Aprovechar los análisis de las aguas residuales para predecir las oleadas de virus

Por Christina P. Hooton.

Un agente patógeno puede desplazarse silenciosamente por una comunidad antes de dar a conocer su presencia. Las personas contagiosas pueden experimentar síntomas tardíos o ser asintomáticas infectando a otros sin saberlo. De repente, muchas personas enferman de la misma enfermedad. Para atajar un virus antes de que se convierta en un problema, a nivel de la ciudad o del estado, hay que saber que la gente está enferma antes de que lo esté. Lograr este tipo de presciencia parece algo improbable pero las aguas residuales, un recurso abundante y accesible, se han convertido recientemente en un lugar popular para buscar señales de advertencia.

Investigadores y comunidades de todo el mundo han tratado de comprender la eficacia de la epidemiología basada en las aguas residuales para predecir el aumento de los casos de COVID-19. Dado que una persona infectada por el virus comienza a diseminarlo en sus heces antes de experimentar los síntomas, las pruebas de aguas residuales pueden ayudarnos a anticipar un aumento de casos antes que los resultados de las pruebas clínicas.¹ Además, al igual que las pruebas clínicas, la detección es posible tanto en pacientes sintomáticos como asintomáticos.

La técnica no es nueva. En 2013, se detectó una epidemia de poliomielitis salvaje utilizando la vigilancia ambiental de las aguas residuales en Israel. ² Este tipo de seguimiento a nivel nacional está empezando a tomar forma en Estados Unidos en respuesta a la pandemia. Los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) y el Departamento de Salud y Servicios Humanos de los Estados Unidos crearon el Sistema Nacional de Vigilancia de las Aguas Residuales (NWSS) para comprender mejor el alcance de las infecciones por SARS-CoV-2 en las comunidades. Con el tiempo, los departamentos de salud estatales, tribales, locales y territoriales podrán enviar sus datos de pruebas de aguas residuales a través de un portal, y los datos se resumirán e interpretarán para ayudar a informar las de acciones de salud pública. Además, los CDC están asignando 33 millones de dólares para que los laboratorios de salud pública comiencen a realizar pruebas de aguas residuales.

Probando el poder de las aguas residuales

Dos investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Minnesota han estudiado la eficacia de las pruebas de aguas residuales para predecir el aumento de casos de COVID-19 en su estado. Los profesores asistentes Glenn Simmons Jr, PhD, y Richard Melvin, PhD, recogieron y analizaron muestras de plantas de tratamiento de aguas residuales en 19 ciudades de Minnesota desde mayo de 2020 hasta agosto de 2020. El equipo comenzó inicialmente a analizar las aguas residuales de las residencias universitarias para predecir y prevenir los brotes de COVID-19 entre los estudiantes y, con el tiempo, puso su mirada en algo con impactos más amplios. En concreto, querían saber qué ocurriría en una gran región con poblaciones diversas durante un largo periodo de tiempo. Una versión previa a la publicación de su estudio está disponible en medRxiv y se encuentra actualmente en proceso de revisión por pares.

Pudieron detectar la presencia del ARN del SARS-CoV-2 en las aguas residuales de ciudades con poblaciones que van de 500 a más de un millón de personas entre 15 y 17 días antes de que se confirmaran nuevos casos clínicos. Desde que pasaron de muestrear 19 ciudades una vez a la semana a muestrear 44 ciudades dos veces a la semana, esta ventana se ha reducido a entre 10 y 14 días.³

Este tipo de información es especialmente valiosa en zonas donde el acceso a las pruebas es variable. El Dr. Simmons dijo que primero abordó este proyecto desde una perspectiva de equidad, preguntando qué podían hacer sobre el hecho de que la disponibilidad de las pruebas individualizadas variaba. "En Duluth, tenemos diferentes grupos de personas que tienen diferentes circunstancias. Las pruebas en el coche son muy cómodas, pero ¿qué pasa con las personas que no tienen coche?", planteó. Algunos casos podrían pasar desapercibidos.

"Mirando las aguas residuales, se ve lo que va a pasar en el futuro con los casos clínicos", dijo el Dr. Simmons.

Crear un flujo constante de datos

Iniciar un proyecto de investigación como el de Minnesota requería la participación y el compromiso de múltiples plantas de tratamiento de aguas residuales en diferentes lugares. Además, necesitaban personal de laboratorio suficiente para procesar las muestras, un recurso que escaseaba durante ese periodo de la pandemia. Reclutaron a recién licenciados para que trabajaran en su laboratorio y solicitaron la participación de las plantas de tratamiento de aguas residuales a través del sitio web de la Junta de Revisión Económica y Ciencias Ambientales de Minnesota.

