Κοροναϊός: Τα λύματα «οσμίζονται» εγκαίρως τις νέες παραλλαγές

Μπορεί να μην είναι και η πιο… άοσμη μέθοδος παρακολούθησης της πορείας της κορονο-πανδημίας, είναι όμως άκρως αποτελεσματική στο να εντοπίζει την αύξηση των κρουσμάτων της COVID-19 στην κοινότητα.

Ο λόγος για την ανάλυση των λυμάτων όπου καταλήγουν τμήματα του ιού SARS-CoV-2 κάθε φορά που συμπτωματικά αλλά και ασυμπτωματικά κρούσματα της COVID-19… τραβούν καζανάκι, πλένονται στον νιπτήρα ή στην μπανιέρα – όσο περισσότερα αντίγραφα του ιού εντοπίζονται στα λύματα τόσο περισσότερα είναι τα μολυσμένα άτομα σε μια περιοχή.

• Διαβάστε επίσης: Ποιοι κινδυνεύουν περισσότερο να νοσηλευτούν εάν νοσήσουν από κοροναϊό 

Η έγκυρη, όπως έχει επανειλημμένως αποδειχθεί τα τελευταία δυόμισι και πλέον πανδημικά έτη, αυτή η μέθοδος εφαρμόζεται ήδη σε πολλές χώρες, συμπεριλαμβανομένης της Ελλάδας. Ωστόσο μέχρι σήμερα οι αναλύσεις του είδους εμφανίζουν έναν σημαντικό περιορισμό: ανιχνεύουν μεν τον πανδημικό κοροναϊό και την αύξηση ή τη μείωση του ιικού φορτίου στα λύματα αλλά δεν εντοπίζουν τις παραλλαγές του, με αποτέλεσμα να μη «μυριζόμαστε» εγκαίρως τα αναδυόμενα απειλητικά στελέχη ώστε να δράσουμε προληπτικά εναντίον τους προτού εκείνα εξαπλωθούν στην κοινότητα.

Εκλεπτυσμένο εργαλείο

Και εδώ έρχεται ένα νέο εργαλείο που ανέπτυξαν ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο και το μη κερδοσκοπικό Ινστιτούτο Βιοϊατρικής Scripps Research, σε συνεργασία με την επιστημονική συμμαχία του Σαν Ντιέγκο για την Επιδημιολογία και την Ερευνα σχετικά με την Υγεία στην COVID (SEARCH), να προσφέρει εκείνη την… εκλεπτυσμένη μύτη που έλειπε μέχρι σήμερα για την ταυτοποίηση των αναδυόμενων παραλλαγών του SARS-CoV-2 στα λύματα.

Η μεγάλη ερευνητική ομάδα ανέφερε προσφάτως (συγκεκριμένα στις 7 Ιουλίου) στην επιθεώρηση «Νature» ότι ποσότητα λυμάτων που χωράει σε μόλις δύο κουταλάκια του γλυκού είναι αρκετή για να προσδιορίσει το γενετικό «μείγμα» των διαφορετικών παραλλαγών του πανδημικού κοροναϊού που κυκλοφορούν σε έναν πληθυσμό και να ταυτοποιήσει την ύπαρξη νέων παραλλαγών ανησυχίας έως και 14 ημέρες πριν από τον «παραδοσιακό» κλινικό έλεγχο. Μάλιστα η καινούργια μέθοδος δεν έχει μείνει μόνο στα… χαρτιά και στις δημοσιεύσεις σε επιστημονικά περιοδικά: έχει ήδη εφαρμοστεί στα λύματα του Σαν Ντιέγκο οδηγώντας σε ανίχνευση της παραλλαγής Ομικρον 11 ημέρες πριν από τον πρώτο κλινικό εντοπισμό της στη συγκεκριμένη περιοχή.

