La Wastewater-Based Epidemiology (WBE) o epidemiologia basata sulle acque reflue o sorveglianza basata sulle acque reflue o estrazione di informazioni chimiche sulle acque reflue è uno strumento epidemiologico indirizzato alla ricerca di sostanze tossiche alimentari e specifici prodotti di escrezione umane nelle acque reflue. Esso, inoltre, è potenzialmente in grado di agire come approccio complementare agli attuali sistemi di sorveglianza delle malattie infettive, diventando un sistema di allarme rapido per eventuali focolai di malattia.

L'indagine si esegue misurando entità chimiche o biologiche (biomarcatori) nelle acque reflue generate dalle persone che contribuiscono al bacino di un impianto di trattamento delle acque reflue o wastewater treatment plant (WWTP). La WBE da dei risultati che sono riferiti ad aggregati di popolazione. Si tratta di un'attività interdisciplinare che si avvale del contributo di specialisti come operatori di impianti, chimici analitici ed epidemiologi. L'epidemiologia basata sulle acque reflue è comunemente utilizzata per stimare l'uso di droghe illecite nelle comunità o nelle popolazioni, ma può essere utilizzata per misurare il consumo di alcol, caffeina, farmaci e altri composti.

Storia

La WBE ha destato l'attenzione non solo per la possibilità di controllare la trasmissione oro-fecale di agenti patogeni, ma anche sull'uso delle acque reflue come strumento epidemiologico. Ciò anche perché l'analisi dei soli campioni clinici non può prevedere i focolai in modo tempestivo o identificare facilmente i portatori asintomatici. Inoltre, utilizzando gli approcci di sorveglianza classici, quando manca una buona capacità diagnostica, come nel caso della pandemia di COVID-19 del 2019-2021, si hanno difficoltà nella valutazione della portata epidemiologica della malattia.

La prima volta che fu adoperata questa metodica fu nel 2008, in campioni di acqua del fiume Po, da parte dei ricercatori dell'Istituto di ricerche farmacologiche "Mario Negri" di Milano che ha estratto e quantificato con successo la cocaina sia nelle acque reflue che nelle acque superficiali per indagare sull'uso di tale sostanza nella comunità oggetto dello studio.

Da allora la metodica è andata sviluppandosi, arrivando ad essere utilizzata in più paesi per misurare il consumo di varie sostanze chimiche. L'epidemiologia basata sulle acque reflue è stata sostenuta da enti governativi come l'Osservatorio europeo delle droghe e delle tossicodipendenze; controparti simili in altri paesi, come l'Australian Criminal Intelligence Commission e le autorità cinesi utilizzano comunemente l'epidemiologia basata sulle acque reflue per monitorare il consumo di droga nelle loro popolazioni.

Essa è un approccio relativamente consolidato per la ricerca del consumo di droghe da parte di una popolazione, ma in realtà sembra essere un promettente strumento di indagine epidemiologica per la ricerca di esposizione a: determinati agenti (pesticidi, prodotti per la cura personale, inquinanti organici persistenti e agenti patogeni), incidenza di malattie specifiche (diabete, allergie, stress ossidativo e cancro), determinazione di alcune conseguenze sullo stile di vita (esposizione a prodotti per l'igiene personale, consumo di sostanze dopanti o prodotti per il trattamento della disfunzione erettile), conoscenza di fattori ambientali come l'aumento della temperatura nell'ambiente. Questa metodica permette di conoscere attraverso le acque reflue l'impronta digitale delle attività umane; inoltre, essa permette di conoscere l'emergenza di nuove malattie epidemiche a livello di comunità riuscendo a monitorarle in modo completo e in tempo reale.

Le fonti d'acqua che possono essere analizzate sono quelle che rientrano nel bacino delle aree urbane esaminate e possono includere acque superficiali, fonti di acqua domestica e acque reflue. L'analisi si effettua sui composti chimici e/o biologici, presenti in queste acque, tra questi composti abbiamo: sostanze tossiche alimentari, specifici prodotti di escrezione umana (ad esempio metaboliti o sostanze chimiche formate endogenamente a seguito di una esposizione a e/o malattie).

Il primo esempio mondiale di utilizzo di questa metodica per l'isolamento del SARS-CoV-2, è avvenuto nel 2020 in Australia; le copie di RNA virale sono state isolate ed enumerate utilizzando la reazione a catena della polimerasi quantitativa della trascrittasi inversa (RT-qPCR) risultante da due rilevamenti positivi effettuati nell'arco di sei giorni presso lo stesso impianto di trattamento delle acque reflue (WWTP).

Principio

L'epidemiologia basata sulle acque reflue può essere paragonata all'analisi delle urine su scala comunitaria. I composti di piccole molecole consumati da un individuo possono essere escreti nelle urine e/o nelle feci sotto forma del composto originario invariato o di un metabolita. Nelle comunità con fognature reticolate, questa urina si combina con altri rifiuti, inclusa l'urina di altri individui mentre viaggiano verso un impianto di trattamento delle acque reflue. Le acque reflue vengono campionate all'ingresso dell’impianto di trattamento, prima che abbia inizio il loro trattamento. Ciò è idealmente fatto con dispositivi di autocampionatore che raccolgono campioni compositi di flusso o tempo di 24 ore. Questi campioni contengono informazioni biochimiche o biomarcatori di tutte le persone che contribuiscono al bacino di un impianto di trattamento delle acque reflue.

