疫調可以隱瞞但病毒不會!透過污水監測有效防疫(葉庭育、黃韻如、鄭如韻)

我們想讓你知道…病人在有臨床症狀前,就已經開始將病毒帶進了廁所。正因如此,下水道的污水提供了一個監測病毒的絕佳機會。

● 葉庭育/約瀚霍普金斯大學生物系助理研究員,Auxergen Inc. 創辦人
● 黃韻如/教授,國立台灣大學醫學系教授暨防疫科學研究中心國際合作計畫主持人
● 鄭如韻/獸醫師,任職台灣大學防疫科學研究中心

前言

就在台灣與社區傳染疫情搏鬥的此時,位在北緯一度的新加坡也同時在與新的一波疫情奮戰。台灣面對的病毒株為 alpha 突變株(世界衛生組織為了避免污名化以希臘字母為病毒株所命名的新名字,即俗稱的英國突變株,又稱B 1.1.7),新加坡面對的病毒株為 delta 突變株(即俗稱的印度突變株,又稱 B1.1617.2)。

自2021年4月份華航機師群聚感染後,從今年5月中開始,北台灣爆發第一次新冠病毒的社區感染。短短三週內已經累計有八千個本土確診病例。台灣成為全球第一個之前沒有新冠疫情,人民也普遍沒有任何抗體的環境下,被傳染率和死亡率更高的alpha突變株攻入的地區。

▲當時華航爆出群聚事件後,緊急加強消毒作業。(圖/華航提供)

而疾管署已經證實,從4月20日至6月2日,嚴重肺炎(或急性呼吸窘迫個案)佔整體確診比例約 16.8%,而 60 歲以上重症比率更達三成。這個偏高的比例告訴我們,如何預知和阻擋病毒擴散至全國的各個社區,將是防疫的首要之急。

但是過去的研究顯示,有近一半的新冠病毒感染者在臨床上並無明顯症狀【1】。若無症狀,許多民眾並不知道自己已經被感染,若未被衛生機關匡列,也不一定會主動去做快篩。所以這些潛在的帶原者,都將可能成為社區防疫的最大的傳染源。那麼我們要怎麼找到這些隱藏的染疫者,去防堵這個明顯的破口?

雖然新冠病毒感染的主要死因是因為肺炎,但病毒也感染許多其他的器官,並不只侷限於呼吸道。病毒也存在於許多人的胃腸道當中,然後被排泄掉。因此,病人在有臨床症狀前,就已經開始將病毒帶進了廁所。正因如此,下水道的污水提供了一個監測病毒的絕佳機會。

▲下水道。(示意圖/pixabay)

2021 年的 6 月 1 日新加坡在一社區的常規監測(surveillance)中,發現了地下污水含有 SARS-CoV-2 病毒對此,新加坡政府請所有居住在該區的居民進行核酸檢測,之後發現有 6 位居民測試陽性,也在社區的廢水中檢測到病毒的片段(fragment)。

以下水道污水做社區監測的方法,新加坡不是唯一這樣做的國家, 本篇雲論整理了國外利用化驗下水道汙水的經驗,從下水道中是否有疑似感染病毒者(特別是包含了無症狀感染者)的排泄物,進而掌握社區中是否存在病毒。這個早期指標,可以成為遏制新冠病毒爆發的關鍵之一。

流行病的傳染,不僅需要考慮病原體,也需要考慮宿主及其所生存的環境。本文的目的不在討論新冠病毒是否會經廢水傳染(因為證據不足),而是指出廢水可以提早抓出無症狀感染者,可以在不進行普篩下就得知有沒有社區感染。

我們希望能藉由這篇文章,呼籲政府及民眾正視社區的下水道污水的病毒監測。

 

▲下水道。(圖/取自免費圖庫Pixabay)

為什麼要做下水道污水檢測?

污水流行病學(wastewater-based epidemiology, WBE)是一門公共衛生學科。由下水道廢水系統中檢測有毒物質或是病原體,這是很常見的環境衞生學及流行病學方法,像是小兒麻痺、腸病毒、感冒、麻疹、A型肝炎等等【2】。

自上個世紀 90 年代開始,已經行之有年的下水道中的小兒麻痺病毒監測,就是很好的範例。

小兒麻痺感染者其實只有100至200分之1的機率會有教科書上講的明顯急性無力麻痺的症狀。由於全球早已大規模的施打小兒麻痺疫苗,想要用「麻痺」這個症狀來找尋隱性的流行,在實務上非常不可靠。

而從廢水中來找小兒麻痺病毒,靈敏度卻高了4到5倍。而利用這個方法,以色列成功地在2013到2014年抓出了隱性的小兒麻痺病毒流行的地區,即時為當地人民施打了疫苗,預防了疫情蔓延和爆發【3】。

▲透過從從廢水來找小兒麻痺病毒,以色列成功地在2013到2014年抓出了隱性的小兒麻痺病毒流行的地區。(示意圖/取自免費圖庫pixabay)

