Comment les égouts nous aident à surveiller les épidémies

Lorsqu'il a commencé sa carrière de microbiologiste, Warish Ahmed n'aurait jamais imaginé que l'un des rôles les plus importants de sa carrière consisterait à passer au crible des litres d'eaux usées brutes collectées dans les canalisations et les bouches d'égout de l'État du Queensland, en Australie.

"S'occuper des eaux usées n'est peut-être pas le travail préféré de tout le monde", déclare Ahmed, chercheur principal à l'Organisation de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO) Environnement, dans la ville de Brisbane. "Mais je considère qu'il s'agit d'un moyen précieux d'en apprendre davantage sur la santé communautaire. C'est comme trouver de l'or liquide", ajoute-t-il.

La surveillance des eaux usées est depuis longtemps un moyen essentiel de suivre un petit groupe d'agents pathogènes mortels tels que le poliovirus, Vibrio cholerae, la bactérie responsable du choléra, et Salmonella typhi, la bactérie responsable de la fièvre typhoïde, qui se propagent tous par le biais de mauvaises pratiques d'assainissement.

Mais plus récemment, notamment à la suite de la pandémie de Covid-19, les autorités de santé publique du monde entier ont commencé à réaliser que l'étude du matériel présent dans les eaux usées pouvait être utilisée pour surveiller en temps réel un éventail beaucoup plus large de maladies infectieuses.

Le projet mené par Ahmed et son équipe, en collaboration avec l'université du Queensland, a examiné les niveaux de divers agents pathogènes respiratoires tels que la grippe, le SRAS-CoV-2, qui provoque le Covid-19, et le VRS. Tous ces micro-organismes sont excrétés par les intestins des personnes infectées et se retrouvent dans les eaux usées collectées dans tout l'État. Le VRS présente un intérêt particulier en raison des taux de mortalité élevés qu'il entraîne chez les personnes âgées, en particulier celles qui souffrent de troubles cardiaques et pulmonaires préexistants.

Ce n'est pas seulement la présence d'un agent pathogène particulier qui intéresse les chercheurs, mais sa concentration. "La concentration est très utile pour suivre la progression ou le déclin des maladies", explique M. Ahmed. "Des concentrations élevées d'une particule virale peuvent suggérer une augmentation de l'excrétion virale dans la communauté", ajoute-t-il.

Lorsqu'elles sont transmises aux services de santé publique de la région, ces informations constituent un mécanisme d'alerte précoce essentiel pour signaler la prévalence accrue d'une maladie infectieuse donnée. Aujourd'hui, de nouvelles plates-formes technologiques permettent de collecter ces données de manière encore plus efficace.

Traditionnellement, la surveillance des eaux usées implique un travail désagréable et dangereux de collecte manuelle d'échantillons. Mais dans le Queensland, chaque égout est désormais équipé d'un échantillonneur automatique qui recueille des échantillons toutes les heures sur une période de 24 heures. Ces échantillons sont ensuite mélangés pour produire un mélange qui peut être analysé dans des installations spéciales à l'aide de tests PCR - une technique moléculaire qui peut être utilisée pour identifier des fragments de matériel génétique. Aux États-Unis, les Centers for Disease Control and Prevention gèrent désormais un système national de surveillance des eaux usées qui permet de dépister régulièrement divers agents pathogènes, dont la variole du singe, grâce à la technologie fournie par Verily, une société appartenant à Alphabet.

D'autres start-ups, comme Biobot, une entreprise issue du MIT, cherchent à étendre la surveillance des eaux usées dans le monde entier grâce à leur plateforme qui peut détecter non seulement les virus respiratoires dans les eaux usées, mais aussi les maladies d'origine alimentaire comme le norovirus, ainsi que les sous-produits métabolisés de drogues telles que la cocaïne, le fentanyl, la méthamphétamine et la nicotine.

"Avec les eaux usées, il est possible de surveiller des villes de plusieurs millions d'habitants en utilisant des échantillons provenant de quelques sites seulement", explique Joshua Levy, de Scripps Research, un institut biomédical à but non lucratif situé à San Diego. "Il faut beaucoup moins d'échantillons pour caractériser de manière significative la dynamique des agents pathogènes locaux, par rapport aux écouvillons nasaux ou aux prises de sang coûteux et volumineux, qui sont souvent faussés par la gravité de la maladie. En revanche, les infections asymptomatiques sont toujours détectées par les eaux usées."

Renforcer la sécurité sanitaire des pays à faible revenu

Si la surveillance des eaux usées est largement utilisée aux États-Unis, en Australie et au Royaume-Uni, où un programme en cours utilise l'échantillonnage des eaux usées pour identifier les zones du pays présentant un risque plus élevé de polio, c'est probablement dans la gestion des épidémies dans les pays à faible revenu qu'elle aura le plus d'impact.

Les représentants de PolioPlus, l'initiative mondiale du Rotary International pour l'éradication de la polio, soulignent que si l'incidence de la polio a été réduite de 99,9 % au cours des 35 dernières années, elle reste un problème majeur de santé publique au Pakistan et en Afghanistan, où le poliovirus est endémique.

