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# 健康科学 # 疫学

廃水監視:公衆衛生のための重要なツール

廃水を監視することで、コミュニティの健康に影響を与えるウイルスを追跡できるんだ。

William J Bradshaw, S. L. Grimm, J. T. Kaufman, D. P. Rice, C. Whittaker, M. R. McLaren

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目次

wastewater surveillanceは、公共の健康に影響を与える可能性のあるウイルスを監視するためのツールだよ。この方法は昔からあって、最近のCOVID-19パンデミックの間に特に重要になったんだ。廃水を調べることで、健康の専門家はポリオウイルスやノロウイルスなどのウイルスの存在を追跡して、発生を防ぎ、病気の広がりを管理できるんだ。

ウェイストウォーターがウイルス追跡に果たす役割

廃水には、その地域に住んでいる人々の廃棄物が含まれているんだ。誰かがウイルスに感染すると、その廃棄物の中にウイルスの痕跡が見つかることがある。これは、下水道がコミュニティの健康状態を反映する鏡のように機能することを意味しているんだ。

歴史的には、ポリオウイルスは1939年に下水道で初めて発見された。それ以来、廃水中のポリオウイルスの監視は、発生を制御し、撲滅に向けて働く上で重要だった。同様に、研究者たちはノロウイルスも廃水中で追跡して、潜在的な発生についての早期警告を提供し、ウイルスがどのように進化しているかを研究しているんだ。

COVID-19が廃水監視に与えた影響

COVID-19の前は、廃水監視は主に特定の少数のウイルスに焦点を当てていた。しかし、パンデミックがすべてを変えた。COVID-19を監視する需要が高まり、世界中で廃水検査が増えた。公衆衛生機関や民間企業は、下水道中のウイルスやその変異株を特定するために高度な技術を使い始めたんだ。

今では、チクングニア、デング熱、インフルエンザなどの病気を引き起こす他のウイルスも含めた取り組みが広がっている。しかし、ほとんどの既存の検査方法は、依然として限られた対象ウイルスのセットに焦点を合わせているため、新しいまたは予期しない病原体を見つける能力が制限されることがある。

検出方法の拡張

この制限を克服するために、研究者たちは廃水中の多様なウイルスを検出できる新しい方法を模索している。一つの有望なアプローチは、ターゲットを定めないメタゲノムシーケンシングだ。この方法では、サンプル中の任意の核酸を特定できるため、より広範囲のウイルスを検出できる可能性があるんだ。

研究者たちは廃水中で多くの異なるウイルスを発見していて、定期的に監視されていない病原体も含まれている。ターゲットを定めない方法は、地域で明らかな症状を引き起こさずに広がっている新しいウイルスを見つけるのにも役立つ。この方法は、伝統的な追跡方法の代替手段を提供するもので、通常は人々が病気の症状を示した後にのみ健康の専門家に通知することに依存している。

検出の課題

ターゲットを定めないメタゲノムシーケンシングの成功は、低レベルの病原体を検出する能力にかかっている。この方法の効率は、主に二つの要因に依存している:どれだけシーケンシングが行われるかと、サンプル中にウイルスがどれだけ豊富にあるかだ。

要するに、ウイルスが少量しか存在しない場合、科学者たちはそれを効果的に検出するためにもっとデータをシーケンスする必要がある。これによって、検査にかかるコストが増えることがある。シーケンシングのコストは減少しているとはいえ、ウイルスが極めてまれな場合、検出が依然として高額になることがある。

これらの新しい方法を使った廃水検査のコスト効果を真に理解するためには、さらなる研究が必要だ。特に、コミュニティ内のウイルスの有病率や発生率が廃水での検出にどのように関係しているかに焦点を当てるべきだ。

より良い理解を深める

知識のギャップを埋めるために、研究者たちはメタゲノム研究からの既存データといくつかの知られたウイルスに関する公衆衛生情報を組み合わせたんだ。モデルを作成することで、コミュニティ内での知られている有病率や発生率に基づいて、廃水中のウイルスがどれだけ豊富に存在するかを推定できるようにした。

