基于污水的性传播病原体流行病学跨尺度研究

《ACS ES&T Water》：Wastewater-Based Epidemiology of Sexually Transmitted Pathogens Across Scales

　　

基于污水的性传播病原体流行病学对沙眼衣原体（Chlamydia trachomatis，chlamydia）、淋病奈瑟菌（Neisseria gonorrhoeae，gonorrhea）和梅毒螺旋体（Treponema pallidum，syphilis）的研究相较于病毒靶标较为稀疏，尽管它们具有重要的公共卫生意义。研究人员采用多重数字PCR（digital PCR, dPCR）技术，在华盛顿州（美国）的多个污水收集系统（sewersheds）和社区中表征了沙眼衣原体、淋病奈瑟菌和梅毒螺旋体。研究人员检测了服务于人口从不足5000人到超过10万人的污水处理厂（wastewater treatment plant, WWTP）进水。为提高空间分辨率，研究人员还在西雅图市内的六个社区进行了采样。最丰富的病原体沙眼衣原体在所有WWTP进水样本中的检出率为42–88%，在西雅图社区样本中的检出率为13–80%。沙眼衣原体的浓度在最小的WWTP和包含大学校园的社区中最高。研究人员观察到，在将污水浓度与病例数据进行比较时，西雅图社区可能存在衣原体病例的低报现象。淋病奈瑟菌（NG）和梅毒螺旋体（TP）在少数WWTP或社区样本中被检出（NG在WWTP和社区样本中为0–11%，TP为0–18%）。研究人员建议，在确定适合监测性传播感染（STIs）的污水收集系统时，应考虑疾病的时间性、疾病负担和人口学特征，以最大化公共卫生行动性。

**论文解读：基于污水的性传播病原体流行病学跨尺度研究**

**研究背景与问题**
污水流行病学（wastewater-based epidemiology, WBE）在COVID-19大流行后迅速扩展，美国疾病控制与预防中心（CDC）的国家污水监测系统（NWSS）已监测多种病毒（如甲型流感、呼吸道合胞病毒、麻疹、猴痘），但细菌性病原体监测相对滞后。性传播感染（sexually transmitted infections, STIs）如沙眼衣原体（Chlamydia trachomatis，造成衣原体感染）、淋病奈瑟菌（Neisseria gonorrhoeae，造成淋病）和梅毒螺旋体（Treponema pallidum，造成梅毒）在美国及华盛顿州具有显著疾病负担：2023年美国报告超过240万例新发衣原体、淋病和梅毒病例；华盛顿州2023年报告28,303例衣原体、10,181例淋病、4480例梅毒（所有分期），且疫情呈上升趋势（2020–2023年梅毒增加116%）。传统病例监测存在严重低报问题：个体因污名、羞耻、农村医疗可及性差、无症状感染（衣原体每年超半数病例为无症状）等障碍而未能检测或报告。WBE可补充临床检测，减少这些限制。然而，针对STIs的WBE研究有限，尤其缺乏跨不同规模污水收集系统（sewersheds）与空间匹配病例数据的对比，以及农村地区应用的研究。

**研究内容与结论**
研究人员在华盛顿州（相对较低疾病负担州）的11个系统（5个污水处理厂（WWTP）和6个西雅图社区）中，采用多重数字PCR（dPCR）检测沙眼衣原体、淋病奈瑟菌和梅毒螺旋体，并分析污水数据与临床病例的相关性。主要结论：沙眼衣原体是最常检出的病原体（WWTP检出率42–88%，社区13–80%），浓度在最小WWTP（WA5，服务<5000人）和包含大学校园的社区（NS6）最高；淋病奈瑟菌和梅毒螺旋体检出率较低（WWTP中0–11%和4–8%）。污水浓度与病例数据存在不一致性，提示潜在低报。研究建议监测STIs时应考虑疾病时间性、负担和人口学特征。该论文发表在《ACS ES&T Water》。

