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通过废水监测新冠疫情——基于废水的流行病学方法介绍.pdf
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1、第 卷第期年月西 安 交 通 大 学 学 报(医 学 版)J o u r n a l o fX ia nJ i a o t o ngU n i v e r s i ty(M e d i c a l S c i e n c e s)V o l N o S ep 本刊网址:h t t p:/y x x b x j t u e d u c n微信公众号:西安交通大学学报医学版专家述评通过废水监测新冠疫情 基于废水的流行病学方法介绍刘蓬勃,庄贵华(美国E m o r y大学公共卫生学院全球健康教研室,A t l a n t a,GA ,U S A;西安交通大学医学部公共卫生学院流行病与卫生统计学系,陕
2、西西安 )摘要:自 年新冠肺炎在全球暴发以来,通过收集废水观察人群新冠肺炎病毒感染状况和发展趋势,被称为基于废水的流行病学方法,受到多个国家和地区的广泛关注.该方法包括个步骤:废水标本收集、病毒浓缩、病毒核酸提取、定量R T P C R检测、监测结果分享.该方法可用于人群新冠暴发疫情的早期预警、观察疫情的分布和发展趋势、估计人群新冠肺炎感染率、了解新冠肺炎病毒在人群中的变异规律及同时监测多种疾病的人群感染状况.废水监测可以和新冠临床监测方法同时使用,是临床新冠监测的很好补充.关键词:冠状病毒病;新冠肺炎病毒;基于废水的流行病学;废水监测;实时定量R T P C R;变异株中图分类号:R 文献标
3、志码:AD O I:/j d y x b 收稿日期:修回日期:通信作者:刘蓬勃,E m a i l:p l i u e m o r y e d u网络出版地址:h t t p s:/k n s c n k i n e t/k c m s/a r t i c l e/a b s t r a c t?u r l I d R&u n i p l a t f o r mN Z K P T()C O V I D s u r v e i l l a n c ev i aw a s t e w a t e r:I n t r o d u c t i o no fw a s t e w a t e r b a
4、 s e de p i d e m i o l o g yL I UP e n g b o,Z HUANGG u i h u a(H u b e r tD e p a r t m e n to fG l o b a lH e a l t h,R o l l i n sS c h o o l o fP u b l i cH e a l t h,Em o r yU n i v e r s i t y,A t l a n t a,GA ,t h eU S A;D e p a r t m e n to fE p i d e m i o l o g ya n dH e a l t hS t a t i
5、s t i c s,S c h o o l o fP u b l i cH e a l t h,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t yH e a l t hS c i e n c eC e n t e r,X ia n ,C h i n a)A B S T R A C T:S i n c e t h eo u t b r e a ko f t h eC OV I D gl o b a lpa n d e m i c i n ,m o n i t o r i ngC OV I D i n f e c t i o n s t a t u sa n dt r
6、 e n dt h r o ughw a s t e w a t e r,k n o w na sw a s t e w a t e r b a s e depi d e m i o l og y(WB E),h a sb e e nw i d e lyu s e di n m a nyc o u n t r i e sa n dr egi o n s WB Ec o n s i s t so ff i v es t eps:w a s t e w a t e rs a mpl ec o l l e c t i o n,v i r a lc o n c e n t r a t i o n,v
