Από την αρχή της διάδοσης του ιού SARS-CoV-2 στην Ελλάδα, το Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης έχει θέσει όλες του τις δυνάμεις στη διάθεση της ελληνικής πολιτείας, με στόχο την επιστημονική υποστήριξη λήψης κρίσιμων αποφάσεων για την αντιμετώπιση της πανδημίας. Στο πλαίσιο αυτό, τον Μάρτιο 2020 συγκροτήθηκε υπό τον συντονισμό του Πρύτανη του ΑΠΘ, Καθηγητή Νικόλαου Γ. Παπαϊωάννου, η Ομάδα Επιδημιολογίας Λυμάτων του ΑΠΘ με επιστήμονες διαφόρων ειδικοτήτων, με αντικείμενο τη συστηματική παρακολούθηση της παρουσίας του ιού SARS-CoV-2 στα αστικά υγρά απόβλητα της Θεσσαλονίκης. Σκοπός ήταν η ποσοτική εκτίμηση της χρονικής εξέλιξης των τιμών έκκρισης ιικού φορτίου στον πληθυσμό της Θεσσαλονίκης.
Η ομάδα του ΑΠΘ, μαζί με την Εταιρεία Ύδρευσης Αποχέτευσης Θεσσαλονίκης (ΕΥΑΘ), σε συνεργασία με την Περιφέρεια Κεντρικής Μακεδονίας και στο πλαίσιο του Εθνικού Δικτύου Επιδημιολογίας Λυμάτων του ΕΟΔΥ, παρακολουθεί την εξέλιξη των μετρήσεων σε δείγματα που λαμβάνονται στην είσοδο της Εγκατάστασης Επεξεργασίας Λυμάτων Θεσσαλονίκης. Η ομάδα του ΑΠΘ πρόσφερε σε άμεση χρήση διαθέσιμο επιστημονικό εξοπλισμό και τεχνογνωσία, προμηθεύτηκε τα απαραίτητα βιοχημικά και χημικά αναλώσιμα και διέθεσε τον χρόνο από έναν σημαντικό αριθμό εξειδικευμένων ερευνητών και επιστημόνων για τις αναλύσεις των αστικών λυμάτων της Θεσσαλονίκης.
Στα αποχετευτικά δίκτυα των πόλεων καταλήγουν ανθρωπογενή απόβλητα τα οποία περιέχουν σωματικά υγρά (ούρα, σάλιο, ιδρώτα, αίμα, αναπνευστικές εκκρίσεις), υγρά από πλύσιμο του σώματος και των ρούχων, περιττώματα, ακαθαρσίες κλπ. Όλα τα παραπάνω περιέχουν ανθρώπινο βιολογικό υλικό και φυσικά στην περίπτωση της τωρινής πανδημίας μέσα σε αυτό βρίσκεται και το αντιπροσωπευτικό γονιδίωμα του ιού SARS-CoV-2 προερχόμενο από άτομα που είτε νοσούν είτε είναι ασυμπτωματικοί φορείς του ιού. Με βάση τη διεθνή βιβλιογραφία, τα λύματα δεν περιέχουν ενεργά μολυσματικά ιοσωμάτια αλλά θραύσματα του ιού που είναι μεν ανενεργά για τη μετάδοση της νόσου αλλά αποτελούν ικανά στοιχεία ανίχνευσης και ποσοτικού προσδιορισμού της παρουσίας του ιού. Ο προσδιορισμός της συγκέντρωσης του γονιδιώματος του ιού στα λύματα αποτελεί ποσοτικό δείκτη του επιπέδου διασποράς του ιού σε όλη την κοινότητα (και όχι μόνο στους συμπτωματικούς ασθενείς του ιού) και επιπλέον η έκκριση ιικού φορτίου στα λύματα ξεκινά λίγες ημέρες νωρίτερα πριν εμφανιστούν συμπτώματα στα άτομα που μολύνθηκαν. Για αυτούς τους δύο λόγους, οι μετρήσεις στα λύματα αποτελούν μια έγκαιρη και έγκυρη ένδειξη του βαθμού διασποράς του ιού στην κοινότητα και πρέπει να χρησιμοποιούνται συμπληρωματικά με την ιατρική επιδημιολογική επιτήρηση για τη λήψη αποφάσεων.
