하수도가 질병 발생을 모니터링하는 데 어떻게 도움이 됩니까?

하수 내 병원체를 연구하는 것은 과학자들이 전염병의 발생을 추적하고 확산되기 전에 개입하는 데 도움이 됩니다.

 

미생물학자로 경력을 시작했을 때 Warish Ahmed는 자신의 경력에서 가장 중요한 역할 중 하나가 호주 퀸즈랜드 주 전역의 파이프와 맨홀에서 수집된 수 리터의 미처리 하수를 걸러내는 일이 될 것이라고는 결코 상상하지 못했습니다.

"폐수 처리는 모든 사람이 좋아하는 직업이 아닐 수도 있습니다"라고 브리즈번 시에 있는 연방 과학 산업 연구 기구(CSIRO) 환경의 주요 연구 과학자인 Ahmed는 말합니다. "그러나 나는 그것이 지역 사회 건강에 대해 배울 수 있는 귀중한 방법이라고 생각합니다. 그것은 액체 금을 찾는 것과 같습니다"라고 그는 말합니다.

소위 폐수 감시는 소아마비 바이러스, 콜레라를 일으키는 박테리아인 콜레라 비브리오 , 장티푸스를 일으키는 박테리아인 살모넬라 타이 피 등 모두 퍼져 있는 치명적인 병원체의 소규모 집합을 추적하는 중요한 방법으로 오랫동안 사용되어 왔습니다. 열악한 위생 관행을 통해.

그러나 최근, 특히 코로나19 대유행으로 인해 전 세계 공중 보건 당국은 하수에 존재하는 물질을 연구하는 것이 훨씬 더 다양한 전염병을 실시간으로 감시하는 데 활용될 수 있다는 사실을 깨닫기 시작했습니다. .

Ahmed와 그의 팀이 퀸즈랜드 대학과 협력하여 수행한 프로젝트는 인플루엔자, 코로나19를 유발하는 SARS-CoV-2, RSV와 같은 다양한 호흡기 병원체의 수준을 조사했습니다. 이 모든 미생물은 감염된 개인의 내장을 통해 배설되며 결국 주 전역에서 수집된 폐수로 흘러갑니다. RSV 는 노인, 특히 기존에 심장 및 폐 질환이 있는 사람들 사이에서 높은 사망률을 초래하기 때문에 특히 관심을 끌고 있습니다 .

연구자들의 관심을 끄는 것은 특정 병원체의 존재뿐 아니라 농도입니다. "집중력은 질병의 증가 또는 감소를 추적하는 데 매우 중요합니다."라고 Ahmed는 말합니다. "바이러스 입자의 농도가 높아지면 지역 사회에서 바이러스 발산이 증가했음을 시사할 수 있습니다."라고 그는 말합니다.

해당 정보가 해당 지역의 공중 보건 부서에 피드백되면 특정 전염병의 확산이 급증하고 있다는 주요 조기 경고 메커니즘 역할을 합니다. 그리고 이제 새로운 기술 플랫폼을 통해 데이터를 더욱 효율적으로 수집할 수 있습니다.

2022년, 런던과 뉴욕을 포함한 여러 도시의 하수에서 소아마비 바이러스가 발견되었습니다.

전통적으로 폐수 감시에는 샘플을 수동으로 수집하는 불쾌하고 위험한 작업이 포함되었습니다. 그러나 퀸즈랜드에서는 이제 각 하수구에 24시간 동안 매시간 샘플을 수집하는 자동 샘플러가 장착되어 있습니다. 그런 다음 이들은 함께 혼합되어 유전 물질의 단편을 식별하는 데 사용할 수 있는 분자 기술인 PCR 테스트를 사용하여 특수 시설에서 분석할 수 있는 혼합물을 생성합니다. 미국 질병통제예방센터(CDC)는 이제 Alphabet 소유의 Verily가 제공한 기술을 사용하여 원숭이두창을 포함한 다양한 병원체를 정기적으로 테스트하기 위해 국가 폐수 감시 시스템을 운영하고 있습니다.

