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

当一种新病毒从动物跳跃到人类身上时，疫情爆发的最初迹象对于通常追踪疾病的医生和医院来说往往是不可见的。临床监测——即观察病人的系统——经常会错过病毒传播的最早期时刻，因为最初的几名感染者可能觉得身体还不够不适而没有寻求帮助，或者他们的症状可能被误认为是某种常见疾病。在无声的溢出与全面的流行病爆发之间的空间里，公共卫生官员需要一种方法，在医院床位填满之前就能看到正在发生的情况。一种极具前景的方法涉及观察从我们城市流出的废物。由于人类会将病毒通过粪便和尿液排出体外，因此污水系统充当了一个社区健康的巨大、自动化的采样器。这种被称为废水监测的方法提供了一种低成本的方式来检测病原体，而无需对每一个人进行检测，但科学家们长期以来一直想知道，对于下一个威胁要引发大流行的未知病毒，这种方法究竟会有多有用。

一个研究小组致力于通过建立一个结合了病毒如何离开人体真实数据与疾病在人群中传播模拟过程的计算机模型，来回答这个问题。他们没有等待新病毒出现，而是创建了一个框架，用以测试废水监测对于不同类型的潜在威胁的效果如何。科学家们将关于一个人排泄多少病毒、该人表现出症状的可能性以及病毒如何在人与人之间移动的信息输入到模型中。通过运行数千次这类模拟爆发，他们可以观察在何种条件下，污水系统会比传统的观察病人的系统更快速或更可靠地发出警报。

这些模拟结果显示，废水监测并非适用于每种病毒的万灵药，但在满足特定条件时，它会变得极其有价值。模型显示，该系统提高发现疫情早期或加速检测检测率，主要是针对那些大量排泄的病毒。具体而言，该方法对于个体释放病毒量在新冠病毒（COVID-19）水平的百分之一到十倍之间的病毒最为有效。这种预警的价值在很大程度上也取决于病毒在人群中的行为方式。当感染发生在紧密、集中的爆发中，即在任何给定的一天内，排泄病毒的人数出现突然激增时，该系统运作得最好。在这些场景中，污水系统就像一张敏感的网，捕捉着那些临床系统可能直到为时已晚才会察觉到的病毒物质激增。

研究人员将他们的框架应用于几种现实世界的病毒，以观察它们的表现如何。像 SARS-CoV-2、Mpox、甲型流感、拉萨热和扎伊尔埃博拉等病毒的特征使其成为了此类监测的良好候选对象，因为它们倾向于排放足够的物质以便在废物中被检测到。相比之下，模型表明其他病毒，如基昆古尼亚热，可能不容易通过这种方式进行追踪，因为它们不会以同样的高容量或模式进行排泄。研究结论认为，虽然废水监测是一个强大的工具，但其成功取决于病毒本身的生物学特性。通过预先了解这些特性，公共卫生官员可以使用这一基于证据的框架来决定在哪里投入资源，确保这种低成本的检测方法被部署在真正能发挥作用的威胁面前。