Nová analytická metoda odpadních vod dokáže odhalit koronavirus se čtrnáctidenním předstihem

vakinfocz

Pražské vodovody a kanalizace ve spolupráci s VŠCHT Praha vyvinuly unikátní metodu, která odhalí nákazu koronavirem výrazně dříve než pomocí klinických testů. Nová analytická metoda je založená na stanovení obsahu RNA viru SARS-CoV-2 v  odpadních vodách. Ve většině případů totiž lidé začínají virus vylučovat ve stolici několik dní předtím, než se u  nich nákaza projeví. Nová metoda je navíc zcela nezávislá na ochotě nakažených podstoupit klinické testování, je výrazně levnější a umožňuje sledovat také šíření nových mutací.

„Výsledky projektu předčily naše očekávání. Chtěl bych poděkovat celému týmu, který devět měsíců pečlivě monitoroval nejen odpadní vody, ale také studoval mezinárodní studie publikované k  tomuto tématu. Věřím, že projekt může významně pomoci v boji s pandemií nejen v hlavním městě, ale po celé České republice.“ 

Petr Mrkos, generální ředitel Pražských vodovodů a kanalizací

Od července 2020 probíhá pilotní monitoring ve 14 lokalitách s  důrazem na sídliště, vilovou zástavbu, centrum Prahy, VŠ koleje i další důležité objekty, jako jsou Letiště Václava Havla, nemocnice, obchodní centrum atd. 

„V současné době je monitoring rozšířen i o další důležitá odběrová místa stokové sítě a  odběr vzorků probíhá častěji, a to dvakrát až třikrát týdně.“ 

Petr Sýkora, technický ředitel Pražských vodovodů a kanalizací

Z  klinických dat vyplývá, že minimálně 45 % pacientů s nemocí covid-19 vylučuje ve stolici RNA viru SARS-CoV-2, a  to i  v  případě, že netrpí průjmovými obtížemi, popř. nevykazují vůbec symptomy onemocnění covid-19. Vzhledem k  tomu, že podstatná část pacientů vyhledává lékařskou pomoc až při propuknutí závažnějších syndromů nemoci, mohou data získaná z odpadních vod indikovat vývoj epidemie až s dvoutýdenním předstihem oproti klinickým datům, a to i přesto, že pacienti s covidem-19 vylučují virovou RNA ve stolici poněkud později, než je detekovatelná v  horních cestách dýchacích.

Vypovídající hodnotu dat získaných z  odpadních vod částečně problematizuje fakt, že specifické množství virové RNA produkované jednotlivými pacienty se může lišit až o  několik řádů. Jednotná také není doba, po kterou lze SARS-CoV-2 detekovat ve stolici. Ta se typicky pohybuje mezi 14 a 21 dny, ale může i  přesahovat 30 dní. I  přesto bylo publikováno mnoho studií ukazujících na vysokou epidemiologickou hodnotu dat z odpadních vod a výsledky pražského monitoringu to potvrzují.

„Výsledky ukazují, že především v  obytných oblastech data z  odpadních vod velmi dobře korelují s  epidemickou situací. V  řadě případů byly nárůsty počtů kopií virové RNA pozorovány s  předstihem jedna až dva týdny oproti datům z  klinických testů. V tomto případě jsou zatím známá pouze data ze zahraničí, v  ČR se dosud takové testování neprovádí, ale metodiku lze o toto sledování snadno rozšířit.“

docent Jan Bartáček, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze

Sledování přítomnosti viru SARS-CoV-2 v  odpadních vodách vkládá velké úsilí řada vyspělých zemí. Průkopníkem je Nizozemsko, kde je v  současnosti centrálně organizován monitoring přítomnosti viru v  odpadních vodách ve více než 300 městských čistírnách odpadních vod. Rozsáhlé studie publikovaly i  instituce ve Spojených státech amerických nebo ve Velké Británii.

Pomocí nové metody lze získat objektivní data o  vývoji epidemie, v  době ustupující epidemie s  předstihem odhalovat nová ohniska, identifikovat rizikové zóny a  sledovat zasažení významných objektů, jako jsou nemocnice, budovy veřejné správy atd. Nabízí se také využití pro sledování šíření nových mutací viru.

