Wastewater analysis offers a new way to monitor HIV in communities
Human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) detection in wastewater offers a novel approach to monitor the virus in communities. Baylor College of Medicine researchers and colleagues at collaborating institutions report in Nature Communications that their method, called hybrid-capture genetic sequencing, allows them to analyze viral genomes in detail and specifically identify viral signals coming from community wastewater.
Analysis of sites with available clinical data showed that wastewater HIV signals strongly coincided with the number of people known to be living with HIV in that community, providing evidence that wastewater HIV signals can track HIV burden.
“HIV-1 is a retrovirus that has infected 90 million people and caused more than 40 million deaths,” said co-corresponding author Dr. Thomas Giordano, section chief of infectious diseases and professor of medicine at Baylor. “Despite advances in diagnostics, preventive measures and treatment, HIV-1 continues to spread – there were 1.3 million new diagnoses globally in 2023. Controlling HIV is challenging because it is difficult to identify people who are undiagnosed or not receiving consistent care; these groups account for 80% of new transmissions.”
Current HIV surveillance methods rely heavily on clinical diagnoses and viral load reporting, which depends on individuals accessing care. As a result, people who do not seek or delay seeking medical attention remain largely invisible to public health systems.
“There is an urgent need for a complementary surveillance strategy capable of detecting undiagnosed or untreated infections,” said co-corresponding author Dr. Anthony Maresso professor of molecular virology and microbiology at Baylor. “In the current study, we show that wastewater analysis may offer the possibility of finding geographic locations with untreated HIV. This would help identify communities where resources for HIV prevention and treatment need to be present or increased.”
Baylor and colleagues continue taking the lead on viral wastewater surveillance
Wastewater analysis was first developed at Baylor for poliovirus surveillance in the mid-20th century. During the COVID-19 pandemic, Baylor and collaborators pioneered the use of wastewater surveillance to track SARS-CoV-2 virus at the population and community levels, successfully mirroring case rates, predicting hospitalizations and enabling early detection of new viral variants.
Since May 2022, the Texas Wastewater and Environmental Biomonitoring (TexWEB) group has implemented weekly-to-monthly viral sequencing of wastewater across major Texas cities. This program has now detected more than 400 human and animal viruses in wastewater, enabled monitoring and early detection of viral outbreaks including, avian influenza virus, mpox and measles, and generated a sequencing-based tracking dashboard for public health reporting.
“In the current study, we used this approach to analyze wastewater collected from 40 sites across 15 cities in Texas from mid-2022 through the end of 2024. Instead of using tests that look only for short specific genetic sequences of HIV, we used an advanced sequencing approach that allowed us to detect HIV genetic material and examine which sections of the HIV genome were present,” said first author Dr. Justin Clark assistant professor of molecular virology and microbiology at Baylor.
The team detected HIV genetic material repeatedly across more than 2,000 wastewater samples, though at low levels. This shows that HIV can indeed be found in wastewater in a consistent and measurable way.
It’s important to remark that it’s highly unlikely that HIV signals in wastewater represent infectious virus,” Giordano said. “Decontamination protocols in labs and wastewater facilities break down any virus that end up in wastewater.”
Unexpected results
“When we looked closely at some of the HIV signals we detected, the sequences appeared to come from non-circulating lab strains rather than virus circulating in the community, which suggested contamination,” Clark said. “But the interesting thing is that we do not work with HIV in our lab. That meant that any ‘contamination’ had to have happened before we received the wastewater samples.”
The team then looked at where these sequences were coming from and found them concentrated near medical and research centers.
“We saw this as a clue,” Clark said. “Certain HIV sequences belonging to HIV variants that circulated in the 1980s have been developed into research tools called lentiviral vectors. These are not live virus but sections of its genetic material that are used in many types of research.
Our detailed analysis of wastewater HIV sequences suggests that lentiviral contamination from research activity was confounding the data.”
To filter out this confounding factor, the team developed an approach that classifies HIV sequences as circulating (community-derived) or non-circulating (vector-derived.) Earlier research had not looked for or filtered out these other signals.
Once the researchers eliminated the confounding factor, they uncovered a significant association between HIV signals in wastewater and diagnosed HIV in communities.
“Our study also addresses the need to maintain site anonymity, which is important for HIV surveillance given ongoing stigma and criminalization,” Giordano said. “We have another component of this study – reaching out to focus groups, communities, individuals and advocates to make sure we take into consideration people’s points of view.”
