Perché le acque reflue potrebbero essere la chiave per il monitoraggio delle malattie ben oltre il COVID-19.

Il futuro del monitoraggio delle malattie sta andando in malora, letteralmente. Entusiasti del successo nel rilevare il coronavirus nelle acque reflue e persino nelle varianti specifiche di SARS-CoV-2, il virus che causa COVID-19, i ricercatori stanno ora osservando la nostra cacca collettiva per monitorare un’ampia varietà di minacce per la salute.

Prima della pandemia, la sorveglianza delle acque reflue era un campo più piccolo, focalizzato principalmente sui test farmaceutici o sulla mappatura degli ecosistemi microbici. Ma questi ricercatori stavano monitorando minacce sanitarie specifiche in luoghi specifici – gli oppioidi in alcune parti dell’Arizona, la poliomielite in Israele – e non avevano ancora realizzato il potenziale per la salute pubblica nazionale o globale.

Poi è arrivato il COVID-19.

La pandemia ha innescato una “incredibile accelerazione” nella scienza delle acque reflue, afferma Adam Gushgari, un ingegnere ambientale che prima del 2020 ha lavorato ai test sugli oppioidi nelle acque reflue. Ora sviluppa una serie di progetti di sorveglianza delle acque reflue per Eurofins Scientific, una società globale di analisi e ricerca di laboratorio con sede in Lussemburgo.

Un sottocampo che una volta era composto da poche manciate di specialisti è cresciuto fino a diventare un numero di scienziati più che sufficiente per riempire uno stadio, dice. E provengono da un’ampia varietà di campi – scienze ambientali, chimica analitica, microbiologia, epidemiologia e altro ancora – che collaborano tutti per tracciare il coronavirus, interpretare i dati e comunicare i risultati al pubblico. Con gli altri metodi di monitoraggio del COVID-19 in declino, la sorveglianza delle acque reflue è diventata una delle fonti primarie degli esperti sanitari per individuare nuovi picchi.

Centinaia di impianti di trattamento delle acque reflue negli Stati Uniti fanno ora parte di programmi di test COVID-19, inviando i loro dati al National Wastewater Surveillance System, o NWSS, un programma di monitoraggio lanciato nell’autunno 2020 dai Centri statunitensi per il controllo e la prevenzione delle malattie. Centinaia di altri programmi di test di questo tipo sono stati lanciati a livello globale, come monitorato dal dashboard COVIDPoops19 gestito dai ricercatori dell’Università della California, Merced.

Nell’ultimo anno, gli scienziati delle acque reflue hanno iniziato a considerare cos’altro potrebbe essere monitorato attraverso questa nuova infrastruttura. Stanno esaminando malattie stagionali come l’influenza, malattie emergenti di recente come l’influenza aviaria e il vaiolo delle scimmie, nonché agenti patogeni resistenti ai farmaci come il fungo Candida auris. Gli scienziati stanno anche valutando come identificare minacce completamente nuove.

La sorveglianza delle acque reflue avrà impatti sulla salute “molto più ampi di quelli del COVID”, prevede Amy Kirby, scienziata sanitaria del CDC che guida la NWSS.

Ma ci sono sfide per passare dalla promessa al possibile. Finora, tale sorveglianza delle acque reflue è stata per lo più una prova di concetto, confermando i dati di altri sistemi di tracciamento. Gli esperti stanno ancora determinando come i dati delle nostre feci possano effettivamente informare la politica; questo è vero anche per il COVID-19, oggi il simbolo di questo monitoraggio. E si trovano di fronte a funzionari pubblici diffidenti riguardo al suo valore e si chiedono se, ora che le emergenze sanitarie di COVID-19 sono terminate, la pipeline di finanziamenti verrà interrotta.

Si spera che questo monitoraggio diventi “una delle tecnologie che si evolve davvero dopo la pandemia per essere qui per restare”, afferma Mariana Matus, cofondatrice di Biobot Analytics, una società con sede a Cambridge, Massachusetts, che ha testato le acque reflue per il CDC e molti altre aziende sanitarie. Ma affinché ciò accada, la tecnologia ha bisogno del continuo consenso da parte dei governi, degli istituti di ricerca e del pubblico, affermano Matus e altri scienziati.

L’epidemiologia basata sulle acque reflue ha una lunga storia, che risale almeno alle osservazioni del 1850 del medico John Snow, secondo cui le epidemie di colera a Londra erano collegate all’acqua contaminata.

