Por qué las aguas residuales pueden ser clave para rastrear enfermedades mucho más allá del COVID-19.

El futuro del seguimiento de enfermedades se está yendo por el desagüe, literalmente. Llenos de éxito en la detección del coronavirus en las aguas residuales, e incluso de variantes específicas del SARS-CoV-2, el virus que causa el COVID-19, los investigadores ahora están observando nuestra caca colectiva para monitorear una amplia variedad de amenazas a la salud.

Antes de la pandemia, la vigilancia de las aguas residuales era un campo más pequeño, centrado principalmente en pruebas de fármacos o mapeo de ecosistemas microbianos. Pero estos investigadores estaban rastreando amenazas específicas para la salud en lugares específicos (opioides en partes de Arizona, polio en Israel) y no se habían dado cuenta del potencial para la salud pública nacional o global.

Entonces llegó el COVID-19.

La pandemia desencadenó una “increíble aceleración” de la ciencia de las aguas residuales, dice Adam Gushgari, un ingeniero ambiental que antes de 2020 trabajó en pruebas de opioides en las aguas residuales. Ahora desarrolla una variedad de proyectos de vigilancia de aguas residuales para Eurofins Scientific, una empresa global de investigación y pruebas de laboratorio con sede en Luxemburgo.

Un subcampo que alguna vez fue un puñado de especialistas se ha convertido en científicos más que suficientes para llenar un estadio, dice. Y provienen de una amplia variedad de campos (ciencias ambientales, química analítica, microbiología, epidemiología y más), todos colaborando para rastrear el coronavirus, interpretar los datos y comunicar los resultados al público. Con otros métodos de seguimiento de la COVID-19 en declive, la vigilancia de las aguas residuales se ha convertido en una de las principales fuentes de los expertos en salud para detectar nuevos aumentos repentinos.

Cientos de plantas de tratamiento de aguas residuales en todo Estados Unidos ahora forman parte de programas de pruebas de COVID-19 y envían sus datos al Sistema Nacional de Vigilancia de Aguas Residuales, o NWSS, un programa de monitoreo lanzado en el otoño de 2020 por los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de Estados Unidos. Se han lanzado cientos de programas de prueba más en todo el mundo, según lo rastrea el panel COVIDPoops19 dirigido por investigadores de la Universidad de California, Merced.

El año pasado, los científicos de aguas residuales comenzaron a considerar qué más se podría rastrear a través de esta nueva infraestructura. Están analizando enfermedades estacionales como la gripe, enfermedades emergentes recientemente como la gripe aviar y la mpox, antes llamada viruela simica, así como patógenos resistentes a los medicamentos como el hongo Candida auris. Los científicos incluso están considerando cómo identificar amenazas completamente nuevas.

La vigilancia de las aguas residuales tendrá impactos en la salud “mucho más amplios que el COVID”, predice Amy Kirby, científica de salud de los CDC que dirige el NWSS.

Pero hay desafíos para pasar de una promesa a una realidad. Hasta ahora, dicha vigilancia de aguas residuales ha sido principalmente una prueba de concepto, que confirma datos de otros sistemas de seguimiento. Los expertos todavía están determinando cómo los datos de nuestra caca pueden realmente informar las políticas; eso es cierto incluso para el COVID-19, ahora el modelo de este seguimiento. Y se enfrentan a funcionarios públicos que desconfían de su valor y a preguntas sobre si, ahora que las emergencias sanitarias de la COVID-19 han terminado, se cortará el flujo de financiación.

Es de esperar que este monitoreo se convierta en “una de las tecnologías que realmente evolucione después de la pandemia para quedarse”, dice Mariana Matus, cofundadora de Biobot Analytics, una empresa con sede en Cambridge, Massachusetts, que ha analizado aguas residuales para los CDC y muchos otras agencias de salud. Pero para que eso suceda, la tecnología necesita la aceptación continua de los gobiernos, las instituciones de investigación y el público, dicen Matus y otros científicos.

La epidemiología basada en las aguas residuales tiene una larga historia, que se remonta al menos a las observaciones del médico John Snow en la década de 1850 de que los brotes de cólera en Londres estaban relacionados con el agua contaminada.