Αντίθετα με τη συνήθη πρακτική να γίνονται αναλύσεις από μεμονωμένα εργαστήρια για την ανίχνευση του ιού στα λύματα, η ομάδα του ΑΠΘ καινοτομεί με την οριζόντια διεπιστημονική προσέγγιση του προβλήματος. Έτσι, εκτός από τους μοριακούς βιολόγους και ιολόγους για την ανίχνευση και ποσοτικοποίηση του ιού, ιατρική ομάδα λοιμωξιολόγων συνδράμει στην κλινική συσχέτιση και αποτίμηση των μετρήσεων. Επιπλέον, υπάρχει ομάδα μηχανικών τεχνικής περιβάλλοντος για την αρχική επεξεργασία των δειγμάτων και πραγματοποίηση σειράς μετρήσεων περιβαλλοντικών παραμέτρων, καθώς και ομάδα χημικών για την πραγματοποίηση χημικών αναλύσεων, με σκοπό να εκτιμηθούν πιθανές παρεμποδίσεις ή αλλοιώσεις στην ανιχνεύσιμη ποσότητα του ιού από άλλα διαλυμένα ή διεσπαρμένα υλικά στα λύματα. Επιπρόσθετα, την ομάδα συμπληρώνουν ερευνητές ειδικοί στην ανάπτυξη θεωρητικών φυσικοχημικών μοντέλων για τον εξορθολογισμό των μετρήσεων με βάση τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των λυμάτων. Την ομάδα επιδημιολογίας λυμάτων του ΑΠΘ στελέχωσαν κατά διαστήματα επιστήμονες από διαφορετικά εργαστήρια και κλινικές των Τμημάτων του ΑΠΘ, όπως της Ιατρικής (Ε. Ροηλίδης, Α. Παπά, Σ. Μεταλλίδης), της Χημείας (Θ. Καραπάντσιος, Μ. Κώστογλου), της Κτηνιατρικής (Ν. Παπαϊωάννου, Χ. Δόβας), των Πολιτικών Μηχανικών (Μ. Πεταλά, Β. Τσιρίδης), της Φαρμακευτικής (Θ. Σκλαβιάδης), της Βιολογίας (Μ. Αρσενάκης, Δ. Ντάφου), και των Μηχανικών Χωροταξίας και Ανάπτυξης (Σ. Στυλιανίδης).
Αν και τα αποτελέσματα της Θεσσαλονίκης χρησιμοποιούνται ως δεδομένα αναφοράς, ομάδα του ΑΠΘ αποτελεί σημαντικό μέλος του Εθνικού Δικτύου Επιδημιολογίας Λυμάτων του ΕΟΔΥ από τη σύσταση της στις αρχές του 2021 και στο πλαίσιο αυτό τα αποτελέσματα της έρευνας του ΑΠΘ έχουν ευρύτερη εθνική σημασία, καθώς αφορούν τόσο στον προσδιορισμό της βέλτιστης πειραματικής μεθοδολογίας και των κριτηρίων εφαρμογής της όσο και στη διαδικασία ανάλυσης των μετρήσεων, ώστε να υπάρχει αξιοπιστία και εγκυρότητα στα τελικά αποτελέσματα.
Δημοσιεύσεις σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά υψηλού κύρους
Μεγάλο μέρος της συνεισφοράς της ομάδας επιδημιολογίας λυμάτων του ΑΠΘ στην εθνική προσπάθεια, αποτυπώνεται στις τρείς πιο καινοτόμες από τις δημοσιεύσεις της ομάδας σε έγκριτα διεθνή επιστημονικά περιοδικά υψηλού κύρους.
