Riool als gezondheidsmeter

Ziekten opsporen in afvalwater

Analyse van DNA of RNA in rioolwater kan informatie opleveren over de volksgezondheid. Onderzoekers van de TU Delft werken aan een nieuwe techniek die is gebaseerd op het meten van al het eiwit in rioolwatermonsters, afkomstig van mensen of microben. Ook eiwitten kunnen, net als DNA en RNA, een indicator zijn om opkomende ziekten te signaleren.

TEKST: MARLIES TER VOORDE

Via urine en ontlasting scheiden mensen eiwitten, virusresten en microben uit en die komen allemaal in het riool terecht. Zoals een buisje urine informatie bevat over de gezondheid van een individu, zo bevat een monster rioolwater informatie over de gezondheid van de groep mensen die van dat riool gebruikmaken. In Nederland gaat het om ruim driehonderd verschillende groepen – dat is het aantal rioolwaterzuiveringsinstallaties (rwzi's) verspreid over het land.

Rioolwater bevat indicatoren voor verschillende ziekten. Het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM) doet daarom al meer dan dertig jaar rioolwateronderzoek. Zo vond het onderzoeksinstituut in 1992 sporen van het poliovirus in bepaalde streken en onderzoekt het laboratorium van de Nationale Rioolwatersurveillance (NRS) van het RIVM sinds 2020 het afvalwater op de concentratie coronavirusdeeltjes (zie kader Coronagolfvoorspellingen).

Onderzoekers van de TU Delft breiden de afvalwatermonitoring nu uit met een nieuwe methode. Die richt zich niet op kleine moleculen, DNA of RNA, zoals de gebruikelijke methoden, maar op eiwitten in het afvalwater die afkomstig kunnen zijn van mensen of van microben. De novo metaproteomica: zo heet deze methode, waarover de onderzoekers afgelopen januari een wetenschappelijk artikel publiceerden in het wetenschappelijke tijdschrift ISME Communications (zie kader Wat is metaproteomica?).

Welkome aanvulling

De novo metaproteomica kan een waardevolle toevoeging zijn aan de rioolwatersurveillances die nu al plaatsvinden, zegt Martin Pabst, onderzoeker milieubiotechnologie en hoofd van de metaproteomicaonderzoeksgroep aan de TU Delft.

‘Artsen kunnen dankzij zulke surveillances zien of bepaalde campagnes of behandelingen aanslaan, en of een besmettelijke ziekte aan het opvlammen of juist aan het uitdoven is.’ Dat valt ook met andere onderzoeken te achterhalen, maar die zijn vaak lastig uitvoerbaar en duur omdat er veel personen voor moeten worden benaderd en getest. Vaak gebeurt dit met bloedonderzoek of vragenlijsten.

Met de novo metaproteomica kan elke ziekte worden gemeten die specifieke eiwitten of unieke microbe (biomarkers) produceert. ‘En de methode is heel goedkoop’, zegt Pabst. ‘Het rioolwater wordt toch al verzameld en de analysemachines zijn er. De uitslag is er binnen een dag. Die resultaten kunnen we dan bijvoorbeeld bijhouden op een dashboard, vergelijkbaar met wat er destijds voor corona is ontwikkeld. Beleidsmakers kunnen dan de regionale trends goed zien en worden gealarmeerd als er iets aan de hand is.’

Denkbare incidenten die hiermee kunnen worden opgemerkt, zijn naast opvlammende infectieziekten bijvoorbeeld ook ongemerkte blootstellingen van mensen in een bepaald gebied aan chemicaliën of aan industriële verontreinigingen die ziekte veroorzaken. ‘In Nederland gebeurt dat misschien niet zo snel’, zegt Pabst, ‘maar er zijn ook landen waar ze veel minder strikt omgaan met milieuregels en veiligheidsvoorschriften.’

