Wastewater Surveillance for Viral Epidemics : A National Study in Finland

Abstract

Tartuntataudit aiheuttavat merkittävän taakan yhteiskunnalle ja merkittävä osa tästä taakasta johtuu virusinfektioista. Viruspandemiat vaikuttavat yhteiskuntaan erittäin negatiivisesti, kuten COVID-19 pandemia osoitti. Lisäksi virukset, kuten influenssa A virus ja RS-virus, aiheuttavat epidemioita ja miljoonia infektiotapauksia vuosittain maailmanlaajuisesti. Tällä hetkellä virusepidemioiden seuraamiseen käytetään lähinnä kliinistä seurantaa. Kliininen seuranta saattaa aliarvioida virusten levinneisyyden populaatiossa, sillä monet virusinfektiot ovat lieväoireisia tai oireettomia.

Virusten jätevesiseurantaa voidaan käyttää täydentämään kliinistä seurantaa. Viruksen levinneisyyttä väestössä voidaan arvioida vain yhden jätevesinäytteen perusteella, joka on otettu väestöä palvelevasta jätevedenpuhdistamosta. Siten jätevesiseuranta on sekä kustannustehokasta että nopeaa. Jätevesiseurannalla voidaan havaita virusta erittävät yksilöt riippumatta siitä, onko tartunnan saaneilla oireita, onko infektio lievä ja haluavatko tai pääsevätkö he lääkäriin. Jätevesiseurantaa voidaan käyttää myös ennakkovaroitusjärjestelmänä, sillä virus voidaan havaita jätevedestä heti kun infektion saanut yksilö erittää virusta, eikä vasta oireiden ilmaannuttua.

Tämän tutkimuksen päätavoitteena oli selvittää, voidaanko jätevesiseurantaa käyttää virusepidemioiden seuraamiseen Suomessa kansallisella tasolla. Ensimmäiseksi adenoviruksia, enteroviruksia, rinoviruksia ja noroviruksia tutkittiin jätevedestä käyttäen RT-qPCR-menetelmää tavoitteena osoittaa, että erilaisia kliinisesti merkittäviä viruksia pystytään havaitsemaan jätevedestä Suomessa. Adenovirusta löydettiin kaikista tulevan jäteveden näytteistä. Enterovirusta havaittiin 80 % tulevan jäteveden näytteistä sekä norovirusta puolessa näytteistä. Tutkimuksen I ainoaa hengitystievirusta, rinovirusta, havaittiin jätevedestä harvemmin kuin enteerisiä viruksia. Lisäksi tutkimuksessa verrattiin tulevaa jätevettä aktiivilietteeseen sekä lähtevään jäteveteen. Suomalainen puhdistettu jätevesi sisälsi viruksia, mutta virusten määrä oli matalampi lähtevässä jätevedessä kuin tulevassa jätevedessä norovirusta lukuun ottamatta.

Seuraavaksi tutkimuksessa verrattiin erilaisia jätevesiseurannassa käytettäviä menetelmiä, tavoitteena löytää herkkä ja tarkka menetelmä. Tutkimuksessa verrattiin jäteveden kokoomanäytteenottoa ja kertanäytteenottoa. Tulevan jäteveden kokoomanäyte tuotti enemmän positiivisia näytteitä kuin kauhaisunäyte. Lisäksi kokoomanäytteissä virusten määrä oli korkeampi kuin kauhaisunäytteissä. RT-qPCR ja RT-ddPCR menetelmiä verrattiin SARS-CoV-2 viruksen havaitsemiseen jätevedestä. RT-ddPCR oli herkempi menetelmä kuin RT-qPCR, koska sen havaitsemisraja oli alhaisempi ja se tuotti enemmän positiivisia näytteitä. Kuitenkin molempien menetelmien havaitsemien SARS-CoV-2 geenikopioiden korrelaatio kliiniseen dataan oli samankaltainen ja RT-qPCR menetelmän korrelaatiokerroin hiukan korkeampi, kun RT-ddPCR menetelmän. RT-qPCR saattaa silti sopia rutiiniseurantaan paremmin kuin RT-ddPCR, sillä se vaatii vähemmän resursseja. RT-ddPCR-menetelmää tulisi kuitenkin suosia erityisesti silloin kuin tutkittavaa virusta on jätevedessä matala pitoisuus. Lisäksi tutkimuksessa havaittiin, että RNA:n eristysmenetelmä sekä geenikohteen valinta vaikuttivat positiivisten näytteiden määrään ja havaittuihin geenikopiolukuihin RT-qPCR-menetelmää käytettäessä. Jätevesiseurannassa käytetään edelleen erilaisia menetelmiä, mikä tulee ottaa huomioon tutkimuksia verrattaessa. Seuraamalla trendejä tarkkojen virusmäärien sijasta voidaan pienentää erilaisten menetelmien aiheuttamia eroja jätevesiseurannan tuloksiin.

