疫调可以隐瞒但病毒不会！透过污水监测有效防疫（叶庭育、黄韵如、郑如韵）
● 叶庭育／约瀚霍普金斯大学生物系助理研究员，Auxergen Inc. 创办人● 黄韵如／教授，国立台湾大学医学系教授暨防疫科学研究中心国际合作计划主持人● 郑如韵／兽医师，任职台湾大学防疫科学研究中心
前言
就在台湾与社区传染疫情搏斗的此时，位在北纬一度的新加坡也同时在与新的一波疫情奋战。台湾面对的病毒株为 alpha 突变株（世界卫生组织为了避免污名化以希腊字母为病毒株所命名的新名字，即俗称的英国突变株，又称B 1.1.7），新加坡面对的病毒株为 delta 突变株（即俗称的印度突变株，又称 B1.1617.2)。
自2021年4月份华航机师群聚感染后，从今年5月中开始，北台湾爆发第一次新冠病毒的社区感染。短短三周内已经累计有八千个本土确诊病例。台湾成为全球第一个之前没有新冠疫情，人民也普遍没有任何抗体的环境下，被传染率和死亡率更高的alpha突变株攻入的地区。
▲当时华航爆出群聚事件后，紧急加强消毒作业。（图／华航提供）
而疾管署已经证实，从4月20日至6月2日，严重肺炎（或急性呼吸窘迫个案）占整体确诊比例约 16.8%，而 60 岁以上重症比率更达三成。这个偏高的比例告诉我们，如何预知和阻挡病毒扩散至全国的各个社区，将是防疫的首要之急。
但是过去的研究显示，有近一半的新冠病毒感染者在临床上并无明显症状【1】。若无症状，许多民众并不知道自己已经被感染，若未被卫生机关匡列，也不一定会主动去做快筛。所以这些潜在的带原者，都将可能成为社区防疫的最大的传染源。那么我们要怎么找到这些隐藏的染疫者，去防堵这个明显的破口？
虽然新冠病毒感染的主要死因是因为肺炎，但病毒也感染许多其他的器官，并不只局限于呼吸道。病毒也存在于许多人的胃肠道当中，然后被排泄掉。因此，病人在有临床症状前，就已经开始将病毒带进了厕所。正因如此，下水道的污水提供了一个监测病毒的绝佳机会。
▲下水道。（示意图／pixabay）
2021 年的 6 月 1 日新加坡在一社区的常规监测（surveillance）中，发现了地下污水含有 SARS-CoV-2 病毒，对此，新加坡政府请所有居住在该区的居民进行核酸检测，之后发现有 6 位居民测试阳性，也在社区的废水中检测到病毒的片段（fragment）。
以下水道污水做社区监测的方法，新加坡不是唯一这样做的国家， 本篇云论整理了国外利用化验下水道污水的经验，从下水道中是否有疑似感染病毒者（特别是包含了无症状感染者）的排泄物，进而掌握社区中是否存在病毒。这个早期指标，可以成为遏制新冠病毒爆发的关键之一。
流行病的传染，不仅需要考虑病原体，也需要考虑宿主及其所生存的环境。本文的目的不在讨论新冠病毒是否会经废水传染（因为证据不足），而是指出废水可以提早抓出无症状感染者，可以在不进行普筛下就得知有没有社区感染。
我们希望能借由这篇文章，呼吁政府及民众正视社区的下水道污水的病毒监测。
为什么要做下水道污水检测？
污水流行病学（wastewater-based epidemiology, WBE）是一门公共卫生学科。由下水道废水系统中检测有毒物质或是病原体，这是很常见的环境衞生学及流行病学方法，像是小儿麻痹、肠病毒、感冒、麻疹、A型肝炎等等【2】。
自上个世纪 90 年代开始，已经行之有年的下水道中的小儿麻痹病毒监测，就是很好的范例。
小儿麻痹感染者其实只有100至200分之1的机率会有教科书上讲的明显急性无力麻痹的症状。由于全球早已大规模的施打小儿麻痹疫苗，想要用「麻痹」这个症状来找寻隐性的流行，在实务上非常不可靠。
而从废水中来找小儿麻痹病毒，灵敏度却高了4到5倍。而利用这个方法，以色列成功地在2013到2014年抓出了隐性的小儿麻痹病毒流行的地区，即时为当地人民施打了疫苗，预防了疫情蔓延和爆发【3】。
▲透过从从废水来找小儿麻痹病毒，以色列成功地在2013到2014年抓出了隐性的小儿麻痹病毒流行的地区。（示意图／取自免费图库pixabay）
当然，新冠病毒主要是由飞沫和气溶胶传播，而非像小儿麻痹是由粪口途径传播。约有四成的新冠病毒感染者，在发病前就会排泄出病毒颗粒或残留物。不同的研究显示病人冀便中含有的新冠病毒量，每毫升约为五千至一千万个，而家庭或社区废水自然就携带着病毒的残留物（例如核酸的碎片）。
