Erik Jepsen
Belangrijkste leerpunten
- Het testen van afvalwater op COVID-19 is een effectieve manier om mogelijke uitbraken op te sporen.
- Dankzij een verbeterde methode kan dit type bewaking sneller, efficiënter en goedkoper worden uitgevoerd.
- Door de verbetering van het proces kunnen dagelijks tientallen monsters uit riolen en rioolwaterzuiveringsinstallaties worden getest in plaats van slechts een handvol.
- Snelle afvalwatertesten kunnen ook worden gebruikt om in de toekomst andere virusuitbraken op te sporen en op te sporen.
Al vroeg in de pandemie wendden wetenschappers zich tot afvalwater als waarschuwingssysteem voor COVID-19-uitbraken. Het testen van afvalwatermonsters op de aanwezigheid van het virus is nuttig gebleken bij het uitkiezen van een gebouw of gebied waar COVID-19 al aanwezig is, zelfs als dragers asymptomatisch zijn. De methode is overal toegepast, van hogescholen tot lokale gemeenschappen.
Maar deze methode heeft één belangrijke tekortkoming: de snelheid. Nu heeft een team van de University of California in San Diego (UCSD) School of Medicine een manier gevonden om het detectieproces te versnellen en sneller nauwkeurige gegevens te verstrekken.
Het oorspronkelijke proces verliep traag omdat monsters van afvalwater of rioolwater worden verdund en moeten worden geconcentreerd, wat veel stappen vergt en veel middelen gebruikt, vertelt Smruthi Karthikeyan, PhD, een milieutechnicus en postdoctoraal onderzoeker aan de UCSD School of Medicine, aan Verywell. Karthikeyan is de hoofdauteur van een verslag van het proces dat deze maand in het tijdschrift is gepubliceerdmSystems.
Het proces versnellen
In tegenstelling tot een neusuitstrijkje, dat een klein stukje slijm neemt, wordt een afvalwatermonster uit een riool of rioolwaterzuiveringsinstallatie verdund nadat het is rondgespoeld met al het andere dat door de afvoer is gegaan.
Afvalwatermonsters moeten worden geconcentreerd zodat SARS-CoV-2, het virus dat COVID-19 veroorzaakt, indien aanwezig, gemakkelijker te vinden is. Maar er was behoefte aan een snellere methode om die monsters te concentreren en RNA van het virus te vinden. Onderzoekers waren specifiek geïnteresseerd in het vinden van een methode die tegelijkertijd op veel monsters kon worden uitgevoerd en die dezelfde dag nauwkeurige resultaten kon opleveren.
Om het proces te versnellen, wendden Karthikeyan en haar team zich tot de robotassistentie die ze al in haar laboratorium had. Voordat de pandemie begon, richtte haar onderzoek zich op het darmmicrobioom, een studiegebied waarbij ook rioolwatermonsters worden onderzocht. Door dat systeem aan te passen, waren ze in staat om snel RNA uit de afvalwatermonsters te extraheren en een polymerasekettingreactie (PCR) uit te voeren om te zoeken naar kenmerkende genen van COVID-19.
In systemen die voorheen werden gebruikt voor afvalwaterbewaking, werden de watermonsters geconcentreerd met behulp van filtratie- of precipitatiemethoden, wat tijd en veel middelen kostte om tests uit te voeren.
In plaats daarvan gebruikt dit high-throughput-systeem magnetische kralen die bij voorkeur linken naar stukjes van het virus, legt Karthikeyan uit. De robotprocessor pakt vervolgens de kralen op met behulp van een magnetische kop en laat al het andere achter.
“Op deze manier selecteer je alleen op het virus en pak je niet alle rotzooi op”, zegt ze. "Het vergroot uw kansen om het virus te vinden, zelfs in een verdund systeem." De geconcentreerde monsters worden vervolgens getest op drie verschillende gentargets op het COVID-19-genoom met behulp van PCR-testen.
Wat is screening met hoge doorvoer?
High-throughput screening maakt gebruik van geautomatiseerde apparatuur om snel duizenden tot miljoenen monsters te testen op biologische activiteit op organisme, cellulair, pathway of moleculair niveau.
Het verbeterde systeem verhoogt de testsnelheid aanzienlijk.