7、i r a ln u c l e i ca c i de x t r a c t i o n,qu a n t i f i c a t i o no fv i r u s u s i ngqu a n t i t a t i v eR T P C R,a n dd i s s e m i n a t i o no f t h ew a s t e w a t e r s u r v e i l l a n c er e s u l t s T h i sm e t h o dc o u l db eu s e df o re a r lyw a r n i ngo fC OV I D o u
8、t b r e a k i napopu l a t i o n,m o n i t o r i ngC OV I D d i s t r i b u t i o n sa n depi d e m i ct r e n d,pr e d i c t i o no fC OV I D pr e v a l e n c er a t e,u n d e r s t a n d i ngo ft e mpo r a lt r e n do fS AR S C OV v a r i a n t s,a n ds i m u l t a n e o u ss u r v e i l l a n c e
9、o fm u l t ipl epa t h oge n s WB Ea n dc l i n i c a l s u r v e i l l a n c ec a nb eu s e dc o n c u r r e n t lya n dt h ef o r m e r i sago o dc o mpl e m e n t t ot h e l a t t e r K E Y WO R D S:C OV I D ;S AR S C o V ;w a s t e w a t e r b a s e depi d e m i o l og y;w a s t e w a t e rs u r
10、 v e i l l a n c e;qu a n t i t a t i v eR T P C R;v a r i a n t 冠状病毒病(C OV I D ,以下简称新冠),是由 严 重 急 性 呼 吸 综 合 征型 冠 状 病 毒(s e v e r ea c u t er e s p i r a t o r ys y n d r o m ec o r o n a v i r u s,S A R S C o V )引起.人群对该病毒普遍易感,感染后表现从无症状至重度和死亡不等.一项荟萃分析报道,新冠的潜伏期平均d,一般人感染持续时间大约 d,高峰 感 染 期 限d.自 年 以 来,有 关
11、S A R S C o V 的变异、发病机制、临床治疗、疫苗研究、预防控制等方面研究都取得了广泛进展.研究者发现每隔一段时间,该病毒都会变异为一个新的毒株,至今为止,全球范围内已经从最初的病毒株先后变异为WHO定义为担心的变异株(v a r i a n t so fc o n c e r n),包括A l p h a、B e t a、G a mm a、D e l t a和Om i c r o n,以及一些感兴趣的(v a r i a n t so f i n t e r e s t)和正在监测的变异株(v a r i a n t su n d e rm o n i t o r i n g).病
12、毒变异给疫苗研究、临床治疗和预防控制不断提出新的挑战,例如 近 期 发 现 全 球 广 泛 使 用 的mR NA疫 苗 对Om i c r o n和Om i c r o n变异株几乎没有预防效果,从而发生了大量接种过疫苗的个体突破感染(b r e a k t h r o u g h).因此,尽早研发针对新变异毒株的疫苗和西 安 交 通 大 学 学 报(医 学 版)第 卷本刊网址:h t t p:/y x x b x j t u e d u c n微信公众号:西安交通大学学报医学版开展新的预防措施对于控制新冠流行意义重大.自新冠疫情暴发以来,各国采用不同的预防措施.有些国家采用被动疾病监测方法,
