La précision et la convivialité du point

npj Clean Water volume 6, Numéro d'article : 5 (2023) Citer cet article

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Le fluor géogénique contamine l'eau de dizaines de millions de personnes. Cependant, beaucoup ignorent la teneur en fluorure en partie à cause des lacunes des méthodes de détection. Les tests de biocapteurs sont une approche relativement nouvelle des tests de qualité de l'eau qui corrigent bon nombre de ces lacunes, mais n'ont jamais été testés par des non-experts dans un environnement « réel ». Nous avons donc cherché à évaluer la précision et la facilité d'utilisation d'un biocapteur de fluorure au point d'utilisation à l'aide d'enquêtes et d'essais sur le terrain dans le comté de Nakuru, au Kenya. Les tests de biocapteur ont classé avec précision le fluorure élevé (≥1,5 ppm) dans 89,5 % des 57 échantillons testés. La convivialité était également élevée; tous les participants ont pu utiliser le test et ont interprété correctement tous les échantillons sauf un. Ces données suggèrent que les tests de biocapteur peuvent fournir des données précises et significatives sur la qualité de l'eau qui aident les non-experts à prendre des décisions concernant l'eau qu'ils consomment. Une mise à l'échelle plus poussée de ces technologies pourrait fournir de nouvelles approches pour suivre les progrès mondiaux vers l'objectif de développement durable 6.

La contamination de l'eau et les conséquences sanitaires et économiques qui en résultent sont un problème de santé mondial urgent1. L'objectif de développement durable (ODD) 6 suit les progrès vers la "disponibilité et la gestion durable de l'eau et de l'assainissement pour tous". Les progrès vers la cible 6.1 des ODD, la proportion d'êtres humains ayant « un accès universel et équitable à une eau potable sûre et abordable », sont suivis principalement à l'aide de données sur l'accès aux infrastructures d'eau potable communiquées par les bureaux nationaux de statistiques au Fonds d'urgence des Nations Unies pour l'enfance (UNICEF) et au Programme conjoint de surveillance (JMP) de l'Organisation mondiale de la santé (OMS)2.

Les estimations actuelles basées sur les données du JMP indiquent que deux milliards de personnes dans le monde n'ont pas accès à un service d'eau potable géré en toute sécurité2, de sorte que nous ne sommes pas sur la bonne voie pour atteindre la cible 6.1 d'ici 20303. Même cette estimation peut être trop optimiste car les données actuelles sur la qualité de l'eau sont limitées4 . Plus précisément, moins de la moitié des États membres des Nations Unies disposent des ressources nécessaires pour générer des données sur la qualité de l'eau suffisamment solides pour piloter la gouvernance3. En tant que tel, il existe un besoin reconnu de technologies de collecte de données plus largement utilisables pour suivre la présence de contaminants dans l'eau identifiés par l'OMS comme prioritaires5, en particulier E. Coli, l'arsenic, les nitrites et le fluorure6.

Des niveaux dangereux de fluorure se trouvent dans les sources d'eau utilisées par des dizaines de millions de personnes dans le monde7,8. L'exposition à des concentrations de fluorure supérieures à 1,5 ppm (ou 1,5 mg/L), le seuil établi par l'OMS6, se produit généralement lorsque des sels fluorés d'origine naturelle s'infiltrent dans les aquifères souterrains. Des niveaux élevés de fluorure dans les eaux souterraines se produisent à l'échelle mondiale et sont particulièrement préoccupants en Afrique du Nord et de l'Est, au Moyen-Orient et dans certaines parties de l'Amérique du Nord et du Sud9,10. Bien qu'une exposition au fluorure inférieure à 1 ppm présente des avantages pour la santé, notamment la prévention des caries dentaires11 et le traitement des symptômes de l'ostéoporose12, l'exposition chronique à des niveaux élevés de fluorure a un certain nombre d'effets indésirables, notamment la fluorose dentaire et squelettique13. La fluorose fragilise les dents et les os en se liant au calcium qu'ils contiennent et peut entraîner des complications de santé débilitantes tout au long de la vie14,15.

L'un des principaux obstacles à l'atténuation de l'exposition au fluorure géogénique nocif est la difficulté d'identifier sa présence : le fluorure dans l'eau est incolore, inodore et indétectable au goût en dessous de 2,4 ppm16. Heureusement, il est simple de quantifier avec précision les niveaux de fluorure en laboratoire à l'aide de techniques telles que la chromatographie ionique ou les électrodes à détection d'ions7. De plus, des sondes fluorescentes de pointe capables de détecter des niveaux nanomolaires d'analyte17,18,19 peuvent offrir une méthode encore plus simple pour l'analyse d'échantillons en laboratoire. Cependant, ces technologies nécessitent toutes une infrastructure et une expertise importantes pour fonctionner, ce qui nécessite une approche centralisée de leur utilisation. Une approche centralisée, à son tour, nécessite que les échantillons soient prélevés sur le terrain et expédiés au laboratoire, ce qui crée des coûts supplémentaires et des contraintes logistiques pour les tests et la communication des résultats dans les zones potentiellement touchées.

