下水のサンプル採取ですでに新型コロナウイルスの追跡が可能に。他に何が見つかるのか？

2022年2月14日午前7時

誰もが排便をします。そして、そこから病原体の痕跡が明らかになります。排水を包括的に分析することで、インフルエンザの発見や次のパンデミックの予測に役立つ可能性があります。

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ジョージア大学食品安全センターの微生物学者で助教授のイスマット・カセム氏は、かねてから抗生物質耐性について懸念を抱いてきた。彼の研究は、トレーディングカードのように細菌間で受け渡される短いDNA鎖、いわゆる「ヒッチハイカー遺伝子」に焦点を当てている。彼は数年間にわたり、あるヒッチハイカー遺伝子、つまりMCRと呼ばれる遺伝子群の世界的な拡散を追跡してきた。この遺伝子群は、医療において最も有用な抗生物質の一つであるコリスチンの効果を弱める。コリスチンは、他の薬が効かない致死的な感染症に使用される。

mcr遺伝子は2015年に中国で初めて発見された。食肉処理場の豚や市場の豚肉に存在した大腸菌から、また2つの省の入院患者の感染からも発見された。それ以来、世界中で人、動物、環境サンプルから遺伝子が出現している。これには米国でも、コネチカット州、ミシガン州、ニュージャージー州、ニューヨーク州、ワシントン州の患者で6件の目撃が含まれている。mcrを持つ細菌が他の人に広がると、あるいは遺伝子が他の病原体に移ると、医学の最後の防御手段の1つが無効になる可能性があるため、すべての目撃は潜在的な緊急事態であった。しかし、これらの米国の患者間には関連性がなく、彼らの感染を説明できる既知の事象もなかった。そして、それらのデータなしでは、拡散がどれほど広範囲に及ぶかをテストするための監視体制を簡単に構築する方法はない。

カセム氏は、mcr が米国住民や彼らが食べる予定の動物の腸内に潜んでいるかどうかを調べるために、戸別訪問や農場訪問をすることはできないが、腸の内容物が行き着く場所に行くことはできると理解していた。昨年、彼は大学から車で数時間の距離にある中規模都市の下水処理場から未処理の下水サンプルを採取した。これは彼が継続的なプロジェクトになると考えていた第一歩だった。しかし、その最初のサンプルですぐに、彼は大腸菌ではなく、 M. morganiiと呼ばれる一般的な環境細菌に潜むmcr を特定した。この遺伝子は、他の抗生物質への耐性を付与する遺伝子の配列に組み込まれており、カセム氏が実験室のプレート上で培養し、配列を解読したこの細菌は、潜在的に手強い敵となった。

カセム氏の発見は、コリスチン耐性を予測する証拠が全くなかった場所で発見されたという点で特筆すべきものです。しかし同時に、彼がその発見に用いた手法、すなわち下水中の病原体存在の兆候を探すという手法の正当性も証明しました。「下水は、地域社会で循環しているあらゆる物質を検査するリトマス試験紙のようなものです」と彼は言います。「あらゆる物質が下水に流れ込んでいます。ですから、病原体、遺伝子、あるいは何か懸念されるものがあれば、そこを調べるべきです。」

18ヶ月以上にわたり、米国の一部地域では、下水のサンプリングが新型コロナウイルス感染症のパンデミックを監視するための重要なツールとなってきました。わずか10日前、米国疾病予防管理センター（CDC）は、下水からのSARS-CoV-2分離を報告する全国規模のデータダッシュボードを公開しました。しかし、まだかなり小規模な分野で活動する研究者たちは、新型コロナウイルス感染症を引き起こすウイルスの探索だけでなく、下水のモニタリングを拡大すべきだと主張しています。新たな地域で発生している既知の健康問題を検出するだけでなく、次のパンデミックを引き起こす可能性のある新たな病原体にも警鐘を鳴らすためです。

水質汚染の特定は疫学の基本的な行為である。1854年、医師のジョン・スノーはロンドンでのコレラ発生の原因を追跡した。地図上で感染世帯を特定し、彼らが利用していた近隣の井戸と関連付けた（スノーは井戸でコレラは発見しなかった。この細菌はその年の後半までイタリアで特定されていなかった）。下水をデータソースとして使用することも新しいことではない。イスラエルは1989年、ポリオが根絶されたかどうかを検出するために下水分析を使用し始めた。2013年に下水でウイルスが発見されたとき、それはある地域での再流行の早期警告となった。2017年、アリゾナ州テンピ市政府とアリゾナ州立大学の研究者は、過剰摂取の蔓延のスパイラルへの洞察を得るために使用が集中している場所を特定することを期待して、下水のオピオイド代謝物の採取と結果のマッピングを開始した。

