Du SARS-CoV-2 dans les égouts

La détection du génome du SARS-CoV-2 dans les eaux usées:

Un moyen de surveillance de l’infection ?

 

Résumé tout public

Les manifestations cliniques du COVID-19 touchent en premier lieu le système respiratoire. Un emballement (appelé "orage cytokinique") du système immunitaire à ce niveau peut entraîner la mort du fait d’une insuffisance respiratoire aigüe sévère (voir sur ce site ICI). Cependant, d’autres organes sont également touchés comme le cœur, le foie, le rein, le système nerveux central et, en particulier, l’intestin.

Ainsi le virus peut se retrouver dans les selles, et la présence de diarrhées est une des manifestations de l’infection chez environ 30 % des patients. On estime que plus de 70 % des prélèvements de selles sont positifs pour le génome du SARS-CoV-2 chez les malades, indépendamment de la présence ou absence de diarrhée, et alors même que les prélèvements réalisés au niveau du système respiratoire puissent être négatifs.

Cela signifie donc qu’une quantité de virus doit se retrouver dans les eaux usées en amont des stations d’épuration. Une question se pose alors :

La détection du génome du SARS-CoV-2 dans les eaux usées pourrait-elle constituer un moyen de surveillance de l’infection de COVID-19 ?

C’est ce que montrent tout un ensemble de travaux réalisés en Europe (Pays-Bas, France, Italie, Espagne), aux Etats-Unis et en Australie.

Les études montrent que l'analyse du génome du SARS-CoV-2 (par PCR) dans les eaux usées peut être utilisée pour identifier les tendances de la transmission de la maladie avant même la déclaration des cas cliniques, et peut mettre en lumière les caractéristiques de l'infection difficiles à saisir dans les enquêtes cliniques, telle que par exemple la dynamique de l’infection au sein de populations spécifiques, même lorsque la prévalence du COVID-19 est faible.

Cette surveillance environnementale pourrait être mise en œuvre immédiatement par les autorités territoriales. Grâce à de tels réseaux nationaux de surveillance des eaux usées, des cartes pourrait être facilement générées montrant des groupes ou des zones dans lesquels le SARS-CoV-2 est présent, ou ne s'est pas encore répandu, ou s'est atténué. L'ampleur de l'infection pourrait révéler la vulnérabilité ou la susceptibilité des communautés vis-à-vis du virus, par exemple en fonction de l'ethnicité, du statut socio-économique, de la profession, de l'âge, du climat.

 




Le SARS-CoV-2 est présent dans les selles

Le COVID-19 résulte en premier lieu de l’atteinte du système respiratoire qui, chez certaines personnes, peut conduire à une suractivation extrême du système immunitaire conduisant à « l’orage cytokinique » pouvant entraîner la mort du fait d’une insuffisance respiratoire aigüe sévère (voir sur ce site ICI). Cependant, d’autres organes sont également touchés comme le cœur, le foie, le rein, le système nerveux central et, en particulier, l’intestin. Ainsi le virus peut se retrouver non seulement dans les poumons (lavages broncho-alvéolaires, pneumocytes alvéolaires de type II) ou sécrétions nasales, mais aussi dans les selles, et la présence de diarrhées est une des manifestations de l’infection chez environ 30 % des patients (Pan et al. American Journal of Gastroenterology 2020). A noter que la protéine ACE2 qui constitue le récepteur du virus sur la membrane des pneumocytes alvéolaires est également exprimée à la surface des cellules (entérocytes) de l’intestin (Ziegler et al. Cell 2020). Une méta-analyse conduite sur 60 études regroupant un total de 4243 malades a montré que 70,3 % des prélèvements de selles étaient positifs pour le génome du SARS-CoV-2, indépendamment de la présence ou absence de diarrhée, alors même que les prélèvements réalisés au niveau du système respiratoire étaient redevenus négatifs (Cheung et al. Gastroenteroly 2020). Ce résultat suggère que le virus pourrait se répliquer dans les entérocytes ou le tractus gastrointestinal. De nombreuses études conduites sur ce sujet montrent que le génome viral (ARN) est retrouvé dans les selles de 15 à 83 % des malades de COVID-19 selon les études), sans qu’il y ait de corrélation avec la présence de diarrhée et quel que soit le degré de sévérité de la maladie. Dans l’ensemble, ces études montrent que le niveau d’ARN viral dans les selles est fortement variable (103 à 107 copies / g de selle) et peut être entre 100 et 1000 fois plus faible que dans les prélèvements au niveau du système respiratoire (Foladori et al. Science of the Total Environment 2020). Enfin, un enfant asymptomatique a été récemment déclaré négatif pour l'ARN du SARS-CoV-2 sur la base d'un prélèvement de gorge, alors que ses selles étaient positives (Tang et al. Immerg Infect Dis 2020). On ne sait pour le moment si la présence du virus dans les selles précède les premiers symptômes, mais certaines observations (voir ci-dessous) suggèrent que ce pourrait être le cas.

