新冠病毒隐性感染范围有多大?多国科学家试图通过废水检测来追踪

生物医学
新冠病毒隐性感染范围有多大?多国科学家试图通过废水检测来追踪
麻省理工科技评论 2020-04-29

2020-04-29

全世界已有十几个科学小组展开了一项研究:分析废水中是否存在新冠病毒
病毒
全世界已有十几个科学小组展开了一项研究:分析废水中是否存在新冠病毒

明面上的数字可以看见,潜在的波及面有多大尚未可知。

截至 2020 年 4 月 27 日,全球已有 220 多个国家和地区累计报告超过 290 万名确诊病例,超过 20 万名患者死亡,不过,来自哥廷根大学的 Christian Bommer 博士和 Sebastian Vollmer 教授发表的一份报告警示,40 个受感染最严重的国家平均只发现约 9% 的冠状病毒感染,全球实际感染人数可能已达千万计。

鉴于许多国家和地区检测能力和条件十分有限,大多数人都没有接受过新冠病毒检测,且有无症状患者存在,这给区域的风险评估带来了挑战。

因此,全世界已有十几个科学小组展开了一项研究:分析废水中是否存在新冠病毒(SARS-CoV-2),并以此估计城市、社区的感染程度,进而建立一套针对大流行病毒的预警监测手段。

到目前为止,不同机构的研究人员已在荷兰、法国、澳大利亚等地的废水中成功检测出新冠病毒的痕迹,加快证明这种检测方式的可行性。

新冠病毒隐性感染范围有多大?多国科学家试图通过废水检测来追踪

图|澳大利亚研究团队提供的监测流程示意图(来源:ScienceDirect)

废水中追踪病毒

分析废水(通过水系统流到处理设施的废水)其实是研究人员追踪尿液或粪便中所排出新冠病毒的一种方法,早在相关研究初期,从粪便中可检测到新冠病毒已被证实。

中国疾病预防控制中心的一项临床研究曾收集了 205 例新冠患者的 1070 个各类样本,包含血液、痰液、粪便、尿液和鼻腔样本等,在其中 153 个粪便样本中观察到 44 个样本包含活的新冠病毒,阳性率为 29%。

荷兰 KWR 水循环研究所的微生物学家 Gertjan Medema 认为,一个污水处理厂可以捕获超过 100 万人的废水,与逐个人进行测试相比,分析规模级的废水可以更好地估计新冠病毒的传播范围,因为废水检测可以囊括那些未经检测、症状轻微或无症状的人,而卫生当局可能只看到了冰山一角,只关注到了那些发病或重症的人。这一判断得到了实际验证,Medema 的研究小组在官方报告感染之前,在阿默斯福特(Amersfoort)市发现了新冠病毒 RNA。

此外,对废水的监测并不是毫无研究基础。荷兰国家公共卫生与环境研究所传染病研究员 Ana Maria de Roda Husman 说,常规的废水监测可以作为一种非侵入性预警手段,提醒社区注意新的流行病毒感染,她所在的研究机构此前一直从事污水监测工作,以发现诺如病毒、抗抗生素细菌、脊髓灰质炎病毒和麻疹的暴发等。

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图|废水处理厂水池航拍(来源:东方 IC)

Husman 的研究小组曾在斯希普霍尔机场(荷兰首都阿姆斯特丹的主机场)的废水中检测到了新冠病毒踪迹,这距离荷兰证实其第一例新冠病例仅过了 4 天。研究人员现在计划将抽样范围扩大到荷兰所有 12 个省的首府和其他 12 个没有确诊病例的地点。

Sébastien Wurtzer 是上市公司 Eau de Paris 的病毒专家,该公司负责巴黎市公共供水和废水收集,Wurtzer 和他的同事在 3 月 5 日至 4 月 7 日之间每周两次从多达五家巴黎地区的工厂采样废水,发现与该地区新冠疫情暴发相对应的新冠病毒浓度呈上升和下降趋势。

他们指出,病毒 RNA 在 3 月 10 日之前的几天就开始呈现出“高浓度”,而这是巴黎记录到新冠肺炎多人死亡的第一天,研究人员表示,这项新研究首次表明可以在临床统计病例暴发前检测到废水中的病毒浓度急剧上升。

来自瑞士洛桑联邦理工学院的环境病毒学家 Tamar Kohn 表示,新冠病毒可以在感染后三天内出现在粪便中,这比人们出现严重症状(长达两周)并得到官方确诊所需的时间要快得多。

“发现病毒后 7 到 10 天内的防御措施可以使疫情的严重程度有很大的不同。”Tamar Kohn 说,她认为,跟踪废水中的病毒颗粒检测,可以让公共卫生官员在决定是否采取封锁等措施时抢占先机。

可行性争议

这种研究面临的挑战显而易见。

这些研究小组需要先了解患者粪便中能包含多少病毒 RNA,同时,还需要确保正在研究的是一个代表性的废水样本,需要搞清楚病毒会如何在废水中稀释,以及怎样在低水平浓度上检测到病毒。

斯坦福大学的微生物工程学教授 Alexandria Boehm 表示,尽管荷兰和法国的研究结果提供了验证,但这些数据尚未经过同行评议,目前仍是一个令人鼓舞的概念证明。

