Pourquoi les eaux usées peuvent détenir la clé pour retracer les maladies bien au-delà du COVID-19.

L'avenir du suivi des maladies part littéralement dans les égouts. Après avoir réussi à détecter le coronavirus dans les eaux usées, ainsi que des variantes spécifiques du SARS-CoV-2, le virus responsable de la COVID-19, des chercheurs envisagent maintenant d'utiliser nos excréments collectifs pour surveiller une grande variété de menaces pour la santé.

Avant la pandémie, la surveillance des eaux usées était un domaine plus restreint, principalement axé sur la détection de médicaments ou la cartographie des écosystèmes microbiens. Mais ces chercheurs suivaient des menaces sanitaires spécifiques dans des endroits précis, comme les opioïdes dans certaines régions de l'Arizona ou la polio en Israël, et ils n'avaient pas vraiment réalisé le potentiel pour la santé publique nationale ou mondiale.

Puis la COVID-19 est arrivée.

La pandémie a provoqué une "accélération incroyable" des sciences des eaux usées, selon Adam Gushgari, ingénieur environnemental qui, avant 2020, travaillait sur les tests des eaux usées pour les opioïdes. Il développe désormais plusieurs projets de surveillance des eaux usées pour Eurofins Scientific, une entreprise mondiale de tests et de recherche basée au Luxembourg.

Un domaine qui était autrefois celui de quelques spécialistes s'est transformé en une discipline regroupant suffisamment de scientifiques pour remplir un stade, affirme-t-il. Et ils proviennent d'une grande variété de domaines - sciences de l'environnement, chimie analytique, microbiologie, épidémiologie, et bien d'autres, tous collaborant pour suivre le coronavirus, interpréter les données et communiquer les résultats au public. Alors que d'autres méthodes de suivi de la COVID-19 sont en déclin, la surveillance des eaux usées est devenue l'une des principales sources d'information pour repérer de nouvelles flambées.

Des centaines de stations d'épuration aux États-Unis font désormais partie des programmes de tests COVID-19, envoyant leurs données au National Wastewater Surveillance System (NWSS), un programme de surveillance lancé à l'automne 2020 par les Centers for Disease Control and Prevention (CDC) des États-Unis. Des centaines d'autres programmes similaires ont été lancés dans le monde entier, comme le montre le tableau de bord COVIDPoops19 géré par des chercheurs de l'Université de Californie à Merced.

Après un an, les scientifiques en matière d'eaux usées commencent à réfléchir à ce qui d'autre pourrait être suivi grâce à cette nouvelle infrastructure. Ils étudient les maladies saisonnières comme la grippe, les maladies récemment émergentes comme la grippe aviaire et la variole simienne, anciennement appelée monkeypox, ainsi que les pathogènes résistants aux médicaments tels que le champignon Candida auris. Les scientifiques réfléchissent même à la manière d'identifier de nouvelles menaces entièrement.

La surveillance des eaux usées aura des conséquences sanitaires "bien plus larges que la COVID", prédit Amy Kirby, une scientifique de la santé au CDC qui dirige le NWSS.

Mais il y a des défis à relever pour passer de la promesse au possible. Jusqu'à présent, cette surveillance des eaux usées a surtout été une preuve de concept, confirmant les données d'autres systèmes de suivi. Les experts déterminent encore comment les données de nos excréments peuvent réellement influencer les politiques ; cela vaut même pour la COVID-19, maintenant l'exemple phare de cette surveillance. Et ils font face à des responsables politiques sceptiques quant à sa valeur et se posent des questions sur le maintien du financement une fois que les urgences sanitaires liées à la COVID-19 auront pris fin.

Cette surveillance devrait devenir "l'une des technologies qui évoluent vraiment après la pandémie et qui resteront", déclare Mariana Matus, co-fondatrice de Biobot Analytics, une entreprise basée à Cambridge, dans le Massachusetts, qui a testé les eaux usées pour le CDC et de nombreux autres organismes de santé. Mais pour que cela arrive, la technologie doit continuer à être soutenue par les gouvernements, les institutions de recherche et le public, affirment Matus et d'autres scientifiques.

L'épidémiologie basée sur les eaux usées a une longue histoire, remontant au moins aux observations du médecin John Snow dans les années 1850 selon lesquelles les épidémies de choléra à Londres étaient liées à l'eau contaminée.

Dans les années 1920 et 1930, des scientifiques ont commencé à prélever des échantillons d'égouts et à les étudier en laboratoire, apprenant à isoler des pathogènes spécifiques responsables de maladies. Ces premiers chercheurs se sont concentrés sur les maladies se propageant par l'eau contaminée, telles que la polio et la typhoïde.

