فاضلاب؛ کلید ردیابی بیماری‌هایی فراتر از کووید ۱۹

به گزارش خبرنگار علم و فناوری آنا، قبل از همه‌گیری کووید ۱۹، نظارت بر فاضلاب حوزه کوچک‌تری بود که عمدتاً روی آزمایش دارو‌ها یا نقشه‌برداری اکوسیستم‌های میکروبی متمرکز بود؛ اما محققان فقط تهدیدات بهداشتی خاصی را در مکان‌های خاص دنبال می‌کردند -مثل مواد افیونی در بخش‌هایی از آریزونا- و کاملاً متوجه ظرفیت سلامت عمومی ملی یا جهانی نشده بودند.

«آدام گوشگری» (Adam Gushgari)، مهندس محیط زیست که قبل از سال ۲۰۲۰ روی آزمایش فاضلاب برای مواد افیونی کار می‌کرد، می‌گوید: کووید ۱۹ باعث شتاب باورنکردنی علم فاضلاب شد.

او اکنون طیف وسیعی از پروژه‌های نظارت بر فاضلاب را برای «یوروفینز ساینتیفیک» (Eurofins Scientific)، یک شرکت تحقیقات آزمایشگاهی بین‌المللی که مقر آن در لوکزامبورگ است، توسعه داده است.

گوشگری می‌گوید: حوزه فاضلاب قبلاً یک حوزه فرعی بود که تعداد انگشت‌شماری از متخصصان در آن مشغول به کار بودند؛ اما اکنون دانشمندان بسیاری در این حوزه فعال شده‌اند که از طیف گسترده‌ای از زمینه‌ها مثل علوم محیطی، شیمی تحلیلی، میکروبیولوژی، اپیدمیولوژی و موارد دیگر می‌آیند و همگی برای ردیابی ویروس کرونا، تفسیر داده‌ها و انتقال نتایج به مردم با یکدیگر همکاری می‌کنند. با کاهش سایر روش‌های نظارت بر کووید ۱۹، نظارت بر فاضلاب به یکی از منابع اولیه کارشناسان بهداشت برای شناسایی موج‌های جدید تبدیل شده است.

اکنون صد‌ها تصفیه خانه فاضلاب در سراسر آمریکا بخشی از برنامه‌های آزمایش کووید ۱۹ هستند و داده‌های خود را به سیستم ملی نظارت بر فاضلاب یا NWSS می‌فرستند. این طرح یک برنامه نظارتی که در پاییز ۲۰۲۰ توسط مراکز کنترل و پیشگیری از بیماری‌های آمریکا راه‌اندازی شد.

سال گذشته، دانشمندان فاضلاب، شروع به بررسی این موضوع کرده‌اند که چه چیز دیگری را می‌توان از طریق این زیرساخت جدید ردیابی کرد. آن‌ها به بیماری‌های فصلی مانند آنفلوآنزا، بیماری‌های اخیراً نوظهور مانند آنفلوآنزای پرندگان و mpox که قبلاً «آبله میمون» نامیده می‌شد و همچنین پاتوژن‌های مقاوم به دارو مانند قارچ «کاندیدا اوریس» (Candida auris) را بررسی می‌کنند. دانشمندان حتی در حال بررسی چگونگی شناسایی تهدید‌های کاملاً جدید هستند.

«ایمی کربی» (Amy Kirby)، دانشمند سلامت که طرح NWSS را رهبری می‌کند، پیش‌بینی می‌کند که نظارت بر فاضلاب تأثیرات سلامتی «بسیار گسترده‌تر از کووید» خواهد داشت؛ اما از آنجا که نظارت بر فاضلاب تاکنون عمدتا اثبات مفهومی بوده که داده‌های سایر سیستم‌های ردیابی را تعیین می‌کرده است، این روش با چالش‌های بسیاری روبه‌رو است. کارشناسان هنوز در پی این هستند که چگونه از داده‌های مدفوع ما در سیاستگذاری استفاده کنند! این مورد حتی در مورد کووید ۱۹ نیز صادق است و محققان با مقامات دولتی که نسبت به ارزش آن دچار تردیدند، روبه‌رو هستند و هنوز نمی‌دانند اکنون که شرایط اضطراری بهداشتی مربوط به کووید ۱۹ به پایان رسیده، آیا بودجه آن‌ها قطع خواهد شد یا خیر.

