Le séquençage des eaux usées révèle la dynamique des communautés et des variantes du virome humain collectif

Le séquençage des eaux usées révèle la dynamique des communautés et des variantes du virome humain collectif

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Dans un avenir pas si lointain, les gens pourront peut-être se connecter à leur source d’information préférée pour obtenir une mise à jour sur l’état de santé de leur communauté, tout comme ils consultent les prévisions météorologiques locales.

L’état de santé de la communauté est similaire aux données météorologiques Doppler à code couleur qui fournissent aux météorologues des informations sur la pluie, la neige ou la grêle, leur mouvement et leur intensité, qu’ils peuvent utiliser pour déterminer les zones spécifiques où existent des conditions météorologiques dangereuses. Disposer de ces informations s’est avéré être un outil précieux pour protéger la vie et les biens.

“Le nouveau rapport sur la santé communautaire que nous avons élaboré montre et analyse pour la première fois le virome humain – tous les virus humains connus – qui circulent dans la communauté, en scrutant régulièrement et de manière approfondie les eaux usées publiques”, a déclaré le Dr Anthony Maresso, professeur et Joseph. Chaire Melnick Endowed en virologie moléculaire et microbiologie au Baylor College of Medicine.

“Connaître les tendances de haut en bas dans le paysage viral des eaux usées humaines, les changements dans les proportions relatives des différents virus dans le temps et par lieu, s’avère de plus en plus être un outil puissant pour améliorer notre compréhension des épidémies, de la transmission et des effets. sur la santé globale de la population.

Première au Texas : une visite de santé pour des millions de personnes

Tout comme les gens consultent périodiquement leur médecin pour effectuer un examen de bien-être susceptible de détecter des changements de santé importants tels que l’apparition précoce de maladies, une surveillance communautaire des eaux usées évalue la santé de la communauté en analysant les changements dans le virome humain qui pourraient indiquer des maladies émergentes potentielles.

Le Texas est le premier à développer et à mettre en œuvre un pipeline complet pour assurer la surveillance des eaux usées sur le virome humain, depuis la collecte, l’analyse et l’interprétation d’échantillons jusqu’à la production de rapports périodiques sur la santé des communautés, qui sont envoyés aux responsables de la santé publique.

“C’est le travail du Texas Wastewater Consortium nouvellement formé. À notre connaissance, c’est le premier groupe de travail à faire pression pour l’introduction d’une surveillance complète des eaux usées dans le cadre de notre infrastructure de santé publique normale”, a déclaré Maresso.

Un détecteur de fumée très sophistiqué

Il est important de noter que dans leur étude publiée dans la revue Communications naturellesMaresso et ses collègues montrent qu’ils peuvent détecter les changements dans les tendances virales dans les eaux usées des semaines avant qu’ils ne soient détectés en clinique.

“Considérez-le comme un détecteur de fumée très sophistiqué qui attire l’attention des scientifiques, des médecins et des autorités de santé publique sur les proportions progressivement croissantes d’une souche virale particulière dans la communauté, qu’ils doivent suivre de près, en évaluant son potentiel épidémique”, a déclaré premier auteur, le Dr Michael Tisza, professeur adjoint de virologie moléculaire et de microbiologie à Baylor. “Par exemple, nous connaissions le mpox (variole du singe) bien avant que la plupart des milieux cliniques n’en aient connaissance, car nous l’avons détecté dans les eaux usées.”

Les chercheurs pensent que cette technologie précieuse sera un moyen de devancer non seulement tous les virus connus qui peuvent être excrétés dans les eaux usées, mais aussi potentiellement de prendre le dessus sur ce qui se prépare – le prochain virus que nous ne connaissons pas. je le sais encore.

“Si nous avions mis cela en place au moment de l’émergence du COVID-19, nous aurions peut-être vu certaines séquences de coronavirus qui nous auraient alertés de la nouvelle séquence du virus COVID-19 qui a commencé à se propager en 2019 et a explosé en pandémie”, a déclaré Maresso. .

Comment est née l’idée d’utiliser la surveillance des eaux usées ?

La polio a été le premier virus à être surveillé dans les eaux usées. Au début des années 40, les Drs. John Paul, James Trask et Sven Gard de l’Université de Yale ont montré que le virus de la polio, dont la présence avait déjà été démontrée dans des échantillons de selles de personnes infectées, pouvait être détecté dans les eaux usées.

Les résultats, qui ont également été rapportés de manière indépendante par un groupe suédois, suggèrent qu’un virus humain trouvé dans les excréments publics et les eaux usées pourrait rendre compte de l’état de maladie au niveau de la population. Le domaine de la virologie environnementale était né.

“Le premier exemple d’utilisation de la virologie environnementale pour prendre des décisions en matière de santé publique s’est produit ici au Baylor College of Medicine dans les années 1960 avec le Dr Joseph Melnick, qui fut le premier président du nouveau département de virologie et d’épidémiologie (aujourd’hui département de virologie moléculaire). et microbiologie),” a déclaré Maresso.

