纽约——几十年来，基于废水的流行病学(简称WBE)一直是一个资金匮乏的领域。冠状病毒大流行表明了监测整个人群的潜在好处，现在美国投入了数百万美元用于建设废水检测基础设施，其中包括美国疾病控制和预防中心的一个新项目。
尽管SARS-CoV-2大流行可能正在演变成一种地方病，但对概念验证研究和创建WBE基础设施的投资可能会带来其他公共卫生红利，因为一些专家说，这些项目可以扩展到其他病原体，并预示着传染病预防的新时代。
WBE是下水道和实验室的不同寻常的结合，结合了环境测试、公共卫生和城市工程等不同领域。WBE传统上专注于分析化学分析，但随着国际脊髓灰质炎病毒监测作为一种概念证明，在SARS-CoV-2大流行开始时，WBE开始引入更多基于微生物学和基因组学的监测。
大流行的刺激了在发现感染者在粪便中释放SARS-CoV-2病毒RNA，并且使用标准的RT-qPCR方法可以在废水中检测到RNA片段后，基于基因组学的WBE呈指数级增长。
十年前，用于WBE研究的资金最少。亚利桑那州立大学的WBE研究员Rolf Halden说:“基本上什么都没有。”
哈尔登在最近的一次采访中说，现在，仅在2021年，联邦政府就将花费超过1亿美元。
这种显著的增长尤其不同寻常，因为WBE结合了如此多不同的学科，它从未完全符合任何资助组织的使命。Halden推测，先前资助机构对WBE的长期不感兴趣可能源于科学评论中的保守结构，根深蒂固的专家倾向于资助他们最了解的研究领域，并对其他方法持怀疑态度。
“基于废水的流行病学没有家，它在联邦拨款机构中没有宣传，”哈尔登说。而且，公平地说，“它会受到很多批评，因为它不是最准确的科学，”他补充说。
事实上，WBE固有的不确定性与无法精确地确定废水样本的来源和时间有关。
废水研究的解释也是具有挑战性的，因为基本上没有对照组。哈尔登说:“任何受过医学训练的人都不喜欢这种类型的科学，他们会找到一百个理由来解释为什么不应该在这方面花钱。”
他补充说:“这是它的历史，直到它通过COVID证明它可以做非常有用的事情。”
当大流行在2020年初开始时，Halden和他在亚利桑那州立大学的团队最近调整了一个WBE仪表板，用于监测tempe地区的阿片类废水，包括流感检测。
他们很快就以SARS-CoV-2检测为中心，成立了一家公司，AquaVitas为全国各地的市政当局做WBE合同。另一家服务提供商、总部位于波士顿的BioBot也从阿片类药物监测扩展到SARS-CoV-2检测。
除了私营公司，全国各地学术机构的水科学家也走到了一起。尽管这些研究小组经常在进行监测研究的同时制定方案，但大量研究现在令人信服地证明，可以在污水中检测到SARS-CoV-2病毒RNA，并可以预测长达两周的疫情爆发。
过去一年，其他一些联邦机构也加大了对WBE的投资。例如，美国环境保护署与疾病预防控制中心合作，在俄亥俄州率先开展了废水监测项目。这个项目已经产生了一个公众指示板显示病毒检测的每周趋势。
在大流行之前，美国国立卫生研究院资助了一些废水流行病学项目，旨在检测滥用药物，每年投入数十万美元。
目前，美国国立卫生研究院为WBE提供的资金高达1200万美元，主要通过快速加速诊断- radical (RADx-rad)项目的废水检测联盟分配。
其中一个获奖者是纽约市威尔康奈尔医学院、迈阿密大学和威斯康辛州拉辛市之间的合作项目，该项目获得了270万美元的奖励，用于一个为期一年的WBE方法优化项目。
“从历史上看，整个(WBE)领域一直资金不足，所以相对于零，这是一个无限的资金增长，”该项目的调查员、康奈尔大学的克里斯·梅森(Chris Mason)解释说。废水基因组学“一直被视为一个用途不明确的抽象企业，”他说。
但就冠状病毒而言，他指出，在疫情爆发的早期阶段，污水中病毒RNA的存在是“一个更相关的分子晴雨表”，部分原因是它能检测到没有症状的人释放的病原体。
