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Les eaux usées pour détecter l'évolution de la pandémie de COVID-19

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Une équipe de recherche de l’EPFL, en collaboration avec l’Eawag, a réussi à détecter la présence du coronavirus dans les eaux usées à travers des échantillons prélevés pendant la première phase de la pandémie. L’objectif est de mettre sur pied, à terme, un système d’alerte précoce.

En attendant de trouver remèdes et vaccin efficaces, analyser les eaux usées récoltées dans nos stations d’épuration permet de détecter le virus avant qu’il n’y ait de diagnostiques cliniques. «Notre travail porte sur la quantification du virus dans les eaux usées, si nous pouvons le détecter avant les symptômes cliniques et combien de temps avant», explique Tamar Kohn qui dirige le Laboratoire de Chimie environnementale de l’EPFL.

Grâce à Christoph Ort, du département de Gestion des eaux urbaines de l’Eawag (l’Institut Fédéral Suisse des Sciences et Technologies de l’Eau), et à Tim Julian du département de Microbiologie de l’environnement de l’Eawag, les chercheurs ont réussi un tour de force en détectant et quantifiant en l’espace de quelques semaines seulement le SARS-CoV-2 dans les eaux usées. Les scientifiques ont analysé des échantillons provenant de Lausanne, de Lugano et de Zurich.

Xavier Fernandez Cassi a prélevé des échantillons dès la fin février © EPFL 2020 / Alain Herzog

Dans ces deux dernières villes, un prélèvement avait été effectué fin février 2020 déjà, alors que les premiers cas d’infection étaient enregistrés en Suisse. «L’épidémiologie environnementale est mon domaine de recherche, j’étais prêt à travailler sur cette épidémie lorsque le virus est arrivé en Italie, c’était clair pour moi que nous allions être touchés : dans un monde hyper connecté, le contraire m’aurait étonné», précise Xavier Fernandez Cassi du Laboratoire de Chimie environnementale de l’EPFL.

Les scientifiques sont parvenus à mettre en évidence les traces du SARS-CoV2 dans la totalité des échantillons. Si, dans les plus récents, les concentrations élevées laissent supposer une quantification plutôt aisée, ce n’était pas le cas des échantillons de février : «Nous ne pensions pas que nous serions capables de détecter un signal dans les eaux usées alors qu’un seul cas avait été identifié à Lugano et seulement six à Zurich», commente Tamar Kohn. Son équipe est experte dans le développement de nouvelles méthodes de traitement de l’eau. En collaboration avec l’Eawag, les scientifiques ont récolté de nombreux échantillons provenant de 9 stations d’épuration au Tessin, 2 à Zurich et 1 à Lausanne, collectant les eaux usées de quelque 800’000 mille habitants.

L’enjeu est tellement important que Xavier Fernandez Cassi et Marie-Hélène Corre, tous deux biologistes au sein du LCE, ont reçu l’autorisation exceptionnelle, pendant la période de confinement du printemps 2020, de poursuivre leurs recherches dans leur laboratoire de l’EPFL. Une situation inédite qui leur a permis d’être très efficaces, tous les outils d’analyse étant libres d’accès dans le laboratoire du campus déserté. Comme il s’agit d’un nouveau virus zoonotique, les chercheurs doivent rester très prudents dans son analyse même s’il fait partie d’une famille connue. «La principale caractéristique du coronavirus est qu’il s’agit d’un virus enveloppé. Sa capside virale est entourée d’une membrane biologique. Le virus de la grippe saisonnière est un virus à enveloppe ainsi que celui du VIH», explique Marie-Hélène Corre.

Marie-Hélène Corre analyse les échantillons des STEP suisses © EPFL 2020 / Alain Herzog

«À partir des échantillons de 20 grandes stations d’épuration réparties sur le territoire national, nous pourrions surveiller les eaux usées de près de 2,5 millions de personnes.»

L’objectif: un système d’alerte précoce

Depuis que les premiers cas de COVID-19 ont été signalés en Suisse, ces échantillons constituent de précieuses archives. Le but principal du projet n’est cependant pas de retracer l’évolution passée mais de mettre au point un système d’alerte précoce. «À partir des échantillons de 20 grandes stations d’épuration réparties sur le territoire national, nous pourrions surveiller les eaux usées de près de 2,5 millions de personnes», précise Christoph Ort. En les analysant rapidement, il serait ainsi possible de détecter une éventuelle recrudescence des infections pendant le déconfinement bien avant, peut-être une semaine avant qu’elle ne soit visible dans les tests sur les personnes symptomatiques.

Le chercheur de l’Eawag s’intéresse depuis longtemps à l’épidémiologie des eaux usées. Jusqu’à présent, ses recherches étaient centrées sur l’étude de la consommation de stupéfiants en Europe. Car, comme il le souligne, «les eaux usées ne mentent pas et révèlent en quelques heures ce que les excrétions de la population contiennent». Dans le nouveau contexte, les scientifiques ont pu profiter des contacts préexistants avec les cantons et les stations d’épuration.

Un suivi de l’évolution de la pandémie mais pas du nombre exact de cas

Grâce à la détection des concentrations infimes de virus dès le début de la pandémie, il devrait être possible de retracer rétrospectivement la courbe d’évolution du COVID-19. Il ne sera cependant pas vraiment possible de suivre le nombre exact de cas. En effet, le nombre de virus excrétés par une personne infectée varie trop d’un individu à l’autre. Mais l’essentiel est de suivre l’évolution de la situation.

Les scientifiques ont ainsi pu retracer grossièrement, à partir de leurs échantillons, l’augmentation des concentrations de SARS-CoV2 dans les eaux usées lausannoises entre mars et avril 2020: Tamar Kohn estime qu’elles auraient augmenté d’un facteur de dix à cent.

Après une préparation minutieuse des échantillons, une recherche est effectuée pour trouver les informations sur l'ARN du SARS-CoV-2. © 2020 Eawag, Andri Bryne

Une méthodologie complexe

Malgré les premiers résultats encourageants, la méthode doit encore être optimisée. Ainsi, on ne sait pas encore exactement quelle proportion de virus est appréhendée lors de l’extraction qui, par une suite de filtrations et de centrifugations, consiste à forcer l’enveloppe qui entoure le patrimoine génétique (ARN) révélateur de son identité.

De même, la multiplication consécutive de la séquence génétique recherchée s’accompagne encore de fortes incertitudes. Il ne sera possible d’obtenir des conclusions reproductibles et comparables sur la concentration de virus de l’échantillon original que lorsque ces incertitudes seront plus réduites.

Tamar Kohn © EPFL 2020 / Alain Herzog

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