下水のサンプリングは「非常に効率的です。『下水域』には、寮に住んでいる人や建物で働いている人など数十人から、数百人、数千人、あるいは数百万人もの人が関わることもあります」と、基礎となるマッピングと分析を構築した民間企業Esriの医師兼最高医療責任者であるエステ・ジェラティ氏は語る。「受動的で、水道事業者と公衆衛生当局以外は誰も何もする必要がありません。しかも、邪魔になりません。」

下水のサンプル採取は、医療システムが感染を認識しているかどうかにかかわらず、病原体の存在を検出できます。これは、多くの人が健康保険に加入していない、検査制度を利用できない、あるいは自宅で検査を受けてもその結果が包括的なシステムに報告されないといった状況において重要な特徴です。SARS-CoV-2の場合、ウイルスの早期検出も可能です。呼吸器症状が現れる前から便中にウイルスが排出されるため、下水のサンプル採取は、患者が救急外来を受診する最大2週間前に警鐘を鳴らすことになります。

下水のサンプル採取は、市長、市議会、または下水道当局の管轄下で、圧倒的に地方自治体の決定事項となっているため、国の新型コロナウイルス感染症対策における政治化を回避できる。地方自治により、カリフォルニア大学デービス校などの大学や、マサチューセッツ州サマービルなどの小規模都市など、多くの都市が独自の検査体制を構築することができた。大都市も同様である。ニューヨーク市は2020年6月、ニューヨーク市立大学の科学者による下水処理場からのサンプル検査を許可し始め、同年8月には市全体の検査体制として正式に導入した。

これらのサンプリングプログラムは、病気の蔓延範囲をマッピングし、人体への検査に先立って新たな変異株の到来を警告することで、各地域の早期警戒システムとして機能してきた。ミズーリ州では、ミズーリ大学が運営する下水のサンプリングとマッピング体制が、州の約70％をカバーしている。この体制は、2021年5月の第2週に観光地ブランソンでミズーリ州で最初のデルタ型インフルエンザの発生を検知した。これは、デルタ型インフルエンザの症例の波が病院を襲う数週間前のことだった。個々の患者からその変異株を特定するには運が必要だっただろう。たとえ彼らが医療機関を受診していたとしても、分離された株の配列が解析されなかったかもしれない。しかし、下水は幸運な選択に左右されるわけではない。なぜなら、すべての患者、そしてその近くにいるすべての人が、下水の中に反映されているからだ。

「検査対象が適切な人かどうかは問題ではありません。下水は包括的なものですから」と、ミズーリ大学医学部の分子ウイルス学者で教授のマーク・ジョンソン氏は言う。同氏はこのプログラムを指揮し、他州の下水研究者とも協力している。「検査を受けているか、ワクチン接種を受けているか、ウイルスの存在を信じているかどうかは関係ありません。排便し、市の下水に接続されたトイレを使用している限り、彼らはサンプルの一部なのです。」

ニューヨークの検査体制は、ニューヨーク市立大学クイーンズ校のウイルス学者で生物学教授のジョン・デネヒー氏と、同大学クイーンズボロ・コミュニティ・カレッジの微生物学者で准教授のモニカ・トルヒージョ氏によって運営されており、11月21日にオミクロン株がニューヨーク市内に到達したことを警告していた。これは南アフリカの科学者らがその存在を発表する4日前、ニューヨーク市で最初の症例が確認される10日前だった。この発見は、単なる状況認識以上のものをもたらした。オミクロン株への感染は、早期に投与すれば新型コロナウイルス感染症の進行を阻止できる3種類のモノクローナル抗体治療薬のうち2種類に反応しない。そのため、この変異株の発生場所を予測することで、医療関係者は最も効果的な場所に資源を配分することができた。

CDCの新しいダッシュボードには、自治体の下水道システム、大学の水処理施設、学術研究者の研究室など、471の分析地点からのデータが含まれており、現在、十分な数のCOVID-19検出のための廃水対策が実施されています。「CDCは37州、4つの市、2つの準州を支援し、各地域の廃水監視システムの構築を支援しています」と、国立廃水監視システムのチームリーダーであるエイミー・カービー氏は、このシステムを発表する記者会見で述べました。「このプログラムの真の力は、今後数週間で、さらに数百の検査拠点からデータが提出され始めることで、より明らかになるでしょう。」

