Robotter forudsiger COVID-19-udbrud ved at sejle igennem din poop

Erik Jepsen

Vigtigste takeaways

• Test af spildevand til COVID-19 er en effektiv måde at spore potentielle udbrud på.
• Takket være en forbedret metode kan denne type overvågning udføres hurtigere, mere effektivt og billigere.
• Forbedringen i processen tillader, at snesevis af prøver fra kloakker og rensningsanlæg testes hver dag i stedet for kun en håndfuld.
• Hurtig spildevandstestning kan også bruges til at opdage og spore andre virale udbrud i fremtiden.

Tidligt i pandemien vendte forskere sig mod spildevand som et advarselssystem for COVID-19-udbrud. Testning af spildevandsprøver for tilstedeværelse af virussen har vist sig nyttigt til at udpege en bygning eller et område, hvor COVID-19 allerede er til stede, selv hvis bærere er asymptomatiske. Metoden er implementeret overalt fra colleges til lokale samfund.

Men denne metode har en betydelig fejl: dens hastighed. Nu har et team ved University of California i San Diego (UCSD) School of Medicine fundet en måde at fremskynde påvisningsprocessen og levere nøjagtige data hurtigere.

Den oprindelige proces var langsom, fordi prøver af spildevand eller spildevand er fortyndet og skal koncentreres, hvilket tager mange skridt og bruger masser af ressourcer, fortæller Smruthi Karthikeyan, ph.d., miljøingeniør og postdoktor ved UCSD School of Medicine, Verywell. Karthikeyan er hovedforfatter til en rapport om processen, der blev offentliggjort i tidsskriftet denne månedmSystemer.

Fremskyndelse af processen

I modsætning til en nasal vatpind, der tager en lille prøve af slim, fortyndes en spildevandsprøve fra et kloak- eller spildevandsbehandlingsanlæg efter at have skubbet rundt med alt andet, der gik ned i afløbet.

Spildevandsprøver skal koncentreres, så SARS-CoV-2, den virus, der forårsager COVID-19, hvis den er til stede, er lettere at finde. Men der var behov for en hurtigere metode til at koncentrere disse prøver og finde RNA fra virussen. Forskere var specifikt interesserede i at finde en metode, der kunne udføres samtidigt på mange prøver og kunne levere nøjagtige resultater samme dag.

For at fremskynde processen vendte Karthikeyan og hendes team sig til nogle robotassistance, hun allerede havde i sit laboratorium. Før pandemien startede, fokuserede hendes forskning på tarmmikrobiomet, et studieområde, der også involverer undersøgelse af spildevandsprøver. Ved at ændre dette system var de i stand til hurtigt at udtrække RNA fra spildevandsprøverne og køre en polymerasekædereaktion (PCR) for at søge efter signaturgener fra COVID-19.

I systemer, der tidligere blev brugt til overvågning af spildevand, blev vandprøverne koncentreret ved hjælp af filtrerings- eller nedbørsmetoder, hvilket tog tid og mange ressourcer at køre tests.

I stedet bruger dette system med høj kapacitet magnetiske perler, der fortrinsvis linker til bit af virussen, forklarer Karthikeyan. Robotprocessoren henter derefter perlerne ved hjælp af et magnetisk hoved og efterlader alt andet.

”På denne måde vælger du kun virussen og ikke henter alt junk,” siger hun. "Det øger dine chancer for at finde virussen selv i et fortyndet system." De koncentrerede prøver testes derefter for tre forskellige genmål på COVID-19 genomet ved anvendelse af PCR-test.

Hvad er screening med høj kapacitet?

Screening med høj gennemstrømning bruger automatiseret udstyr til hurtigt at teste tusinder til millioner af prøver for biologisk aktivitet på organismen, cellulært, pathway eller molekylært niveau.

Det forbedrede system øger testhastigheden i høj grad.

