Sundhedsindekser under vores fødder

Et skatkammer af information, der er relevant for menneskers og miljøets sundhed, gemmer sig et uventet sted. Prøver af spildevand fra boliger, institutioner, byer rundt om i verden kan nu undersøges for værdifulde data om samfundets velvære, antibiotikabrug og resistens, rekreativt stofforbrug og -misbrug, biomarkører for sygdom samt miljøfarer og nedbrydning.

Denne hurtigt voksende sundhedsovervågningsteknik, kaldet spildevandsbaseret epidemiologi (WBE), er et økonomisk og kraftfuldt værktøj. Det kan lære os meget om store befolkninger, der bidrager til et centraliseret kloaksystem i løbet af en hel 24-timers cyklus.

I et par nye undersøgelser, Rolf Halden, direktør for ASU Biodesign Center for Environmental Health Engineering og forfatter til 2020 Book Environment, beskriver processen og fremhæver vigtige nye fund udvundet af det kommunale spildevand, de fleste af os bidrager til i det daglige. Halden er desuden professor ved ASU's School of Sustainable Engineering and the Built Environment.

"Efter at have eksisteret i mere end 15 år, spildevandsbaseret epidemiologi får endelig den opmærksomhed, den fortjener, ikke mindst takket være de udfordringer, som COVID-19-pandemien medfører, siger Halden, en pioner og forkæmper for WBE, hvis team har bygget det største enkeltstående overvågningsnetværk og prøvearkiv i USA og rundt om i verden.

Datarigt affald

Fremskridt inden for WBE-teknologier og -applikationer går hurtigt. Metoden tilbyder en billig strategi til at indhente sundheds- og miljødata på en lokal, regional, national og endda kontinental skala. Det kan give værdifuld information med akut rumlig og tidsmæssig opløsning. Fordi metoden samler fællesskabsdækkende data, den er ikke-invasiv og sikrer privatlivets fred for befolkningen under undersøgelse.

Ud over dets evne til at måle indtagelseshastigheder af stoffer, herunder kokain og opioider, WBE er blevet foreslået som et middel til at identificere eksponering for stoffer, herunder pesticider, produkter til personlig pleje, infektiøse patogener, persistente organiske forurenende stoffer, samt til at spore forekomsten af ​​sygdomme i hele samfundet, herunder diabetes, allergier, stress-inducerede lidelser og kræft.

I den første af to aktuelle undersøgelser, med Biodesign Institute-forsker Erin Driver som hovedforfatter, Spildevandsprøver fra et stort universitet i det amerikanske sydvest blev analyseret for tilstedeværelsen af ​​koffein, tobak og alkohol. Denne undersøgelse overvågede tilstedeværelsen af ​​disse stoffer i løbet af det akademiske år 2017-18. Det er den første amerikanske undersøgelse, der fokuserer på disse almindelige psykotrope forbindelser, rettet mod at sammenligne dataoutput fra WBE med konventionelle metoder, nemlig brugen af ​​spørgeskemaer.

Alkohol, nikotin- og koffeinbrug er væsentlige folkesundhedsproblemer, kræver omkring 550, 000 liv årligt. Data tyder på, at studerende i universitetsalderen er særligt sårbare over for overforbrug af disse stoffer, resulterer ofte i adfærd, der holder deres levetid, som skaber dårligere helbredsresultater. Dette arbejde viser nytten af ​​at overvåge denne særlige delmængde af en befolkning og illustrerer den potentielle fordel ved langsigtede overvågningsnetværk på universitetscampusser for at forbedre studerendes sundhed og fremme fremtidig succes.

Effektiv, overvågning næsten i realtid

WBE repræsenterer et attraktivt alternativ til overvågning i hele samfundet gennem selvrapporterede undersøgelser, som kan introducere stikprøve- og rapporteringsbias og ofte er forholdsvis dyre at administrere; hvor meget dyrere, var et af spørgsmålene, der blev undersøgt i undersøgelsen.

Ud over målinger af mængden af ​​forbrugte stimulanser, undersøgelsen afslørede stærke positive sammenhænge for forbrug af alkohol og nikotin samt mellem nikotin og koffein, men ikke mellem alkohol og koffein.

Tidsmæssig information blev også sporet, hvilket indikerer, at koffeinforbruget var højest i løbet af ugen, mens nikotin- og alkoholforbruget toppede i weekenderne, som forventet. Undersøgelsen demonstrerede den praktiske og pålidelighed af campus-dækkende longitudinelle sporing af omkring 60, 000 studerende direkte og billigt.

Ud over at overvåge sundhedsindekser relateret til adfærd, WBE kunne i sidste ende give et billigt middel til at udføre overvågning af infektionssygdomme på tværs af befolkninger, at give et tidligt varslingssystem til at advare forskere om sygdomsudbrud i næsten realtid, inden for så lidt som 24 timer.

Halden håber at kunne udnytte kraften i WBE-teknologi, i sidste ende at kombinere en bred vifte af menneskelige sundhedsindikatorer, der findes i spildevand, til et omfattende system, som han kalder Human Health Observatory (HHO). I øjeblikket, ASU's HHO indsamler data fra over 350 byer, der repræsenterer omkring 32 millioner mennesker eller omkring 10% af den amerikanske befolkning og en kvart milliard mennesker globalt.