Cet ensemble de résultats et observations suggèrent que l'ARN du SARS-CoV-2 doit être retrouvé dans les égouts et cela pose donc deux questions majeures :

  • Existe-t-il un risque de transmission fécale-orale ?
  • La détection du génome du SARS-CoV-2 dans les eaux usées pourrait-elle constituer un moyen de surveillance de l'infection de COVID-19 ?

 

Possibilité de transmission fécale-orale ?

La détection du SARS-CoV-2 dans le tractus gastrointestinal soulève la question d'une éventuelle transmission fécale-orale (W. Wang et al. Water Sci. Technol. 2020 ; Heller et al. Sci Total Environ. 2020). Après excrétion, l'itinéraire du virus commence par son transport dans les eaux usées vers les stations d'épuration et de traitement, ce dernier étant plus ou moins efficace selon les techniques d’épuration utilisées. Un assainissement insuffisant peut être une source de contamination importante par des virus dans le sol et les eaux souterraines. D’autres sources du virus sont représentées par les toilettes à fosse utilisées dans les pays en voie de développement, ou par la pratique de la "défécation en plein air" qui concerne environ 900 millions de personnes dans le monde (selon l’OMS, 2017).

On sait que la viabilité des coronavirus diminue dans les eaux usées du fait de plusieurs facteurs tels que : la dilution, la température, le pH acide, l’exposition à la lumière, la teneur élevée en particules solides et les polluants. On pourrait alors penser que les risques d’infection liés à cette voie sont faibles mais compte tenu des informations limitées sur le SARS-CoV-2, il est encore prématuré de conclure sur ce sujet (Foladori et al. Science of the Total Environment 2020).

 

La détection du génome du SARS-CoV-2 dans les eaux usées pourrait-elle constituer un moyen de surveillance de l'infection de COVID-19 ?

Les estimations actuelles de la prévalence du COVID-19 sont largement basées sur des cas symptomatiques, diagnostiqués cliniquement. Cependant, l'existence d'un grand nombre d'infections non diagnostiquées et de personnes asymptomatiques, entravent l'étude de la circulation virale dans l'ensemble de la population. L’examen attentif de la présence du virus (ou de marqueurs indirects du virus, marqueurs de l’inflammation par exemple) dans les eaux usées en amont ou à l’entrée des stations d’épuration pourrait constituer un moyen de détecter les variations dans le niveau d’infection des populations (Daughton, Sci Total Environ 2020). Ce type d’analyse constitue ce qu’on appelle l’Epidémiologie Basée sur les Eaux usées (Wastewater-Based Epidemiology, WBE).

Les effets les plus néfastes d'une épidémie peuvent être réduits ou minimisés uniquement par la mise en œuvre de tests pertinents et ciblés. Les tests classiques, PCR (qui détectent la présence du génome viral dans un tissu) et les tests sérologiques (qui détectent la présence d’anticorps contre le virus dans le sang) sont largement utilisés à l’heure actuelle mais leur mise en place est chronophage, nécessite un financement important et des composants biologiques pas toujours disponibles.