证明这种病毒的 RNA 在废水样本中是可以检测到的,这只是重要的第一步,更大的挑战是,如何将污水样本中的病毒 RNA 浓度与社区中的实际病例数规模相关联,使其具有预测性。

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图|冠状病毒结构(来源:expreview)

美国普吉特湾大学(University of Puget Sound)专门研究废水流行病学的化学教授 Dan Burgard 说:“从下水道到人口数量的反算能力可能很难实现。”

因为冠状病毒在废水环境中的存活情况还没有很好的研究。通过废水传播的病毒,如脊髓灰质炎病毒和诺如病毒,是 “无包膜” 病毒,但新冠病毒不同,它是一种 “包膜” 病毒,由脂质膜包裹着蛋白质和遗传物质,这就是为什么像肥皂这样的消毒剂对该病毒的清洁作用会如此之好,这些病毒相比 “无包膜” 的病毒更容易灭活,皂液能直接穿透其脆弱的脂肪结构。

“包膜”病毒的特性限制了其在宿主外的生存能力,使其传播很难远离宿主,但这也意味着许多训练有素的处理病毒的实验室技术在废水检测中很难起到真实的作用。

最新的研究进展

为了验证废水监测新冠病毒的可行性,法国 Wurtzer 的研究小组已对巴黎伊恩地区 3 个主要污水处理厂(WWTP)收集的 23 个未经处理和 8 个处理的污水样本进行了新冠病毒时程定量分析,他们的研究于 3 月 5 日至 4 月 7 日进行,用超速离心法从样本中浓缩病毒颗粒,并用优化的方法提取病毒基因组。

结果显示,所有未经处理的废水样本的新冠病毒检测均为阳性,另外,8 个处理过的样品中有 6 个被 RT-qPCR 检测为阳性。不过,处理后的废水与相应的未处理废水相比,病毒载量减少了 100 倍。

接下来,研究人员比较了一段时间内废水样本中新冠病毒基因组的平均水平和确认的巴黎地区和法国的新冠肺炎病例的致死数量,发展曲线吻合,这项研究表明,对废水中的新冠病毒进行定量监测,可为新冠病毒在当地或区域范围内的传播带来重要的附加信息。

新冠病毒隐性感染范围有多大?多国科学家试图通过废水检测来追踪

图|巴黎地区废水中 SARS-CoV-2 的定量时程监测,巴黎地区三大污水处理厂原水(空心红色三角形)和处理后废水(实心倒三角形)中 SARS-CoV-2 基因组的定量分析,以及法国(灰色)或巴黎地区(深蓝色圆圈)的新冠肺炎致死病例数(来源:medrxiv)

荷兰 KWR 水研究所的实验结果与此类似,在 3 月 15 日和 16 日的废水样本中,7 个污水处理厂样本中有 6 个显现出了阳性信号,这是在荷兰通报第一例新冠病例(2020 年 2 月 27 日)后 1 周和 2.5 周。

新冠病毒隐性感染范围有多大?多国科学家试图通过废水检测来追踪

图|荷兰不同污水处理厂进水 24 小时复合样品中新冠病毒靶点的筛选结果(来源:medrxiv)

但由于污水处理厂的服务区与城市边界并不完全,因此对其流行率只能进行粗略估计,例如根据每个污水处理厂的容量(居民当量)进行估算,这些数字是指示性的,但确实表明,采用本研究所用方法进行废水监测是敏感的。然而,需要用 RT-qPCR 对废水中新冠病毒进行可靠的定量,以使可靠的监测成为可能。

来自澳大利亚昆士兰大学和圣母大学的研究小组试图将检测数据进一步细化,病毒浓缩法是提高废水中新冠病毒检测灵敏度的另一个重要因素。他们采用蒙特卡罗统计模拟法估计了一个覆盖 60 万人口的集水区感染人数的中位数在 171 到 1090 之间,在监测覆盖的 6 天内,集水区的中位数患病率为 0.096%(95% 置信区间:0.064–0.142)。

新冠病毒隐性感染范围有多大?多国科学家试图通过废水检测来追踪

图|在澳大利亚布里斯班北部和南部进行废水样本的采样日期、病例数量和检测窗口期(来源:ScienceDirect)

目前,新冠肺炎在全球范围内的蔓延已造成了巨大的经济损失,但一些国家限制措施难以到位,也有些公民还在抗议地域封锁,相对落后的地区可能没有采取任何应对措施。

研究人员表示,废水检测数据可能使他们三思而后行,也有助于掌握疫情暴发背后无形的严重性,不过也无需过分担心从下水道中感染病毒,这种传染途径目前仍比较少见,此外,后期的废水处理也可以很好地消灭病毒。

提升这种检测方法的精准度仍需加入更多维度的输入参数。为了能关联预测社区中新冠病例的数量,研究人员还需要知道样本中有多少病毒 RNA 在实验室过程中会丢失,他们还需要了解当地废水处理的实际情况,比如一个城市甚至是邻近地区的污水构成,废水成分也会随着时间而改变,一周内下雨了吗?一个特定测试点的集水面积是多少?废水样本能反映多少人的情况?这都需要更详细的研究数据支撑。

最好的结果可能还需要与其他组织紧密合作,收集各地类似详细的当地数据,这才有望使各国研究小组都能够校准实验室方法的灵敏度,并就流行病学模型达成一致,进而将废水中发现的病毒 RNA 浓度与当地可能出现的病例数量进行对比。

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