Ces scientifiques ont retracé une nouvelle lignée de coronavirus dans un bureau – via les eaux usées

Le virologue Dave O’Connor admet qu’il était désespéré lorsqu’il a commencé à demander aux propriétaires de chiens des échantillons de caca.

Pendant une grande partie de 2022, O’Connor, de l’Université du Wisconsin-Madison, et ses collègues ont suivi une variante fortement mutée du SRAS-CoV-2, le virus qui cause le COVID-19. Au début de cette année, ils ont découvert la variante dans les eaux usées du Wisconsin tirées de plus de 100 000 personnes.

Après le système d’égouts vers des bassins versants de plus en plus petits, ils ont réduit la source de la variante à une zone particulière. O’Connor et son équipe pensaient que la variante pourrait circuler chez les chiens, en partie parce qu’ils ont trouvé du matériel génétique canin dans les mêmes échantillons d’eaux usées. Alors ils se sont dirigés vers le parc à chiens local. « C’était la demande la plus étrange que vous n’entendrez jamais : « Hé, nous sommes des scientifiques. Pouvons-nous simplement avoir ce sac de caca de chien que vous jetez?

Les chiens se sont avérés être un autre faux-fuyant dans la quête de plusieurs mois de l’équipe pour retracer l’origine de la variante.

Des variantes d’apparence similaire sont apparues chez des personnes dont le système immunitaire est affaibli – et, de plus en plus, les chercheurs pensent que des variantes d’infections chroniques chez ces personnes pourrait donner naissance à des lignées altérant la pandémiecomme Omicron.

O’Connor et son équipe pensent qu’ils recherchent une personne porteuse de la variante – il n’y a aucune preuve que la lignée se soit propagée à quelqu’un d’autre. Les chercheurs travaillent avec des responsables de la santé publique, qui espèrent qu’en identifiant la personne – qui est infectée depuis au moins huit mois – ils pourront traiter l’infection et réduire les risques de propagation.

Aucun cas individuel n’a beaucoup de chance de produire la prochaine super-variante (susceptible d’être surnommée Pi selon le système de dénomination des variantes de l’OMS). Mais retracer la source d’une variante potentielle – parmi les milliers qui circulent probablement dans le monde – pourrait aider les chercheurs à comprendre les facteurs biologiques qui ont provoqué l’émergence de variantes telles qu’Omicron. De telles infections pourraient également agir comme une boule de cristal dans l’avenir du virus.

“C’est de là que Pi va venir. Je ne pense pas que les gens réalisent à quel point c’est déjà là. Un grand nombre des lignées que nous découvrons font passer Omicron pour piétons », explique Marc Johnson, virologue à l’Université du Missouri en Colombie, qui co-dirige les efforts avec O’Connor pour retracer les lignées des eaux usées dans le Wisconsin et mène des recherches pour variantes similaires dans deux douzaines d’autres endroits.

« C’est un travail de détective tellement intelligent. C’est phénoménal », ajoute Bill Hanage, épidémiologiste à la Harvard TH Chan School of Public Health à Boston, Massachusetts. “Nous ne savons toujours pas vraiment d’où viennent les variantes.”

Lignées cryptiques

Les enquêteurs de la santé publique font la plomberie depuis plus d’un siècle : en 1854, l’épidémiologiste britannique John Snow a retracé une épidémie de choléra à Londres jusqu’à une pompe à eau contaminée. La poussée mondiale pour éradiquer le poliovirus, qui est excrété dans les matières fécales, repose sur la détection des virus dans les eaux usées, car les cas de paralysie sont si rares.

Pendant la pandémie, les chercheurs ont découvert que l’échantillonnage des égouts peut avertir des poussées de COVID-19. La plupart de ces efforts se sont concentrés sur les variantes courantes du SRAS-CoV-2 circulant dans la communauté qui ont été détectées lors des tests de routine. Mais en mars de l’année dernière, Johnson et ses collègues ont commencé à remarquer des lignées virales dans les eaux usées qui ne correspondaient à rien dans les bases de données mondiales contenant des millions de séquences.

Ces «lignées cryptiques» étaient chargées de modifications de la protéine de pointe que le SRAS-CoV-2 utilise pour pénétrer dans les cellules – et que le système immunitaire cible. Ces changements se manifesteraient plus tard dans des variantes d’évasion immunitaire telles que Omicron.