日本和义大利的研究指出，一公升未处理废水中可以含有两千至三百万新冠病毒基因拷贝【4】、【5】。
虽然这些病毒残留物是否还具有感染力在科学上还有争议，但他们必然是由共用一个下水道系统的人所带来的。而不管人们去不去医院，每个人都要上厕所。所以污水是对社区感染来说，是无偏见（unbiased）的检体，因此它可以反映出成千上万甚至数百万人的健康状况。
▲污水对社区感染来说，是无偏见（unbiased）的检体，因此它可以反映出成千上万甚至数百万人的健康状况。（图／台北市政府工务局卫生下水道工程处提供）
污水监测技术在新冠疫情的应用
美国耶鲁大学在去年 4 月时，建立起了一个用废水监测纽哈芬地区的新冠病毒和临床症状，临床检验，和住院人数的紧密关连（图一）【6】。而麻省理工学院在去年三月的调查显示，在麻州的污水中找到的病毒效价甚至比临床上来的高，当时就已经发现，无症状感染者的数字其实并不低【7】。
目前的技术，可以在症状发现前的7至14天侦查到新冠病毒的存在（新冠病毒的潜伏期最长可至 24 天）。这争取到非常保贵的时间，可以让卫生机构能有机会立刻对疫情做出反应。所以自去年以来，世界上许多国家把对污水监测作为早期预警系统。污水中的病毒数量，可以用来预测一周至 10 天后，大概会有多少人会到医院就诊 【8】。
▲图一、 污水监测和病毒潜伏期，以及临床症状的时程图。新冠病人在感染第2天就可能传染给别人，但是潜伏期可能会1至14天不等，病人才出现症状就医检查，污水监测可以即早发现并防止社区散播。（黄韵如教授团队郑如韵翻译）
许多大型的生技公司，都已经有现成的试剂专门检测污水中的新冠病毒。利用第三代的微滴式数字聚合酶连锁反应（Droplet digital polymerase chain reaction, ddPCR）技术，可对病毒的核酸分子进行绝对定量。ddPCR灵敏度远胜过第二代的即时定量PCR（real-time qPCR, 常听的病毒 Ct 值即来自于此）。
ddPCR已克服了传统PCR成本高、通量有限、流程复杂、精确度低等缺点。这个技术适用范围十分广泛，在这一次各国的新冠疫情大规模的临床检验中大放异彩，累积了相当大量的文献资料。ddPCR技术目前灵敏度已经大幅提升，可以在一万人产生的污水中抓到一个感染源【9】。
▲ddPCR已克服了传统PCR成本高、通量有限、流程复杂、精确度低等缺点。图为PCR检验。（示意图／达志影像／美联社）
从各地经验来看污水监测对于疫情的帮助
1. 美国加州大学梅西分校：成立了「COVID19Poops」的网站，目的是希望能整合研究资源（采样操作、实际室操作等等）能够共享。目前世界上已经有 55 个国家，2276 个站点，并有 263 个大学共同参与（图二）。美国疾管局在今年三月初也成立了国家废水监测系统（NWSS), 因为美国下水道的普及率高达 8 成，所以政府准备好详细的指南，供地方政府及社区执行（图三）。
▲图二、COVID19Poops 网站 。（图／翻摄自COVID19Poops）
▲图三、美国疾管局国家废水监测系统（NWSS）流程图 。（图／翻摄自美国疾管局网站）
2. 美国加州大学圣地牙哥分校：学校共有一万名学生，公立大学当然不可能有经费对所有学生每天都做快筛。所以研究人员对大学中的 343 栋建筑排放的废水取样。若验出含有病毒，则可以安排在那里活动学生的采检和隔离，目前可以找到校园中 85% 的病例，大幅节省成本和时间【10】。
3. 美国加州柏克莱大学：研究指出，在去年的五月至七月，旧金山湾区的废水中平均每公升有 28 万个病毒基因拷贝。在经序列分析后，不但发现这些病毒和当地目前临床上流行的病毒株相同，他们更找到一些来自国外的新突变，但是当地的医疗机构尚未报导过。这说明了如果废水监测搭配病毒基因体序列分析监测（genomic surveillance）这样的疫调（见前篇云论）可以在临床发现新病例之前，预报新的变种病毒到来而加以控制【11】。
▲新冠肺炎变种病毒。（示意图／取自免费图库／Pixabay）
