The public health value of wastewater surveillance for viruses with pandemic potential: a modelling study

新しいウイルスが動物からヒトへと飛び移る際、アウトブレイク（感染症の集団発生）の最初の兆候は、通常、疾患を追跡している医師や病院にとって目に見えないものであることが多い。病人を監視するシステムである臨床サーベイランスは、初期の感染者が十分に体調不良を感じず助けを求めなかったり、あるいはその症状が一般的なものと誤認されたりすることがあるため、ウイルスの拡散の極めて初期の瞬間を見逃してしまうことが頻繁にある。サイレント・スピルオーバー（静かなる種間伝播）から本格的なエピデミック（流行）に至るまでの空白の期間において、公衆衛生当局は、病院のベッドが埋まってしまう前に何が起きているのかを知る方法を必要としている。一つの有望な手法は、私たちの都市から流れ出る廃棄物に注目することである。人間は糞便や尿の中にウイルスを排出するため、下水道システムはコミュニティの健康状態を自動的にサンプリングする巨大な装置として機能する。この「排水サーベイランス（下水監視）」として知られるアプローチは、すべての人を検査する必要なく病原体を検出できる低コストな方法を提供しているが、科学者たちは、次にパンデミックを引き起こす恐れのある未知のウイルスに対して、これが一体どの程度有用であるのかを長らく疑問に思ってきた。

研究チームは、ウイルスがどのように体内から排出されるかに関する実データと、疾患が人口集団の中でどのように広がるかのシミュレーションを組み合わせたコンピュータモデルを構築することで、この問いに答えるべく着手した。彼らは新しいウイルスが現れるのを待ったのではなく、異なる種類の新たな脅威に対して排水サーベイランスがどの程度機能するかをテストするためのフレームワークを作成した。科学者たちは、モデルに、一人の人間がどれだけのウイルスを排出するか、その人が症状を示す可能性がどの程度か、そしてウイルスが人と人との間でどの程度の速さで移動するかという情報を投入した。これらのアウトブレイクのシミュレーションを数千回実行することで、彼らはどのような条件下で、下水道システムが従来の患者を監視するシステムよりも早く、あるいはより確実に警報を鳴らすことができるのかを明らかにすることができた。

これらのシミュレーションの結果は、排水サーベイランスがあらゆるウイルスに対する魔法の弾丸ではないものの、特定の条件が満たされた場合には非常に価値があることを明らかにした。モデルによれば、このシステムは、ウイルスが大量に排出される場合に、アウトブレイクを早期に発見する確率を高める、あるいは検出を早めるという。具体的には、この手法は、一人の人間が放出する量が新型コロナウイルス（SARS-CoV-2）で見られる量の100分の1から10倍の範囲にあるウイルスに対して、最も効果的であることが示された。また、この早期警告の価値は、ウイルスが人口集団の中でどのように振る舞うかにも大きく依存していた。システムは、感染が狭い範囲で集中して発生し、ある特定の日にウイルスを排出する人の数が急激に増加する場合に、最もよく機能した。このようなシナリオでは、下水道システムは敏感な網のように機能し、臨床システムが手遅れになるまで見逃してしまうかもしれないウイルスの急増を捉えるのである。

研究者たちは、このフレーム beenworkをいくつかの実在するウイルスに適用し、それらがどのように競い合うかを確認した。SARS-CoV-2、エムポックス（Mpox）、インフルエンザA型、ラッサ熱、およびザイール・エボラ出血熱といったウイルスの特性は、これらがこの種のモニタリングに適した候補であることを示しており、これらは廃棄物中に検出可能なほどの十分な量の物質を排出する傾向がある。対照的に、モデルはチクングニア熱のような他のウイルスについては、排出量やパターンが同様ではないため、この方法では追跡が容易ではない可能性を示唆した。本研究は、排水サーベイランスは強力なツールであるが、その成功はウイルス自体の生物学的特性に依存するという結論を下している。これらの特性を事前に理解することで、公衆衛生当局はこのエビデンスに基づいたフレームワークを用いて、どこにリソースを投資すべきかを判断し、この低コストの検出手法を、実際に効果を発揮できる脅威に対して確実に配備することができるのである。