13、即等待个体发现自己感染、发病后报告,这种方法的优点是省钱省力,但缺点是不能实现早发现、早隔离.也有国家采用主动疾病监测方法,即通过主动开展人群筛查以达到早发现感染者、早隔离的目的,这种方法费钱费力,但可以有效尽早控制、消灭疫情.无论是采用何种新冠监测方法,其目的都是通过观察疾病在人群中的感染、发病状况,研判流行趋势,从而早期采取措施预防控制,避免疫情进一步传播.由于常规的疾病监测方法在传染力强、传播速度快的新冠监测中存在着明显缺陷,许 多 国 家 开 始 采 用 基 于 废 水 的 流 行 病 学(w a s t e w a t e r b a s e de p i d e m i o l o
14、 g y)方法,也有人称为环境监测(e n v i r o n m e n t a ls u r v e i l l a n c e)、废 水 监 测(w a s t e w a t e rs u r v e i l l a n c e)、废 水 观 测(w a s t e w a t e rm o n i t o r i n g)等方法,通过收集废水和/或淤泥来检测新冠病毒从而反映病毒在废水覆盖的人群中的感染水平,对现有的新冠监测是个很好的补充.通过检测废水中的某病原体来监测人群中该病原体所致疾病的流行病学已经有很长的历史,近 年来该方法在全球许多国家和地区成功应用于脊髓灰质炎的环境监测并促
15、进其消除,已积累了丰富的经验.例如以色列公共卫生实验室从 年就开始通过每月检测废水中的脊髓灰质炎病毒评价脊灰在人群中的流行情况,在此过程中,他们发现废水中柯萨奇病毒(C o x s a c k i e v i r u s)B 的出现时间比临床病例报告时间早 d.在印度孟买,废水中脊灰病毒检测阳性的时间比人群中临床诊断时间早个多月.除脊灰和柯萨奇病毒外,废水监测也广泛应用于霍乱(V i b r i oc h o l e r a)、细菌 (E s c h e r i c h i ac o l i :H)、诺如病毒(n o r o v i r u s)、甲型肝炎病毒(h e p a t i t i
16、sAv i r u s)、轮状病毒(r o t a v i r u s)和寄生虫类疾病的监测 .为什么能够通过检测废水来反映病毒在人群中的感染状况?尽管C OV I D 主要感染呼吸道而且通过呼吸道飞沫在人与人之间传播,但研究表明,S A R S C o V 也会分泌到人类的肠道系统、尿液和呕吐物中(图).一项早期临床研究发现,新冠感染者的多种临床标本(包括粪便标本)中都通过P C R检测到新冠病毒核酸(图).随后多项临床研究发现,在成人和儿童的C O V I D 病例的粪便样本中,的感染者检测到S A R S C o V R N A .而且荟萃研究表明,病毒分泌到胃肠道中的时间可能比呼吸道还
17、要长,病毒分泌在粪便中平均 d.基于这些临床观察性研究,WU等 于 年月中下旬在马萨诸塞州的一个城市废水处理设施收集的废水中检测到新冠病毒R NA,并且用基因测序方法证实是新冠病毒.截至 年 月日全球参与废水新冠病毒监测的国家、大学和地区见图.图新冠病毒分泌途径和复制机制F i g S A R S C o V e x c r e t i o nr o u t e s a n dr e p l i c a t i o nm e c h a n i s m图新冠病毒在痰液、咽喉和粪便中的滴度F i g S A R S C o V c o n c e n t r a t i o n si ns p
18、u t u m,t h r o a t,a n ds t o o l s a m p l e s图截至 年 月日全球参与废水新冠病毒监测的国家、大学和地区F i g C o u n t r i e s,u n i v e r s i t i e s,a n dr e g i o n st h a th a dp a r t i c i p a t e d i nS A R S C o V w a s t e w a t e rs u r v e i l l a n c eu pt oN o v e m b e r,期刘蓬勃,庄贵华通过废水监测新冠疫情 基于废水的流行病学方法介绍本刊网址:h t
19、 t p:/y x x b x j t u e d u c n微信公众号:西安交通大学学报医学版冠状病毒废水监测的重要点在于该方法可以检测到废水中低水平病毒,特别是在新冠暴发的早期、人群中感染人数下降、感染人数因为季节或预防措施(如隔离)的原因时高时低等情况,因此该方法可以应用到一个社区或人群新冠暴发的“早期预警”.冠状病毒废水监测也可通过废水中病毒R NA水平来估计人群中感染数量,但这种估计方法与患者感染后病毒的排泄数量和时间、病毒在废水中的停留时间、下雨而导致的病毒稀释、病毒迁移过程的灭活、废水收集方法、实验室检测方法及敏感性以及患者临床数据的收集等因素有关,所以预测的准确性有待提高.另外