Una vez establecido el marco, el personal de la planta recogía muestras compuestas semanalmente y finalmente quincenalmente, y las enviaba al laboratorio durante la noche en hielo húmedo. Al recibirlas, el personal del laboratorio esterilizó los tubos de las muestras y las pasteurizó para prepararlas para la extracción del ARN. Las muestras de ARN extraídas se analizaron para detectar el SARS-CoV-2.

Extracción de información significativa

Recoger las aguas residuales de una variedad de ciudades significaba que habría un número importante de variables que afectarían a la concentración de patógenos. Entre ellas, la presencia de la industria y las variaciones en el tamaño y el caudal de cada instalación de aguas residuales.

Para tener en cuenta las variaciones en cada instalación, los investigadores utilizaron el virus del moteado de la pimienta como estándar. Este virus de la pimienta es el virus de ARN más abundante en las heces humanas y permanece estable en diversas condiciones ambientales.⁴ Midieron el impacto de las variaciones del sistema en los niveles de concentración del virus de la pimienta y clasificaron cada instalación en consecuencia.

Además, el equipo necesitaba normalizar los datos brutos para convertirlos en información digerible y apta para el consumo público. Crearon el Índice de Melvin, un valor simplificado para el seguimiento de los niveles de virus en comparación con el virus de la pimienta.

Avanzar en las pruebas de aguas residuales

Aunque las pruebas de aguas residuales están demostrando ser una herramienta eficaz para seguir el aumento y la disminución de los casos de virus, todavía hay información que no puede proporcionar. El Dr. Simmons mencionó las limitaciones de la aproximación al número de personas infectadas basándose únicamente en las aguas residuales. El número de variables lo convierte en un complejo juego de adivinanzas.

Los análisis clínicos siguen siendo la forma más precisa de contar los casos de virus. Sin embargo, si se observa un aumento suficientemente significativo del virus en las aguas residuales antes de que empiecen a aumentar los casos clínicos, se pueden asignar recursos a las zonas afectadas.

Esto ocurrió recientemente en Davis, California. Las autoridades sanitarias y los investigadores vieron un posible aumento de los casos gracias a la vigilancia de las aguas residuales, y los funcionarios locales enviaron alertas y animaron a los habitantes de los barrios afectados a hacerse las pruebas. Junto con el muestreo de pacientes, pudieron determinar que la variante Delta estaba en la mezcla.⁵

Las variantes son otra pieza del rompecabezas que el Dr. Simmons y su equipo quieren integrar en sus estudios hasta finales de año, y también hay potencial para futuros virus. La gripe, por ejemplo, se detectó con éxito en las aguas residuales durante la pandemia de H1N1 de 2009, según un estudio de los Países Bajos. "Uno de nuestros deseos es que este sistema permanezca en su lugar y simplemente cambiemos lo que estamos viendo. O que creemos un panel de objetivos diferentes que estemos buscando, ya sea alguna otra enfermedad tropical emergente, como el virus Nipah o el chikungunya, o el SARS", dijo el Dr. Simmons.

Señala que al proporcionar datos de vigilancia sobre los virus nuevos y emergentes en pequeñas dosis a medida que están a nuestra disposición mediante técnicas como las pruebas de aguas residuales, estamos creando una conversación continua con la gente y ayudándola a comprender mejor la ciencia sin abrumarla. Este tipo de diálogo y transparencia seguirán siendo una parte crucial para hacer frente a las crisis de salud pública ahora y en el futuro.

Referencias

1. Jones D.L., Baluja M.Q., Graham D.W., Corbishley A., McDonald J.E., Malham S.K., et al. (2020). Shedding of SARS-CoV-2 in feces and urine and its potential role in person-to-person transmission and the environment-based spread of COVID-19. Sci Total Environ, 749. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141364
   
2. Brouwer, A.F., Eisenberg, J.N.S., Eisenberg, M.C., Grotto, I., Hindiyeh, M., Koopman, J.S., Manor, Y., Pomeroy, C.D., Shulman, L. M., (2018). Epidemiology of the silent polio outbreak in Rahat, Israel, based on modeling of environmental surveillance data. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(45). https://doi.org/10.1073/pnas.1808798115
   
3. Chaudhry, N., Freese, R., Georgewill, O., Melvin, R.G. & Simmons, G.E. (2021). Predictive power of SARS-CoV-2 wastewater surveillance for diverse populations across a large geographical range. medRxiv. https://doi.org/10.1101/2021.01.23.21250376
   
4. Kitajima, M., Sassi, H.P. & Torrey, J.R. (2018). Pepper mild mottle virus as a water quality indicator. npj Clean Water, 1, Article 19. https://doi.org/10.1038/s41545-018-0019-5
   
5. Abbott, B. (2021, July 25). Wastewater Helps Health Officials Spot Covid-19 Warning Signs. TheWall Street Journal.https://www.wsj.com/articles/wastewater-helps-health-officials-spot-covid-19-warning-signs-11627214400