通过脱落动力学和RNA稳定性分析优化废水中登革热病毒监测：对早期预警系统的意义

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Optimizing dengue virus surveillance in wastewater through shedding dynamics and RNA stability analysis: Implications for early warning systems

　　

基于废水的流行病学（Wastewater-based epidemiology, WBE）在登革热病毒（Dengue virus, DENV）监测中是一种有前景的工具，但受到缺乏病毒脱落和稳定性基础数据的阻碍。在此，研究人员通过分析从132名住院患者的前瞻性队列中收集的769份连续唾液、尿液和粪便样本（覆盖症状出现后23天窗口），绘制了高分辨率的纵向脱落轨迹，解析了真实环境基质中的降解常数，并构建了预测性正向灵敏度模型。临床筛查确定尿液是最可靠的监测目标，其诊断阳性率为88.4%。然而，以25°C地下污水管道基线为基准的稳定性实验表明，真实患者排泄物混合物（混合尿液、粪便和唾液）中的DENV-1 RNA降解速度比简化对照中的标准假病毒加标快近5倍，其90%衰减时间（T₉₀）约为3.4天。模型结果表明，这种加速降解将传统的集中式瞬时采样限制在每184名个体中检测1例感染的阈值。相比之下，近源被动采样可以克服这一瓶颈，实现每35,130人中检测1例病例的理论检测限。考虑到经验性现场检测限，这种时间积分方法保持了高度灵敏的实际检测阈值，范围为每3,513至17,565名个体中检测1例病例。

登革热病毒（dengue virus, DENV）是一种蚊媒黄病毒，对全球公共卫生构成严重威胁。2024年，全球132个国家超过39亿人面临感染风险，据世界卫生组织估计，每年约发生9600万例有症状病例和4万例死亡。传统临床监测依赖症状病例报告，往往难以及时实施干预，并系统性低估真实感染率，部分区域无症状感染比例高达92%。基于废水的流行病学（wastewater-based epidemiology, WBE）在COVID-19大流行中已被证明可有效追踪群体病毒动态，但将这一基础设施转向DENV监测面临基础参数缺乏的阻碍。具体而言，病毒在尿液、粪便和唾液中的相对脱落动力学缺乏高分辨率定量理解；真实污水管网中DENV RNA的稳定性也未知，既往稳定性研究多采用简化基质或合成假病毒加标，未使用真实患者排泄物，难以反映实际信号衰减。为弥合这些证据缺口，研究人员开展了一项前瞻性纵向研究，并构建了定量灵敏度模型。相关成果发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》。

该研究的主要技术方法包括：（1）从广州市四个区（荔湾、番禺、花都、海珠）的医院招募132名确诊DENV-1患者（2024年8月15日至11月9日），收集769份序列样本（261份唾液、311份尿液、197份粪便），使用逆转录定量聚合酶链反应（RT-qPCR）靶向NS5基因定量病毒RNA；（2）开展稳定性实验，在混合患者尿液、加标废水和混合尿液-粪便-废水三种基质中，于-20°C、4°C、25°C下孵化21天，用一级对数线性模型计算衰减常数k和T₉₀；（3）构建前向灵敏度模型，整合人均日排放负荷、运输时间、处理体积和检测限（LOD），评估四种采样场景的检测灵敏度。样本队列来源为广州四区132例住院患者，模型参数采用广州市人均日废水流量（305 L/人/天）等。

研究结果如下。

3.1 尿液是登革热监测最可靠的脱落来源。研究人员分析来自132例患者的261份唾液、311份尿液和197份粪便样本。唾液的中位病毒载量最高（5.060 log₁₀拷贝/mL），但尿液样本的阳性率显著最高（88.4%），而唾液为65.1%，粪便仅为23.9%。时间动力学显示，唾液在感染急性期短暂升高后迅速下降，而尿液中的病毒载量逐步上升，至发病第13天达峰，提供了更长的检测窗口。按性别和年龄的分层分析显示，男性尿病毒载量高于女性，而女性唾液载量更高；年龄组间仅尿病毒载量存在差异，青年组（26-40岁）低于≥41岁组，但所有亚组的尿液阳性率均保持高水平。因此，尿液是社区水平DENV监测最可靠、最关键的靶标。

