Раннее обнаружение инфекционной угрозы может резко изменить ход вспышки. Если понять, что возбудитель уже распространяется в сообществе, до переполнения больниц и роста тяжелых случаев, у служб здравоохранения появляется время: усилить тестирование, направить вакцины, проверить качество воды, предупредить врачей и быстрее защитить уязвимые группы.
Один из инструментов такого раннего предупреждения — эпидемиологический надзор за сточными водами. Смысл прост: следы вирусов, бактерий и других возбудителей могут попадать в канализацию или загрязненные поверхностные воды с выделениями людей. Анализ таких образцов позволяет увидеть, что инфекция циркулирует в районе, даже если не все заболевшие обращаются к врачу или проходят лабораторный тест.
Ученые из Исследовательского института Скриппса (Scripps Research Institute) получили две новые грантовые поддержки на общую сумму 2 млн долларов для развития технологий такого наблюдения. Проекты направлены не только на расширение лабораторных методов, но и на создание систем искусственного интеллекта, которые смогут объединять разные источники данных и лучше прогнозировать вспышки.
Почему сточные воды стали важным источником данных
Во время пандемии коронавирусной болезни 2019 года (COVID-19) анализ сточных вод стал одним из способов отслеживать распространение инфекции на уровне населения. Его преимущество в том, что он не зависит только от индивидуального тестирования.
Если люди не обращаются за медицинской помощью, не имеют доступа к лаборатории или переносят инфекцию легко, обычная статистика может запаздывать. Сточные воды, напротив, дают более общий «срез» ситуации в сообществе.
Такой подход особенно важен для стран с ограниченными ресурсами. Там не всегда есть возможность часто тестировать большое число людей, но регулярный анализ воды может стать сравнительно доступным способом заметить опасные изменения.
Что планируют развивать исследователи
Один из проектов продолжает работу, начатую в 2023 году. Его ведут профессор Кристиан Андерсен (Kristian Andersen) и Джош Леви (Josh Levy) вместе с международными партнерами, включая Университет Бирмингема (University of Birmingham).
Исследователи будут расширять вычислительные и лабораторные методы для анализа сточных вод. Это должно позволить отслеживать более широкий круг возбудителей, а не только отдельные вирусы.
Также команда планирует адаптировать технологии для мест, где нет привычной централизованной канализации. В таких условиях образцы можно брать не только из сточных систем, но и из ручьев, каналов и других поверхностных вод, на которые влияет человеческая жизнедеятельность.
Что такое Freyja
В центре одного из направлений находится Freyja — открытая платформа для анализа сточных вод, разработанная лабораторией Кристиана Андерсена (Kristian Andersen). Открытая платформа означает, что ее методы и инструменты доступны другим исследователям и службам общественного здравоохранения.
Во время пандемии COVID-19 такие вычислительные системы помогали отслеживать, какие варианты возбудителя распространяются в популяции. Теперь разработчики хотят расширить возможности Freyja, чтобы система помогала выявлять и другие инфекционные угрозы.
Важная часть проекта — сделать лабораторные протоколы и вычислительные инструменты пригодными для стран с низким и средним уровнем дохода. Это означает, что технологии должны быть не только точными, но и доступными, устойчивыми к нехватке инфраструктуры и понятными для местных специалистов.
Зачем нужен искусственный интеллект
Второй проект переходит от обнаружения возбудителей к прогнозированию вспышек. Его возглавляют Джош Леви (Josh Levy) и Картик Гангаварапу (Karthik Gangavarapu).
Идея заключается в том, чтобы объединять несколько типов информации: данные клинического тестирования, генетического секвенирования возбудителей, анализа сточных вод и медицинского наблюдения. Секвенирование — это чтение генетического материала возбудителя, которое помогает понять, какой вариант инфекции распространяется и как он меняется.
Искусственный интеллект в таком проекте нужен не для замены эпидемиологов. Его задача — находить закономерности в больших и разнородных данных, заполнять пробелы наблюдения и помогать специалистам быстрее понять, где риск растет.
Где начнется работа
На первом этапе проект будет сосредоточен на Южной Африке и Замбии. В этих странах исследователи планируют развивать системы, которые объединяют данные из разных источников и помогают службам здравоохранения принимать более точные решения.
В Замбии такая платформа может помочь выявлять очаги передачи холеры. Холера — это опасная кишечная инфекция, которая распространяется через загрязненную воду и пищу и может быстро приводить к тяжелому обезвоживанию. Если заранее определить районы повышенного риска, можно точнее направлять меры по обеспечению чистой воды и вакцинации.
Система также должна помочь лучше понимать риск распространения mpox. Mpox — вирусная инфекция, ранее известная как оспа обезьян; она может передаваться при тесном контакте и вызывать лихорадку, увеличение лимфатических узлов и кожную сыпь.
Почему это важно для будущих пандемий
Обычный эпиднадзор часто видит вспышку уже после того, как появились пациенты, медицинские обращения и лабораторно подтвержденные случаи. Анализ сточных вод может сработать раньше, а искусственный интеллект может помочь связать этот сигнал с другими данными.
Например, если в воде появляется генетический след возбудителя, а в клиниках растет число похожих симптомов, система может быстрее предупредить о возможном очаге. Если же сигнал есть только в воде, это может подсказать, где стоит усилить тестирование.
Такой подход особенно ценен для инфекций, которые распространяются неравномерно. В одном районе риск может быть высоким, а в соседнем — низким. Тогда ресурсы лучше направлять туда, где они действительно нужны.
Что говорят авторы проекта
По словам Джоша Леви (Josh Levy), новые гранты позволят не только расширить инструменты анализа сточных вод, но и использовать искусственный интеллект для более широкого улучшения решений в глобальном здравоохранении. Исследователь подчеркнул, что работа с международными партнерами направлена на более раннее выявление вспышек и более быстрые, точные меры реагирования.
Он также отметил, что цель команды — сохранить лабораторные протоколы, вычислительные инструменты и полученные данные открытыми, чтобы ими могли пользоваться исследователи и органы здравоохранения в разных странах.
Что это значит для пациентов
Для отдельного человека анализ сточных вод не заменяет диагностику. Он не показывает, кто именно болен, и не используется для постановки индивидуального диагноза. Но на уровне города, района или сообщества это может быть мощный сигнал раннего предупреждения.
Если такие системы будут работать надежно, службы здравоохранения смогут быстрее замечать вспышки кори, туберкулеза, холеры, mpox и других инфекций. Это может означать более раннее информирование врачей, более точное распределение вакцин, улучшение доступа к чистой воде и своевременные профилактические меры.
О том, как сточные воды могут предупреждать о росте инфекций еще до официальной статистики, ранее рассказывал материал МКБ-11: сточные воды — показатель зараженности COVID-19.
Литература
Scripps Research Institute. Scripps Research receives $2 million in grants to expand wastewater surveillance and artificial intelligence tools for outbreak prediction. — 2026.