«ماریانا ماتوس» (Mariana Matus)، یکی از بنیانگذاران شرکت مستقر در کمبریج با نام «بیوبات آنالیتیکس» (Biobot Analytics) و شخصی که فاضلاب را برای «مرکز کنترل و پیشگیری از بیماری آمریکا» آزمایش کرده است، می‌گوید: امیدواریم این نظارت به یکی از فناوری‌هایی تبدیل شود که واقعاً پس از همه‌گیری تکامل می‌یابد تا اینجا برسد؛ البته این فناوری نیاز به بوجه‌های مداوم از سوی دولت‌ها، موسسات تحقیقاتی و مردم دارد.

تست فاضلاب چگونه کار می‌کند

اپیدمیولوژی مبتنی بر فاضلاب سابقه طولانی دارد و حداقل به مشاهدات پزشک «جان اسنو» (John Snow) در دهه ۱۸۵۰ برمی‌گردد که شیوع وبا در لندن به آب آلوده منتسب شد.

در دهه‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰، دانشمندان شروع به نمونه‌برداری از فاضلاب و مطالعه آن‌ها در آزمایشگاه کردند و یاد گرفتند که پاتوژن‌های خاصی را که باعث بیماری می‌شوند، جدا کنند. این محققان بر بیماری‌هایی مانند فلج اطفال و حصبه که از طریق آب آلوده منتشر می‌شوند، تمرکز کردند.

«ارین درایور» (Erin Driver)، مهندس محیط زیست دانشگاه ایالتی آریزونا که روی روش‌های جمع‌آوری نمونه‌های فاضلاب کار می‌کند، می‌گوید: امروزه ماشین‌های خودکار نمونه‌های فاضلاب را بازیابی می‌کنند. درایور می‌تواند این ماشین را برای نمونه‌برداری در تصفیه خانه‌های فاضلاب را به یک لوله آب وصل و آن را طوری برنامه‌ریزی کند که مقدار کمی فاضلاب را در یک بطری خالی در فواصل منظم مثلاً یک بار در ساعت به مدت یک روز کامل بکشد. درایور و همکارانش در حال توسعه نسخه‌های کوچک‌تر از نمونه‌گیر خودکار هستند که می‌تواند برای نمونه‌برداری هدفمندتر مناسب‌تر باشد.

آنچه در آزمایشگاه برای آن بطری فاضلاب اتفاق می‌افتد به چیزی بستگی دارد که دانشمندان در حال آزمایش هستند. برای آزمایش مواد افیونی و سایر مواد شیمیایی، دانشمندان ذرات بزرگی را از نمونه با یک سیستم خلاء فیلتر می‌کنند، مواد شیمیایی خاصی را که می‌خواهند آزمایش کنند، استخراج می‌کنند، سپس نتایج را از طریق یک طیف‌سنج بررسی می‌کنند. این طیف‌سنج ابزاری است که غلظت‌های شیمیایی را با تجزیه و تحلیل نور اندازه‌گیری می‌کند.

یک دانشمند برای تعیین سطوح سارس-کووید ۲ یا ویروس دیگر ممکن است زباله مایع را از زباله جامد با سانتریفیوژ جدا کند، مواد ژنتیکی ویروسی را جدا کند و سپس نتایج را با دستگاه PCR آزمایش کند، مشابه آزمایش سواب بینی یک فرد. یا اگر دانشمندان بخواهند بدانند کدام گونه‌های SARS-CoV-۲ وجود دارد، می‌توانند مواد را از طریق دستگاهی قرار دهند که توالی‌های ژنتیکی مختلفی را شناسایی می‌کند.

آیا ویروس کرونا حتی در زباله‌ها ظاهر می‌شود؟

در روز‌های اولیه همه‌گیری وحشت‌زده ویروس کرونا یک سوال اساسی فوری مطرح شد: آیا این روش کار خواهد کرد؟ «مارلین ولف» (Marlene Wolfe)، میکروبیولوژیست محیطی دانشگاه اموری در آتلانتا می‌گوید: در حالی که فلج اطفال از طریق مدفوع منتشر می‌شود، نشانه‌های اولیه‌ای وجود داشت که ویروس کرونا بیشتر از طریق هوا پخش می‌شود. دانشمندان در ابتدا مطمئن نبودند که ویروس کرونا در فاضلاب ظاهر می‌شود یا خیر.

