Як каналізація допомагає виявляти спалахи хвороб і запобігати їхньому поширенню

Коли Варіш Ахмед починав свою кар’єру мікробіолога, він не міг уявити, що одним з найважливіших його занять буде фільтрування літрів неочищених стічних вод, зібраних із труб штату Квінсленд в Австралії.

"Робота зі стічними водами навряд чи буде улюбленим заняттям для більшості, - каже Ахмед, головний науковий співробітник Науково-промислової дослідницької організації Співдружності (CSIRO) з охорони довкілля в місті Брисбен. - Але я вважаю її важливим способом дізнатися про здоров’я громади. Це як пошук рідкого золота".

Моніторинг стічних вод вже давно використовують як важливий спосіб відстеження низки смертельних патогенів, таких як поліовірус, Vibrio cholerae - бактерії, що викликають холеру, і Salmonella typhi - бактерії, що викликають черевний тиф. Усі вони поширюються через погану санітарію.

Але нещодавно, особливо після пандемії Covid-19, органи охорони здоров’я в усьому світі почали усвідомлювати, що дослідження матеріалів, присутніх у стічних водах, можна використовувати для спостереження за значно більшою кількістю інфекційних захворювань у режимі реального часу.

Проєкт, який Ахмед зі своєю командою організував у співпраці з Університетом Квінсленду, досліджував рівні різних респіраторних патогенів, таких як грип, SARS-CoV-2, який викликає Covid-19, і RSV або респіраторно-синцитіальний вірус.

Усі ці мікроорганізми виділяються через кишківник інфікованих людей і потрапляють у стічні води, що збираються з усього штату. RSV представляє особливий інтерес через високу смертність, яку він викликає серед людей похилого віку, особливо тих, хто вже має захворювання серця та легенів.

Дослідників цікавить не просто наявність конкретного збудника, а його концентрація.

"Концентрація дуже важлива для відстеження зростання чи зниження захворюваності, - каже Ахмед. - Підвищені концентрації вірусних частинок можуть свідчити про посилене вивільнення вірусу в суспільстві".

Коли ця інформація надходить до відділів охорони здоров’я в регіоні, вона стає ключовим механізмом раннього попередження про різке зростання поширеності певного інфекційного захворювання. І тепер нові технологічні платформи роблять збір даних ще ефективнішим.

Традиційно спостереження за стічними водами включало неприємну та небезпечну роботу зі збору проб вручну. Але в Квінсленді кожна каналізаційна труба тепер оснащена автоматичним пробовідбірником, який збирає проби щогодини протягом доби.

Потім їх змішують, щоб отримати суміш, яку можна проаналізувати за допомогою ПЛР-тестів – молекулярного методу, який можна використовувати для ідентифікації фрагментів генетичного матеріалу.

У США Центри з контролю та профілактики захворювань організували національну систему нагляду за стічними водами для регулярного тестування на різноманітні патогени, зокрема мавпячу віспу, з використанням технології, яку надала компанія Verily, що належить Alphabet.

Інші стартапи, як-от Biobot, який започаткували у Массачусетському технологічному інституті, прагнуть розширити спостереження за стічними водами в усьому світі за допомогою платформи, яка може не лише виявляти респіраторні віруси в стічних водах, а й захворювання, які поширюються через шлунково-кишковий тракт, такі як норовірус, а також побічні продукти метаболізму наркотиків, таких як кокаїн, фентаніл, метамфетамін і нікотин.

"За допомогою стічних вод можна забезпечити спостереження за містами-мільйонниками, використовуючи зразки лише із кількох місць", - каже Джошуа Леві зі Scripps Research, некомерційного біомедичного інституту в Сан-Дієго.

"Потрібна набагато менша кількість зразків, щоб охарактеризувати місцеву динаміку патогенів, у порівнянні з дорогими та великими об’ємами мазків з носа або заборів крові, які часто досить серйозно залежать від тяжкості захворювання. Натомість у стічних водах можна виявити навіть безсимптомні інфекції".

Покращення охорони здоров'я у країнах з низьким рівнем доходу

Хоча спостереження за стічними водами широко використовують у США, Австралії та Великій Британії, де відбір проб стічних вод використовують для виявлення районів країни з вищим ризиком захворювання на поліомієліт, найбільше значення цей метод, імовірно, матиме у боротьбі зі спалахами захворювання у країнах з низьким рівнем доходу.

Представники PolioPlus, глобальної ініціативи Rotary International з викорінення поліомієліту, зазначають, що хоча захворюваність на поліомієліт зменшилася на 99,9% за останні 35 років, вона залишається основною проблемою сектору охорони здоров'я в Пакистані та Афганістані, де поліовірус є ендемічним.