”[Tidligere] Jeg kunne ikke lave mere end 10 prøver på en dag. Det tog mig timer at gøre det samme, ”siger Karthikeyan. "Med dette kan vi udføre 120 prøver på 4,5 timer fra modtagelse af prøven til den faktiske PCR-detektion."

Denne proces har den ekstra fordel, at den er billigere, da den kræver færre ressourcer og færre mennesker til at køre testen, tilføjer hun. Testen kan udføres på spildevandsprøver så små som 10 ml i volumen.

Nøjagtigheden af ​​resultaterne med denne metode er også høj. Hurtig test giver forskerne mulighed for at forudsige, hvad der vil ske med spredning af COVID-19 en uge i forvejen med god nøjagtighed og tre uger i forvejen med rimelig nøjagtighed, ifølge en erklæring fra UCSD School of Medicine.

Hvad det betyder for dig

Spildevandsovervågning for COVID-19 er en påmindelse om, at virussen kan sprede sig, selv når enkeltpersoner ikke oplever symptomer. Det er vigtigt at fortsætte med at tage de nødvendige sikkerhedsforanstaltninger som at bære en maske, social afstand og vaske hænderne for at beskytte dig selv og dit samfund.

En succeshistorie

Test af spildevand fra sovesale og andre bygninger ved UCSD har været i gang siden juli 2020. Et team ledet af Rob Knight, ph.d., professor og direktør for Center for Microbiome Innovation ved UCSD, opdagede teknikken.

En måned efter, at skolen begyndte at overvåge spildevand, opdagede de en positiv asymptomatisk sag, og universitetet var i stand til at sende alarmer til folk i de berørte bygninger. Dette letter målrettet test af enkeltpersoner i et givet område snarere end at forsøge at teste alle på campus. Screeningsresultaterne er nu tilgængelige på et offentligt instrumentbræt.

Andre universiteter, såsom University of Arizona, bruger spildevandstest til at spore spredningen af ​​COVID-19. New York City overvåger endda COVID-19 i prøver fra sine 14 rensningsanlæg.

UCSD-systemet gør det muligt at teste flere vandprøver hurtigt, hvilket giver folkesundhedsembedsmænd et kig på spredning af virussen, før folk kan være klinisk syge. "Jeg tror ikke, nogen gør det på en skala som denne," siger Karthikeyan.

Systemet, der anvendes ved UCSD, kan registrere kun et tilfælde af COVID-19 i en bygning med mere end 400 beboere. I en ung befolkning, såsom studenterorganet ved UCSD, er inficerede mennesker ofte asymptomatiske, men kaster stadig virussen, siger Karthikeyan. På det tidspunkt, hvor en asymptomatisk bærer bliver symptomatisk eller spreder virussen til nogen, der viser symptomer på infektion, kunne virussen have spredt sig eksponentielt.

Karthikeyan og hendes kolleger tester i øjeblikket spildevandsprøver til San Diego County. Spildevandsbehandlingsanlægget på Point Loma behandler spildevand til mere end 2,2 millioner mennesker, så det er muligt at samle prøver på et sted for hele serviceområdet. Det er vanskeligt og dyrt at udføre test for virussen på hele befolkningen, men ved hjælp af spildevandstestning som en overvågningsteknik kan folkesundhedsembedsmænd begrænse de områder, hvor testning er afgørende.

San Diego County ønsker, at UCSD-teamet ikke kun opdager virussen, men også sekvenserer virusgenomet for at se, hvilke varianter af virussen der kan cirkulere, siger Karthikeyan. ”Nu skal vi foretage storskala genom-sekventering,” tilføjer hun.

Denne type spildevandsovervågning kan tilpasses til at gennemføre overvågning af enhver virus, der udgydes i afføring, siger Karthikeyan og tilføjer, at den kunne bruges i mange typer epidemier af smitsom sygdom og måske kan hjælpe med at opdage fremtidige pandemier tidligere.