當然,新冠病毒主要是由飛沫和氣溶膠傳播,而非像小兒麻痺是由糞口途徑傳播。約有四成的新冠病毒感染者,在發病前就會排洩出病毒顆粒或殘留物。不同的研究顯示病人冀便中含有的新冠病毒量,每毫升約為五千至一千萬個,而家庭或社區廢水自然就攜帶著病毒的殘留物(例如核酸的碎片)。

日本和義大利的研究指出,一公升未處理廢水中可以含有兩千至三百萬新冠病毒基因拷貝【4】、【5】。

雖然這些病毒殘留物是否還具有感染力在科學上還有爭議,但他們必然是由共用一個下水道系統的人所帶來的。而不管人們去不去醫院,每個人都要上廁所。所以污水是對社區感染來説,是無偏見(unbiased)的檢體,因此它可以反映出成千上萬甚至數百萬人的健康狀況。

▲污水對社區感染來説,是無偏見(unbiased)的檢體,因此它可以反映出成千上萬甚至數百萬人的健康狀況。(圖/台北市政府工務局衛生下水道工程處提供)

污水監測技術在新冠疫情的應用

美國耶魯大學在去年 4 月時,建立起了一個用廢水監測紐哈芬地區的新冠病毒和臨床症狀,臨床檢驗,和住院人數的緊密關連(圖一)【6】。而麻省理工學院在去年三月的調查顯示,在麻州的污水中找到的病毒效價甚至比臨床上來的高,當時就已經發現,無症狀感染者的數字其實並不低【7】。

目前的技術,可以在症狀發現前的7至14天偵查到新冠病毒的存在(新冠病毒的潛伏期最長可至 24 天)。這爭取到非常保貴的時間,可以讓衛生機構能有機會立刻對疫情做出反應。所以自去年以來,世界上許多國家把對污水監測作為早期預警系統。污水中的病毒數量,可以用來預測一周至 10 天後,大概會有多少人會到醫院就診 【8】。

▲圖一、 污水監測和病毒潛伏期,以及臨床症狀的時程圖。新冠病人在感染第2天就可能傳染給別人,但是潛伏期可能會1至14天不等,病人才出現症狀就醫檢查,污水監測可以即早發現並防止社區散播。(黃韻如教授團隊鄭如韻翻譯)

許多大型的生技公司,都已經有現成的試劑專門檢測污水中的新冠病毒。利用第三代的微滴式數字聚合酶連鎖反應(Droplet digital polymerase chain reaction, ddPCR)技術,可對病毒的核酸分子進行絕對定量。ddPCR靈敏度遠勝過第二代的即時定量PCR(real-time qPCR, 常聽的病毒 Ct 值即來自於此)。

ddPCR已克服了傳統PCR成本高、通量有限、流程複雜、精確度低等缺點。這個技術適用範圍十分廣泛,在這一次各國的新冠疫情大規模的臨床檢驗中大放異彩,累積了相當大量的文獻資料。ddPCR技術目前靈敏度已經大幅提升,可以在一萬人產生的污水中抓到一個感染源【9】。

▲ddPCR已克服了傳統PCR成本高、通量有限、流程複雜、精確度低等缺點。圖為PCR檢驗。(示意圖/達志影像/美聯社)

從各地經驗來看污水監測對於疫情的幫助

1. 美國加州大學梅西分校:成立了「COVID19Poops」的網站,目的是希望能整合研究資源(採樣操作、實際室操作等等)能夠共享。目前世界上已經有 55 個國家,2276 個站點,並有 263 個大學共同參與(圖二)。美國疾管局在今年三月初也成立了國家廢水監測系統(NWSS), 因為美國下水道的普及率高達 8 成,所以政府準備好詳細的指南,供地方政府及社區執行(圖三)。

▲圖二、COVID19Poops 網站 。(圖/翻攝自COVID19Poops)

▲圖三、美國疾管局國家廢水監測系統(NWSS)流程圖 。(圖/翻攝自美國疾管局網站)

2. 美國加州大學聖地牙哥分校:學校共有一萬名學生,公立大學當然不可能有經費對所有學生每天都做快篩。所以研究人員對大學中的 343 棟建築排放的廢水取樣。若驗出含有病毒,則可以安排在那裡活動學生的採檢和隔離,目前可以找到校園中 85% 的病例,大幅節省成本和時間【10】。

3. 美國加州柏克萊大學:研究指出,在去年的五月至七月,舊金山灣區的廢水中平均每公升有 28 萬個病毒基因拷貝。在經序列分析後,不但發現這些病毒和當地目前臨床上流行的病毒株相同,他們更找到一些來自國外的新突變,但是當地的醫療機構尚未報導過。這說明了如果廢水監測搭配病毒基因體序列分析監測(genomic surveillance)這樣的疫調(見前篇雲論可以在臨床發現新病例之前,預報新的變種病毒到來而加以控制【11】。

▲新冠肺炎變種病毒。(示意圖/取自免費圖庫/Pixabay)