"[Eerder] Ik kon niet meer dan 10 monsters per dag doen. Het kostte me uren om hetzelfde te doen, ”zegt Karthikeyan. "Hiermee kunnen we 120 monsters nemen in 4,5 uur, vanaf de ontvangst van het monster tot de daadwerkelijke PCR-detectie."
Dit proces heeft als bijkomend voordeel dat het goedkoper is, omdat er minder middelen en minder mensen nodig zijn om de tests uit te voeren, voegt ze eraan toe. De tests kunnen worden uitgevoerd op afvalwatermonsters met een volume van slechts 10 milliliter.
De nauwkeurigheid van de resultaten met deze methode is ook hoog. Dankzij snelle tests kunnen de onderzoekers voorspellen wat er zal gebeuren met de verspreiding van COVID-19 een week van tevoren met een goede nauwkeurigheid en drie weken van tevoren met een redelijke nauwkeurigheid, volgens een verklaring van de UCSD School of Medicine.
Wat dit voor u betekent
Afvalwatersurveillance voor COVID-19 is een herinnering dat het virus zich kan verspreiden, zelfs als mensen geen symptomen ervaren. Het is belangrijk om de nodige veiligheidsmaatregelen te blijven nemen, zoals het dragen van een masker, sociale afstand nemen en uw handen wassen om uzelf en uw gemeenschap te beschermen.
Een succesverhaal
Het testen van afvalwater van slaapzalen en andere gebouwen bij UCSD is aan de gang sinds juli 2020. Een team onder leiding van Rob Knight, PhD, professor en directeur van het Center for Microbiome Innovation bij UCSD, ontdekte de techniek.
Een maand nadat de school begon met het controleren van afvalwater, ontdekten ze een positief asymptomatisch geval en kon de universiteit waarschuwingen sturen naar mensen in de getroffen gebouwen. Dit vergemakkelijkte het gericht testen van individuen in een bepaald gebied in plaats van te proberen iedereen op de campus te testen. De screeningsresultaten zijn nu beschikbaar op een openbaar dashboard.
Andere universiteiten, zoals de Universiteit van Arizona, gebruiken afvalwatertesten om de verspreiding van COVID-19 te volgen. New York City controleert zelfs COVID-19 in monsters van zijn 14 afvalwaterzuiveringsinstallaties.
Met het UCSD-systeem kunnen snel meer watermonsters worden getest, waardoor volksgezondheidsfunctionarissen de verspreiding van het virus kunnen bekijken voordat mensen klinisch ziek worden. "Ik denk niet dat iemand het op deze schaal doet", zegt Karthikeyan.
Het systeem dat bij UCSD wordt gebruikt, kan zelfs maar één geval van COVID-19 detecteren in een gebouw met meer dan 400 inwoners. In een jonge populatie, zoals de studentenorganisatie van UCSD, zijn geïnfecteerde mensen vaak asymptomatisch, maar verspreiden ze nog steeds het virus, zegt Karthikeyan. Tegen de tijd dat een asymptomatische drager symptomatisch wordt of het virus verspreidt naar iemand die symptomen van infectie vertoont, kan het virus zich exponentieel hebben verspreid.
Karthikeyan en haar collega's testen momenteel afvalwatermonsters voor San Diego County. De afvalwaterzuiveringsinstallatie in Point Loma verwerkt rioolwater voor meer dan 2,2 miljoen mensen, waardoor monsters op één locatie kunnen worden verzameld voor het hele verzorgingsgebied. Het is moeilijk en duur om testen op het virus op de hele bevolking uit te voeren, maar door afvalwatertesten als bewakingstechniek te gebruiken, kunnen volksgezondheidsfunctionarissen de gebieden beperken waar testen cruciaal zijn.
San Diego County wil dat het UCSD-team niet alleen het virus detecteert, maar ook het virusgenoom sequenteert om te zien welke varianten van het virus mogelijk circuleren, zegt Karthikeyan. "Nu gaan we genoomsequencing op grote schaal uitvoeren", voegt ze eraan toe.
Dit type afvalwatersurveillance kan worden aangepast om toezicht uit te oefenen op elk virus dat wordt uitgescheiden in de ontlasting, zegt Karthikeyan, eraan toevoegend dat het kan worden gebruikt bij vele soorten epidemieën van infectieziekten en kan helpen toekomstige pandemieën eerder op te sporen.
