Monitoreo de aguas residuales para variantes de COVID-19
Las pruebas de aguas residuales ayudan a identificar el virus COVID-19 y sus cambios.
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SARS-CoV-2, el virus que causa COVID-19, se puede encontrar en los desechos de las personas infectadas. Esto incluye tanto heces como orina. El virus también puede infectar partes del cuerpo como el intestino y los riñones. Por estas características, los científicos pueden encontrar el material genético del virus en las aguas residuales. Probar las aguas residuales se ha convertido en una herramienta importante para vigilar la propagación de COVID-19. A veces, las pruebas de aguas residuales revelan formas del virus que las pruebas nasales comunes no detectan. Estas formas, conocidas como linajes "crípticos", son a menudo bastante diferentes de versiones anteriores del virus, mostrando cambios similares a la variante Ómicron.
La variante Ómicron, identificada por primera vez en Sudáfrica en noviembre de 2021, tiene características únicas. Por ejemplo, tiene muchos cambios específicos en la proteína de pico, que el virus usa para entrar en las células humanas. Estos cambios la hacen diferente de las cepas anteriores que aparecieron en 2020. Curiosamente, los investigadores encontraron señales de ciertas Mutaciones relacionadas con Ómicron en aguas residuales de la ciudad de Nueva York ya en mayo de 2021. Otras muestras de lugares como Misuri y California también han mostrado estos linajes inusuales.
Hay dos ideas principales sobre de dónde vienen estas formas únicas de virus. La primera idea sugiere que los animales, no solo los humanos, podrían estar propagando estas formas del virus. Ciertos animales, como los ciervos y los visones de granja, pueden contagiarse de SARS-CoV-2. Si estos animales hacen sus necesidades en sistemas de alcantarillado combinados, su virus puede entrar en las aguas residuales. Esto significa que podría haber fuentes animales de los linajes crípticos que los científicos aún no han identificado.
La segunda idea es que algunas personas con COVID-19 pueden no mostrar signos claros de infección. Estas personas podrían seguir llevando el virus en su intestino o riñones y liberarlo en las aguas residuales. Las personas con sistemas inmunitarios debilitados son más propensas a tener infecciones duraderas. Esta presencia prolongada del virus en sus cuerpos podría llevar a variaciones que son diferentes de lo que se encuentra en la población más amplia. Dado que la mayor parte del material genético en las aguas residuales proviene de desechos humanos, esta explicación tiene sentido.
Cómo se Prueban las Muestras de Aguas Residuales
Probar las aguas residuales implica varios pasos. En un proceso, investigadores de Wisconsin y Misuri trabajaron juntos. Wisconsin se enfocó en medir la cantidad de virus y secuenciar su genoma completo, mientras que Misuri miró regiones específicas del material genético del virus. Las muestras recogidas implicaban agregar un virus de control para ayudar a medir cuánta SARS-CoV-2 estaba presente.
Después de recolectar muestras, los científicos utilizaron técnicas especializadas para concentrar el virus y luego extraer su ARN. Este ARN es lo que los científicos buscan durante las pruebas para determinar cuánta virus hay en las aguas residuales.
Para identificar las diferentes cepas del virus, los científicos utilizaron un método especial llamado RT-PCR anidada. Esto les permitió enfocarse en las formas del virus que no estaban relacionadas con Ómicron. Las muestras fueron luego secuenciadas usando tecnología avanzada, permitiendo a los investigadores rastrear cómo el virus estaba cambiando con el tiempo.
Encontrando el Linaje de Wisconsin
En enero de 2022, los investigadores encontraron un linaje único de virus en aguas residuales de una planta de tratamiento en Wisconsin. Comenzaron a probar muestras de diferentes partes del sistema de alcantarillado para intentar encontrar de dónde venía este linaje. Finalmente, lo rastrearon hasta un área particular que servía a un solo negocio.
Los investigadores notaron que los niveles de SARS-CoV-2 en las aguas residuales de esta área eran increíblemente altos. Midieron millones de copias del virus en solo un litro de aguas residuales. A pesar de esto, no pudieron cultivar el virus vivo a partir de las muestras después de varios intentos.
Usando los altos niveles de material genético disponibles, los científicos pudieron secuenciar los Genomas virales completos. Descubrieron que este linaje había persistido en las aguas residuales, probablemente debido a una sola persona con una infección prolongada.
Mutaciones y Variaciones
Los cambios en el genoma del virus eran más notables en la proteína de pico, que ayuda al virus a invadir las células humanas. El linaje de Wisconsin presentaba muchas mutaciones notables. La secuenciación mostró que algunos de estos cambios se vieron en las variantes de Ómicron que luego se propagaron entre las personas.
Curiosamente, ciertas mutaciones aparecieron en el linaje de Wisconsin varios meses antes de que se encontraran en otras variantes conocidas que circulaban en todo el mundo. Por ejemplo, cambios específicos que se encontraban en el linaje de Wisconsin eventualmente aparecieron en variantes prominentes de Ómicron.
Una mutación particular en el genoma del virus fue una inserción de 15 nucleótidos que se encontró en la parte del genoma que codifica para una proteína de membrana. Este aspecto del virus es crucial porque interactúa con anticuerpos que atacan al virus. La presencia de mutaciones inusuales sugiere la posibilidad de que el virus se adapte al interactuar con el sistema inmunitario.
Qué Significan Estos Hallazgos
La evidencia sugiere que los linajes crípticos en las aguas residuales probablemente provienen de infecciones humanas, en lugar de animales. Esto destaca que pueden existir muchas formas diferentes del virus dondequiera que haya personas con SARS-CoV-2. Tales linajes podrían representar riesgos de transmisión adicional entre la población.