This study establishes a foundation for sequencing-based HIV wastewater surveillance and highlights lentiviral vector contamination as an overlooked confounding factor that must be addressed in future monitoring efforts for HIV-1 and other disease-causing microbes with synthetic counterparts,” Maresso said.
The following authors also contributed to this work: Dylan Chirman, Harihara Prakash, Austen Terwilliger, Matt Ross, Mike Tisza, Sara J. Javornik Cregeen, Jason T. Kimata and Faith E. Fletcher, all at Baylor College of Medicine. Marlene McNeese and Loren Hopkins are at Houston Health Department. Jennifer Deegan, Catherine L. Troisi, Eric Boerwinkle, Kristina Mena and Fuqing Wu are affiliated with the University of Texas Health Science Center at Houston, and Marc Johnson and Devon Gregory are with the University of Missouri School of Medicine.
This work was supported by NIH grants R01DA059394 and P30AI161943, by S.B. 1780, 87th Legislature, 2021 Reg. Sess. (Texas 2021), Baylor College of Medicine and the Alkek Foundation Seed Fund and the MD Anderson Foundation Chair.
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El análisis de aguas residuales ofrece una nueva forma de monitorear el VIH en las comunidades
La detección del virus de la inmunodeficiencia humana tipo 1 (VIH-1) en aguas residuales ofrece un enfoque novedoso para monitorear el virus en las comunidades. Investigadores del Baylor College of Medicine y sus colegas informan en Nature Communications que su método, denominado secuenciación genética por captura híbrida, les permite analizar en detalle los genomas virales e identificar específicamente señales virales provenientes de las aguas residuales comunitarias.
El análisis de sitios con datos clínicos disponibles mostró que las señales de VIH en aguas residuales coincidían estrechamente con el número de personas conocidas por vivir con VIH en esa comunidad, lo que proporciona evidencia de que estas señales pueden utilizarse para seguir la carga del VIH.
“El VIH-1 es un retrovirus que ha infectado a 90 millones de personas y provocado más de 40 millones de muertes,” dijo el Dr. Thomas Giordano, coautor del trabajo y jefe de la sección de enfermedades infecciosas y profesor de medicina en Baylor. “A pesar de los avances en diagnósticos, medidas preventivas y tratamientos, el VIH-1 continúa propagándose; hubo 1,3 millones de nuevos diagnósticos a nivel mundial en 2023. Controlar el VIH es difícil porque resulta complicado identificar a las personas que no han sido diagnosticadas o que no reciben atención médica de manera constante; estos grupos representan el 80 % de las nuevas transmisiones”.
Los métodos actuales de vigilancia del VIH dependen en gran medida de los diagnósticos clínicos y de los informes de carga viral, lo que requiere que las personas accedan a la atención médica. Como resultado, quienes no buscan atención médica o retrasan hacerlo permanecen en gran medida invisibles para los sistemas de salud pública.
“Existe una necesidad urgente de una estrategia complementaria de vigilancia capaz de detectar infecciones no diagnosticadas o no tratadas,” dijo el Dr. Anthony Maresso, coautor y profesor de virología molecular y microbiología en Baylor. “En este estudio mostramos que el análisis de aguas residuales puede ofrecer la posibilidad de identificar áreas geográficas con VIH no tratado. Esto ayudaría a identificar comunidades donde los recursos para la prevención y el tratamiento del VIH deben estar presentes o incrementarse”.
El análisis de aguas residuales fue desarrollado por primera vez en Baylor para la vigilancia del poliovirus a mediados del siglo XX. Durante la pandemia de COVID-19, Baylor y sus colaboradores fueron pioneros en el uso de la vigilancia de aguas residuales para rastrear el virus SARS-CoV-2 a nivel poblacional y comunitario, reflejando con éxito las tasas de casos, prediciendo hospitalizaciones y permitiendo la detección temprana de nuevas variantes virales.
Desde mayo de 2022, el grupo Texas Wastewater and Environmental Biomonitoring (TexWEB) ha implementado la secuenciación viral semanal y mensual de aguas residuales en las principales ciudades de Texas. Este programa ha detectado más de 400 virus humanos y animales en aguas residuales, ha permitido monitorear y detectar tempranamente brotes virales, incluidos los de influenza aviar, mpox y sarampión, y ha generado un panel de seguimiento basado en secuenciación para la elaboración de informes de salud pública.