この新しいモデルは、メタゲノムシーケンシングを使用してさまざまな病原体の検査に関連するコストを予測するのに役立つんだ。

ウイルスの豊富さに関する発見

この研究から得られた重要な結果の一つは、廃水中における人間に感染するウイルスの豊富さが研究ごとに大きく異なることだ。この変動は、地元の人口のデモグラフィック、サンプルの取り方、サンプル処理に使用される方法など、さまざまな要因によって引き起こされることもあるんだ。

たとえば、ある研究では、人間に感染するウイルスが廃水中の総リードの中で小さな割合を占めていることがわかったが、他の研究でははるかに高い割合を示している。このことは、データを解釈する際に地域の文脈を考慮する必要があることを強調している。

ベイズモデルの重要性

この研究では、階層ベイズモデルが利用されていて、ウイルスの豊富さに影響を与えるさまざまな要因を考慮した高度な分析が可能なんだ。このモデルを使って、研究者たちは複数の場所にわたるデータを分析し、一般的な人口健康指標と特定のサンプル特性の両方を考慮することができた。

結果は、ウイルスの発生率や有病率の要因を考慮に入れた後でも、異なる研究間で期待されるウイルスの豊富さに依然として有意差があることを示している。一部のウイルスでは、推定される豊富さが大きく異なり、検出に必要な労力や費用について異なる予測をもたらしている。

病原体検出のコスト推定

廃水監視の実用性を評価するために、研究者たちはウイルスの期待される豊富さに基づいて、ウイルスを検出するために必要なシーケンシングリードの数を推定したんだ。この推定は、時間の経過とともにコスト予測に変換できるんだ。

ノロウイルスなどの一部のウイルスでは、検出にかかる平均コストが、SARS-CoV-2のようなより複雑なウイルスと比べてかなり低いことがわかった。これは、メタゲノムシーケンシングを通じて一部の病原体を監視することは合理的かもしれないが、他の病原体はかなり高い投資を必要とする可能性があり、広範な採用の障害となることを意味している。

コストのばらつき

コスト推定は、さまざまな研究や病原体の間で非常に異なっていた。たとえば、ノロウイルスの効果的な検出にかかる年間コストは、評価された研究の特定の文脈に応じて、約200ドルから960,000ドル近くまで広がっていた。一方、SARS-CoV-2の検出には、年間で20万ドルから3億ドル以上かかることがある。

これらの発見は、監視方法が使用される特定の条件を理解することの重要性を強調している。特定の病原体についてコストが高すぎると、廃水を通じてそれらを効果的に監視する能力が制限されることがあるんだ。

現在の研究の限界

この研究は貴重な洞察を提供する一方で、重要な限界も示している。大きな問題の一つは、健全な公衆衛生情報を持つ地域からのシーケンシングデータの不足だ。研究に含まれているほとんどの研究は、低い豊富さのウイルスについて正確な推定を行うための比較的限られたデータしか提供していない。

さらに、利用可能な疫学データにも限界がある。多くのウイルスは十分な公衆衛生推定が欠けていて、それらの病原体の信頼できるモデルを作成するのが難しいんだ。

今後の研究の方向性

今後は、より強固なウイルスのシーケンシングデータを集めることに焦点を当てるべきだ。また、研究者がより正確な比較ができるように、公衆衛生情報を改善することも役立つだろう。

より大きなデータセットを洗練されたモデルと組み合わせることで、廃水中のウイルスの豊富さについてより良い推定ができるようになる。廃水の検査方法が改善されれば、特にシーケンシングのコストが減り続ける中で、公衆衛生戦略をよりよくサポートできるだろう。

結論

廃水監視は、公共の健康を監視するための大きな可能性を秘めている、特に新しい病気が出てくる中で。下水道に見られるデータを活用することで、研究者たちはコミュニティの健康へのウイルスの脅威をよりよく理解し、対抗できるようになる。

でも、効果的な実施には、感度、コスト、利用可能な科学的方法のバランスを取ることが大事。この分野が進化する中で、引き続き研究と技術の進歩が、廃水を基にしたバイオサーベイランスの全能力を活用するために不可欠になるだろう。

オリジナルソース

タイトル: Inferring the sensitivity of wastewater metagenomic sequencing for virus detection and monitoring

