搜尋污水中的奧密克戎/Omicron病毒

導(dǎo)言：自COVID-19首次爆發(fā)兩年后，該病毒仍持續(xù)地干擾著人類生活，且其不斷變異為疫情防控帶來了更多不確定性。本文回顧最近一次關(guān)于各行業(yè)如何應(yīng)對(duì)不斷變化的疫情形勢(shì)網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)內(nèi)容。

2021年8月，《源》（The Source）強(qiáng)調(diào)了正在開發(fā)的污水中COVID-19病毒、SARS-CoV-2及變種病毒追蹤技術(shù)。全球各地專家也在不斷研究該病毒傳播方式、癥狀及疫苗有效性問題。同時(shí)，具有污水處理設(shè)施的社區(qū)正在通過協(xié)助監(jiān)測(cè)社區(qū)污水中COVID-19來探究其突變速度與機(jī)理，以發(fā)揮社區(qū)的基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)作用。

污水流行病學(xué)

污水流行病學(xué)（WBE）正不斷被完善，以支持公共衛(wèi)生相關(guān)決策。最近由密歇根州立大學(xué)（Michigan State University）Joan Rose教授主持的IWA網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上，IWA COVID-19工作組召集了眾多微生物學(xué)家和流行病學(xué)家，討論在監(jiān)測(cè)COVID-19方面取得的進(jìn)展以及下一步應(yīng)對(duì)計(jì)劃。

事實(shí)證明，污水是應(yīng)對(duì)這一大范圍流行病的寶貴信息來源。通過對(duì)污水樣本檢測(cè)，我們可以對(duì)成千上萬人的基因序列片段進(jìn)行測(cè)試，從而為研究和追蹤病毒突變組合提供機(jī)會(huì)，以進(jìn)一步定義各種突變病毒。

變種病毒——解鎖突變基因圖譜

COVID-19監(jiān)測(cè)的主要任務(wù)是確定存在哪些變異，并確定它們是新興的、當(dāng)前主流的還是正在衰亡的的病毒。它的主要困難在于，由于病毒變異是由完整突變基因組合來定義的，所以，檢測(cè)單個(gè)變異突變基因并不能證明變異本身存在。

荷蘭KWR首席微生物學(xué)家Gertjan Medema教授使用液滴式數(shù)字聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)評(píng)估方法（Digital let-PCR assessment）追蹤荷蘭境內(nèi)SARS-CoV-2。與會(huì)期間，他剖析了2021年初在英國出現(xiàn)的Alpha變種，它包含N501Y，E484K和K417突變基因。然而，隨著Delta變種（其缺失N501Y突變基因）逐步成為主流，N501Y突變基因蹤跡開始從污水樣本中消失。

與此相對(duì)的是，Omicron（變異號(hào)B.1.1.529）具有50個(gè)突變基因變異圖譜（包含N501Y突變基因），是迄今為止突變最多的變種。有趣的是，隨著Omicron在當(dāng)前疫情中逐步占據(jù)主導(dǎo)地位，N501Y突變基因也隨之回歸。這種“插入”的基因使我們能夠更加容易地區(qū)分污水中的Omicron和Delta變種。

圖1 新冠病毒蛋白編碼基因集剖析（doi:10.1038/s41467-021-22905-7）

追蹤污水中的變種病毒

世界各地研究人員正在開發(fā)工具和技術(shù)，以明確定義已存在的變種是何時(shí)出現(xiàn)的。其中，一種方法是靶向RT-PCR檢測(cè)法（Targeted RT-PCR assays），其原理是尋找特定變種特征基因序列。一旦臨床數(shù)據(jù)通過測(cè)序并確認(rèn)了突變的基因，便能夠確定靶向突變位點(diǎn)以開發(fā)和測(cè)試相應(yīng)特征分析方法。

這種方式具有較高準(zhǔn)確性，并且相對(duì)便宜，測(cè)試周期短（與臨床數(shù)據(jù)相比）。然而，這種方法依賴于臨床階段所提供的數(shù)據(jù)，并存在診斷試劑盒供應(yīng)鏈的延后問題。

