Po dwóch miesiącach bezowocnych poszukiwań zaczynaliśmy wątpić w sens robienia tych badań. Wtedy odezwaliśmy się do Politechniki w Wiedniu, wymieniliśmy się z nimi próbkami i… udało się. Stosując naszą metodę, potwierdziliśmy zawartość wirusa w próbkach. To dało nam pewność, że to, co robiliśmy, miało sens i może pomóc nam wszystkim – Krzysztof Maciołek, prezes Aquanet Laboratorium i szef poznańskiego zespołu badającego ścieki pod kątem wirusa SARS-CoV-2, opowiada o kulisach jednych z najciekawszych badań ostatnich lat. I próbuje odpowiedzieć na pytanie – jaka przyszłość czeka epidemiologię opartą na badaniach ścieków?
Cofnijmy się o dwa lata, do samego początku. Skąd pomysł na wykrywanie, powodującego zachorowania na COVID-19, wirusa SARS-CoV-2 w ściekach?
Krzysztof Maciołek, prezes zarządu Aquanet Laboratorium Sp. z o.o.: – To nie było wymyślanie czegoś zupełnie nowego, ta metoda istniała i była stosowana na świecie od dłuższego czasu. Narzędzie, które wykorzystujemy, ma swoją nazwę: epidemiologia oparta na badaniach ścieków (z angielskiego: Wastewater-Based Epidemiology). Jest ono coraz powszechniej wykorzystywane.
I nie zostało wymyślone przy okazji badań SARS-CoV-2.
– Absolutnie nie. W Japonii już od dłuższego czasu wykonuje się badania ścieków miejskich, żeby – w razie potrzeby – ogłaszać alerty związane z norowirusami. Żeby zapobiec sytuacjom, w których dzieci masowo mają objawy spowodowane norowirusem, Japończycy wysyłają komunikaty w stylu: Proszę zwrócić w przedszkolach i szkołach szczególną uwagę na to, czy dzieci myją dokładnie ręce i zasłaniają usta podczas kichania. Mamy zwiększoną zawartość norowirusa w ściekach i jest podwyższone ryzyko, że pojawią się lokalne ogniska zachorowań.
Epidemiologia oparta na ściekach się rozwija?
– Rozwój tego narzędzia nastąpił w ostatnich latach. Wiemy, że – właściwie niezależnie od branży – dane rządzą wszystkim, a ścieki są znakomitym źródłem danych o zachorowaniach populacji.
Znakomitym? Aż tak?
– Dokładnie, i to z paru powodów. Po pierwsze dlatego, że są to badania reprezentatywne. Bardzo trudno nie brać w nich udziału, ponieważ absolutnie każdy z nas korzysta z toalety. Jeżeli więc mieszkamy na obszarze skanalizowanym, jesteśmy uczestnikami tych badań.
Nawet jeżeli nie chcemy.
– Tutaj dochodzimy do kolejnej zalety ścieków jako źródła danych. Są to dane całkowicie anonimowe. W czasach, kiedy o tę anonimowość jest coraz trudniej, kiedy smartfony i aplikacje zbierają dane o naszych gustach, zachowaniach i zwyczajach – i w związku z tym coraz mocniej musi nas chronić przed tym prawo – ścieki dają całkowitą anonimowość. Mamy więc już dwie bardzo duże zalety narzędzia, o którym rozmawiamy: nikt się z tych badań nie wyłamuje, a dane, które dzięki nim mamy, są skrajnie anonimowe.
Czy korzystaliście z tego narzędzia przed pandemią COVID-19? W Polsce były robione takie badania, m.in. do tworzenia map, które obrazowały skalę zażywania narkotyków w różnych miejscowościach.
– To nie były nasze badania, Aquanet Laboratorium nie stosował tego narzędzia przed pandemią COVID-19. Zastanawialiśmy się nad tym, m.in. nad monitorowaniem substancji obcych w ściekach, konkretnie farmaceutyków. O badaniu pod kątem narkotyków nie myśleliśmy, chociaż z pewnością jest to temat, który będzie wracał. Nasza historia z epidemiologią opartą na badaniach ścieków zaczęła się jednak w kwietniu 2020 roku, kiedy w temacie COVID-19 było więcej pytań niż odpowiedzi. Od początku wiązała się ona z metodą PCR, którą od lat stosowaliśmy w badaniach żywności, np. salmonelli.
