Vätskeshanteringsrobotar för övervakning av avloppsvatten hjälper till att förutsäga COVID-19-fall i San Diego

Tidigare dagar av covid-19-pandemin, innan diagnostisk testning var allmänt tillgänglig, det var svårt för folkhälsoansvariga att hålla reda på smittans spridning, eller förutsäga var utbrott sannolikt kommer att inträffa. Försök att komma före viruset kompliceras fortfarande av det faktum att människor kan smittas och sprida viruset även utan att själva uppleva några symptom.

När studier visade att en person som testar positivt för COVID -19 -; huruvida de var symtomatiska eller inte; kasta viruset i avföringen, "avloppet verkade som den" händer "platsen att leta efter det, "sa Smruthi Karthikeyan, Doktorsexamen, en miljöingenjör och postdoktor vid University of California San Diego School of Medicine.

Från juli till november 2020, Karthikeyan och team, ledd av Rob Knight, Doktorsexamen, professor och chef för Center for Microbiome Innovation vid UC San Diego, provade avloppsvatten för att se om de kunde upptäcka SARS-CoV-2, viruset som orsakar COVID-19. De kunde. Men att koncentrera avloppsvattnet visade sig vara en flaskhals -; det är en långsam och mödosam process i flera steg.

Nu, i en artikel publicerad 2 mars, 2021 tum mSystems , forskarna beskriver hur de har automatiserad avloppsvattenkoncentration med hjälp av vätskehanterande robotar. De demonstrerade sitt systems robusthet genom att jämföra det med befintliga metoder och visa att de kan förutsäga COVID-19-fall i San Diego med en vecka med utmärkt noggrannhet, och tre veckor med rättvisande noggrannhet, använder bara stadsavlopp.

San Diego County har bara ett primärt avloppsreningsverk, ligger vid kusten i stadsdelen Point Loma. Allt avföring spolades bort av San Diego cirka 2,3 miljoner invånare, inklusive dem på UC San Diego campus, hamnar där.

Sju dagar i veckan, Karthikeyan eller en kollega körde ner till reningsverket för att hämta avloppsvattenprov som samlats in och lagrats för dem av laboratorietekniker på plats. De tog med proverna till Knights lab på UC San Diego School of Medicine campus i La Jolla.

Tyvärr, vi kan inte bara testa avloppsvattenprov direkt så som vi skulle ta prover från patientens näspinnar. Det beror på att proverna vi får är mycket utspädda -; tänk bara på antalet människor som bidrar till avfallsflödet, plus allt skräp som blir spolat och tar sig till avloppssystemet. "

Smruthi Karthikeyan, Doktorsexamen, Postdoktor, University of California San Diego School of Medicine

Tillbaka i labbet, forskarna bearbetar avloppet med sin robotplattform. Systemet extraherar RNA -; det genetiska material som utgör genomer av virus som SARS-CoV-2-; från proverna, och kör polymeraskedjereaktion (PCR) för att söka efter virusets signaturgener. Den automatiska, system med hög kapacitet kan bearbeta 24 prover var 40:e minut. Senare samma dag, Karthikeyan lägger till data till en digital instrumentpanel som spårar nya positiva fall.

Enligt Knight, tekniken är snabbare, billigare och känsligare än andra metoder för övervakning av avloppsvatten. Teamet kan identifiera ett enda fall av covid-19 i en byggnad med cirka 500 personer.

Avloppsvattenövervakningsnyckel till UC San Diego's Return to Learn -program

Forskarna och studenterna i Knights lab är inte främmande för att hantera avföringsprover. Teamet har länge varit känt för sina studier av tarmmikrobiomet -; de unika mikroorganismen som lever i våra mag -tarmkanaler. Människor över hela världen deltar i sitt forskningsprogram, Microsetta Initiative (lämpligt förkortat "TMI"), genom att skicka sina avföringspinnar till Knights UC San Diego lab. Crowdsourceprojektet har gjort det möjligt för laget att studera de många faktorer som kan påverka sammansättningen av en persons tarmmikrobiom, och de många sätt det påverkar vår hälsa.

Våren 2020, Knights team vände snabbt sitt fokus för att leta efter en viss mikrobe:SARS-CoV-2. Snart utgjorde laget en integrerad del av UC San Diego's Return to Learn -program, ett bevisbaserat tillvägagångssätt som har gjort det möjligt för universitetet att fortsätta erbjuda bostäder på campus och personliga klasser och forskningsmöjligheter. Med cirka 10, 000 studenter på campus, de många komponenterna i programmet har hållit fallet av covid-19-fall mycket lägre än det omgivande samhället och de flesta högskolor, bibehåller en positivitetsgrad på mindre än 1 procent.

Return to Learn bygger på tre pelare:riskreducering, viral upptäckt och intervention. Knights team och deras medarbetare spelar en stor roll i viral upptäckt på campus. De hjälper till att screena för den asymptomatiska förekomsten av SARS-CoV-2 hos studenter och personal (ofta samlas in själv med hjälp av testkit tillgängliga från varuautomater), på ytor och i avloppsvatten.

Teamet fortsätter att dagligen samla in prover från mer än 100 avloppsvattenprovtagare på UC San Diego campus, som täcker mer än 300 byggnader. Ungefär en månad efter att campusdetekteringssystemet kom online sommaren 2020, ett positivt fall upptäcktes i Revelle College -området en fredag ​​eftermiddag. Campusgemenskapen meddelades inom 14 timmar och riktade meddelanden skickades till personer i samband med de drabbade byggnaderna, rekommenderar att de testas för viruset så snart som möjligt. Mer än 650 personer testades för COVID-19 den helgen.

Som ett resultat, två asymtomatiska individer identifierades som positiva för COVID-19. Efter att campus omedelbart meddelat dem, de isolerade sig själv innan ett utbrott kunde inträffa. Nu, resultat från avloppsvatten finns tillgängliga på en offentlig instrumentpanel och positiva prover sekvenseras för att spåra uppkomsten av nya SARS-CoV-2-varianter. Programmet Return to Learn, inklusive testning av avloppsvatten, har blivit en modell för andra universitet, K-12 skoldistrikt och regioner.

"När hindret för inträde och verksamhet fortsätter att sjunka, vi hoppas att avloppsbaserad epidemiologi kommer att bli mer allmänt antagen, ”Sa Knight.” Snabbt, storskaliga system för tidig varning av infektionssjukdomar kan vara särskilt användbara för samhällsövervakning i utsatta befolkningsgrupper och samhällen med mindre tillgång till diagnostiska tester och färre möjligheter att ta avstånd och isolera -; under denna pandemi, och nästa. "

• Nya värd-virala-mikrobiom-interaktioner under COVID-19 kan avgöra resultatet
• Studie:Tarmmikrobiom kan förutsäga förändringar i typ 2 -diabetesrelaterad glukosreglering