Une métaphore substituant le contrôle du COVID-19 à une guerre est souvent utilisée. Ainsi, le rôle de l’Epidémiologie Basée sur les Eaux usées en tant que témoin de la propagation du SARS-CoV-2 serait analogue à celui d’un « observateur avancé » dont le but serait d’améliorer les résultats des tirs d'artillerie en indiquant comment diriger et ajuster le tir, et en confirmant la mission accompli. De façon analogue, cette analyse fournirait les éléments de diagnostic essentiels permettant de traiter une population relative à une zone géographique spécifique et précisément délimitée, et ultérieurement, à confirmer l’efficacité du traitement. En évitant de tester les populations susceptibles d'être négatives, une telle analyse permettrait de diminuer considérablement l’utilisation des tests classiques de PCR et/ou de sérologie (Daughton 2020). Enfin, l’Epidémiologie Basée sur les Eaux usées pourrait très efficacement aider les états, régions et villes dans la prise de décision de confinement ou de déconfinement.

L’avantage essentiel de l’analyse des eaux usées par rapport aux tests classiques de diagnostic (PCR et sérologie) serait sa capacité à détecter la maladie avant qu’elle soit révélée par ces tests. Pour cela il faudrait démontrer que le virus apparaît dans les selles avant l’observation des premiers signes et symptômes de l’infection, s’ils sont présents (cas des personnes asymptomatiques). Pour le moment on ne sait si cela est vrai, bien que certaines études suggèrent cette hypothèse (voir prochain paragraphe).

Le moment à partir duquel l'ARN du SARS-CoV-2 devient détectable par PCR dans les selles peut varier considérablement d’un ou plusieurs jours suivant l'apparition et la persistance des symptômes, et persister pendant un mois environ après la disparition des signes et symptômes même pour les enfants, ou même ne pas être détectable dans certains cas (Cai et al., Clin. Infect. Dis.2020 ; Chen et al., J. Med. Virol.2020 ; Holshue et al, N. Engl. J. Med. 2020 ; Lo et al., Int. J. Biol. Sci. 2020 ; Wölfel et al.,  Nature 2020 ; Wu et al., Lancet Gastroenterol. Hepatol. 2020 ; Xing et al, J. Microbiol. Immunol. Infect. 2020 ; Zhang et al., MedRxiv 2020). L'excrétion du virus dans les selles peut également persister après que les prélèvements pharyngés aient été testés négatifs (Chen et al., Ann. Intern. Med., 2020). La mise en évidence d’une excrétion fécale chez les personnes présymptomatiques (Gandhi et al., N. Engl. J. Med. 2020) serait un élément très important pour placer l’analyse des eaux usées au premier plan des tests, mais les données existantes sont encore trop rares à cet égard. Sur un sujet connexe, bien que certains auteurs aient vérifié la présence de virions infectieux dans les selles (Wang et al.,  JAMA2020 ; Xiao et al., Gastroenterology 2020), d'autres rapportent leur incapacité à récupérer des particules infectieuses dans ce milieu (Wölfel et al., Nature 2020).

Une autre possibilité doit être considérée. L’analyse des eaux usées ne doit pas être nécessairement basée sur les tests de diagnostic cliniques classiques détectant l’ARN viral ou les anticorps spécifiquement dirigés contre le virus. Cette analyse pourrait par exemple être basée sur la rechercher de biomarqueurs de l’infection par le SARS-CoV-2. Notamment des biomarqueurs de l’inflammation importante produite en réponse à ce virus. Des candidats intéressants à cet égard seraient les isoprostanes, composés dérivés des prostaglandines et exprimés dans les cas de stress oxydatif systémique (Daughton, Sci. Total Environ. 2012; O'Brien et al., Water Res. 2019).