4. 香港：在今年一月份时，香港大学研究人员在两栋建筑物的废水中发现新冠病毒，所以进行住户的筛检，找到了九位无症状感染者【10】。
5. 澳洲：由于澳洲的感染人数目前并不多，病毒在废水中的浓度不高，造成监测上的困难。这样的情况在低流行地区并不罕见。因此科学家发挥创意，发明了一种利用 3D 列印，形状似鱼雷的采集器（wastewater submarine）放在废水中来吸附收集病毒。每个生产成本只要台币400元，而不用去浪费经费去买价值十万元的采样仪。
6. 荷兰：由于是低地国，荷兰在污水这方面的研究和参与一直都是积极并领先。荷兰是最早从污水中找到新冠病毒的国家之一，从去年二月在阿姆斯特丹机场污水中首度监测到病毒后，荷兰逐渐地增加检测的量能，目前每周监测超过 300 个位置。
7. 阿拉伯联合大公国：研究人员在杜拜49个区域，2900污水样本中，发现28.6%阳性。而他们验了198架到达杜拜机场商用飞机上，发现阳性率高达13.6%【12】。
8. 南非：此处是 COVID-19 的重灾区，也是著名的beta变异株（B1.351；俗称南非变异株）的发生地。去年6月就已经在污水中找到病毒。他们发现，派研究人员直接取水，即使时间点不同，监测的效果和定点定时采样类似。这给予采捡人员在实务操作上很大的方便【13】。
▲南非疫情。（示意图／达志影像／美联社）
结论
采样下水道污水监测新冠病毒是取得社区感染疫情资讯非常有效的方法。其优点如下：
1. 成本更低而且范围更广。只要有一般可以监测新冠病毒的实验室，就可以做污水监测。
2. 节省采样所需的医疗人力资源。将有助于减低对鼻拭和口腔检测方法的依赖。
3. 提早监测。在民众出现症状之前，只要对下水道管线进行监控，污水可成为潜在感染的早期指标。
4. 没有主观的偏见。污水监测并不受到有没有症状，或人们有没有去做快筛或寻求医疗协助的影响。这也可以有效的抓出无症状感染者的可能位置。
5. 同样的检体，也可以用来顺便找出其他正在流行却隐藏的病原体，比如肠病毒，小儿麻痹等等。
根据台湾营建署的资料，台北市的污水下水道的普及率，在十年前就已超过 91%，所以用污水来监控整个城市的疫情，在实务上可行。
▲台北市的污水下水道的普及率，十年前就已超过 91%。（图／北市工务局提供）
而污水监测并不限于都市，未来可在疫区热点，长照中心、住宅大楼、办公室、旅馆、学校、机场等等特定区域推广，从各社区收集废水，将有助于更快速并且大规模识别出感染的病例，以期即时减缓病毒传播速度。
例如这一次爆发社区传播的台北市和新北市就很适合进行污水检测，尤其是万华、板桥的社区、公寓和集合住宅的排水检测更为迫切。
在疫苗施打覆盖率尚未提高之前，各国的新冠病毒疫情常有时好时坏，死灰复燃的现象。台湾民众应该要有心理准备，疫情还会如其他的国家一样持续一阵子。
去年台湾社会曾陷入普筛与否的争议中，而防疫是否升级还是解除，仍然需要实实在在的科学依据来做调整。任何的检测都有其优点以及限制，所以本文并非认为污水监测可以直接取代普筛，但是污水监测的确提供了普筛以外另一种独立超然的监测资讯。它的无侵犯性，敏感快速，省钱普及，以及不受病人意愿干扰的优点，是普筛所明显没有的。
疫调可以隐瞒，但病毒的踪迹不会。当目前政府的检验量能以及医疗人力需要集中而无法浪费时，要做到真正的「超前部署」，污水监测可以是一个解决燃眉之急的防疫办法。
All Taiwan needs is our poop.
▲疫调可以隐瞒，但病毒的踪迹不会，污水监测可以是一个解决燃眉之急的防疫办法。（图／北市工务局提供）
参考文献
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【13】Richardson H. How waste water is helping South Africa fight COVID-19. Nature. 2021 May;593(7860):616-617. DOI: 10.1038/d41586-021-01399-9.
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