20、,冠状病毒废水监测能够识别人群中目前流行哪些病毒株、早期预测人群可能会出现的病毒株以及病毒株在人群中传播的历史.新冠病毒废水监测的步骤和方法废水标本收集废水收集方法目前通过废水监测估计新冠病毒在人群中的感染状况有三种标本收集方法:自动混合废水收集 器(a u t o m a t i cc o m p o s i t ew a s t e w a t e rs a m p l e r)、抓取标本(g r a b)和被动收集方法(p a s s i v es a m p l i n g).自动混合废水收集器(图左)根据废水的流量自动按比例收集每个时间段(如每 m i n)的废水,然后将每个时间段收
21、集的废水混合.抓取标本方法(图中)用小的容器在某个时间某个废水地点收集少量标本检测冠状病毒,从而估计病毒在整个废水中的存在情况及病毒浓度.图废水标本收集方法F i g W a s t e w a t e rs a m p l ec o l l e c t i o nm e t h o d s“被动收集”方法一般是使用一种有吸附病原体能力的材料,能够较长时间与废水接触从而将病原体吸附到材料上,如“纱布拭子”法(图右).这种方法也可以用两种材料,第一种材料包在有吸附能力的材料外面,目的是防止一些大的垃圾类东西缠绕在吸附材料上面.本课题组于 年在印度和孟加拉国成功应用“纱布拭子”方法富集废水标本中的
22、伤寒和副伤寒沙门氏菌,然后应用细菌培养方法培养伤寒和副伤寒沙 门 氏 菌,最 后 应 用 荧 光 定 量P C R检 测.年新冠在美国暴发以来,本课题组在全球率先应用“M o o r e纱布拭子”方法在废水中富集新冠病毒,然后应用荧光定量R T P C R检测,并用此废水监测系统观察新冠病毒在Em o r y大学校园人群中的流行趋势.R A F I E E等 比较这三种废水收集方法检测S A R S C o V 的敏感性,纱布拭子和自动混合废水收集方法的敏感性没有显著差别,纱布拭子方法 样本(/)均阳性,而抓取标本阳性率只有(/).因此,纱布拭子方法可以取代自动混合收集方法.由于这三种废水标本
23、收集方法各有优缺点,因此应当根据研究目的和实际情况选择使用.废水收集位置大多数新冠废水监测研究通过在城市或地区级别的废水处理厂重复收集一段时间的废水标本来估计新冠的发病率、动态流行趋势、新冠病毒株的动态变化趋势等.在这种情况下,废水中的新冠病毒一般持续阳性,需要检测废水中新冠病毒的浓度(基因拷贝/每升水),这种情况的废水标本收集也比较简单.另外,新冠废水监测也可广泛应用于社区或单位区域,用于检测新冠病毒的传播和提供新冠病毒可能暴发的预警信息.在这种情况下,废水标本的收集就复杂些,要考虑到废水收集的位置和频率、代表的人群、是否可以得到全人群新冠感染的数据、能否对整个废水标本覆盖的人群进行全面核酸
24、检测等等.废水标本收集频率废水标本收集频率是新冠病毒废水监测另一个需要考虑的重要因素.根据研究目的不同,如果是在社区范围内做新冠病毒废水监测,每周次以上 h自动混合废水收集、或次 h自动混合废水收集、或次 h自动混合废水收集就可以达到收集大多数排泄病毒者的目的.但西 安 交 通 大 学 学 报(医 学 版)第 卷本刊网址:h t t p:/y x x b x j t u e d u c n微信公众号:西安交通大学学报医学版如果条件有限,每周达到至少次标本收集或周次就比较满意.废水标本的代表人群无论是在废水系统的上游还是下游收集标本,都应该搞清楚所收集样本的代表人群.如果是在上游的社区或单位范围
25、收集,如果废水病毒P C R阳性,在此基础上对整个社区或单位的全部人员进行核酸或抗原检测,从而在疫情早期能将感染追溯到特定的人或家庭,以便能够采取进一步的隔离措施.如果是在废水系统下游如废水处理厂收集标本,也应该得到该废水代表多大范围的人群和具体数量的人群信息.实验室检测废水检测体积检测废水体积显著影响冠状病毒检测结果,一般情况下 m L没有经过处理的废水足够检测出病毒.本研究团队最近应用纳米颗粒吸附病毒并加入增强反应效果的缓冲液,应用此方法检测 m L废水中的冠状病毒和样本处理前预先加入的病毒对照,并同时与 m L的常规病毒浓缩方法比较,纳米颗粒技术显著提高检测的敏感性.然而取决于不同情况,
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