Exploiter les analyses des eaux usées pour prévoir les poussées virales

Par Christina P. Hooton.

Un agent pathogène peut se déplacer silencieusement dans une communauté avant de faire connaître sa présence. Les personnes contagieuses peuvent présenter des symptômes tardifs ou être asymptomatiques, infectant ainsi d'autres personnes sans le savoir. Soudain, de nombreuses personnes sont atteintes de la même maladie. Pour éviter qu'un virus ne devienne un problème au niveau d'une ville ou d'un État, il faut savoir que les gens sont malades avant qu'ils ne le soient. Il semble peu probable de parvenir à une telle prescience, mais les eaux usées, une ressource abondante et accessible, sont récemment devenues un endroit populaire pour rechercher les signes avant-coureurs.

Les chercheurs et les communautés du monde entier ont essayé de comprendre l'efficacité de l'épidémiologie basée sur les eaux usées pour prédire les poussées de cas de COVID-19. Étant donné qu'une personne infectée par le virus commence à l'excréter dans ses selles avant de ressentir des symptômes, le test des eaux usées peut nous aider à anticiper une augmentation des cas plus tôt que les résultats des tests cliniques.¹ De plus, comme les tests cliniques, la détection est possible chez les patients symptomatiques et asymptomatiques.

La technique n'est pas nouvelle. En 2013, une épidémie de polio sauvage a été détectée grâce à la surveillance environnementale des eaux usées en Israël.² Ce type de surveillance au niveau national commence à prendre forme aux États-Unis en réponse à la pandémie. Les Centres de contrôle et de prévention des maladies (CDC) et le Département américain de la santé et des services sociaux ont créé le Système national de surveillance des eaux usées (NWSS) pour mieux comprendre l'étendue des infections par le SRAS-CoV-2 dans les communautés. À terme, les services de santé des États, des tribus, des localités et des territoires pourront soumettre leurs données d'analyse des eaux usées par le biais d'un portail, et les données seront résumées et interprétées afin de contribuer aux actions de santé publique. En outre, le CDC alloue 33 millions de dollars aux laboratoires de santé publique pour qu'ils commencent à effectuer des tests sur les eaux usées.

Tester le pouvoir des eaux usées

Deux chercheurs de la faculté de médecine de l'université du Minnesota ont étudié l'efficacité des tests sur les eaux usées pour prédire l'augmentation des cas de COVID-19 dans leur État. Les professeurs adjoints Glenn Simmons Jr, PhD, et Richard Melvin, PhD, ont collecté et analysé des échantillons provenant des stations d'épuration des eaux usées de 19 villes du Minnesota de mai 2020 à août 2020. L'équipe a d'abord commencé à tester les eaux usées des résidences universitaires afin de prévoir et de prévenir les épidémies de COVID-19 chez les étudiants, avant de s'intéresser à quelque chose ayant un impact plus large. Ils ont spécifiquement cherché à comprendre ce qui se passerait dans une grande région avec des populations diverses sur une longue période de temps. Une version préliminaire de leur étude est disponible sur medRxiv et fait actuellement l'objet d'un examen par les pairs.

Ils ont pu détecter la présence de l'ARN du SRAS-CoV-2 dans les eaux usées de villes dont la population varie de 500 à plus d'un million d'habitants 15 à 17 jours avant la confirmation de nouveaux cas cliniques. Depuis qu'ils sont passés de l'échantillonnage de 19 villes une fois par semaine à l'échantillonnage de 44 villes deux fois par semaine, cette fenêtre s'est réduite à entre 10 et 14 jours.³

Ce type d'information est particulièrement précieux dans les zones où l'accès au dépistage varie. Le Dr Simmons a déclaré qu'il avait d'abord abordé ce projet sous l'angle de l'équité, en demandant ce qu'ils pouvaient faire pour remédier au fait que la disponibilité des tests individualisés variait. À Duluth, nous avons différentes poches de personnes qui ont des circonstances différentes. Les tests au volant sont très pratiques, mais qu'en est-il des personnes qui n'ont pas de voiture ? Certains cas pourraient passer inaperçus.

"En regardant les eaux usées, on voit ce qui va se passer à l'avenir avec les cas cliniques", a déclaré le Dr Simmons.

