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Epidemiología basada en aguas residuales

La epidemiología basada en aguas residuales (o vigilancia basada en aguas residuales o minería de información química de aguas residuales ) analiza las aguas residuales para determinar el consumo o la exposición a sustancias químicas o patógenos en una población. Esto se logra midiendo los marcadores químicos o biomarcadores en las aguas residuales generadas por las personas que contribuyen a la captación de una planta de tratamiento de aguas residuales . [1] La epidemiología basada en aguas residuales se ha utilizado para estimar el consumo de drogas ilícitas en comunidades o poblaciones, pero se puede utilizar para medir el consumo de alcohol, cafeína, diversos productos farmacéuticos y otros compuestos. [2] La epidemiología basada en aguas residuales también se ha adaptado para medir la carga de patógenos como el SARS-CoV-2 en una comunidad. [3] Se diferencia de las pruebas de drogas tradicionales , las pruebas de orina o heces en que los resultados son a nivel de población en lugar de a nivel individual. La epidemiología basada en aguas residuales es un esfuerzo interdisciplinario que se basa en el aporte de especialistas como operadores de plantas de tratamiento de aguas residuales , químicos analíticos y epidemiólogos .

Historia

La epidemiología basada en aguas residuales (WBE, por sus siglas en inglés) se puede aplicar en el campo de la investigación que utiliza el análisis de aguas residuales y cloacales para monitorear la presencia, distribución y prevalencia de una enfermedad o sustancias químicas en las comunidades. La técnica se ha utilizado durante varias décadas, y un ejemplo de su aplicación temprana es en la década de 1940, cuando la WBE se aplicó para la detección y distribución del virus de la poliomielitis en las aguas residuales de Nueva York, Chicago y otras ciudades. [4] Otra aplicación temprana se produjo en 1954, en un estudio de esquistosomas de caracoles. [5] La epidemiología basada en aguas residuales se extendió posteriormente a varios países. A principios del siglo XXI, numerosos estudios habían adoptado la técnica. [6] Un estudio de 2005 midió la cocaína y su metabolito benzoilecgonina en muestras de agua del río Po en Italia . [7]

La epidemiología basada en aguas residuales cuenta con el apoyo de organismos gubernamentales como el Observatorio Europeo de Drogas y Toxicomanías en Europa. [8] Contrapartes similares en otros países, como la Comisión Australiana de Inteligencia Criminal en Australia [9] y las autoridades en China [10] utilizan la epidemiología basada en aguas residuales para monitorear el uso de drogas en sus poblaciones.

Un grupo de científicos chinos publicó el primer estudio WBE sobre el SARS-CoV-2 en 2020. Evaluaron si el virus estaba presente en muestras fecales entre 74 pacientes hospitalizados por COVID-19 entre el 16 de enero y el 15 de marzo de 2020 en un hospital chino. El primer estudio estadounidense sobre el SARS-CoV-2 se realizó en Boston. En él se informó de una tasa de infección mucho mayor que la estimada a partir de pruebas de PCR individuales . También sirvió como sistema de alerta, alertando al público sobre brotes (y finales de brotes) antes de que cambiaran las tasas de pruebas positivas. Sin embargo, se ha encontrado una variabilidad considerable dentro de las poblaciones, en función de los perfiles de síntomas, lo que puede comprometer la precisión de la medición a medida que evoluciona el patógeno. [11]

En 2022, WBE había llegado a 3.000 sitios en 58 países. [12]

Técnica

La epidemiología basada en aguas residuales es análoga al análisis de orina a escala comunitaria. Los compuestos de moléculas pequeñas consumidos por un individuo pueden excretarse en la orina y/o las heces en forma del compuesto original inalterado o un metabolito. En comunidades con alcantarillado , esta orina se combina con otros desechos, incluida la orina de otros individuos, a medida que viajan a una planta de tratamiento de aguas residuales municipales . Las aguas residuales se muestrean en la entrada de la planta, antes del tratamiento. Esto se hace típicamente con dispositivos de muestreador automático que recogen muestras de flujo de 24 horas o temporalmente compuestas. Estas muestras contienen biomarcadores de todas las personas que contribuyen a una cuenca. [13] Las muestras recogidas se envían a un laboratorio, donde se utilizan técnicas de química analítica (como cromatografía líquida-espectrometría de masas ) para cuantificar los compuestos de interés. Estos resultados se pueden expresar en cargas per cápita basadas en el volumen de aguas residuales. [14] El consumo diario per cápita de una sustancia química de interés (por ejemplo, un fármaco) se determina como

donde R es la concentración de un residuo en una muestra de aguas residuales, F es el volumen de aguas residuales que representa la muestra, C es un factor de corrección que refleja la masa promedio y la fracción molar de excreción de un fármaco original o un metabolito, y P es el número de personas en una cuenca de aguas residuales. Se pueden realizar variaciones o modificaciones a C para tener en cuenta otros factores, como la degradación de una sustancia química durante su transporte en el sistema de alcantarillado. [2]

Aplicaciones

Los productos químicos que se detectan comúnmente incluyen, entre otros, los siguientes: [13] [2]

Comparaciones temporales

Al analizar muestras tomadas en diferentes momentos del tiempo, se pueden evaluar las tendencias diarias o a largo plazo. Este enfoque ha ilustrado tendencias como el aumento del consumo de alcohol y drogas recreativas los fines de semana en comparación con los días de semana. [13] Un estudio epidemiológico temporal basado en aguas residuales en Washington midió muestras de aguas residuales en Washington antes, durante y después de la legalización del cannabis. Al comparar el consumo de cannabis en aguas residuales con las ventas de cannabis a través de puntos de venta legales, el estudio mostró que la apertura de puntos de venta legales condujo a una disminución de la participación de mercado del mercado ilegal. [15]

