【安納奇專欄】廢水檢測追查新冠肺炎、癌症威脅

2020 年底，由於北半球的寒冷天氣和假日聚會在沒有疫苗的情況下刺激了 SARS-CoV-2 的快速傳播，COVID-19 的全球死亡人數不斷上升。科學家和公共衛生官員迫切需要新的方法來追蹤病毒，這種病毒的傳播速度往往比接觸追蹤器追蹤的速度快。疫情期間廢水檢測大幅增加。但它準備好應對鴉片類藥物危機、空氣污染和抗生素抗藥性了嗎？貝特西·萊迪澤茨 Betsy Ladyzhets發表在最新一期《自然》(Nature)的<廁所可以揭示有關新冠肺炎、癌症和其他健康威脅的哪些訊息>( What toilets can reveal about COVID, cancer and other health threats)
透過污水追蹤到了一間辦公室的新冠狀病毒譜系
香港大學 (HKU) 的環境工程師兼微生物學家張童和他的同事是迅速流行的監測方法的先驅。在香港政府的支持下，他們一直在該市約兩打維修孔中定期收集廢水樣本，並檢測污水中的冠狀病毒 DNA。 12 月底，他們追蹤到一棟公寓大樓爆發了疫情，但那裡沒有出現病例的跡象。
政府很快就採取了行動。官員們對大樓內的 2000 多名居民進行了檢測； 9人檢測呈陽性。 「那些人被隔離並前往隔離點。所以他們停止了傳播鏈，」張說。取得成功後，他和他的同事擴大了努力。
迄今為止，廢水檢測仍然是香港 COVID-19 策略的一部分。張說，他的團隊每週在全市約20 個地點進行冠狀病毒檢測，並且該團隊已將這些樣本的分析範圍擴大到其他病原體，包括流感、輪狀病毒、諾羅病毒和mpox，以及抗菌素耐藥性標記物。他認為廢水檢測是立即衡量整個社區健康狀況的一種方法。他說，“如果我們能夠使方法更加標準化”，那麼該工具將成為一種“有前途且令人興奮”的篩檢世界病原體的方法，包括那些科學家尚未識別的病原體。
許多研究人員正在遵循類似的方法。目前，全球有 4,600 多個地點正在收集廢水用於SARS-CoV-2 測試，一些參與的研究團隊正在研究其他潛在應用，例如追蹤非法藥物的使用，甚至癌症的盛行率。
Waste water SCAN美國近 200 個地點的樣本
但這是否有可能成為有效的公共衛生策略仍有爭議。張在香港大學公共衛生學院的同事Leo Poon表示，在衛生機構擴大污水檢測計畫並將這種監測納入日常預算之前，應該進行更多研究。 「還有很多未知的事情，」他說，特別是在檢測 SARS-CoV-2 以外的病原體方面。 “我認為目前有一個陡峭的學習曲線：當我們檢測到某些東西時，它意味著什麼？”
許多透過廢水追蹤 COVID-19 的計畫都是以類似的方式開始的。科學家在大流行初期就了解到可以在污水中識別出SARS-CoV-2，並與當地水務部門和衛生機構聯繫以獲取樣本。
到 2020 年底，多項研究表明，公共供水系統中的冠狀病毒水平可能與社區中的 COVID-19 病例數相關。例如，加州史丹佛大學的研究人員發現，在舊金山灣區，廢水中的病毒水平隨著病例的增加而上升或下降。領導這項工作的團隊隨後創建了Waste waterSCAN項目，該項目測試來自美國近 200 個地點的樣本。
人們聚集在哪裡，就存在 COVID-19
科學家表示，在最成功的廢水處理計畫中，研究人員直接與公共衛生官員合作，後者利用這些數據來制定 COVID-19 安全政策。這種情況發生在加納的農村地區，與香港一樣，廢水檢測發現了其他類型的監測沒有發現的 COVID-19 病例。哈比卜·雅庫布(Habib Yakubu) 是喬治亞州亞特蘭大埃默里大學全球安全用水、環境衛生和個人衛生中心的公共衛生研究員，他與加納科學家團隊合作，開發了針對該國有限的公共下水道和實驗室設備的測試方法。他們在兩個農村地區（Nanumba North 和 Mion）進行了嘗試，這兩個地區的政府官員懷疑 COVID-19 可能正在傳播，但臨床測試尚未發現任何病例。
研究人員與社區領導合作確定採樣地點，包括學校、醫療機構、市場和用於洗衣的溪流。 “我們觀察了，人們聚集在哪裡？”雅庫布說。研究人員發現，事實上，這些地區就存在 COVID-19。因此，官員們增加了公共衛生活動，包括社區教育和疫苗接種工作。該團隊檢測了加納常見的其他疾病，包括霍亂和傷寒，這也為衛生行動提供了資訊。
更新了戴口罩的規定，對大型集會施加限制