En las décadas de 1920 y 1930, los científicos comenzaron a tomar muestras de aguas residuales y a estudiarlas en el laboratorio, aprendiendo a aislar patógenos específicos que causan enfermedades. Estos primeros investigadores se centraron en enfermedades que se propagaban a través del agua contaminada, como la polio y la fiebre tifoidea.

Hoy en día, las máquinas automatizadas suelen recuperar muestras de aguas residuales. Las máquinas utilizadas para recolectar desechos debajo de las cubiertas de los agujeros de mantenimiento son “como R2-D2 en términos de tamaño” o más pequeñas, dice Erin Driver, ingeniera ambiental de la Universidad Estatal de Arizona en Tempe que trabaja en métodos de recolección.

El conductor puede conectar esta máquina, o una versión más grande utilizada para tomar muestras en plantas de tratamiento de aguas residuales, a una tubería de agua y programarla para que extraiga una pequeña cantidad de aguas residuales en una botella vacía a intervalos regulares, digamos, una vez por hora durante 24 horas. Ella y sus colegas están desarrollando versiones más pequeñas del muestreador automatizado que podrían ser más adecuadas para un muestreo más específico.

Lo que sucede en el laboratorio con esa botella de desechos depende de lo que los científicos estén analizando. Para realizar pruebas de opioides y otras sustancias químicas, los científicos pueden filtrar partículas grandes de la muestra con un sistema de vacío, extraer las sustancias químicas específicas que desean probar y luego pasar los resultados a través de un espectrómetro, un instrumento que mide las concentraciones químicas analizando la luz. los químicos se desprenden.

Para determinar los niveles de SARS-CoV-2 u otro virus, un científico podría separar los desechos líquidos de los sólidos con una centrífuga, aislar el material genético viral y luego probar los resultados con una máquina de PCR, similar a analizar el hisopo nasal de una persona. O, si los científicos quieren saber qué variantes del SARS-CoV-2 están presentes, pueden pasar el material por una máquina que identifica una variedad de secuencias genéticas.

En los aterrorizados primeros días de la pandemia, surgió una pregunta básica urgente. “¿Esto funcionará?” recuerda Marlene Wolfe, microbióloga ambiental de la Universidad Emory en Atlanta. Si bien la polio se transmite a través de la materia fecal, hubo primeros indicios de que el coronavirus se propaga principalmente por el aire; Al principio, los científicos ni siquiera estaban seguros de que apareciera en las aguas residuales.

El mismo día de 2020 en que se cerró el Área de la Bahía de San Francisco, Wolfe y sus colegas de la Universidad de Stanford, donde ella trabajaba en ese momento, obtuvieron una subvención para averiguarlo. Pronto, el equipo pasó horas conduciendo por el Área de la Bahía para recolectar muestras de aguas residuales, “navegando las reglas de bloqueo” y negociando permisos especiales para usar el espacio del laboratorio, dice.

"Estábamos esperando ansiosamente para ver si nuestras primeras muestras mostrarían un resultado positivo para el SARS-CoV-2", dice Wolfe.

No solo las muestras de aguas residuales dieron positivo, Wolfe y sus colegas descubrieron que los niveles de coronavirus en las aguas residuales del Área de la Bahía seguían las mismas tendencias que los casos reportados, informó el equipo en diciembre de 2020 en Environmental Science & Technology. Cuando aumentaron los recuentos de casos, aparecieron más virus en las aguas residuales y viceversa. Los primeros proyectos en otras partes del país arrojaron resultados similares.

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Más de tres años después, los datos sobre los casos notificados se han vuelto mucho menos fiables. Cada vez menos personas buscan pruebas de PCR en laboratorio en favor de pruebas caseras de más fácil acceso, y los resultados a menudo no se informan. Las tendencias de las aguas residuales se han convertido en el mejor indicador para proporcionar alertas tempranas sobre posibles nuevos aumentos repentinos de COVID-19, como el aumento de la propagación este verano, tanto a los funcionarios de salud como al público en general.

