The Newest Disease Detection Tool for Covid and Beyond: Poop
Since reopening campus at the University of California-San Diego last summer, university officials have relied on the tried-and-true public health strategies of testing and contact tracing. But they have also added a new tool to their arsenal: excrement.
That tool alerted researchers to about 85% of cases in dorms before they were diagnosed, according to a soon-to-be published study, said Rob Knight, a professor of pediatrics and computer science and engineering who helped create the campus’s wastewater testing program.
When covid is detected in sewage, students, staffers and faculty members are tested, which has allowed the school to identify and isolate infected individuals who aren’t yet showing symptoms — potentially stopping outbreaks in their tracks.
UC-San Diego’s testing program is among hundreds of efforts around California and the nation to turn waste into valuable health data. From Fresno, California, to Portland, Maine, universities, communities and businesses are monitoring human excrement for signs of covid.
Researchers have high hopes for this sludgy new data stream, which they say can alert public health officials to trends in infections and doesn’t depend on individuals getting tested. And because people excrete virus in feces before they show symptoms, it can serve as an early warning system for outbreaks.
The Centers for Disease Control and Prevention finds the practice so promising that it has created a federal database of wastewater samples, transforming raw data into valuable information for local health departments. The program is essentially creating a public health tool in real time, experts say, one that could have a range of uses beyond the current global pandemic, including tracking other infectious diseases and germs’ resistance to antibiotics.
“We think this can really provide valuable data, not just for covid, but for a lot of diseases,” said Amy Kirby, a microbiologist leading the CDC effort.
The virus that causes covid infects many types of cells in the body, including those in the respiratory tract and gut. The virus’s genetic signature, viral RNA, makes its way into feces, and typically shows up in poop days before symptoms start.
At UC-San Diego and other campuses, researchers take samples flowing from individual buildings, capturing such granular data that they can often deduce the number of infected people living or working there. But in most other settings, because of privacy concerns and resource constraints, testing is done on a much larger scale, with the goal of tracking trends over time.
Samples are drawn from wastewater, which is what comes out of our sewer pipes, or sludge, the solids that have settled out of the wastewater. They are typically extracted mechanically or by a human with a dipper on the end of a rod.
When researchers in Davis, California, saw the viral load rise in several neighborhood sewage streams in July, they sent out text message alerts and hung signs on the doors of 3,000 homes recommending that people get tested.
Before the pandemic, testing sewage to identify and ward off illness in the U.S. was largely limited to academic use. Israel used it to stave off a polio outbreak in 2013, and some communities in the U.S. were sampling sewage before the pandemic to figure out what kinds of opioids people in their communities were using, a service offered by the company Biobot.
But when covid hit the U.S. amid political chaos and a shortage of tests, local governments scrambled for any information they could get on the virus.
In rural Lake County, California, health officials had identified a handful of cases by sending nurses out to look for infected people. They were sure there were more but couldn’t get their hands on tests to prove it, so in spring 2020 they signed up for a free sewage testing program run by Biobot, which pivoted to covid testing as the pandemic took off and now is charging to test in K-12 schools, office buildings and nursing homes, in addition to local governments and universities, said Mariana Matus, CEO and co-founder of the company.
The covid virus turned up in samples at four wastewater treatment facilities in Lake County.
“It is a way to just get more information because we can’t do testing,” Gary Pace, then the county’s health officer, told KHN at the time.
As sewage sampling took off around the world, the U.S. Department of Health and Human Services began awarding grants in fall 2020 to wastewater treatment plants. Biobot won a bid to run a second round of that program, currently underway through late August, testing the sewage of up to 30% of the U.S. population.
At least 25 California wastewater treatment plants are participating in the program, and numerous others are getting money from the CDC, working with local universities or paying for their own testing. While such states as Ohio and Missouri have created public dashboards to show their data, California’s efforts remain scattershot.
The test data alone doesn’t provide much value to health officials — it needs to be translated to be useful. Scientists are still learning how to read the data, a complicated process that involves understanding the relationships between how much virus people excrete, how many people are using a wastewater system and how much rainwater is running into the system, potentially diluting the sewage, among many other factors. Since using wastewater to track diseases was not widespread before the pandemic, there’s been a steep and ongoing learning curve.
Beleaguered public health officials have struggled to incorporate the new data into their already overwhelming workloads, but the CDC hopes it can address those issues with its new national system that tracks and translates wastewater data for local governments.