I campioni raccolti vengono inviati a un laboratorio, dove vengono utilizzate tecniche di chimica analitica (ovvero cromatografia liquida-spettrometria di massa) per quantificare i composti di interesse. Questi risultati possono essere espressi in carichi pro capite utilizzando le informazioni relative sia al volume di acque reflue del campione raccolto sia all’ampiezza della popolazione servita dall’impianto di trattamento delle acque reflue. I risultati possono essere ulteriormente espressi come carichi pro capite quando si considera la popolazione servita da un impianto di trattamento delle acque reflue. + Formula per determinare il consumo pro capite di una sostanza chimica di interesse con la WBE Dove R è la concentrazione di un residuo chimico in un campione di acque reflue, F è il volume di acque reflue rappresentato dal campione, C è un fattore di correzione che riflette la massa media e la frazione di escrezione molare di un farmaco originario o di un metabolita, e P è il numero di persone in un bacino idrografico. Variazioni o modifiche possono essere apportate a C per tenere conto di altri fattori come la degradazione di una sostanza chimica durante il suo trasporto nel sistema fognario.

Aspetti temporali Analizzando i campioni prelevati in diversi momenti temporali, è possibile valutare le tendenze quotidiane a lungo termine. Questo approccio ha mostrato tendenze come l'aumento del consumo di alcol e droghe ricreative nei fine settimana rispetto all'inizio settimana. Uno studio epidemiologico temporale basato sulle acque reflue a Washington ha misurato campioni di acque reflue prima, durante e dopo la legalizzazione della cannabis. Confrontando il consumo di cannabis nelle acque reflue con le vendite di cannabis attraverso punti vendita legali, lo studio ha mostrato che l'apertura di punti vendita legali ha portato a una diminuzione della quota di mercato del mercato illegale.

Aspetti spaziali È possibile stabilire differenze nel consumo di sostanze chimiche tra luoghi diversi quando vengono utilizzati metodi comparabili per analizzare campioni di acque reflue da luoghi diversi. L'Osservatorio europeo delle droghe e delle tossicodipendenze conduce regolarmente test multi-città in Europa per stimare il consumo di droghe illegali. I dati di questi sforzi di monitoraggio vengono utilizzati insieme a metodi di monitoraggio più tradizionali per comprendere i cambiamenti geografici nelle tendenze del consumo delle droghe.

Vantaggi e svantaggi + Sinossi della Wastewater-Based Epidemiology (WBE) Maria Lorenzo e Yolanda Picó, Wastewater-based epidemiology: current status and future prospects, in Current Opinion in Environmental Science & Health, vol. 9, 2019 Vantaggi Svantaggi Definisce le tendenze spaziali e temporali di una infezione nella popolazione La selezione dei biomarcatori può rappresentare una sfida tecnologica. Tempestività (potenziale in tempo reale con biosensori nell'impianto di trattamento delle acque) La stabilità dei biomarcatori nelle acque reflue può essere un problema. Le informazioni sono riferite a tutta la popolazione in esame Incertezze relative al contributo della popolazione e dei flussi di acque reflue. Non richiede approvazione di comitati etici Intervallo di tempo significativo tra la raccolta e l'analisi dei dati. Permette di determinare utilmente organismi patogeni (batteri e virus) -- Marcatori biochimici della risposta fisiologica (come i biomarcatori dell'infiammazione) -- Marcatori di intervento e la loro risposta biologica (farmaci e loro metaboliti) -- Permette di determinare utilmente marcatori di resistenza antimicrobica --

Utilizzi

Le sostanze chimiche comunemente misurate dalla WBE includono droghe illecite come cocaina e metanfetamina, droghe lecite come tabacco e caffeina, prodotti farmaceutici e prodotti per la cura personale come i filtri solari. Esposizione a sostanze chimiche come interferenti endocrini o ritardanti di fiamma possono anche essere misurati, così come le sostanze chimiche idrofobiche che si dividono in particolato.

Infine, vi sono anche interessanti prospettive teoriche che indicano la possibilità di ricercare i biomarcatori della dieta.Venkatesan AK, Chen J., Driver E., Gushgari A., Halden RU, " Valutare il potenziale per monitorare le tendenze della dieta a base vegetale nelle comunità utilizzando un approccio epidemiologico basato sulle acque reflue " in Wastewater-Based Epidemiology: Estimation of Community Consumo di farmaci e diete , Subedi B., Ed. (American Chemical Society, 2019), vol. 1319 , pagg. 187–198.

WBE e marcatori socioeconomici In una pubblicazione del 7 ottobre 2019 pubblicata sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) da parte di ricercatori dell'Università del Queensland, si sono studiati biomarcatori nelle acque reflue correlando i risultati con parametri sociali, demografici ed economici delle rispettive popolazioni. I risultati di questo studio, unico nel suo genere, danno suggerimenti importanti che vanno al di la degli aspetti sanitari, indicando le potenzialità della ricerca epidemiologia effettuata attraverso lo studio delle acque reflue; inoltre lo studio nelle acque reflue mirato ai costituenti della dieta suggerisce che la disparità nella dieta è associata al livello di istruzione del campione esaminato. Infatti, i biomarcatori del consumo di caffeina, agrumi e fibre alimentari avevano forti correlazioni positive con l'indice che misura il vantaggio e lo svantaggio socioeconomico relativo. Al contrario la ricerca nelle acque reflue dei biomarcatori: tramadolo, atenololo e pregabalin mostravano una forte correlazione negativa con il sopraindicato indice. L'atenololo e l'idroclorotiazide erano correlati positivamente con l'età media del campione esaminato come ampiamente prevedibile, mentre il consumo di caffeina è associato ad aspetti della capacità economica e al livello di istruzione, mostrando (nella realtà australiana) che il consumo di caffeina è maggiore nei gruppi socioeconomicamente avvantaggiati.