[論文レビュー] Wastewater-based Epidemiology for COVID-19 Surveillance and Beyond: A Survey

Chen Chen, Wang, Yunfan+11 more|PubMed|Mar 22, 2024

SARS-CoV-2 detection and testing被引用数 4

ひとこと要約

本サーベイは、SARS-CoV-2監視のための廃水由来疫学（WBE）に関する現在の研究を統合し、サンプリング、検査、データ分析をカバーする。ウイルス排出のばらつきやシグナルの劣化といった主な課題を特定し、臨床データと統合するフレームワークを提案することで、感染症監視の向上を図る。

ABSTRACT

The pandemic of COVID-19 has imposed tremendous pressure on public health systems and social economic ecosystems over the past years. To alleviate its social impact, it is important to proactively track the prevalence of COVID-19 within communities. The traditional way to estimate the disease prevalence is to estimate from reported clinical test data or surveys. However, the coverage of clinical tests is often limited and the tests can be labor-intensive, requires reliable and timely results, and consistent diagnostic and reporting criteria. Recent studies revealed that patients who are diagnosed with COVID-19 often undergo fecal shedding of SARS-CoV-2 virus into wastewater, which makes wastewater-based epidemiology for COVID-19 surveillance a promising approach to complement traditional clinical testing. In this paper, we survey the existing literature regarding wastewater-based epidemiology for COVID-19 surveillance and summarize the current advances in the area. Specifically, we have covered the key aspects of wastewater sampling, sample testing, and presented a comprehensive and organized summary of wastewater data analytical methods. Finally, we provide the open challenges on current wastewater-based COVID-19 surveillance studies, aiming to encourage new ideas to advance the development of effective wastewater-based surveillance systems for general infectious diseases.

研究の動機と目的

• 従来の臨床検査によるCOVID-19監視の限界、すなわちカバー率の低さとデータ遅延を是正するため。
• 廃水由来疫学（WBE）がコミュニティレベルの疾患追跡の補完的ツールとして実現可能で信頼性があるかどうかを評価するため。
• SARS-CoV-2のための廃水サンプリング、ウイルス定量、データ分析手法に関する知識を体系化するため。
• WBEにおける未解決の課題、たとえばシグナル劣化、人口の代表性、臨床監視とのデータ統合を特定するため。
• COVID-19を超える他の感染症へのWBEの応用を促進する基盤を提供するため。

提案手法

• 2020年から2023年までのSARS-CoV-2のWBEに関する査読付き論文を系統的にレビュー・統合する。
• 廃水サンプリング手法を、即時採取（grab sampling）、コンポジット採取、下水処理場（WWTPs）やマンホールでの自動採取に分類する。
• SARS-CoV-2 RNA検出のためのRT-qPCRおよびデジタルドロップレットPCRを含む、ウイルス定量手法の分析を行う。
• 流量による正規化、人口調整済みウイルス負荷、時系列モデリングによる傾向検出といった、データ分析手法の評価を行う。
• 頻度、地理的範囲、データの可用性を含む、世界中のWBE監視プログラムを収集・比較する。
• WBEデータと臨床症例報告を統合し、アウトブレイク検出における整合性と補完性を評価する。

Figure 1: Overview of Wastewater-based Epidemiology Surveillance System.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる廃水サンプリング戦略は、コミュニティ人口におけるSARS-CoV-2検出の信頼性と代表性にどのように影響を及えるか？
• RQ2 廃水中ウイルス負荷がコミュニティレベルのSARS-CoV-2有病率の代理指標としてどの程度有効であるか、またその関係を歪める要因は何か？
• RQ3 多様な地理的・インfra構造的文脈において、WBEを標準化する上で直面する主な技術的・メソドロジカルな課題は何か？
• RQ4 WBEデータをどのように臨床監視データと効果的に統合することで、早期警戒およびアウトブレイク予測を改善できるか？
• RQ5 生の廃水データを行動可能な公衆衛生的知見に変換するための、最も効果的なデータ分析およびモデリング手法は何か？

主な発見

• 廃水由来監視は、臨床症例報告より1〜2週間前倒しでSARS-CoV-2有病率のタイムリーなコミュニティレベルのスナップショットを提供する。
• 廃水中のウイルス負荷は、下水内での希釈、下水内での劣化、ウイルス排出のばらつきの影響を強く受けるため、真のコミュニティ有病率が低く見積もられる傾向がある。
• 人口正規化と流量調整は、異なる下水流域や時系列におけるウイルス負荷の比較に不可欠である。
• 世界中のWBEプログラムは頻度とデータの透明性において顕著な差異を示しており、14か国が週1回以上でデータを報告している一方、他の国々では公開が見られない。
• WBEと臨床データを統合することで、特に検査率が低いか、無症状感染が顕著な状況において、アウトブレイク検出感度が向上する。
• 本サーベイで開発されたメソドロジカルフレームワークは、ポリオ、インフルエンザ、違法薬物など、既にWBEが適用されている事例を踏まえ、他の感染症に対しても一般化可能である。

Figure 2: The overview of wastewater data analytics.