该团队正在使用环介导等温扩增，如最近的一篇文章所述研究作为污水收集点的前期技术，梅森说。vwin德赢ac米兰合作他说:“我们正在进行快速核酸检测，看看是否存在病毒，然后进行额外的测序和分析。”梅森和他的团队也一直在利用废水进行病毒发现，例如，通过测序发现了1.1万个新病毒。
其他值得注意的RADx奖项包括820万美元Ceres纳米科学利用该公司的纳米阱粒子技术开发并扩展废水监测系统。vwin德赢ac米兰合作
梅森说，总的来说，“大量的资金涌入了研究人员、临床医生和流行病学家的社区”，他看到了WBE在未来成为传染病预防中根深蒂固的一部分的潜力。
他说:“没有人会再三考虑建立气象学基础设施。”“我们应该有一个基因天气图，这样我们就可以看到病原体和突变的趋势。”
梅森说，在这种情况下，每周采样几次可以在疫情成为问题之前就发现疫情，从而产生“数据驱动的封锁，而不是数据插值的封锁”。
小贩蜂拥而入
对于商业基因组学供应商来说，一个具有大量资金的全新应用空间可能转化为新的销售机会。
例如，Bio-Rad希望其液滴数字PCR技术在WBE中找到一席之地，部分原因是数字PCR (dPCR)方法对vwin德赢ac米兰合作PCR抑制剂具有相对抗性。
该公司认为废水检测是一个快速发展的市场，并预计这将成为一个价值1亿至2亿美元的机会。例如，在最近与投资者的一次电话会议上，Bio-Rad的高管表示，该公司看到美国和国际上的政府、大学和服务实验室都在接受该技术。
Bio-Rad是众多开发专用产品用于废水分子检测。
本周，Bio-Rad公司推出了一种名为患病率对于废水，该公司指出如下指导用于废水检测中的dPCR。该公司还强调，dPCR技术已经vwin德赢ac米兰合作描述作为一种可靠的方法来量化废水中的病毒。
Bio-Rad实验室数字生物集团全球产品营销总监卡罗琳·赖夫斯奈德(Carolyn Reifsnyder)在最近的一次采访中表示，除了对实验室进行有关这一新领域的教育外，该公司还一直在游说州和联邦政府，帮助引导更多资金用于WBE。
她说，例如，Bio-Rad游说美国参议院卫生委员会将废水包括在一项17.5亿美元的下一代测序变体监测法案中。该公司还帮助起草了一封信，以帮助一个名为COVID-19 WBE合作游说地方和州政府。
Bio-Rad还与各州州长举行了电话会议，帮助指定COVID-19资金用于废水检测。在某种程度上，这些资金的分配是由州官员自行决定的。例如，密歇根州将1000万美元的国际关怀基金用于飞行员赖夫斯奈德指出，这是一项通过环境、五大湖和能源部开展的废水测试计划。
对于这些努力，“技术是次要的;vwin德赢ac米兰合作第一件事是教育人们了解废水的力量，”Reifsnyder说。她说，在联邦决策者了解废水如何有助于开发早期预警系统之后，该公司就可以讨论“数字PCR是最好的技术”这一事实。vwin德赢ac米兰合作
Reifsnyder认为，qPCR可以用于监测高浓度的病毒，但dPCR的优势在于能够检测和量化流行率下降时可能出现的低浓度。
其他数字PCR供应商似乎也同意这一观点。试剂盒推出了例如，今年1月在其QiAcuity数字PCR平台上开发了用于从废水中检测SARS-CoV-2的专用试剂盒废水监测测定绝对的问数字PCR系统。
许多其他商业基因组学供应商现在也在向最终用户介绍与废水分析相关的产品，包括公共卫生和环境测试领域的用户。
例如，在本周举行的美国微生物学会世界微生物论坛上，赛默飞世尔科技公司举行了一次行业活动，强调其样品制备产品——即MagMax Microbiome Ultra Kit和KingFisher仪器——可用于废水中SARS-CoV-2的检测。
Thermo公司的科学家Madhu Jasti介绍了一个处理大量废水样品的工作流程，其中包括在Thermo公司的深井板中使用Invitrogen Dynabeads或Ceres纳米捕集珠。
Jasti展示的数据表明，同样的方案也可以用于检测废水中的其他病毒目标，如甲型流感病毒、诺如病毒和腺病毒。