概要: BackgroundMetagenomic sequencing of wastewater (W-MGS) offers broad, pathogen-agnostic monitoring of infectious diseases. We quantify the sensitivity and cost of W-MGS for viral pathogen detection by jointly analysing W-MGS and epidemiological data for a range of human-infecting viruses. MethodsSequencing data from four studies were analysed to estimate the relative abundance (RA) of 11 human-infecting viruses. Corresponding prevalence and incidence estimates were obtained or calculated from academic and public-health reports. These estimates were combined using a hierarchical Bayesian model to predict RA at set prevalence or incidence values, allowing comparison across studies and viruses. These predictions were then used to estimate the sequencing depth and concomitant cost required for pathogen detection using W-MGS with or without use of a hybridization-capture enrichment panel. FindingsAfter controlling for variation in local infection rates, relative abundance varied by orders of magnitude across studies for a given virus. For instance, a local SARS-CoV-2 weekly incidence of 1% corresponds to predicted SARS-CoV-2 relative abundance ranging from 3{middle dot}8 x 10-10 to 2{middle dot}4 x 10-7 across studies, translating to orders-of-magnitude variation in the cost of operating a system able to detect a SARS-CoV-2-like pathogen at a given sensitivity. Use of a respiratory virus enrichment panel in two studies dramatically increased predicted relative abundance of SARS-CoV-2, lowering yearly costs by 24- to 29-fold for a system able to detect a SARS-CoV-2-like pathogen before reaching 0.01% cumulative incidence. InterpretationThe large variation in viral relative abundance after controlling for epidemiological factors indicates that other sources of inter-study variation, such as differences in sewershed hydrology and lab protocols, have a substantial impact on the sensitivity and cost of W-MGS. Well-chosen hybridization capture panels can dramatically increase sensitivity and reduce cost for viruses in the panel, but may reduce sensitivity to unknown or unexpected pathogens. FundingWellcome Trust; Open Philanthropy; Musk Foundation Research In ContextO_ST_ABSEvidence before this studyC_ST_ABSNumerous other studies have performed wastewater metagenomic sequencing (W-MGS), with a range of objectives. However, few have explicitly examined the performance of W-MGS as a monitoring tool. We searched PubMed between database inception and September 2024, using the search terms "MGS OR Metagenomic sequencing OR Metagenomics OR Shotgun sequencing" AND "Performance OR Precision OR Sensitivity OR Cost-effectiveness OR Effectiveness" AND "Virus OR Viral OR Virome" AND "Wastewater OR Sewage". Among the 88 resulting studies, 17 focused specifically on viruses in wastewater. A 2023 UK study by Child and colleagues assessed untargeted and hybridization-capture sequencing of wastewater for genomic epidemiology, concluding that the former but not the latter provided sufficient coverage for effective variant tracking. However, they did find untargeted sequencing sufficient for presence/absence calls of human pathogens in wastewater, a finding supported by numerous other W-MGS studies. While several studies examined the effect of different W-MGS protocols on viral abundance and composition, none accounted for epidemiological or study effects, and none explicitly quantified the sensitivity and cost of W-MGS for viral detection. Added value of this studyTo our knowledge, this study provides the first quantitative assessment of the sensitivity and cost of untargeted and hybridization-capture W-MGS for pathogen surveillance. Linking a large corpus of public wastewater metagenomic sequencing with epidemiological data in a Bayesian model, we predict pathogen relative abundance in W-MGS data at set infection prevalence or incidence, and estimate concomitant read-depth and cost requirements for effective detection across different studies and viruses. Our flexible modelling framework provides a valuable tool for evaluation of sequencing-based surveillance in other contexts. Implications of all the available evidenceThe sensitivity of untargeted W-MGS varies greatly with pathogen and study design, and large gaps in our understanding remain for pathogens not present in our data. As untargeted W-MGS protocols undergo further improvements, our Bayesian modelling framework is an effective tool for evaluating the sensitivity of new protocols under different epidemiological conditions. While less pathogen-agnostic, hybridization capture can dramatically increase the sensitivity of W-MGS-based pathogen monitoring, and our findings support piloting it as a tool for biosurveillance of known viruses.

著者: William J Bradshaw, S. L. Grimm, J. T. Kaufman, D. P. Rice, C. Whittaker, M. R. McLaren

最終更新: 2024-10-08 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2023.12.22.23300450

ソースPDF: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2023.12.22.23300450.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた medrxiv に感謝します。

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