Aujourd'hui, des machines automatisées collectent généralement les échantillons d'égouts. Les machines utilisées pour collecter les déchets sous les couvercles des trappes d'entretien sont de "taille comparable à R2-D2" ou plus petites, explique Erin Driver, ingénieur environnemental à l'Arizona State University de Tempe, qui travaille sur les méthodes de prélèvement.

Driver peut brancher cette machine, ou une version plus grande utilisée pour les prélèvements dans les stations d'épuration, sur une canalisation et la programmer pour prélever une petite quantité de matières fécales dans une bouteille vide à des intervalles réguliers, par exemple, une fois par heure pendant 24 heures. Elle et ses collègues développent des versions plus petites de l'échantillonneur automatisé qui pourraient être mieux adaptées pour un échantillonnage plus ciblé.

Que se passe-t-il dans le laboratoire avec cette bouteille de déchets dépend de ce que les scientifiques testent. Pour tester les opioïdes et autres produits chimiques, les scientifiques pourraient filtrer les grosses particules de l'échantillon avec un système d'aspiration, extraire les produits chimiques spécifiques qu'ils veulent tester, puis analyser les résultats avec un spectromètre, un instrument qui mesure les concentrations chimiques en analysant la lumière que les produits chimiques émettent.

Pour déterminer les niveaux de SARS-CoV-2 ou d'un autre virus, un scientifique pourrait séparer les déchets liquides des déchets solides avec une centrifugeuse, isoler le matériel génétique viral, puis tester les résultats avec une machine PCR, similaire aux tests de frottis nasal de quelqu'un. Ou, si les scientifiques veulent savoir quels variants de SARS-CoV-2 sont présents, ils peuvent passer le matériel dans une machine qui identifie une variété de séquences génétiques.

Dans les premiers jours paniqués de la pandémie, une question fondamentale urgente se posait. "Est-ce que ça va marcher ?" se souvient Marlene Wolfe, microbiologiste environnementale à l'Université Emory d'Atlanta. Alors que la polio se propage par les matières fécales, il y avait des indices précoces que le coronavirus se propageait principalement par l'air ; les scientifiques n'étaient même pas sûrs qu'il apparaisse dans les eaux usées.

Le même jour en 2020 où la région de la baie de San Francisco a été mise en quarantaine, Wolfe et ses collègues de l'Université Stanford, où elle était basée à l'époque, ont reçu une subvention pour le découvrir. L'équipe passait bientôt des heures à conduire dans toute la région de la baie pour collecter des échantillons d'eaux usées, "naviguant entre les règles de confinement" et négociant des autorisations spéciales pour utiliser l'espace de laboratoire, dit-elle.

"Nous attendions avec impatience de voir si nos premiers échantillons montreraient un résultat positif pour le SARS-CoV-2", dit Wolfe.

Non seulement les échantillons d'eaux usées se sont révélés positifs, Wolfe et ses collègues ont découvert que les niveaux de coronavirus dans les eaux usées de la région de la baie suivaient les mêmes tendances que les cas signalés, comme l'a rapporté l'équipe en décembre 2020 dans Environmental Science & Technology. Lorsque le nombre de cas augmentait, plus de virus apparaissait dans les eaux usées, et vice versa. Des projets précoces dans d'autres régions du pays ont montré des résultats similaires.

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Plus de trois ans plus tard, les données sur les cas signalés sont devenues beaucoup moins fiables. Moins de personnes recherchent des tests PCR en laboratoire au profit de tests à domicile plus accessibles - souvent non signalés. Les tendances des eaux usées sont devenues le meilleur indicateur pour fournir des avertissements précoces de nouvelles poussées potentielles de COVID-19, comme la propagation accrue cet été, aux responsables de la santé et au public.

À l'été 2022, le suivi des eaux usées a eu une nouvelle chance de faire ses preuves. Le Mpox se propageait rapidement dans le monde entier, y compris aux États-Unis. Mais les tests étaient limités, et la maladie, qui se propageait principalement par contact intime entre les hommes, a rapidement suscité une stigmatisation sociale, incitant certaines personnes à hésiter à demander des soins médicaux.

Quelques semaines seulement après le début de l'épidémie aux États-Unis, Wolfe et ses collègues, ainsi que des équipes de recherche de Biobot et d'autres entreprises, avaient mis au point des tests pour identifier le Mpox dans les eaux usées.

Tout comme les scientifiques l'avaient constaté avec le COVID-19, les tendances du Mpox dans les eaux usées correspondaient aux tendances des chiffres officiels des cas. En Californie, les résultats des eaux usées suggéraient même que la maladie aurait pu se propager plus loin que ce que les données des cabinets médicaux suggéraient, ont rapporté Wolfe et ses collaborateurs en février dans le New England Journal of Medicine.