Z tą samą, o której przeciętny widz informacji w telewizji dowiedział się po wybuchu pandemii?
– Tak. To jest technika znana od lat w badaniach genetycznych, skuteczne narzędzie diagnostyczne. To jedna z niewielu technik analitycznych, która przebiła się do szerokiej świadomości właśnie dzięki pandemii. To wtedy ludzie dowiedzieli się, że istnieje coś takiego jak badania PCR – bardzo dokładne, momentami nawet zbyt dokładne. Na samym początku pandemii zwróciłem się nawet do Sanepidu z propozycją: Udostępnimy Wam aparat real-time PCR. Jednak wtedy Sanepid miał, jak dobrze wiemy, mnóstwo problemów i pilnych tematów.
Badanie PCR jest z Waszego punktu widzenia skomplikowane?
– Jeżeli wiemy, jak wygląda materiał genetyczny – np. jakiejś bakterii – to mając ten wzorzec, po przygotowaniu próbki jesteśmy w stanie potwierdzić za pomocą PCR, czy ten materiał jest w próbce obecny, czy nie. Możemy badać niemalże wszystko, musimy tylko wiedzieć, czego szukamy. Np. ktoś mówi „Proszę zbadać to mięso, chcę potwierdzić, że zawiera 100% baraniny”, a my po badaniu techniką PCR możemy to potwierdzić albo odpowiedzieć: „Przykro nam, ale baraniny jest w nim tylko 30%”. Oczywiście to tylko przykład dla zobrazowania, jak to działa, badania robi się najczęściej w znacznie poważniejszych sprawach. Teoretycznie możemy jednak zbadać w ten sposób właściwie każdy materiał biologiczny.
I ta mająca bardzo szerokie zastosowanie metoda PCR największą „karierę” zrobiła dopiero po wybuchu pandemii. A Wy zaczęliście wykorzystywać ją do badania ścieków.
– Tak. Byliśmy niemal pewni, że to się uda. Wiedzieliśmy, że SARS-CoV-2 jest obecny w ściekach – wszystkie związane z człowiekiem wirusy są w nich obecne, więc jeśli populacja chorowała na COVID-19, to również wirus wywołujący tę chorobę musiał się w ściekach znajdować.
Gdyby nagle część populacji zaczęła z jakiegoś powodu częściej zarażać się innym wirusem, np. HIV, to po odpowiednim zaplanowaniu badań również bylibyście w stanie to potwierdzić?
– Teoretycznie tak, ale musimy jeszcze zwrócić uwagę na powszechność. Jeżeli mówimy np. o populacji 500 tys. osób, a nosicielami jakiegoś wirusa jest 5 osób, to nie ma szans na jego wykrycie w ściekach. To nie są super czułe metody. Jeżeli coś jest powszechne, to możemy to badać. Np. jeżeli populacja powszechnie zażywa ibuprofen lub paracetamol, inne leki lub narkotyki, to potrafilibyśmy je wykryć.
Tak, jak Pan wspomniał, byliście pewni, że SARS-CoV-2 jest obecny w ściekach. Musieliście to tylko potwierdzić?
– Tak, ale też znaleźć odpowiedzi na wiele pytań. Na samym początku pandemii, kiedy zaczynaliśmy te badania, COVID-19 nie był jeszcze dokładnie zbadany. Pojawiały się np. informacje, że jedną z dróg zarażania się mogłyby być ścieki. Niektórzy zastanawiali się, czy nie narażają się na zarażenie, przebywając w łazience. To było mało realne, ale już pytania o narażanie osób, które mają na co dzień styczność ze ściekami, np. naszych pracowników pobierających próbki, były już całkiem zasadne. Wówczas równolegle zadziało się kilka rzeczy. Po pierwsze zaczęliśmy rozmawiać z Aquanetem o badaniach. Po drugie dowiedzieliśmy się, że takie badania były już robione w Holandii i Stanach Zjednoczonych. To nie koniec – Hiszpanie mieli próbki z przełomu roku 2019 i 2020, w których została wstępnie potwierdzona obecność wirusa.
Nie wszczęli wówczas alarmu?
