Summary

القياس الكمي وتوصيف الجينوم الكامل للحمض النووي الريبي SARS-CoV-2 في عينات مياه الصرف الصحي والهواء

Published: June 30, 2023
doi:

Summary

يهدف هذا البروتوكول إلى تحديد كمية الحمض النووي الريبي ل SARS-CoV-2 في عينات مياه الصرف الصحي والهواء لاستخدامها في دراسات علم الأوبئة القائمة على مياه الصرف الصحي وتقييم مخاطر التعرض ل SARS-CoV-2 في الهباء الجوي الداخلي والخارجي. يصف هذا البروتوكول أيضا نهج تسلسل القالب الطويل المبلط لتوصيف الجينوم الكامل ل SARS-CoV-2.

Abstract

برز علم الأوبئة القائم على مياه الصرف الصحي كنظام مراقبة واعد وفعال ل SARS-CoV-2 والأمراض المعدية الأخرى في العديد من الدول. تتضمن العملية عادة تركيز مياه الصرف الصحي ، واستخراج الحمض النووي ، وتضخيم الأجزاء الجينومية المختارة ، والكشف عن الجزء الجينومي المضخم وتحديده كميا. وبالمثل ، يمكن الاستفادة من هذه المنهجية للكشف عن العوامل المعدية وتحديدها كميا ، مثل SARS-CoV-2 ، في عينات الهواء. في البداية ، كان من المفترض أن ينتشر SARS-CoV-2 بشكل أساسي من خلال الاتصال الشخصي الوثيق مع القطرات الناتجة عن شخص مصاب أثناء التحدث أو العطس أو السعال أو الغناء أو التنفس. ومع ذلك ، فقد أبلغ عدد متزايد من الدراسات عن وجود الحمض النووي الريبي ل SARS-CoV-2 في هواء مرافق الرعاية الصحية ، مما يجعل الانتقال المحمول جوا طريقا قابلا للتطبيق للفيروس. تقدم هذه الدراسة مجموعة من البروتوكولات المعمول بها لتسهيل الكشف البيئي والقياس الكمي وتسلسل الفيروسات من كل من عينات مياه الصرف الصحي والهواء.

Introduction

في ديسمبر 2019 ، ظهر مرض جديد يسمى COVID-19 ، ناجم عن فيروس تاجي غير معروف سابقا ، SARS-CoV-21. وقد شكلت الجائحة العالمية الناتجة عن ذلك تحديا كبيرا للمختبرات السريرية ومختبرات الصحة العامة في جميع أنحاء العالم، حيث يحتاج عدد كبير من الأفراد إلى إجراء اختبارات لتقييم انتقال الفيروس وانتشاره في المجتمع بدقة. ومع ذلك ، في العديد من المناطق ، فإن تحقيق المستوى اللازم من الاختبار في الوقت المناسب وبطريقة شاملة مكانيا غير ممكن اقتصاديا 2,3. تعتمد أنظمة الترصد الحالية القائمة على التشخيص السريري الفردي اعتمادا كبيرا على شدة الأعراض والإبلاغ الفردي ، فضلا عن مدى تداخل هذه الأعراض مع الأمراض الحالية المنتشرة في السكان4،5،6،7،8،9،10. وبالتالي ، فإن عددا كبيرا من الحالات التي لا تظهر عليها أعراض يساهم في التقليل بشكل كبير من عبء المرض 7,11.

وبسبب هذه التحديات، تم اقتراح علم الأوبئة القائم على مياه الصرف الصحي (WBE) لترصد كوفيد-19 كاستراتيجية ترصد تكميلية. تم وصف WBE لأول مرة في عام 200112 ، وكان يستخدم في البداية لتتبع الكوكايين والمخدرات غير المشروعةالأخرى 13. يعتمد هذا النهج على افتراض أنه من الممكن حساب التركيز الأولي لأي مادة مستقرة في مياه الصرف الصحي ويفرزها البشر 8,12. تم تنفيذ WBE بنجاح في العديد من البلدان كنظام ترصد تكميلي وفعال ل SARS-CoV-23،8،14،15،16. تتبع غالبية طرق الكشف عن الفيروسات البشرية في البيئات المائية الخطوات التالية: التركيز ، واستخراج الحمض النووي ، وتضخيم الجزء الجينومي (أو الأجزاء) المختارة ، والكشف / القياس الكمي للجزء الجينوميالمضخم 3.