Il existe actuellement des technologies précises au point d'utilisation pour contourner certaines de ces limitations, mais leur valeur est limitée pour les non-experts en raison de leur coût, de leur complexité et/ou de leur précision6. Par exemple, les électrodes et les photomètres de détection de fluorure portables peuvent mesurer quantitativement les niveaux de fluorure dans l'eau sur place, mais coûtent des centaines à des milliers de dollars et nécessitent des procédures d'étalonnage et d'entretien pour leur utilisation. Les bandelettes chimiques au point d'utilisation offrent une autre alternative conviviale sur le terrain qui coûte moins de 1,00 USD par test, mais sont sujettes à de faux négatifs et échouent souvent à identifier même des niveaux extrêmement élevés de fluorure20. En tant que tel, il existe un besoin de méthodes précises, simples et abordables qui peuvent être utilisées par des non-experts pour identifier avec précision les sources d'eau avec des niveaux de fluorure ≥ 1,5 ppm au point d'utilisation. De tels tests peuvent à la fois aider les gens à prendre des décisions concernant l'eau qu'ils consomment et suivre les progrès mondiaux vers l'ODD 6.

Les technologies de biodétection sans cellules offrent une stratégie prometteuse pour le développement de diagnostics précis, simples et abordables de la qualité de l'eau21. Les biocapteurs sont des systèmes d'ARN ou de protéines d'origine naturelle dans les cellules qui détectent les composés pertinents pour la santé des cellules. Ces systèmes naturels fonctionnent en liant des interactions aux ARN ou aux protéines qui déclenchent ensuite l'expression de gènes qui peuvent à leur tour métaboliser ou exporter le composé. Des biocapteurs synthétiques peuvent être créés en extrayant ces systèmes naturels de la cellule et en les reconfigurant pour exprimer des gènes rapporteurs codés génétiquement qui conduisent à un signal visuellement détectable pour indiquer la présence du composé cible (c'est-à-dire un changement de couleur). L'un des points forts de ces systèmes est qu'ils fonctionnent comme une réaction in vitro, en dehors d'une cellule vivante, et ne sont donc pas des organismes génétiquement modifiés. De plus, ils peuvent être lyophilisés et stockés, ce qui facilite la fabrication et le transport là où ils sont nécessaires. La réhydratation des tests avec des échantillons d'eau permet ainsi de les utiliser comme diagnostic de la qualité de l'eau au point d'utilisation. De plus, les réactifs de biodétection coûtent de l'ordre de dizaines de cents par test à produire (0,73 USD pour un test et un contrôle positif)22, même en laboratoire (c'est-à-dire pas à l'échelle de la production). Cela les rend favorablement comparables aux coûts des technologies de pointe déployables sur le terrain (0,89 USD, tableau supplémentaire 1).

Pour la détection du fluorure, un mécanisme naturel de détection du fluorure de Bacillus cereus a été intégré avec succès dans un biocapteur capable de détecter des niveaux de fluorure aussi bas que 1 ppm et incorporé dans un test de fluorure au point d'utilisation20. Ce test consiste en une réaction de biodétection lyophilisée qui, lorsqu'elle est réhydratée avec un échantillon d'eau d'intérêt, produit une couleur jaune visible en présence de fluorure en quelques heures (Fig. 1). Ce test de biocapteur de fluorure acellulaire a été initialement testé sur le terrain dans une étude à Cartago, Costa Rica20, une région avec des niveaux élevés de fluorure géogénique en raison de sa proximité avec le volcan Irazu, une source connue de sels fluorés23. Dans cette étude, les tests ont été fabriqués dans l'Illinois et transportés à bord d'un avion commercial jusqu'au site sur le terrain. Les tests de neuf sources d'eau souterraines et de surface différentes par un étudiant au doctorat ont révélé que les témoins positifs fonctionnaient dans tous les cas, confirmant que la biochimie de base des tests était robuste à la fabrication, au transport et à l'utilisation sur le terrain. De plus, deux échantillons présentaient des niveaux détectables de fluorure. Bien que prometteuse, cette étude était limitée par le petit nombre d'échantillons testés sur le terrain et, plus important encore, par le fait que les tests ont été effectués par un seul utilisateur expert en techniques de laboratoire et en fonctionnement des tests. Pour évaluer l'utilisabilité, les tests doivent être utilisés par des non-experts et dans un échantillon suffisamment grand pour calculer la sensibilité et la spécificité.

Une réaction de détection est préparée, lyophilisée, puis réhydratée avec un échantillon d'intérêt. Une réaction enzymatique se produit en présence de fluorure, qui convertit un substrat incolore dans la réaction en un produit jaune.

Nous avons donc exploré la précision et la facilité d'utilisation des tests de fluorure au point d'utilisation issus de la bio-ingénierie dans le comté de Nakuru, au Kenya, une région connue pour sa contamination géogénique au fluorure24,25. Plus précisément, nous avons cherché à évaluer la précision du test, évaluée par la capacité à détecter correctement les niveaux nocifs de fluorure (établis par l'OMS à ≥1,5 ppm6) par rapport à la photométrie, une méthode de référence (Objectif 1). Nous avons également testé la convivialité, évaluée par l'expérience utilisateur rapportée avec la réhydratation et l'interprétation des tests (Objectif 2).