– Ten system działa u nich trochę inaczej. Badania robili już w czasie pandemii, na starszych próbkach. My próbek nie archiwizujemy i nie mamy takich możliwości. W każdym razie wówczas byliśmy już przekonani, że takie badania u nas mają sens. Po pierwsze, mielibyśmy potwierdzenie, czy w Poznaniu był wtedy SARS-CoV-2. Po drugie – o tym już wspominałem – na ile przez kontakt ze ściekami można się zarazić wirusem. Po trzecie, już wtedy zaczęły się pojawiać doniesienia o tym, że monitoring ścieków może być dobrym źródłem prognostycznym, że dzięki badaniom będziemy w stanie przewidywać wzrosty liczby zachorowań kilka-kilkanaście dni wcześniej. To się później potwierdziło, ale nie w 100 procentach – dzięki naszym badaniom widać wcześniej trend, ale wyniki nie dają tak dużej wiedzy, żeby na ich podstawie podejmować odpowiedzialne decyzje, np. o zamykaniu szkół, części miasta itd. To wszystko sprawiło, że we współpracy z naszą spółką-matką Aquanet S.A., która zarządza siecią kanalizacyjną, rozpoczęliśmy badania w Poznaniu.
Poznańska sieć kanalizacyjna jest ogromna, to skomplikowany system. Używacie jakichś szczególnych metod statystycznych do wyboru miejsc, z których pobieracie próbki? Przecież nie jesteście w stanie pobierać ich np. co kilometr, a na podstawie wyników badań z przypadkowych miejsc nie bylibyście z kolei w stanie wnioskować o skali zachorowań na COVID-19, o wyciąganiu wniosków na temat przyszłej skali zachorowań nie mówiąc.
– Dość szybko doszliśmy do tego, jak to robić. Zamiast pobierać próbki z kilkuset czy kilku tysięcy miejsc i zastanawiać się, jak to wszystko ustawić, żeby były one reprezentatywne, pobieramy je z oczyszczalni ścieków. Zrobiliśmy jeden duży projekt badawczy z miastem, gdzie testowaliśmy to rozwiązanie. Do oczyszczalni dochodzi zwykle jedna zbiorcza rura, która przejmuje ścieki z wielu mniejszych rur. Czyli konstrukcja systemu kanalizacyjnego „zrobiła za nas robotę”, jeżeli chodzi o wybieranie miejsc do badań i zastanawianie się, ile powinno ich być, żeby wyniki były reprezentatywne. Próbki pobieraliśmy m.in. z Centralnej Oczyszczalni Ścieków i z Lewobrzeżnej Oczyszczalni Ścieków.
Jak wygląda samo pobieranie próbek do badań ścieków pod kątem COVID-19?
– Zależy nam na tym, żeby próbki, które pobieramy do badań, były również reprezentatywne pod względem czasu. Dlatego posługujemy się próbkami uśrednionymi – konkretnie średniodobowymi. Wygląda to w ten sposób, że w kanale zawiesza się autosampler – czyli próbnik – który ma zaprogramowany schemat pobierania i on np. co godzinę pobiera próbkę. Korzystaliśmy z pięciu takich próbników, które instalowaliśmy w różnych punktach sieci kanalizacyjnej. Podczas pierwszych badań nasi pracownicy wyjeżdżali z tymi pięcioma autosamplerami dwa razy w tygodniu w wybrane punkty miasta – cały czas pamiętając o tym, żeby zapewniały one reprezentatywność – i każdy z nich przez dobę zbierał próbki.
Pobieraliście też próbki z innych miejsc niż największe czyszczalnie ścieków?
– Tak. Skalowaliśmy badania. Oprócz próbek z COŚ i LOŚ badaliśmy też próbki z Naramowic – autosampler był zainstalowany w okolicach ul. Karpiej – ale również z dużego centrum handlowego. Mieliśmy więc próbki z miejsc odwiedzanych przez parę tysięcy osób, z obszaru zamieszkanego przez ok. 10 tys. osób, w końcu z oczyszczalni ścieków, czyli reprezentujących kilkadziesiąt i kilkaset tysięcy osób. W ten sposób – właśnie skalując – analizowaliśmy wyniki i patrzyliśmy, z czym mamy do czynienia.
Jakie wnioski mogliście wyciągnąć dzięki temu skalowaniu badań?
– Że najbardziej stabilne i wiarygodne wyniki dawały badania tych dużych populacji. Małe populacje są niestety narażone na jednorazowe czynniki, które mogą zakłócać wynik. Próbka, którą pobieramy w Centralnej czy w Lewobrzeżnej Oczyszczalni Ścieków, jest już uśredniona. W ten sposób doszliśmy do tego – a właściwie potwierdziliśmy wnioski innych zespołów – skąd pobierać próbki, żeby informacje o SARS-CoV-2 w poznańskich ściekach były jak najbardziej wartościowe.