Throughout 2020, Kirby, the CDC microbiologist, and engineer Mia Mattioli were a two-person wastewater team inside the agency’s larger 7,000-person covid response. During that time, academic colleagues generously shared what they knew about wastewater epidemiology, Kirby said. By September 2020, the pair had launched the National Wastewater Surveillance System, which interprets sampling data for state and local governments. Today, they lead a team of six and have a permanent place in one of the CDC’s departments.
“Every piece of this system had to be built largely from scratch,” Kirby said. “When I look at that, it really amazes me where we are now.”
In the months since the system debuted, it has been able to detect an uptick in cases anywhere from four to six days before diagnostic testing shows an increase, Kirby said.
She hopes that by the end of next year the federal monitoring program will be used to check for a range of diseases, including E. coli, salmonella, norovirus and a deadly drug-resistant fungus called Candida auris, which has become a global threat and wreaked havoc in hospitals and nursing homes.
The longer these programs are up and running, the more useful they become, said Colleen Naughton, a professor and civil engineer at the University of California-Merced who leads COVIDPoops19, which tracks wastewater monitoring efforts globally. Naughton is working with colleagues at the University of California-Davis to launch monitoring programs near where she works in the Central Valley but is finding that some smaller communities don’t have the resources to conduct testing or sufficient health personnel to analyze or use the data.
It’s in these smaller communities with limited access to testing and doctors where the practice may hold the most promise, Naughton said. Covid laid bare long-standing inequities among communities that she fears will be perpetuated by the use of this new public health tool.
Privacy concerns also need to be addressed, experts said. Wastewater data hasn’t traditionally been considered protected personal health information the way diagnostic tests are. Health officials have managed earlier concerns about wastewater tracking of illicit drug use by sampling from large enough sewage streams to offer anonymity. But testing for certain health problems requires looking at DNA. “I think that’s going to be a challenge for public communication,” Knight said, “to make sure that’s not perceived as essentially spying on every individual’s genetic secrets.”
Public health and wastewater officials said they are thrilled by the potential of this new tool and are working on ways to address privacy concerns while taking advantage of it. Greg Kester, director of renewable resource programs at the California Association of Sanitation Agencies, wrote to CDC officials in June 2020 asking for a federal surveillance network. He can hardly believe how quickly that call became a reality. And he hopes it is here to stay, both for the ongoing pandemic and for the inevitable next outbreak.
“As vaccination rates increase and we get the variants, it’s still going to be important because clinical testing is decreasing,” Kester said. “We really want to make this part of the infrastructure.”
This story was produced by KHN, which publishes California Healthline, an editorially independent service of the California Health Care Foundation.
KHN (Kaiser Health News) is a national newsroom that produces in-depth journalism about health issues. Together with Policy Analysis and Polling, KHN is one of the three major operating programs at KFF (Kaiser Family Foundation). KFF is an endowed nonprofit organization providing information on health issues to the nation.
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Rendiamo disponibile la traduzione in italiano per facilitare la lettura tramite translator di google. Il testo cui fare riferimento in ogni caso è quello in inglese, originale.
Il più recente strumento di rilevamento delle malattie per Covid e oltre: la cacca
Dalla riapertura del campus presso l’Università della California-San Diego la scorsa estate, i funzionari universitari hanno fatto affidamento sulle strategie di salute pubblica collaudate di test e tracciamento dei contatti. Ma hanno anche aggiunto un nuovo strumento al loro arsenale: gli escrementi.
Questo strumento ha avvisato i ricercatori di circa l’85% dei casi nei dormitori prima che venissero diagnosticati, secondo uno studio di prossima pubblicazione , ha affermato Rob Knight, professore di pediatria e informatica e ingegneria che ha contribuito a creare il programma di analisi delle acque reflue del campus.
Quando viene rilevato il covid nelle acque reflue, vengono testati studenti, membri dello staff e membri della facoltà, il che ha permesso alla scuola di identificare e isolare le persone infette che non mostrano ancora sintomi, arrestando potenzialmente le epidemie.
Il programma di test di UC-San Diego è tra le centinaia di sforzi in California e nella nazione per trasformare i rifiuti in preziosi dati sanitari. Da Fresno, in California, a Portland, nel Maine, università, comunità e aziende stanno monitorando gli escrementi umani alla ricerca di segni di covid.
I ricercatori hanno grandi speranze per questo nuovo flusso di dati fangoso, che secondo loro può avvisare i funzionari della sanità pubblica delle tendenze nelle infezioni e non dipende dalle persone che vengono testate. E poiché le persone espellono il virus nelle feci prima che mostrino i sintomi, può servire come sistema di allarme precoce per le epidemie.