Negli anni ’20 e ’30, gli scienziati iniziarono a prelevare campioni dalle acque reflue e a studiarli in laboratorio, imparando a isolare specifici agenti patogeni che causano malattie. Questi primi ricercatori si concentrarono sulle malattie che si diffondono attraverso l’acqua contaminata, come la poliomielite e il tifo.

Oggi, le macchine automatizzate in genere recuperano campioni di liquami. Le macchine utilizzate per raccogliere i rifiuti sotto le coperture dei fori di manutenzione sono “come R2-D2 in termini di dimensioni” o più piccole, afferma Erin Driver, un ingegnere ambientale presso l’Arizona State University di Tempe che lavora sui metodi di raccolta.

L'autista può collegare questa macchina, o una versione più grande utilizzata per il campionamento negli impianti di trattamento delle acque reflue, a un tubo dell'acqua e programmarla per aspirare una piccola quantità di liquami in una bottiglia vuota a intervalli regolari, diciamo una volta all'ora per 24 ore. Lei e i suoi colleghi stanno sviluppando versioni più piccole del campionatore automatizzato che potrebbero essere più adatte per un campionamento più mirato.

Ciò che accade in laboratorio a quella bottiglia di rifiuti dipende da ciò che gli scienziati stanno testando. Per testare gli oppioidi e altre sostanze chimiche, gli scienziati potrebbero filtrare le particelle di grandi dimensioni dal campione con un sistema di vuoto, estrarre le sostanze chimiche specifiche che vogliono testare, quindi analizzare i risultati attraverso uno spettrometro, uno strumento che misura le concentrazioni chimiche analizzando la luce le sostanze chimiche sprigionano.

Per determinare i livelli di SARS-CoV-2 o di un altro virus, uno scienziato potrebbe separare i rifiuti liquidi dai rifiuti solidi con una centrifuga, isolare il materiale genetico virale e quindi testare i risultati con una macchina PCR, in modo simile al test del tampone nasale di qualcuno. Oppure, se gli scienziati vogliono sapere quali varianti SARS-CoV-2 sono presenti, possono sottoporre il materiale a una macchina che identifica una varietà di sequenze genetiche.

Nei primi giorni della pandemia, in preda al panico, si profilava una questione urgente e fondamentale. "Funzionerà anche questo?" ricorda Marlene Wolfe, microbiologa ambientale della Emory University di Atlanta. Sebbene la poliomielite si diffonda attraverso la materia fecale, ci sono stati i primi indizi che il coronavirus si diffonde principalmente attraverso l’aria; inizialmente gli scienziati non erano nemmeno sicuri che sarebbe apparso nelle acque reflue.

Lo stesso giorno del 2020 in cui l’area della Baia di San Francisco è stata bloccata, Wolfe e colleghi dell’Università di Stanford, dove all’epoca risiedeva, hanno ottenuto una borsa di studio per scoprirlo. Ben presto il team trascorse ore guidando per la Bay Area per raccogliere campioni di liquami, “evitare le regole di blocco” e negoziare permessi speciali per utilizzare lo spazio del laboratorio, dice.

“Aspettavamo con ansia di vedere se i nostri primi campioni avrebbero mostrato un risultato positivo per SARS-CoV-2”, afferma Wolfe.

Non solo i campioni di liquami sono risultati positivi, Wolfe e i suoi colleghi hanno scoperto che i livelli di coronavirus nelle acque reflue della Bay Area seguivano le stesse tendenze dei casi segnalati, ha riferito il team nel dicembre 2020 su Environmental Science & Technology. Quando il conteggio dei casi aumentava, più virus apparivano nelle acque reflue e viceversa. I primi progetti in altre parti del paese hanno mostrato risultati simili.

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Più di tre anni dopo, i dati sui casi segnalati sono diventati molto meno affidabili. Meno persone cercano test PCR di laboratorio a favore di test a domicilio di più facile accesso, con risultati spesso non riportati. Le tendenze delle acque reflue sono diventate il miglior indicatore per fornire avvisi tempestivi di potenziali nuovi picchi di COVID-19, come l’aumento della diffusione quest’estate, sia ai funzionari sanitari che al pubblico.