“Melnick a travaillé avec Paul à l’Université de Yale sur la recherche sur la polio et a développé un intérêt pour l’étude de la présence du virus de la polio dans les selles humaines et les eaux usées et ses implications pour une meilleure compréhension de l’évolution d’une maladie dans les communautés et dans la santé publique.

En 1947, Melnick, alors qu’il était encore à Yale, rapporta les résultats de tests mensuels de détection du virus de la poliomyélite dans les eaux usées brutes de la ville de New York collectées dans une installation de traitement des eaux usées entre 1940 et 1945. Il découvrit que les niveaux de poliomyélite dans les selles et les eaux usées étaient associés au nombre de cas. cas graves dans la population. Dans les situations où le virus n’a pas été détecté, aucun cas n’a été signalé dans la zone affluente. Ces découvertes ont conduit à la naissance du domaine de l’épidémiologie basée sur les eaux usées.

En 1962, Melnick, aujourd’hui président du département de virologie et d’épidémiologie à Baylor, a appliqué ce qu’il avait appris sur le virus de la polio dans les selles et les eaux usées pour anticiper une épidémie de polio et a convaincu le département de santé publique de Houston d’augmenter de cinq l’administration du vaccin oral contre la polio. mois avant la saison hivernale. Le programme de vaccination a été achevé en décembre 1962.

Melnick a rapporté dans sa publication qu’« aucun cas de poliomyélite n’a été signalé après le programme de vaccination de 1962, et aucun cas n’a été signalé au cours de toute l’année 1963. Ce fait et l’inversion en 1962 de l’incidence mensuelle établie de la poliomyélite indiquent l’efficacité du programme de vaccination. du vaccin. »

Et puis, la pandémie de COVID-19 a frappé en 2019.

Au cours des 80 années suivantes, peu de personnes dans le domaine ont effectué des analyses des eaux usées, mais cela n’était pas courant, puis la pandémie de COVID-19 est survenue.

“Le SRAS-CoV-2, le virus qui cause le COVID-19, est excrété dans les selles humaines et dans l’urine à des niveaux très élevés”, a déclaré Maresso. “Cette découverte a relancé l’idée d’analyser les eaux usées pour surveiller les niveaux de virus comme indicateur fiable des épidémies communautaires. Melnick et ses collègues avaient utilisé des méthodes très laborieuses pour détecter le virus de la polio qui offraient peu de sensibilité, mais nous disposions désormais de technologies très sensibles. qui ont analysé le matériel génétique viral, tel que la PCR et le séquençage génétique.

Ce fut une percée. Les tests cliniques, tels que l’analyse des écouvillons nasaux, ont un délai avant que les résultats soient disponibles, parfois une semaine.

« De plus, à mesure que la pandémie progressait, les gens se lassaient des tests, de sorte que les scientifiques, les médecins et les responsables de la santé publique ne disposaient pas d’informations précises sur la charge virale de la communauté », a déclaré Maresso. “D’un autre côté, l’analyse des eaux usées, parce que tout le monde y contribue, est un bon moyen indépendant et impartial de surveiller la charge virale dans la communauté.”

Maresso et ses collègues de Baylor ont été l’un des premiers laboratoires au monde à reconnaître que le virus COVID pouvait être détecté dans les eaux usées. “Nous avons commencé à le rechercher dans les eaux usées en avril 2020. Juste au moment où la pandémie s’intensifiait, notre équipe a collecté des échantillons à Houston et à El Paso, au Texas, qui ont tous deux mis en œuvre un programme de surveillance des eaux usées du SRAS-CoV-2 à l’échelle de la ville.” dit Maresso.

Au printemps 2021, la 87e législature du Texas a créé le Texas Epidemic Public Health Institute (TEPHI). Installé au sein du Health Science Center de l’Université du Texas à Houston (UTHealth Houston), le mandat de TEPHI est de travailler en collaboration avec les agences étatiques, locales et fédérales, les établissements universitaires, les associations professionnelles, les entreprises et les organisations communautaires pour mieux préparer l’État à la santé publique. des menaces.

La mission et la structure de TEPHI s’appuient sur les leçons apprises lors de la réponse du Texas à la pandémie de COVID-19 pour combler les lacunes de l’organisation et des infrastructures de santé publique afin de mieux informer, former et protéger les Texans. Dans le cadre de cet effort, TEPHI lance de nombreux programmes pour soutenir la préparation des communautés dans tout l’État, notamment une collaboration avec le Baylor College of Medicine et l’UTHealth Houston School of Public Health (SPH) pour établir un réseau de biosurveillance environnementale des eaux usées du Texas (TexWEB) à l’échelle de l’État. .