En el verano de 2022, el seguimiento de las aguas residuales tendrá una nueva oportunidad de demostrar su valía. Mpox se estaba extendiendo rápidamente por todo el mundo, incluso en Estados Unidos. Pero las pruebas eran limitadas y la enfermedad, que se propagaba principalmente a través del contacto íntimo entre hombres, rápidamente generó estigma social, lo que llevó a algunas personas a dudar en buscar atención médica.

A las pocas semanas del inicio del brote en Estados Unidos, Wolfe y sus colegas, así como equipos de investigación de Biobot y otras empresas, habían desarrollado pruebas para identificar mpox en las aguas residuales.

Tal como habían observado los científicos con el COVID-19, las tendencias de mpox en las aguas residuales coincidieron con las tendencias de las cifras oficiales de casos. En California, los resultados de las aguas residuales incluso sugirieron que la enfermedad podría haberse extendido más allá de lo que sugerían los datos de los consultorios médicos, informaron Wolfe y sus colaboradores en febrero en el New England Journal of Medicine.

Al igual que el COVID-19, el mpox no se transmite a través del agua, pero las pruebas de aguas residuales aún detectaron el virus. Los primeros resultados de ese brote de verano convencieron a algunos funcionarios de salud de que la tecnología de aguas residuales podría usarse para muchas enfermedades, sin importar cómo se propagaran, dice Matus.

Los científicos están empezando a encontrar cada vez más enfermedades infecciosas que pueden rastrearse en las aguas residuales. "Honestamente, todo lo que hemos probado hasta ahora ha funcionado", dice Wolfe, quien ahora es investigador principal de WastewaterSCAN, un proyecto nacional de pruebas de aguas residuales dirigido por investigadores de Stanford y Emory. Actualmente, el equipo del proyecto prueba muestras para detectar seis virus diferentes y está trabajando en otras pruebas que puede enviar a los más de 150 sitios de su red de monitoreo.

A través de una revisión informal de la literatura sobre patógenos importantes para la salud pública, los científicos de Biobot descubrieron que investigaciones anteriores habían identificado 76 de 80 de ellos en aguas residuales, heces u orina, lo que sugiere que esos patógenos podrían monitorearse a través de las aguas residuales. La lista abarca desde el virus de la varicela hasta los microbios que causan enfermedades de transmisión sexual como la clamidia y las bacterias transmitidas por garrapatas que causan la enfermedad de Lyme.

Con tantas oportunidades, la pregunta en la mente de muchos investigadores no es: "¿Qué podemos probar?" sino "¿Qué debemos probar?"

En enero, un informe publicado por las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina planteó tres criterios. El patógeno debería amenazar la salud pública. Debería ser detectable en aguas residuales. Y debería generar datos que las agencias de salud pública puedan utilizar para proteger a sus comunidades.

Dadas todas las amenazas y los indicios de lo que se puede encontrar en las aguas residuales, los dos primeros criterios no limitan demasiado el campo. Por ahora, los investigadores están siguiendo las indicaciones de los funcionarios de salud pública estatales y locales sobre qué patógenos priorizar.

Biobot está trabajando en pruebas para enfermedades comunes como la gripe, el VRS, la hepatitis C y la gonorrea. Y los CDC tienen el ojo puesto en algunos de los mismos patógenos comunes, así como en estrategias para rastrear la resistencia a los antimicrobianos, una amenaza que ha aumentado durante la pandemia a medida que los sistemas de salud han estado bajo presión.

Sin embargo, incluso si eligen los objetivos perfectos, los investigadores también tienen que descubrir cómo generar datos útiles. Por ahora, ese es un punto conflictivo.

El seguimiento de patógenos es una cosa. Pero determinar cómo los resultados corresponden a las cifras reales de personas enfermas es otra, incluso en el caso de la COVID-19, donde los investigadores ahora cuentan con años de datos detallados. Como resultado, muchos funcionarios de salud pública aún no están preparados para tomar decisiones políticas basadas en datos sobre heces.