Nous avons interrogé un membre de chaque ménage participant pour recueillir des informations sur les caractéristiques sociodémographiques ; sources d'eau potable; connaissances, attitudes et comportements concernant le fluorure et la fluorose ; et les expériences d'insécurité de l'eau des ménages. Nous avons ensuite caractérisé la précision du test du biocapteur en demandant à chaque participant de fournir jusqu'à trois sources d'eau domestiques et de les tester avec le biocapteur au point d'utilisation. Une deuxième enquête a été menée le même jour avec le même participant pour évaluer leurs expériences d'utilisation et d'interprétation des résultats du test du biocapteur, et pour déterminer et partager les concentrations de fluorure obtenues à l'aide d'une méthode de référence, c'est-à-dire le photomètre au fluorure. La collecte de données est décrite graphiquement dans la Fig. 1 supplémentaire.

Au total, 90 échantillons d'eau ont été prélevés auprès de 52 participants. Les données sociodémographiques et les connaissances, attitudes et comportements concernant le fluorure et les expériences avec l'insécurité de l'eau étaient disponibles pour les 52 participants. La taille de l'échantillon disponible pour évaluer la précision du test (Objectif 1) et l'interprétation (Objectif 2) était de 57 échantillons d'eau fournis par 36 ménages. Le nombre d'échantillons a été réduit de 90 à 57 car les conditions d'expédition du premier lot de tests ont provoqué une dégradation des tests, les rendant inadaptés à l'évaluation de la précision et de la convivialité (voir "Expédition du kit de test dans le comté de Nakuru, Kenya").

L'étude comprenait des participants issus de divers milieux scolaires et professionnels, de la taille des ménages et des niveaux d'insécurité de l'eau (tableau 1). La majorité des 52 participants étaient des femmes (73,1 %), avec un âge médian de 41 ans. Environ la moitié des participants avaient terminé au moins quelques études secondaires. Les professions des participants se répartissaient en grande partie en trois grandes catégories : l'agriculture, les petites entreprises, par exemple, les stands de marché, ou les chômeurs. Le revenu mensuel des ménages variait de 0 à 9 500 KES (médiane de 8,60 USD). La taille médiane des ménages était de 5 personnes ; près de la moitié des ménages avaient des enfants de moins de cinq ans. Environ un quart des ménages étaient en situation d'insécurité hydrique (score HWISE ≥ 12), c'est-à-dire qu'ils avaient du mal à accéder de manière fiable à l'eau pour répondre aux besoins domestiques de base.

La plupart des participants (73,1 %) connaissaient le fluorure ; ils l'appelaient généralement un «sel» ou un «minéral» trouvé dans l'eau. De plus, 7 participants ont mentionné que le fluor altère la santé dentaire et squelettique, sans y être invité. Lorsqu'on leur a demandé, la plupart des participants (90,4 %) ont correctement identifié certains ou tous les symptômes de la fluorose et la relation causale entre les problèmes de santé et l'exposition au fluorure. La majorité des participants (71,2 %) connaissaient au moins une personne qui avait été touchée par la fluorose.

Cette connaissance est contrastée par un manque relatif de compréhension de la façon de prendre des mesures contre l'exposition au fluorure, avec 42,3 % des participants déclarant qu'ils ne savaient pas comment prévenir la fluorose, et 34,6 % déclarant qu'ils ne savaient pas comment la traiter. . Notamment, alors qu'environ la moitié (48,1 %) des participants ont correctement déclaré que l'utilisation d'autres sources d'eau et le traitement de l'eau étaient des méthodes de prévention de la fluorose, moins de participants (26,9 %) ont compris que la fluorose ne peut être traitée que par des soins médicaux et dentaires. La réponse incorrecte la plus souvent fournie au sujet de la prévention et du traitement de la fluorose était le brossage des dents.

Bien que les participants aient déclaré avoir fait des efforts pour éviter le fluorure, la fluorose n'était pas une préoccupation majeure ; 71,2% des participants ont déclaré qu'ils ne s'inquiétaient jamais ou rarement de la fluorose. Sur les 33 participants (63,5 %) qui ont déclaré avoir pris des précautions contre la fluorose, la plupart (n = 27) ont déclaré utiliser des méthodes généralement efficaces, notamment utiliser des sources d'eau dont on ne savait pas qu'elles étaient contaminées, diluer l'eau du forage avec de l'eau de pluie ou traiter leur boire de l'eau. Cependant, 5 participants (9,6 %) ont déclaré faire bouillir leur eau potable, ce qui ne réduit pas la teneur en fluor. Les réponses complètes au sondage se trouvent sous « Disponibilité des données ».

