Smruthi Karthikeyan在加州大学圣地亚哥分校从收集机器人那里收集废水样本。图片来源:艾瑞克·杰普森/加州大学圣地亚哥分校。

证据在便便里

在加州大学圣地亚哥医学院Rob Knight实验室工作的环境工程师、博士后研究员Smruthi Karthikeyan说，当早期证据显示，感染covid -19的人——无论他们是否有症状——在粪便中释放病毒时，“下水道似乎是寻找病毒的‘碰巧’地方。”

奈特实验室的研究人员已经习惯了亲自动手。该团队长期以来一直以他们对肠道微生物群的研究而闻名，肠道微生物群是生活在我们胃肠道中的独特微生物群落。世界各地的人们通过邮寄他们的粪便棉签到奈特的实验室来参与他们的研究项目，“Microsetta Initiative”(简称“TMI”)。这个众包项目使研究团队能够研究可能影响人体肠道微生物群组成的许多因素，以及它影响我们健康的多种方式。

Smruthi Karthikeyan(左)和Rob Knight(右)在加州大学圣地亚哥分校从收集机器人那里收集废水样本。

到2020年夏天，卡西基扬、奈特和团队正在筛选离家更近的粪便样本——占用加州大学圣地亚哥分校大楼的人冲走的污水——以寻找导致COVID-19的病毒。

就在他们的废水检测系统上线一个月后，该团队在劳动节周末前的周五下午在Revelle学院地区检测到一个阳性病例。

Karthikeyan说:“当时，我们校园里只有三个废水采样器，两个在医院，当然，由于病人在那里接受治疗，它将是阳性的，一个在Revelle学院进行阴性控制。”“一切都像往常一样，当我看到Revelle样品实际上是阳性时，我收拾好行李离开实验室!”我重新测试了很多次，结果都是阳性的。这让一千艘船出动，让整个监视团队超负荷工作。”

校方在14小时内通知了校园社区，并向与受影响建筑物有关的人员发送了针对性信息，建议他们尽快进行病毒检测。那个周末，超过650人接受了COVID-19检测。结果，两名无症状患者被诊断为COVID-19，他们在疫情爆发前自我隔离。

现在，奈特、卡西基扬和他的团队每天都在监测加州大学圣地亚哥分校350栋建筑的废水。通知将自动发送到受影响的建筑物，结果将在公共仪表板上显示，正在对阳性样本进行测序，以跟踪新的冠状病毒变体的出现。

虽然废水监测已基本成为例行公事，但仍有意外发生。一天，当Karthikeyan和他的团队在海岸公寓附近收集废水时，他们发现一只地鼠挖开并埋了他们的采样器。更糟糕的是，当他们忙着调查情况时，他们的高尔夫球车滚出了小路，被卡住了。他们不得不找人帮忙把车抬回小路上。

经过几个月的流程优化，该团队甚至可以检测到在500多人的大型建筑中生活或工作的单一无症状感染者。他们发现，通知污水呈阳性的每栋建筑的住户，可使COVID-19检测率提高13倍。研究人员说，这种方法使校园内85%的COVID-19病例得以早期发现。

废水筛选是加州大学圣地亚哥分校“回归学习”项目的一个组成部分，该项目基于证据的方法，使该大学在大流行的大部分时间里提供校园住房、面对面的课程和研究机会。回归学习依赖于三大支柱:风险降低、病毒检测和干预。在2020-2021学年，校园内约有1万名学生，该项目使COVID-19病例率远远低于周围社区，与大多数大学校园相比，在此期间保持不到1%的阳性率。

在每个收集点，每隔10-15分钟，机器人就会从附近建筑物中抽取污水样本。每天早上，机器人都会从瓶子里收集污水，其中含有前一天一整天的代表性样本。

“我们的废水筛选项目展示了加州大学圣地亚哥分校的许多不同部分如何作为一个系统共同工作，以保持校园安全，”奈特说，他是儿科学教授和微生物组创新中心主任。“这项工作不仅需要在病毒样本处理方面取得进步，还需要包括后勤、环境健康与安全、校园和卫生系统IT、设施管理等在内的团队，以及回归学习计划的领导才能实现这一目标。”

奈特的团队还帮助管理快速COVID识别环境(EXCITE实验室)，该实验室为加州大学圣地亚哥分校社区运行临床诊断测试，这是回归学习计划的一部分，也是许多研究项目的一部分。研究人员还与当地K-12学区合作，通过EXCITE和奈特实验室的废水筛选提供临床测试，并与其他大学和组织合作，复制这些成功。奈特说，除了COVID-19，这种方法还有可能扩展到许多其他粪便传播的病原体，比如流感。

以下是加州大学圣地亚哥分校的COVID-19废水筛选流程的工作原理:

1. 校园里有130多个机器人通过管道慢慢收集从350栋建筑中冲出来的污水，并将其放入收集瓶中，在24小时内提供有代表性的样本。
2. 每周七天，每天早上，一组穿着配套t恤的学生和工作人员开着高尔夫球车穿过校园，在每个收集点收集污水瓶，并将它们送到奈特在加州大学圣地亚哥分校医学院的实验室。
3. 在实验室中，研究小组添加了磁性纳米颗粒，旨在结合污水中的任何病毒。
4. 一个机器人平台浓缩病毒样本并提取病毒rna——构成包括COVID-19病毒在内的一些病毒基因组的遗传物质。

   

5. 病毒RNA被转移到另一台机器上，与进行聚合酶链反应(PCR)所需的试剂混合。其中包括引物，即专门结合COVID-19病毒特征基因的遗传物质片段。
6. 样本被移动到热循环器中，这是一台进行PCR的机器。机器在加热和冷却之间来回循环，这有助于引物制造许多COVID-19病毒特征基因的副本，如果它们存在于混合RNA样本中。
7. 如果通过PCR检测到COVID-19阳性样本，则会自动向校园社区发送电子邮件通知，提醒在特定时间使用受感染建筑物卫生间的人接受检测，如果被诊断为COVID-19，则会隔离。
8. 数据每天都被添加到一个公开的数字仪表盘returntolearn.ucsd.edu/dashboard．