بيئة مهمة أخرى للكشف عن SARS-CoV-2 وقياسه كميا هي في عينات الهواء. في البداية ، كان يعتقد أن SARS-CoV-2 ينتقل بشكل أساسي من خلال الاتصال الشخصي الوثيق مع قطرات الجهاز التنفسي من الهباء الجوي الناتج عن شخص مصاب أثناء التحدث أو العطس أو السعال أو الغناء أو التنفس17. ومع ذلك ، بدأت العديد من الدراسات في الإبلاغ عن وجود SARS-CoV-2 RNA في الهواء ، خاصة في مرافق الرعاية الصحية والأماكن المغلقة الأخرى18،19،20،21. تم العثور على أدلة على صلاحية SARS-CoV-2 في عينات الهواء المأخوذة في الداخل في المستشفيات والأماكن المغلقة الأخرى عندما كان تركيز الفيروس مرتفعا بما فيه الكفاية22،23،24. لم تجد الدراسات الخارجية عموما أي دليل على وجود SARS-CoV-2 ، باستثناء الأماكن الخارجية المزدحمة21،25،26،27،28،29. اعتبارا من الآن ، تم التعرف على انتقال SARS-CoV-2 المحمول جوا كوسيلة انتقال30,31. تظهر دراسة مراجعة حديثة الاختلافات بين الهواء الطلق ، حيث تكون مخاطر انتقال العدوى المحمولة جوا ضئيلة خارج المناطق المزدحمة ، وفي الداخل ، حيث يمكن أن توجد مخاطر أكبر في بيئات سيئة التهوية يمكن أن توجد فيها مصادر قوية (أي عدد المصابين). وقد أبرزت دراسة مراجعة شاملة حديثة الاختلافات الجوهرية بين مخاطر انتقال العدوى المحمولة جوا في البيئات الخارجية مقابل البيئات الداخلية، لا سيما في المناطق المزدحمة ذات التهوية السيئة. تشير الدراسة إلى أن خطر انتقال العدوى المحمولة جوا ضئيل في البيئات الخارجية ، حيث يوجد حجم أكبر من الهواء المتاح لتخفيف وتشتت جزيئات الفيروس32. هذه النتائج لها آثار مهمة على سياسات الصحة العامة والمبادئ التوجيهية المتعلقة ب COVID-19. من خلال الاعتراف بالاختلافات الكبيرة في مخاطر انتقال العدوى بين البيئات الداخلية والخارجية ، يمكن لواضعي السياسات تطوير استراتيجيات أكثر فعالية للتخفيف من انتشار الفيروس وحماية الصحة العامة.

هناك مجموعة متنوعة من الطرق والبروتوكولات للكشف عن SARS-CoV-2 وقياسه وتسلسله من عينات بيئية مختلفة. تهدف مقالة الطريقة هذه إلى تقديم مجموعة من البروتوكولات الراسخة التي تسمح للمختبرات ذات مستويات السعة المختلفة بإجراء الكشف البيئي والقياس الكمي وتسلسل الفيروسات من عينات مياه الصرف الصحي والهواء.

Protocol

تم نشر جميع الطرق الموضحة هنا في مكان آخر وتحتوي على تعديلات صغيرة من الطرق الأصلية. 1. جمع مياه الصرف الصحي والمعالجة المسبقة للعينات ملاحظة: نظرا للتركيزات المنخفضة للحمض النووي الريبي SARS-CoV-2 في العينات البيئية ، فإن تنفيذ خطوة التركيز أمر بالغ الأه?…

Representative Results

تظهر النتائج الملخصة في الجدول 3 أمثلة على اكتشاف وقياس الحمض النووي الريبي ل SARS-CoV-2 في عينات مياه الصرف الصحي والهواء باستخدام الطريقة الموضحة في هذه المقالة. تم جمع عينات مياه الصرف الصحي من محطات معالجة مياه الصرف الصحي في إسبانيا وسلوفينيا واعتبرت إيجابية إذا كان Ct أقل من 40 في …