Z tego, co Pan mówi, wynika, że w epidemiologii opartej na ściekach idealnym rozwiązaniem byłoby pobieranie próbek z jednej, dużej rury, w której znajdowałby się materiał od wszystkich członków danej populacji, np. miasta. Wtedy wyniki dowolnych badań byłyby najdokładniejsze?
– Teoretycznie tak, ale w praktyce jest to niemożliwe, ponieważ takich rur nie ma. Ale to, o czym rozmawiamy, leżało u podstaw myślenia ekspertów Komisji Europejskiej, która wydała państwom członkowskim zalecenie w tej sprawie. Komisja zasugerowała, żeby prowadzić takie badania – nie tylko pod kątem zawartości wirusa SARS-CoV-2 w ściekach – na stałe. Większość krajów się na to zdecydowała i ma takie narzędzie.
Wśród nich jest Polska?
– Nie, my się jako kraj nie zdecydowaliśmy. Jednak, dzięki naszej – jak zwykle – wielkopolskiej zaradności i roztropności, Poznań prowadzi taki monitoring jako jedyne miasto w Polsce.
Wróćmy do możliwych zastosowań epidemiologii opartej na ściekach. Co, przynajmniej teoretycznie, jesteście w stanie badać – obecność poszczególnych wirusów, narkotyków, leków, alkoholu?
– Alkoholu nie, za mało metabolitów. Jak najbardziej możemy badać obecność w ściekach wszystkich farmaceutyków, narkotyków, czy hormonów, choć oczywiście jesteśmy ograniczeni czułością stosowanych technik badawczych. Jeżeli cząsteczek jakiejś substancji jest za mało w danej próbce, możemy mieć trudność w jej identyfikacji i oznaczeniu stężenia. Dodajmy jeszcze, że leków i narkotyków w ściekach nie badamy oczywiście za pomocą PCR, do tego są inne metody.
Kto jeszcze, poza Wami i przedstawicielami wspomnianej spółki Aquanet S.A., wszedł w skład zespołu, który bada w Poznaniu ścieki pod kątem zawartości wirusa SARS-CoV-2?
– Przedstawiciele wydziałów Gospodarki Komunalnej i Zdrowia Urzędu Miasta Poznania, który finansuje ten projekt oraz dr Paweł Zmora, kierownik Zakładu Wirusologii Molekularnej Instytutu Chemii Bioorganicznej PAN w Poznaniu, który sekwencjonował genom wirusa.
Pierwsze wyniki badań zespołu były znane dwa lata temu, w 2020 roku. Tak szczerze – na ile przydały się wtedy do wyciągania wniosków o możliwym rozwoju pandemii, a na ile była to tylko naukowa ciekawostka?
– Więcej niż odpowiedzi mieliśmy wówczas kolejnych pytań. Ścieki to nie jest dla badaczy prosty materiał. Jest w nich mnóstwo materiału genetycznego pochodzącego z komórek zwierzęcych, roślinnych, bakteryjnych, cząstek wirusowych itd. Kluczowe jest przygotowanie materiału do badań, dlatego dużo pracowaliśmy w początkowym okresie nad metodyką. Tak, jak wspomniałem, mimo że takie badania, zanim my się nimi zajęliśmy, były już prowadzone na świecie, to istniały dwa-trzy różne sposoby preparatyki. I my ich próbowaliśmy. W dodatku, ponieważ liczba zarażonych była wówczas niewielka i nie mogliśmy zaobserwować wirusa, nie mieliśmy feed backu – czy to, co robiliśmy, robiliśmy dobrze. Próbowaliśmy wykryć coś, czego nie widzieliśmy, zastanawiając się, czy metodyka tych badań jest dobra. Nie widząc wirusa, działaliśmy po omacku.
Mieliście kryzysy, momenty zwątpienia w tę metodę?