Le séquençage des eaux usées pour le SRAS-CoV-2 peut être extrêmement sensible. Mais lorsque les cas d’Omicron ont inondé les bassins versants que Johnson étudiait fin 2021, ils ont noyé les lignées cryptiques que son équipe chassait. Pour surmonter cela, Johnson a développé une approche de séquençage pour identifier les lignées rares non Omicron qui auraient pu infecter une seule personne. « Vous cherchez vraiment une aiguille dans la botte de foin », dit-il.

Avec cette méthode en place, Johnson a lancé un appel pour les eaux usées, collectant finalement des échantillons dans plus de 600 zones desservies par des systèmes de collecte des eaux usées, dans 39 États américains. « J’ai écrit à tous ceux que je connaissais. Je l’ai posté sur Twitter : “Je suis comme, envoie-moi ta merde.”

Martin Shafer, biogéochimiste environnemental au Wisconsin State Laboratory of Hygiene à Madison, a fourni des échantillons de l’État. O’Connor, dont le laboratoire faisait partie d’un effort à l’échelle du Wisconsin pour suivre le SRAS-CoV-2 par l’échantillonnage des eaux usées et de l’air, a mobilisé une équipe pour enquêter sur la lignée cryptique que les chercheurs suivent maintenant. La variante, qui est apparue pour la première fois dans les eaux usées collectées en janvier 2022, partageait de nombreuses mutations avec Omicron, mais provenait d’une partie entièrement différente de l’arbre généalogique du SRAS-CoV-2.

« Nous ne sommes pas tombés dessus. Je chassais », dit Johnson. “Je voulais savoir quelle était la source.”

Détectives des égouts

Pour affiner l’origine de la variante, les chercheurs ont suivi des échantillons qui avaient été collectés dans des bassins versants de plus en plus petits du réseau d’égouts (voir “Chasse à une lignée cryptique”). Cela a obligé les travailleurs municipaux à placer des dizaines de dispositifs d’échantillonnage spécialisés sous les plaques d’égout pendant les profondeurs de l’hiver du Wisconsin. « Les gens faisaient un travail bien en dehors de leurs descriptions de travail », dit O’Connor.

Une telle aide ne peut pas être tenue pour acquise, déclare Rose Kantor, microbiologiste à l’Université de Californie à Berkeley, qui travaille avec Johnson pour retracer les lignées cryptiques dans les eaux usées de Californie. Leurs enquêtes ont abouti à une impasse lorsqu’ils n’ont pas pu convaincre les autorités de prélever des échantillons supplémentaires.

Alors que la recherche de la variante du Wisconsin se rétrécissait, Johnson craignait perpétuellement que la variante ne disparaisse. “Ce n’était pas la première fois que nous essayions de suivre une lignée, mais souvent, ils échouent”, dit-il. “Je flippais constamment.”

Mais à chaque embranchement du réseau d’égouts, la lignée n’a été trouvée que le long d’un seul chemin. Après avoir exclu les chiens, les rats et les cerfs – qui peuvent tous être porteurs du SRAS-CoV-2 – les chercheurs ont suspecté qu’ils recherchaient une personne atteinte d’une infection chronique. En juin, ils ont retracé la lignée des eaux usées d’une seule entreprise de moins de 30 employés (les chercheurs souhaitent garder confidentiels le nom et l’emplacement de l’entreprise afin de protéger la vie privée de la communauté). Les chercheurs préparent une prépublication décrivant l’enquête.

Compétences d’évasion

Alors que les responsables de la santé publique impliqués dans l’enquête pesaient leurs prochains mouvements, l’équipe d’O’Connor et Johnson a continué à suivre la variante et à étudier ses propriétés.

Depuis sa découverte, la lignée avait acquis des mutations supplémentaires et sa diversité génétique avait augmenté – caractéristiques d’un virus évoluant dans le corps d’une seule personne sans se propager. Les expériences ont montré que la variante était encore meilleure que la lignée Omicron BA.1 pour contrecarrer les anticorps déclenchés par la vaccination et une infection antérieure.

