¿Cuál es una de las mejores formas para predecir los brotes de COVID-19?

Me invade un olor nocivo en cuanto entro en el edificio de cribado fino del lado oeste de la planta de recuperación de agua de Stickney, una de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales más grandes del mundo, ubicada en las afueras de Chicago (Estados Unidos). En este edificio de ladrillo de aspecto industrial con tuberías expuestas, cintas transportadoras y maquinaria pesada, hay cámaras que transportan aguas residuales sin tratar (en su mayoría provenientes de los hogares) que se filtrarán para eliminar plástico, trapos, metales y otros desechos.

De pie, junto a mí, se encuentra el gerente de operaciones, Joe Cummings y se escucha un zumbido. “Vas a escuchar la bomba funcionando”, me advierte, ya que cada cinco minutos, una delgada tubería de succión extrae cinco cucharadas de aguas residuales turbias, de color gris oscuro, sin tratar. Durante 24 horas, todos los días, este sacamuestras automático vaciará las aguas residuales sin tratar en un frasco de plástico de 23 litros y los biólogos del personal analizarán el contenido del frasco en busca de minerales tóxicos o compuestos que podrían dañar los microbios necesarios para limpiarlas y procesarlas antes de su liberación en el Canal Sanitario y de Navegación de Chicago.

Desde marzo de 2020, cuando comenzó la pandemia de COVID-19, los científicos vienen utilizando estas muestras de aguas residuales sin tratar para buscar fragmentos del virus SARS-CoV-2 que se encuentran en las heces de los pacientes infectados, lo que les permite brindar alertas tempranas sobre brotes virales. 

Los niveles de virus suelen aumentar aproximadamente de cuatro a seis días en aguas residuales antes de que un área experimente un crecimiento en los casos clínicos. Por lo tanto, las comunidades y los proveedores médicos pueden usar estos datos para predecir aumentos repentinos locales y aumentar los esfuerzos de pruebas y vacunación.

El trabajo inicial tuvo tanto éxito que en septiembre de 2020, los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de EE. UU (CDC, por sus siglas en inglés) establecieron un Sistema Nacional de Vigilancia de Aguas Residuales, asociándose con docenas de plantas de tratamiento en todo el país y financiando la vigilancia de aguas residuales por el SARS-CoV-2. 

Para febrero de 2022, los fondos de los CDC estaban apoyando programas en más de 400 sitios en 37 estados, cuatro ciudades y dos territorios, aunque la cobertura sigue siendo irregular. Con financiación garantizada hasta el 2025, el objetivo es llegar a los 50 estados, señala la líder del proyecto de los CDC Amy Kirby, y ampliar la recopilación de datos para incluir otros virus como el de la influenza y el norovirus, la bacteria transmitida por los alimentos Escherichia coli, bacterias que se han vuelto resistentes a los antibióticos y el hongo patógeno Candida auris.

Inicialmente, los funcionarios de salud pública se mostraron escépticos sobre los esfuerzos para vigilar las aguas residuales en busca de SARS-CoV-2, relata Rachel Poretsky, ecologista microbiana de la Universidad de Illinois (Chicago). A algunos les preocupaba que los productos químicos en las aguas residuales degradaran el material genético del virus, mientras que otros dudaban de que fuera posible secuenciar material viral distinto derivado de las aguas servidas.

Poretsky y otros científicos demostraron que estaban equivocados. Con una subvención independiente, ella y sus colegas trabajaron con el Departamento de Salud Pública de Chicago para detectar y cuantificar el SARS-CoV-2 en Stickney y algunas otras plantas de tratamiento de aguas residuales de la región. “Cuando pudimos demostrar que los datos (de las aguas residuales) reflejaban lo que se veía en los entornos clínicos o llenaban los agujeros en nuestra infraestructura de salud pública, la gente comenzó a apoyarse un poco más en ellos”, afirma.

La viróloga Heléne Norder de la Universidad de Gotemburgo de Suecia se encuentra entre las científicas que han presionado para avanzar en la investigación del monitoreo de aguas residuales durante años. Con mejoras en las herramientas de secuenciación molecular, los científicos identificaron previamente al virus de la gripe, al rotavirus, adenovirus, virus de Aichi y astrovirus en aguas residuales. Pero Norder confiesa que, hasta ahora, le resultaba difícil lograr que su trabajo se tomara en serio o, incluso, obtener fondos para el desarrollo de la investigación.

“Desafortunadamente, fue necesaria una pandemia para darnos cuenta de lo importante y emocionante que es este campo de investigación”, señala el químico ambiental Arjun Venkatesan de la Universidad de Stony Brook en Nueva York.

Historia del muestreo de aguas residuales 

Uno de los primeros éxitos en la detección de patógenos en las alcantarillas ocurrió en Belfast (Irlanda) cuando se experimentaron devastadores brotes de fiebre tifoidea en el siglo XIX. 