I Centri per il controllo e la prevenzione delle malattie trovano la pratica così promettente che ha creato un database federale di campioni di acque reflue, trasformando i dati grezzi in informazioni preziose per i dipartimenti sanitari locali. Il programma sta essenzialmente creando uno strumento di salute pubblica in tempo reale, dicono gli esperti, uno che potrebbe avere una gamma di usi oltre l’attuale pandemia globale, incluso il monitoraggio di altre malattie infettive e la resistenza dei germi agli antibiotici.
“Pensiamo che questo possa davvero fornire dati preziosi, non solo per il covid, ma per molte malattie”, ha affermato Amy Kirby, una microbiologa che guida lo sforzo del CDC.
Il virus che causa il covid infetta molti tipi di cellule del corpo, comprese quelle del tratto respiratorio e dell’intestino. La firma genetica del virus, l’RNA virale, si fa strada nelle feci e in genere si manifesta nei giorni di cacca prima che inizino i sintomi.
All’UC-San Diego e in altri campus, i ricercatori prelevano campioni provenienti da singoli edifici, acquisendo dati così granulari da poter spesso dedurre il numero di persone infette che vivono o lavorano lì. Ma nella maggior parte degli altri contesti, a causa di problemi di privacy e vincoli di risorse, i test vengono eseguiti su una scala molto più ampia, con l’obiettivo di tenere traccia delle tendenze nel tempo.
I campioni vengono prelevati dalle acque reflue, che è ciò che esce dai nostri tubi fognari, o dai fanghi, i solidi che si sono depositati dalle acque reflue. In genere vengono estratti meccanicamente o da un essere umano con un mestolo all’estremità di un’asta.
Quando i ricercatori di Davis, in California, hanno visto aumentare la carica virale in diversi flussi di acque reflue di quartiere a luglio, hanno inviato avvisi di messaggi di testo e hanno appeso cartelli sulle porte di 3.000 case raccomandando che le persone venissero testate.
Prima della pandemia, il test delle acque reflue per identificare e scongiurare le malattie negli Stati Uniti era in gran parte limitato all’uso accademico. Israele lo ha usato per evitare un’epidemia di poliomielite nel 2013 e alcune comunità negli Stati Uniti stavano campionando le acque reflue prima della pandemia per capire che tipo di oppioidi stavano usando le persone nelle loro comunità, un servizio offerto dalla società Biobot .
Ma quando il covid ha colpito gli Stati Uniti in mezzo al caos politico e alla carenza di test, i governi locali si sono dati da fare per ottenere qualsiasi informazione sul virus.
Nella contea rurale di Lake, in California, i funzionari sanitari avevano identificato una manciata di casi inviando infermieri a cercare persone infette. Erano sicuri che ce ne fossero di più ma non sono riusciti a mettere le mani sui test per dimostrarlo, quindi nella primavera del 2020 si sono iscritti a un programma gratuito di analisi delle acque reflue gestito da Biobot, che è passato ai test covid mentre la pandemia è decollata e ora è in carica testare nelle scuole K-12, negli edifici per uffici e nelle case di cura, oltre che nei governi locali e nelle università, ha affermato Mariana Matus, CEO e co-fondatrice dell’azienda.
Il virus covid è stato rilevato in campioni in quattro impianti di trattamento delle acque reflue nella contea di Lake.
“È solo un modo per ottenere più informazioni perché non possiamo fare i test”, ha detto a KHN Gary Pace, allora ufficiale sanitario della contea .
Con il decollo del campionamento delle acque reflue in tutto il mondo , il Dipartimento della salute e dei servizi umani degli Stati Uniti ha iniziato a concedere sovvenzioni nell’autunno 2020 agli impianti di trattamento delle acque reflue. Biobot ha vinto un’offerta per eseguire un secondo round di quel programma, attualmente in corso fino alla fine di agosto, testando le acque reflue fino al 30% della popolazione degli Stati Uniti.
Almeno 25 impianti di trattamento delle acque reflue della California stanno partecipando al programma e numerosi altri stanno ricevendo denaro dal CDC, lavorando con le università locali o pagando per i propri test. Mentre stati come l’ Ohio e il Missouri hanno creato dashboard pubbliche per mostrare i loro dati, gli sforzi della California rimangono dispersi.
I dati dei test da soli non forniscono molto valore ai funzionari sanitari: devono essere tradotti per essere utili. Gli scienziati stanno ancora imparando a leggere i dati, un processo complicato che implica la comprensione delle relazioni tra la quantità di virus espulsa dalle persone, quante persone utilizzano un sistema di acque reflue e quanta acqua piovana scorre nel sistema, potenzialmente diluendo le acque reflue, tra le tante altri fattori. Poiché l’uso delle acque reflue per monitorare le malattie non era molto diffuso prima della pandemia, c’è stata una curva di apprendimento ripida e continua.