En la ciudad de Nueva York, durante los últimos tres años, por ejemplo, el gobierno local ha invertido más de $1 millón en pruebas de COVID-19, mpox y polio en las aguas residuales de las plantas de tratamiento de agua de la ciudad. Pero el departamento de salud de la ciudad no ha estado utilizando los datos resultantes para informar las medidas de seguridad locales contra el COVID-19, por lo que no está claro qué se está haciendo con los datos.

Los funcionarios de salud están acostumbrados a un hisopo por persona, dice Rachel Poretsky, microbióloga de la Universidad de Illinois en Chicago. También dirige el monitoreo de aguas residuales para la ciudad de Chicago y el estado de Illinois.

La formación en salud pública se basa en identificar a las personas enfermas individualmente y rastrear cómo enfermaron. Pero en la vigilancia de aguas residuales, un punto de datos podría representar miles de personas enfermas, y los datos provienen del medio ambiente, más que de hospitales y clínicas de salud. Qué hacer a continuación cuando aparecen resultados positivos no es tan obvio.

Las cifras recopiladas del sistema de atención médica siempre representan a los pacientes, por lo que un pico indica un aumento en los casos. Sin embargo, en el caso de los datos sobre aguas residuales, factores ambientales como el clima, las industrias locales y el ir y venir de turistas también pueden crear "valores atípicos extraños" que resisten una fácil interpretación, dice Poretsky. Por ejemplo, una tormenta masiva podría diluir las muestras, o el escurrimiento químico de una fábrica podría interferir con los métodos analíticos de un equipo de investigación.

La interpretación de los datos solo se vuelve más complicada cuando los científicos comienzan a analizar las aguas residuales para detectar un número cada vez mayor de amenazas para la salud. Los datos de cada patógeno deben interpretarse de manera diferente.

Con los datos del coronavirus, por ejemplo, las pruebas de aguas residuales arrojan sistemáticamente resultados positivos, por lo que interpretar los datos consiste en buscar tendencias: ¿aumentan o disminuyen las concentraciones virales? ¿Cómo se compara la cantidad de virus presente con la del pasado? Un aumento en un lugar en particular podría indicar un aumento en la comunidad que aún no ha sido detectado por el sistema de atención médica. La comunidad podría responder aumentando los recursos de salud, como abriendo clínicas de vacunación, entregando máscaras y pruebas caseras gratuitas, o agregando personal a los departamentos de emergencia de los hospitales locales.

Mpox, por otro lado, ha infectado a muchas menos personas y las pruebas positivas han sido raras después de que terminaron los brotes del verano pasado. Ahora, los investigadores simplemente están observando si el virus está presente o ausente en una determinada alcantarilla.

"Se trata más de tener una alerta temprana", dice Matus. Si una alcantarilla repentinamente da positivo por mpox después de resultados negativos durante los últimos meses, los funcionarios de salud podrían alertar a los médicos locales y a las organizaciones comunitarias para que estén atentos a cualquier persona con síntomas, con el objetivo de identificar cualquier caso y prevenir un posible brote.

Otro patógeno complicado es C. auris, un hongo que ha desarrollado resistencia a los medicamentos comunes. Puede propagarse rápidamente en entornos de atención médica y detectarse en las aguas residuales. Investigadores de Utah y Nevada informaron en febrero en Emerging Infectious Diseases que era posible rastrear C. auris en las aguas residuales de áreas que experimentaban brotes.

Si los hospitales o los funcionarios de salud pudieran identificar tempranamente la presencia de este hongo, esa información podría guiar las acciones de salud pública para frenar los brotes, dice Alessandro Rossi, microbiólogo del Laboratorio de Salud Pública de Utah en Salt Lake City. Pero la interpretación de las advertencias no es tan clara para C. auris como para los virus.

El hongo puede crecer en las aguas residuales después de salir de los centros de atención médica, dice Rossi. El patógeno tiene “el potencial de replicarse, formar biopelículas y colonizar una alcantarilla”. En otras palabras, C. auris puede crear su propia interferencia en los datos, lo que podría hacer que los resultados de las aguas residuales parezcan peores de lo que realmente son.