Discussion

حظي الكشف عن الميكروبات والفيروسات وقياسها الكمي باستخدام طرق (RT-) qPCR بقبول واسع النطاق بسبب حساسيتها الملحوظة. ومع ذلك ، تواجه هذه التقنيات العديد من التحديات عند تحليل العينات البيئية. تحتوي عينات مياه الصرف الصحي على وفرة من المواد المثبطة التي يمكن أن تحرف القياسات وتولد نتائج مضللة. ل…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

تم تنفيذ هذا العمل بدعم مالي من الحكومة الإقليمية لكاستيا وليون وبرنامج FEDER (مشاريع CLU 2017-09 و UIC315 و VA266P20).

Materials

Adapter+A25+A2:D19+A2:D20+A2+A2:D19 Oxford Nanopore EXP-AMII001 Sequencing
AllPrep PowerViral DNA/RNA Kit Qiagen 28000-50 RNA extraction kit
AMPure XP Beckman Coulter A63880 PCR Purification, NGS Clean-up, PCR clean-up
ARTIC SARS-CoV-2 Amplicon Panel IDT 10011442 SARS-CoV-2 genome amplification
Blunt/TA Ligase Master Mix NEB M0367S Library preparation
CENTRICON PLUS­70 10KDA. Fisher Scientific 10296062 Concentration filters
CORIOLIS COMPACT AIR SAMPLER Bertin Technologies 083-DU001 Air sampler
Duran laboratory bottles Merck Z305200-10EA Sampling Bottles
Flow Cell (R9.4.1) Oxford Nanopore FLO-MIN106D Sequencing
General labarotory consumables (tubes, qPCR plates, etc)
Ligation Sequencing Kit Oxford Nanopore SQK-LSK109 Sequencing
LunaScript RT SuperMix Kit NEB E3010  cDNA synthesis
Mengovirus extraction control Kit Biomérieux KMG Concentration control
Nalgene General Long-Term Storage Cryogenic Tubes Thermofisher 5011-0012 Sample storage
Native Barcoding Expansion 1-12 (PCR-free Oxford Nanopore EXP-NBD104 Barcoding
NEBNext Ultra II End Repair/dA-Tailing Module NEB E7595 DNA repair
NEBNext VarSkip Short SARS-CoV-2 Primer Mixes NEB E7658 SARS-CoV-2 genome amplification
NEBNext Quick Ligation Reaction Buffer NEB B6058S Sequencing 
Phosphate buffered saline Merck P4474 Collection buffer
Phosphate-buffered saline (PBS, 1X), sterile-filtered Thermofisher J61196.AP Elution of air samples
Q5 Hot Start High-Fidelity 2X Master Mix NEB M0494S hot start DNA polymerase
Qubit RNA HS Assay Kit Thermofisher Q32852 RNA quantitation
SARS-CoV-2 RUO qPCR Primer & Probe Kit IDT 10006713 Primer-Probe mix and qPCR positive control
TaqPath 1-Step RT-qPCR Master Mix Thermofisher A15299 RT-qPCR kit