4. 香港:在今年一月份時,香港大學研究人員在兩棟建築物的廢水中發現新冠病毒,所以進行住戶的篩檢,找到了九位無症狀感染者【10】。

5. 澳洲:由於澳洲的感染人數目前並不多,病毒在廢水中的濃度不高,造成監測上的困難。這樣的情況在低流行地區並不罕見。因此科學家發揮創意,發明了一種利用 3D 列印,形狀似魚雷的採集器(wastewater submarine)放在廢水中來吸附收集病毒。每個生產成本只要台幣400元,而不用去浪費經費去買價值十萬元的採樣儀。

6. 荷蘭:由於是低地國,荷蘭在污水這方面的研究和參與一直都是積極並領先。荷蘭是最早從污水中找到新冠病毒的國家之一,從去年二月在阿姆斯特丹機場污水中首度監測到病毒後,荷蘭逐漸地增加檢測的量能,目前每週監測超過 300 個位置。

7. 阿拉伯聯合大公國:研究人員在杜拜49個區域,2900污水樣本中,發現28.6%陽性。而他們驗了198架到達杜拜機場商用飛機上,發現陽性率高達13.6%【12】。

8. 南非:此處是 COVID-19 的重災區,也是著名的beta變異株(B1.351;俗稱南非變異株)的發生地。去年6月就已經在污水中找到病毒。他們發現,派研究人員直接取水,即使時間點不同,監測的效果和定點定時採樣類似。這給予採撿人員在實務操作上很大的方便【13】。

▲南非疫情。(示意圖/達志影像/美聯社)

結論

採樣下水道污水監測新冠病毒是取得社區感染疫情資訊非常有效的方法。其優點如下:

1. 成本更低而且範圍更廣。只要有一般可以監測新冠病毒的實驗室,就可以做污水監測。

2. 節省採樣所需的醫療人力資源。將有助於減低對鼻拭和口腔檢測方法的依賴。

3. 提早監測。在民眾出現症狀之前,只要對下水道管線進行監控,汙水可成為潛在感染的早期指標。

4. 沒有主觀的偏見。污水監測並不受到有沒有症狀,或人們有沒有去做快篩或尋求醫療協助的影響。這也可以有效的抓出無症狀感染者的可能位置。

5. 同樣的檢體,也可以用來順便找出其他正在流行卻隱藏的病原體,比如腸病毒,小兒麻痺等等。

根據台灣營建署的資料,台北市的污水下水道的普及率,在十年前就已超過 91%,所以用污水來監控整個城市的疫情,在實務上可行。

▲台北市的污水下水道的普及率,十年前就已超過 91%。(圖/北市工務局提供)

而污水監測並不限於都市,未來可在疫區熱點,長照中心、住宅大樓、辦公室、旅館、學校、機場等等特定區域推廣,從各社區收集廢水,將有助於更快速並且大規模識別出感染的病例,以期即時減緩病毒傳播速度。

例如這一次爆發社區傳播的台北市和新北市就很適合進行汙水檢測,尤其是萬華、板橋的社區、公寓和集合住宅的排水檢測更為迫切。

在疫苗施打覆蓋率尚未提高之前,各國的新冠病毒疫情常有時好時壞,死灰復燃的現象。台灣民眾應該要有心理準備,疫情還會如其他的國家一樣持續一陣子。

去年台灣社會曾陷入普篩與否的爭議中,而防疫是否升級還是解除,仍然需要實實在在的科學依據來做調整。任何的檢測都有其優點以及限制,所以本文並非認為污水監測可以直接取代普篩,但是污水監測的確提供了普篩以外另一種獨立超然的監測資訊。它的無侵犯性,敏感快速,省錢普及,以及不受病人意願干擾的優點,是普篩所明顯沒有的。

疫調可以隱瞞,但病毒的蹤跡不會。當目前政府的檢驗量能以及醫療人力需要集中而無法浪費時,要做到真正的「超前部署」,污水監測可以是一個解決燃眉之急的防疫辦法。

All Taiwan needs is our poop.

▲疫調可以隱瞞,但病毒的蹤跡不會,污水監測可以是一個解決燃眉之急的防疫辦法。(圖/北市工務局提供)

參考文獻

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【11】Crits-Christoph A, Kantor RS, Olm MR, Whitney ON, Al-Shayeb B, Lou YC, Flamholz A, Kennedy LC, Greenwald H, Hinkle A, Hetzel J, Spitzer S, Koble J, Tan A, Hyde F, Schroth G, Kuersten S, Banfield JF, Nelson KL. Genome Sequencing of Sewage Detects Regionally Prevalent SARS-CoV-2 Variants. mBio. 2021 Jan 19;12(1):e02703-20. doi: 10.1128/mBio.02703-20. PMID: 33468686; PMCID: PMC7845645.

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【13】Richardson H. How waste water is helping South Africa fight COVID-19. Nature. 2021 May;593(7860):616-617. DOI: 10.1038/d41586-021-01399-9.

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黃韻如專欄

黃韻如專欄 黃韻如

長年旅居新加坡,現為台灣大學醫學系教授、防疫科學研究中心國際合作主持人、創新設計學院社會創新教育組組長。為一名醫師科學家,長期關注生物系統可塑性,相信開啟科學與人文的對話,終能創造轉化契機。

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