"Il existe 114 sites de surveillance des eaux usées au Pakistan et 33 en Afghanistan", explique Carol Pandak, directrice de PolioPlus. "Sans surveillance, il serait impossible de déterminer où et comment le poliovirus circule encore."

De l'autre côté du globe, la surveillance des eaux usées s'avère être un outil essentiel pour le gouvernement municipal de São Paulo dans sa lutte permanente contre le virus de l'hépatite A (VHA), une infection qui provoque une inflammation du foie et nécessite parfois une greffe de foie.

Ces dernières années, São Paulo a connu deux grandes épidémies de VHA, avec 1 872 cas confirmés entre 2016 et 2023. Selon Tatiana Prado, virologue à la Fondation Oswaldo Cruz, un institut de recherche de Rio de Janeiro, la ville a mis en place un programme de surveillance continue des eaux usées dans certains aéroports et zones à risque afin de contrôler les nouvelles émergences du VHA ainsi que d'autres virus et bactéries. Elle prévoit que les nouvelles technologies continueront à améliorer les informations que ces programmes peuvent fournir.

"De nouveaux outils de diagnostic apparaissent, capables de générer des millions de points de données sur les différents types de micro-organismes circulant dans un environnement donné", explique Mme Prado. "Mais les investissements nécessaires pour maintenir les systèmes de surveillance et interpréter toutes les données générées, afin qu'elles soient utiles aux décideurs politiques, constitueront le principal goulot d'étranglement.

Alertes précoces

Des programmes similaires ayant été testés dans certaines régions d'Afrique subsaharienne pour la tuberculose et même pour des parasites tels que le Cryptosporidium, responsable de maladies diarrhéiques, la surveillance des eaux usées jouera sans aucun doute un rôle de plus en plus important en fournissant des informations aux systèmes de santé mondiaux sur toutes sortes d'agents pathogènes inquiétants.

Dans les années à venir, les chercheurs espèrent que la surveillance en temps réel commencera à fournir de nouvelles informations sur l'évolution de nombreux virus courants, ce qui leur permettra de prédire s'ils risquent d'échapper à l'immunité vaccinale existante. Ces informations pourraient alors être rapidement transmises aux fabricants de vaccins, ce qui leur permettrait de mettre à jour leurs vaccins avant que l'agent pathogène nouvellement évolué ne soit plus répandu dans la communauté.

"Certains chercheurs ont montré que la circulation et l'évolution non détectées de virus communs sont beaucoup plus fréquentes qu'on ne le pensait", explique M. Levy. "Des travaux sont en cours pour comprendre l'importance de ce phénomène pour des questions majeures en virologie, telles que l'émergence de variantes préoccupantes.

"Il a été démontré que nous pouvons détecter la présence de nouvelles variantes virales dans les eaux usées 10 jours ou plus avant les autres formes de surveillance, ce qui donne un délai essentiel aux responsables de la santé publique et aux parties prenantes pour fournir des conseils, et aux membres du public pour modifier leur comportement si nécessaire", ajoute-t-il.

Des informations similaires pourraient également être utilisées pour préserver et protéger les antibiotiques afin qu'ils continuent d'agir pour les générations futures, en examinant des échantillons d'eaux usées pour détecter la présence de gènes de résistance - des segments d'ADN qui donnent à une bactérie la capacité de survivre à un traitement avec certains antibiotiques.

Amy Pruden, professeur à Virginia Tech, explique que ce type de surveillance pourrait aider à localiser les communautés qui ont le plus de problèmes de résistance, en alertant les médecins sur les infections potentielles qui se propagent dans la population et en leur fournissant plus d'informations pour pouvoir prescrire l'antibiotique le plus efficace.

"Une idée qui fait son chemin est la possibilité d'utiliser le séquençage métagénomique de l'ADN", explique M. Pruden. "L'intérêt de cette approche est qu'elle permet de séquencer l'ADN de toutes les bactéries présentes dans les eaux usées en une seule fois, puis de le comparer à des bases de données et de voir quels types d'agents pathogènes sont susceptibles d'être présents et quels types de gènes de résistance ils sont susceptibles de porter. Le potentiel est énorme, mais l'application n'en est qu'à ses débuts", ajoute-t-elle.

L'espoir ultime est que ces efforts de surveillance puissent également permettre de détecter de futures épidémies, voire des pandémies, dès les premiers stades, ce qui donnerait aux gouvernements la possibilité de réagir et d'orienter les efforts vers la mise au point de vaccins et de médicaments beaucoup plus rapidement qu'auparavant.

À l'avenir, l'équipe d'Ahmed et d'autres chercheurs du monde entier étudient la possibilité d'analyser le contenu viral des eaux usées des avions, afin de repérer d'éventuelles nouvelles variantes de la grippe et du Covid, voire de nouveaux virus transmis depuis d'autres régions du monde.

"Il est essentiel de disposer des outils nécessaires avant l'apparition du prochain virus dangereux, afin de pouvoir le combattre efficacement", conclut M. Ahmed.