Metodika pro kvantitativní stanovení kopií virové RNA v odpadních vodách metodou PCR byla financována z grantu, který PVK a VŠCHT získaly v  květnu roku 2020 jako rozšíření projektu podpořeného Technologickou agenturou ČR. Výsledky devítiměsíčního monitoringu budou nyní diskutovány s Hlavní hygienickou stanicí hlavního města Prahy a Státním zdravotním ústavem.

Doc. Ing. Jan Bartáček Ph.D. je řešitelem několika prestižních mezinárodních grantů. Zabývá různými procesy recyklace zdrojů z odpaní vody. Jedná se o energeticky pozitivní nebo úsporné procesy (anaerobní fermentace, bioflokulace, nitritace-anammox), recyklaci šedých vod, recyklaci dusíku ve formě N2O, popř. produkci specifických organických látek (ladderány, metanol). Od roku  Od roku 2010 se intenzivně věnuje odstraňování sulfanu z bioplynu pomocí mikroaerace, a to z pohledu technologie, detailního studia mikrobiálního společenství i s využitím matematického modelování. Dále se zabývá studiem vlivu stopových kovů (mikronutrientů) na anaerobní fermentaci v prostředí granulovaného biofilmu a transportem kovů v anaerobním biofilmu.

Docent Bartáček upozorňuje, že data, která získal jeho tým v rámci pilotního monitoringu v Praze a okolí, jsou jen předběžná. Rozsah vzorkování zatím není dostatečný pro kvalitní epidemiologický výzkum, který by mohl být využitý pro řízení epidemiologických opatření na území konkrétních měst, případně celé České republiky. Proto v současné době hledá podporu pro mnohem rozsáhlejší monitoring a častější vzorkování na více lokalitách.

Metodika pro kvantitativní stanovení kopií virové RNA

VŠCHT Praha ve spolupráci s Pražskými vodovody a kanalizacemi (PVK a.s.) získaly v květnu roku 2020 financování na pilotní výzkum výskytu viru SARS-CoV-2 v odpadní vodě na různých místech pražské stokové sítě (jako rozšíření grantu SS01020112 poskytnutého agenturou TA ČR). V rámci tohoto projektu byla vyvinuta kompletní metodika pro kvantitativní stanovení kopií virové RNA (cílové geny S a N1) v odpadních vodách na základě RT-qPCR (reverzní transkripce – kvantitativní polymerázová řetězová reakce).

Z klinických dat vyplývá, že minimálně 45 % pacientů s nemocí COVID-19 vylučuje ve stolici RNA viru SARS-CoV-2 a to i v případě, že netrpí průjmovými obtížemi, popř. nevykazují vůbec symptomy onemocnění COVID-19 3-5. Některé studie uvádějí i vyšší zastoupení těchto pacientů, např. Chan, et al. 6 uvádí 66 % a Papoutsis, et al. 7 dokonce 100 %. Vzhledem k tomu, že podstatná část pacientů vyhledává lékařskou pomoc až při propuknutí závažnějších syndromů nemoci, mohou data získaná z odpadních vod indikovat vývoj epidemie až s dvoutýdenním předstihem oproti klinickým datům 1,8 a to i přesto, že pacienti s COVID-19 vylučují virovou RNA ve stolici poněkud později než je detekovatelná v horních cestách dýchacích 3.

Vypovídací hodnotu dat získaných z odpadních vod částečně problematizuje fakt, že specifické množství virové RNA produkované jednotlivými pacienty se může lišit až o několik řádů 5,9. Jednotná také není doba, po kterou lze SARS-CoV-2 detekovat ve stolici. Ta se typicky pohybuje mezi 14 a 21 dny 5, ale může i přesahovat 30 dní 3. I přesto bylo publikováno mnoho data ukazujících vysokou epidemiologickou hodnotu dat z odpadních vod 10-14.

V  České republice bylo dosud zveřejněno velmi málo dat o přítomnosti SARS-CoV-2 v odpadních vodách. Hlavní aktivitou v této oblasti je společný projekt Výzkumného ústavu vodohospodářského T. G. Masaryka (VÚV TGM), Výzkumného ústavu veterinárního lékařství (VÚVeL), sdružení SOVAK a Státního zdravotního ústavu (SZÚ), který sledoval přítomnost viru v nátocích 33 českých čistíren odpadních vod 16. Data publikovaná z tohoto výzkumu zahrnují letní období roku 2020. V té době nebyl výskyt onemocnění COVID-19 tak vysoký jako na jaře 2021 a metodika byla stále ve vývoji, a tak dosažené výsledky nemají stejnou vypovídající hodnotu jako výsledky naměřené v poslední době. Současný výzkum zmíněného konsorcia probíhá pouze v omezené míře.