Η ταχεία ανίχνευση των νέων παραλλαγών του SARS-CoV-2 στα λύματα καθίσταται δυνατή χάρη σε έναν αλγόριθμο που ανέπτυξαν οι ερευνητές και τον οποίο ονόμασαν «Freyja» (η Φρέγια ήταν, σύμφωνα με τη σκανδιναβική μυθολογία, η θεά του έρωτα, της αγάπης, του πολέμου, της γονιμότητας). Μάλιστα, όπως πληροφόρησε το ΒΗΜΑ-Science η πρώτη συγγραφέας της νέας μελέτης, δρ Σμρούθι Καρθικέγιαν, μηχανικός περιβάλλοντος, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο και επικεφαλής επιστήμονας ανάπτυξης και εφαρμογής του προγράμματος επιτήρησης του SARS-CoV-2 στα λύματα, η μέθοδος της ίδιας και της ομάδας στην οποία συμμετέχει έχει ήδη υιοθετηθεί από πλήθος αρμόδιων αρχών και εργαστηρίων δημόσιας υγείας τόσο στις ΗΠΑ όσο και σε άλλες χώρες.

Ισχυρά πλεονεκτήματα

Και αυτό διότι παρουσιάζει βασικά πλεονεκτήματα: «Η συμβατική μέθοδος κλινικής επιτήρησης για τις νέες παραλλαγές ανησυχίας του SARS-CoV-2 είναι αργή αλλά και για πολλές χώρες απαγορευτική σε ό,τι αφορά το κόστος. Με το νέο αυτό εργαλείο όμως καθίσταται δυνατόν με ένα δείγμα λυμάτων – για την ακρίβεια με ποσότητα λυμάτων ίση με δύο κουταλιές του γλυκού – να μπορεί να ελεγχθεί μια ολόκληρη πόλη. Ενα άλλο πρόβλημα με την ανάλυση κλινικών δειγμάτων είναι ότι υπάρχουν πολλά ασυμπτωματικά άτομα τα οποία ούτε καν διαγιγνώσκονται, καθώς και πολλά άλλα άτομα που πραγματοποιούν διαγνωστικά τεστ στο σπίτι και δεν συμβάλλουν στη δεξαμενή δεδομένων. Με την ανάλυση των λυμάτων δεν υπάρχουν πια τέτοια «τυφλά σημεία»» ανέφερε σε σχετικό δελτίο Τύπου για τη μελέτη ο Κρίστιαν Αντερσεν, καθηγητής Ανοσολογίας και Μικροβιολογίας στο Scripps Research, εκ των κύριων συγγραφέων της καινούργιας μελέτης.

Το νέο εργαλείο βασίζεται στην ποιότητα (της ανάλυσης) και όχι στην ποσότητα (των δειγμάτων), σχολίασε στο ΒΗΜΑ-Science η δρ Καρθικέγιαν. «Η νέα μέθοδος απαιτεί αλληλούχηση ποσοστού μικρότερου του 3% των δειγμάτων λυμάτων σε σύγκριση με την κλασική κλινική αλληλούχηση και παρ’ όλα αυτά προσφέρει ταχύτερη και πιο έγκαιρη ταυτοποίηση των νέων παραλλαγών του κοροναϊού που προκαλούν ανησυχία. Η επιτήρηση της πορείας της πανδημίας μέσω του ελέγχου των λυμάτων είναι οικονομικότερη και πιο βιώσιμη σε σχέση με την κλινική επιτήρηση, γεγονός που την καθιστά ιδανική κυρίως για περιοχές όπου υπάρχει περιορισμένη πρόσβαση του πληθυσμού σε διαγνωστικό έλεγχο ή ακόμη και δισταγμός του πληθυσμού να υποβληθεί στον έλεγχο – όλα αυτά μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντική καθυστέρηση ανίχνευσης των αναδυόμενων παραλλαγών. Με δεδομένο μάλιστα ότι το δικό μας εργαλείο απαιτεί πολύ λιγότερα δείγματα για να δώσει έγκυρο αποτέλεσμα, μπορεί να αποτελέσει ένα μακροπρόθεσμο «όπλο» παθητικής επιτήρησης της πορείας του SARS-CoV-2. Kάτι τέτοιο είναι άκρως σημαντικό για την εφαρμογή παρεμβάσεων δημόσιας υγείας σε πληθυσμούς χωρών όπου η συστηματική γενωμική επιτήρηση για τον ιό παραμένει περιορισμένη».

