DOI: https://doi.org/10.1186/s13059-025-03927-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41526978
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Viorel Munteanu وآخرون
الموضوع الرئيسي: كشف واختبار SARS-CoV-2
نظرة عامة
لقد ظهرت المراقبة الجينومية المستندة إلى مياه الصرف الصحي (WWGS) كأداة قيمة لمراقبة SARS-CoV-2 وغيرها من مسببات الأمراض الفيروسية في المجتمعات، مما يسهل التعرف السريع على الطفرات المعروفة والجديدة، بالإضافة إلى تقديم رؤى حول السلالات الفيروسية المتداولة. ومع ذلك، فإن تنفيذ WWGS يواجه تحديات تتعلق بمعالجة العينات والتحليل الحسابي، لا سيما في تمييز السلالات المرتبطة عن كثب واكتشاف المتغيرات الجديدة.
تقوم هذه المراجعة بتقييم نقدي للحالة الحالية لطرق تسلسل مياه الصرف الصحي (WWS)، التي لا تزال غير مختبرة إلى حد كبير في سياق تراجع المراقبة السريرية والتطور المستمر للفيروسات. تناقش الفرص والقيود الكامنة في WWGS، مع التأكيد على أهمية التقدم في إعداد العينات، وتقنيات التسلسل، وطرق المعلوماتية الحيوية. تؤكد النتائج على إمكانية WWGS في تعزيز أنظمة مراقبة الصحة العامة، لا سيما في مواجهة التهديدات الفيروسية المستمرة.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية ظهور المراقبة الجينومية المستندة إلى مياه الصرف الصحي (WWGS) كأداة حاسمة لمراقبة SARS-CoV-2 خلال جائحة COVID-19. أشارت النتائج المبكرة إلى وجود RNA لـ SARS-CoV-2 في براز الأفراد المصابين، مما دفع الباحثين إلى استخدام شبكات مياه الصرف الصحي للمراقبة على مستوى المجتمع. سهل الانتشار السريع لطرق WWGS من أبريل إلى يوليو 2020 اعتمادها عالميًا، مما أظهر فعاليتها في تتبع اتجاهات المرض، واكتشاف المتغيرات الناشئة، وتقديم رؤى حول الأحمال الفيروسية على مستوى المجتمع، بما في ذلك تلك من الأفراد غير الأعراض. لقد أثبتت WWGS أنها طريقة قيمة للكشف المبكر عن المتغيرات المثيرة للقلق (VOC) ولتحديد الطفرات الجديدة التي قد تتجنب المناعة.
على الرغم من مزاياها، تسلط المقدمة الضوء أيضًا على التحديات التي تؤثر على دقة WWGS، مثل تدهور RNA الفيروسي في مياه الصرف الصحي والتلوث المحتمل من مصادر غير بشرية. تشكل تعقيدات عينات مياه الصرف الصحي، بما في ذلك الأحمال الفيروسية المنخفضة والضوضاء الخلفية العالية، عقبات كبيرة لتفسير البيانات. تهدف المراجعة إلى تقديم نظرة شاملة على أفضل الممارسات، والتحديات، والفرص في WWGS، مع التأكيد على الحاجة إلى خوارزميات وطرق معلوماتية حيوية قوية لتعزيز فائدتها في اتخاذ قرارات الصحة العامة. في النهاية، يُقترح دمج WWGS مع طرق المراقبة التقليدية، بما في ذلك PCR والتسلسل، كاستراتيجية لتحسين تتبع SARS-CoV-2 ومتغيراته في الوقت الحقيقي.
طرق
توضح هذه القسم الطرق المستخدمة في المراقبة الجينومية لمياه الصرف الصحي (WWGS) للكشف عن RNA الفيروسي لـ SARS-CoV-2، مع التأكيد على الحاجة إلى بروتوكولات موحدة لتعزيز القابلية للمقارنة عبر الدراسات. يبرز أهمية الالتزام بالإرشادات المعمول بها مثل الحد الأدنى من المعلومات في الميكروبيولوجيا البيئية (EMMI) والحد الأدنى من المعلومات لنشر تجارب PCR الكمية (MIQE). يتم مناقشة تقنيات أخذ العينات المختلفة، بما في ذلك الطرق النشطة والسلبية، مع التركيز على تعقيدات تركيز واستخراج RNA الفيروسي من مصفوفات مياه الصرف الصحي. تشمل طرق التركيز الشائعة ترسيب بولي إيثيلين جلايكول (PEG)، والترشيح عبر الأغشية الكهربية السلبية (EMF)، والترشيح الفائق، والطرد المركزي الفائق، والاختبارات المعتمدة على الكريات، كل منها له مزايا وقيود مميزة فيما يتعلق بكفاءة الاسترداد ووقت المعالجة.