"У Пакистані є 114 пунктів спостереження за стічними водами, а в Афганістані - 33, - каже Керол Пандак, директорка PolioPlus. - Без такого спостереження було б неможливо точно визначити, де і як досі циркулює поліовірус".

Моніторинг стічних вод також виявився життєво важливим інструментом з іншого боку земної кулі - для муніципального уряду Сан-Паулу в його постійній боротьбі з вірусом гепатиту А (ВГА), інфекцією, яка викликає запалення печінки та іноді вимагає її трансплантації.

За останні роки в Сан-Паулу було два великі спалахи ВГА з 2016 по 2023 рік зафіксували 1872 підтверджених випадків захворювання. За словами Тетяни Прадо, вірусологині Oswaldo Cruz Foundation, науково-дослідного інституту в Ріо-де-Жанейро, місто запровадило постійний моніторинг стічних вод у деяких аеропортах і зонах ризику для виявлення нових спалахів ВГА, а також інших вірусів і бактерій. Вона передбачає, що нові технології будуть лише покращувати інформацію, яку надають ці програми.

"З’являються нові діагностичні інструменти, які зможуть генерувати мільйони одиниць даних про різні типи мікроорганізмів, що циркулюють у певному середовищі", - каже Прадо.

Вчасне попередження

Оскільки подібні програми вже випробували в деяких частинах Африки на південь від Сахари для боротьби з туберкульозом і навіть такими паразитами, як Cryptosporidium, причиною діарейних захворювань, спостереження за стічними водами, безсумнівно, відіграватиме дедалі більшу роль у наданні інформації глобальним системам охорони здоров’я про всі види тривожних патогенів.

Дослідники сподіваються, що найближчими роками спостереження в режимі реального часу почне давати нову інформацію про еволюцію багатьох поширених вірусів, що дозволить їм передбачити, чи можуть вони уникати імунітету, отриманого за допомогою вакцини. Потім таку інформацію можна буде швидко передати виробникам вакцин, що дасть їм змогу оновити свої вакцини до того, як новий патоген стане більш поширеним у суспільстві.

"Деякі дослідження показали, що невиявлена циркуляція та еволюція звичних вірусів є набагато більш поширеними явищами, ніж вважали раніше, - каже Леві. - Продовжується робота над тим, щоб зрозуміти значення цього у ключових питаннях вірусології, таких як поява варіантів, що викликають занепокоєння".

"Було доведено, що можна виявити наявність нових вірусних варіантів у стічних водах на 10 або більше днів раніше, ніж за допомогою інших форм моніторингу, що дає чиновникам у сфері охорони здоров'я цінний час для розробки інструкцій, а представникам громадськості - для того, щоб у разі необхідності змінити свою поведінку", - додає він.

Подібну інформацію також можна використовувати у виробництві антибіотиків, щоб вони продовжували бути ефективними в майбутньому - досліджуючи зразки стічних вод на наявність генів резистентності, тобто сегментів ДНК, які дають бактеріям здатність виживати після лікування певними антибіотиками.

Емі Пруден, професорка Технічного університету Вірджинії, каже, що такий вид моніторингу може допомогти визначити громади, які мають більшу проблему з резистентністю, попереджаючи лікарів про потенційні інфекції, які поширюються серед населення, і надаючи їм більше інформації, щоб вони могли призначати найефективніший антибіотик.

"Набирає популярності ідея використання метагеномного секвенування ДНК, - каже Пруден. - Принадність цього підходу полягає в тому, що він дає змогу секвенувати ДНК усіх бактерій у стічних водах одночасно, а потім порівняти її з базами даних і побачити, які типи патогенів, ймовірно, присутні, і які типи резистентних генів вони, ймовірно, несуть".

"Тут є великий потенціал, але він все ще перебуває на стадії зародження", - додає вона.

Головна ж надія полягає в тому, що такий моніторинг зможе також виявляти спалахи майбутніх епідемій або навіть пандемій на найбільш ранніх стадіях, що надасть урядам можливість реагувати та спрямовувати зусилля на розробку вакцин і ліків набагато швидше, ніж раніше.

Надалі команда Ахмеда та інші вчені в усьому світі вивчатимуть можливість аналізу вмісту вірусів у стічних водах літаків, щоб відстежувати потенційні нові варіанти грипу та Covid і, можливо, навіть нові віруси, які передаються з інших частин світу.

"Надзвичайно важливо підготувати необхідні інструменти до появи наступного серйозного вірусу, щоб ми могли ефективно з ним боротися", - каже Ахмед.