I funzionari della sanità pubblica assediati hanno faticato a incorporare i nuovi dati nei loro carichi di lavoro già travolgenti, ma il CDC spera di poter affrontare tali problemi con il suo nuovo sistema nazionale che tiene traccia e traduce i dati sulle acque reflue per i governi locali.
Per tutto il 2020, Kirby, il microbiologo del CDC, e l’ingegnere Mia Mattioli sono stati un team di due persone per le acque reflue all’interno della più ampia risposta al covid di 7.000 persone dell’agenzia. Durante quel periodo, i colleghi accademici hanno generosamente condiviso ciò che sapevano sull’epidemiologia delle acque reflue, ha detto Kirby. A settembre 2020, la coppia aveva lanciato il National Wastewater Surveillance System , che interpreta i dati di campionamento per i governi statali e locali. Oggi guidano una squadra di sei persone e hanno un posto fisso in uno dei dipartimenti del CDC.
“Ogni pezzo di questo sistema doveva essere costruito in gran parte da zero”, ha detto Kirby. “Quando lo guardo, mi stupisce davvero dove siamo ora.”
Nei mesi trascorsi dal debutto del sistema, è stato in grado di rilevare un aumento dei casi da quattro a sei giorni prima che i test diagnostici mostrassero un aumento, ha affermato Kirby.
Spera che entro la fine del prossimo anno il programma di monitoraggio federale sarà utilizzato per verificare una serie di malattie, tra cui E. coli, salmonella, norovirus e un fungo mortale resistente ai farmaci chiamato Candida auris , che è diventato una minaccia globale e ha provocato il caos negli ospedali e nelle case di cura.
Più a lungo questi programmi sono attivi e più utili diventano, ha affermato Colleen Naughton, professore e ingegnere civile presso l’Università della California-Merced che guida COVIDPoops19 , che tiene traccia degli sforzi di monitoraggio delle acque reflue a livello globale. Naughton sta lavorando con i colleghi dell’Università della California-Davis per lanciare programmi di monitoraggio vicino a dove lavora nella Central Valley, ma sta scoprendo che alcune comunità più piccole non hanno le risorse per condurre test o personale sanitario sufficiente per analizzare o utilizzare i dati .
È in queste comunità più piccole con accesso limitato ai test e ai medici che la pratica può essere più promettente, ha detto Naughton. Il Covid ha messo a nudo le disuguaglianze di vecchia data tra le comunità che teme possano essere perpetuate dall’uso di questo nuovo strumento di salute pubblica.
Anche i problemi di privacy devono essere affrontati, affermano gli esperti. I dati sulle acque reflue non sono stati tradizionalmente considerati informazioni sanitarie personali protette come lo sono i test diagnostici. I funzionari sanitari hanno gestito le precedenti preoccupazioni sul monitoraggio delle acque reflue del consumo illecito di droghe campionando da flussi di acque reflue abbastanza grandi da offrire l’anonimato. Ma i test per determinati problemi di salute richiedono l’esame del DNA. “Penso che sarà una sfida per la comunicazione pubblica”, ha detto Knight, “assicurarsi che non sia percepito essenzialmente come spiare i segreti genetici di ogni individuo”.
I funzionari della sanità pubblica e delle acque reflue si sono detti entusiasti del potenziale di questo nuovo strumento e stanno lavorando su come affrontare i problemi di privacy mentre ne trae vantaggio. Greg Kester, direttore dei programmi di risorse rinnovabili presso la California Association of Sanitation Agencies, ha scritto ai funzionari del CDC nel giugno 2020 chiedendo una rete di sorveglianza federale. Non riesce a credere quanto velocemente quella chiamata sia diventata realtà. E spera che sia qui per restare, sia per la pandemia in corso che per l’inevitabile prossima epidemia.
“Man mano che i tassi di vaccinazione aumentano e otteniamo le varianti, sarà ancora importante perché i test clinici stanno diminuendo”, ha detto Kester. “Vogliamo davvero rendere questa parte dell’infrastruttura”.
Questa storia è stata prodotta da KHN , che pubblica California Healthline , un servizio editoriale indipendente della California Health Care Foundation .
KHN (Kaiser Health News) è una redazione nazionale che produce giornalismo approfondito sui problemi di salute. Insieme a Policy Analysis e Polling, KHN è uno dei tre principali programmi operativi di KFF (Kaiser Family Foundation). KFF è un’organizzazione senza scopo di lucro dotata che fornisce informazioni su problemi di salute alla nazione.