References

  1. Naming the Coronavirus Disease (COVID-19) and the Virus that Causes it. World Health Organization Available from: https://www.who.int/emergencies/diseases/novel-coronavirus-2019/technical-guidance/naming-the-coronavirus-disease (2020)
  2. Lab Workplace Safety. Centers for Disease Control and Prevention Available from: https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/lab/lab-safety-practices.html (2020)
  3. Gonçalves, J., et al. Centralized and decentralized wastewater-based epidemiology to infer COVID-19 transmission – A brief review. One Health. 15, 100405 (2022).
  4. Dawood, F. S., et al. Estimated global mortality associated with the first 12 months of 2009 pandemic influenza A H1N1 virus circulation: a modelling study. The Lancet Infectious Diseases. 12 (9), 687-695 (2012).
  5. Gonçalves, J., Koritnik, T., Paragi, M. Assessment of weather and atmospheric pollution as a co-factor in the spread of SARS-CoV-2. Acta Bio-Medica: Atenei Parmensis. 92 (3), e2021094 (2021).
  6. Gonçalves, J., et al. Detection of SARS-CoV-2 RNA in hospital wastewater from a low COVID-19 disease prevalence area. The Science of The Total Environment. 755, 143226 (2021).
  7. Mizumoto, K., Kagaya, K., Zarebski, A., Chowell, G. Estimating the asymptomatic proportion of coronavirus disease 2019 (COVID-19) cases on board the Diamond Princess cruise ship, Yokohama, Japan, 2020. Eurosurveillance. 25 (10), 2000180 (2020).
  8. Polo, D., et al. Making waves: Wastewater-based epidemiology for COVID-19 – approaches and challenges for surveillance and prediction. Water Research. 186, 116404 (2020).
  9. Shmueli, G., Burkom, H. Statistical challenges facing early outbreak detection in biosurveillance. Technometrics. 52 (1), 39-51 (2010).
  10. Simonsen, L., et al. Global mortality estimates for the 2009 influenza pandemic from the GLaMOR project: A modeling study. PLoS Medicine. 10 (11), e1001558 (2013).
  11. Oran, D. P., Topol, E. J. Prevalence of asymptomatic SARS-CoV-2 infection: a narrative reivew. Annals of Internal Medicine. 173, 362-367 (2020).
  12. Daughton, C., Jones-Lepp, T. Pharmaceuticals and Personal Care Products in the Environment: Scientific and Regulatory Issues. ACS Symposium Series. , (2001).
  13. Zuccato, E., et al. Cocaine in surface waters: a new evidence-based tool to monitor community drug abuse. Environmental Health. 4, 14 (2005).
  14. Aguiar-Oliveira, M. d. e. L., et al. Wastewater-based epidemiology (WBE) and viral detection in polluted surface water: A valuable tool for COVID-19 surveillance-a brief review. International Journal of Environmental Research and Public Health. 17, 9251 (2020).
  15. García-Encina, P. A. Wastewater-based epidemiology (WBE). Water and Environment Journal. 35 (4), 1162-1163 (2021).
  16. Mao, K., Zhang, H., Pan, Y., Yang, Z. Biosensors for wastewater-based epidemiology for monitoring public health. Water Research. 191, 116787 (2021).
  17. Shereen, M. A., Khan, S., Kazmi, A., Bashir, N., Siddique, R. COVID-19 infection: Origin, transmission, and characteristics of human coronaviruses. Journal of Advanced Research. 24, 91-98 (2020).
  18. Chia, P. Y., et al. Detection of air and surface contamination by SARS-CoV-2 in hospital rooms of infected patients. Nature Communications. 11 (1), 2800 (2020).
  19. Lei, H., et al. SARS-CoV-2 environmental contamination associated with persistently infected COVID-19 patients. Influenza and Other Respiratory Viruses. 14 (6), 688-699 (2020).
  20. Razzini, K., et al. SARS-CoV-2 RNA detection in the air and on surfaces in the COVID-19 ward of a hospital in Milan, Italy. The Science of The Total Environment. 742, 140540 (2020).
  21. da Silva, P. G., Gonçalves, J., Nascimento, M. S. J., Sousa, S. I. V., Mesquita, J. R. Detection of SARS-CoV-2 in the indoor and outdoor areas of urban public transport systems of three major cities of Portugal in 2021. International Journal of Environmental Research and Public Health. 19 (10), 5955 (2022).
  22. Barbieri, P., et al. Molecular detection of SARS-CoV-2 from indoor air samples in environmental monitoring needs adequate temporal coverage and infectivity assessment. Environmental Research. 198, 111200 (2021).