MIT에서 분사한 바이오봇(Biobot)과 같은 다른 스타트업은 하수에서 호흡기 바이러스뿐만 아니라 노로바이러스와 같은 식중독, 코카인과 같은 약물의 대사 부산물을 탐지할 수 있는 플랫폼을 통해 전 세계적으로 폐수 감시를 확장하려고 합니다 . 펜타닐, 메스암페타민, 니코틴.


샌디에고에 있는 비영리 생물의학 연구소인 스크립스 리서치(Scripps Research)의 조슈아 레비(Joshua Levy)는 "폐수를 사용하면 몇 곳의 현장에서 채취한 샘플을 사용하여 수백만 명이 거주하는 도시를 감시할 수 있습니다"라고 말합니다. "종종 질병 심각도에 따라 상당히 편향되는 비용이 많이 들고 고용량의 비강 면봉 채취 또는 혈액 채취에 비해 국소 병원체 역학을 의미있게 특성화하려면 훨씬 적은 수의 샘플이 필요합니다. 대신 무증상 감염은 여전히 ​​폐수에 의해 감지됩니다."

저소득 국가의 보건 안보 강화
미국, 호주, 영국에서는 폐수 감시가 광범위하게 사용되고 있으며, 소아마비 발병 위험이 높은 지역을 식별하기 위해 하수 샘플링을 사용하는 프로그램이 진행 중이지만 , 그 중 가장 큰 영향은 질병 발생 관리에 있을 가능성이 높습니다. 저소득 국가에서. 

소아마비 퇴치를 위한 국제로타리의 글로벌 이니셔티브인 폴리오플러스(PolioPlus) 대표들은 지난 35년 동안 소아마비 발병률이 99.9% 감소했지만 소아마비 바이러스가 만연한 파키스탄과 아프가니스탄에서는 여전히 주요 공중 보건 문제로 남아 있다고 지적합니다. 

PolioPlus의 이사인 Carol Pandak은 "파키스탄에는 114개의 폐수 감시 사이트가 있고, 아프가니스탄에는 33개가 있습니다."라고 말합니다. "감시 없이는 소아마비 바이러스가 어디에서 어떻게 퍼지고 있는지 정확히 찾아내는 것이 불가능할 것입니다."

 

하수 내 병원체 분석은 과학자들이 통제 불능 상태에 빠지기 전에 발병을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.

지구 반대편에서는 하수 모니터링이 간 염증을 일으키고 때로는 간 이식이 필요한 감염인 A형 간염 바이러스(HAV)에 맞서 싸우는 상파울루 지방 정부의 중요한 도구임이 입증되었습니다 . .

최근 몇 년 동안 상파울루에서는 2016년부터 2023년 사이에 1,872건의 확인된 사례를 포함하여 두 번의 대규모 HAV 발병이 발생했습니다 . 리우데자네이루 소재 연구 기관인 오스왈도 크루즈 재단(Oswaldo Cruz Foundation)의 바이러스학자인 타티아나 프라도(Tatiana Prado)에 따르면, 리우데자네이루 시에서는 HAV와 기타 바이러스 및 박테리아의 새로운 출현을 모니터링하기 위해 일부 공항과 위험 지역에서 지속적인 하수 감시 프로그램을 시행했습니다. . 그녀는 새로운 기술이 이러한 프로그램이 제공할 수 있는 정보를 지속적으로 향상시킬 것이라고 예측합니다.

Prado는 “주어진 환경에서 순환하는 다양한 유형의 미생물에 대한 수백만 개의 데이터 포인트를 생성할 수 있는 새로운 진단 도구가 등장하고 있습니다.”라고 말했습니다. "그러나 가장 큰 병목 현상은 감시 시스템을 유지하고 생성된 모든 데이터를 해석하는 데 필요한 투자이므로 정책 입안자에게 유용합니다."