Ce type de biomarqueurs présente divers avantages :

  • ils sont plus universellement excrétés par les personnes infectées
  • ils pourraient mieux refléter la sévérité de l’infection
  • ils présentent une gamme d'excrétion par habitant plus étroite, ce qui permet un meilleur calibrage
  • ils permettraient des estimations plus précises du nombre de personnes infectées dans une communauté,
  • ils permettraient d’éviter un problème potentiel sous-estimé lié à l'utilisation de la PCR, à partir de fragments d'ARN pouvant ne pas provenir de virus viable, mais plutôt de restes de virus contribuant à sous-estimer l'incidence ou l'intensité des infections existantes.

 

Utilisation de l'analyse des eaux usées pour suivre l’infection dans plusieurs régions du monde

Une analyse des échantillons d'eaux usées de divers villes italiennes avait suggéré que le SARS-CoV-2 pourrait avoir été présent dans deux villes en décembre, selon l’Agence Reuters. Des chercheurs de l'Institut National italien de la Santé avaient examiné 40 échantillons d'eaux usées obtenus à partir de stations d'épuration entre octobre 2019 et février 2020. Les échantillons prélevés à Milan et à Turin à la mi-décembre s’étaient révélés positifs pour la présence du SARS-CoV-2 alors que ceux d'octobre et novembre 2019 ne l'étaient pas. Cette découverte était conforme à d'autres qui suggéraient que le virus pouvait avoir circulé en Europe avant que le premier rapport de cas ne sorte de Chine, fin décembre. La France, par exemple, avait signalé que l'analyse d'un échantillon prélevé sur un patient admis à l'hôpital pour une toux, de la fièvre et des difficultés respiratoires fin décembre, s’était révélée positive pour le SARS-CoV-2.

Devant ces observations et du fait de la difficulté de tester l’ensemble des populations par les tests classiques de PCR et de sérologie, un certain nombre de villes, régions et états pourraient envisager d'utiliser l’analyse virale des eaux usées pour surveiller les niveaux de SARS-CoV-2 qui y circulent, afin de « surveiller » la pandémie.

Voici quelques exemples.

 

Pays-Bas

Les chercheurs hollandais ont été les premiers à rechercher et mettre en évidence le virus dans les eaux usées. Des échantillons d'eaux usées de 7 villes et de l'aéroport de Schiphol-Amsterdam ont été testés par PCR pour trois fragments du gène de la protéine de la nucléocapside virale (N1-3) et un fragment du gène de la protéine d'enveloppe virale (E). Aucun cas de SARS-CoV-2 n'a été détecté dans les échantillons du 6 février, trois semaines avant que le premier cas ne soit signalé aux Pays-Bas le 27 février. Par contre, le 5 mars, le fragment N1 a été détecté dans les eaux usées de 5 sites. Les 15/16 mars, le fragment N1 a été détecté dans les eaux usées de 6 sites, et les fragments N3 et E ont été détectés respectivement sur 5 et 4 sites (Medena et al. MedRxiv 2020).

 

France, Paris

Pour déterminer si  la quantification des génomes du SARS-CoV-2 dans les eaux usées était en corrélation avec le nombre de porteurs symptomatiques ou non symptomatiques, les chercheurs ont effectué une analyse quantitative du SARS-CoV-2 par PCR dans des échantillons d'eaux usées brutes prélevés dans plusieurs grandes stations d'épuration de la région parisienne. L'étude a été menée du 5 mars au 23 avril 2020, incluant donc la période de confinement en France (à partir du 17 mars 2020). Les résultats ont confirmé que l'augmentation des unités du génome viral dans les eaux usées brutes suivait avec précision l'augmentation des cas de COVID-19 humains observée au niveau régional. Il est à noter que les génomes viraux ont pu être détectés avant le début de la croissance exponentielle de l'épidémie. Tout aussi important, une diminution marquée des quantités d'unités de génomes viraux a été observée en même temps que la réduction du nombre de nouveaux cas de COVID-19, une conséquence attendue du blocage (Wurtzer et al. MedRxiv 2020).