El alto número de mutaciones en la variante de aguas residuales se asemeja a los patrones observados en las primeras etapas de la variante Ómicron. Es posible que, al igual que las variantes pasadas, estos linajes crípticos surgieron de individuos con infecciones de larga duración.
Las pruebas frecuentes de aguas residuales podrían conducir al hallazgo de más ejemplos de estos linajes únicos. A medida que los investigadores continúan monitoreando las aguas residuales, podrían encontrar nuevas variantes, incluidas las relacionadas con Ómicron.
Conclusión
En general, monitorear las aguas residuales juega un papel vital en rastrear la propagación de SARS-CoV-2. Al identificar estos linajes crípticos, los científicos pueden obtener información valiosa sobre la evolución del virus. La información recopilada de los estudios de aguas residuales será crucial para entender cómo COVID-19 sigue cambiando y adaptándose. Este conocimiento puede ayudar a informar las respuestas de salud pública y el desarrollo de futuras vacunas y tratamientos. A medida que la pandemia evoluciona, la vigilancia de aguas residuales seguirá siendo una herramienta esencial para gestionar y entender SARS-CoV-2 y sus variantes.
Título: Human origin ascertained for SARS-CoV-2 Omicron-like spike sequences detected in wastewater: a targeted surveillance study of a cryptic lineage in an urban sewershed
Resumen: BackgroundThe origin of novel SARS-CoV-2 spike sequences found in wastewater, without corresponding detection in clinical specimens, remains unclear. We sought to determine the origin of one such "cryptic" wastewater lineage by tracking and characterizing its persistence and genomic evolution over time. MethodsWe first detected a cryptic lineage in Wisconsin municipal wastewater in January 2022. By systematically sampling wastewater from targeted sub-sewershed lines and maintenance holes using compositing autosamplers, we traced this lineage (labeled WI-CL-001) to its source at a single commercial building. There we detected WI-CL-001 at concentrations as high as 2.7 x 109 genome copies per liter (gc/L) via RT-dPCR. In addition to using metagenomic 12s rRNA sequencing to determine the viruss host species, we also sequenced SARS-CoV-2 spike receptor binding domains (RBDs), and where possible, whole viral genomes to identify and characterize the evolution of this lineage over the 13 consecutive months that it was detectable. FindingsThe vast majority of 12s rRNAs sequenced from wastewater leaving the identified source building were human. Additionally, we generated over 100 viral RBD and whole genome sequences from wastewater samples containing the cryptic lineage collected between January 2022 and January 2023. These sequences contained a combination of fixed nucleotide substitutions characteristic of Pango lineage B.1.234, which circulated in humans in Wisconsin at low levels from October 2020 to February 2021. Despite this, mutations in the spike gene, and elsewhere, resembled those subsequently found in Omicron variants. InterpretationWe propose that prolonged detection of WI-CL-001 in wastewater represents persistent shedding of SARS-CoV-2 from a single human initially infected by an ancestral B.1.234 virus. The accumulation of convergent "Omicron-like" mutations in WI-CL-001s ancestral B.1.234 genome likely reflects persistent infection and extensive within-host evolution. FundingThe Rockefeller Foundation, Wisconsin Department of Health Services, Centers for Disease Control and Prevention (CDC), National Institute on Drug Abuse (NIDA), and the Center for Research on Influenza Pathogenesis and Transmission. Research in contextO_ST_ABSEvidence before this studyC_ST_ABSTo identify other studies that characterized unusual wastewater-specific SARS-CoV-2 lineages, we conducted a PubMed search using the keywords "cryptic SARS-CoV-2 lineages" or "novel SARS-CoV-2 lineages" in addition to "wastewater" on May 9, 2023. From the 18 papers retrieved, only two reported wastewater-specific cryptic lineages. These lineages were identified by members of our author team in wastewater from California, Missouri, and New York City. None of these could be definitively traced to a specific source. A third study in Nevada identified a unique recombinant variant (designated Pango lineage XL) in wastewater, which was also discovered in two clinical specimens from the same community. However, it was unclear whether the clinical specimens collected were from the same individual(s) responsible for the virus detected in the wastewater. To our knowledge, no prior study has successfully traced novel SARS-CoV-2 lineages detected in wastewater back to a specific location. How and where cryptic lineages are introduced into wastewater is not known. The added value of this studyThis study documents the presence and likely source of a novel and highly divergent cryptic SARS-CoV-2 lineage detected in Wisconsin wastewater for 13 months. In contrast to previously reported cryptic lineages, we successfully traced the lineage (WI-CL-001) to a single commercial building with approximately 30 employees. The exceptionally high viral RNA concentrations at the source building facilitated the tracing effort and allowed for the sequencing of WI-CL-001s whole genome, expanding our view of the lineages mutational landscape beyond the spike gene. Implications of all the available evidenceWI-CL-001s persistence in wastewater, its heavily mutated Omicron-like genotype, and its identified point source at a human-occupied commercial building all support the hypothesis that cryptic wastewater lineages can arise from persistently infected humans. Because cryptic wastewater lineages have some amino acid changes that subsequently emerge in circulating viruses, increased global monitoring of such lineages could help forecast variants that may arise in the future.
Autores: Marc Johnson, M. M. Shafer, M. J. Bobholz, W. C. Vuyk, D. A. Gregory, A. Roguet, L. A. Haddock Soto, C. Rushford, K. H. Janssen, I. E. Emmen, H. J. Ries, H. E. Pilch, P. A. Mullen, R. B. Fahney, W. Wei, M. Lambert, J. Wenzel, P. Halfmann, Y. Kawaoka, N. A. Wilson, T. C. Friedrich, I. W. Pray, R. Westergaard, D. H. O'Connor
Última actualización: 2023-09-22 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2022.10.28.22281553
Fuente PDF: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2022.10.28.22281553.full.pdf
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