Comparaciones espaciales

Las diferencias en el consumo de sustancias químicas entre distintas localidades se pueden establecer cuando se utilizan métodos comparables para analizar muestras de aguas residuales de diferentes lugares. El Observatorio Europeo de las Drogas y las Toxicomanías realiza periódicamente pruebas en varias ciudades de Europa para estimar el consumo de drogas ilegales. Los datos de estas actividades de seguimiento se utilizan junto con métodos de seguimiento más tradicionales para comprender los cambios geográficos en las tendencias de consumo de drogas. [8]

Vigilancia microbiana

Vigilancia de virus

Las aguas residuales también pueden analizarse para detectar firmas de virus excretados a través de las heces, como los enterovirus poliovirus, aichivirus y coronavirus. [16] [17] [3] Los programas sistemáticos de vigilancia de aguas residuales para monitorear enterovirus, en particular poliovirus, se instituyeron ya en 1996 en Rusia. [18] La OMS reconoce que las pruebas de aguas residuales son una herramienta importante para la vigilancia del poliovirus , especialmente en situaciones en las que faltan métodos de vigilancia convencionales o donde se sospecha la circulación o introducción viral. [19] La epidemiología de los virus basada en aguas residuales tiene el potencial de informar sobre la presencia de brotes virales cuando o donde no se sospecha. Un estudio de 2013 de muestras de aguas residuales archivadas de los Países Bajos encontró ARN viral de Aichivirus A en muestras de aguas residuales holandesas que datan de 1987, dos años antes de la primera identificación de Aichivirus A en Japón. [20] Durante la pandemia de COVID-19 , la epidemiología basada en aguas residuales utilizando qPCR y/o RNA-Seq se utilizó en varios países como un método complementario para evaluar la carga de COVID-19 y sus variantes en las poblaciones. [3] [21] [22] Se han instituido programas de vigilancia regular para monitorear el SARS-Cov-2 en aguas residuales en poblaciones de países como Canadá , Emiratos Árabes Unidos , [23] China , Singapur , Países Bajos , [24] España , [25] Austria , [22] Alemania [26] y Estados Unidos . [27] Además de la vigilancia de las aguas residuales humanas, también se han realizado estudios sobre las aguas residuales del ganado. [28] Un artículo de 2011 informó hallazgos de 11,8% de muestras de aguas residuales humanas recolectadas y 8,6% de muestras de aguas residuales porcinas como positivas del patógeno Clostridioides difficile . [29]

Aplicaciones contra brotes importantes

A partir de agosto de 2020, la OMS reconoce la vigilancia de las aguas residuales del SARS-CoV-2 como una fuente potencialmente útil de información sobre la prevalencia y las tendencias temporales de la COVID-19 en las comunidades, al tiempo que destaca que deben abordarse las lagunas en la investigación, como las características de propagación del virus. [30] Es posible que estas pruebas agregadas hayan detectado casos tempranos. [31] Los estudios muestran que la epidemiología basada en aguas residuales tiene el potencial de un sistema de alerta temprana y de seguimiento de las infecciones por COVID-19. [32] [33] [34] [35] [36] Esto puede resultar especialmente útil una vez que una gran proporción de las poblaciones regionales estén vacunadas o recuperadas y no necesiten realizar pruebas rápidas, aunque en algunos casos sean infecciosas de todos modos. [37]
Flujo de trabajo aproximado para la detección del ADN del virus de la viruela del simio en muestras de aguas residuales en los Países Bajos [38]

La vigilancia de las aguas residuales , que se expandió sustancialmente durante la pandemia anterior de COVID-19 , se utilizó para detectar la viruela del mono en el brote de viruela del mono de 2022. [39] [40] [38]

No está claro cuán rentable es la vigilancia de las aguas residuales, pero la coordinación nacional y los métodos estandarizados podrían ser útiles. [41] Las infecciones menos comunes pueden ser difíciles de detectar, incluidas las que causan hepatitis o enfermedades transmitidas por los alimentos. [42] Una advertencia de un aumento de casos a partir de la vigilancia de las aguas residuales puede "dar a los departamentos de salud un tiempo crítico para tomar decisiones sobre la asignación de recursos y las medidas preventivas" y "a diferencia de las pruebas a personas individuales, las pruebas de aguas residuales brindan información sobre toda la población dentro de una zona de captación". [43]

Un informe de 2023 de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina pidió pasar del sistema de base que "surgió de manera ad hoc, impulsado por el voluntariado y la financiación de emergencia relacionada con la pandemia" a un sistema nacional más estandarizado y sugirió que dicho sistema "debería ser capaz de rastrear una variedad de amenazas potenciales, que podrían incluir futuras variantes del coronavirus, virus de la gripe, bacterias resistentes a los antibióticos y patógenos completamente nuevos". [44]

Resistencia a los antimicrobianos

El 'resistoma' global basado en el monitoreo de aguas residuales [45]
Red de intercambio de genes entre géneros bacterianos [45]

En 2022, los epidemiólogos genómicos informaron los resultados de una encuesta mundial sobre la resistencia a los antimicrobianos (RAM) a través de la epidemiología genómica basada en aguas residuales, y encontraron grandes variaciones regionales, proporcionaron mapas y sugirieron que los genes de resistencia también se transmiten entre especies microbianas que no están estrechamente relacionadas. [46] [45] Una revisión de 2023 sobre la epidemiología basada en aguas residuales opinó sobre la necesidad de vigilancia de las aguas residuales de granjas con ganado, mercados húmedos y áreas circundantes dado el mayor riesgo de propagación de patógenos a los humanos. [47]

Véase también

Referencias

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