La surveillance des eaux usées révèle des agents pathogènes dans la population de Détroit, aidant ainsi à surveiller et à prévoir les épidémies

La surveillance des eaux usées a connu un grand succès au plus fort de la pandémie de COVID-19, lorsque les autorités ont commencé à utiliser cette technique pour surveiller les niveaux locaux de virus. Mais mes collègues et moi avions exploré la promesse des eaux usées en tant qu'outil de santé publique des années avant que quiconque ait entendu parler du SRAS-CoV-2.

Mon laboratoire de virologie environnementale

basée à la Michigan State University, est en partenariat avec la ville de Detroit et la Great Lakes Water Authority depuis 2017, lorsque nous avons commencé à tester les eaux usées municipales des comtés de Wayne, Oakland et Macomb pour enquêter sur les maladies virales dans la communauté du Grand Detroit.

Imaginez que vous souhaitiez identifier une maladie infectieuse émergente potentielle dans une zone urbaine avant qu’elle ne se transforme en épidémie. Pourriez-vous collecter régulièrement des échantillons cliniques auprès de tous les membres de la communauté et les tester tous pour détecter tous les virus possibles ? Non, c'est une tâche impossible.

Au lieu de cela, nous avons collecté les eaux usées municipales, en tant qu'échantillon composite représentatif de la communauté, et les avons testées avec des méthodes moléculaires avancées pour révéler les maladies endémiques et émergentes liées aux virus circulant dans la région. Nous avons identifié des génomes viraux liés à de multiples maladies gastro-intestinales, respiratoires, transmissibles par le sang et vectorielles excrétées par la population. Nous avons identifié des herpèsvirus, y compris des espèces rares, et nous avons identifié des pics d'épidémie d'hépatite A grâce à l'analyse des eaux usées qui sont apparus avant les pics dans les échantillons cliniques.

Le projet en cours à Détroit s'est orienté vers la surveillance du SRAS-CoV-2 en 2020. Notre équipe, qui s'est ensuite élargie pour inclure les services de santé locaux, des ingénieurs en exercice et le ministère de la Santé et des Services sociaux du Michigan, a pu identifier les pics de COVID-19 dans la population de la métropole de Détroit cinq semaines avant que la poussée du variant delta ne soit visible dans les données positives des tests COVID.

Notre équipe continue d’élargir et d’améliorer notre méthodologie pour détecter la présence de maladies transmissibles endémiques et émergentes circulant dans la population de la région métropolitaine de Détroit et pour prédire quand et où les poussées se produiront.

Données cachées dans ce qui finit dans les égouts

Les eaux usées sont un mélange qui contient tout ce qui s'écoule dans les égouts des toilettes, de la douche, de la lessive, du lave-vaisselle ou de l'évier. Dans la plupart des villes, les eaux pluviales et les eaux utilisées dans les processus industriels finissent également dans les eaux usées.

Les eaux usées municipales contiennent des virus et d’autres agents pathogènes excrétés par toute personne infectée, même aux premiers stades avant l’apparition des symptômes.

Ces micro-organismes sont dilués dans une grande quantité d’eau et mélangés au savon, aux produits de soins personnels, aux eaux de ruissellement des routes et à de nombreux autres produits chimiques et impuretés. La goutte de sang ou de salive qu’une clinique testerait pour détecter les agents infectieux est beaucoup plus concentrée et beaucoup moins contaminée par d’autres molécules.

Rechercher des virus humains émergents dans les eaux usées, c’est comme essayer de trouver une aiguille dans une botte de foin. Nous concentrons et isolons les virus dans les échantillons d’eaux usées. Nous extrayons ensuite tout ADN ou ARN présent dans les échantillons et l'analysons à l'aide de méthodes moléculaires telles que la PCR et le séquençage de nouvelle génération, à la recherche de gènes liés aux virus. Ces codes génétiques indiquent quelles infections virales sont présentes dans la population qui a produit les eaux usées.