 

 

Virus dans les eaux usees a paris

Présence du SARS-CoV-2 dans les eaux usées en région parisienne

Panneau supérieur : Quantification du SARS-Cov-2 dans des échantillons d'eaux usées en région parisienne dans différentes stations d’épuration (triangles rouges ouverts inversés pour les stations importantes, triangles rouge-foncé ouverts inversés pour les petites stations) ; les cercles figurent l'excrétion virale (échelle logarithmique).

Panneau inférieur : En zone gris clair, nombre de consultations quotidiennes pour la COVID-19 en hôpitaux de la région parisienne. En gris foncé, croissance journalière du nombre de patients hospitalisés. Pointillés bleus : total des patients hospitalisés en région parisienne, pointillés rouges : nombre cumulé de décès par jour, en région parisienne. Les deux panneaux : fond gris, période de pré-confinement (Wurtzer et al. MedRxiv 2020).

 

France, Montpellier

Les niveaux d'ARN du SARS-CoV-2 ont été estimés à l'aide de jeux d'amorces/sondes N1 et N3 dans les eaux usées collectées en amont de la principale station d'épuration de l'agglomération de Montpellier les 7, 18, 26, mai et 4, 15 et 25 juin. Les données mettent en évidence que les eaux usées au 15 et 25 juin contenaient davantage d'ARN viral que celles des dates précédentes. En revanche, le nombre de patients COVID-19 hospitalisés quotidiennement dans le département de l'Hérault (> 40% d'habitants vivant dans l'agglomération de Montpellier) et les patients nouvellement diagnostiqués étaient globalement en baisse depuis le 1er avril. D'après ces observations, il semble qu'il n'y ait pas de corrélation temporelle directe entre la détection de l'ARN du SARS-CoV-2 dans les eaux usées et les caractéristiques épidémiologiques associées à COVID-19, du moins sur une fenêtre temporelle aussi courte. À ce stade, les chercheurs ne sont pas en mesure de déterminer si cette augmentation est le signe avant-coureur d’une augmentation prochaine des cas de COVID-19 dans la région, ou si elle est due à la présence de personnes d’autres régions, à une sous-estimation des taux de prévalence, ou à la variabilité locale du schéma géographique de propagation du virus (Trottier et al. One Health 2020).

 

Italie

Douze échantillons d'eaux usées, prélevés entre février et avril 2020 dans les stations d'épuration de Milan et de Rome, ont été testés en adaptant la procédure standard de l'OMS pour la surveillance du poliovirus. L'analyse moléculaire a été effectuée avec trois protocoles, dont un nouveau jeu d'amorces spécifiques au SARS-CoV-2. La détection de l'ARN du SARS-CoV-2 a été réalisée dans des volumes de 250 ml d'eaux usées collectées dans des zones de forte (Milan) et de faible (Rome) circulation épidémique, selon les données cliniques. Dans l'ensemble, 6 des 12 échantillons étaient positifs. Un des résultats positifs a été obtenu dans un échantillon d'eaux usées de Milan prélevé quelques jours après le premier cas italien notifié de SARS-CoV-2 (La Rosa et al. Science of Total Environment 2020). 

 

Espagne

L'occurrence de l'ARN du SARS-CoV-2 dans six stations d'épuration des eaux usées desservant les principales municipalités de la région de Murcie, la zone où la prévalence de COVID-19 est la plus faible de la péninsule ibérique, a été étudiée. Une méthode de mesure a été mise au point et validée sur 2 coronavirus, le virus de la diarrhée épidémique du porc et un mengovirus. Cette méthode a été ensuite utilisée pour surveiller l'apparition du SARS-CoV-2 du 12 mars au 14 avril 2020 dans des échantillons d'eaux usées en utilisant le panel de diagnostic PCR en temps réel validé par le CDC (Center of Disease Control) qui cible trois régions du gène de la nucléocapside (N) du virus. Deux échantillons d'eaux secondaires sur 18 ont donné un résultat positif et 12 échantillons d'eaux tertiaires ont été négatifs. Ces données de surveillance environnementale ont été comparées aux cas déclarés de COVID-19 au niveau des municipalités. Elles ont révélé l’excrétion de l'ARN du SARS-CoV-2 dans les selles avant même que les premiers cas ne soient signalés par les autorités locales ou nationales dans de nombreuses villes où les eaux usées ont été échantillonnées (Randozzo et al. Water Res. 2020).

