紐西蘭馬桶偵探事務所

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(註: 原2023-05-26: 紐西蘭馬桶偵探事務所,科普寫作網路平台, 國立自然科學博物館文教基金會之文章,因此平台謝幕,重新發佈於此)

New Zealand Lavatory Detective Agency @medium

安妮亞旅遊計畫

2022年10月21日星期五,紐西蘭奧克蘭天氣陰,溫度16度C。由於這冬天(6-8月)是紐新蘭新冠高峰,安妮亞和家人已有一段時日未出遊踏青, 因此安妮亞著手計畫著周末的家族旅行,看著氣象報告,接下來將會是氣溫20度的晴朗好天氣。

安妮亞過去最喜歡到陶波湖遊湖,但此刻她必須更改計畫,因為雖然奧克蘭疫情整體趨緩,但就像看天氣報告一樣,這次安妮亞查閱了紐西蘭環境研究與科學研究所 (Institute of Environmental Science and Research, ESR)的新冠廢水監測網 (COVID-19 Wastewater Surveillance Dashboard)後,她為家人更改了計畫。

圖一: 紐西蘭環境研究與科學研究所(ESR)新冠廢水監測網: https://esr-cri.shinyapps.io/wastewater/

圖一: 紐西蘭環境研究與科學研究所(ESR)新冠廢水監測網: https://esr-cri.shinyapps.io/wastewater/

居住在奧克蘭的安妮亞(圖一地圖黃圓圈區),在網站上了解近期疫情已有趨緩的趨勢(圖一右上),但有很多地區仍波動不穩(圖一地圖紅三角區)。查看陶波湖情況時,地圖顯示了紅三角,安妮亞進一步細看趨勢圖發現,確診病例雖下降但廢水資料呈現上升,因此她改變了地點,決定到附近整體疫情下降的卡瓦卡瓦灣(圖一地圖藍三角區)。

不僅如此,安妮亞家中有年長與小孩成員,因此她進一步查看全國與奧克蘭東部病毒變種情形(圖二),由於紐西蘭當時處於新冠多種變異體競爭的狀態,科學不確定性較高,也因此改成戶外野餐,避免室內用餐與群聚,降低了闔家出遊的未知風險。

圖二: ESR新冠廢水監測網變種趨勢分析

圖二: ESR新冠廢水監測網變種趨勢分析

然而這些關於新冠病毒的資料,有別於民眾熟悉的確診臨床資料(圖一中藍色曲線的確診、住院、中重症、死亡等),這類「額外」的環境資料是怎麼一回事?

圖一綠色曲線就是涵蓋73%紐西蘭人口,檢測每人每天廢水中的新冠病毒基因組平均數量。這是來自紐西蘭ESR威靈頓實驗室,對社區家家戶戶廁所馬桶、水槽和排水溝等廢水混合物樣本的監測結果。這些臭屎臭尿樣本(shit & poops sample),多由自動進樣器在24~25小時內定期收集進行檢測,估計病毒數量與分析變種之後,提供每周廢水監測報告,最後公布於監測儀錶板,對公眾説明當地潛在的新冠風險。威靈頓實驗室執行的「廢水監測分析新冠病毒」足跡工作,就像是馬桶偵探事務所。

紐西蘭「馬桶偵探事務所」

細看紐西蘭「馬桶偵探事務所」工作,大致可分為三個階段(圖三):

圖三: 紐西蘭「馬桶偵探事務所」新冠廢水監測工作時間軸與疫情背景 | 防疫管制力道來源: https://ourworldindata.org/

圖三: 紐西蘭「馬桶偵探事務所」新冠廢水監測工作時間軸與疫情背景 | 防疫管制力道來源: https://ourworldindata.org/

第一階段建立與測試: 2020年疫情初期爆發,於4月開始建立新冠廢水監測專案。5月提升到四級警戒後,ESR和國家衛生協調中心(NHCC)協同防疫,為全國實驗室所有COVID-19測試報告建立國家臨床資料儲存庫(Clinical Data Repository, CDR)。隨後7~11月進行密閉採樣研究,一方面提供對廢水病毒的「時間快照」,另一方面提供紐西蘭廢水監測工作的理論基礎。

第二階段驗證與擴大: 2021年「清零」時期在零確診地區,廢水偵測到新冠病毒足跡的證據。在塔拉納基大區(Taranaki,廢水服務涵蓋97%)的一個小鎮斯特拉特福德(Stratford),自2021 年7月加入新冠廢水監測,11月初在當地零確診情況下,收集的廢水樣本中首次檢測到感染新冠病毒後脫落的病毒碎片,或稱「新冠病毒RNA病毒碎片(SARS-CoV-2 RNA fragments)」

由廢水「疾病偵探」基於上述密閉採樣研究破案後,紐西蘭連續加強公共衛生措施,如社區檢測與疫苗接種、取消部份社區活動、同時增加廢水採樣與檢測。隨後在斯特拉特福德發現6例確診均來自同一家庭,疫情迅速得到控制。直到3個月後才在廢水中進一步發現社區病例,因而新冠廢水監測成果得以驗證,並收錄於世界衛生組織的案例報告中。

第三階段廢水監測日常化: 紐西蘭放棄清零後提供民眾「新冠共存」的新數位工具,讓查看新冠廢水監測報告就像查看天氣一樣,協助民眾掌控自身安全。

ESR科學家解釋說,紐西蘭轉向快篩自我報告的做法、或是民眾對測試的冷漠,使得官方病例數字比以往都更不可靠,而這就是廢水檢測的用武之地。2022年7月,紐西蘭推出互動式COVID-19廢水儀錶板,以新型工具追蹤新冠病毒足跡,協助民眾查看全國、區域的疫情趨勢,提供時空視覺化輔助,如地圖區域的選項與搜尋、並支援比較不同時段的趨勢如圖一、二所示。

廢水資料與確診病例間的關聯

那麼紐西蘭「馬桶偵探事務所」如何將廢水資料與確診病例間的關聯建立起來?