조기 경고
사하라 이남 아프리카 지역에서 결핵과 심지어 설사병의 원인인 크립토스포리듐 과 같은 기생충 에 대해 유사한 프로그램이 시험된 상황에서 폐수 감시는 의심할 여지 없이 모든 방식의 우려되는 병원체에 대한 정보를 글로벌 보건 시스템에 제공하는 데 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다.

앞으로 몇 년 안에 연구자들은 실시간 감시를 통해 많은 일반적인 바이러스의 진화에 대한 새로운 정보가 제공되어 기존 백신 유래 면역에서 벗어날 위험이 있는지 예측할 수 있기를 바라고 있습니다. 그런 다음 이러한 정보는 백신 제조업체에 신속하게 피드백되어 새로 진화된 병원체가 지역 사회에 더 널리 퍼지기 전에 백신을 업데이트할 수 있습니다.

"일부 연구자들은 발견되지 않은 일반적인 바이러스의 순환과 진화가 이전에 믿었던 것보다 훨씬 더 흔하다는 것을 보여주었습니다."라고 Levy는 말합니다. "우려되는 변종의 출현과 같은 바이러스학의 주요 질문에 대한 이것이 갖는 중요성을 이해하기 위한 작업이 진행 중입니다. 

"우리는 다른 형태의 감시보다 10일 이상 일찍 폐수에서 새로운 바이러스 변종의 존재를 감지할 수 있는 것으로 나타났습니다. 이는 공중 보건 공무원과 이해관계자가 지침을 제공하고 일반 대중에게 필수적인 리드 타임을 제공합니다. 필요한 경우 행동을 수정합니다."라고 그는 말합니다.

유사한 정보를 사용하여 항생제를 보존하고 보호함으로써 미래 세대를 위해 계속해서 노력할 수 있습니다. 하수 샘플에서 저항성 유전자(박테리아가 특정 항생제 치료에 생존할 수 있는 능력을 부여하는 DNA 부분)의 존재 여부를 검사함으로써 항생제를 보존하고 보호할 수도 있습니다.

버지니아 공대 교수인 에이미 프루덴(Amy Pruden)은 이러한 종류의 감시가 저항 문제가 더 많은 지역사회를 정확히 찾아내는 데 도움이 될 수 있으며 의사들에게 인구 사이에 퍼지고 있는 잠재적인 감염에 대해 경고하고 처방할 수 있는 더 많은 정보를 제공할 수 있다고 말합니다. 가장 효과적인 항생제.


"유행되고 있는 아이디어는 메타게놈 DNA 시퀀싱을 사용할 가능성입니다 ."라고 Pruden은 말합니다. "이 접근법의 장점은 하수에 있는 모든 박테리아의 DNA 서열을 한 번에 분석한 다음 이를 데이터베이스와 비교하여 어떤 종류의 병원체가 존재할지, 어떤 종류의 저항 유전자를 가지고 있는지 확인할 수 있다는 것입니다. 여기에는 많은 잠재력이 있지만 아직 적용 초기 단계에 있습니다."라고 그녀는 말합니다.

궁극적인 희망은 이러한 감시 노력이 미래의 전염병 발생이나 심지어 초기 단계에서 전염병을 포착하여 정부가 이전보다 훨씬 빠르게 백신 및 약물 개발에 대응하고 노력할 수 있는 능력을 제공할 수 있다는 것입니다. 

앞으로 Ahmed의 팀과 전 세계의 다른 사람들은 항공기 폐수에서 바이러스 함량을 분석하여 잠재적인 새로운 인플루엔자와 코비드 변종, 심지어 세계 다른 곳에서 전염되는 새로운 바이러스까지 추적할 수 있는 가능성을 모색하고 있습니다.

Ahmed는 "다음 심각한 바이러스가 출현하기 전에 필요한 도구를 준비하는 것이 중요합니다. 그래야 효과적으로 바이러스에 대처할 수 있습니다."라고 말합니다.