Avloppsbaserad epidemiologi (WBE) har blivit ett metodbegrepp i samband med den senaste pandemin. Här fokuseras på avloppsnätets funktion vad gäller virusspridningens dynamik och vilka möjligheter till modellering som finns.
Att uppskatta det totala antalet personer som är infekterade av det aktuella viruset är väsentligt för att förstå dess utbredning i ett samhälle. Avloppsvattenbaserad epidemiologi kan ge en samlad bild som även kan kompensera brister i sjukdomsrapporteringen. WBE har haft framgångar vid nya virusvarianter, vid nya utbrott och vid sökande efter områden med hög infektionstäthet.
Vidareutveckling är nödvändig. Avklingning av viruset med god tidsuppskattning, virusförekomst och utsöndringshastighet av viruset med fekalier från infekterade individer är detaljfrågor som behöver penetreras ytterligare och där internationellt kunskapssamarbete är angeläget.
Erfarenheter från Dublin meddelas i artikeln.
Bakgrund
WBE är en integrerad teknik som innefattar extraktion, analys, databehandling och tolkning av biomarkörer som utsöndrats från urin och fekalier till avloppsvatten. De senaste 20 åren har WBE använts för att spåra olagliga droger, t ex kokain, och lovande ansatser har gjorts när det gäller att använda WBE gentemot SARS-CoV-2.
I denna review-artikel fokuseras mest på avloppsnätets egenskaper. Kunskaper om anslutande befolkning, nederbörd (spädning) är viktiga för att bedöma fekaliemängden som transporteras i nätet. Uppehållstiden är viktig för att avklingningen av virus ska kunna bedömas. Ambitionen är också att på sikt kunna generalisera kunskapen för att möjliggöra jämförelser med andra system, även internationellt. En fallstudie från Dublin januari 2021redovisas.
WBE för SARS-CoV-2
WBE har flera fördelar vid kartläggningen av antalet infekterade. Mellan 40 och 45 % av de infekterade är symptomfria, men kan utsöndra viruset med fekalierna. Genomsnittlig utsöndring med fekalierna för sjukhuspatienterna med COVID-19 är 40-53 %, men andelen kan vara högre om magsjukdom förekommer.
SARS-CoV-2 kan ha en lång inkubationstid, 2-14 d, men patienter kan utsöndra viruset med fekalier även om inte sjukdom brutit ut. Det har även konstaterats att patienter som via utandningsprov ansetts ha avslutat infektionen har visat utsöndring av viruset med fekalierna i 7-33 d. Utsöndringen av virusets RNA med fekalierna förefaller oberoende av infektionens intensitet.
WBE kan alltså redovisa fall som den kliniska testningen missar och viral RNA har i flera länder detekterats i avloppsvatten innan kliniska fall påvisats.
Globalt kan WBE användas för ca 2,1 miljarder invånare via 105 000 avloppsverk och är klart billigare än klinisk testning.
Det virala genomet är generellt accepterat som mått på SARS-CoV-2 och RT-qPCR (Reverse Transcription quantitative Polymerase Chain Reaction) är den vanligaste analysmetoden även om antigentest också kommer till användning. Rapporterade avloppsvattenkoncentrationer är 101-107 genomkopior (gc)/L, men intervallet 103-106 gc/L är det vanligaste. Många länder har rapporterat framgångsrik detektering: Nederländerna, Italien, Japan, USA, Australien, Brasilien, Kanada, Tyskland, Sverige (Saguti mfl 2021) och Irland. Höga halter, 106-1010 gc/L har uppmätts i slamprover.
Infekterade personer har angetts avge viruset fekalt under upp till 30 d, men det högsta värdet kommer relativt tidigt. En komplikation är att inte alla infekterade patienter avger viruset med fekalierna.
I avloppsnätet
Den geografiska utformningen av nätet och tillförseln av virusspädande vatten (ex nederbörd) eller koncentrerande vatten (ex från sjukhus) är viktiga villkor för virusdynamiken i nätet. Uppehållstid och temperatur är väsentliga parametrar för virusets överlevnad.
Avklingningen av viruset har visats vara exponentiell mot uppehållstiden i nätet:
C/C0 = e -k*t, där C0 är initial viruskoncentration (gc/L) och C koncentrationen (gc/L) vid tiden t.
k är avklingningskonstanten (första ordningens) (d-1).
Rapporterade uppehållstider i avloppsvatten varierar och vid låga temperaturer (4 ºC) har viruset uppgetts överleva i veckor medan vid 20 ºC storleksordningen 2 d har redovisats.
k-värdet har uppmätts till 0,08 resp 0,16 1/d i obehandlat avloppsvatten vid nämnda temperaturer, men avvikelserna är stora.
Parametrars onoggrannhet
Beräkning av antalet infekterade via WBE stöter på flera problem:
- Antal RNA-kopior per gram fekalier?
- Antal RNA-kopior uppmätt i avloppsvattnet?
- Gram fekalier per person och dygn?
Känsligheten för WBE varierar. Ca 400 infekterade personer per 10 000 anges vara undre gräns för detektering. Felet blir större vid låga antal infekterade.
Biomarkörer kan användas för att uppskatta befolkningstal, t ex pepper mild mottle virus (PMMoV) som är den vanligaste virustypen i människans fekalier.
WBE har vid drogspårning uppskattats ha en felmarginal på 40 %.
Resultat
Från mätningar i en centralt belägen brunn i Dublin januari 2021, 1182 pe anslutna, med provinsamling i 2h-intervall, blev variationen lägst-högst i antal genkopior/L: 3,28 * 103 (kl 08-10) till 5,84 * 104 (kl 12-14). Baserat på 350 g fekalier/p,d, 107 genkopior/g fekalier och avklingningskonstant 0,114 d-1 erhölls 21 tillkommande infekterade personer per dygn motsvarande 1,8 % av avrinningsområdets befolkning.
Provtagningsstrategi diskuteras.
Slutsatser
Syftet med en undersökning bör klargöras; om fokus ligger på tidig varning för nytt utbrott, på genomsnittligt antal infekterade, detektering av nya virusvarianter eller på tillkommande områden med utbrott.
I ett internationellt perspektiv över kunskapsutvecklingen är det viktigt att förmedla om prover är tagna under en period med låga antal infekterade eller under toppbelastningar.
Artikeln har 138 referenser, 80 % från 2020 eller senare, inklusive en svensk med medverkan från Ryaverket.
Källa: Mac Mahon, J.a), Monleon, A. J. C.a), Gill, L.W.a), O’Sullivan, J.J.b) & Meijer, W.G.c) (2022): Wastewater-based epidemiology fo SARS-CoV-2. – A review focussing on the significance of the sewer network using a Dublin city catchment case study. Water Science & Technology Vol 86, No 6, pp 1402-1425.
Författarna:
School of Engineering, Trinity College Dublin
UCD School of Civil Engineering, UCD Dooge Centre for Water Resources Research and UCD Earth Institute, University College Dublin
UCD School of Biomolecular & Biomedical Science, UCD Earth Institute and Conway Institute, University College Dublin.
Kontakt: macmahoj [a] tcd.ie