清零時期的紐西蘭幾乎罕見確診,在廢水中病毒含量極低的情況下,紐西蘭如何破解廢水檢測的敏感度? 這些背後科學,可由上述第一階段中為期四個月的密閉式環境研究(圖四)中理解。

圖四: 紐西蘭密閉式環境WBE敏感性研究將確診病例與廢水資料的關聯建立起來

圖四: 紐西蘭密閉式環境WBE敏感性研究將確診病例與廢水資料的關聯建立起來


2020年7月ESR選擇一地約12萬人口的社區,在二個地區對廢水進行每日採樣。分別為隔離檢疫所(MIQF)與市政污⽔處理廠(WWTP)。圖四左側是民眾熟悉的新冠臨床病學分析,右側則是說明新冠廢水流行病學(wastewater-based epidemiology, WBE)分析過程。

方法上二者主要區別在於樣品檢體來源採樣方法。其後續品管依據研究者目的,採用不同病毒作為對照組。例如,此研究選擇使用貓傳染性腹膜炎病毒(FIPV)與小鼠諾羅病毒(MNV)作為外部過程控制以監測病毒拷貝,評估檢測定量RT-qPCR的抑制情形。

其後病毒濃縮、RNA提取、使用PCR檢測樣本是陽性還是陰性、或是進一步進行定序等過程,均與民眾從鼻拭子中測試病毒過程相同。最後,利用衛生部EpiSurv監測數據庫中的病例流行病學資料,以四種傳染性模型(病例總數、傳染性病例:報告有症狀病例或推算無症狀病例、相對傳染性病例、每日新增病例),對照廢水資料進行統計分析,確認臨床病例與廢水資料的關聯,並驗證出在低度感染的環境中,廢水資料仍能在10萬人的區域中發現大約10例的陽性病例。

全球「馬桶偵探事務所」

當然,「馬桶偵探事務所」不只紐西蘭有。全世界目前至少有70個國家近300所大學超過4100個監測點,都有類似的研究監測工作。例如美國許多廢水研究室的科學家們,在《自然》期刊中稱他們為「下水道偵探」(sewer sleuths),這些科學偵探發現近期廢水中的病毒譜系與包含數百萬序列的全球資料庫譜系都不匹配,稱為「神秘譜系」(cryptic lineages),最後層層追蹤新冠病毒來源到一個不到30人的辦公室廁所。


「馬桶偵探事務所」偵查環境中新冠病毒的足跡。在新的未來,不論是否會發現下一個超級變種,此類追蹤潛在變異來源的工作,將有助於研究人員了解導致變種出現的生物學因素,或是協助像安妮亞這樣平常的一家人,查看新冠廢水資料就像查看天氣一樣,自主防疫成為單純的日常。而科學家或數位工程師若想進一步使用紐西蘭「馬桶偵探事務所」的推理資料,ESR附設「開放式廁所」就在開放式資料庫任君取用。


參考書目:

[1] 紐西蘭衛生部: https://www.health.govt.nz/covid-19-novel-coronavirus/covid-19-health-advice-public/covid-19-wastewater-testing

[2] ESR News: https://www.esr.cri.nz/home/about-esr/media-releases/streamlining-covid-19-laboratory-data-to-ministry-of-health/ ; https://www.scoop.co.nz/stories/SC2005/S00024/sysmex-and-esr-collaborate-on-national-covid-19-results-cdr.htm. 2020/5/12

[3] Hewitt, Joanne, et al. "Sensitivity of wastewater-based epidemiology for detection of SARS-CoV-2 RNA in a low prevalence setting." Water research 211 (2022): 118032.

[4] Harvey, Helen, "The riddle in the wastewater: Taranaki 'disease detectives' solved a Covid-19 mystery", https://www.stuff.co.nz/national/health/128983961/the-riddle-in-the-wastewater-taranaki-disease-detectives-solved-a-covid19-mystery. 2022/6/18

[5] Siouxsie Wiles and Mike Bunce, "As Covid case counts become less accurate, wastewater testing is riding to the rescue", https://thespinoff.co.nz/science/13-06-2022/as-covid-case-counts-rapidly-lose-accuracy-wastewater-testing-is-riding-to-the-rescue

[6] "ESR launches interactive COVID-19 wastewater dashboard to better track the virus's progress", https://thespinoff.co.nz/science/13-06-2022/as-covid-case-counts-rapidly-lose-accuracy-wastewater-testing-is-riding-to-the-rescue

[7]

COVIDPoops19: Summary of Global SARS-CoV-2 Wastewater Monitoring Efforts by UC Merced Researchers Details: https://ucmerced.maps.arcgis.com/apps/dashboards/c778145ea5bb4daeb58d31afee389082

[8] Callaway, Ewen. "These scientists traced a new coronavirus lineage to one office-through sewage." Nature News. https://www.nature.com/articles/d41586-022-02996-y. 2022/9/26

[9] 紐西蘭ESR開放式資料庫: https://github.com/ESR-NZ/covid_in_wastewater



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