Robot Memprediksi Wabah COVID-19 dengan Menyaring Kotoran Anda

Erik Jepsen

Poin Penting

• Menguji air limbah untuk COVID-19 adalah cara yang efektif untuk melacak potensi wabah.
• Berkat metode yang lebih baik, jenis pengawasan ini dapat dilakukan lebih cepat, lebih efisien, dan lebih murah.
• Perbaikan dalam proses ini memungkinkan lusinan sampel dari selokan dan instalasi pengolahan limbah diuji setiap hari, bukan hanya segelintir.
• Pengujian cepat air limbah juga dapat digunakan untuk mendeteksi dan melacak wabah virus lainnya di masa mendatang.

Pada awal pandemi, para ilmuwan beralih ke air limbah sebagai sistem peringatan untuk wabah COVID-19. Menguji sampel air limbah untuk mengetahui keberadaan virus telah terbukti berguna dalam menentukan bangunan atau area di mana COVID-19 sudah ada, bahkan jika pembawa asimtomatik. Metode ini telah diterapkan di mana-mana mulai dari perguruan tinggi hingga komunitas lokal.

Tetapi metode ini memiliki satu kekurangan yang signifikan: kecepatannya. Sekarang, tim di Fakultas Kedokteran Universitas California di San Diego (UCSD) telah menemukan cara untuk mempercepat proses deteksi dan memberikan data yang akurat dengan lebih cepat.

Proses aslinya lambat karena sampel air limbah atau limbah diencerkan dan harus terkonsentrasi, yang membutuhkan banyak langkah dan menggunakan banyak sumber daya, kata Smruthi Karthikeyan, PhD, seorang insinyur lingkungan dan peneliti postdoctoral di UCSD School of Medicine, kepada Verywell. Karthikeyan adalah penulis utama laporan proses yang diterbitkan bulan ini di jurnalmSystems.

Mempercepat Proses

Tidak seperti usap hidung, yang mengambil sedikit sampel lendir, sampel air limbah dari saluran pembuangan atau instalasi pengolahan limbah diencerkan setelah disiram dengan segala sesuatu yang mengalir ke saluran pembuangan.

Sampel air limbah perlu dipekatkan agar SARS-CoV-2, virus penyebab COVID-19, jika ada, lebih mudah ditemukan. Tetapi diperlukan metode yang lebih cepat untuk memusatkan sampel tersebut dan menemukan RNA dari virus. Para peneliti secara khusus tertarik untuk menemukan metode yang dapat dilakukan secara bersamaan pada banyak sampel dan dapat memberikan hasil yang akurat pada hari yang sama.

Untuk mempercepat prosesnya, Karthikeyan dan timnya menggunakan bantuan robotik yang sudah dia miliki di labnya. Sebelum pandemi dimulai, penelitiannya difokuskan pada mikrobioma usus, bidang studi yang juga melibatkan pemeriksaan sampel limbah. Dengan memodifikasi sistem itu, mereka dapat dengan cepat mengekstrak RNA dari sampel air limbah dan menjalankan polymerase chain reaction (PCR) untuk mencari gen tanda tangan COVID-19.

Dalam sistem yang sebelumnya digunakan untuk pengawasan air limbah, sampel air dipekatkan menggunakan metode penyaringan atau presipitasi, yang membutuhkan waktu dan banyak sumber daya untuk menjalankan pengujian.

Sebaliknya, sistem throughput tinggi ini menggunakan manik-manik magnet yang secara istimewa menghubungkan ke bit virus, Karthikeyan menjelaskan. Prosesor robotik kemudian mengambil manik-manik tersebut menggunakan kepala magnet, meninggalkan semua yang lain.

“Dengan cara ini Anda hanya memilih virus dan tidak mengambil semua sampah,” katanya. “Ini meningkatkan peluang Anda untuk menemukan virus bahkan dalam sistem yang encer.” Sampel terkonsentrasi kemudian diuji untuk tiga target gen berbeda pada genom COVID-19 menggunakan pengujian PCR.

Apa Itu Penyaringan Throughput Tinggi?

Penyaringan throughput tinggi menggunakan peralatan otomatis untuk menguji ribuan hingga jutaan sampel dengan cepat untuk aktivitas biologis di tingkat organisme, seluler, jalur, atau molekuler.

Sistem yang ditingkatkan sangat meningkatkan kecepatan pengujian.