也许令人惊讶的是，来自数百万个微生物组的基因组片段的抑制剂泥浆(废水样本)也从基于测序的分析中返回整洁的、可操作的数据。
在ASM会议上Illumina公司的一个活动中，苏黎世联邦理工学院的科学家Niko Beerenwinkel做了一个演讲，他描述了一种名为V-Pipe该方法已被用于在瑞士的35000个临床样本中检测令人担忧的变异。Beerenwinkel还强调了概念验证数据在800多个样本上显示，该工具可以用于跟踪废水中的病毒变体。
此外，Clear Labs首席执行官Sasan Amini向ASM成员介绍了该公司使用全自动全基因组测序仪器进行的基于测序的废水检测工作流程的数据，清晰的Dx．阿米尼在报告中说，这项试点研究检查了十几个废水样本，每毫升病毒检测到只有5个拷贝，高病毒载量也使变体谱系检测成为可能。
“新闻”来自疾控中心
将WBE的利益相关者聚集在一起，形成一个集成的系统将需要一些工作。
一个新建立的旨在促进WBE跨学科活动的站点是国家废水监测系统，或签署国在疾控中心。
该项目是食源性、水传播和环境疾病司的一部分，于去年9月正式成立，是该机构应对COVID-19的一部分。
到目前为止，该项目已经为利益相关者提供了数百万美元的资金，另外还有3200万美元将在8月份分发。
NWSS项目负责人艾米·柯比在最近的一次采访中表示，该团队的目标是帮助现有公共卫生部门建立WBE项目，并通过基于pcr的污水检测病毒核酸来收集关于SARS-CoV-2感染的社区趋势的信息。
Kirby说，虽然最初的重点是COVID-19，但该系统将成为一个嵌入CDC水传播疾病预防部门的长期疾病监测平台。
基于基因组学的WBE科学并不新鲜，脊髓灰质炎病毒监测在美国以外的地区是一个有充分记录的例子。但柯比说，WBE从未在美国以目前预想的规模使用，“当然也没有用于像COVID-19大流行这样快速传播的事情。”
她说，这在一定程度上是因为WBE是一个复杂的企业，需要在许多不同的利益相关者之间协调物流。
例如，水利基础设施和公用事业专家具有废水成分的专业知识，而实验室合作伙伴知道PCR检测方法，公共卫生专家专门研究流行病学。
柯比说:“我们疾控中心的职责是与所有这些合作伙伴接触，确保他们拥有所有可用的资源，并确保他们有效地合作，以便能够收集和使用这些数据。”与水务公司、实验室和参与WBE的卫生部门举行的特定利益攸关方会议是NWSS方法的一个例子。
柯比表示，在美国投资新的WBE监视基础设施是合理的，有几个主要因素。
例如，SARS-CoV-2 RNA脱落到废水中，提供了一个社区在出现严重临床症状之前总感染的早期信号。这种信号可以从可能没有重大疾病的非常年轻的人身上检测到，甚至可以从没有症状且不愿进行检测的成年人身上检测到。
Kirby说，废水中的病毒检测独立于寻求医疗保健的行为，这也意味着它不依赖于诊断测试能力或从临床系统收集的数据。
这种方法也快速有效:比较来自不同时间点的两个样本，可以提供数千人的感染趋势信息。而且，它可以预测临床病例，过去一年的一些研究表明，废水中SARS-CoV-2 RNA的增加为即将到来的住院治疗高峰提供了大约一周的提前警告。
柯比说，NWSS项目正在确保公共卫生部门拥有进行WBE检测所需的资源，特别是通过流行病学和实验室能力合作协议为他们提供支持，包括三轮CARES法案COVID-19资金，以支持废水监测。
柯比说，NWSS也已被纳入CDC的核心年度公共卫生资金，并指出该机构预计将在8月份利用这一机制奖励3200万美元，以支持卫生部门的NWSS活动。
今年1月，NWSS项目通过核心支持为WBE监测提供了初始资金，但该团队尚未将废水量从CDC提供的用于提高COVID-19检测能力的总支持中分解出来，因此Kirby无法提供具体的金额。
柯比说，NWSS项目目前正在支持33个州、4个城市、1个县和3个地区的WBE项目。
Kirby说，除了资金之外，NWSS数据门户网站也提供了重要的支持，该网站汇总和调整了各种收集和测试方法的PCR数据，以及该地区抽样的人数，从而为卫生部门的流行病学家提供了标准化的信息。