تتفصل هذه القسم أيضًا في طرق التكميم المعتمدة على PCR، مشيرة إلى الانتقال من RT-qPCR إلى تقنيات أكثر قوة مثل RT-droplet digital PCR (ddPCR)، التي تقدم مقاومة أكبر للمثبطات وحساسية محسنة. كما تقدم طرق مبتكرة مثل Volcano 2nd Generation (V2G)-qPCR وloop-mediated isothermal amplification (LAMP)، بما في ذلك LAMP-Seq للتطبيقات عالية الإنتاجية. بينما تعتبر طرق PCR فعالة في قياس تركيزات SARS-CoV-2، فإنها تواجه تحديات في اكتشاف الطفرات بسبب تطور السلالات الفيروسية. يتم تقديم التسلسل عالي الإنتاجية كنهج تكميلي، مما يمكّن من الكشف الشامل عن ملفات الطفرات ويعزز الفعالية العامة لـ WWGS في مراقبة والاستجابة لتفشي الفيروسات.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على التعقيدات والتحديات المرتبطة بمراقبة SARS-CoV-2 المستندة إلى مياه الصرف الصحي. يؤكد على أن الظروف القاسية داخل أنظمة جمع مياه الصرف الصحي، بما في ذلك تقلبات درجات الحرارة ووجود إنزيمات التحلل، يمكن أن تؤثر بشكل كبير على سلامة المادة الجينومية الفيروسية. وبالتالي، بينما يمكن أن توفر مراقبة الأحمال الفيروسية في مياه الصرف الصحي رؤى حول ديناميات العدوى، يمكن أن تؤدي عوامل خارجية مثل الأحداث الجوية والأنشطة الاجتماعية إلى إدخال تحيزات تعقد تفسير البيانات. كما يبرز القسم أهمية استراتيجيات أخذ العينات، مشيرًا إلى أن الأساليب المختلفة – بدءًا من أجهزة أخذ العينات الماصة السلبية إلى أخذ العينات المركبة والعشوائية – لكل منها مزاياها وقيودها فيما يتعلق بالتمثيل والدقة.
علاوة على ذلك، تناقش الورقة التقدم في تقنيات التسلسل الجينومي المستخدمة في تحليل مياه الصرف الصحي، موضحة طرق مختلفة مثل الميتاجينوميات، والتسلسل القائم على الالتقاط، والتسلسل القائم على الأمبليكون. تقدم كل طريقة فوائد وتحديات فريدة، لا سيما من حيث الحساسية والقدرة على اكتشاف المتغيرات الناشئة. يتم تسليط الضوء على الحاجة إلى تحديثات مستمرة لتصاميم البرايمر، حيث يمكن أن تؤدي الطفرات في جينوم SARS-CoV-2 إلى فشل في التضخيم. تختتم القسم بمعالجة التحديات المعلوماتية الحيوية المرتبطة بتحليل بيانات تسلسل مياه الصرف الصحي، بما في ذلك الحاجة إلى مراقبة الجودة الصارمة وتعقيدات استدعاء المتغيرات في العينات غير المتجانسة. بشكل عام، تؤكد النتائج على الدور الحاسم لمراقبة مياه الصرف الصحي في الصحة العامة، لا سيما في تتبع تطور الفيروسات وإبلاغ التدخلات.
DOI: https://doi.org/10.1186/s13059-025-03927-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41526978
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Viorel Munteanu et al.
Primary Topic: SARS-CoV-2 detection and testing
Overview
Wastewater-based genomic surveillance (WWGS) has emerged as a valuable tool for monitoring SARS-CoV-2 and other viral pathogens in communities, facilitating the rapid identification of both known and novel mutations, as well as insights into circulating viral lineages. However, the implementation of WWGS is hindered by challenges related to sample processing and computational analysis, particularly in differentiating closely related lineages and detecting new variants.