La enfermedad se propagó debido a que las personas consumieron alimentos o agua contaminados con la bacteria Salmonella typhi, que estaba presente en las heces de las personas infectadas. Incluso después de que los brotes disminuyeron, los portadores asintomáticos crónicos continuaron excretando bacterias en sus desechos durante años. Pero en esos primeros días, los científicos tenían problemas para demostrar que la contaminación por aguas residuales era la culpable de los brotes de enfermedades.

Luego, en 1928, William James Wilson, profesor de higiene y salud pública de la Universidad de Queen en Irlanda, utilizó una nueva técnica de cultivo en muestras de aguas residuales que se dirigían a los tanques de sedimentación de Belfast. Él fue capaz de aislar 21 cepas de S. typhi de las muestras, proporcionando evidencia directa de que las aguas servidas portaban el patógeno.

James Allan Gray de la Universidad de Edimburgo (Escocia) de manera similar confirmó la presencia de la Salmonella paratyphi (una bacteria que causa una fiebre tifoidea menos severa llamada fiebre paratifoidea) en 7 de 20 muestras de aguas residuales recolectadas en Edimburgo, en 1929. Y el virólogo estadounidense John Paul de la Escuela de Medicina de Yale y sus colegas, verificaron la presencia del virus de la poliomielitis infectando monos con muestras de aguas residuales recolectadas en 1939 en Charleston (Carolina del Sur) donde se había registrado un número inusualmente amplio de casos de poliomielitis.

En los años siguientes, los científicos exploraron el monitoreo de aguas residuales como una herramienta para la vigilancia de la salud pública. Israel, por ejemplo, había estado libre de polio durante seis años cuando un brote en 1988 dejó paralizadas a 15 personas. El muestreo de aguas residuales mostró que las cloacas abiertas eran una fuente potencial de exposición al virus.

Desde entonces, de 25 a 30 sitios en Israel y en los territorios palestinos adyacentes han recolectado muestras mensuales de aguas residuales para detectar el poliovirus antes de que aparezcan casos sintomáticos en la comunidad. Tal vigilancia permitió a las autoridades israelíes reconocer la “circulación silenciosa” del poliovirus salvaje en las cloacas del país en 2013, lo que impulsó los esfuerzos de vacunación masiva. En las últimas dos décadas, más de 20 países han adoptado el mismo enfoque. 

Los científicos también han podido usar aguas residuales sin tratar para detectar otros brotes virales antes de que las personas se enfermen. En Suecia, Norder y sus colegas registraron en 2013 un pico del norovirus, (denominado virus del vómito invernal) en muestras de aguas residuales al menos dos semanas antes de que la mayoría de los pacientes infectados fueran diagnosticados en hospitales y centros de atención para ancianos en Gotemburgo. También han descubierto ciertas cepas del virus de la hepatitis en aguas servidas unas pocas semanas antes de los casos clínicos reportados.

Pero en muchos países y regiones, hace tiempo que falta un monitoreo sistemático en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Eso puede cambiar debido a la COVID-19.

Muestreo de COVID-19 en aguas residuales

A principios de 2020, científicos chinos confirmaron la presencia de material genético del SARS-CoV-2 en muestras de heces de un paciente infectado. Poco después, investigadores en los Países Bajos informaron la presencia de ARN viral en las aguas residuales de su país.

En la planta de tratamiento de aguas residuales de Amersfoort (en el centro de los Países Bajos) encontraron fragmentos de ARN del SARS-CoV-2 en agua sin tratar seis días antes de que se reportaran los primeros casos del país, en marzo de 2020. 

A medida que más personas contrajeron COVID-19, esos fragmentos se volvieron más abundantes. Por lo tanto, los investigadores propusieron la vigilancia de las aguas residuales para proporcionar evidencia de la presencia y circulación de SARS-CoV-2 en la comunidad. Esto es particularmente valioso cuando muchas infecciones pueden ser leves o asintomáticas o las pruebas pueden no ser fácilmente accesibles.

Rolf Halden, ingeniero ambiental de la Universidad Estatal de Arizona, se dio cuenta rápidamente. Desde el 2018, Halden y sus colegas han estado usando el monitoreo de aguas residuales para rastrear el consumo de opioides en Tempe y compartiendo actualizaciones mensuales con la comunidad a través de un panel de control en línea . La influenza fue el siguiente en su lista, pero rápidamente cambiaron para buscar el SARS-CoV-2 cuando llegó la pandemia. En mayo de 2020 su equipo identificó un punto crítico de infección en Guadalupe (una ciudad predominantemente hispana y nativa americana) donde faltaban pruebas, lo que provocó una respuesta rápida de los trabajadores de salud comunitarios.