Βασική έρευνα

Πώς καθίσταται δυνατή λοιπόν μια τόσο αποτελεσματική ανάλυση με βάση ένα τόσο μικρό δείγμα; Για να δοθεί απάντηση στο ερώτημα αυτό χρειάζεται να πάμε πίσω στην οργανωμένη επιστημονική δουλειά που «έχτισε» βήμα-βήμα το άρτιο αποτέλεσμα. Οπως εξήγησε η δρ Καρθικέγιαν, το πρόγραμμα πήρε «σάρκα και οστά» μέσα από τη στενή συνεργασία μεταξύ νοσοκομείων, τοπικών αρχών, εργαστηρίων αλληλούχησης και επιστημόνων διαφορετικών κέντρων. Καθοριστικός ήταν ο ρόλος του Εργαστηρίου του καθηγητή Μικροβιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο Ρομπ Νάιτ, στο οποίο εργάζεται και η δρ Καρθικέγιαν.

Το Εργαστήριο Νάιτ ήταν εκείνο που έκανε αρχικώς όλη τη… βρώμικη δουλειά. Χρησιμοποίησε 131 ρομπότ που διαχειρίζονται υγρά, τα οποία και συνέλεξαν δείγματα λυμάτων από 343 κτίρια της πανεπιστημιούπολης του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο καθώς και από 17 δημόσια σχολεία τεσσάρων περιοχών της πόλης – τα ρομπότ συνέλεξαν επίσης δείγματα από μεγάλες μονάδες επεξεργασίας λυμάτων όλης της περιοχής. Σε διάστημα σχεδόν ενός έτους η ομάδα ανέλυσε περισσότερα από 20.000 δείγματα λυμάτων – κατά τη διάρκεια μάλιστα αυτής της μακράς διαδικασίας ανέπτυξε βελτιωμένες μεθόδους συλλογής του ιικού RNA στα λύματα, οι οποίες πλέον εφαρμόζονται σε πολλά εργαστήρια δημόσιας υγείας των ΗΠΑ αλλά και σε άλλες χώρες.

Στη συνέχεια τη σκυτάλη πήρε η ομάδα του Scripps Research με επικεφαλής τον καθηγητή Αντερσεν αναλαμβάνοντας την αποστολή της ταυτοποίησης των επιμέρους παραλλαγών του ιού. Σήμερα η διαδικασία αυτή λαμβάνει χώρα μέσω της αλληλούχησης ιικών δειγμάτων που λαμβάνονται από ασθενείς – ωστόσο η συγκεκριμένη διαδικασία είναι αργή και ακριβή, ενώ με την πάροδο του χρόνου έχει καταστεί και λιγότερο αποτελεσματική στη «σύλληψη» του εύρους των διαφορετικών παραλλαγών του SARS-CoV-2 που κυκλοφορούν στον πληθυσμό, καθώς πλέον ολοένα και περισσότεροι άνθρωποι διενεργούν self tests στο σπίτι και δεν καταφεύγουν σε εξειδικευμένα εργαστήρια για διάγνωση της COVID-19.

Οικονομία χρόνου – χρημάτων

Οι ερευνητές του Scripps Research δημιούργησαν μια βιβλιοθήκη «γραμμωτών κωδικών» με τους οποίους ταυτοποιούνταν οι διαφορετικές παραλλαγές του πανδημικού κοροναϊού βάσει μικρών τμημάτων του RNA που είναι μοναδικά για την κάθε παραλλαγή. Το γενετικό υλικό του ιού «κολυμπούσε» μέσα στα λύματα και αυτό το υλικό ήταν και η βάση για την ταυτοποίηση των παραλλαγών – οι επιστήμονες με χρήση του αλγορίθμου «Freyja» έψαχναν μέσα στον τεράστιο όγκο των γενετικών πληροφοριών των λυμάτων για τους συγκεκριμένους γραμμωτούς κωδικούς. Η διαδικασία ήταν απλή και ταχύτατη – άπαξ και το δείγμα των λυμάτων είχε ήδη αλληλουχηθεί, χρειάζονταν μόλις 20 δευτερόλεπτα επιπλέον για να αποκαλυφθεί η παραλλαγή του ιού που εντοπιζόταν στο δείγμα. Σύμφωνα με τους ερευνητές, οποιοδήποτε εργαστήριο ανά τον κόσμο εντοπίζει αυτή τη στιγμή τον ιό SARS-CoV-2 στα λύματα, είναι πλέον σε θέση, χάρη στο δωρεάν πρόγραμμα «Freyja», να εξάγει αποτελέσματα και για τις συγκεκριμένες παραλλαγές του στο εκάστοτε δείγμα μέσα σε λιγότερο από μισό λεπτό!