Στην πρώτη χρονικά δημοσίευση (Petala, M., Dafou, D., Kostoglou, M., Karapantsios, Th., Kanata, E., Chatziefstathiou, A., Sakaveli, F., Kotoulas, K., Arsenakis, M., Roilides, E., Sklaviadis, T., Metallidis, S., Papa, A., Stylianidis, E. Papadopoulos, A., Papaioannou, N., “A physicochemical model for rationalizing SARS-CoV-2 concentration in sewage. Case study: The city of Thessaloniki in Greece”, Science of the Total Environment, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.142855) η ομάδα του ΑΠΘ παρουσίασε για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία τη σημασία του εξορθολογισμού των μετρήσεων της συγκέντρωσης του ιού στα λύματα, με βάση τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των λυμάτων και ανέπτυξε ένα σύνθετο υπολογιστικό μοντέλο εξορθολογισμού, το οποίο βασίζεται σε προχωρημένα φυσικοχημικά μοντέλα που εκτιμούν πιθανές παρεμποδίσεις ή αλλοιώσεις στην ανιχνεύσιμη ποσότητα του ιού από άλλα διαλυμένα ή διεσπαρμένα υλικά στα λύματα. Το μοντέλο αυτό εφαρμόστηκε με επιτυχία στις μετρήσεις στα λύματα της Θεσσαλονίκης, την περίοδο Απριλίου-Ιουνίου 2020, και οδήγησε σε συνεργασίες με μεγάλες πόλεις του εξωτερικού, π.χ. Παρίσι, Βρυξέλλες ,Βερολίνο, αναφορικά με την ανάλυση των δικών τους μετρήσεων στα λύματα (Εικόνα 1)
Σε μία επόμενη δημοσίευση (Kostoglou, M., Petala, M., Karapantsios, Th., Dovas, Ch., Roilides, E., Metallidis, S., Papa, A., Stylianidis, E. Papadopoulos, A., Papaioannou, N., “ARS-CoV-2 Adsorption on Suspended Solids along a Sewerage Network: Mathematical Model Formulation, Sensitivity Analysis and Parametric Study”, Environmental Science and Pollution Research 2021, https://doi.org/10.1007/s11356-021-16528-0), παρουσιάστηκε για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία μία μεθοδολογία (μαθηματική προσέγγιση) της προσρόφησης σωματιδίων ιού κατά μήκος ενός δικτύου αποχέτευσης, η οποία είναι απαραίτητη για την αποτίμηση τοπικών μετρήσεων του ιικού φορτίου σε πολλά διαφορετικά σημεία σε μια πόλη, λαμβάνοντας υπόψη τους διαφορετικούς χρόνους παραμονής εντός των αγωγών του δικτύου αποχέτευσης, καθώς και την ανάμιξη ρευμάτων με διαφορετικά χημικά και βιολογικά χαρακτηριστικά από αγωγούς λυμάτων από διαφορετικές περιοχές της πόλης (Εικόνα 2).
Σε μία πολύ πρόσφατη δημοσίευση (Petala, M., Kostoglou, M., Karapantsios, Th., Dovas, Ch., Lytras, Th., Paraskevis, D., Roilides, E., Koutsolioutsou-Benaki, A., Panagiotakopoulos, G., Sypsa, V., Metallidis, S., Papa, A., Stylianidis, E. Papadopoulos, A., Tsiodras, S., Papaioannou, N., “Relating SARS-CoV-2 shedding rate in wastewater to daily positive tests data: A consistent model based approach”, Science of the Total Environment, 2021, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.150838) η ομάδα επιδημιολογίας λυμάτων του ΑΠΘ παρουσίασε μία πρωτοποριακή ανάλυση η οποία, μέσα από σύνθετη μαθηματική επεξεργασία με πληθυσμιακά ισοζύγια και ιατρικά στοιχεία για τη διαφορετική ποσοτικά έκκριση ιικού φορτίου από μολυσμένους φορείς στις διάφορες ημέρες που διαρκεί η νόσος, επέτρεψε για πρώτη φορά την αξιόπιστη εκτίμηση του συνολικού αριθμού των μολυσμένων ατόμων (συμπτωματικοί και ασυμπτωματικοί φορείς) από τις εξορθολογισμένες μετρήσεις της συγκέντρωσης του ιού στα λύματα. Η ανάλυση εφαρμόστηκε για τις μετρήσεις της Θεσσαλονίκης κατά το δεύτερο πανδημικό κύμα του Νοεμβρίου 2020 και αποκάλυψε ότι στην κορύφωση του κύματος ο αριθμός των ασυμπτωματικών φορέων είχε φτάσει το πενταπλάσιο των συμπτωματικών φορέων. Στην ίδια εργασία αναλύονται με λεπτομέρεια οι προϋποθέσεις κάτω από τις οποίες οι μετρήσεις στα λύματα επιτρέπουν την έγκαιρη αποτύπωση της διασποράς του ιού στην κοινότητα σε σχέση με την κλασική επιδημιολογική επιτήρηση. Για τη Θεσσαλονίκη εκείνη την περίοδο, οι μετρήσεις στα λύματα προηγήθηκαν 2-4 ημέρες της ιατρικής επιτήρησης αλλά κυρίως έδειξαν συνέχεια και συνέπεια, σε αντίθεση με τις μεγάλες ημερήσιες διακυμάνσεις στην καταγραφή των κρουσμάτων, λόγω αδυναμίας της κλασικής επιτήρησης να ανταποκριθεί στον πολύ μεγάλο αριθμό κρουσμάτων (Εικόνα 3).