Un total de 57 échantillons provenant de 36 ménages ont été analysés pour l'exactitude des tests (Méthodes, Tableau 2). La majorité de ces échantillons d'eau provenaient de forages (49,1 %), de collecte d'eau de pluie (19,3 %) ou de puits creusés protégés (17,5 %). La majorité des échantillons fournis (84,2 %) ont été utilisés pour cuisiner, boire ou les deux, mais très peu (7,0 %) ont été traités pour réduire le fluorure. Les points d'eau n'étaient pas situés loin des ménages ; le temps moyen pour recueillir l'eau était d'environ 5 min, aller-retour.

Bien que les participants aient été préoccupés par les niveaux élevés de fluorure dans seulement 10 des 57 échantillons, l'analyse au fluorimètre par le personnel de terrain a indiqué que 45 avaient des niveaux de fluorure ≥ 1,5 ppm (78,9 %), indiquant une forte prévalence de fluorure géogénique dans l'eau potable (tableau 2 et figure 2a). Les niveaux de fluorure mesurés étaient également élevés, avec des concentrations moyennes et médianes de fluorure de 6,0 et 5,8 ppm, respectivement. La plupart des 12 échantillons non contaminés étaient de l'eau de pluie (83,3 %), tandis que la plupart des 45 sources contaminées provenaient de forages (53,3 %), de puits creusés protégés (22,2 %) ou d'eau de pluie mélangée à de l'eau de forage (11,1 %) (tableau supplémentaire 2 ).

a Distribution des concentrations de fluorure dans 57 échantillons d'eau, mesurées par fluorimètre. La ligne pointillée rouge indique la ligne directrice de l'OMS pour les niveaux élevés, ≥1,5 ppm. b Images représentatives des résultats des tests vrais positifs, faux positifs, vrais négatifs et faux négatifs. Les photographies sont annotées avec les concentrations de fluorure mesurées par fluorimètre. c Une matrice de confusion des résultats des tests. "Réel" fait référence à la classification par fluorimètre comme étant positif (≥1,5 ppm de fluorure) ou négatif (<1,5 ppm de fluorure). "Prévu" fait référence aux performances des tests de biocapteur. "Négatif" signifie qu'aucun changement de couleur n'a été observé, et "Positif" signifie qu'une couleur jaune était visible. Les vrais positifs et les vrais négatifs sont ombrés en gris, tandis que les faux positifs et les faux négatifs sont en blanc. d Courbe caractéristique de fonctionnement du récepteur dérivée des classifications du panneau c. La sensibilité est calculée comme (vrai positif)/(vrai positif + faux négatif) et la spécificité est calculée comme (vrai négatif)/(vrai négatif + faux positif).

Six heures après que les tests du biocapteur ont été réhydratés par les participants à l'étude, le personnel de terrain a classé la sortie comme positive pour le fluorure si une couleur jaune était observée, et négative pour le fluorure si aucun changement de couleur n'était observé. La comparaison de ces observations avec les résultats du fluorimètre a permis de classer les tests comme vrai positif (jaune, avec fluorure mesuré ≥1,5 ppm), faux positif (jaune, fluorure mesuré <1,5 ppm), vrai négatif (incolore, fluorure mesuré <1,5 ppm) , faux négatif (incolore, fluorure mesuré ≥1,5 ppm) (Fig. 2b). La tabulation de ces résultats dans une matrice de confusion a révélé que les tests du biocapteur classaient correctement 51 échantillons (89,5 %) et classaient incorrectement 6 échantillons (10,5 %) (Fig. 2c). La sensibilité du test était donc de 93,3 % (IC à 95 % 81,7 % à 98,6 %) et la spécificité était de 75,0 % (IC à 95 % 42,8 % à 95,5 %). Le traçage de ces données sur une courbe de fonctionnement du récepteur a révélé une aire sous la courbe de 0,842 (Fig. 2d).

Nous n'avons identifié aucun modèle parmi les échantillons d'eau mal classés en termes de source d'eau ou de traitement. De plus, nous avons observé que près d'un cinquième (n = 10, 17,5%) des réactions de contrôle positif ne s'activaient pas (tableau supplémentaire 2). Nous n'avons observé aucune caractéristique commune entre les échantillons dont les contrôles positifs ont échoué. De plus, certains tests vrais positifs avaient échoué aux contrôles, indiquant que l'échec du contrôle positif pour un échantillon donné n'était pas nécessairement corrélé à une classification incorrecte par le test.

