Des traces de la COVID-19 dans nos égouts

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Friday, January 15, 2021
Juliette O’Keeffe

La gestion de la pandémie de COVID-19 est une entreprise colossale pour les organismes de santé publique. Or, il existe de nouveaux outils et des innovations visant à surveiller les occurrences, la propagation ou la résurgence du virus qui pourraient documenter et potentiellement améliorer leurs interventions. L’un de ces outils, l’épidémiologie des eaux usées, suscite beaucoup d’intérêt. Partout sur la planète, des équipes analysent son potentiel et tentent de comprendre comment la détection du SRAS-CoV-2 (le virus qui cause la COVID-19) dans nos eaux d’égout pourrait servir à orienter les interventions de santé publique.

En quoi consiste l’épidémiologie des eaux usées?

L’épidémiologie des eaux usées, c’est la mesure de la présence ou de la concentration d’un signal biologique ou chimique comme un agent pathogène, une drogue ou un autre marqueur d’intérêt dans un échantillon combiné d’eaux d’égout. Parmi les paramètres surveillés par le passé avec cette technique, notons la fréquence et le pic de consommation de drogues illicites dans une communauté, l’apparition de maladies comme la polio et la rougeole, le début d’une flambée d’hépatite A et de norovirus, et même le degré de conformité de l’usage d’antiviraux pendant la pandémie de grippe H1N1 au Royaume-Uni. Les eaux usées se révèlent une matrice instructive à étudier, car elles fournissent un échantillon combiné d’un groupe de personnes dans un emplacement géographique donné à un moment précis. Non effractive et anonyme, cette méthode est applicable à diverses échelles, de l’ordre d’un seul établissement à de grandes villes. Comme les virus tels que le SRAS-CoV-2 ne se reproduisent pas à l’extérieur de leur hôte, la concentration détectée dans les eaux usées donne une indication de la quantité totale excrétée par un groupe à un moment donné.

Comment détecte-t-on le SRAS-CoV-2 dans les eaux usées?

Les personnes infectées par le SRAS-CoV-2, qu’elles soient asymptomatiques, symptomatiques, ou en rétablissement, peuvent excréter le virus dans leurs selles. Le pic d’excrétion survient juste avant l’apparition des symptômes, puis l’ARN viral peut continuer d’être excrété des semaines durant, contrairement au virus viable, qui ne persiste rarement plus de 7 à 10 jours après l’apparition des symptômes. Ainsi, le taux d’excrétion du virus des cas actifs et rétablis présente une grande variabilité. Le processus de détection du SRAS-CoV-2 dans les eaux usées implique généralement l’échantillonnage des eaux usées à la station d’épuration, les étapes de préparation visant à concentrer et à extraire l’ARN viral et la recherche de marqueurs génétiques du SRAS-CoV-2 par amplification quantitative en chaîne par polymérase couplée à une transcription inverse (RT-qPCR). De nombreux laboratoires en sont encore au stade de perfectionnement de leur méthode en vue d’améliorer la fiabilité des résultats et de fournir des interprétations du signal viral susceptibles d’éclairer les décisions de santé publique. Une étude interlaboratoire canadienne menée et analysée par la Coalition eaux usées COVID-19 du Réseau canadien de l’eau (RCE), et coordonnée en collaboration avec le Laboratoire national de microbiologie, ainsi qu’une autre étude interlaboratoire semblable coordonnée par la Water Research Foundation (WRF) dans 32 laboratoires aux États-Unis ont chacune déterminé des points de consensus et des points à améliorer concernant la forme que prendra les méthodes et les contrôles.

Qui mesure la concentration de SRAS-CoV-2 dans les eaux usées?

Au début de la pandémie, des chercheurs aux Pays-Bas ont détecté de l’ARN de SRAS-CoV-2 dans les eaux usées municipales de certaines communautés avant que les premiers cas soient rapportés. Ils ont observé une corrélation entre l’augmentation du signal d’ARN viral et la hausse des infections rapportées de COVID-19. Depuis, nombre d’autres études se sont penchées sur la présence d’ARN viral dans les eaux usées. À ce jour, ce sont des études de plus de 500 sites dans 44 pays qui ont été menées, principalement par des chercheurs universitaires en collaboration avec des organismes de santé publique et les exploitants de services publics. Beaucoup d’entre elles ont établi une corrélation entre la quantité d’ARN viral de SRAS-CoV-2 et la prévalence de cas de COVID-19 rapportés dans la population; certaines ont même détecté la présence ou l’augmentation d’ARN viral avant le signalement de cas cliniques. Des études rétrospectives sont également en cours pour analyser l’évolution du signal viral dans les eaux usées, un indicateur de l’apparition et de la propagation du virus à divers endroits (p. ex., Espagne).