これほど多くの地点があると包括的に聞こえるかもしれないが、アナリストのベッツィ・レディジェッツ氏がニュースレター「Covid-19 Data Dispatch」で明らかにしたように、そのほぼ半数は3つの州に集中している。ジョンソン氏のミズーリ州ネットワークに加え、オハイオ州とウィスコンシン州だ。カリフォルニア州、コロラド州、ニューヨーク州、ノースカロライナ州、テキサス州、ユタ州、バージニア州の7州には、それぞれの地域におけるウイルスの動向を効果的に把握できるだけの十分なサンプリング地点がある。しかし、ほとんどの州にはそれがなく、18州には廃水分析地点が全くない。「CDCの新しい廃水トラッカーは、全国的なCovid-19の動向をある程度把握できるものの、ほとんどの州の地域データにはほとんど役に立たない」とレディジェッツ氏は書いている。

これらのデータギャップは、新型コロナウイルス感染症への対応が依然として行き詰まっていることを示す警告であると同時に、チャンスでもあります。最初から同一のデータセットを報告するように設計された、低コストで手間のかからない検出システムを既存の下水処理場に設置することで、統合されたネットワークを構築できる可能性があります。下水処理場の検出システムの構築は、ロックフェラー財団が新たに設立したパンデミック予防研究所の目標の一つであり、同研究所は分散したデータストリームをグローバルな検出ネットワークに統合することを目指しています。

「ここ、ガーナ、バングラデシュ、インド全土、そして英国保健安全保障庁（HSA）でも、同様の取り組みが行われてきました」と、ノースイースタン大学で病原体サーベイランス担当マネージングディレクターを務め、サマービル市のプロジェクトにも携わったサミュエル・スカルピノ氏は語る。「しかし、それらの情報をすべてまとめ、臨床ゲノムや疫学データと重ね合わせて全体像を把握しようとしている人はいません。このつなぎ合わせの部分こそが、依然として最大の課題なのです。」

しかし、下水監視の真価は、検出システムがCOVID-19の追跡という単調な作業を超えてその範囲を広げることで、どのような成果をもたらすかにある。カセム氏のMCRでの発見は、公共事業体が抗生物質耐性菌を追跡する方法を示唆している。ヒューストンやタルサなどの都市、そしてマサチューセッツ工科大学からスピンアウトしたバイオボットなどの民間企業は、インフルエンザの流行期到来の兆候を探り、その強度を測定するために、下水のインフルエンザ検査を開始している。研究者たちは最終的に、下水分析によって、将来のパンデミックを引き起こす可能性のあるものも含め、これまで未知の病原体の出現に関する情報が得られることを期待している。

CUNYチームの新たな研究は、その可能性を垣間見せると同時に、異常なシグナルが何を意味するのかを特定することの難しさも明らかにしています。研究チームは1年間にわたり、「新規の潜在性SARS-CoV-2系統」と呼ぶものを発見してきました。これは、シーケンス結果が記録されている国際共有データベースには存在しないウイルスの変異体です。「これらの系統はニューヨーク市や米国のどこにも見られていないだけでなく、世界中の臨床検体でも観察されたことがありません」とデネヒー氏は述べています。「これらの系統は下水でのみ検出されており、現時点では起源を特定できない未知の系統の存在を示す魅力的な兆候です。」

これらの奇妙な変異が確認されたのはニューヨーク市だけではありません。ジョンソン氏はミズーリ州でもいくつか確認しており、他の州の共同研究者も局所的なクラスターを発見しています。今のところ、これらの変異の起源について確かな説明はできていません。仮説としては、長期間ウイルスを保有していた免疫不全患者や、長期療養施設の入居者の間で発生した可能性があり、これがこれらの配列が特定の地域に限定されていた理由を説明できる可能性があります。また、都市部の動物、特にげっ歯類から来た可能性も考えられますが、米国農務省が実施したネズミのサンプル調査では、これらの変異の兆候は見られませんでした。

これらの配列の起源を特定できないからといって、下水監視の拡大が不可能というわけではない。しかし、これは、下水疫学にとっての大きな課題は、複雑な生態系を理解し、それを構成するすべての物質の相対的な影響を解明することであることを示唆している。

「私たちはまだ始まったばかりです。既に知られているものに基づいて研究を進める段階ではありません」と、ニューヨークチームのトルヒージョ氏は語る。「排水監視をツールとして活用したいのであれば、こうした基本的な作業をいくつか行う必要があります。」

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