La prochaine grande étape à venir

« Quelques années plus tard, après avoir mis en œuvre le programme de surveillance des eaux usées du SRAS-CoV-2 à l’échelle de la ville, nous avons demandé : pourrions-nous améliorer davantage l’analyse des eaux usées en tant qu’outil de prise de décisions en matière de santé publique ? dit Maresso.

“C’est à ce moment-là que notre équipe a de nouveau élaboré un plan non seulement pour lutter contre le SRAS-CoV-2, mais aussi pour trouver des moyens de lutter contre tous les virus humains. Nous avons atteint cet objectif, comme nous le rapportons dans le Communications naturelles article, dans lequel nous décrivons les technologies que nous avons développées et mises en œuvre pour fournir un rapport sur la santé communautaire pour les villes de Houston et d’El Paso. L’objectif est que le programme soit étendu à l’ensemble de l’État. »

L’équipe a développé une approche complète de capture virale en une seule étape à l’aide d’une sonde diversifiée placée sur environ deux douzaines de sites d’eaux usées différents sur une base hebdomadaire pendant près d’un an.

“Avant ces travaux, seuls quelques virus étaient détectés dans les eaux usées. Et ils étaient détectés par PCR, la même méthode utilisée pour effectuer le test nasal COVID, grippe ou RSV, qui repose sur un ensemble d’amorces défini et spécifique au virus. en question”, a déclaré Maresso. “Il s’agit de trois tests différents pour trois virus différents. Notre méthode consiste à tester tous les 3 153 virus différents du panel, ainsi que éventuellement de nouvelles mutations de ces virus. Fondamentalement, nous recherchons tous les viromes possibles.”

Cette approche leur a permis d’identifier plus de 450 virus pathogènes distincts appartenant à 28 familles virales, dont la plupart n’ont jamais été détectés dans de tels échantillons. Les lectures de séquençage d’agents pathogènes établis et de virus émergents sont en corrélation avec les ensembles de données cliniques du SRAS-CoV-2, du virus de la grippe et du mpox, soulignant l’utilité de cette approche pour la santé publique.

“Nous voyons également des informations sur les séquences que la PCR ne peut pas nous fournir et qui nous permettent d’identifier de nouveaux virus susceptibles de conduire à la prochaine pandémie”, a déclaré Tisza. “C’est très puissant ; c’est un pas de géant en avant de tout le reste. Nous pensons que c’est ainsi que tout le monde va procéder à l’avenir.”

Les chercheurs ont également développé des outils informatiques pour analyser les grandes quantités de données qu’ils génèrent et les présenter de manière significative.

Rapport sur la santé de Houston et El Paso

Les bassins versants des usines de traitement des eaux usées desservent environ 618 148 personnes à Houston et 751 982 dans le comté d’El Paso. Ces sites ont été choisis car ils ont permis aux chercheurs d’examiner l’étendue et la robustesse de leur approche dans deux grandes villes aux caractéristiques différentes.

Par exemple, Houston et El Paso diffèrent par leur taille et leur diversité, ont un climat et des précipitations contrastés (El Paso sec et Houston humide), sont géographiquement éloignées (près de 1 200 kilomètres/746 miles) et ont des modes de déplacement humains différents (El Paso a ville frontalière avec des milliers de frontaliers quotidiens, Houston une ville côtière avec l’un des plus grands ports du monde).

Les chercheurs souhaitaient comprendre comment le virome des eaux usées humaines évoluait dans l’espace et dans le temps dans ces villes. Plusieurs espèces de virus ont montré une répartition inégale entre Houston et El Paso. Par exemple, El Paso présentait des signaux particulièrement forts provenant de nombreux virus des familles Parvoviridae et Sedoreoviridae, tandis que les échantillons de Houston présentaient une prévalence plus élevée de nombreux Calicivirdae et Astroviridae, dont les raisons sont actuellement inconnues.

Ils ont également détecté que les vagues virales sont saisonnières et se répètent tout au long de l’année. Par exemple, les sites d’El Paso semblent reconverger vers leurs structures communautaires de l’année précédente.

“Cela rappelle la prévisibilité”, a déclaré Maresso. “Nous pourrons peut-être dire aux gens, par exemple, que la saison de la grippe arrive quelques semaines plus tôt cette année, vous voudrez peut-être vous faire vacciner plus tôt.”

Actuellement, les rapports sur la santé communautaire couvrent Houston, El Paso, Bownsville, South Padre Island, Lubbock, Wichita Falls, Baytown, Humble, Missouri City et Austin. L’intention est que cela s’étende à l’échelle de l’État.

Vos prévisions de santé communautaire ne font peut-être pas encore l’actualité, mais cette équipe de scientifiques dispose de toute la science, des technologies et d’un pipeline fonctionnel, et ils ont déjà montré dans 10 grandes villes du Texas que leur système évalue efficacement ce qu’il y a dans le l’eau, peut la corréler avec des données cliniques et donner une idée de ce qui pourrait arriver dans un avenir proche, nous donnant ainsi une idée pour nous préparer à minimiser les souffrances et à sauver des vies.

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