Au Canada, on procède à des tests de la concentration de SRAS-CoV-2 dans les eaux usées de plus de 20 villes dans le cadre des recherches menées par la Coalition eaux usées COVID-19 et coordonnées par le RCE, qui favorise la collaboration entre groupes de chercheurs, exploitants de services publics et bureaux de santé publique partout au pays.

Quelles sont les applications possibles de l’épidémiologie des eaux usées en réponse à la COVID-19?

L’épidémiologie des eaux usées pourrait servir au dépistage précoce, à la surveillance des tendances et à l’évaluation des effets des mesures de santé publique. Certains diront qu’elle relève davantage du domaine théorique, car ses applications pratiques à la lutte contre la COVID-19 restent à démontrer. Le travail de terrain préliminaire mené par le milieu de la recherche universitaire s’est avéré essentiel pour prouver qu’il est possible de détecter le signal d’ARN de SRAS-CoV-2 dans les eaux usées. Maintenant que les méthodes continuent de s’affiner, il reste à comprendre quelle est la meilleure façon d’intégrer ces données aux efforts de contrôle de la COVID-19. Voici quelques exemples des applications potentielles de l’épidémiologie des eaux usées à la pandémie actuelle.

Dépistage précoce de la COVID-19 dans les petites communautés ou les établissements

En théorie, l’épidémiologie des eaux usées pourrait servir à détecter la présence d’ARN viral avant même la confirmation de cas par des tests cliniques, ce qui donnerait lieu à une réponse rapide et ciblée de la santé publique pour prévenir une importante flambée ou orienterait les décisions, comme celles d’augmenter le dépistage à un endroit précis. Le signal de SRAS-CoV-2 excrété par une ou deux personnes a plus de chance d’être détecté dans un petit bassin d’échantillons, et l’action peut être mieux ciblée. Le dépistage précoce s’applique davantage à l’échelle d’une petite communauté sans cas de COVID-19 ou à celle d’un établissement comme une prison ou une résidence de soins de longue durée, où il est crucial de détecter le virus tôt pour prévenir une flambée parmi les résidents. L’épidémiologie des eaux usées pourrait également se révéler utile lorsque la capacité de dépistage rapide et de signalement des cas est limitée, et lorsque la population est peu conscientisée et n’a pas tendance à se faire tester. Un indicateur précoce dans les eaux usées pourrait déclencher une augmentation de la surveillance clinique dans les zones à risque relevées.

À l’Université d’Arizona, une équipe d’experts a échantillonné les eaux usées des résidences, ce qui lui a permis de détecter de l’ARN de SRAS-CoV-2 dans une résidence où aucun cas n’avait été rapporté. S’en est suivi un dépistage de la COVID-19 chez tous les résidents. Résultat? Trois étudiants asymptomatiques ont été diagnostiqués. Ce dépistage précoce a prévenu une propagation plus importante dans la résidence. Cette situation souligne l’importance que pourrait avoir l’épidémiologie des eaux usées lorsqu’il y a une forte prévalence de cas asymptomatiques. La Ville de Yellowknife a par ailleurs rapporté une forte présence du signal de SRAS-CoV-2 dans les eaux usées municipales qui ne pouvait être attribuée entièrement aux cas connus en quarantaine, ce qui a engendré une recrudescence du dépistage dans la région en décembre 2020. Voilà l’un des meilleurs exemples au pays du potentiel de la surveillance du SRAS-CoV-2 dans les eaux usées pour détecter l’apparition de la COVID-19 dans une collectivité où peu de cas cliniques ont été recensés.

Des chercheurs ont étudié la possibilité de procéder aux prélèvements directement dans le réseau d’égouts (bassin) pour détecter la prévalence de l’infection à plus petite échelle – quartier, rue ou établissement. C’est qu’il est plus difficile et dangereux de procéder à des prélèvements dans de tels lieux que dans des stations d’épuration des eaux usées, qui disposent de professionnels formés aux prélèvements. L’utilité des eaux usées dépend de la fréquence d’échantillonnage. À titre d’exemple, pour capter un signal qui nous donnerait une journée d’avance, les prélèvements doivent être faits quotidiennement. Compte tenu du temps nécessaire pour le transport, le traitement, l’analyse et le rapport, le tout peut se révéler complexe du point de vue logistique et gourmand en ressources. Les Centers for Disease Control and Prevention (CDC) des États-Unis ont mis à jour l’information sur les applications et les difficultés de la surveillance ciblée. L’ampleur de la mise en œuvre dépend de l’évaluation des ressources nécessaires, des dangers et des enjeux éthiques et de confidentialité de la surveillance des bassins d’égouts. Les enjeux éthiques de l’étude de l’épidémiologie des eaux usées ont été exposés par le Sewage Analysis Core group Europe (SCORE) et plus récemment par la Coalition eaux usées COVID-19.