ولف و همکارانش در سال ۲۰۲۰ در همان روزی که منطقه خلیج سانفرانسیسکو قرنطینه شد، در دانشگاه استنفورد، جایی که او در آن زمان مستقر بود، کمک هزینه‌ای دریافت کردند تا روی این مساله کار کنند. او می‌گوید که تیم ساعت‌ها در اطراف منطقه خلیج برای جمع‌آوری نمونه‌های فاضلاب، «پیمایش قوانین قرنطینه» و مذاکره درباره مجوز‌های ویژه برای استفاده از فضای آزمایشگاهی صرف کردند.

ولف می‌افزاید: مشتاقانه منتظر بودیم ببینیم آیا اولین نمونه‌های ما نتیجه مثبتی برای ویروس سارس-کووید ۲ نشان می‌دهد یا خیر.

این تیم در دسامبر ۲۰۲۰ در مجله «علوم و فناوری محیط زیست» گزارش داد که نه تنها آزمایش نمونه‌های فاضلاب مثبت شد؛ بلکه ولف و همکارانش دریافتند که سطوح ویروس کرونا در فاضلاب منطقه خلیج از روند مشابه موارد گزارش شده پیروی می‌کند. وقتی تعداد موارد بالا رفت، ویروس بیشتری در فاضلاب ظاهر شد و بالعکس. این مطلعه در سایر نقاط کشور نیز نتایج مشابهی را نشان داد.

با گذشت بیش از سه سال، داده‌های مربوط به موارد گزارش شده بسیار کمتر شده است؛ زیرا افراد کمتری به دنبال آزمایش‌های PCR مبتنی بر آزمایشگاه هستند و به سمت آزمایش‌های خانگی با دسترسی آسان‌تر سوق پیدا کرده‌اند و در نتیجه نتایج آزمایش اغلب گزارش نمی‌شود. در این صورت، روند بررسی فاضلاب به بهترین گزینه برای ارائه هشدار‌های اولیه در مورد افزایش احتمالی کووید ۱۹ جدید تبدیل شده است.

بازکردن دریچه‌های ردیابی

تابستان ۲۰۲۲، ردیابی فاضلاب فرصت جدیدی برای اثبات خود پیدا کرد. آبله میمون به سرعت در سراسر جهان از جمله در آمریکا گسترش یافت؛ اما آزمایش‌ها محدود بود و این بیماری باعث شد برخی از افراد در جستجوی مراقبت‌های پزشکی تردید کنند.

ولف و همکارانش در عرض چند هفته پس از شروع شیوع این ویروس در آمریکا به همراه تیم‌های تحقیقاتی در بیوبات و سایر شرکت‌ها، آزمایش‌هایی را برای شناسایی آبله میمون در فاضلاب توسعه دادند.

درست همانطور که دانشمندان در مورد کووید ۱۹ دیده بودند، روند آبله میمون در فاضلاب با روند در اعداد رسمی مطابقت داشت. ولف و همکارانش در ماه فوریه در مجله پزشکی نیوانگلند گزارش دادند که در کالیفرنیا، نتایج حاصل از فاضلاب حتی نشان می‌دهد که این بیماری ممکن است دورتر از اطلاعات مطب پزشکان گسترش یافته باشد.

آبله میمون مانند کووید ۱۹ از طریق آب منتقل نمی‌شود، اما آزمایش فاضلاب همچنان ویروس را شناسایی کرد. ماتوس می‌گوید: نتایج اولیه شیوع تابستانی این ویروس برخی از مقامات بهداشتی را متقاعد کرد که فناوری فاضلاب را می‌توان برای بسیاری از بیماری‌ها، صرف نظر از اینکه چگونه گسترش می‌یابد، استفاده کرد.

دانشمندان در حال یافتن بیماری‌های عفونی بیشتری هستند که می‌توانند در فاضلاب ردیابی شوند. ولف اکنون محقق اصلی یک پروژه ملی تست فاضلاب با نام «ویست‌واتر اسکن» (WastewaterSCAN) است که توسط محققان دانشگاه استنفورد و اموری هدایت می‌شود. او می‌گوید: صادقانه بگویم، هر چیزی که ما تاکنون امتحان کرده‌ایم، جواب داده است.

