Roboty przewidują wybuchy epidemii COVID-19, przeszukując Twoje odchody

Na początku pandemii naukowcy zwrócili się do ścieków jako systemu ostrzegawczego przed ogniskami COVID-19.  Badanie próbek ścieków pod kątem obecności wirusa okazało się przydatne w identyfikowaniu budynku lub obszaru, w którym COVID-19 jest już obecny, nawet jeśli nosiciele są bezobjawowi. Metodę tę wdrożono wszędzie, od uczelni po lokalne społeczności.

Ale ta metoda ma jedną istotną wadę: szybkość. Teraz zespół z University of California at San Diego (UCSD) School of Medicine znalazł sposób na przyspieszenie procesu wykrywania i szybsze dostarczanie dokładnych danych.

Oryginalny proces był powolny, ponieważ próbki ścieków są rozcieńczane i muszą być zagęszczane, co wymaga wielu kroków i dużej ilości zasobów, mówi Health Life Guide dr Smruthi Karthikeyan, inżynier środowiska i badaczka podoktorska w UCSD School of Medicine. Karthikeyan jest główną autorką raportu z procesu opublikowanego w tym miesiącu w czasopiśmie mSystems . 

Przyspieszenie procesu

W przeciwieństwie do wymazu z nosa, który wymaga pobrania niewielkiej próbki śluzu, próbka ścieków z kanalizacji lub oczyszczalni ścieków jest rozcieńczana po zmieszaniu z innymi ściekami, które spłynęły do ​​odpływu.

Próbki ścieków muszą zostać zagęszczone, aby SARS-CoV-2, wirus wywołujący COVID-19, jeśli jest obecny, był łatwiejszy do znalezienia. Ale istniała potrzeba szybszej metody zagęszczania tych próbek i znajdowania RNA wirusa. Naukowcy byli szczególnie zainteresowani znalezieniem metody, którą można by zastosować jednocześnie na wielu próbkach i która mogłaby dostarczyć dokładnych wyników tego samego dnia. 

Aby przyspieszyć proces, Karthikeyan i jej zespół zwrócili się do robota, którego już miała w laboratorium. Przed wybuchem pandemii jej badania koncentrowały się na mikrobiomie jelitowym, obszarze badań obejmującym również badanie próbek ścieków. Modyfikując ten system, byli w stanie szybko wyodrębnić RNA z próbek ścieków i przeprowadzić reakcję łańcuchową polimerazy (PCR) w celu wyszukania genów charakterystycznych dla COVID-19.

W systemach stosowanych wcześniej do monitorowania ścieków próbki wody zagęszczano za pomocą metod filtracji lub wytrącania, co wymagało czasu i dużych nakładów na przeprowadzenie testów.

Zamiast tego ten system o wysokiej przepustowości wykorzystuje magnetyczne koraliki, które preferencyjnie łączą się z fragmentami wirusa, wyjaśnia Karthikeyan. Następnie robotyczny procesor pobiera koraliki za pomocą magnetycznej głowicy, pozostawiając wszystko inne.

„W ten sposób wybierasz tylko wirusa i nie zbierasz wszystkich śmieci” – mówi. „Zwiększa to szanse na znalezienie wirusa nawet w rozcieńczonym systemie”. Skoncentrowane próbki są następnie testowane pod kątem trzech różnych celów genowych w genomie COVID-19 za pomocą testu PCR.

Udoskonalony system znacznie zwiększa szybkość testowania.

„[Wcześniej] nie mogłem wykonać więcej niż 10 próbek dziennie. Zajmowało mi to godziny, aby wykonać to samo” — mówi Karthikeyan. „Dzięki temu możemy wykonać 120 próbek w ciągu 4,5 godziny od otrzymania próbki do faktycznego wykrycia PCR”.

Ten proces ma dodatkową zaletę, że jest tańszy, ponieważ wymaga mniej zasobów i mniejszej liczby osób do przeprowadzenia testów, dodaje. Testy można przeprowadzać na próbkach ścieków o objętości zaledwie 10 mililitrów.

Dokładność wyników uzyskanych tą metodą jest również wysoka. Szybkie testy pozwalają badaczom przewidzieć, co będzie się działo z rozprzestrzenianiem się COVID-19 z tygodniowym wyprzedzeniem z dobrą dokładnością i z trzytygodniowym wyprzedzeniem z umiarkowaną dokładnością, zgodnie z oświadczeniem UCSD School of Medicine .

Historia sukcesu

Badania ścieków z akademików i innych budynków na UCSD trwają od lipca 2020 r. Zespół kierowany przez Roba Knighta, doktora, profesora i dyrektora Centrum Innowacji Mikrobiomu na UCSD, odkrył tę technikę.

Miesiąc po tym, jak szkoła zaczęła monitorować ścieki, wykryto pozytywny przypadek bezobjawowy, a uniwersytet mógł wysłać alerty do osób w dotkniętych budynkach. Ułatwiło to ukierunkowane testowanie osób w danym obszarze, zamiast próbować testować wszystkich na terenie kampusu. Wyniki badań przesiewowych są teraz dostępne  na publicznym pulpicie .

Inne uniwersytety, takie jak University of Arizona, wykorzystują testy ścieków do śledzenia rozprzestrzeniania się COVID-19. Miasto Nowy Jork monitoruje COVID-19 nawet w próbkach z 14 oczyszczalni ścieków.

System UCSD pozwala na szybkie testowanie większej liczby próbek wody, dając urzędnikom służby zdrowia wgląd w rozprzestrzenianie się wirusa, zanim ludzie mogą być klinicznie chorzy. „Nie sądzę, żeby ktokolwiek robił to na taką skalę” – mówi Karthikeyan.

System używany na UCSD może wykryć nawet jeden przypadek COVID-19 w budynku, w którym mieszka ponad 400 osób. W młodej populacji, takiej jak społeczność studencka na UCSD, zarażone osoby często nie wykazują objawów, ale nadal wydalają wirusa, mówi Karthikeyan. Do czasu, gdy bezobjawowy nosiciel stanie się objawowy lub przeniesie wirusa na osobę wykazującą objawy zakażenia, wirus może rozprzestrzenić się wykładniczo.

Karthikeyan i jej współpracownicy obecnie testują próbki ścieków w hrabstwie San Diego. Zakład oczyszczania ścieków w Point Loma przetwarza ścieki dla ponad 2,2 miliona osób, co pozwala na pobieranie próbek w jednym miejscu dla całego obszaru usług. Przeprowadzenie testów na obecność wirusa u całej populacji jest trudne i kosztowne, ale wykorzystanie testów ścieków jako techniki nadzoru pozwala urzędnikom służby zdrowia zawęzić obszary, w których testowanie jest kluczowe.

Hrabstwo San Diego chce, aby zespół UCSD nie tylko wykrył wirusa, ale także zsekwencjonował genom wirusa, aby zobaczyć, które warianty wirusa mogą krążyć, mówi Karthikeyan. „Teraz przeprowadzimy sekwencjonowanie genomu na dużą skalę” — dodaje.

Karthikeyan twierdzi, że ten rodzaj monitoringu ścieków można dostosować do monitorowania wszelkich wirusów wydalanych z kałem. Dodaje też, że można go stosować w przypadku wielu rodzajów epidemii chorób zakaźnych i może pomóc w wcześniejszym wykrywaniu przyszłych pandemii.

Informacje w tym artykule są aktualne na dzień podany, co oznacza, że ​​nowsze informacje mogą być dostępne, gdy to czytasz. Aby uzyskać najnowsze informacje na temat COVID-19, odwiedź naszą stronę z wiadomościami o koronawirusie .