– Po dwóch miesiącach powtarzania „nie ma, nie ma” faktycznie zaczynaliśmy powoli wątpić w sens robienia tych badań. Wtedy odezwaliśmy się do Politechniki w Wiedniu, gdzie nasz specjalista Jakub Śnieżek miał swój kontakt, wymieniliśmy się z nimi próbkami i… udało się! Potwierdziliśmy zawartość wirusa w próbce od nich – co do której mieliśmy pewność, że wirus w niej był – a oni przebadali naszą próbkę i niczego w niej nie znaleźli. Wiedzieliśmy wówczas, że nasze badania mają sens. Po prostu na tamtym etapie wirusa w Poznaniu było w ściekach jeszcze zbyt mało – mniej niż np. w Wiedniu – i dlatego nie mogliśmy go wykryć. Niedługo później, latem 2020 roku, zaczęliśmy wykrywać wirus w naszych próbkach. Wraz ze wzrostem liczby zarażonych, w naszych badaniach zaczęły być widoczne trendy, pojawiły się dające wartościową wiedzę krzywe i wykresy.
Czyli, mimo trudnych początków, z wyników poszukiwań wirusa w ściekach daje się wyciągać wnioski na przyszłość?
– Tak, ale to są jednak „miękkie” wnioski. Pojawiają się korelacje, próbujemy przewidywać, jak będzie się rozwijała pandemia, czy pojawi się jej kolejna fala. Samą metodę badań staramy się też na bieżąco weryfikować i udoskonalać, staje się ona stabilniejsza. Wchodzimy tu już w bardzo eksperckie tematy.
Badania trwają cały czas?
– Nieprzerwanie, kontynuowaliśmy je we własnym zakresie nawet wtedy, kiedy nie mieliśmy finansowania. W 2021 roku, po udoskonaleniu metody – na marginesie, jesteśmy pierwszym laboratorium w Polsce, które zdobyło zatwierdzenie tej metody w Polskim Centrum Akredytacji – doszliśmy z miastem do porozumienia w sprawie finansowania badań.
Polacy myślą obecnie o wakacjach, kolejny miesiąc trwa wojna w Ukrainie, do COVID-u wracać nie chcemy. Wy jednak monitorujecie sytuację. Skąd obecnie pobieracie próbki?
– Zostaliśmy przy wspomnianych, zbiorczych punktach: Centralnej i Lewobrzeżnej Oczyszczalni Ścieków. Regularnie pobieramy z nich próbki i poddajemy je badaniom. Program z pewnością będzie kontynuowany do końca roku. Na bieżąco raportujemy wyniki badań miastu, są one udostępniane przez Urząd na stronie www.poznan.pl/gk i można je sprawdzać. Dopóki trend liczby zachorowań jest na wizualizacjach dość płaski, wyniki badań nie będą zapewne wzbudzały powszechnego zainteresowania. Co innego jeżeli…
Zaczną wskazywać na kolejną falę pandemii?
– Dokładnie. Wtedy wszyscy zaczną się tym interesować.
A ta kolejna fala pandemii jest już pewna?
– Na podstawie wyników naszych badań jestem w stanie powiedzieć, co czeka nas – powiedzmy – za tydzień. Cały czas dokładnie obserwujemy wirusa, mimo że nie prowadzi się obecnie masowych testów, że zachorowań jest względnie niewiele i służba zdrowia spokojnie daje sobie z nimi radę. Ale to naprawdę nie jest tak, że ten koronawirus zniknął i nigdy nie wróci. Epidemiolodzy cały czas zastanawiają się nad tym, co będzie dalej. A my cały czas obserwujemy sytuację, żeby w odpowiednim momencie dać znać: Liczba zakażeń zaczyna rosnąć, uważajcie!
Nauka o danych robi na całym świecie furorę, ale wzbudza też sporo wątpliwości etycznych. Są granice tego, czego badacze powinni móc się o nas dowiedzieć. Widzi Pan takie zagrożenia w przypadku epidemiologii opartej na badaniach ścieków? Dojdziemy kiedyś do momentu, w którym jakaś instytucja będzie miała dokładną mapę, obrazującą skalę wirusów, zażywanych leków i innych substancji w poszczególnych miastach, może nawet… dzielnicach i osiedlach? Czy to jednak science-fiction?
– Ja też mam wątpliwości etyczne, myśląc o takich rozwiązaniach. I nie zmienia tego fakt, że przeglądarki internetowe czy aplikacje zbierają o nas więcej danych, niż zbierałby taki system. Uważam jednak, że informacje o tym, ile i jakich farmaceutyków czy narkotyków jest zażywanych przez populację – podkreślę: przez populację, nie przez konkretnych obywateli, konkretne osiedle czy akademik – są potrzebne. Takiego systemu jednak nie ma i nie spodziewam się, żeby w najbliższych latach powstał.