Viimeiseksi tutkimuksessa seurattiin influenssa A virusta ja RS-virusta jätevesiseurannan avulla kuukausittain yli vuoden ajan käyttäen RT-qPCR- menetelmää. Näytteitä otettiin jätevesilaitoksista, jotka kattavat 40 % Suomen väestöstä. Jätevesiseuranta oli herkkä menetelmä havaitsemaan virusten levinneisyyden populaatiossa, sillä 10 influenssa A tapausta per 100 000 henkilöä per viikko riitti siihen, että influenssa A:ta havaittiin 93 prosentissa jätevesinäytteitä sekä neljä RS-virustapausta per 100 000 henkilöä per viikko riitti siihen, että RS-virusta havaittiin kaikissa jätevesinäytteissä. Osa epidemioista havaittiin jätevedestä ennen kuin ne havaittiin kliinisellä seurannalla. Tutkimuksessa olisi todennäköisesti saatu enemmän ennakkovaroituksia tulevasta epidemiasta, mikäli näytteenottotiheys olisi ollut suurempi. Jätevesidatan osoitettiin korreloivan vahvasti kliinisen datan kanssa. Tämä väitöskirjatutkimus osoitti, että jätevesiseurantaa voidaan käyttää epidemioiden seuraamiseen Suomessa kansallisella tasolla. Tämän tutkimuksen sekä edellisten aiheeseen liittyvien tutkimusten lupaavien tulosten perusteella, sekä Euroopan komission suosituksen perusteella, Terveyden ja hyvinvoinnin laitos on aloittanut influenssa A viruksen ja RS-viruksen jätevesiseurannan Suomessa. Lisäksi muitakin viruksia ja patogeenejä, kuten antibioottiresistenttejä bakteereita voitaisiin todennäköisesti seurata Suomessa käyttämällä jätevesiseurantaa.

Infectious diseases impose a major burden on society, and viral infections account for a major part of that burden. Viral pandemics can have a catastrophic impact on humanity, as recently demonstrated by the COVID-19 pandemic. In addition, epidemics caused by viruses, such as the influenza A virus and the respiratory syncytial virus, result in millions of infections per year worldwide. Currently, these viruses are mostly monitored using clinical surveillance. However, this method can lead to an underestimation of the spread of a virus, as self-limiting or asymptomatic infections are unlikely to be detected through clinical surveillance. Wastewater surveillance of viruses can be used to complement clinical surveillance. The circulation of a virus in a population can be evaluated using one wastewater sample from a wastewater treatment plant that covers the population, making the surveillance cost-effective and timely. Infected individuals who secrete the monitored virus can be identified through wastewater surveillance, even if they are asymptomatic, have a self-limiting infection or are not willing to or cannot access healthcare. Wastewater surveillance can also function as an early warning system, as wastewater data have been demonstrated to have a significant lead time over clinical data. Viruses can be detected in wastewater as soon as the infected individual secretes the virus, whereas clinical surveillance can only capture cases after symptoms appear.

The main aim of this study was to determine whether wastewater surveillance can be used to monitor viral epidemics in Finland at the national level. First, RT-qPCR was used to detect adenovirus, enterovirus, rhinovirus and norovirus in wastewater to show that different types of clinically relevant viruses can be identified in Finnish wastewater. Adenovirus was detected in all the influent samples. Enterovirus was detected in 80% of the influent samples, and norovirus in half of these samples. The only respiratory virus examined in Study I, rhinovirus, was detected less often than enteric viruses. Additionally, the influent samples were compared to activated sludge samples and effluent samples. It was concluded that Finnish wastewater includes viruses, even after treatment. However, the relative amounts of these viruses, apart from norovirus, were lower in the effluent than in the influent.

Second, different methodologies for wastewater surveillance were compared to find a sensitive and accurate method for the detection of viruses in wastewater. Composite sampling of influent was shown to yield a higher percentage of virus- positive samples and a higher relative amount of viruses than grab sampling. The capabilities of RT-qPCR and RT-ddPCR to detect SARS-CoV-2 in wastewater were compared. RT-ddPCR was proven to be a more sensitive method due to the lower limit of detection and higher percentage of virus-positive samples. However, the correlation of SARS-CoV-2 gene copies in wastewater with clinical data was similar with both methods, albeit slightly higher using RT-qPCR. As RT-qPCR requires fewer resources, it might be a more suitable option for conducting routine wastewater surveillance than RT-ddPCR. However, if there is only a small amount of a virus in the wastewater, RT-ddPCR should be preferred. The choice of the RNA extraction method and the gene target affected the number of positive samples and SARS-CoV-2 gene copies detected when RT-qPCR was used. Different wastewater surveillance studies use different methodologies, which should be considered when such studies are compared. However, the variation between the results of different methodologies can be reduced if trends are followed.

Third, influenza A virus and respiratory syncytial virus were monitored monthly for over a year from wastewater treatment plants that serve 40% of the Finnish population using wastewater surveillance and RT-qPCR methodologies. Wastewater surveillance was shown to be a sensitive method for detecting the circulation of these viruses in the population: Only 10 laboratory confirmed influenza A cases per 100,000 people per week were required to detect this virus in 93% of the wastewater samples, and only 4 respiratory syncytial virus laboratory confirmed cases per 100,000 people per week were required to detect this virus in 100% of the wastewater samples. In some cases, epidemics were noticed in wastewater before they were detected through clinical data, showing that wastewater surveillance can provide early warning signs. Had the sampling frequency been higher, more early warning signs might have been observed. The wastewater data were shown to have a strong positive correlation with the clinical data.

This thesis was able to demonstrate that wastewater surveillance can be used for monitoring viral epidemics at the national level in Finland. Due to the promising results of this study and the previous studies on the topic, as well as the recommendation of the European Commission to monitor influenza A using wastewater surveillance, the wastewater surveillance of influenza A virus and respiratory syncytial virus was initiated in Finland by the Finnish Institute for Health and Welfare in 2023. In addition, the presence of other viruses, as well as other pathogens, such as antibiotic-resistant bacteria, could likely be monitored in Finland using wastewater surveillance.