3.2 真实排泄物-废水基质中DENV-1 RNA的加速降解。稳定性实验以25°C模拟地下污水管道基线。结果显示，在真实患者排泄物混合物（混合尿液、粪便和唾液）中，DENV-1 RNA的T₉₀仅为3.41天，而患者尿液单独存在时为15.01天，假病毒加标废水对照为13.91天，前者的衰减速率约为后两者的近5倍。混合尿液-粪便-废水基质中的一级衰减常数k在所有温度下均显著升高，证明简化实验室模型严重低估真实环境中的信号衰减，揭示出登革热WBE面临的关键操作瓶颈。

3.3 管网内信号衰减导致瞬时采样灵敏度瓶颈。将临床脱落数据和衰减常数整合，计算得到人群平均人均日DENV-1 RNA排放负荷为4.51×10⁷拷贝/人/天，显著高于仅基于尿液排泄的既往估计（1.27×10⁶拷贝/人/天），说明忽略粪便固相会严重低估社区输入负荷。在模型假设下，家庭废水排放至实验室检测的典型运输时间（6-12小时）内，信号损失为15.5%-28.7%。对于从污水处理厂采集的标准瞬时废水样本（8 mL），理论检测灵敏度X为169-200人，即需要社区中每169-200人存在1例感染者才能检出，相当于0.5%-0.6%的社区患病率。这明确解释了传统集中式瞬时采样难以发现疫情早期零星病例的瓶颈。

3.4 战略性采样可突破灵敏度限制。通过四场景比较：将瞬时采样点从集中式污水处理厂移至社区检查井仅获得约15%的灵敏度提升（1/211）；改用连续质量通量被动采样器并于污水处理厂部署，灵敏度提升至1/30,520（约166倍）；将被动采样与近源社区放置结合，理论检测上限可达1/35,130。考虑现场基质效应使LOD升高至10和50拷贝/mL时，近源被动采样的灵敏度分别为1/17,565和1/3,513，仍比集中式瞬时采样提高19-95倍。因此，从离散瞬时采样转向时间积分的近源被动采样是突破灵敏度瓶颈的有效策略。

讨论部分指出，加速衰减主要由真实人体排泄物中高浓度的内源性细胞外核酸酶（如RNase A超家族）和微生物蛋白酶驱动。年龄依赖的尿排毒差异提示跨社区比较需进行人口学归一化。被动采样系统具有无需电力、可平抑日间波动和捕获瞬时脱落脉冲的优势，适合低流行期、小规模管网和资源有限地区。局限性包括实验室条件无法完全模拟真实管网复杂相互作用、未鉴定具体衰减化学驱动因子、仅针对DENV-1型，且模型采用固定参数，未来需多气候现场验证和位点特异性校准。

结论：综上所述，本研究确立了推进登革热WBE从实验框架走向定量公共卫生范式所需的临床来源和环境衰减参数。研究人员将尿液确定为最可靠的信号来源，发现其在真实废水中快速衰减（25°C下T₉₀=3.4天），量化了由此产生的监测瓶颈（使瞬时采样的操作流行率下限为0.5%-0.6%），并证明从污水处理厂集中式瞬时采样转向社区近源被动采样可将理论检测灵敏度从1/184提高到1/35,130。对公共卫生当局的三项建议为：第一，在流行间期或本地传播早期在社区部署被动采样器，以获得最高分析分辨率（1/35,130）并避免昂贵自动化设备；第二，谨慎解释阳性信号，因快速衰减的存在，集中式污水处理厂的阴性瞬时样本不能排除低水平社区传播，应以近源采样优先；第三，根据管网季节性热变化调整监测策略，较冷季节可用常规瞬时采样进行低分辨率基线追踪，传播高峰季节则需被动架构或最小化运输时间以降低信号损失。研究所建立的“源到信号”分析框架为优化其他环境敏感病原体的WBE提供了可转移的科学范式。