Suivi de l’évolution du nombre de cas dans les grandes villes

Selon les études, l’épidémiologie des eaux usées serait un indicateur avancé utile pour suivre l’évolution du nombre de cas dans un grand bassin de population. Elle peut servir de complément aux tests cliniques en confirmant des tendances observées dans le nombre de cas ou en ciblant des éclosions, mais il reste à déterminer l’avance qu’elle peut nous donner et l’exactitude de la corrélation entre signal viral et nombre de cas actifs. Actuellement, les grandes fluctuations observées dans les signaux des eaux usées compliquent le repérage de tendances. Des facteurs comme la fréquence des tests, le délai entre les prélèvements et la communication des données, et les caractéristiques du réseau d’égouts peuvent avoir un effet sur la précocité de l’avertissement. Il est arrivé que les signaux dans les eaux usées correspondent à l’évolution du nombre de cas. En effet, à Ottawa, des chercheurs ont observé un pic considérable d’ARN viral détecté dans les eaux usées à la mi-juillet, environ trois jours avant qu’une hausse semblable soit rapportée, comme le montre le tableau de bord de la COVID-19 d’Ottawa. Des chercheurs de l’Université de Saskatchewan ayant fait une observation semblable au début de novembre 2020 ont suggéré qu’elle serait suivie d’une hausse du nombre de cas, ce qu’on a d’ailleurs pu constater dans les données sur les cas rapportés des semaines suivantes. Cela dit, des indicateurs de surveillance conventionnels comme une hausse du nombre de cas positifs et du taux de positivité prévoyaient également l’augmentation. Ces exemples indiquent que l’épidémiologie des eaux usées peut être utile pour détecter les grands changements dans le nombre de cas ou confirmer les observations faites avec les indicateurs conventionnels. Il faut d’autres études pour connaître la fréquence de prélèvements idéale, la sensibilité du signal viral aux petits changements et la façon d’intégrer le vaste éventail de variables comme les taux de virus excrété et les changements saisonniers, hebdomadaires et quotidiens de la composition des eaux usées.

Mesure de l’effet des interventions de santé publique

En parallèle avec le suivi de l’évolution du nombre de cas, l’épidémiologie des eaux usées a également été proposée comme outil d’observation et d’analyse des effets des mesures de santé publique comme le port du masque obligatoire, la suspension de certaines activités, les mesures de confinement et les restrictions de voyage. Dans les endroits où la capacité de dépistage de la COVID-19 est restreinte, où peu de gens se font tester ou où les résultats cliniques tardent à arriver, les changements dans les signaux d’ARN viral dans les eaux usées peuvent indiquer, de manière générale, si les mesures de santé publique ont un effet. Il pourrait y avoir des leçons à tirer d’une analyse rétrospective de l’ARN viral dans les eaux usées combinée avec les données sur le respect des mesures de santé publique, qui pourraient orienter la gestion de vagues ou de pandémies futures. Combinée à une analyse rétrospective du génome, cette méthode pourrait aussi donner des pistes sur la transmission du virus dans une communauté et entre les communautés. Certains se demandent si l’épidémiologie des eaux usées pourrait permettre de détecter l’apparition de nouveaux variants génétiques du virus. Bien que ce soit possible, la difficulté demeure de trouver les attributs ou les vrais variants parmi le mélange de fragments d’ARN présents dans l’échantillon combiné d’eaux d’égout. Des travaux sont en cours pour améliorer la sensibilité de manière à ce que les bons variants génétiques soient détectés avant leur propagation massive.

Quelles difficultés reste-t-il à surmonter?

Il y a encore bien des difficultés en ce qui concerne les méthodes d’analyse, les méthodes d’échantillonnage (eaux usées brutes vs boues d’égout primaires; échantillon composite vs échantillonnage passif), la création de programmes de surveillance pertinents et la transposition des données sur l’ARN viral des eaux usées en des indicateurs concrets. En voici quelques exemples.