Προαγωγή νέας επιστημονικής γνώσης και τεχνογνωσίας
Πέραν των δημοσιεύσεων, στην καθημερινή μάχη στο πεδίο η ομάδα επιδημιολογίας λυμάτων του ΑΠΘ έχει προάγει την επιστημονική γνώση και τεχνογνωσία στα εξής σημεία:
Έχει καταδείξει τη σημασία της συστηματικής καθημερινής λήψης δειγμάτων και καταγραφής της συγκέντρωσης του ιού στα λύματα, όταν μεγάλες πόλεις του εξωτερικού εξακολουθούν να μετρούν μόλις δύο ή τρεις φορές την εβδομάδα. Η καθημερινή λήψη δειγμάτων επιτρέπει την ουσιαστική αξιολόγηση δεικτών διασποράς στην κοινότητα, όπως για παράδειγμα ο ρυθμός διπλασιασμού, όπου η σύγκριση των αποτελεσμάτων με την κινητικότητα των πολιτών δίνει στοιχεία συσχέτισης της κοινωνικής συμπεριφοράς με τη διασπορά του ιού.
Έχει αξιολογήσει και βελτιστοποιήσει τις διαδικασίες στις ανακτήσεις των σταδίων της συμπύκνωσης του λύματος και της απομόνωσης του RNA, με στόχευση σε δύο διαφορετικές γονιδιωματικές περιοχές του ιού, διενεργώντας πολλές επαναλήψεις και χρησιμοποιώντας κατάλληλους μάρτυρες ώστε να εξασφαλίζεται η ακρίβεια της ποσοτικοποίησης του ιού.
Με την υποστήριξη της ΕΥΑΘ, έχει εγκαταστήσει στο σημείο εισόδου των λυμάτων στην ΕΕΛΘ ειδικό πολυαισθητήρα για την καταγραφή, σε πραγματικό χρόνο (μετρήσεις ανά λεπτό), μίας σειράς φυσικοχημικών παραμέτρων, με στόχο τη μεγαλύτερη ακρίβεια στην καταγραφή της χρονικής μεταβολής των ποιοτικών χαρακτηριστικών των λυμάτων, που είναι απαραίτητα για τον εξορθολογισμό των τιμών ιικού φορτίου (Εικόνα 4).
Με την εμφάνιση των στελεχών Άλφα και Δέλτα, αλλά και με το πρόσφατο στέλεχος Όμικρον, η ομάδα του ΑΠΘ σε συνεργασία και με άλλους φορείς, έχει εργαστεί με επιτυχία στην ποσοτική ανίχνευση μεταλλάξεων του SARS-CoV-2 στα λύματα.
Για όλα τα παραπάνω έχουν γίνει σχετικές ανακοινώσεις στα ΜΜΕ και τα ευρήματα έχουν τεθεί άμεσα στην διάθεση της πολιτείας.
Τέλος, ήδη από τον Μάιο 2020 η ομάδα επιδημιολογίας λυμάτων του ΑΠΘ είχε εισηγηθεί στην ελληνική πολιτεία να αναλάβει τη δημιουργία ενός Εθνικού Κέντρου Αναφοράς Επιδημιολογίας Λυμάτων για την παρακολούθηση της συγκέντρωσης του ιού SARS-CoV-2 στα υγρά απόβλητα ως έμμεσου δείκτη του βαθμού διασποράς του ιού σε πόλεις και οικιστικά συγκροτήματα, ιδρύματα, δομές φιλοξενίας μεταναστών, καθώς και μεγάλες ξενοδοχειακές μονάδες κατά τη διάρκεια της καλοκαιρινής τουριστικής περιόδου. Το εν λόγω Εθνικό Κέντρο Αναφοράς θα έχει σκοπό να οργανώσει και να αξιοποιήσει μία τράπεζα δεδομένων και δειγμάτων για την περίπτωση επανεμφάνισης της παρούσας επιδημίας, καθώς και για άλλες χρήσιμες μετρήσεις που αφορούν στη δημόσια υγεία.
