El microbioma de las aguas residuales como indicador temprano de un brote de COVID-19 en la comunidad

  • Cristina Gutiérrez Viloria

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Un estudio internacional en el que participaron investigadores del Instituto de Investigaciones Marinas del CSIC aporta pruebas de que el microbioma de las aguas residuales revela un patrón específico que se relaciona con trastornos gastrointestinales y que puede servir como indicador precoz ante la inminente aparición de un brote de COVID-19 en la comunidad. El estudio se desarrolló entre mayo y agosto de 2020 en la ciudad de Chillan, al sur de Chile y se publicó en la revista Science of the Total Environment1

El estudio reveló diferencias sustanciales en la microbiota de las aguas residuales recogidas en tres comunidades humanas con diferentes niveles de aislamiento social y factores de riesgo para la COVID-19. También se detectó un cuerpo central común en la comunidad bacteriana, lo que sugiere que la disbiosis del microbioma de los individuos infectados es el factor principal para las variaciones que se observan en la microbiota de las aguas residuales. 

Actualmente, las pruebas individuales de SARS-CoV-2 no son suficientes para detectar la propagación del coronavirus entre las comunidades humanas ni para detectar la infección en individuos asintomáticos. Por otro lado, se desconoce cómo se altera el microbioma de las aguas residuales en las comunidades infectadas por coronavirus o si las bacterias entéricas pueden mostrar firmas específicas para cada especie. Por ello, el objetivo de esta investigación fue evaluar si los cambios en la microbiota de las aguas residuales pueden asociarse con la prevalencia de COVID-19 en una comunidad humana específica. Y más importante aún , si determinadas bacterias se asocian con enfermedades crónicas o factores de riesgo de gravedad de la enfermedad en pacientes con COVID-19. 

Los autores realizaron un estudio de epidemiología basada en las aguas residuales (WBE, por sus siglas en inglés), evaluando las condiciones de la microbiota en diferentes comunidades humanas. Para ello recurrieron al ARN ribosómico (ARNr) 16S, una macromolécula que contiene “firmas” genéticas capaces de identificar a los miembros de un grupo bacteriano y diferenciarlo de otros. 

A fin de estudiar el efecto del aislamiento social y los factores de riesgo para la COVID-19, los investigadores partieron de muestras procedentes de las aguas residuales de un centro penitenciario —aislamiento alto, riesgo bajo — y de una residencia de ancianos —aislamiento medio, riesgo alto—. Como control positivo de aislamiento e infección por SARS-CoV-2 se analizó también un centro de salud con pacientes en cuarentena por COVID-19. A partir del ADN genómico de las muestras acuosas recogidas en diferentes puntos temporales y amplificando el gen del ARNr 16S, prepararon librerías de ADN. Mediante una tecnología de secuenciación basada en nanoporos, los investigadores pudieron analizar los perfiles microbianos presentes en las muestras acuosas.

Para cada ubicación y punto temporal de muestreo analizaron la presencia de SARS-CoV-2 en las aguas residuales mediante retrotranscripción del ARN de las muestras (conversión a ADNc) y amplificación por PCR cuantitativa (qPCR) de los genes ORFab1 y N. La presencia del virus SARS-CoV-2 en las instituciones residencial y penitenciaria resultó negativa durante todo el tiempo que duró el estudio, salvo en el tercer punto temporal analizado (S3; 17 julio), correspondiente a la cuarta semana de estudio (10 al 21 de julio), en el que sí se detectó carga viral. En ambos centros, se observó además un aumento de la diversidad bacteriana, con una reducción de la abundancia de las proteobacterias a expensas del aumento de otros filos bacterianos. No ocurrió así en el centro de salud.  

A nivel de comunidades bacterianas se observaron diferencias, mostrando la penitenciaría el mayor número de taxones exclusivos (304) ausentes en las otras localizaciones; la residencia y el centro de salud mostraron 135 y 45 respectivamente. Asimismo, se detectó un cuerpo central de 333 especies bacterianas comunes.

Sorprendentemente, el análisis de las aguas residuales positivas para SARS-CoV-2 indicaba especies bacterianas más exclusivas que las muestras asociadas con individuos negativos para coronavirus (521 taxones específicos en las muestras positivas frente a 198 en las negativas). Las especies exclusivas aparecían más representadas en las muestras positivas de la residencia y del centro penitenciario, mientras que las muestras negativas se asociaron con especies exclusivas de la penitenciaría. El centro de salud tuvo una baja representatividad de bacterias exclusivas en general, tanto para carga viral positiva como negativa 

En cuanto a los géneros bacterianos se observó una asociación diferencial en las muestras acuosas: Simpliscira, Flavobacterium, Acidovorax y Acinetobacter se asociaron con aguas residuales negativas para SARS-CoV-2, mientras que Prevotella, Bacteroides, Aeromonas, Sulfurospirillum, Arcobacter, Tolumonas, Citrobacter, Zoogloea y Janthinobacteriums se asociaron con la detección positiva del virus. 

En lo que a especies se refiere, sorprendentemente, se halló una correlación entre el microbioma de las aguas residuales de los centros residencial y penitenciario una semana antes de la detección del virus, con el presente en las muestras positivas del centro de salud. Esto sugiere la existencia de un núcleo principal en la comunidad bacteriana procedente del tracto digestivo de individuos infectados con SARS-CoV-2

Por último, en la microbiota de las muestras acuosas de los positivos para SARS-CoV-2 se observó una fuerte asociación con bacterias entéricas identificadas en pacientes con factores de riesgo para la COVID-192,3,4. Así, Eubacterium ventriosum, y las especies comensales del género Roseburia y la familia Lachnospiraceae se correlacionaron de forma significativa con la carga viral en las muestras de aguas residuales. Por otra parte, patógenos oportunistas de los géneros Bacteroides mostraron una alta modulación durante el estudio, y algunas especies mostraron una correlación positiva con los niveles de SARS-CoV-2.

El estudio en definitiva propone la integración del microbioma de las aguas residuales como indicador de vigilancia del SARS-CoV-2 en la comunidad. Este enfoque, basado en la tecnología de nanoporos para la secuenciación completa del ARN-16S, mejorará sustancialmente la epidemiología basada en aguas residuales para predecir y mitigar los brotes de COVID-19. 

El estudio fue financiado por el "Fondo de Emergencia Sanitaria COVID-19, Intendencia Región de Ñuble, Chile" y por la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID), y fue asimismo impulsado por el correspondiente Ministerio de Salud (MINSAL) y Ministerio de Ciencia, Tecnología, Conocimiento e Innovación (MinCiencia), que apoyaron la investigación y proporcionaron los datos epidemiológicos. Los autores declararon no tener conflictos de intereses.