Grote diversiteit aan eiwit

Tijdens de coronacrisis werd de virusconcentratie bepaald uit in het riool aanwezig RNA. Met de novo metaproteomica had men de besmettingsgolven op dat moment waarschijnlijk niet kunnen zien aankomen, denkt Pabst. De nieuwe methode is dan ook nog in ontwikkeling. ‘Het gaat om de gevoeligheid’, zegt Pabst, ‘en die groeit mee met de hoeveelheid data.’ Omdat de diversiteit in eiwitten veel groter is dan de diversiteit in genen, is het namelijk lastiger om met eiwitten een soort te identificeren dan met DNA of RNA.

Met de RNA-methode wordt het gezochte signaal flink versterkt. ‘Het is daardoor een héél gevoelige techniek en dat is een groot voordeel. Maar je moet wel al van te voren weten waarnaar je op zoek bent’, zegt Pabst. ‘Het kan daardoor voorkomen dat je nieuwe varianten van een virus over het hoofd ziet. En door de gevoeligheid kunnen er ook valse positieven optreden: dan meet je wel iets, maar blijkt er eigenlijk niets aan de hand te zijn.’

De nieuwe methode waaraan zijn groep werkt, is niet doelgericht: die meet alle eiwitten die er zijn, of ze nu worden gezocht of niet. En omdat er geen signalen worden versterkt, is er minder kans op valse positieven.

Waarde voor gezondheidszorg

De novo metaproteomica is een techniek in ontwikkeling, en wordt dus nog niet voor grootschalige analyses ingezet. Wel analyseerden Pabst en zijn team in een proof-of-concept-onderzoek afvalwatermonsters uit Utrecht en uit de rwzi Harnaschpolder in Den Hoorn, vlakbij Delft. Bij deze campagne, die gedurende drie wintermaanden plaatsvond, detecteerden ze ongeveer tweehonderd menselijke eiwitten in het afvalwater. Hieronder bevonden zich stoffen die worden geassocieerd met kanker en indicatoren voor virus-geïnduceerde ontstekingen en antilichamen.

Het is mooi om te zien dat er zoveel wordt ontdekt in rioolwater, zegt Gertjan Medema, onderzoeker bij KWR en een van de aanjagers van de coronasurveillance in het riool van zes jaar geleden. Hij is niet betrokken bij het onderzoek in Delft. Medema: ‘Dat het afvalwater ook eiwitten bevat die zijn gekoppeld aan onze gezondheid, is een onderwerp waaraan verschillende instituten nu werken. De TU Delft is er daar één van.’ Medema ziet het vooral als verkennend onderzoek, gericht op wat er is te vinden in het rioolwater. Het toepassen van die informatie in de gezondheidszorg vraagt volgens hem nog wel een aantal extra stappen. ‘Daarvoor moet er beter zicht komen op de relatie tussen de aanwezigheid of concentratie van bepaalde eiwitten in het rioolwater, en hoe vaak een ziekte voorkomt in de bevolking.’

Ook is meer onderzoek nodig naar de stabiliteit en het gedrag van eiwitten in het riool, zegt Medema. Sommige menselijke eiwitten die veel in ontlasting of urine voorkomen, zijn in het rioolwater namelijk helemaal niet aangetroffen.

Medema: ‘De onderzoekers hebben zich nu gericht op wat er te zien is in rioolwater. De volgende stap zou moeten zijn om te bepalen wat de waarde daarvan is voor betere gezondheidszorg.’ Pabst beaamt dat. ‘Op dit moment zijn vooral meer grootschalige studies nodig, waarin we grote steden over een paar seizoenen volgen. Dan kunnen we uitzoeken of de data uit het riool correleren met medische gegevens over de populatie, de methode valideren, en uitvinden welke biomarkers het meest zinnig zijn om ons op te richten.’

Aangezien de massaspectrometers nog steeds elk jaar gevoeliger worden, kan de novo metaproteomica volgens Pabst over een jaar of vijf een goed werkbare aanvullende rioolwater-analysemethode zijn, om bijvoorbeeld de immuniteit en vaccinatiegraad van de bevolking realtime te monitoren.