This review critically evaluates the current state of wastewater sequencing (WWS) methodologies, which remain largely untested in the context of diminishing clinical surveillance and the continuous evolution of viruses. It discusses the opportunities and limitations inherent in WWGS, emphasizing the importance of advancements in sample preparation, sequencing technologies, and bioinformatics approaches. The findings underscore WWGS’s potential to enhance public health monitoring systems, particularly in the face of ongoing viral threats.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the emergence of wastewater-based genomic surveillance (WWGS) as a critical tool for monitoring SARS-CoV-2 during the COVID-19 pandemic. Early findings indicated the presence of SARS-CoV-2 RNA in the feces of infected individuals, prompting researchers to utilize wastewater networks for community-wide surveillance. The rapid dissemination of WWGS methodologies from April to July 2020 facilitated its adoption globally, demonstrating its effectiveness in tracking disease trends, detecting emerging variants, and providing insights into community-level viral loads, including those from asymptomatic individuals. WWGS has proven to be a valuable method for early detection of variants of concern (VOC) and for identifying novel mutations that may evade immunity.
Despite its advantages, the introduction also highlights challenges that affect the accuracy of WWGS, such as the degradation of viral RNA in wastewater and the potential contamination from non-human sources. The complexities of wastewater samples, including low viral loads and high background noise, pose significant hurdles for data interpretation. The review aims to provide a comprehensive overview of best practices, challenges, and opportunities in WWGS, emphasizing the need for robust bioinformatics algorithms and methodologies to enhance its utility in public health decision-making. Ultimately, the integration of WWGS with traditional surveillance methods, including PCR and sequencing, is proposed as a strategy to improve real-time tracking of SARS-CoV-2 and its variants.
Methods
The section outlines the methodologies employed in wastewater genomic surveillance (WWGS) for detecting SARS-CoV-2 viral RNA, emphasizing the need for standardized protocols to enhance comparability across studies. It highlights the importance of adhering to established guidelines such as the Environmental Microbiology Minimum Information (EMMI) and the Minimum Information for Publication of Quantitative PCR Experiments (MIQE). Various sampling techniques are discussed, including active and passive methods, with an emphasis on the complexities of concentrating and extracting viral RNA from wastewater matrices. Common concentration methods include polyethylene glycol (PEG) precipitation, electronegative membrane filtration (EMF), ultrafiltration, ultracentrifugation, and bead-based assays, each with distinct advantages and limitations regarding recovery efficiency and processing time.
The section further details PCR-based quantification methods, noting the transition from RT-qPCR to more robust techniques like RT-droplet digital PCR (ddPCR), which offers greater resilience to inhibitors and improved sensitivity. It also introduces innovative methods such as Volcano 2nd Generation (V2G)-qPCR and loop-mediated isothermal amplification (LAMP), including LAMP-Seq for high-throughput applications. While PCR methods are effective for quantifying SARS-CoV-2 concentrations, they face challenges in detecting mutations due to evolving viral lineages. High-throughput sequencing is presented as a complementary approach, enabling comprehensive detection of mutation profiles and enhancing the overall effectiveness of WWGS in monitoring and responding to viral outbreaks.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the complexities and challenges associated with wastewater-based surveillance of SARS-CoV-2. It emphasizes that the harsh conditions within wastewater collection systems, including fluctuating temperatures and the presence of degrading enzymes, can significantly impact the integrity of viral genomic material. Consequently, while monitoring viral loads in wastewater can provide insights into infection dynamics, external factors such as weather events and social activities can introduce biases that complicate data interpretation. The section also underscores the importance of sampling strategies, noting that different approaches—ranging from passive absorbent samplers to composite and grab sampling—each have their advantages and limitations regarding representativeness and accuracy.
Furthermore, the paper discusses advancements in genomic sequencing technologies used for wastewater analysis, detailing various methodologies such as metagenomics, capture-based, and amplicon-based sequencing. Each method presents unique benefits and challenges, particularly in terms of sensitivity and the ability to detect emerging variants. The need for continuous updates to primer designs is highlighted, as mutations in the SARS-CoV-2 genome can lead to amplification failures. The section concludes by addressing the bioinformatics challenges associated with analyzing wastewater sequencing data, including the need for rigorous quality control and the complexities of variant calling in heterogeneous samples. Overall, the findings emphasize the critical role of wastewater surveillance in public health, particularly in tracking viral evolution and informing interventions.