A medida que el mpox se propagó en los Estados Unidos en 2022, los científicos analizaron muestras de aguas residuales en nueve sitios de California para detectar el virus. En cinco de esos sitios, el virus se detectó antes o dentro del día siguiente a la confirmación del primer caso en esa alcantarilla.

La mayoría de los programas de prueba actuales son reactivos. Al observar las amenazas a la salud una por una mediante pruebas de PCR específicas, los programas confirman principalmente que los patógenos que ya nos preocupan están enfermando a las personas.

Pero algunos científicos, como Wim Meijer, imaginan un futuro en el que el monitoreo de las aguas residuales se adentra en lo desconocido y nos alerta sobre brotes de enfermedades inusuales. El microbiólogo, del University College Dublin, dirige el programa de vigilancia de aguas residuales de Irlanda. Idealmente, en este futuro adelantado, después de detectar algo alarmante en las aguas residuales, su equipo podría colaborar estrechamente con los funcionarios de salud para estudiar el patógeno y, si es necesario, comenzar a combatir la amenaza.

Una idea para hacer que la tecnología sea proactiva es prepararse para las nuevas amenazas a la salud que vemos venir. Por ejemplo, Meijer y sus colegas están interesados en detectar la gripe aviar H5N1 en las aguas residuales de Irlanda, pero aún no están realizando estas pruebas.

Otro enfoque aprovecha la tecnología de pruebas genéticas para observar todo lo que hay en nuestros desechos. Kartik Chandran, ingeniero ambiental de la Universidad de Columbia que ha cartografiado los ecosistemas microbianos de las alcantarillas con esta técnica, la describe como "tratar de hacer brillar la luz de manera más amplia" en lugar de mirar donde la luz ya brilla más.

Un enfoque de este tipo podría identificar nuevos patógenos antes de que las personas enfermas comiencen a acudir al consultorio del médico, lo que podría conducir a una respuesta de salud pública más temprana. Pero como los funcionarios de salud aún no están seguros de cuál es la mejor manera de utilizar los datos sobre aguas residuales, primero se necesita mucha más investigación básica.

"La gente piensa que la vigilancia de las aguas residuales es la respuesta a todo, y claramente eso no es cierto", dice Kirby, de los CDC, reflejando las preocupaciones de los funcionarios estatales y locales con los que colabora en el NWSS. Antes de lanzarse a la vigilancia proactiva, Kirby y sus colegas están trabajando para establecer estándares y protocolos básicos de aguas residuales para las agencias de salud. Las prioridades incluyen evaluar cómo las tendencias de las aguas residuales se correlacionan con los casos de diferentes patógenos y desarrollar estándares sobre cómo utilizar los datos.

El campo de la vigilancia de las aguas residuales también debe seguir creciendo si el objetivo es monitorear y contribuir a la salud global, con más sitios que aporten datos y más científicos para analizarlos. Todo este trabajo requiere una financiación sostenida.

Hasta ahora, el programa de los CDC ha sido financiado por la legislación de la era COVID y se quedará sin dinero en 2025. Si bien la vigilancia de las aguas residuales es más rentable que otros tipos de pruebas, todavía requiere muchos recursos. El departamento de salud del estado de Washington, por ejemplo, pagó a Biobot más de 500.000 dólares por un contrato de un año de análisis de aguas residuales, mientras que los CDC han pagado a la empresa más de 23 millones de dólares desde 2020 por su trabajo con el NWSS.

Durante los últimos años, la vigilancia de las aguas residuales ha sido un proyecto grupal gigante y desordenado. Los científicos han colaborado en diferentes campos y ubicaciones, en instituciones públicas y privadas, a través de llamadas de Zoom y mediante muestras de heces enviadas en hielo. Han demostrado que los residuos podrían ser la clave para una nueva forma de rastrear nuestra salud colectiva.

Quedan muchas preguntas sin respuesta y podría pasar algún tiempo antes de que su alcantarillado local pueda decirle exactamente qué riesgos de enfermedades podría enfrentar. Pero el COVID-19 empujó a miles de expertos a mirar dentro de sus baños y comenzar a hacer esas preguntas. “Ahora todo el mundo es creyente”, dice Driver, de ASU. "Todos están haciendo el trabajo".

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