Problèmes d’analyse

  • Perfectionner les méthodes d’analyse et le contrôle de la qualité, trouver le matériel de référence pertinent, tenir compte de l’inhibition dans l’analyse, définir les conditions d’entreposage et déterminer le délai entre le prélèvement et l’analyse.
  • Mieux comprendre l’influence des variables dans le réseau d’égouts sur le signal viral (modifications saisonnières ou hebdomadaires dans les précipitations, écoulement d’averse, température, durée de déplacement, et taille et diversité de la zone de captage) et trouver le moyen de normaliser les données aux fluctuations de la composition des eaux d’égout.
  • Comprendre la relation entre l’excrétion virale des cas actifs et en rétablissement, et être en mesure d’interpréter le signal d’ARN viral dans les eaux usées en tenant compte de la variabilité entre les personnes lorsque la tendance des cas est à la hausse ou à la baisse, surtout dans une petite communauté avec un ou peu de cas actifs.

Établir un programme de surveillance

  • Déterminer la responsabilité et les ressources humaines nécessaires pour l’échantillonnage et l’analyse, et définir des stratégies de surveillance qui correspondent aux objectifs prévus.
  • Évaluer les préoccupations logistiques, de santé et de sécurité pour l’échantillonnage, l’analyse et la communication des résultats, surtout à l’extérieur des stations d’épuration des eaux usées ou des réseaux d’égouts municipaux.
  • Évaluer la capacité de procéder à des analyses en laboratoire (p. ex., possibilité de traitement des échantillons et capacité de procéder à des tests RT-qPCR) et de communiquer les résultats en temps opportun.
  • Évaluer la possibilité d’intégrer l’épidémiologie des eaux usées à des systèmes de surveillance existants.
  • Estimer les coûts de déploiement à grande échelle et déterminer qui les assumera (municipal, provincial, fédéral) au regard des avantages potentiels d’utiliser l’épidémiologie des eaux usées dans diverses applications.

Transposer la recherche en outils pratiques d’aide à la décision en santé publique

  • Déterminer comment communiquer rapidement des données pertinentes aux décideurs, avec une vision claire de ce que les résultats d’épidémiologie des eaux usées peuvent ou ne peuvent pas indiquer.
  • Déterminer comment passer d’une opération motivée par la recherche à une opération motivée par les besoins de santé publique, qui intègre l’information clinique et épidémiologique et qui peut assurer la qualité des données.
  • Déterminer quel degré de changement dans le signal d’ARN viral devrait déclencher une réponse et le type de mesures à prendre (p. ex., augmentation des tests cliniques, modification des arrêtés de santé publique, etc.)

Messages principaux et perspectives d’avenir

L’épidémiologie des eaux usées ne peut ni ne doit être considérée comme un substitut des tests diagnostiques cliniques de référence, qui demeureront nécessaires pour confirmer si une personne symptomatique ou exposée au virus a contracté la COVID-19. Il reste à voir si elle fournit de meilleurs indicateurs de prévalence de maladies que d’autres outils comme les études de prévalence des antigènes. L’épidémiologie des eaux usées viendra probablement compléter – et non remplacer – d’autres sources de données probantes conventionnelles pour orienter des mesures de santé publique essentielles. Il faut encore affiner les méthodes, améliorer la fiabilité et l’uniformité des données, ainsi qu’adapter et démontrer les applications les plus rentables et utiles de l’épidémiologie des eaux usées pour la lutte contre la COVID-19.

Cette méthode pourrait s’avérer particulièrement prometteuse pour détecter le virus de manière précoce dans les petites communautés ou les établissements, ou dans des régions où la capacité de diagnostic clinique et de communication des résultats est faible ou où la population a peu tendance à se faire tester. Elle pourrait aussi être utile pour détecter l’apparition de nouveaux variants du virus si elle était affinée pour détecter les variants à une fréquence assez faible pour donner un avertissement hâtif. Pour être efficaces à plus grande échelle et présenter un avantage par rapport aux tests cliniques, les tests d’épidémiologie des eaux usées doivent être effectués assez fréquemment. L’intégration de cette méthode à des systèmes de surveillance existants pourrait aider à surmonter les défis logistiques associés à la création d’un nouveau programme de surveillance, mais il faudra assigner les responsabilités, analyser la capacité des laboratoires et évaluer les coûts supplémentaires.

L’épidémiologie des eaux usées pourrait également appuyer la recherche à venir, éclairer la compréhension et orienter les actions à mesure que les taux de vaccination augmentent dans la population, notamment par des analyses rétrospectives des données qui nous renseigneraient sur la progression de la pandémie et les effets des diverses interventions de santé publique. Une surveillance continue post-COVID-19 pourrait également aider à repérer les agents pathogènes émergents avant leur propagation dans une communauté.