Aes la popularidad de programas de vigilancia de aguas residuales se disparó durante la pandemia de COVID-19, microbiólogo Antonio Maresso y genetista microbiano Michael Tisza de Baylor College of Medicine ampliaron sus horizontes. A través de la iniciativa de detección de aguas residuales del Instituto de Salud Pública Epidémica de Texas (TEPHI), Tisza, Maresso y su equipo detectaron más de 400 virus humanos y animales diferentes mediante secuenciación híbrida basada en captura, analizando muestras predominantemente de áreas urbanas de todo Texas. Su objetivo era detectar brotes de enfermedades infecciosas de forma temprana, y les llamó la atención el reciente aumento de casos de gripe aviar (H5N1) más allá de las especies de aves.
En su última correspondencia publicada en el Revista de medicina de Nueva Inglaterralos investigadores hicieron sonar la alarma sobre el H5N1 presente en las aguas residuales de 10 ciudades de Texas y defendieron el monitoreo viral agnóstico como herramienta de vigilancia centinela en la preparación para enfermedades infecciosas.1
Anthony Maresso aplicó su experiencia en vigilancia microbiana de aguas residuales hacia el COVID-19 y más allá, ayudando a establecer el monitoreo viral de aguas residuales en Texas.
Facultad de Medicina de Baylor
Búsqueda de virus en aguas residuales
Maresso y su equipo habían estado examinando las aguas residuales durante aproximadamente una década antes de la pandemia de COVID-19, en busca de microbios. Habían elaborado protocolos para ir a plantas de aguas residuales, obtener material y aislar virus. “Teníamos la idea de que tal vez el SARS-CoV-2 estaba en las aguas residuales y, si pudiéramos detectarlo, podríamos decirle a toda una comunidad cuáles eran los niveles, en lugar de depender de pruebas individuales”, dijo Maresso. . Eso llevó a un programa en la Facultad de Medicina de Baylor, desarrollado en conjunto con el Departamento de Salud de Houston, donde los investigadores realizaban pruebas de SARS-CoV-2 semanalmente e informaban dónde se producían los brotes. A medida que avanzaba la pandemia y entraba en juego la vacuna, las pruebas de aguas residuales comenzaron a aumentar. Maresso y su equipo se preguntaron entonces: “¿Cuál es el próximo gran avance en esto? ¿Podemos buscar no sólo un virus, sino todos los virus? Y ahí es donde entraron Tisza y su equipo.
Tisza se unió a la Facultad de Medicina de Baylor justo cuando la iniciativa de secuenciación de aguas residuales TEPHI, Biomonitoreo ambiental y de aguas residuales de Texas (TexWEB)estaba siendo concebido. “Estábamos descubriendo cómo podríamos enriquecer estos virus en el laboratorio y luego secuenciarlos. Ha sido una gran tarea técnica y ha sido un gran triunfo técnico del que la gente de nuestra organización ha sido pionera”, dijo Tisza.
Juntos, el equipo de la Facultad de Medicina de Baylor creó un programa en el que ahora detectan e informan sobre tantos virus humanos como sea posible en aguas residuales mediante tecnología de secuenciación. Una de las características del programa es que pueden detectar cosas en las que la gente no está pensando, y una de las cosas que detectaron fue la gripe aviar, de la que empezaron a ver una señal a principios de marzo de 2024.
Con experiencia en genómica bacteriana y viral, Michael Tisza aplica la bioinformática y su experiencia en secuenciación para rastrear firmas virales a medida que surgen en las aguas residuales de Texas.
Facultad de Medicina de Baylor
Detección de H5N1 en aguas residuales de Texas
Cuando Tisza detectó por primera vez una señal de H5N1 en las aguas residuales de Texas, quedó muy sorprendido. Hubo informes iniciales de que el virus circulaba en el ganado y, a finales de marzo de 2024, hubo un caso en el oeste de Texas de un ser humano que presumiblemente fue infectado por una vaca lechera. Aún así, los investigadores no esperaban ver una señal en tantas áreas urbanas. “En ese momento pensé: ‘Bueno, probablemente se trate de una situación aislada’. No esperaba que esto ocurriera en nuestras áreas urbanas de Texas”, dijo Tisza.
Organizó una reunión de emergencia con su colega. Blake Hansonepidemiólogo del Centro de Ciencias de la Salud de la Universidad de Texas en Houston, para descubrir, desde una perspectiva computacional y matemática, cómo podían saber con seguridad si la influenza aviar H5N1 estaba presente en sus datos.
“Empezamos a ver señales de H5N1 en marzo de 2024 y ambos quedamos muy conmocionados”, dijo Tisza. “Regresamos a todos nuestros datos históricos desde mayo de 2022 hasta el día de hoy, y vimos que nunca lo habíamos visto antes de marzo de 2024, lo cual fue aún más impactante para nosotros, porque en 2022 hubo una gran infección aviar H5N1. brote de influenza en aves silvestres y aves de corral, pero nunca lo vimos en las aguas residuales”.