Au-delà de la confirmation de la présence d'un pathogène

C'est une chose d'identifier qu'un certain virus est présent dans une communauté. Mais il est plus délicat de déterminer comment un niveau particulier d'eaux usées se traduit par le nombre de personnes malades ou de comparer les niveaux d'infection entre les communautés. À quelle vitesse un afflux de personnes commencera-t-il à tomber malade une fois qu’un pic d’eaux usées sera repéré ?

Pour prédire le moment des pics d'épidémie, les scientifiques prennent en compte plusieurs variables, notamment la quantité de virus qu'un patient typique excrète, la durée pendant laquelle les personnes excrétent l'agent pathogène après l'infection, l'apparition et la durée des symptômes cliniques, et la durée pendant laquelle l'agent pathogène est présent dans les eaux usées. tuyaux. En utilisant tous ces facteurs, nous associons les lectures des eaux usées aux mesures de la maladie clinique.

En plus de modèles complexes qui prédisent les variations dans le temps et les pics de cas cliniques, nous avons développé des méthodes simples d’analyse des données qui peuvent être utilisées pour la prise de décision par les responsables de la santé publique. Nous avons également suivi le décalage temporel entre les concentrations de SARS-CoV-2 dans les eaux usées et les paramètres cliniques.

Une étape importante consiste à relier une mesure virale particulière dans les eaux usées au nombre de personnes qui vivent dans la zone desservie par ce système d'égouts. Nous utilisons des molécules produites par le corps humain pour calculer le nombre de personnes dont les eaux usées alimentent notre échantillon. Par exemple, en utilisant des métabolites tels que la créatine, le 5-HIAA et la xanthine, nous avons calculé les tendances de la COVID-19 par habitant en reliant leurs niveaux aux niveaux viraux. Ce processus permet des comparaisons entre les communautés.

Dépistage de la prochaine épidémie

En fin de compte, les responsables de la santé publique veulent anticiper toute épidémie imminente. À cette fin, notre équipe a développé un système de classement permettant de prioriser les maladies à déclaration obligatoire sur lesquelles la future surveillance des eaux usées devrait se concentrer.

Les cliniciens sont légalement tenus de signaler des dizaines de maladies, allant de la varicelle et du COVID-19 à la méningite et à la rougeole, au service de santé lorsqu'elles sont diagnostiquées. Le suivi de ces maladies à déclaration obligatoire permet aux autorités de compter et d'enregistrer les cas et les tendances.

Notre système de classement est l'un des premiers du genre. Nous utilisons 12 facteurs, notamment les tendances cliniques dans des zones géographiques spécifiques et la connaissance du degré de contagiosité de certains germes. Le fait de savoir quelles maladies transmissibles se propagent dans une communauté donnée permet aux autorités de prioriser les ressources et les efforts pour surveiller et prévenir leur propagation.

Dans la région de Détroit, par exemple, nous avons constaté que certaines maladies, notamment certaines infections sexuellement transmissibles, occupaient un rang plus élevé que dans l'État du Michigan dans son ensemble. Il est logique d’allouer des ressources pour y remédier de manière ciblée.

Nous avons également développé un protocole de séquençage et de bioinformatique, un processus étape par étape qui permet de détecter les séquences virales potentielles susceptibles de circuler dans la communauté. C'est un moyen d'élargir la surveillance au-delà des maladies habituelles que les prestataires médicaux doivent signaler aux autorités lorsqu'elles sont diagnostiquées. Cet outil peut fournir une alerte précoce aux autorités si quelque chose de nouveau ou d'inattendu apparaît dans les eaux usées.

Solidifier la science de la surveillance des eaux usées

La surveillance des eaux usées s'est révélée être un outil épidémiologique. Mais même si l’épidémiologie basée sur les eaux usées a fait des progrès significatifs en termes de technologie, de méthodes et d’applications, il reste encore beaucoup à faire pour intégrer les multiples efforts déployés à travers le pays. Pour une prévision précise des épidémies, les bases de données de surveillance des eaux usées doivent être intégrées aux données cliniques, aux informations comportementales, sociales et démographiques, ainsi qu'aux données indiquant la mobilité de la population. Des partenariats étroits avec les services de santé locaux sont essentiels, car ce sont les épidémiologistes locaux qui utiliseront les efforts de surveillance pour prendre des décisions.