[논문 리뷰] Wastewater-based Epidemiology for COVID-19 Surveillance and Beyond: A Survey

Chen Chen, Wang, Yunfan외 11명|PubMed|2024. 03. 22.

SARS-CoV-2 detection and testing인용 수 4

한 줄 요약

이 종합 검토는 SARS-CoV-2 감시를 위한 생활용수 기반 역학학(WBE)에 관한 현재 연구를 종합적으로 분석하며, 샘플링, 검사 및 데이터 분석 기법을 포함한다. 연구는 바이러스 배출의 변동성과 신호의 열화와 같은 주요 과제를 규명하고, 임상 데이터와의 통합을 통해 감염병 모니터링을 향상시키기 위한 프레임워크를 제안한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 임상 검사 방식의 한계를 해결하기 위해, 감염병 감시에서 낮은 커버리지와 데이터 지연 문제를 해결하고자 한다.
• 생활용수 기반 역학학(WBE)이 공동체 수준의 질병 추적을 위한 보완 수단으로서의 타당성과 신뢰성을 평가하고자 한다.
• SARS-CoV-2에 대한 생활용수 샘플링, 바이러스 농도 측정 및 데이터 분석 방법에 관한 체계화된 지식을 정리하고자 한다.
• WBE에서의 열린 과제, 예를 들어 신호 열화, 인구 대표성, 임상 감시와의 데이터 통합 문제를 규명하고자 한다.
• COVID-19를 초월해 다른 감염병으로의 WBE 확장 기반을 마련하고자 한다.

제안 방법

• 2020년부터 2023년까지 생활용수 기반 SARS-CoV-2 감시에 관한 동료 심사 논문을 체계적으로 검토하고 종합하였다.
• 생활용수 샘플링 기법을 그룹화하였으며, 이는 즉시 샘플링, 복합 샘플링, 그리고 중수처리장 또는 하수도 맨홀에서의 자동 샘플링을 포함한다.
• SARS-CoV-2 RNA 검출을 위한 RT-qPCR 및 디지털 드롭렛 PCR을 포함한 바이러스 농도 측정 방법을 분석하였다.
• 유량 기반 정규화, 인구 기반 보정된 바이러스 농도, 추세 탐지용 시계열 모델링을 포함한 데이터 분석 기법을 평가하였다.
• 전 세계 WBE 감시 프로그램을 종합하고 비교하였으며, 이는 빈도, 지리적 범위, 데이터 가용성을 포함한다.
• WBE 데이터를 임상 사례 보고와 통합하여 유행병 탐지에서의 일치성과 보완성을 평가하였다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 생활용수 샘플링 전략은 공동체 인구에서 SARS-CoV-2 검출의 신뢰성과 대표성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 생활용수 내 바이러스 농도가 공동체 수준의 SARS-CoV-2 유병률을 어느 정도 대체 지표로 활용할 수 있으며, 어떤 요인이 이 관계를 왜곡하는가?
• RQ3 다양한 지리적 및 인프라 환경에서 WBE의 표준화에 있어 핵심적인 기술적 및 방법론적 과제는 무엇인가?
• RQ4 WBE 데이터를 어떻게 효과적으로 임상 감시 데이터와 융합하여 조기 경고 및 유행 예측 능력을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 원시 생활용수 데이터를 실질적인 공중보건 통찰으로 전환하기 위해 가장 효과적인 데이터 분석 및 모델링 접근법은 무엇인가?

주요 결과

• 생활용수 기반 감시는 SARS-CoV-2 유병률에 대한 시기적이고 공동체 수준의 개요를 제공하며, 종종 임상 사례 보고보다 1~2주 일찍 추세를 탐지할 수 있다.
• 생활용수 내 바이러스 농도는 하수도 내 희석, 하수도 내에서의 분해, 변동성이 큰 바이러스 배출로 인해 실제 공동체 유병률이 하향 평준화되어 나타나는 경향이 있다.
• 인구 기반 보정과 유량 조정은 서로 다른 하수수역과 시간대 간의 바이러스 농도를 비교하기 위해 필수적이다.
• 전 세계 WBE 프로그램은 빈도와 데이터 투명도 면에서 크게 다름을 보이며, 14개 국가는 주 1회 이상 데이터를 보고하고 있으나, 일부는 공개 접근이 불가능하다.
• WBE 데이터를 임상 데이터와 통합하면, 특히 검사율이 낮거나 무증상 전파가 우세한 환경에서 유행병 탐지 민감도가 향상된다.
• 이 종합 검토에서 개발된 방법론 프레임워크는 폴리오, 인플루엔자 및 불법 약물에 대한 기존 WBE 적용 사례를 통해 다른 감염병으로의 일반화 가능성이 입증되었다.

Figure 2: The overview of wastewater data analytics.