另一種方法是使用液滴式數(shù)字聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行測(cè)序。并且，現(xiàn)已通過該方法分析了污水中的SARS-CoV-2基因圖譜。其分析重點(diǎn)在于通過與現(xiàn)有主流突變基因?qū)Ρ?，檢測(cè)“插入”或“刪除”突變基因的存在，以確認(rèn)是否存在突變。這種方法可以在變種特異性測(cè)定探針交付前使用。

隨著2020年初Alpha變種出現(xiàn)，在荷蘭城市阿姆斯特丹和烏特勒支的病毒追蹤工作便立即展開。隨后，歐盟委員會(huì)也逐漸認(rèn)識(shí)到了污水監(jiān)測(cè)的重要意義，認(rèn)為它是一種比臨床數(shù)據(jù)具有更快提供更高精度結(jié)果的有力手段，并向歐盟成員國建議進(jìn)行污水中病毒的監(jiān)測(cè)。

同時(shí)，8月刊《源》（TheSource）強(qiáng)調(diào)了國家監(jiān)測(cè)計(jì)劃的有效性。這其中包括丹麥的一種方法，是將移動(dòng)污水檢測(cè)設(shè)備運(yùn)輸?shù)礁腥韭食手笖?shù)級(jí)增長(zhǎng)的地區(qū)，以監(jiān)測(cè)病毒傳播速度。然而，根據(jù)歐陸集團(tuán)（Eurofins）負(fù)責(zé)環(huán)境監(jiān)測(cè)的Jesper Gamst說法，具有空前傳播速度的Omicron完全能夠在設(shè)備到達(dá)目的地前亦完成大規(guī)模傳染。所以，很快否定了這種方法。也正因如此，丹麥當(dāng)局認(rèn)識(shí)到了縮短供應(yīng)鏈以建立分散產(chǎn)能的必要性。

飛機(jī)衛(wèi)生系統(tǒng)——國際旅行的關(guān)鍵？

一個(gè)針對(duì)澳大利亞4個(gè)主要國際機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目正在引領(lǐng)利用污水來實(shí)現(xiàn)幾乎實(shí)時(shí)的COVID-19監(jiān)測(cè)技術(shù)。CSIRO環(huán)境污染物降解和生物技術(shù)項(xiàng)目高級(jí)研究員Warish Ahmed正在主持一個(gè)開創(chuàng)性項(xiàng)目，旨在探究對(duì)飛機(jī)污水樣本分析是否可以減少乘客檢疫時(shí)間并提高其對(duì)國際旅行的信心。該試點(diǎn)項(xiàng)目從各個(gè)航班衛(wèi)生系統(tǒng)中取樣，為正在使用的臨床數(shù)據(jù)提供新的論證。

作為該項(xiàng)目的一部分，對(duì)從印度、英國和法國飛往澳大利亞的37個(gè)遣返航班進(jìn)行了抽檢，其中，6570名乘客在登機(jī)前檢測(cè)呈陰性。在14天隔離期間，所有乘客樣本都使用PCR進(jìn)行了多次篩查。最后，將臨床數(shù)據(jù)與飛機(jī)衛(wèi)生系統(tǒng)內(nèi)檢出結(jié)果進(jìn)行比較。

結(jié)果顯示，超過100名乘客在隔離期間檢測(cè)呈陽性，而他們都乘坐過在廁所污水中發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2的航班；絕大多數(shù)在污水中沒有發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2的航班都沒有陽性病例。然而，存在極少數(shù)在廁所污水中未檢測(cè)到SARS-CoV-2的航班上的乘客檢測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)陽性。

在撰寫本文時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還對(duì)另外240架抵達(dá)澳大利亞的航班進(jìn)行了抽樣和分析。然而，也已發(fā)現(xiàn)了該項(xiàng)目的局限性，包括衛(wèi)生系統(tǒng)中唾液輸入（例如，通過刷牙），以及這種分散采樣方法將會(huì)對(duì)接觸SARS-CoV-2等病毒人員造成健康和安全風(fēng)險(xiǎn)。為了進(jìn)一步提高該項(xiàng)目的性能，該團(tuán)隊(duì)正在尋求快速現(xiàn)場(chǎng)分析，而不是花費(fèi)長(zhǎng)達(dá)5天時(shí)間將樣品轉(zhuǎn)移到集中式實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理和分析。隨著項(xiàng)目?jī)?yōu)化，結(jié)果證明了使用污水監(jiān)測(cè)結(jié)合臨床數(shù)據(jù)能夠?yàn)椴《咀粉櫶峁└嘧C據(jù)。