Literatura:

  1. Melvin, R. G., Chaudhry, N., Georgewill, O., Freese, R. & Simmons, G. E. Predictive power of SARS-CoV-2 wastewater surveillance for diverse populations across a large geographical range. medRxiv, doi:10.1101/2021.01.23.21250376 (2021).
  2. Wu, F. Q. et al. SARS-CoV-2 Titers in Wastewater Are Higher than Expected from Clinically Confirmed Cases. mSystems 5, 9, doi:10.1128/mSystems.00614-20 (2020).
  3. Wu, Y. et al. Prolonged presence of SARS-CoV-2 viral RNA in faecal samples. The Lancet Gastroenterology & Hepatology 5, 434-435, doi:10.1016/s2468-1253(20)30083-2 (2020).
  4. Cheung, K. S. et al. Gastrointestinal Manifestations of SARS-CoV-2 Infection and Virus Load in Fecal Samples From a Hong Kong Cohort: Systematic Review and Meta-analysis. Gastroenterology 159, 81-95, doi:10.1053/j.gastro.2020.03.065 (2020).
  5. Hong, P. Y. et al. Estimating the minimum number of SARS-CoV-2 infected cases needed to detect viral RNA in wastewater: To what extent of the outbreak can surveillance of wastewater tell us? Environ. Res. 195, doi:10.1016/j.envres.2021.110748 (2021).
  6. Chan, V. W. et al. A systematic review on COVID-19: urological manifestations, viral RNA detection and special considerations in urological conditions. World J Urol, doi:10.1007/s00345-020-03246-4 (2020).
  7. Papoutsis, A. et al. Detection of SARS-CoV-2 from patient fecal samples by whole genome sequencing. Gut Pathogens 13, doi:10.1186/s13099-021-00398-5 (2021).
  8. Medema, G., Heijnen, L., Elsinga, G., Italiaander, R. & Brouwer, A. Presence of SARS-Coronavirus-2 RNA in Sewage and Correlation with Reported COVID-19 Prevalence in the Early Stage of the Epidemic in The Netherlands. Environ. Sci. Technol. Lett. 7, 511-516, doi:10.1021/acs.estlett.0c00357 (2020).
  9. Wölfel, R. et al. Virological assessment of hospitalized patients with COVID-2019. Nature 581, 465-469, doi:10.1038/s41586-020-2196-x (2020).
  10. Aguiar-Oliveira, M. D. et al. Wastewater-Based Epidemiology (WBE) and Viral Detection in Polluted Surface Water: A Valuable Tool for COVID-19 Surveillance-A Brief Review. Int. J. Environ. Res. Public Health 17, 19, doi:10.3390/ijerph17249251 (2020).
  11. Ahmed, W. et al. SARS-CoV-2 RNA monitoring in wastewater as a potential early warning system for COVID-19 transmission in the community: A temporal case study. Science of the Total Environment 761, 9, doi:10.1016/j.scitotenv.2020.144216 (2021).
  12. Arora, S. et al. Sewage surveillance for the presence of SARS-CoV-2 genome as a useful wastewater based epidemiology (WBE) tracking tool in India. Water Sci. Technol. 82, 2823-2836, doi:10.2166/wst.2020.540 (2020).
  13. Collivignarelli, M. C. et al. SARS-CoV-2 in sewer systems and connected facilities. Process Saf. Environ. Prot. 143, 196-203, doi:10.1016/j.psep.2020.06.049 (2020).
  14. D’Aoust, P. M. et al. Quantitative analysis of SARS-CoV-2 RNA from wastewater solids in communities with low COVID-19 incidence and prevalence. Water Res. 188, 13, doi:10.1016/j.watres.2020.116560 (2021).
  15. Wade, M. et al. Wastewater COVID-19 Monitoring in the UK: Summary for SAGE – 19/11/20. (Joint Biosecurity Centre 2020).
  16. Mlejnkova, H. et al. Preliminary Study of Sars-Cov-2 Occurrence in Wastewater in the Czech Republic. Int. J. Environ. Res. Public Health 17, 9, doi:10.3390/ijerph17155508 (2020).

Zdroj: Pražské vodovody a kanalizace, a.s. 
Foto: VŠCHT, archiv redakce
Ilustrační foto: Dmitriy Suponnikov, Unsplash.com

Související články