تیم پروژه اکنون نمونه‌هایی را برای ۶ ویروس مختلف آزمایش می‌کند و در حال کار روی آزمایش‌های دیگری کار می‌کند که می‌تواند به بیش از ۱۵۰ سایت در شبکه نظارتی خود ارسال کند. دانشمندان بیوبات نیز دریافتند که تحقیقات قبلی ۷۶ مورد از ۸۰ مورد مدفوع یا ادرار شناسایی کرده‌اند که نشان می‌دهد این عوامل بیماری‌زا را می‌توان از طریق فاضلاب کنترل کرد.

این فهرست از ویروس آبله مرغان گرفته تا میکروب‌هایی که باعث بیماری‌های مقاربتی مانند «کلامیدیا» می‌شوند تا باکتری‌های منتقله از کنه که باعث بیماری «لایم» می‌شوند را شامل می‌شود.

یافتن تمرکز با وجود فرصت‌های جدیدی که مطالعه روی فاضلاب به دست داده است، این موضوع در ذهن بسیاری از محققان متبادر می‌شود که به جای اینکه بگوییم «برای چه چیزی می‌توانیم آزمایش کنیم؟» بگوییم «برای چه چیزی باید آزمایش کنیم؟».

در ژانویه گذشته، گزارشی توسط آکادمی ملی علوم، مهندسی و پزشکی با سه معیار مطرح شد: عامل بیماری‌زا باید سلامت عمومی را تهدید کند، باید در فاضلاب قابل تشخیص باشد و باید داده‌هایی تولید کند که آژانس‌های بهداشت عمومی بتوانند برای محافظت از جوامع خود از آن‌ها استفاده کنند.

با توجه به همه تهدید‌ها و نکاتی که در فاضلاب یافت می‌شود، دو معیار اول حوزه را خیلی محدود نمی‌کند؛ بنابراین اکنون محققان از مقامات بهداشت عمومی ایالتی و محلی سرنخ می‌گیرند که کدام پاتوژن‌ها را در اولویت قرار دهند.

بیوپات روی آزمایش‌هایی برای بیماری‌های رایج مانند آنفلوآنزا، ویروس «سین‌سیشیال تنفسی»، هپاتیت سی و سوزاک کار می‌کند و مرکز کنترل و پیشگیری از بیماری‌های آمریکا به برخی از همان پاتوژن‌های رایج و همچنین استراتژی‌هایی برای ردیابی مقاومت ضدمیکروبی توجه دارد؛ تهدیدی که در طول همه‌گیری با تحت فشار قرارگرفتن سیستم‌های بهداشتی افزایش یافته است. حتی اگر آن‌ها اهداف عالی را انتخاب کنند، محققان همچنین باید چگونگی تولید داده‌های مفید را بیابند.

نحوه استفاده از داده‌ها

ردیابی پاتوژن‌ها یک چیز است و تعیین اینکه چگونه نتایج با تعداد واقعی افراد بیمار مطابقت دارد یا خیر، چیز دیگری است. این مساله حتی در مورد کووید ۱۹ که محققان سال‌ها داده‌های دقیق از آن دارند، صادق است. در نتیجه، بسیاری از مقامات بهداشت عمومی هنوز آمادگی اتخاذ تصمیمات سیاسی بر اساس داده‌های مدفوع را ندارند. به عنوان مثال، در شهر نیویورک طی سه سال گذشته، دولت محلی بیش از یک میلیون دلار برای آزمایش کووید ۱۹، آبله میمون و فلج اطفال در فاضلاب کارخانه‌های تصفیه آب این شهر هزینه کرده است؛ اما اداره بهداشت شهر از داده‌های به دست آمده برای اطلاع‌رسانی اقدامات ایمنی محلی کووید ۱۹ استفاده نکرده است؛ بنابراین مشخص نیست که با داده‌ها چه کاری انجام می‌شود.

«راشل پورتسکی» (Rachel Poretsky)، میکروبیولوژیست دانشگاه ایلینوی شیکاگو و کسی که سرپرستی نظارت بر فاضلاب برای شهر شیکاگو و ایالت ایلینویز را بر عهده دارد، می‌گوید که مقامات بهداشتی به یک سواب برای هر نفر عادت کرده‌اند!