“En el estudio actual, utilizamos este enfoque para analizar aguas residuales recolectadas en 40 sitios de 15 ciudades de Texas desde mediados de 2022 hasta finales de 2024. En lugar de utilizar pruebas que buscan únicamente secuencias genéticas cortas y específicas del VIH, empleamos un método avanzado de secuenciación que nos permitió detectar material genético del VIH y examinar qué secciones del genoma viral estaban presents,” dijo el Dr. Justin Clark, autor lider del Proyecto y profesor asistente de virología molecular y microbiología en Baylor.
El material genético del VIH se detectó repetidamente en más de 2.000 muestras de aguas residuales, aunque en niveles bajos, lo que demuestra que el VIH puede encontrarse en aguas residuales de forma consistente y medible. “Es importante señalar que es muy poco probable que las señales de VIH en aguas residuales representen virus infecciosos,” dijo Giordano. “Los protocolos de descontaminación en los laboratorios y en las instalaciones de tratamiento de aguas residuales descomponen cualquier virus que termine en las aguas residuales”.
Resultados inesperados
“Cuando analizamos detalladamente algunas de las señales de VIH que detectamos, las secuencias parecían provenir de cepas de laboratorio no circulantes, en lugar de virus que circulaban en la comunidad, lo que sugería contaminación,” dijo Clark. “Pero lo interesante es que no trabajamos con VIH en nuestro laboratorio. Eso significaba que cualquier ‘contaminación’ tenía que haber ocurrido antes de que recibiéramos las muestras de aguas residuals.”
A continuación, el equipo investigó de dónde provenían estas secuencias y descubrió que estaban concentradas cerca de centros médicos y de investigación.
“Lo vimos como una pista,” dijo Clark. “Determinadas secuencias de VIH pertenecientes a variantes que circularon en la década de 1980 han sido desarrolladas como herramientas de investigación llamadas vectores lentivirales. Estos no son virus vivos, sino fragmentos de su material genético que se utilizan en muchos tipos de investigación. Nuestro análisis detallado de las secuencias de VIH en aguas residuales sugiere que la contaminación por vectores lentivirales derivada de actividades de investigación estaba confundiendo los datos. Para filtrar este factor de confusión, desarrollamos un enfoque que clasifica las secuencias de VIH como circulantes (derivadas de la comunidad) o no circulantes (derivadas de vectores). Investigaciones anteriores no habían buscado ni filtrado estas otras señales”.
Una vez que los investigadores eliminaron este factor de confusión, descubrieron una asociación significativa entre las señales de VIH en aguas residuales y los casos diagnosticados de VIH en las comunidades.
“Nuestro estudio también aborda la necesidad de mantener el anonimato de los sitios, lo cual es importante para la vigilancia del VIH dado el estigma y la criminalización que aún persisten,” dijo Giordano. “Tenemos otro componente de este estudio: acercarnos a grupos focales, comunidades, individuos y defensores para asegurarnos de tomar en consideración sus puntos de vista”.
“Este estudio establece una base para la vigilancia del VIH en aguas residuales basada en secuenciación y destaca la contaminación por vectores lentivirales como un factor de confusión pasado por alto que debe abordarse en futuros esfuerzos de monitoreo del VIH-1 y de otros microbios causantes de enfermedades que tienen contrapartes sintéticas,” dijo Maresso.
Los siguientes autores también contribuyeron a este trabajo: Dylan Chirman, Harihara Prakash, Austen Terwilliger, Matt Ross, Mike Tisza, Sara J. Javornik Cregeen, Jason T. Kimata y Faith E. Fletcher, todos del Baylor College of Medicine. Marlene McNeese y Loren Hopkins pertenecen al Houston Health Department. Jennifer Deegan, Catherine L. Troisi, Eric Boerwinkle, Kristina Mena y Fuqing Wu están afiliados al University of Texas Health Science Center at Houston, y Marc Johnson y Devon Gregory pertenecen a la University of Missouri School of Medicine.
Este trabajo fue financiado por las subvenciones de los NIH R01DA059394 y P30AI161943, por la S.B. 1780, 87.ª Legislatura, Sesión Ordinaria de 2021 (Texas 2021), Baylor College of Medicine, el Alkek Foundation Seed Fund y la Cátedra de la Fundación MD Anderson.
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