“[Sebelumnya] Saya tidak bisa membuat lebih dari 10 sampel dalam sehari. Saya butuh waktu berjam-jam untuk melakukan hal yang sama, ”kata Karthikeyan. “Dengan ini, kami dapat melakukan 120 sampel dalam 4,5 jam dari penerimaan sampel hingga deteksi PCR yang sebenarnya.”

Proses ini memiliki keuntungan tambahan karena lebih murah karena membutuhkan lebih sedikit sumber daya dan lebih sedikit orang untuk menjalankan pengujian, tambahnya. Pengujian dapat dilakukan pada sampel air limbah dengan volume sekecil 10 mililiter.

Akurasi hasil dengan metode ini juga tinggi. Pengujian cepat memungkinkan para peneliti untuk memprediksi apa yang akan terjadi dengan penyebaran COVID-19 seminggu sebelumnya dengan akurasi yang baik dan tiga minggu sebelumnya dengan akurasi yang adil, menurut pernyataan dari UCSD School of Medicine.

Apa Artinya Ini Untuk Anda

Pengawasan air limbah untuk COVID-19 adalah pengingat bahwa virus dapat menyebar bahkan ketika individu tidak mengalami gejala. Penting untuk terus mengambil tindakan pencegahan keamanan yang diperlukan seperti mengenakan masker, menjaga jarak, dan mencuci tangan untuk menjaga diri dan komunitas Anda tetap aman.

Kisah Sukses

Pengujian air limbah dari asrama dan bangunan lain di UCSD telah dilakukan sejak Juli 2020. Sebuah tim yang dipimpin oleh Rob Knight, PhD, profesor dan direktur Center for Microbiome Innovation di UCSD, menemukan teknik tersebut.

Sebulan setelah sekolah mulai memantau air limbah, mereka mendeteksi kasus asimtomatik positif dan universitas dapat mengirimkan peringatan kepada orang-orang di gedung yang terkena dampak. Ini memfasilitasi pengujian individu yang ditargetkan di area tertentu daripada mencoba menguji semua orang di kampus. Hasil penyaringan sekarang tersedia di dasbor publik.

Universitas lain, seperti Universitas Arizona menggunakan pengujian air limbah untuk melacak penyebaran COVID-19. Kota New York bahkan memantau COVID-19 dalam sampel dari 14 pabrik pengolahan air limbahnya.

Sistem UCSD memungkinkan lebih banyak sampel air untuk diuji dengan cepat, memberi pejabat kesehatan masyarakat gambaran tentang penyebaran virus sebelum orang mungkin sakit secara klinis. “Saya tidak berpikir ada orang yang melakukannya dalam skala seperti ini,” kata Karthikeyan.

Sistem yang digunakan di UCSD dapat mendeteksi bahkan hanya satu kasus COVID-19 di gedung dengan lebih dari 400 penghuni. Dalam populasi muda, seperti mahasiswa di UCSD, orang yang terinfeksi seringkali tidak menunjukkan gejala, tetapi masih menularkan virus, kata Karthikeyan. Pada saat pembawa tanpa gejala berubah gejala atau menyebarkan virus ke seseorang yang menunjukkan gejala infeksi, virus bisa menyebar secara eksponensial.

Karthikeyan dan rekan-rekannya sedang menguji sampel air limbah untuk San Diego County. Fasilitas pengolahan air limbah di Point Loma memproses limbah untuk lebih dari 2,2 juta orang, memungkinkan sampel dikumpulkan di satu lokasi untuk seluruh area layanan. Sulit dan mahal untuk melakukan pengujian virus pada seluruh populasi, tetapi menggunakan pengujian air limbah sebagai teknik pengawasan memungkinkan pejabat kesehatan masyarakat untuk mempersempit area di mana pengujian sangat penting.

San Diego County ingin tim UCSD tidak hanya mendeteksi virus tetapi juga mengurutkan genom virus untuk melihat varian virus mana yang mungkin beredar, kata Karthikeyan. “Sekarang kita akan melakukan sekuensing genom skala besar,” tambahnya.

Jenis surveilans air limbah ini dapat diadaptasi untuk melakukan surveilans untuk virus apa pun yang ditumpahkan dalam tinja, kata Karthikeyan, seraya menambahkan bahwa itu dapat digunakan dalam banyak jenis epidemi penyakit menular dan mungkin membantu mendeteksi pandemi di masa depan lebih dini.