Pour évaluer la convivialité, nous avons demandé aux 36 participants qui ont fourni des échantillons d'eau pour la précision (objectif 1) sur leurs expériences avec la réhydratation et l'interprétation des tests des tests. Tous les participants ont réussi à transférer de l'eau dans le tube PCR avec une micropipette (Fig. 3, à gauche), bien que deux utilisateurs (5,6 %) aient rencontré des difficultés pour distribuer l'eau. En raison des contraintes sur le terrain, en particulier la distance des maisons des participants par rapport à l'endroit où séjournait le personnel de terrain, le personnel de terrain n'a pas pu être physiquement présent avec tous les participants pour lire les résultats du test après 6 h, de sorte que certains participants ont été invités à évaluer s'il y avait était un changement de couleur avant la fin de la réaction (Fig. 3, à droite). Au moment de la lecture, cependant, nous avons observé un accord entre les participants et le personnel de terrain dans leurs évaluations de la présence ou de l'absence d'une couleur jaune dans tous les 57 échantillons sauf un utilisés pour l'évaluation de l'interprétation des tests (98,2 %) (Disponibilité des données). Il n'y avait aucune différence dans la facilité d'utilisation selon les caractéristiques sociodémographiques, ou selon les expériences ou les connaissances, les attitudes et les comportements concernant la fluorose ou l'insécurité de l'eau des ménages.

Les deux principales activités de l'utilisateur pour faire fonctionner les tests sont la réhydratation du test, dans laquelle une micropipette est utilisée pour transférer un échantillon d'eau dans un microtubule (à gauche) et l'interprétation des résultats, dans laquelle l'utilisateur vérifie si une couleur jaune est apparue (à droite).

Dans ce qui est, à notre connaissance, la première description du déploiement sur le terrain et du fonctionnement de tout test de biocapteur par des utilisateurs non experts, nous avons constaté qu'un test de biocapteur de fluorure au point d'utilisation présentait un certain nombre de caractéristiques positives. Pour notre premier objectif, il était précis pour détecter le fluorure dans des conditions de terrain, classant correctement 89,5 % des 57 échantillons. La sensibilité était de 93,3 %, la spécificité était de 75,0 %, de sorte que l'aire sous la courbe caractéristique de fonctionnement du récepteur était de 0,842, ce qui signifie qu'il y a 84,2 % de chances que le test prédise correctement la contamination au fluorure au-dessus de la limite de l'OMS de ≥ 1,5 ppm. Les valeurs d'aire sous la courbe comprises entre 0,8 et 0,9 sont généralement considérées comme "excellentes"26.

Pour notre deuxième objectif, ces tests étaient hautement utilisables. Tous les participants ont pu hydrater les tests, et il n'y avait qu'un seul test avec une divergence entre l'interprétation du personnel de l'étude et celle des participants parmi les 57 échantillons utilisés pour évaluer l'interprétation des tests. En somme, les participants ont pu identifier correctement les concentrations de fluorure pertinentes pour la santé publique dans leurs propres sources d'eau domestiques, ce qui suggère que les tests étaient parfaitement utilisables.

Ces tests répondent à un important besoin non satisfait d'établir la teneur en fluorure de l'eau potable en dehors d'un laboratoire. Comparé aux méthodes de laboratoire de référence, à la chromatographie ionique et aux électrodes de détection d'ions, ce biocapteur permet de tester le fluorure sans avoir besoin d'une infrastructure gourmande en ressources ou de personnel qualifié. Même par rapport aux tests au point d'utilisation de référence tels que les électrodes portables ou le photomètre au fluorure utilisé dans cette étude, le biocapteur a un mode de fonctionnement plus simple et un coût inférieur par échantillon testé. En effet, à 0,73 USD par test (y compris un contrôle positif) fabriqué à l'échelle du laboratoire (tableau supplémentaire 1), cette méthode est financièrement compétitive avec les technologies existantes ; les coûts pourraient être encore réduits par une mise à l'échelle.

Notamment, ces tests ont révélé une prévalence beaucoup plus élevée de niveaux élevés de fluorure que ce à quoi s'attendaient les participants. Cela suggère que de tels tests pourraient révéler du fluorure dans d'autres zones potentiellement affectées par le fluorure géogénique. Ils peuvent également être utiles dans les enquêtes à grande échelle sur la santé humaine, le bien-être et/ou la sécurité de l'eau, telles que celles menées par la Banque mondiale, Gallup Poll et l'Agence des États-Unis pour le développement international. Ils pourraient également être utiles dans les zones où la présence de fluorure est bien établie, en raison de leur capacité à évaluer la sécurité de l'eau après que des mesures ont été prises pour éliminer le fluorure. Par exemple, les tests des biocapteurs ont identifié des niveaux dangereux de fluorure dans les échantillons d'eau de forage même après qu'elle ait été diluée avec de l'eau de pluie pour réduire la teneur en fluorure.

La dégradation du premier lot de tests a clairement mis en évidence que la précision des biocapteurs au point d'utilisation est susceptible d'être endommagée par une exposition à des températures extrêmes. Le déploiement massif nécessitera d'atteindre une véritable indépendance de la chaîne du froid en augmentant la stabilité de la température du capteur. Ceci est particulièrement important car de nombreuses régions présentant des problèmes de contamination endémique des eaux souterraines - par exemple, le Kenya25, l'Inde27, le Pakistan28, le Bangladesh29 et d'autres - ont des climats chauds. L'une des voies les plus prometteuses pour augmenter la stabilité de la température est l'ajout de composés appelés lyoprotecteurs qui stabilisent le système lors de la lyophilisation ; certaines réactions d'expression génique in vitro peuvent maintenir l'intégrité à 50 °C pendant un mois maximum lorsqu'elles sont complétées par des lyoprotecteurs appropriés, bien que des études similaires n'aient pas été réalisées dans des réactions de biodétection30. L'optimisation du processus de lyophilisation pour la stabilité de la température et la durée de conservation améliore donc considérablement la robustesse du capteur, garantissant des données précises sur la qualité de l'eau dans les zones où elles sont le plus nécessaires.