  23. Lednicky, J., et al. Earliest detection to date of SARS-CoV-2 in Florida: Identification together with influenza virus on the main entry door of a university building, February 2020. PLoS One. 16 (1), 0245352 (2021).
  24. Santarpia, J. L., et al. Aerosol and surface contamination of SARS-CoV-2 observed in quarantine and isolation care. Scientific Reports. 10 (1), 12732 (2020).
  25. Chirizzi, D., et al. SARS-CoV-2 concentrations and virus-laden aerosol size distributions in outdoor air in north and south of Italy. Environment International. 146, 106255 (2021).
  26. Hadei, M., et al. Presence of SARS-CoV-2 in the air of public places and transportation. Atmospheric Pollution Research. 12 (3), 302-306 (2021).
  27. Moreno, T., et al. Tracing surface and airborne SARS-CoV-2 RNA inside public buses and subway trains. Environment International. 147, 106326 (2021).
  28. Mouchtouri, V. A., et al. Environmental contamination of SARS-CoV-2 on surfaces, air-conditioner and ventilation systems. International Journal of Hygiene and Environmental Health. 230, 113599 (2020).
  29. Setti, L., et al. Airborne transmission route of COVID-19: why 2 meters/6 feet of inter-personal distance could not be enough. International Journal of Environmental Research and Public Health. 17, 2932 (2020).
  30. SARS-CoV-2 Transmission. Centers for Disease Control and Prevention (CDC) Available from: https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/science/science-briefs/sars-cov-2-transmission.html (2021)
  31. Coronavirus Disease (COVID-19): How is it Transmitted. World Health Organization Available from: https://www.who.int/news-room/q-a-detail/coronavirus-disease-covid-19-how-is-it-transmitted (2021)
  32. Dinoi, A., et al. A review on measurements of SARS-CoV-2 genetic material in air in outdoor and indoor environments: Implication for airborne transmission. The Science of the Total Environment. 809, 151137 (2022).
  33. Bosch, A., et al. Analytical methods for virus detection in water and food. Food Analytical Methods. 4, 4-12 (2011).
  34. Gonçalves, J., et al. Surveillance of human enteric viruses in coastal waters using concentration with methacrylate monolithic supports prior to detection by RT-qPCR. Marine Pollution Bulletin. 128, 307-317 (2018).
  35. La Rosa, G., Muscillo, M. Molecular detection of viruses in water and sewage. Viruses in Food and Water. , 97-125 (2013).
  36. Medema, G., Heijnen, L., Elsinga, G., Italiaander, R., Brouwer, A. Presence of SARS-Coronavirus-2 RNA in sewage and correlation with reported COVID-19 prevalence in the early stage of the epidemic in the Netherlands. Environmental Science & Technology Letters. 7 (7), 511-516 (2020).
  37. CDC – 2019-nCoV Real-Time RT-PCR Diagnostic Panel Fact Sheet for Healthcare Providers. Centers for Disease Control and Prevention Available from: https://stacks.cdc.gov/view/cdc/85028 (2020)
  38. Conte, M. Airborne concentrations of SARS-CoV-2 in indoor community environments in Italy. Environmental Science and Pollution Research International. 29 (10), 13905-13916 (2022).
  39. nCoV-2019 sequencing protocol v3 (LoCost). protocols.io Available from: https://www.protocols.io/view/ncov-2019-sequencing-protocol-v3-locost-bh42j8ye (2020)
  40. Tyson, J. R. . Improvements to the ARTIC multiplex PCR method for SARS-CoV-2 genome sequencing using nanopore. , (2020).
  41. . ARTIC SARS-CoV-2 Workflow Available from: https://github.com/epi2me-labs/wf-artic (2022)
  42. Li, H., et al. The sequence alignment/map format and SAMtools. Bioinformatics. 25 (16), 2078-2079 (2009).
  43. . Freyja Available from: https://github.com/andersen-lab/Freyja (2022)
  44. Li, H. A statistical framework for SNP calling, mutation discovery, association mapping and population genetical parameter estimation from sequencing data. Bioinformatics. 27 (21), 2987-2993 (2011).
  45. Grubaugh, N. D., et al. An amplicon-based sequencing framework for accurately measuring intrahost virus diversity using PrimalSeq and iVar. Genome Biology. 20 (1), 8 (2019).