印度班加羅爾塔塔遺傳學與社會研究所的科學家法拉·伊什蒂亞克(Farah Ishtiaq) 表示，在2021 年初印度爆發SARS-CoV-2 Delta 變種毀滅性浪潮後，對廢水進行COVID-19 檢測的必要性變得顯而易見。她和她的同事與官員合作，在班加羅爾的28 個水處理廠進行了測試——這是一項後勤上具有挑戰性的任務，因為團隊必須手動收集樣本，而不是使用高收入國家常見的自動採樣器。
Ishtiaq 說，隔年 Omicron 變種在班加羅爾傳播期間，這項測試證明了其價值。廢水數據表明，在醫療保健系統的數據有限的情況下，Omicron 變種在整個城市廣泛傳播。她說，官員的回應是更新了戴口罩的規定，並對大型集會施加限制。
根據加州大學環境工程師 Colleen Naughton 及其同事維護的COVIDPoops19 儀表板，受此類案例研究的啟發，該領域在過去4 年中取得了巨大發展，目前有數百個研究團隊在72 個國家/地區進行測試。
2023 年 12 月和 2024 年 1 月，COVID-19 明顯在世界多個地區廣泛傳播。但公共衛生機構嚴重削減了傳統檢測和監測計劃，導致冠狀病毒傳播程度存在不確定性，並突然將注意力集中在基於廢水的流行病學上。
一些科學家和社群媒體評論員表示，廢水中的 SARS-CoV-2 水平與特定病例數相關，估計美國和歐洲的病例數大幅增加。但其他人警告說，廢水監測不夠可靠，無法預測真實的感染人數。馬薩諸塞州波士頓東北大學的流行病學家 Sam Scarpino 曾研究過 COVID-19 數據系統，他表示，這種估計存在「精確度錯誤的感覺」。
由於污水數據與傳統的健康指標有很大差異，因此很難做出估計。在典型的監測中，數據代表可以透過接觸者追蹤來識別、隔離和治療的個別感染者。在廢水監測操作中，數據可以代表整個社區。
測試中出現幾週前，在污水中發現了新冠病毒變異體
加拿大渥太華大學的公共衛生醫生道格拉斯·曼努埃爾說，它們生產的「一公升代表一百萬人」。曼努埃爾和他的同事們已經確定了幾個可以改變這類篩檢結果的變數；其中包括人口密度、降水量、樣品成分、處理和測試方法以及品質控制措施4。例如，曼努埃爾說，當渥太華春天的雪融化時，它會流入廢水系統並「沖刷掉」管道中可能積聚的固體廢物。這可能會幹擾與 SARS-CoV-2 測量相關的發現。
為了解釋這些變量，研究人員傾向於比較一個站點隨時間的測量結果。例如，美國疾病管制與預防中心(CDC) 開發了一種稱為廢水病毒活動水平的指標，將測試地點最近的SARS-CoV-2 測量值與過去的測量值進行比較，然後對較大區域的這些比較值進行平均。
這些比較指標有助於向公眾展示廢水結果，但它們掩蓋了數據的複雜性。伊斯坦堡馬爾馬拉大學的環境工程師、土耳其廢水測試計畫協調員比爾格·科卡米米 (Bilge Kocamemi) 表示，她很快意識到「數據的科學表示使公眾無法使用這些數據」。相反，她和她的同事開發了一個相對簡單的COVID-19 地圖：根據 SARS-CoV-2 水平的高低，測試地點以不同深淺的黃色和綠色顯示。科卡米米說，​​這種色標並不精確，但對於沒有科學背景的人來說很容易理解。
致力於這項挑戰的科學家表示，根據廢水中的病毒水平對病例數或社區中 COVID-19 傳播的其他指標（例如將有多少人住院）進行建模很困難，但並非不可能。這種模型將使衛生官員更容易根據污水數據做出政策決策。
污水監測以多種方式幫助世界各地對抗新冠病毒
位於華盛頓特區的 CDC 預測和疫情分析中心於 2022 年成立，是應對這項挑戰的機構之一。該中心主任 Dylan George 表示，廢水數據是衡量 COVID-19 對醫院負擔的「一個非常好的領先指標」。 2 月，George 和他的同事發布了新的醫院預測模型，該模型根據廢水數據和其他指標進行預測（請參閱go.nature.com/43xumbz）。研究表明，當此類模型將廢水數據與醫療保健系統的數據結合使用時，而不是僅使用這些來源之一，它們會更準確5。
喬治警告說，需要進行持續的研究，以更好地了解廢水中的病毒水平與社區疾病水平之間的關聯。例如，一些科學家認為，隨著 SARS-CoV-2 的持續變異，病毒水平可能會發生變化；喬治說，一種名為 JN.1 的變體可能會導致人們排出更多的病毒顆粒，或者與以前的變體相比，排出病毒顆粒的時間更長。 “我認為這將成為未來研究的一個活躍領域。”