Nell’estate del 2022, il monitoraggio delle acque reflue ha avuto una nuova possibilità di mettersi alla prova. Il Mpox si stava rapidamente diffondendo a livello globale, compresi gli Stati Uniti. Ma i test erano limitati e la malattia, che si diffondeva principalmente attraverso il contatto intimo tra uomini, attirò rapidamente lo stigma sociale, portando alcune persone a esitare nel cercare cure mediche.

Nel giro di poche settimane dall’inizio dell’epidemia negli Stati Uniti, Wolfe e i suoi colleghi, così come i gruppi di ricerca della Biobot e di altre aziende, avevano sviluppato test per identificare il vaiolo nelle acque reflue.

Proprio come gli scienziati avevano visto con il COVID-19, le tendenze dell’mpox nelle acque reflue corrispondevano alle tendenze dei numeri ufficiali dei casi. In California, i risultati sulle acque reflue hanno addirittura suggerito che la malattia potrebbe essersi diffusa più lontano di quanto suggerissero i dati degli studi medici, hanno riferito Wolfe e collaboratori a febbraio sul New England Journal of Medicine.

Come il COVID-19, il mpox non si trasmette attraverso l’acqua, ma i test sulle acque reflue hanno comunque rilevato il virus. I primi risultati dell’epidemia estiva hanno convinto alcuni funzionari sanitari che la tecnologia delle acque reflue potrebbe essere utilizzata per molte malattie, indipendentemente da come si diffondono, afferma Matus.

Gli scienziati stanno iniziando a scoprire sempre più malattie infettive che possono essere rintracciate nelle acque reflue. "Onestamente, tutto ciò che abbiamo provato finora ha funzionato", afferma Wolfe, che ora è uno dei principali ricercatori di WastewaterSCAN, un progetto nazionale di test sulle acque reflue guidato da ricercatori di Stanford ed Emory. Il team del progetto attualmente testa campioni per sei virus diversi e sta lavorando su altri test da inviare agli oltre 150 siti della sua rete di monitoraggio.

Attraverso una revisione informale della letteratura sugli agenti patogeni importanti per la salute pubblica, gli scienziati della Biobot hanno scoperto che ricerche precedenti ne avevano identificati 76 su 80 nelle acque reflue, nelle feci o nelle urine, suggerendo che tali agenti patogeni potrebbero essere monitorati attraverso le acque reflue. L'elenco spazia dal virus della varicella ai microbi che causano malattie sessualmente trasmissibili come la clamidia ai batteri trasmessi dalle zecche che causano la malattia di Lyme.

Con così tante opportunità, la domanda che si pone nella mente di molti ricercatori non è: “Cosa possiamo testare?” ma "Cosa dovremmo testare?"

A gennaio, un rapporto pubblicato dalle Accademie nazionali di scienze, ingegneria e medicina ha individuato tre criteri. L’agente patogeno dovrebbe minacciare la salute pubblica. Dovrebbe essere rilevabile nelle acque reflue. E dovrebbe generare dati che le agenzie sanitarie pubbliche possano utilizzare per proteggere le loro comunità.

Considerate tutte le minacce e gli indizi di ciò che può essere trovato nelle acque reflue, i primi due criteri non restringono troppo il campo. Quindi, per ora, i ricercatori stanno prendendo spunto dai funzionari della sanità pubblica statali e locali su quali agenti patogeni dare la priorità.

Biobot sta lavorando su test per malattie comuni come l'influenza, l'RSV, l'epatite C e la gonorrea. E il CDC tiene d’occhio alcuni degli stessi agenti patogeni comuni, nonché le strategie per monitorare la resistenza antimicrobica, una minaccia che è aumentata durante la pandemia poiché i sistemi sanitari sono stati messi a dura prova.

Anche se scelgono gli obiettivi perfetti, però, i ricercatori devono anche capire come generare dati utili. Per ora, questo è un punto critico.

Tracciare gli agenti patogeni è una cosa. Ma determinare in che modo i risultati corrispondono al numero effettivo di malati è un’altra questione, anche nel caso del Covid-19, per il quale i ricercatori dispongono ormai di anni di dati dettagliati. Di conseguenza, molti funzionari della sanità pubblica non sono ancora pronti a prendere decisioni politiche basate sui dati sulle feci.