Uno de los principales factores que es diferente en 2024 es que este virus está circulando en las vacas lecheras y se han reportado más casos en humanos. “Obviamente, el hecho de que esto se encuentre ahora en un depósito de ganado lechero es motivo de gran preocupación”, explicó Maresso. “Sí significa que el virus se está adaptando de una manera que está un paso más cerca de la transmisión de persona a persona”. Se piensa en gran medida que las secuencias virales detectables en las aguas residuales provienen de una fuente humana, pero como Maresso describe su trabajo en curso, todavía se requiere mucho trabajo de detective para determinar la fuente exacta de la señal viral en las aguas residuales urbanas.
Desafíos de la vigilancia de aguas residuales
Según Tisza, un desafío de la vigilancia de las aguas residuales es que es una muestra difícil de manejar porque tiene componentes líquidos y sólidos que pueden obstruir los filtros y requiere consideraciones cuidadosas sobre el riesgo biológico. Más allá de trabajar con muestras difíciles, la búsqueda de secuencias virales en aguas residuales es lo que los investigadores describen como un problema de aguja en un pajar. “Si simplemente se extrajera ARN y ADN de las aguas residuales para secuenciarlos, casi no se tendrían secuencias de virus humanos; son aproximadamente una entre un millón”, explicó Tisza. “Es necesario enriquecer drásticamente el material viral”.
El equipo de Texas utilizó una técnica llamada captura híbrida para enriquecer secuencias virales para su detección. “Es casi como si tuviéramos un millón de pequeños imanes, cada uno de los cuales es específico para una secuencia viral diferente”, dijo Tisza. En esta analogía, los imanes son ácidos nucleicos que se hibridan entre sí. Existen imanes representativos de más de 3.000 virus humanos, así como alrededor de 15.000 posibles variantes de estos virus. Esos imanes atraen las secuencias virales de la extracción de aguas residuales y los investigadores eliminan el ARN y el ADN restantes. Luego les quedan secuencias altamente enriquecidas para virus humanos.
Una vez que los investigadores enriquecen y secuencian este material genético, se enfrentan al desafío de dar sentido a todas esas As, T, C y G. “Hay que asignar lecturas de secuenciación con confianza, de forma específica y sensible al virus apropiado del que se originan, y también hay que poder distinguir variaciones muy pequeñas en estas lecturas”, explicó Tisza. Esto es particularmente desafiante porque diferentes cepas o serotipos de influenza reorganizarán el material genético entre sí. Por ejemplo, las secuencias del H5N1 son a veces muy similares a las secuencias de otras cepas o serotipos de influenza A. “Es un problema biológico, matemático y computacional realmente grande en el que hemos estado trabajando durante los últimos dos años y medio”, añadió Tisza.
El futuro de la detección viral
Aunque encontrar H5N1 en muestras de aguas residuales de varias ciudades tiene serias implicaciones para la salud pública, los investigadores también se sienten alentados por el hecho de que su enfoque integral e independiente del virus les permitió detectar estos eventos tempranamente. “Desde el punto de vista tecnológico, me alegro de haber podido alcanzar el objetivo”, afirmó Maresso. “Creo que este será un momento transformador en la salud pública con respecto al uso de secuenciación en lugar de PCR para detectar estos virus en las aguas residuales”.
La esperanza es que, si la transmisión humana comienza en algún nivel bajo en la población, verán esa señal en las aguas residuales y podrán identificar cómo el virus ha comenzado a adaptarse. A diferencia de las pruebas basadas en PCR que se utilizan actualmente para detectar virus, la información de secuencia permite a los investigadores rastrear si se está produciendo una evolución viral, justo cuando detectan una señal en las aguas residuales. “Podemos hacer coincidir estrechamente la secuencia del virus en las aguas residuales con el virus proveniente de otros reservorios, como aves, ganado y otros animales, e identificar posibles orígenes”, explicó Maresso.
Más allá de sus hallazgos actuales, Tisza sueña que algún día podría haber un programa de vigilancia de aguas residuales a nivel nacional que utilice secuenciación viral agnóstica, que interactuaría con intervenciones clínicas y de salud pública. Por ejemplo, si la secuenciación detecta H5N1 en aguas residuales en otros lugares, se podrían proporcionar recursos para un enfoque de salud pública específico, como pruebas voluntarias a cualquier persona que tenga síntomas de resfriado o gripe. “De esa manera, podremos rastrear si este virus se está propagando de persona a persona y cómo, o si hay personas que lo contraen a través de un vector animal”, dijo Tisza.