Tout comme le COVID-19, le Mpox ne se transmet pas par l'eau, mais les tests des eaux usées ont quand même détecté le virus. Les premiers résultats de cette épidémie estivale ont convaincu certains responsables de la santé que la technologie des eaux usées pourrait être utilisée pour de nombreuses maladies, quelle que soit leur mode de transmission, déclare Matus.

Les scientifiques commencent à découvrir de plus en plus de maladies infectieuses qui peuvent être suivies dans les eaux usées. "Honêtement, tout ce que nous avons essayé jusqu'à présent a fonctionné", déclare Wolfe, qui est maintenant investigatrice principale de WastewaterSCAN, un projet national de tests des eaux usées dirigé par des chercheurs de Stanford et d'Emory. L'équipe du projet teste actuellement des échantillons pour six virus différents et travaille sur d'autres tests qu'elle peut envoyer aux plus de 150 sites de son réseau de surveillance.

Lors d'une revue informelle de la littérature sur les agents pathogènes importants pour la santé publique, les scientifiques de Biobot ont constaté que des recherches antérieures avaient identifié 76 des 80 d'entre eux dans les eaux usées, les selles ou l'urine, suggérant que ces agents pathogènes pourraient être surveillés par les eaux usées. La liste va du virus de la varicelle aux microbes qui causent des maladies sexuellement transmissibles comme la chlamydia, aux bactéries transmises par les tiques qui causent la maladie de Lyme.

Avec autant d'opportunités, la question qui préoccupe de nombreux chercheurs n'est pas "Que pouvons-nous tester ?", mais "Que devrions-nous tester ?"

The fungus can grow in sewage after it leaves health care facilities, Rossi says. The pathogen has “the potential to replicate, form biofilms and colonize a sewershed.” In other words, C. auris can create its own data interference, potentially making wastewater results seem worse than they really are.

As mpox spread in the United States in 2022, scientists tested wastewater samples at nine sites in California for the virus. At five of those sites, the virus was detected before or within a day of the first case being confirmed in that sewershed.

Most current testing programs are reactive. By looking at health threats one at a time using specific PCR tests, the programs mostly confirm that pathogens we already are worrying about are getting people sick.

But some scientists, like Wim Meijer, envision a future in which wastewater monitoring wades into the unknown and alerts us to unusual disease outbreaks. The microbiologist, of the University College Dublin, heads Ireland’s wastewater surveillance program. Ideally, in this ahead-of-the-curve future, after detecting something alarming in sewage, his team could closely collaborate with health officials to study the pathogen and, if necessary, start combating the threat.

One idea for turning the tech proactive is to prepare for new health threats that we can see coming. For example, Meijer and his colleagues are interested in screening Ireland’s sewage for the H5N1 bird flu, but they are not yet doing this testing.

Another approach takes advantage of genetic testing technology to look at everything in our waste. Kartik Chandran, an environmental engineer at Columbia University who has mapped sewers’ microbial ecosystems with this technique, describes it as “trying to shine the light more broadly” rather than looking where the light is already shining brightest.

Such an approach might identify new pathogens before sick people start going to the doctor’s office, potentially leading to an earlier public health response. But with health officials still unsure of how best to use wastewater data, much more basic research is needed first.

“People think wastewater surveillance is the answer to everything, and clearly that’s not true,” says Kirby, of the CDC, reflecting concerns from the state and local officials that she collaborates with at NWSS. Before diving ahead into proactive surveillance, Kirby and her colleagues are working to set up basic wastewater standards and protocols for health agencies. Priorities include evaluating how sewage trends correlate to cases for different pathogens and developing standards for how to use the data.

The wastewater surveillance field also needs to keep growing if the goal is to monitor and contribute to global health, with more sites contributing data and more scientists to analyze it. All of this work requires sustained funding.

The CDC’s program so far has been funded by COVID-era legislation and will run out of money in 2025. While wastewater surveillance is more cost-effective than other types of testing, it still requires a lot of resources. Washington’s state health department, for example, paid Biobot more than $500,000 for a one-year sewage testing contract, while the CDC has paid the company more than $23 million since 2020 for its work with NWSS.

For the last few years, wastewater surveillance has been a giant, messy group project. Scientists have collaborated across fields and locations, across private and public institutions, through Zoom calls and through poop samples shipped on ice. They’ve shown that waste might hold the key to a new way of tracking our collective health.

A lot of unanswered questions remain, and it could be some time before your local sewer can tell you exactly what disease risks you might be facing. But COVID-19 pushed thousands of experts to look into their toilets and start asking those questions. “Now, everyone’s a believer,” says Driver, of ASU. “Everyone’s doing the work.”

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