Datastrømme

Strategier til at udtrække information om bestemte målstoffer varierer, ofte ved hjælp af sofistikerede metoder såsom væskekromatografi tandem massespektroskopi, som kan fingeraftrykke kemiske spor baseret på deres forskellige molekylvægte og karakteristiske ioniserings- og fragmenteringsadfærd. Men den grundlæggende proces, der bruges til WBE, er enkel.

Prøver af råt spildevand - spildevand, der kommer ind i et vandgenvindingsanlæg, indsamles typisk over en 24-timers periode og sendes derefter til laboratoriet for at bestemme den gennemsnitlige koncentration af kemikalier eller deres biologiske metabolitter. Koncentrationsværdien ganges derefter med strømningsvolumen af ​​spildevand i prøvetagningsperioden, at give en mere meningsfuld enhed af en mængde af et stof pr. 000 mennesker om dagen. Ved at kombinere disse oplysninger med estimater af gennemsnitlige udskillelseshastigheder af målmetabolitter tillader forskerne at bestemme mængden af ​​forbrug af et givet stof, det være sig kopper kaffe, antal røget alkoholholdige drikkevarer eller cigaretter.

De endelige data i universitetsundersøgelsen viste, at niveauer af alkoholforbrug var i overensstemmelse med mængder observeret i selvrapporterede undersøgelser. Men mens begge undersøgelsesmetoder viste sig at give lignende resultater, Driver opsummerede de store nyheder som følger:"I denne undersøgelse, brugen af ​​WBE var over 200 gange billigere end konventionelle metoder, giver data med hyppigere intervaller gennem hele det akademiske år. Omkostningerne blev reduceret fra anslået $127 til kun $0,58 per person ved brug af spildevandsanalyse."

Forskerne er nu i gang med at måle, hvordan COVID-19-epidemien og de tilhørende ordrer om ophold i hjemmet påvirker stofforbruget i universitetets hjemby.

Sundhedsovervågning forfinet

I den anden nye undersøgelse, hovedforfatterne professorerne Olga Hart og Rolf Halden fra Biodesign Center for Environmental Health Engineering rapporterer om en modelleringsundersøgelse, der betragtede alle 13, 940 store spildevandsrensningsanlæg i USA og demografiske oplysninger indsamlet af US Census under 2017 American Community Survey.

Formålet med undersøgelsen var at undersøge og forstå potentielle skævheder i WBE-undersøgelser ved at undersøge variationer i data indsamlet på grund af temperatur, sæsonbestemte variationer og hastigheder for biomarkørhenfald. At gøre dette, forskerne antog et stabilt forbrug i befolkningen over et kalenderår og beregnede, hvordan samfundet, der bidrager til det kemiske signal, der kan påvises på et givet spildevandsrensningsanlæg, ville ændre sig som en funktion af ændringerne induceret af sæsonvariable temperaturer og biomarkørernes henfaldshastigheder.

Undersøgelsen fandt også spændende sammenhænge mellem sæsonbestemte temperaturer og størrelsen og afstanden en befolkning kan observeres ved spildevandsanalyser. Generelt, i de koldere måneder af året er "sigbarheden ned ad røret" bedre, fører til en større befolkning fanget, der bor længere væk fra planten, og en mere jævn repræsentation af alle mennesker, der betjenes af renseanlægget.

I modsætning, Nedbrydning i kloakken i sommermånederne reducerede den observerbare befolkning, og den påviselige kemi var primært sammensat af samfund tættere på behandlingen. Dette fund fik stor betydning, da folketællingsdata viste, at der eksisterer betydelige forskelle i demografiske indikatorer som funktion af bopælsafstanden fra en plante. Sammenlignet med den kolde vintersæson, observationer om sommeren var mere tilbøjelige til at fange husstande med lavere indkomst, mindre uddannelsesniveau, mere udbredt militærtjeneste, højere arbejdsløshed, og større mangel på sygesikring. Hart opsummerede resultaterne:

"Hvis det ikke tages i betragtning, denne ujævne fordeling af befolkninger i bymiljøer kan føre til skæve data fra spildevandsprøvetagning, eller tilskrives sæsonbestemt ændring, mønstre, der faktisk er af demografisk oprindelse. Ligesom i traditionelle menneskelige fagstudier, om vi forsøger at bedre forstå samfundets sundhedsstatus ved passiv overvågning eller teste virkningen af ​​proaktive interventioner, det er afgørende at forstå, om vores undersøgelsespopulation ændrer sig væsentligt fra observation til observation."

Halden var enig og tilføjede:"Dette studie udfordrer WBE-forskere til at revurdere deres data i forbindelse med temperaturændringer. Uanset om vi overvåger kemikalier eller biologiske agenser i spildevand, vores forskningsmiljø bliver nødt til at være mere opmærksomme på omgivende lufttemperaturer for at få den mest robuste information fra spildevandsanalyser."