Θησαυρός πληροφορίας

Οπως μας εξήγησε η δρ Καρθικέγιαν, όταν το πρόγραμμα «Freyja» εφαρμόστηκε στα δείγματα λυμάτων του Σαν Ντιέγκο και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τα κλινικά δεδομένα που είχαν συλλεγεί από την πόλη από τη SEARCH, τότε φάνηκε καθαρά η υπεροχή της νέας μεθόδου. «Το νέο εργαλείο ανίχνευσε στα λύματα παραλλαγές ανησυχίας του SARS-CoV-2, συμπεριλαμβανομένων της Αλφα, της Δέλτα και της Ομικρον ως και 14 ημέρες πριν από τον κλινικό εντοπισμό τους – πρόσφερε μάλιστα ανίχνευση ακόμη και όταν τα επίπεδα των παραλλαγών αυτών στα λύματα ήταν πολύ χαμηλά, της τάξεως του 1%-1,5% .

Είναι μάλιστα χαρακτηριστικό ότι με χρήση του «Freyja» η παραλλαγή Μu (Β.1.621) ανιχνεύθηκε στα λύματα του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο στις 27 Ιουλίου 2021 – τέσσερις εβδομάδες πριν από τον πρώτο κλινικό εντοπισμό της στην πανεπιστημιούπολη». Μάλιστα, η ομάδα, χρησιμοποιώντας πιο πρόσφατα δεδομένα, τα οποία δεν περιλαμβάνονται στην αρχική περίοδο της μελέτης που δημοσιεύθηκε στο «Nature», εντόπισε για πρώτη φορά την παραλλαγή Ομικρον του SARS-CoV-2 στη μεγαλύτερη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων του Σαν Ντιέγκο (Point Loma), που εξυπηρετεί περισσότερους από 2 εκατομμύρια κατοίκους, στις 27 Νοεμβρίου 2021, 11 ημέρες πριν από τον πρώτο κλινικό εντοπισμό της στην πόλη.

«Τα λύματα αποτελούν έναν «θησαυρό» άκρως πολύτιμων πληροφοριών σχετικά με την υγεία του πληθυσμού. Μεταξύ άλλων περιέχουν τα ιικά γονιδιώματα τα οποία, αν εντοπιστούν και αναλυθούν, μας επιτρέπουν να παρακολουθούμε στενά την πορεία μιας πανδημίας ή επιδημίας» σημείωσε η δρ Καρθικέγιαν.

Διεύρυνση του προγράμματος

Και αυτόν τον «θησαυρό» τον εκμεταλλεύονται πλέον – με την αρωγή του προγράμματος «Freyja» – και άλλες χώρες, μας ενημέρωσε η ερευνήτρια. «Η μέθοδός μας χρησιμοποιείται ήδη από εθνικά εργαστήρια δημόσιας υγείας των ΗΠΑ καθώς και από ακαδημαϊκά ιδρύματα της χώρας. Μάλιστα η αρμόδια Υπηρεσία Τροφίμων και Φαρμάκων (FDA) χρησιμοποιεί το υπολογιστικό εργαλείο μας στους πίνακες δεδομένων που δημοσιεύει σχετικά με την παρακολούθηση του ιού στα λύματα. Η μέθοδός μας έχει «ταξιδέψει« και σε άλλες χώρες: εφαρμόζεται ήδη στην Ινδία και σε χώρες της Δυτικής Αφρικής, ενώ και άλλες αρμόδιες αρχές ανά τον κόσμο έχουν έλθει σε επαφή μαζί μας προκειμένου να την υιοθετήσουν».