En outre, l'inclusion continue de réactions de contrôle appropriées sera importante pour la précision du test. En plus d'indiquer l'échec du test, les réactions de contrôle sont importantes pour contrôler les changements de comportement de réaction causés par la variation de la température ambiante. Alors que les changements de température n'affecteraient pas la sensibilité ou la spécificité des tests, ils affecteraient la vitesse de réaction, et donc le temps de détection. D'autres approches peuvent être utilisées pour améliorer la précision, telles que le développement d'approches d'étalonnage qui peuvent contrôler la variabilité due aux inhibiteurs de réaction qui peuvent être présents dans certains échantillons31.

Il existe plusieurs pistes prometteuses pour améliorer la convivialité de ces tests. D'une part, un délai plus court pour obtenir un résultat serait moins contraignant pour les participants, à qui on a demandé de regarder la couleur du test toutes les heures. Si des problèmes liés à l'ambiguïté du changement de couleur surviennent dans d'autres contextes, ils pourraient être résolus en utilisant d'autres reporters et substrats colorimétriques32 pour générer des sorties plus éclatantes. De plus, le développement d'outils spécialement conçus pour réhydrater les tests lyophilisés et faciliter l'interprétation de leurs résultats devrait améliorer considérablement l'expérience utilisateur. Par exemple, les tests pourraient être incorporés dans un test de flux latéral33, comme ceux utilisés dans les tests de grossesse à domicile, pour une plus grande clarté d'interprétation. Les futurs tests devraient également inclure la caractérisation des tests dans une plus grande variété de sources d'eau, en particulier des échantillons acides, alcalins ou riches en minéraux qui peuvent inhiber les processus biologiques nécessaires à l'activation du capteur.

En résumé, la capacité d'un test de biocapteur à identifier correctement l'eau contaminée par du fluor ≥ 1,5 ppm indique un énorme potentiel pour une nouvelle approche du diagnostic de la qualité de l'eau, qui nécessite beaucoup moins d'équipement, d'expertise, d'infrastructure et de coûts de fonctionnement. En effet, la caractérisation récente des mécanismes biologiques pour détecter d'autres contaminants prioritaires, notamment le plomb34, le cuivre35, les nitrites36 et l'arsenic37, suggère la possibilité de tests analogues au point d'utilisation38 pour tous ces analytes. La précision, la simplicité, la rapidité, le coût relativement faible et la convivialité de ces tests faciliteraient une large mise en œuvre, démocratisant ainsi les connaissances sur la sécurité de l'eau pour tous.

Le plasmide d'ADN codant pour le biocapteur de fluorure utilisé dans cette étude a été assemblé à l'aide de l'assemblage Gibson (New England Biolabs, Cat # E2611S) et purifié à l'aide d'un kit Qiagen QIAfilter Midiprep (QIAGEN, Cat # 12143). Sa séquence codante est constituée du riboswitch fluorure crcB de Bacillus cereus régulant la production de l'enzyme catéchol 2,3-dioxygénase, le tout exprimé sous le promoteur consensus constitutif E. coli sigma 70 J2311939. Une séquence complète du plasmide utilisé est disponible sur Addgene avec le numéro d'accession 128810 (pJBL7025) [https://www.addgene.org/128810/].

Les réactions de biodétection sans cellules utilisées dans les tests ont été mises en place selon des protocoles préalablement établis20,40. En bref, les réactions consistent en un extrait cellulaire clarifié, un mélange de réactifs contenant des acides aminés, des sels tampons, des agents d'encombrement, un substrat enzymatique et une source d'énergie, et un mélange spécifique à la réaction d'ADN matrice et de fluorure de sodium dans une proportion d'environ 30/30/40 rapport (tableau supplémentaire 3). Les réactions de test ne contenaient pas de fluorure de sodium, tandis que les réactions témoins positives étaient complétées par du fluorure de sodium 1 mM pour induire l'expression génique. La concentration d'ADN matrice pour les deux ensembles de réactions était de 5 nM, déterminée par la concentration maximale de matrice à laquelle aucun changement de couleur n'a été observé en l'absence de fluorure.

Au cours de la configuration de la réaction, des mélanges maîtres d'extrait cellulaire, de mélange de réactifs et de mélange de modèles ont été préparés pour les réactions de test et de contrôle positif dans des tubes de microcentrifugeuse de 1,7 ml. Les réactions individuelles ont ensuite été aliquotées dans des volumes de 20 µL dans des barrettes de tubes PCR pour la lyophilisation. Après aliquotage sur glace, les bouchons des tubes PCR ont été percés avec une épingle, les bandes ont été enveloppées dans du papier d'aluminium, puis les bandes enveloppées ont été immergées dans de l'azote liquide pour lyophilisation pendant environ 3 min. Les réactions ont été immédiatement transférées dans un lyophilisateur Labconco FreeZone 2,5 litres -84 ° C Benchtop (Cat # 710201000) avec une température de condenseur de -84 ° C et une pression de 0,04 mbar et lyophilisées pendant une nuit (≥ 16 h).