آموزش بهداشت عمومی بر شناسایی افراد بیمار و ردیابی نحوه بیماری آن‌ها متکی است. این در حالی است که در نظارت بر فاضلاب، یک نقطه داده می‌تواند نشان دهنده هزاران فرد بیمار باشد و داده‌ها از محیط زیست به دست می‌آیند، نه از بیمارستان‌ها و کلینیک‌های بهداشتی و اینکه زمانی که نتایج مثبت ظاهر شد، چه کاری باید انجام شود، چندان واضح نیست.

اعداد جمع‌آوری‌شده از سیستم مراقبت‌های بهداشتی همیشه نشان‌دهنده بیماران است؛ بنابراین افزایش در اعداد، نشان‌دهنده افزایش موارد بیماری است. پورتسکی می‌گوید: با این حال، در مورد داده‌های فاضلاب، عوامل محیطی مانند آب‌وهوا، صنایع محلی و آمدن و رفتن گردشگران نیز می‌توانند «عوامل دورافتاده عجیب و غریب» ایجاد کند که تفسیر آسان را سخت می‌کند. به عنوان مثال، یک طوفان شدید باران ممکن است نمونه‌ها را رقیق کند، یا رواناب شیمیایی از یک کارخانه ممکن است با روش‌های تحلیلی تیم تحقیقاتی تداخل ایجاد کند.

تفسیر داده‌ها زمانی پیچیده‌تر می‌شود که دانشمندان آزمایش فاضلاب را برای تعداد فزاینده‌ای از تهدیدات بهداشتی آغاز کنند. داده‌های هر پاتوژن باید متفاوت تفسیر شود.

برای مثال، با داده‌های ویروس کرونا، آزمایش‌های فاضلاب به طور مداوم مثبت می‌شوند، بنابراین تفسیر داده‌ها تماماً به دنبال روند است: آیا غلظت ویروس‌ها افزایش می‌یابد یا کاهش می‌یابد؟ میزان ویروس موجود در مقایسه با گذشته چگونه است؟ یک جهش در یک مکان خاص ممکن است نشان دهنده افزایشی در جامعه باشد که هنوز توسط سیستم مراقبت بهداشتی شناسایی نشده است. جامعه ممکن است با تقویت منابع بهداشتی، مانند باز کردن کلینیک‌های واکسن، توزیع ماسک‌ها و آزمایش‌های خانگی رایگان، یا اضافه کردن کارکنان به بخش‌های اورژانس بیمارستان‌های محلی، پاسخ دهد.

از سوی دیگر، آبله میمون افراد بسیار کمتری را مبتلا کرده است و آزمایش‌های مثبت پس از پایان شیوع تابستان گذشته نادر بوده است. اکنون، محققان به سادگی در حال مشاهده هستند تا ببینند آیا ویروس در یک فاضلاب مشخص وجود دارد یا وجود ندارد.

ماتوس می‌گوید: مطالعه روی فاضلاب بیشتر رویکرد هشدار زودهنگام را دارد. اگر یک فاضلاب پس از نتایج منفی در چند ماه گذشته، به طور ناگهانی آزمایش آبله می‌مون مثبت را نشان دهد، مقامات بهداشتی باید به پزشکان محلی و سازمان‌های اجتماعی هشدار دهند که مراقب هر فردی با این علائم باشند تا بتوانند افراد را شناسایی و از شیوع احتمالی آن جلوگیری کنند.

یکی دیگر از پاتوژن‌های پیچیده کاندیدا اوریس است؛ قارچی که در برابر دارو‌های رایج مقاومت ایجاد می‌کند و می‌تواند به سرعت در محیط‌های مراقبت‌های بهداشتی گسترش یابد و در فاضلاب هم شناسایی شود. محققانی از یوتا و نوادا در ماه فوریه در نشریه «بیماری‌های نوظهور عفونی» گزارش دادند که امکان ردیابی کاندیدا اوریس در فاضلاب مناطقی وجود دارد که همه‌گیری را تجربه کرده‌اند.