A New York City negli ultimi tre anni, ad esempio, il governo locale ha investito più di 1 milione di dollari in test per COVID-19, MPOX e poliomielite nelle acque reflue degli impianti di trattamento delle acque della città. Ma il dipartimento sanitario della città non ha utilizzato i dati risultanti per informare le misure di sicurezza locali contro il COVID-19, quindi non è chiaro cosa sia stato fatto con i dati.

I funzionari sanitari sono abituati a un tampone a persona, afferma Rachel Poretsky, microbiologa dell’Università dell’Illinois a Chicago. Dirige inoltre il monitoraggio delle acque reflue per la città di Chicago e lo stato dell'Illinois.

La formazione in sanità pubblica si basa sull’identificazione dei singoli malati e sul tracciamento del modo in cui si sono ammalati. Ma nella sorveglianza delle acque reflue, un punto dati potrebbe rappresentare migliaia di persone malate – e i dati provengono dall’ambiente, piuttosto che da ospedali e cliniche sanitarie. Cosa fare dopo quando si presentano risultati positivi non è così ovvio.

I numeri raccolti dal sistema sanitario rappresentano sempre i pazienti, quindi un picco indica un’impennata dei casi. Nel caso dei dati sulle acque reflue, tuttavia, anche fattori ambientali come il clima, le industrie locali e l’andirivieni dei turisti possono creare “strani valori anomali” che resistono a una facile interpretazione, afferma Poretsky. Ad esempio, un forte temporale potrebbe diluire i campioni o il deflusso chimico di una fabbrica potrebbe interferire con i metodi analitici di un gruppo di ricerca.

L’interpretazione dei dati diventa ancora più complicata quando gli scienziati iniziano a testare le acque reflue per individuare un numero crescente di minacce per la salute. I dati di ogni agente patogeno devono essere interpretati in modo diverso.

Con i dati sul coronavirus, ad esempio, i test sulle acque reflue risultano costantemente positivi, quindi interpretare i dati significa cercare tendenze: le concentrazioni virali stanno aumentando o diminuendo? Come si confronta la quantità di virus presente rispetto al passato? Un picco in una particolare località potrebbe segnalare un’impennata nella comunità che non è stata ancora rilevata dal sistema sanitario. La comunità potrebbe rispondere aumentando le risorse sanitarie, come l’apertura di cliniche per i vaccini, la distribuzione di mascherine gratuite e test a domicilio o l’aggiunta di personale ai dipartimenti di emergenza degli ospedali locali.

Il Mpox, d’altro canto, ha infettato molte meno persone e i test positivi sono stati rari dopo la fine delle epidemie della scorsa estate. Ora, i ricercatori stanno semplicemente osservando se il virus è presente o assente in una determinata fogna.

“Si tratta più di avere un allarme tempestivo”, afferma Matus. Se una fogna risultasse improvvisamente positiva al virus del vaiolo dopo risultati negativi negli ultimi mesi, i funzionari sanitari potrebbero avvisare i medici locali e le organizzazioni comunitarie di prestare attenzione a chiunque presenti sintomi, con l’obiettivo di identificare eventuali casi e prevenire una potenziale epidemia.

Un altro agente patogeno complicato è C. auris, un fungo che ha sviluppato resistenza ai farmaci comuni. Può diffondersi rapidamente negli ambienti sanitari ed essere rilevato nelle acque reflue. Ricercatori dello Utah e del Nevada hanno riferito a febbraio su Emerging Infectious Diseases che era possibile rintracciare C. auris nelle acque reflue di aree colpite da epidemie.

Se gli ospedali o i funzionari sanitari potessero identificare precocemente la presenza di questo fungo, tali informazioni potrebbero guidare le azioni di sanità pubblica per frenare le epidemie, afferma Alessandro Rossi, microbiologo presso lo Utah Public Health Laboratory di Salt Lake City. Ma l’interpretazione degli avvertimenti non è così chiara per C. auris come per i virus.

Il fungo può crescere nelle acque reflue dopo aver lasciato le strutture sanitarie, afferma Rossi. L’agente patogeno ha “il potenziale per replicarsi, formare biofilm e colonizzare una fogna”. In altre parole, C. auris può creare la propria interferenza nei dati, facendo potenzialmente sembrare i risultati delle acque reflue peggiori di quanto non siano in realtà.