Après lyophilisation, les tests ont été scellés sous vide (KOIOS Vacuum Sealer Machine, Amazon, Amazon Standard Identification Number (ASIN) B07FM3J6JF) dans un sac de conservation des aliments (KOIS Vacuum Sealer Bag, Amazon, ASIN B075KKWFYN), avec un déshydratant (Dri- Card Dessiccants, Uline, Cat# S-19582) (Fig. 3 supplémentaire). Les réactions scellées sous vide ont ensuite été rythmées dans un sac extérieur de protection contre la lumière (sacs alimentaires ouverts Mylar, Uline, Cat # S-11661) et thermoscellées par impulsion (Metronic 8 pouces Impulse Bag Sealer, Amazon, ASIN B06XC76JVZ) avant l'expédition . Les tests ont également été expédiés avec des micropipettes à usage unique de 20 µL (MICROSAFE® 20 µL, Safe-Tec LLC, Cat# 1020) pour une utilisation sur le terrain.

Une première cargaison de tests de biocapteurs a permis d'évaluer 33 échantillons d'eau provenant des 16 premiers foyers enquêtés. Tous ces tests ont donné une couleur jaune pâle, quelle que soit la source d'eau ou la concentration de fluorure établie par fluorimètre. Cela a probablement été causé par la dégradation thermique des tests lors de l'expédition avec l'agence de transport commercial. Alors que des études antérieures font état d'une stabilité de conservation jusqu'à un an20,41, ces chiffres proviennent d'un stockage dans des conditions de laboratoire à température contrôlée. Les routes d'expédition commerciales de l'Illinois, aux États-Unis, à Nairobi, au Kenya, traversent des régions extrêmement chaudes, par exemple Dubaï pour cette expédition particulière. Ces conditions étaient très différentes de celles de l'étude d'utilisabilité précédente au Costa Rica dans laquelle les tests étaient transportés par avion commercial, avec des conditions d'expédition et de stockage plus douces20. Une enquête en laboratoire sur la stabilité de la température du test a indiqué que des températures de stockage élevées peuvent en effet entraîner la dégradation des composants du test, entraînant une couleur jaune pâle lors de la réhydratation, conformément aux observations sur le terrain (Fig. 2 supplémentaire).

Le prochain lot de tests a donc été expédié réfrigéré le 25 janvier 2022, ce qui, selon nous, prolongerait la stabilité de conservation des tests pour s'aligner sur les résultats antérieurs. Une fois les tests réalisés et emballés, ils ont été placés dans un conteneur doublé de mousse de polystyrène avant d'être recouverts d'un système de réfrigération NanoCool (Peli BioThermal). Le conteneur a ensuite été scellé et expédié à l'aide d'un service d'expédition commercial standard. Ce lot de tests a été conservé aux douanes, réfrigéré, jusqu'à sa sortie le 28 février 2022. Ces tests ont été utilisés sur le terrain du 5 au 14 mars 2022 pour générer les données sur la précision des tests rapportées dans ce manuscrit.

Étant donné que la décoloration due à la dégradation thermique pourrait confondre la teinte jaune prévue en présence de fluorure (c'est-à-dire, les faux positifs), nous avons évalué la précision des tests en utilisant uniquement des tests qui avaient été réfrigérés pendant l'expédition et le transport vers les maisons des participants. Les 33 échantillons d'eau des 16 premiers ménages ont donc été exclus de l'analyse de la précision des tests.

Les participants ont été recrutés dans six sous-localités (Kelelwet, Kipsimbol, Kigonor, Parkview, Lalwet et Mwariki) dans le quartier de Barut dans le comté de Nakuru (Fig. 4 supplémentaire, informations géographiques adaptées d'OpenStreetMap42). Cet emplacement a été choisi en raison des niveaux élevés de fluorure et de la familiarité avec les communautés par l'équipe d'étude.

Avant toute collecte de données, des réunions communautaires ont été organisées dans chaque sous-emplacement pour discuter des buts et objectifs de l'étude. Après avoir obtenu l'autorisation des chefs adjoints de la communauté et du village pour mener des recherches, des mobilisateurs communautaires locaux ont été engagés pour aider à identifier les ménages éligibles à la participation. Les personnes âgées de 18 ans ou plus, qui vivaient dans le pays de Nakuru depuis plus de trois mois, dépendaient des sources d'eau locales pour boire, avaient un enfant dans le ménage, étaient disposées à discuter de la situation de l'eau de leur ménage et à fournir un échantillon de chaque source d'eau dans le ménage pour les tests de fluorure étaient éligibles. Nous avons cherché à recruter 10 à 12 participants dans chacune des cinq sous-régions pour garantir une gamme de caractéristiques sociodémographiques et de sources d'eau potable. Avoir un enfant résident était un critère pour élucider la compréhension communautaire de la fluorose chez les enfants.