Un éxito similar provino del análisis de aguas residuales para SARS-CoV-2 en universidades. En agosto de 2020, un equipo de científicos de la Universidad de Arizona detectó material genético del SARS-CoV-2 en las aguas residuales de un dormitorio, lo que provocó la evaluación inmediata y la identificación de dos estudiantes asintomáticos, que luego fueron aislados.

Vea estas imágenes microscópicas del virus SARS- CoV-2: 

Entre noviembre de 2020 y abril de 2021 un estudio que utilizó datos de la ciudad de Nueva York, descubrió una tendencia similar en el aumento y en la disminución de nuevos casos de COVID-19 y niveles de virus en las 14 plantas de tratamiento de aguas residuales de la ciudad. Y en noviembre de 2021, la ciudad encontró evidencia de ómicron en sus aguas residuales al menos unos días antes de que se identificara clínicamente el primer caso.

Cuando la cepa ómicron superó a la variante delta en los EE. UU, los funcionarios de salud pública utilizaron datos de aguas residuales para tomar decisiones sobre cuándo suspender tratamientos (como los dos anticuerpos monoclonales que no funcionaron contra la nueva variante), afirma la ingeniera ambiental Colleen Naughton de la Universidad de California, quien rastrea los esfuerzos de monitoreo de aguas residuales del SARS-CoV-2 en todo el mundo.

Los expertos señalan que el monitoreo de aguas residuales no reemplaza los programas de prueba adecuados. Por un lado, es difícil dar sentido a la cantidad absoluta de ARN viral en una comunidad a partir de este tipo de muestra.

“Es demasiado complicado vincular los recuentos de virus con la cantidad de personas que podrían estar infectadas”, sostiene Poretsky. Para hacer eso, necesitamos saber cuántas personas están propagando el virus y cuánto tiempo lo están propagando y eso puede cambiar según la variante, la trayectoria de infección y el estado de vacunación de las personas.

“Incluso con esas limitaciones, la vigilancia de las aguas residuales puede ser muy útil”, afirma Kirby.

El futuro del muestreo de aguas residuales

Es por eso que muchos expertos en el campo están encantados con el compromiso de los CDC de ampliar la vigilancia de las aguas residuales más allá del SARS-CoV-2. Pero los detalles sobre el esfuerzo y la escala del monitoreo aún no se han resuelto.

Por ejemplo, muchas plantas de aguas residuales recolectan muestras dos veces por semana para las pruebas de SARS-CoV-2. Ese nivel de testeo puede no ser necesario para los patógenos que no cambian tan rápido. Además, algunas enfermedades pueden ser estacionales y no requerirán pruebas durante todo el año, mientras que algunas serán más relevantes en ciertas regiones que en otras.

Algunos científicos proponen un enfoque general que analizará toda la diversidad de virus en las cloacas urbanas de todo el mundo. El proceso implicaría tomar muestras repetidamente durante años para identificar los virus que son típicos de esa región e intervenir cuando esa composición cambie.

“Dependiendo de la frecuencia de algunas mutaciones o virus en una muestra en comparación con la diversidad global, podríamos encontrar algo que sobresalga localmente”, señala Marion Koopmans, viróloga del Centro Médico de la Universidad Erasmus de los Países Bajos. Pero las herramientas para identificar fácilmente cualquier virus desconocido en una muestra aún no están, dice. Además, separar los virus humanos de los virus animales y vegetales en muestras que involucran nuevos microbios podría ser un desafío.

Más allá de los obstáculos tecnológicos, la vigilancia de las aguas residuales plantea preocupaciones éticas y de privacidad, especialmente si el monitoreo ocurre a una escala más local que comunitaria. “Es como desenterrar el basurero de tu vecino”, advierte Venkatesan.

Fuera de un brote grave, rastrear una enfermedad o el uso de ciertas drogas hasta un individuo o un vecindario podría conducir a la estigmatización. Además, hacer ese trabajo sin comprometerse con la comunidad podría poner en peligro su confianza. "Tenemos una comprensión de las líneas éticas para los problemas clínicos”, afirma Kirby, “pero no existen pautas similares para las muestras ambientales”.

Este problema se vuelve especialmente importante considerando el creciente interés en archivar tales muestras en caso de que sea necesario rastrear los brotes hasta la llegada de ciertos patógenos.

Mientras tanto, los esfuerzos de monitoreo continúan evolucionando. Con el reciente aumento de casos de viruela del mono en EE. UU, Poretsky comenzó a buscar evidencia del virus en las aguas residuales del área de Chicago. “No tenemos idea de cuántas enfermedades hay, si se están propagando, cuánto tiempo podrían haber estado presente antes de que comenzáramos a buscar casos clínicos”, agrega. Pero las aguas residuales pueden contener pistas.