  46. Hadfield, J., et al. Nextstrain: real-time tracking of pathogen evolution. Bioinformatics. 34 (23), 4121-4123 (2018).
  47. Aksamentov, I., Roemer, C., Hodcroft, E. B., Neher, R. A. Nextclade: clade assignment, mutation calling and quality control for viral genomes. Journal of Open Source Software. 6 (67), 3773 (2021).
  48. Markt, R., et al. Detection and stability of SARS-CoV-2 fragments in wastewater: impact of storage temperature. Pathogens. 10 (9), 1215 (2021).
  49. Kocamemi, B. A., et al. First Data-Set on SARS-CoV-2 Detection for Istanbul Wastewaters in Turkey. MedRxiv. , (2020).
  50. Randazzo, W., et al. SARS-CoV-2 RNA in wastewater anticipated COVID-19 occurrence in a low prevalence area. Water Research. 181, 115942 (2020).
  51. Hoorfar, J., et al. Practical considerations in design of internal amplification controls for diagnostic PCR assays. Journal of Clinical Microbiology. 42 (5), 1863-1868 (2004).
  52. Parshionikar, S. U., Cashdollar, J., Shay Fout, G. Development of homologous viral internal controls for use in RT-PCR assays of waterborne enteric viruses. Journal of Virological Methods. 121, 39-48 (2004).
  53. Nalla, A. K. Comparative performance of SARS-CoV-2 detection assays using seven different primer-probe sets and one assay kit. Journal of Clinical Microbiology. 58 (6), 00557 (2020).
  54. Hirotsu, Y., Mochizuki, H., Omata, M. Double-quencher probes improve detection sensitivity toward Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in a reverse-transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) assay. Journal of Virological Methods. 284, 113926 (2020).
  55. Ahmed, W. First confirmed detection of SARS-CoV-2 in untreated wastewater in Australia: A proof of concept for the wastewater surveillance of COVID-19 in the community. The Science of The Total Environment. 728, 138764 (2020).
  56. Bar-Or, I., et al. Detection of SARS-CoV-2 variants by genomic analysis of wastewater samples in Israel. The Science of the Total Environment. 789, 148002 (2021).
  57. La Rosa, G., Bonadonna, L., Lucentini, L., Kenmoe, S., Suffredini, E. Coronavirus in water environments: Occurrence, persistence and concentration methods – A scoping review. Water Research. 179, 115899 (2020).
  58. Wu, F., et al. SARS-CoV-2 titers in wastewater are higher than expected from clinically confirmed cases. mSystems. 5, 00614 (2020).
  59. Wurtzer, S., et al. Evaluation of lockdown effect on SARS-CoV-2 dynamics through viral genome quantification in waste water, Greater Paris, France, 5 March to 23 April 2020. European Communicable Disease Bulletin. 25 (50), 2000776 (2020).
  60. . VATar COVID-19 | Caso de Exito – Ministerio para la Transición Ecologica y el Reto Demografico Available from: https://esri.es/es-es/descubre-los-gis/casos-de-exito/administracion-/vatar-covod19-miteco-cs (2022)
  61. Nemudryi, A., et al. Temporal detection and phylogenetic assessment of SARS-CoV-2 in municipal wastewater. Cell Reports. Medicine. 1 (6), 100098 (2020).
  62. Rios, G., et al. Monitoring SARS-CoV-2 variants alterations in Nice neighborhoods by wastewater nanopore sequencing. The Lancet Regional Health. Europe. 10, 100202 (2021).
  63. Gomes da Silva, P. Environmental dissemination of SARS-CoV-2 in a University Hospital during the COVID-19 5th wave Delta variant peak in Castile-León, Spain. International Journal of Environmental Research and Public Health. 20, 1574 (2023).
  64. Gonçalves, J., et al. . Exposure assessment of SARS-CoV-2 and Nov GII/GII in aerosols generated by a municipal wastewater treatment plant. , (2022).
  65. Lednicky, J. A., et al. Isolation of SARS-CoV-2 from the air in a car driven by a COVID patient with mild illness. International Journal of Infectious Diseases. 108, 212-216 (2021).

Play Video

Cite This Article
Gonçalves, J., Gomes da Silva, P., Koritnik, T., Bosilj, M., Torres-Franco, A., Diaz, I., Rodriguéz, E., Marcos, E., Mesquita, J. R., García-Encina, P. Quantification and Whole Genome Characterization of SARS-CoV-2 RNA in Wastewater and Air Samples. J. Vis. Exp. (196), e65053, doi:10.3791/65053 (2023).

View Video