Des robots de manipulation de liquides pour la surveillance des eaux usées aident à prédire les cas de COVID-19 à San Diego

Au début de la pandémie de COVID-19, avant que les tests de diagnostic ne soient largement disponibles, il était difficile pour les responsables de la santé publique de suivre la propagation de l'infection, ou prédire où les épidémies sont susceptibles de se produire. Les tentatives pour devancer le virus sont encore compliquées par le fait que les gens peuvent être infectés et propager le virus même sans ressentir eux-mêmes aucun symptôme.

Lorsque des études ont émergé montrant qu'une personne testée positive pour COVID-19 -; s'ils étaient ou non symptomatiques - ; excréter le virus dans leurs selles, "l'égout semblait être l'endroit 'happen' pour le chercher, " dit Smruthi Karthikeyan, Doctorat, ingénieur en environnement et chercheur postdoctoral à la faculté de médecine de l'Université de Californie à San Diego.

De juillet à novembre 2020, Karthikeyan et son équipe, dirigé par Rob Knight, Doctorat, professeur et directeur du Center for Microbiome Innovation de l'UC San Diego, échantillonné les eaux usées pour voir s'ils pouvaient détecter le SRAS-CoV-2, le virus qui cause le COVID-19. Ils pourraient. Mais la concentration des eaux usées s'est avérée être un goulot d'étranglement - ; c'est un processus lent et laborieux en plusieurs étapes.

Maintenant, dans un article publié le 2 mars, 2021 en mSystèmes , les chercheurs décrivent comment ils ont automatisé la concentration des eaux usées à l'aide de robots de manipulation de liquides. Ils ont démontré la robustesse de leur système en le comparant aux méthodes existantes et en montrant qu'ils peuvent prédire les cas de COVID-19 à San Diego d'ici une semaine avec une excellente précision, et trois semaines avec une précision raisonnable, en utilisant simplement les eaux usées de la ville.

Le comté de San Diego n'a qu'une seule usine de traitement des eaux usées, situé sur la côte dans le quartier Point Loma de la ville. Tous les excréments évacués par les quelque 2,3 millions d'habitants de San Diego, y compris ceux du campus de l'UC San Diego, finit là.

Sept jours sur sept, Karthikeyan ou un collègue se sont rendus à l'usine de traitement pour ramasser des échantillons d'eaux usées qui avaient été collectés et stockés pour eux par des techniciens de laboratoire sur place. Ils ont apporté les échantillons au laboratoire de Knight sur le campus de la faculté de médecine de l'UC San Diego à La Jolla.

Malheureusement, nous ne pouvons pas simplement tester directement des échantillons d'eaux usées comme nous le ferions avec des prélèvements nasaux de patients. C'est parce que les échantillons que nous obtenons sont très dilués - ; il suffit de penser au nombre de personnes qui contribuent au flux de déchets, ainsi que toutes les ordures qui sont évacuées et acheminées vers le système d'égouts."

Smruthi Karthikeyan, Doctorat, Chercheur postdoctoral, Faculté de médecine de l'Université de Californie à San Diego

De retour au labo, les chercheurs traitent les eaux usées à l'aide de leur plateforme robotique. Le système extrait l'ARN -; le matériel génétique qui compose les génomes de virus comme le SARS-CoV-2 - ; à partir des échantillons, et exécute une réaction en chaîne par polymérase (PCR) pour rechercher les gènes de signature du virus. L'automatique, Le système à haut débit peut traiter 24 échantillons toutes les 40 minutes. Plus tard le même jour, Karthikeyan ajoute les données à un tableau de bord numérique qui suit les nouveaux cas positifs.

Selon Knight, la technique est plus rapide, moins cher et plus sensible que d'autres approches de surveillance des eaux usées. L'équipe est en mesure d'identifier un seul cas de COVID-19 dans un immeuble d'environ 500 personnes.

La surveillance des eaux usées est la clé du programme Return to Learn de l'UC San Diego

Les chercheurs et les étudiants du laboratoire de Knight ne sont pas étrangers au traitement des échantillons de selles. L'équipe est connue depuis longtemps pour ses études sur le microbiome intestinal - ; les communautés uniques de microbes qui vivent dans notre tractus gastro-intestinal. Partout dans le monde, des personnes participent à leur programme de recherche, L'Initiative Microsetta (à juste titre abrégée « TMI »), en envoyant leurs écouvillons fécaux au laboratoire de Knight's UC San Diego. Le projet de crowdsourcing a permis à l'équipe d'étudier les nombreux facteurs qui pourraient influencer la composition du microbiome intestinal d'une personne, et les nombreuses façons dont il influence notre santé.

Au printemps 2020, L'équipe de Knight s'est rapidement concentrée sur la recherche d'un microbe en particulier :le SARS-CoV-2. Bientôt, l'équipe a fait partie intégrante du programme Return to Learn de l'UC San Diego, une approche fondée sur des données probantes qui a permis à l'université de continuer à offrir des logements sur le campus, des cours en personne et des possibilités de recherche. Avec environ 10, 000 étudiants sur le campus, les nombreuses composantes du programme ont maintenu les taux de cas de COVID-19 bien inférieurs à ceux de la communauté environnante et de la plupart des campus universitaires, maintenir un taux de positivité inférieur à 1 %.

Return to Learn repose sur trois piliers :l'atténuation des risques, détection virale et intervention. L'équipe de Knight et ses collaborateurs jouent un rôle important dans la détection virale sur le campus. Ils aident à dépister la présence asymptomatique du SRAS-CoV-2 chez les étudiants et le personnel (souvent auto-collectés à l'aide de kits de test disponibles dans les distributeurs automatiques), sur les surfaces et dans les eaux usées.

L'équipe continue de prélever quotidiennement des échantillons de plus de 100 échantillonneurs d'eaux usées sur le campus de l'UC San Diego, qui couvrent plus de 300 bâtiments. Environ un mois après la mise en service du système de détection du campus à l'été 2020, un cas positif a été détecté dans le quartier du Collège Revelle un vendredi après-midi. La communauté du campus a été avertie dans les 14 heures et des messages ciblés ont été envoyés aux personnes associées aux bâtiments touchés, recommander qu'ils soient testés pour le virus dès que possible. Plus de 650 personnes ont été testées pour COVID-19 ce week-end.

Par conséquent, deux individus asymptomatiques ont été identifiés comme étant positifs pour COVID-19. Après que le campus les a rapidement informés, ils se sont auto-isolés avant qu'une épidémie ne se produise. Maintenant, Les résultats du dépistage des eaux usées sont disponibles sur un tableau de bord public et des échantillons positifs sont séquencés pour suivre l'émergence de nouvelles variantes du SRAS-CoV-2. Le programme Retour à l'apprentissage, y compris l'analyse des eaux usées, est devenu un modèle pour d'autres universités, Districts et régions scolaires de la maternelle à la 12e année.

« Alors que la barrière à l'entrée et à l'exploitation continue de baisser, nous espérons que l'épidémiologie basée sur les eaux usées sera plus largement adoptée, " dit Knight. " Rapide, les systèmes d'alerte précoce des maladies infectieuses à grande échelle pourraient être particulièrement utiles pour la surveillance communautaire dans les populations vulnérables et les communautés ayant moins accès aux tests de diagnostic et moins de possibilités de distance et d'isolement - ; pendant cette pandémie, et la prochaine."

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