除了PCR数据，NWSS项目目前正在评估基于测序的方法。例如，尽管Kirby指出不可能得出废水中哪些受损片段来自单个基因组的结论，但这种方法有可能使早期发现社区中令人担忧的变异成为可能。
她说:“由于废水固有的生物学局限性，我们认为(测序)可以用于检测和跟踪已知的担忧变异，但不太可能用于发现变异。”
柯比指出，NWSS团队必须以极快的速度建立其常规监视系统，这意味着它需要保持灵活性。例如，大部分现有的废水测试能力都在学术和商业实验室，所以这些实验室也被引入了董事会。
在实验室使用的具体PCR方案方面，Kirby说没有标准化的方法。
她说:“我们仍然看到，在某些情况下，有些方法比其他方法更好，所以我认为我们不会在COVID的单一标准方案上达成一致。”她补充说，只要有质量控制指标，NWSS门户网站就会对PCR方法进行调整，并指出许多基本协议都是在最近的一项研究中捕获的研究由水研究基金会委托
Kirby认为WBE与临床微生物学在设备、试剂和供应链方面的契合程度与环境微生物学非常相似。
她说:“当我们考虑将WBE引入公共卫生实验室和环境卫生实验室时，对他们来说多功能的设备将会更有用，他们不会想要引进一种只用于废水的设备。”
Kirby说，尽管这个过程“一直是在建造我们航行的船”，但总的来说，看到废水微生物学和废水工程的整个领域都转向这一主题是令人惊讶的。“这是一项巨大的努力，但我认为我们已经建立了一个非常棒的系统，”她补充说。
除了COVID
大规模疫苗接种运动终于降低了感染率，但SARS-CoV-2似乎有可能在未来一段时间内成为美国的一种地方性传播病原体。
NWSS团队预计在不久的将来在所有国家公共卫生实验室播下WBE项目的种子，这些实验室可以继续监测当地的COVID-19疫情。
除了COVID, CDC的Kirby说，NWSS希望提高公共卫生和环境卫生实验室的废水检测能力，而不是私人服务实验室。
她说:“这是建立一个真正可持续和强有力的监测系统的方法。”“这不是我们5个月就能完成的事情;这是我们今后5年必须做的事情。”
Kirby的计划是将SARS-CoV-2的工作重点转向其他病原体的检测，首先从抗微生物细菌开始。
根据一项研究，WBE方法也可以用于直接监测社区中的抗生素使用审查因此，将抗生素耐药性基因的检测与废水中药物及其代谢物的水平配对将是非常有可能的。
最近的另一个研究对来自世界各地的废水样本中发现的耐药基因进行了鸟枪宏基因组测序，发现了不同的抗生素“耐药体”。报告还显示，不同抗生素的当地销售数据与废水中抗生素的含量没有相关性，这表明需要直接测量。
美国疾病控制与预防中心的Kirby说:“一旦你有了样本，就很容易对它们进行另一项测试。”其他应用包括自然灾害后的水传播疾病暴发监测和监测新出现的真菌感染，如假丝酵母耳．
柯比说:“我们肯定将其视为多个健康目标的长期疾病监测平台。”
WBE已经被应用于滥用药物，甚至在人群中测量压力激素，但Kirby说NWSS将根据社区水平的数据是否在流行病学上有用来指导。
与此同时，哈尔登和梅森等研究人员继续发现WBE的更多功能。
梅森说:“我们正在使用鸟枪rna测序技术对流感、植物病原体和其他生物进行全面的病毒追踪。”该实验室现在很容易检测人类RNA、抗微生物药物耐药性基因以及食物和动物RNA。“我们在每条下水管道中都看到了丰富有趣的分类丛林，”他说。
哈尔登的团队还考虑了许多其他有利于公众健康的目标。“我们有300多种健康标志，”他说，包括酒精、尼古丁摄入量和药物。
“我们能否评估疾病的总体发病率，包括性传播疾病?绝对的。我们能把它放在，例如，药物滥用的背景下吗?绝对的。我们能否衡量像COVID这样的灾难是否会改变人们的压力水平和他们对物质的使用?当然，”哈尔登说。
他说，他现在看到了WBE技术在更多公共卫生应用中的光明前景，同时允许公共卫生实体更好地保护健康人群。“这是最终目标;要真正保护健康，而不仅仅是治愈病人。”