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)對不斷變化的疫情形勢網(wǎng)絡(luò)研討會內(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，具有污水處理設(shè)施的社區(qū)正在通過協(xié)助監(jiān)測社區(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COVID-19方面取得的進(jìn)展以及下一步應(yīng)對計劃。

事實(shí)證明，污水是應(yīng)對這一大范圍流行病的寶貴信息來源。通過對污水樣本檢測，我們可以對成千上萬人的基因序列片段進(jìn)行測試，從而為研究和追蹤病毒突變組合提供機(jī)會，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，檢測單個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)評估方法（Digital let-PCR assessment）追蹤荷蘭境內(nèi)SARS-CoV-2。與會期間，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。

與此相對的是，Omicron（變異號B.1.1.529）具有50個突變基因變異圖譜（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出現(xiàn)的。其中，一種方法是靶向RT-PCR檢測法（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，并且相對便宜，測試周期短（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“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，歐盟委員會也逐漸認(rèn)識到了污水監(jiān)測的重要意義，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。

同時，8月刊《源》（TheSource）強(qiáng)調(diào)了國家監(jiān)測計劃的有效性。這其中包括丹麥的一種方法，是將移動污水檢測設(shè)備運(yùn)輸?shù)礁腥韭食手笖?shù)級增長的地區(qū)，以監(jiān)測病毒傳播速度。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？

一個針對澳大利亞4個主要國際機(jī)場項(xiàng)目正在引領(lǐng)利用污水來實(shí)現(xiàn)幾乎實(shí)時的COVID-19監(jiān)測技術(shù)。CSIRO環(huán)境污染物降解和生物技術(shù)項(xiàng)目高級研究員Warish Ahmed正在主持一個開創(chuàng)性項(xiàng)目，旨在探究對飛機(jī)污水樣本分析是否可以減少乘客檢疫時間并提高其對國際旅行的信心。該試點(diǎn)項(xiàng)目從各個航班衛(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，對從印度、英國和法國飛往澳大利亞的37個遣返航班進(jìn)行了抽檢，其中，6570名乘客在登機(jī)前檢測呈陰性。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到SARS-CoV-2的航班上的乘客檢測結(jié)果呈現(xiàn)陽性。

在撰寫本文時，該團(tuán)隊還對另外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對接觸SARS-CoV-2等病毒人員造成健康和安全風(fēng)險。為了進(jìn)一步提高該項(xiàng)目的性能，該團(tuán)隊正在尋求快速現(xiàn)場分析，而不是花費(fèi)長達(dá)5天時間將樣品轉(zhuǎn)移到集中式實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理和分析。隨著項(xiàng)目優(yōu)化，結(jié)果證明了使用污水監(jiān)測結(jié)合臨床數(shù)據(jù)能夠?yàn)椴《咀粉櫶峁└嘧C據(jù)。

對沉降固體進(jìn)行分析

在評估Ahmed試點(diǎn)項(xiàng)目成功性時，重要的是要認(rèn)識到由于沒有稀釋，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)隊相信，該方法目前可以檢測下水道中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)測污泥中病毒變異。通過每日監(jiān)測，該團(tuán)隊可以探明下水道中病毒變種的轉(zhuǎn)化機(jī)制。對于其它病毒，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（結(jié)合臨床測序）能夠檢測和追蹤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，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污水檢測的報告

世界銀行發(fā)布了一份題為《通過污水檢測加強(qiáng)公共衛(wèi)生監(jiān)測：應(yīng)對COVID-19大流行和未來健康威脅的重要投資》報告。該報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SARS-CoV-2污水的價值、潛力和挑戰(zhàn)。

該報告還引用了世界各地的例子，對制定控制COVID-19影響國家廢水監(jiān)測計劃時需要考慮的方面進(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到SARS-CoV-2。高靈敏度檢測、實(shí)時逆轉(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，特別是存在各種會影響水中可測得病毒數(shù)量的因素。