Créer un flux régulier de données

Le lancement d'un projet de recherche comme celui du Minnesota a nécessité la participation et l'adhésion de plusieurs stations d'épuration des eaux usées dans différents endroits. En outre, il fallait disposer d'un personnel de laboratoire suffisant pour traiter les échantillons, une ressource qui s'est avérée insuffisante au cours de cette période de la pandémie. Ils ont recruté des diplômés récents pour travailler dans leur laboratoire et ont sollicité la participation des stations d'épuration des eaux usées par l'intermédiaire du site Web du Minnesota Environmental Science and Economic Review Board.

Une fois le cadre mis en place, des échantillons composites ont été collectés par le personnel de la station sur une base hebdomadaire, puis bihebdomadaire, et expédiés au laboratoire pendant la nuit sur de la glace humide. Dès réception, le personnel du laboratoire a stérilisé les tubes d'échantillonnage et a pasteurisé les échantillons en vue de l'extraction de l'ARN. Les échantillons d'ARN extraits ont ensuite été testés pour le SRAS-CoV-2.

Extraction d'informations significatives

Collecter les eaux usées de diverses villes signifiait qu'il y aurait un nombre important de variables affectant la concentration des agents pathogènes. Il s'agit notamment de la présence d'industries et des variations de la taille et du débit de chaque installation d'eaux usées.

Pour tenir compte des variations de chaque installation, les chercheurs ont utilisé le Pepper Mild Mottle Virus comme norme. Ce virus du poivre est le virus à ARN le plus abondant dans les matières fécales humaines et reste stable dans diverses conditions environnementales.⁴ Ils ont mesuré l'impact des variations du système sur les niveaux de concentration du virus du poivre et ont classé chaque installation en conséquence.

En outre, l'équipe devait normaliser les données brutes pour les transformer en informations digestes et adaptées à la consommation publique. Elle a créé l'indice de Melvin, une valeur simplifiée permettant de suivre les niveaux de virus par rapport au virus du poivre.

Aller de l'avant avec l'analyse des eaux usées

Bien que l'analyse des eaux usées s'avère être un outil efficace pour suivre l'augmentation et la diminution des cas de virus, il y a encore des informations qu'elle ne peut pas fournir. Le Dr Simmons a mentionné les limites de l'estimation du nombre de personnes infectées sur la seule base des eaux usées. Le nombre de variables en fait un jeu de devinettes complexe.

Les tests cliniques restent le moyen le plus précis de dénombrer les cas de virus. Cependant, si une augmentation suffisamment significative du virus est observée dans les eaux usées avant que les cas cliniques ne commencent à augmenter, des ressources peuvent être allouées aux zones touchées.

C'est ce qui s'est passé récemment à Davis, en Californie. Les responsables de la santé et les chercheurs ont constaté une augmentation potentielle des cas grâce à la surveillance des eaux usées, et les responsables locaux ont envoyé des alertes et encouragé les habitants des quartiers concernés à se faire tester. Grâce à l'échantillonnage des patients, ils ont pu déterminer que la variante Delta était dans le mélange⁵.

Les variantes sont une autre pièce du puzzle que le Dr Simmons et son équipe aimeraient intégrer dans leurs études jusqu'à la fin de l'année, et il existe également un potentiel pour les virus futurs. La grippe, par exemple, a été détectée avec succès dans les eaux usées pendant la pandémie H1N1 de 2009, selon une étude néerlandaise. L'un de nos souhaits est que ce système reste en place, et que nous changions simplement ce que nous regardons. Ou nous créons un panel de différentes cibles que nous examinons, qu'il s'agisse d'une autre maladie tropicale émergente, comme le virus Nipah ou le chikungunya, ou le SRAS", a déclaré le Dr Simmons.

Il souligne qu'en fournissant des données de surveillance sur les virus nouveaux et émergents à petites doses, au fur et à mesure qu'elles nous parviennent grâce à des techniques comme les tests sur les eaux usées, nous créons une conversation permanente avec les gens et les aidons à mieux comprendre la science sans les submerger. Ce type de dialogue et de transparence restera un élément essentiel de la gestion des crises de santé publique, aujourd'hui et à l'avenir.

Références

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