«الساندرو راسی» (Alessandro Rossi)، میکروبیولوژیست آزمایشگاه بهداشت عمومی یوتا در «سالت لیک سیتی» (Salt Lake City)، می‌گوید: اگر بیمارستان‌ها یا مقامات بهداشتی بتوانند حضور این قارچ را زود تشخیص دهند، این اطلاعات می‌تواند اقدامات بهداشت عمومی را برای مهار شیوع بیماری راهنمایی کند؛ اما تفسیر هشدار‌ها برای کاندیدا اوریس به اندازه ویروس‌ها واضح نیست.

راسی می‌گوید: این قارچ پس از خروج از مراکز بهداشتی و درمانی می‌تواند در فاضلاب رشد کند. این پاتوژن ظرفیت تکثیر، تشکیل بیوفیلم و کلون‌سازی یک فاضلاب را دارد. به عبارت دیگر، می‌تواند در داده‌های مربوط به خود تداخل ایجاد کند و به طور بالقوه نتایج فاضلاب را بدتر از آنچه به نظر می‌رسد، نشان دهد.

تأیید ویروسی

با گسترش آبله میمون در آمریکا در سال ۲۰۲۲، دانشمندان نمونه‌های فاضلاب را در ۹ سایت در کالیفرنیا برای ویروس آزمایش کردند. در پنج مورد از آن مکان‌ها، ویروس قبل یا ظرف یک روز پس از تائید اولین مورد در آن فاضلاب شناسایی شد.

انتقال فاضلاب به آینده

بررسی فاضلاب‌ها معمولا روی پاتوژن‌هایی متمرکز است که قبلا نگران آن‌ها بودیم و باعث بیمار شدن افراد شده است، اما برخی از دانشمندان، مانند «ویم میجر» (Wim Meijer)، آینده‌ای را متصور می‌شود که در آن نظارت بر فاضلاب به ناشناخته‌ها می‌رود و ما را از شیوع بیماری‌های غیرمعمول آگاه می‌کند. ویم میجر میکروبیولوژیست کالج دانشگاهی دوبلین و سرپرست برنامه نظارت بر فاضلاب ایرلند است. در حالت ایده‌آل، در آینده‌ای پیش‌رو، پس از شناسایی مورد هشدار دهنده در فاضلاب، تیم او می‌تواند از نزدیک با مقامات بهداشتی برای مطالعه عامل بیماری‌زا همکاری و در صورت لزوم، مبارزه با تهدید را آغاز کند.

اگر هدف نظارت و کمک به سلامت جهانی باشد، زمینه نظارت بر فاضلاب نیز باید به رشد خود ادامه دهد، با سایت‌های بیشتری که داده‌ها را ارائه می‌دهند و دانشمندان بیشتری آن را تجزیه و تحلیل می‌کنند. همه این کار‌ها نیاز به بودجه پایدار دارد.

برنامه مرکز کنترل و پیشگیری از بیماری‌های آمریکا تاکنون توسط بودجه‌های مربوط به دوران کووید تامین مالی شده است و بودجه‌اش در سال ۲۰۲۵ تمام خواهد شد. این در حالی است که نظارت بر فاضلاب نسبت به سایر انواع آزمایش مقرون به‌صرفه‌تر است؛ اما همچنان به منابع زیادی نیاز دارد. به عنوان مثال، اداره بهداشت ایالت واشنگتن بیش از ۵۰۰ هزار دلار برای یک قرارداد آزمایش فاضلاب یک ساله به بیوبات پرداخته است.

در چند سال گذشته، نظارت بر فاضلاب یک پروژه گروهی غول‌پیکر و کثیف بود؛ اما در طول این سال‌ها دانشمندان در زمینه‌ها و مکان‌های مختلف، در موسسات خصوصی و دولتی، از طریق تماس‌های زوم و از طریق نمونه‌های مدفوع ارسال شده با یکدیگر همکاری کرده‌اند. آن‌ها نشان داده‌اند که زباله‌ها ممکن است کلید راه جدیدی برای ردیابی سلامت جمعی ما باشد.

بسیاری از سوالات بی‌پاسخ باقی مانده‌اند و ممکن است مدتی طول بکشد تا فاضلاب محلی شما دقیقاً به شما بگوید که ممکن است با چه خطرات بیماری روبه‌رو باشید؛ اما کووید ۱۹ هزاران متخصص را وادار کرد تا به توالت‌های خود نگاه کنند و شروع به پرسیدن این سوالات از خود کنند.