基于大阪市废水监测百日咳杆菌与副百日咳杆菌相关DNA浓度实现百日咳相关活动早期检测的评估

《Emerging Microbes & Infections》：Early Detection of Pertussis Related Activity by Wastewater Surveillance of Bordetella pertussis- and Bordetella parapertussis- Associated DNA Concentrations in Osaka, Japan

　　

百日咳在全球范围内引起反复暴发。临床监测可能受到就医行为、诊断实践、检测灵敏度及报告延迟的影响。本研究通过定量PCR测定博德特氏菌属相关的IS481与IS1001 DNA浓度，评估废水监测(WWS)的效用。2023年4月至2025年7月，研究人员在日本大阪府四个污水处理厂采集每周废水样品，采用定量PCR测量IS481与IS1001相关DNA浓度。推测的百日咳杆菌相关IS481 DNA浓度自2024年起显著上升。基于阈值的暴发起始检测与互相关分析均表明，废水中IS481 DNA浓度比报告病例提前一至数月出现。相比之下，副百日咳杆菌相关的IS1001 DNA浓度在2023年出现瞬时峰值，与同期临床报告一致，此后维持低水平。这些发现提示WWS可能比临床报告更早检测到百日咳相关活动升高，并凸显其作为临床监测补充工具监测呼吸道传染病的潜力。

研究背景与立项依据

百日咳由百日咳杆菌(Bordetella pertussis)引起，虽广泛接种疫苗，但因免疫力衰减、病原适应及漏诊，仍周期性复燃。临床监测受就医行为、诊断能力、检测灵敏度与报告延迟制约，在青少年与成人中尤易低估真实负担；副百日咳杆菌(Bordetella parapertussis)亦可致类百日咳病，进一步复杂化负担评估。婴儿<1岁因未全程接种而成高死亡风险群体。废水监测(wastewater surveillance, WWS)以人群水平非侵入性捕获症状与无症状感染核酸信号，已在脊髓灰质炎病毒、SARS-CoV-2与流感中验证可早于临床报告发现社区传播动态。本研究于日本大阪府开展，旨在评估WWS通过靶向博德特氏菌属插入序列IS481（推测百日咳杆菌相关）与IS1001（副百日咳杆菌相关）定量DNA浓度，能否早期反映百日咳相关活动。论文发表于《Emerging Microbes》。

主要技术方法概述

研究人员构建大阪府4座污水处理厂（服务约140万人，占府人口16%）2023年4月至2025年7月每周进水废水队列。每样1 L grab采样，4 ℃转运，24 h内处理；取40 mL离心富集 pellet，用InnuPure C16 touch系统配InnuPREP Virus DNA/RNA Kit提取核酸。靶标为IS481与IS1001，经预扩增(pre-amplification)后采用Biomark HD系统192.24 Dynamic Array IFC进行多重定量PCR(qPCR)，Ct≤29判阳性。浓度折算为copies/L作半定量时序指标。基线取2023年10–12月IS481低活期与2022–2023年病例低活期，以μ+2σ且连续≥4周超阈定义起始；互相关分析(cross-correlation)取±20周滞后，4周移动平均为主，并做2/3周敏感性分析；缺值线性插值。所有统计用Python脚本复现。

研究结果

Analytical Evaluation of IS481 Detection in Wastewater

研究人员以培养百日咳杆菌18323株梯度加标废水，证明核酸提取-预扩增-qPCR响应呈剂量依赖，废水基质抑制不显著，支持IS481作为废水主靶标。

Temporal Dynamics of the B. pertussis-Associated IS481 DNA Concentration in Wastewater

四厂进水中IS481 DNA自2024年中起渐升；Site A 2024年第38周陡升，2025年第28周达4.9×10⁷ copies/L；Site B 2024年第7周起升，2025年第31周峰8.1×10⁷ copies/L；Site C 2024年第34周起，2025年第18周峰1.0×10⁸ copies/L；Site D 2024年第43周起，2025年第27周峰8.1×10⁷ copies/L。显示WWS可捕获局地病原循环波动。

Temporal Relationship Between the Wastewater IS481 DNA Concentration and Reported Cases

四厂均值的4周移动平均与大阪府报告病例比：阈值法IS481起始为2024年第15周，病例起始2024年第30周，差+15周（病例-WWS）；阈值敏感到+4~+16周。互相关分析最大正相关滞后+10周（r≈0.883），2/3/4周移动平均一致。结论：废水中IS481 DNA比临床报告早1至数月，但属探索性时序关联非预测模型。

Detection of B. parapertussis-Associated IS1001 DNA Concentration in Wastewater

IS1001四厂均值在2023年第29周现瞬峰（Site B达8.8×10⁹ copies/L），与东京儿科同期副百日咳报告时空吻合；2024起整体低位，Site C/D在2025年中现站点级小峰。IS481与IS1001拷贝数、 assay特性不同，绝对浓度不可比，仅作副百日咳相关DNA时序变化指示。

讨论部分总结

研究人员指出，IS481信号领先病例反映临床漏诊、轻症/无症状感染及就医-检测-报告链延迟；WWS聚合有症/轻症/无症状排放，与日本2018年后全数报告制互补。与韩国Yongin（低频检出）及西安/南昌（领先约10天）相比，本队列领先达10周级，差异或来自人群规模、暴发阶段、接种史、厂网尺度与阈值定义。IS1001 2023瞬峰或对应区域副百日咳循环；2023夏IS481小峰无病例对应，可能含非百日咳IS481阳性种（如B. holmesii）、行为变动或环境变异，但无因果结论。局限含：仅大阪4城市厂网、废水集水区与府级病例地理错配、qPCR不辨活力且IS481种特异性受限（但CDC重检示B. holmesii占商业PCR阳性仅1.4%）、单拷贝基因ptxA/prn敏感受限故选多拷贝IS481。WWS应作临床哨点补充而非替代。

结论部分翻译

本研究提供日本大阪社区水平博德特氏菌属IS481与IS1001 DNA浓度废水流行病学分析。研究人员观察到推测百日咳杆菌相关IS481 DNA浓度在报告病例上升前数周至数月即升高。此时序关系可能反映临床漏报、轻症/无症状感染、就医行为、检测实践、报告延迟及废水集水区与临床监测区差异。在此背景下，WWS可提供补充性人群水平途径，捕获临床监测未充分代表的百日咳相关活动时序趋势。同步监测IS481与IS1001相关DNA亦有助于描述百日咳杆菌与副百日咳杆菌相关活动时序，但二者不可直解作细菌负荷或感染计数。上述发现提示基于废水的监测可补充常规临床监测，更早识别社区百日咳相关活动变化；未来需多区域多周期验证领先时间一致性及采样频率、气象、就医行为等影响因子，以明确其在公共卫生实践中的角色。