建模者希望獲得更詳細的臨床測試數據，以便他們能夠更好地比較廢水結果和社區感染。 Ginkgo Bioworks 的科學家卡桑德拉·菲利普森(Casandra Philipson) 表示，對於測試廢水中其他病毒的研究人員來說，挑戰往往更大。污水，並對新的生物安全工具進行研究。 Philipson 表示，目前有關於 COVID-19、流感和呼吸道合胞病毒的可靠臨床數據。但是，她補充道，“當你排除這三種病原體時，確實存在巨大的數據稀缺問題。”
污水中還可以測試什麼？
一些科學家對人們排泄物中出現的一系列其他疾病和健康指標感興趣。
負責協調布魯塞爾歐盟委員會聯合研究中心廢水工作的貝恩德·曼弗雷德·高利克 (Bernd Manfred Gawlik) 將廢水稱為“城市的骯髒血液”，並將污水採樣與血液檢測進行了比較。他說，「我們現在才剛開始了解」如何在集體層面上診斷這種「血液」。
測試的一個常見目標是抗菌素抗藥性 (AMR)，這是大流行之前的廢水研究領域。班加羅爾的伊什蒂亞克 (Ishtiaq) 表示，“抗菌素抗藥性是世界這一地區的一個大問題”，因為許多人使用不受監管的抗生素。她的研究範圍已從 COVID-19 檢測擴展到可以尋找病毒和細菌感染的多方面基因組平台。她說，廢水數據將幫助研究人員了解哪些病原體導致感染，並將這些資訊傳達給醫生。
突尼斯巴斯德研究所的分子生物學家和生物資訊學家 Fatma Guerfali 也在追蹤突尼斯的抗菌素抗藥性，突尼斯是被認為風險最高的國家之一。 Guerfali 說，她和她的同事正在與該國衛生機構以及其他非洲國家的研究合作者合作，以確定如何最好地擴大該項目，該項目從 COVID-19 檢測開始。
污水如何揭示冠狀病毒爆發的真實規模
除了抗菌素抗藥性和流感等全球目標之外，廢水檢測的優先順序也根據當地的健康挑戰而有所不同。由於這種測試可以檢測到多種病原體，科學家經常諮詢衛生機構以確定優先考慮哪些目標。例如，在肯塔基州路易斯維爾，路易斯維爾大學健康空氣、水和土壤中心主任泰德·史密斯和他的同事正在測試“泛病毒組”，其中包括約 30 種對當地健康感興趣的病原體機構。他說，去年，在該州爆發麻疹期間，檢測發現了麻疹，衛生官員利用這些數據為疫苗接種計劃、醫生警報和其他衛生工作提供資訊。
另一個擴展領域是測試人們排泄到廢水中的化學物質。一些研究人員，例如馬薩諸塞州劍橋新創公司 Biobot Analytics 的研究人員，正在篩選鴉片類藥物和其他有濫用風險的藥物。史密斯和他的同事正在測試污水中是否存在表明暴露於空氣污染的化合物，並且他們已經開始研究鉛含量。 「每天，我們都會想出新的東西來檢測廢水，」他說。
一些研究人員甚至超越了人類傳播的疾病，並擴展到動物傳播的疾病。 2022 年，科學家發表了將紐約市廢水中新的 SARS-CoV-2 變種與該市老鼠聯繫起來的研究成果6。伊什蒂亞克正在班加羅爾研究禽流感，肯亞國際牲畜研究所的科學家埃克塔·帕特爾正在那裡研究動物疾病。
產生 SARS-CoV-2 已經傳播的全球地點清單
帕特爾和她的同事正在對屠宰場的污水進行採樣，並檢測 66 種病原體，包括炭疽、布魯氏菌病和裂谷熱。為了補充廢水測試，帕特爾希望她的團隊能夠從獸醫診所和社區醫院收集數據。
一些廢水科學家思考，如果有一個強大的全球污水監測系統，那麼新冠肺炎 (COVID-19) 大流行初期的情況可能會有多麼不同。斯卡皮諾說，一旦病毒序列公佈，研究人員就可以「立即對全球各地的廢水進行追溯篩檢」。這種篩檢可能會產生 SARS-CoV-2 已經傳播的全球地點清單，甚至在臨床測試廣泛應用之前就可以為遏制該病毒的策略提供資訊。
斯卡皮諾認為，這樣的系統需要大量的財政投資、國家和科學領導人能夠掌控這些項目和標準，使廢水數據在各國之間更具可比性7。
公共衛生廢水和環境監測全球聯盟
在紐約市洛克菲勒基金會從事廢水監測工作的梅根·戴蒙德 (Megan Diamond) 表示，目前的 COVID-19 測試社區「出於需求和混亂」。戴蒙德表示，世界衛生組織、歐盟和非洲疾病管制與預防中心等全球和區域機構可能需要加強努力，為檢測、資料共享和標準提供指導。
Gawlik 致力於一項如此廣泛的努力：公共衛生廢水和環境監測全球聯盟 (GLOWACON)，該聯盟於 3 月在布魯塞爾成立。透過招募來自世界各地的 300 多名合作者，包括科學家、政府官員和國際組織代表，加入這個聯盟，他希望推出新方法，利用世界各地城市的「骯髒血液」診斷健康問題。