**主要技术方法**
1. **样本采集**：收集华盛顿州5个WWTP的24小时混合进水样本（2024年11月–2025年2月，n=132）及西雅图6个社区的人孔或泵站样本（2022年1–6月，n=86），覆盖不同人口规模（<5000至>10万）和城乡梯度。
2. **污水浓缩与DNA提取**：离心获取固体沉淀，0.25g沉淀用于总DNA提取（Qiagen AllPrep PowerViral DNA/RNA Kit），添加载体RNA、T4溶菌酶和蛋白酶K。
3. **数字PCR（dPCR）检测**：使用三重dPCR检测沙眼衣原体、淋病奈瑟菌和梅毒螺旋体，并单重检测粪便指示菌Bacteroides HF183。采用QIAcuity纳米板，设阳性对照和阴性对照。
4. **病例数据空间关联**：WWTP病例数据来自华盛顿州卫生局（除King County外），社区病例数据来自西雅图-金县公共卫生部，通过患者地址地理编码与污水收集区多边形空间连接。
5. **统计分析**：使用Pettitt检验识别时间序列变化点，Kendall秩相关分析污水浓度与病例率关系，Kruskal-Wallis检验比较组间差异，Dunn检验进行事后多重比较。

**研究结果**

**3.1 研究地点STI临床病例数据**
2024年WWTP服务区中，衣原体病例率最高，其次为淋病和梅毒。社区站点中，衣原体病例最多但存在空间变异（NS2和NS5波动，NS3在2022年5月最高达67/10万）；淋病和梅毒病例普遍较低。

**3.2 WWTP和社区中STI病原体检出率**
沙眼衣原体在WWTP中检出率65%（86/132），WA5最高（88%），WA4和WA1均为71%。淋病奈瑟菌检出率0–11%，梅毒螺旋体4–8%。社区中沙眼衣原体检出率13–80%，NS6最高（80%）；淋病奈瑟菌在NS1、NS2、NS3检出8%；梅毒螺旋体在NS5检出18%。

**3.3 沙眼衣原体和梅毒螺旋体时间趋势**
WWTP中沙眼衣原体浓度在12月中旬至1月初出现变化点（WA2在12/15–12/28，WA3和WA5在12/29–1/11），浓度通常在一个数量级内波动。WA5平均浓度最高（2月23日–3月8日达4.3 log₁₀基因拷贝/克（gc/g））。社区中NS2和NS5在2月浓度最高（3.37和3.43 log₁₀ gc/g）。梅毒螺旋体在WWTP中多数不可定量，但在社区1月（NS1、NS2、NS5）持续检出，NS5最高达3.52 log₁₀ gc/g。

**3.4 污水中沙眼衣原体与衣原体病例相关性**
社区层面，NS2呈强负相关（Kendall’s τ = ?0.87），NS5呈弱负相关（τ = ?0.2），其余站点因样本量小或病例数被抑制而相关性不稳定。

**讨论与结论**
**讨论部分**：研究人员探讨了时间趋势（节假日如感恩节、圣诞节、情人节后沙眼衣原体浓度升高）、污水收集系统规模与检测动态（人口规模并非主要因素，疾病负担、季节性和人口特征更重要）、与已有研究比较（浓度与底特律类似，但社区间差异源于疾病负担不均）、低报现象（如NS6大学校园社区高污水浓度但低病例率，提示无症状或低报告）、淋病奈瑟菌和梅毒螺旋体检出率低的原因（可能为疾病低流行、降解或靶标拷贝数差异）。此外，讨论了公共卫生行动性：小尺度监测（如大学校园）可针对性干预（增加筛查、自检试剂盒、社会营销），但需注意隐私和伦理问题。归一化方法（固体归一化优于粪便指示菌HF183）和局限性（未知脱落率、DNA降解、样本存储时间、合并下水道系统季节性影响等）。

**结论部分**：STIs是污水流行病学的新兴靶标。本研究通过评估在多种污水收集系统中检测沙眼衣原体、淋病奈瑟菌和梅毒螺旋体的可行性，为WBE文献做出贡献。基于结果，研究人员建议沙眼衣原体可作为WBE的可行靶标，但需考虑潜在疾病负担、人口学特征和城乡差异。