Quando la malattia si è diffusa negli Stati Uniti nel 2022, gli scienziati hanno testato campioni di acque reflue in nove siti in California per individuare il virus. In cinque di questi siti, il virus è stato rilevato prima o entro un giorno dalla conferma del primo caso in quella fogna.

La maggior parte dei programmi di test attuali sono reattivi. Analizzando le minacce per la salute una alla volta utilizzando specifici test PCR, i programmi confermano per lo più che gli agenti patogeni di cui già ci preoccupiamo stanno facendo ammalare le persone.

Ma alcuni scienziati, come Wim Meijer, immaginano un futuro in cui il monitoraggio delle acque reflue avanza verso l’ignoto e ci allerta su insolite epidemie di malattie. Il microbiologo dell’University College di Dublino è a capo del programma di sorveglianza delle acque reflue dell’Irlanda. Idealmente, in questo futuro all’avanguardia, dopo aver rilevato qualcosa di allarmante nelle acque reflue, il suo team potrebbe collaborare strettamente con i funzionari sanitari per studiare l’agente patogeno e, se necessario, iniziare a combattere la minaccia.

Un’idea per rendere proattiva la tecnologia è prepararsi alle nuove minacce per la salute che possiamo vedere arrivare. Ad esempio, Meijer e i suoi colleghi sono interessati a effettuare uno screening delle acque reflue irlandesi per individuare l’influenza aviaria H5N1, ma non hanno ancora effettuato questi test.

Un altro approccio sfrutta la tecnologia dei test genetici per esaminare tutto nei nostri rifiuti. Kartik Chandran, un ingegnere ambientale della Columbia University che ha mappato gli ecosistemi microbici delle fogne con questa tecnica, lo descrive come un “tentativo di far brillare la luce in modo più ampio” piuttosto che guardare dove la luce già splende più intensa.

Un approccio di questo tipo potrebbe identificare nuovi agenti patogeni prima che i malati inizino a recarsi presso lo studio del medico, portando potenzialmente a una risposta sanitaria pubblica più tempestiva. Ma poiché i funzionari sanitari sono ancora incerti su come utilizzare al meglio i dati sulle acque reflue, è necessaria prima una ricerca di base molto più approfondita.

“La gente pensa che la sorveglianza delle acque reflue sia la risposta a tutto, e chiaramente questo non è vero”, afferma Kirby, del CDC, riflettendo le preoccupazioni dei funzionari statali e locali con cui collabora alla NWSS. Prima di dedicarsi alla sorveglianza proattiva, Kirby e i suoi colleghi stanno lavorando per stabilire standard e protocolli di base sulle acque reflue per le agenzie sanitarie. Le priorità includono la valutazione del modo in cui le tendenze delle acque reflue sono correlate ai casi di diversi agenti patogeni e lo sviluppo di standard su come utilizzare i dati.

Anche il campo della sorveglianza delle acque reflue deve continuare a crescere se l’obiettivo è monitorare e contribuire alla salute globale, con più siti che forniscono dati e più scienziati che li analizzano. Tutto questo lavoro richiede finanziamenti sostenuti.

Il programma del CDC finora è stato finanziato dalla legislazione dell’era COVID e finirà i soldi nel 2025. Sebbene la sorveglianza delle acque reflue sia più economica rispetto ad altri tipi di test, richiede comunque molte risorse. Il dipartimento sanitario dello stato di Washington, ad esempio, ha pagato a Biobot più di 500.000 dollari per un contratto di un anno per i test sulle acque reflue, mentre il CDC ha pagato alla società più di 23 milioni di dollari dal 2020 per il suo lavoro con NWSS.

Negli ultimi anni, la sorveglianza delle acque reflue è stata un gigantesco e disordinato progetto di gruppo. Gli scienziati hanno collaborato in campi e luoghi diversi, tra istituzioni pubbliche e private, tramite chiamate Zoom e campioni di cacca spediti sul ghiaccio. Hanno dimostrato che i rifiuti potrebbero essere la chiave per un nuovo modo di monitorare la nostra salute collettiva.

Rimangono molte domande senza risposta e potrebbe passare del tempo prima che il tuo sistema fognario locale possa dirti esattamente quali rischi di malattia potresti dover affrontare. Ma il COVID-19 ha spinto migliaia di esperti a guardare nei loro bagni e a iniziare a porsi queste domande. "Ora tutti ci credono", afferma Driver, dell'ASU. "Tutti stanno facendo il lavoro."

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