项目高级研究员Warish Ahmed正在主持一个开创性项目,旨在探究对飞机污水样本分析是否可以减少乘客检疫时间并提高其对国际旅行的信心。该试点项目从各个航班卫生系统中取样,为正在使用的临床数据提供新的论证。

 作为该项目的一部分,对从印度、英国和法国飞往澳大利亚的37个遣返航班进行了抽检,其中,6570名乘客在登机前检测呈阴性。在14天隔离期间,所有乘客样本都使用PCR进行了多次筛查。最后,将临床数据与飞机卫生系统内检出结果进行比较。

 结果显示,超过100名乘客在隔离期间检测呈阳性,而他们都乘坐过在厕所污水中发现SARS-CoV-2的航班;绝大多数在污水中没有发现SARS-CoV-2的航班都没有阳性病例。然而,存在极少数在厕所污水中未检测到SARS-CoV-2的航班上的乘客检测结果呈现阳性。

 在撰写本文时,该团队还对另外240架抵达澳大利亚的航班进行了抽样和分析。然而,也已发现了该项目的局限性,包括卫生系统中唾液输入(例如,通过刷牙),以及这种分散采样方法将会对接触SARS-CoV-2等病毒人员造成健康和安全风险。为了进一步提高该项目的性能,该团队正在寻求快速现场分析,而不是花费长达5天时间将样品转移到集中式实验室进行处理和分析。随着项目优化,结果证明了使用污水监测结合临床数据能够为病毒追踪提供更多证据。

 

 对沉降固体进行分析

 在评估Ahmed试点项目成功性时,重要的是要认识到由于没有稀释,飞机污水比普通污水浓度更高。斯坦福大学(Stanford University)伍兹环境研究所(the Woods Institute for the Environment)的Alexandra Boehm正在主持一项研究,其重点是探知沉降固体和污水进水间SARS-CoV-2及其变种携带能力的差异性。

 为了给这项研究提供数据,加利福尼亚州12家污水处理厂每日对初沉池或沉砂池中沉降固体中SARS-CoV-2进行分析,并生成数据。研究人员通过靶向RT-PCR测定方法发现,与进水相比,污泥中SARS-CoV-2RNA浓度大大提高。与当地临床数据比较表明,单个突变基因(变异特征)浓度与当地群众中病毒变异模式相关性很强。该项目团队相信,该方法目前可以检测下水道中1:100000病例水平的SARS-CoV-2突变RNA。

 一种不断出人意料的病毒

 加利福尼亚州项目中使用特定分析方法来监测污泥中病毒变异。通过每日监测,该团队可以探明下水道中病毒变种的转化机制。对于其它病毒,随着病毒进化,变种往往都是更新迭代的,即,SARS-CoV-2变种理论上应该会消失。然而,来自加利福尼亚、丹麦和荷兰的数据都显示之前的变种依然存在(虽然比例非常小,约为0.1%),而并非完全消失。

 这些结果不断表明,污水监测(结合临床测序)能够检测和追踪SARS-CoV-2变种,并能够为地方、国家和国际决策提供参考。为了继续完善相关认识,更多具有污水处理设施的社区被要求向全球数据网络提供基于该测试方法的数据和信息,这包括Wastewater SARS Public Health Environmental REsponse(W-SPHERE),sphere.waterpathogens.org。

 补充信息

 世界银行关于SARS-CoV-2污水检测的报告

 世界银行发布了一份题为《通过污水检测加强公共卫生监测:应对COVID-19大流行和未来健康威胁的重要投资》报告。该报告研究了在拉丁美洲、加勒比地区及一些目前缺乏卫生系统地区检测SARS-CoV-2污水的价值、潜力和挑战。

 该报告还引用了世界各地的例子,对制定控制COVID-19影响国家废水监测计划时需要考虑的方面进行了概述。

 在COVID-19危机早期,一旦人类被感染便可以立即在其粪便中检测到SARS-CoV-2。高灵敏度检测、实时逆转录-聚合酶链反应(RT-qPCR)等技术可用于在早期检测包括无症状病例所感染的病毒,从而防止更为广泛的传播。即使在被雨水或工业废水稀释的粪便中,这些方法也可以检测到痕量病毒。

 当然,这种方法仍存在一些挑战,包括所涉及的各种分析方法质量保证,特别是存在各种会影响水中可测得病毒数量的因素。


搜寻污水中的奥密克戎/Omicron病毒
自COVID-19首次爆发两年后,该病毒仍持续地干扰着人类生活,且其不断变异为疫情防控带来了更多不确定性。本文回顾最近一次关于各行业如何应对不断变化的疫情形势网络研讨会内容。
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