Instrumento epidemiológico para la búsqueda de sustancias tóxicas.
La epidemiología basada en aguas residuales (o vigilancia basada en aguas residuales o extracción 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 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 las aguas residuales se ha utilizado para estimar el uso de drogas ilícitas en comunidades o poblaciones, pero puede usarse para medir el consumo de alcohol, cafeína, diversos productos farmacéuticos y otros compuestos. [2] La epidemiología basada en las 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 tradicionales de drogas , orina o heces en que los resultados son a nivel poblacional en lugar de a nivel individual. La epidemiología basada en aguas residuales es un esfuerzo interdisciplinario que se basa en aportes de especialistas como operadores de plantas de tratamiento de aguas residuales , químicos analíticos y epidemiólogos .
Historia
La epidemiología basada en aguas residuales (WBE) se puede aplicar en el campo de la investigación que utiliza el análisis de aguas residuales 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 la década de 1940, cuando se aplicó WBE para la detección y distribución del poliovirus 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] Posteriormente, la epidemiología basada en las aguas residuales se extendió 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 las aguas residuales cuenta con el apoyo de organismos gubernamentales como el Observatorio Europeo de las Drogas y las 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 consumo de drogas en sus poblaciones.
En 2022, WBE había llegado a 3000 sitios en 58 países. [11]
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 de 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 provino de Boston. Informó de una tasa de infección mucho más alta de lo que se había estimado a partir de pruebas de PCR individuales . También sirvió como sistema de alerta, alertando al público sobre los brotes (y su fin) antes de que cambiaran las tasas de pruebas positivas. Sin embargo, se ha encontrado una variabilidad considerable dentro de las poblaciones, basada en los perfiles de síntomas, lo que puede comprometer la precisión de las mediciones a medida que evoluciona el patógeno. [12]
Técnica
La epidemiología basada en las aguas residuales es análoga al análisis de orina a escala comunitaria. Los compuestos de molécula pequeña consumidos por un individuo pueden excretarse en la orina y/o las heces en forma de compuesto original inalterado o de un metabolito. En comunidades con alcantarillado , esta orina se combina con otros desechos, incluida la orina de otras personas, cuando viajan a una planta municipal de tratamiento de aguas residuales . Las aguas residuales se muestrean en la entrada de la planta, antes de su tratamiento. Esto generalmente se hace con dispositivos de muestreo automático que recolectan muestras compuestas temporalmente o de flujo de 24 horas. Estas muestras contienen biomarcadores de todas las personas que contribuyen a una cuenca. [13] Las muestras recolectadas se envían a un laboratorio, donde se utilizan técnicas de química analítica (como cromatografía líquida-espectrometría de masas ) para cuantificar 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 medicamento) se determina como
donde R es la concentración de un residuo en una muestra de agua residual, F es el volumen de agua residual que representa la muestra, C es un factor de corrección que refleja la masa promedio y la fracción de excreción molar de un fármaco original o un metabolito, y P es la Número de personas en una cuenca de aguas residuales. Se pueden hacer 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
Las sustancias químicas comúnmente detectadas incluyen, entre otras, las siguientes; [13] [2]
Al analizar muestras tomadas en diferentes momentos, se pueden evaluar las tendencias diarias o a más 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 laborables. [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 cuota de mercado del mercado ilegal. [15]
Comparaciones espaciales
Se pueden establecer diferencias en el consumo de productos químicos entre diferentes lugares 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 estos esfuerzos de monitoreo se utilizan junto con métodos de monitoreo más tradicionales para comprender los cambios geográficos en las tendencias del consumo de drogas. [8]
Vigilancia microbiana
Vigilancia de virus
Las aguas residuales también se pueden analizar en busca de virus excretados a través de las heces, como los enterovirus poliovirus, aichivirus y coronavirus. [16] [17] [3] Ya en 1996 se instituyeron en Rusia programas sistemáticos de vigilancia de aguas residuales para monitorear los enterovirus, concretamente el poliovirus. [18] La OMS reconoce que las pruebas de aguas residuales son una herramienta importante para la vigilancia del poliovirus , especialmente en situaciones donde faltan métodos de vigilancia convencionales o donde se sospecha circulación o introducción viral. [19] La epidemiología de los virus basada en las 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 del Aichivirus A en muestras de aguas residuales holandesas que datan de 1987, dos años antes de la primera identificación del 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 método complementario para evaluar la carga de COVID-19 y sus variantes en las poblaciones. [3] [21] [22] Se han instituido programas regulares de vigilancia 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 ganaderas. [28] Un artículo de 2011 informó que el 11,8% de las muestras de aguas residuales humanas recolectadas y el 8,6% de las muestras de aguas residuales porcinas dieron positivo al patógeno Clostridiodes difficile . [29]
Aplicaciones contra grandes brotes
A partir de agosto de 2020, la OMS reconoce la vigilancia de las aguas residuales del SARS-CoV-2 como una fuente de información potencialmente útil sobre la prevalencia y las tendencias temporales de la COVID-19 en las comunidades, al tiempo que destaca que se deben abordar las lagunas en la investigación, como las características de eliminación del virus. . [30] Estas pruebas agregativas pueden haber detectado casos tempranos. [31] Los estudios muestran que la epidemiología basada en las aguas residuales tiene el potencial de ser un sistema de alerta temprana y monitoreo de infecciones por COVID-19. [32] [33] [34] [35] [36] Esto puede resultar particularmente útil una vez que grandes porcentajes de las poblaciones regionales estén vacunadas o recuperadas y no necesiten realizar pruebas rápidas, aunque en algunos casos sean infecciosas. [37]
Flujo de trabajo aproximado para la detección del ADN del virus de la viruela simica en muestras de aguas residuales en los Países Bajos [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 alimentos. [42] Una advertencia sobre el aumento de casos debido a la vigilancia de las aguas residuales puede "proporcionar 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 de personas individuales, las pruebas de las aguas residuales proporcionan información sobre toda la población dentro de un área de captación". ". [43]
Un informe de 2023 de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina pedía 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 tales un 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 antimicrobiana
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 global sobre la resistencia a los antimicrobianos (RAM) a través de la epidemiología genómica basada en aguas residuales, encontrando grandes variaciones regionales, proporcionando mapas y sugiriendo que los genes de resistencia también se transmiten entre especies microbianas que no están estrechamente relacionadas. [46] [45] Una revisión de 2023 sobre epidemiología basada en aguas residuales opinó la necesidad de vigilar las aguas residuales de granjas con ganado, mercados húmedos y áreas circundantes, dado el mayor riesgo de contagio de patógenos a los humanos. [47]
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