Τα επόμενα βήματα για την ερευνητική ομάδα διά στόματος της δρος Καρθικέγιαν «είναι κατ’ αρχάς να βελτιστοποιήσουμε ακόμη περισσότερο τα εργαλεία ανάλυσης των λυμάτων και συγχρόνως να εφαρμόσουμε τις ίδιες στρατηγικές όχι μόνο για την ταυτοποίηση των παραλλαγών του SARS-CoV-2 αλλά και για άλλα παθογόνα. Συγκεκριμένα μελετάμε αυτή τη στιγμή τη χρήση της μεθόδου σε άλλους ιούς του αναπνευστικού συστήματος, όπως η γρίπη και ο αναπνευστικός συγκυτιακός ιός, αλλά και στην ευλογιά των πιθήκων. Διερευνούμε επίσης τη χρήση της για τον μη στοχευμένο έλεγχο νόσων στον πληθυσμό – αυτό σημαίνει ότι προχωράμε σε αλληλούχηση του γενετικού υλικού διαφορετικών παθογόνων χωρίς να έχουμε κάποιον συγκεκριμένο στόχο, κοινώς κάνουμε αλληλούχηση όλου του ιικού περιεχομένου που εντοπίζουμε στα λύματα προκειμένου να φέρουμε πιθανώς στο φως κάποια νέα ιογενή απειλή για τον πληθυσμό». Διότι, όπως τελικώς αποδεικνύεται, αν ξέρεις πού και πώς να ψάξεις, όλα τα αόρατα γίνονται ορατά…

20δευτερόλεπτα απαιτούνται προκειμένου ο αλγόριθμος που ανέπτυξαν οι αμερικανοί ερευνητές να δείξει την κατανομή των διαφορετικών παραλλαγών του SARS-CoV-2 σε ένα δείγμα λυμάτων.11ημέρες πριν από τον κλινικό εντοπισμό της στο Σαν Ντιέγκο ανίχνευσε η νέα μέθοδος ανάλυσης των λυμάτων την παραλλαγή Ομικρον.

Η χρήση της νέας μεθόδου σε άλλες χώρες

Ενα τέτοιο εργαλείο σαν και αυτό που σας παρουσιάσαμε σήμερα θα μπορούσε να αποδειχθεί πολύτιμο σε όλες τις χώρες, προειδοποιώντας για την ανάδυση νέων παραλλαγών του SARS-CoV-2 και οδηγώντας στην έγκαιρη λήψη προληπτικών μέτρων, όπως η συστηματική χρήση μάσκας, η εγρήγορση σε ό,τι αφορά τον εμβολιασμό, ο συχνότερος διαγνωστικός έλεγχος του πληθυσμού. Ενα εύλογο ερώτημα, λοιπόν, είναι πόσο εύκολα μπορεί να εφαρμοστεί οπουδήποτε και αυτό ακριβώς το ερώτημα θέσαμε στη δρα Καρθικέγιαν.

Οπως απάντησε, «σημαντικός παράγοντας στην όλη διαδικασία για την οποιαδήποτε χώρα είναι το πόσο ευρεία συλλογή δειγμάτων μπορεί να κάνει. Προκειμένου να γίνεται μεγάλης κλίμακας αυτοματοποιημένη επεξεργασία δειγμάτων μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα (της τάξεως των τεσσάρων ωρών) απαιτούνται ρομπότ που συλλέγουν υγρά, τα οποία και μειώνουν σημαντικά τον χρόνο, τον κόπο του προσωπικού και το κόστος ανά δείγμα – όταν υπάρχουν διαθέσιμα τέτοια ρομπότ μπορεί να γίνει τελικώς επεξεργασία 100 δειγμάτων ημερησίως.

Ωστόσο, αν δεν υπάρχουν τέτοια ρομπότ διαθέσιμα, η διαδικασία μπορεί να γίνει και χειρωνακτικά – σε αυτή την περίπτωση γίνεται τελικώς συλλογή και επεξεργασία της τάξεως των 10-20 δειγμάτων ημερησίως. Σε ό,τι αφορά το υπολογιστικό εργαλείο μας, είναι πολύ απλό στη χρήση και δωρεάν – αν έχει ήδη γίνει αλληλούχηση του ιικού γονιδιώματος απαιτούνται λιγότερα από 30 δευτερόλεπτα προκειμένου ο αλγόριθμος να δείξει την κατανομή των διαφορετικών παραλλαγών του ιού σε ένα δείγμα».

Πηγή: Εντυπη Εκδοση ΤΟ ΒΗΜΑ