 

Etats-Unis

Une analyse longitudinale a été réalisée afin de suivre la dynamique du SARS-CoV-2 dans les eaux usées d'une grande ville du Massachusetts (Norfolk-Suffolk, 2,25 millions d’habitants), entre début janvier et mai 2020. Le SARS-CoV-2 a été détecté pour la première fois dans les eaux usées le 3 mars. Les titres viraux dans les eaux usées ont augmenté de manière exponentielle de la mi-mars à la mi-avril, après quoi ils ont commencé à diminuer. Les titres viraux dans les eaux usées étaient en corrélation avec les nouveaux cas de COVID-19 diagnostiqués cliniquement, les tendances apparaissant 4 à 10 jours plus tôt dans les eaux usées que dans les données cliniques (Wu et al. MedRxiv 2020).

 

Australie

L'ARN du SARS-CoV-2 a été concentré à partir d'eaux usées dans un bassin versant en Australie (agglomération de Brisbane) et des copies d'ARN viral ont été dénombrées par PCR (RT-qPCR), ce qui a donné lieu à deux détections positives en l'espace de six jours dans la même station d'épuration des eaux usées. Le nombre estimé de copies d'ARN viral observé dans les eaux usées a ensuite été utilisé pour estimer le nombre d'individus infectés dans le bassin versant par simulation de Monte Carlo. Compte tenu de l'incertitude et de la variation des paramètres d'entrée, le modèle a estimé une fourchette médiane de 171 à 1 090 personnes infectées dans le bassin versant, ce qui est raisonnablement conforme aux observations cliniques (Ahmed et al. Science of the Total Environment 2020).

 

Royaume Unis

Etudes en cours non publiées. Voir ICI.

 

Conclusion

Cet ensemble d’études suggère que l'analyse en fonction du temps du génome du SARS-CoV-2 dans les eaux usées peut être utilisée pour identifier les tendances de la transmission de la maladie avant la déclaration des cas cliniques, et peut mettre en lumière les caractéristiques de l'infection difficiles à saisir dans les enquêtes cliniques, telles que par exemple la dynamique de l'excrétion virale précoce, au sein de populations spécifiques, même lorsque la prévalence du COVID-19 est faible. Cependant, cette méthode ne permet que des données descriptives de nature qualitative, l’évaluation quantitative du nombre des personnes infectées étant difficile voire impossible.

Ces travaux soulignent la pertinence de cette méthode pour la surveillance des maladies infectieuses, et attirent également l'attention sur la nécessité de poursuivre la validation des essais méthodologiques et moléculaires pour les virus enveloppés dans les eaux usées.

À ce stade, cette surveillance environnementale pourrait être mise en œuvre immédiatement par les autorités territoriales. Grâce à de tels réseaux nationaux de surveillance des eaux usées, des cartes pourrait être facilement générées montrant des groupes ou des zones dans lesquels le SARS-CoV-2 est présent, ou ne s'est pas encore répandu, ou s'est atténué. La densité des infections pourrait révéler la vulnérabilité ou la susceptibilité des communautés vis-à-vis du virus, par exemple en fonction de l'ethnicité, du statut socio-économique, de la profession, de l'âge, du climat.

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Commentaires (1)

Château Victy
  • 1. Château Victy | 01/08/2020
Merci pour ce dossier intéressant

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Date de dernière mise à jour : 10/08/2020