對(duì)沉降固體進(jìn)行分析

在評(píng)估Ahmed試點(diǎn)項(xiàng)目成功性時(shí)，重要的是要認(rèn)識(shí)到由于沒有稀釋，飛機(jī)污水比普通污水濃度更高。斯坦福大學(xué)（Stanford University）伍茲環(huán)境研究所（the Woods Institute for the Environment）的Alexandra Boehm正在主持一項(xiàng)研究，其重點(diǎn)是探知沉降固體和污水進(jìn)水間SARS-CoV-2及其變種攜帶能力的差異性。

為了給這項(xiàng)研究提供數(shù)據(jù)，加利福尼亞州12家污水處理廠每日對(duì)初沉池或沉砂池中沉降固體中SARS-CoV-2進(jìn)行分析，并生成數(shù)據(jù)。研究人員通過靶向RT-PCR測(cè)定方法發(fā)現(xiàn)，與進(jìn)水相比，污泥中SARS-CoV-2RNA濃度大大提高。與當(dāng)?shù)嘏R床數(shù)據(jù)比較表明，單個(gè)突變基因（變異特征）濃度與當(dāng)?shù)厝罕娭胁《咀儺惸Ｊ较嚓P(guān)性很強(qiáng)。該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)相信，該方法目前可以檢測(cè)下水道中1:100000病例水平的SARS-CoV-2突變RNA。

一種不斷出人意料的病毒

加利福尼亞州項(xiàng)目中使用特定分析方法來監(jiān)測(cè)污泥中病毒變異。通過每日監(jiān)測(cè)，該團(tuán)隊(duì)可以探明下水道中病毒變種的轉(zhuǎn)化機(jī)制。對(duì)于其它病毒，隨著病毒進(jìn)化，變種往往都是更新迭代的，即，SARS-CoV-2變種理論上應(yīng)該會(huì)消失。然而，來自加利福尼亞、丹麥和荷蘭的數(shù)據(jù)都顯示之前的變種依然存在（雖然比例非常小，約為0.1%），而并非完全消失。

這些結(jié)果不斷表明，污水監(jiān)測(cè)（結(jié)合臨床測(cè)序）能夠檢測(cè)和追蹤SARS-CoV-2變種，并能夠?yàn)榈胤?、國家和國際決策提供參考。為了繼續(xù)完善相關(guān)認(rèn)識(shí)，更多具有污水處理設(shè)施的社區(qū)被要求向全球數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)提供基于該測(cè)試方法的數(shù)據(jù)和信息，這包括Wastewater SARS Public Health Environmental REsponse (W-SPHERE)，sphere.waterpathogens.org。

補(bǔ)充信息

世界銀行關(guān)于SARS-CoV-2污水檢測(cè)的報(bào)告

世界銀行發(fā)布了一份題為《通過污水檢測(cè)加強(qiáng)公共衛(wèi)生監(jiān)測(cè)：應(yīng)對(duì)COVID-19大流行和未來健康威脅的重要投資》報(bào)告。該報(bào)告研究了在拉丁美洲、加勒比地區(qū)及一些目前缺乏衛(wèi)生系統(tǒng)地區(qū)檢測(cè)SARS-CoV-2污水的價(jià)值、潛力和挑戰(zhàn)。

該報(bào)告還引用了世界各地的例子，對(duì)制定控制COVID-19影響國家廢水監(jiān)測(cè)計(jì)劃時(shí)需要考慮的方面進(jìn)行了概述。

在COVID-19危機(jī)早期，一旦人類被感染便可以立即在其糞便中檢測(cè)到SARS-CoV-2。高靈敏度檢測(cè)、實(shí)時(shí)逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)（RT-qPCR）等技術(shù)可用于在早期檢測(cè)包括無癥狀病例所感染的病毒，從而防止更為廣泛的傳播。即使在被雨水或工業(yè)廢水稀釋的糞便中，這些方法也可以檢測(cè)到痕量病毒。

當(dāng)然，這種方法仍存在一些挑戰(zhàn)，包括所涉及的各種分析方法質(zhì)量保證，特別是存在各種會(huì)影響水中可測(cè)得病毒數(shù)量的因素。