Mais il n’était pas clair quel risque la variante représentait pour quiconque autre que la personne qui la portait. “La grande majorité de ces lignées ne transmettent pas au mieux de nos connaissances”, explique O’Connor.

Ryan Westergaard, l’épidémiologiste d’État pour les maladies transmissibles au département de la santé et de la sécurité du Wisconsin à Madison, dit que son équipe a longuement réfléchi avant de demander à l’entreprise et à ses employés s’ils seraient testés pour le SRAS-CoV-2. « Nous ne voulions pas semer la panique et dire qu’il y a une nouvelle variante dangereuse qui se cache dans notre communauté », dit-il. Mais il voulait aider la personne porteuse de l’infection à se faire soigner – et réduire tout risque de propagation.

Environ 60% des employés de l’entreprise se sont présentés pour des tests d’écouvillonnage nasal, mais aucun ne semble porter la lignée cryptique. L’équipe de Westergaard recherche maintenant la variante dans les tests communautaires du SRAS-CoV-2 et dans les eaux usées d’autres égouts du Wisconsin. Les chercheurs reviennent également sur des échantillons cliniques précédemment collectés pour voir si la variante est déjà apparue. « Nous restons vigilants », déclare Westergaard.

Instinct

Johnson, O’Connor et leur équipe n’ont pas abandonné leur recherche. Ils continuent de détecter la variante, et à des quantités que Johnson n’a jamais vues auparavant dans les eaux usées. À ces niveaux – et combinés aux prélèvements nasaux négatifs des employés – Johnson se demande si la personne infectée héberge le virus principalement dans son intestin, plutôt que dans ses voies respiratoires. L’équipe espère analyser des échantillons de selles d’employés volontaires et cherche une approbation éthique pour une telle étude.

Smruthi Karthikeyan, biologiste informatique à l’Université de Californie à San Diego, a remarqué quelque chose de similaire lors du séquençage des eaux usées dans les bâtiments universitaires. Certaines personnes ont perdu de grandes quantités de matériel génétique du SRAS-CoV-2 pendant des semaines après la disparition de leurs infections des voies respiratoires et de leurs symptômes.

Les infections chroniques de l’intestin sont un bon candidat pour la source des variantes préoccupantes du SRAS-CoV-2 telles qu’Omicron, déclare Kristian Andersen, biologiste de l’évolution chez Scripps Research à La Jolla, en Californie. Les cellules immunitaires de l’intestin sont plus tolérantes aux micro-organismes que celles ailleurs dans le corps, permettant potentiellement au virus d’évoluer en présence d’une certaine – mais pas trop – pression immunitaire. Dans la plupart des cas, ces infections intestinales ne se transmettront jamais à d’autres, dit Andersen – à moins que quelque chose dans le corps ne change et que le virus ne retourne dans les voies respiratoires. “Alors cela donne le risque d’un événement d’émergence comme Omicron”, émet-il l’hypothèse.

L’identification de la personne dans le Wisconsin pourrait donc aider les chercheurs à comprendre comment des variantes telles qu’Omicron émergent, ajoute Andersen. “Ce que cela vous montre, c’est le moteur des variantes”, dit-il. “Le travail de détective qu’ils ont fait est incroyable.”

Même si les chercheurs ne peuvent pas identifier une personne portant la lignée du Wisconsin, l’étude de lignées cryptiques comme celle-ci pourrait aider à prédire l’avenir du SRAS-CoV-2, dit O’Connor. La plupart de ses mutations remarquables se trouvent dans la protéine de pointe, mais son équipe a identifié des modifications de régions clés d’une autre molécule virale, appelée ectodomaine de la protéine membranaire, qui pourraient également être importantes pour l’immunité (voir « Comparaison cyptique »).

Les lignées cryptiques pourraient ne pas s’avérer être «l’oracle de la cuvette des toilettes», dit O’Connor, mais si elles peuvent aider à prévoir les grandes tendances de l’évolution du SRAS-CoV-2, cela pourrait aider les chercheurs à tester des vaccins et des traitements contre le potentiel futures variantes – qui pourraient déjà flotter dans un égout quelque part dans le monde. “Si nous voyons cela dans le Wisconsin en le mettant en lumière”, déclare O’Connor, “vous devez savoir que cela se produit partout”.