Après avoir obtenu un consentement écrit éclairé, les participants ont participé à une enquête de 30 minutes (cf. Fig. 1 supplémentaire pour un aperçu graphique de la collecte de données). Les sujets comprenaient les informations sociodémographiques des ménages, les connaissances, les attitudes et les comportements concernant le fluorure et la fluorose, et l'insécurité de l'eau des ménages à l'aide de l'échelle validée des expériences d'insécurité de l'eau des ménages (HWISE)43. Les 12 éléments HWISE interrogent la fréquence des expériences d'insécurité hydrique au cours du mois précédent ; "jamais" est noté 0, "souvent/toujours" est noté 3, pour une plage de 0 à 36. Ces données ont été recueillies pour pouvoir déterminer si les expériences ou les attitudes des utilisateurs à l'égard des tests variaient en fonction des expériences avec la fluorose ou l'insécurité de l'eau. Les participants ont également été interrogés sur le nombre de sources d'eau et leur volonté de fournir et de tester des échantillons d'eau. Les réponses à l'enquête ont été enregistrées sur des tablettes à l'aide d'Open Data Kit (ODK)44.

Une fois l'enquête terminée, les participants ont fourni 1 à 3 échantillons d'eau provenant de différentes sources domestiques. Ils ont ensuite reçu une brève explication (~ 5 min) du processus de test, puis ont testé leurs propres échantillons domestiques à l'aide des tests de biocapteur de fluorure. Chaque test consistait en un microtube qui était un contrôle positif et un second microtube dans lequel l'échantillon d'intérêt était testé. Pour tester leurs échantillons, les participants ont d'abord retiré les tests de la pochette en aluminium protégeant de la lumière et de la pochette scellée sous vide contenant du déshydratant, qui ont ensuite été jetées (Fig. 3 supplémentaire). Une micropipette a ensuite été remplie avec 20 µL d'eau en l'immergeant lentement jusqu'à la ligne de remplissage. Pour distribuer l'eau, le pouce et l'index ont été utilisés pour couvrir les trous de la micropipette tandis que la poire était pressée avec l'autre main. Les réactions ont ensuite été incubées à température ambiante pendant jusqu'à six heures, plus courtes s'il y avait un changement de couleur visible. Pendant ce temps d'incubation, les participants ont été invités à vérifier toutes les heures le changement de couleur jaune et à noter le temps qu'il a fallu pour qu'il se produise. On s'attendait à ce que les tests virent au jaune si les niveaux de fluorure étaient ≥ 1,5 ppm, sans changement de couleur pour les tests d'eau en dessous de ce niveau. Tous les contrôles positifs devaient virer au jaune. Le changement de couleur a été lu après avoir placé les réactions sur un fond blanc pour un contraste visuel.

L'équipe d'étude est revenue pour mener une deuxième enquête sur les expériences des utilisateurs avec le processus de test et pour tester les échantillons d'eau à l'aide du photomètre de référence dans les 6 h. Les participants ont été interrogés sur leurs expériences avec la procédure de test ainsi que sur leur interprétation de la couleur des résultats des tests d'échantillon et de contrôle. Des photographies des réactions terminées ont également été prises à ce moment. Enfin, des mesures quantitatives de fluorure ont été prises par l'équipe de terrain avec un kit de photomètre à haute portée au fluorure de Hanna Instruments (Cat # HI97739C), une méthode de référence utilisée pour évaluer la précision des tests de bio-ingénierie. Les résultats de la photométrie sur les concentrations réelles de fluorure mesurées dans les échantillons d'eau ont été partagés et expliqués aux participants. À la fin de la deuxième enquête, chaque participant a reçu 500 KES (4,30 USD) en rémunération du temps et des efforts consacrés à la recherche. Chaque ménage participant a également reçu un filtre à eau potable en céramique.

Les données ont été recueillies du 16 au 23 novembre 2021 et du 5 au 14 mars 2022. Au cours de l'enquête et des analyses d'eau, les participants et les assistants de recherche ont maintenu les protocoles COVID-19 conformément aux directives locales. Le personnel de l'étude a été vacciné, a maintenu une distance sociale appropriée, s'est désinfecté les mains et a nettoyé les outils de terrain après chaque visite à domicile.

Les données ont été exportées d'ODK vers Microsoft Excel pour analyse. Des statistiques descriptives de base ont été réalisées pour décrire les données sociodémographiques des participants et leurs expériences d'utilisation, y compris si l'interprétation du changement de couleur par les participants correspondait à celle du personnel de l'étude. Les items ouverts sur les connaissances, les attitudes et les comportements concernant le fluorure et la fluorose ont été regroupés par thème et codés indépendamment par deux auteurs. Les réponses liées aux connaissances ont été qualifiées de « correctes » si elles étaient conformes à la compréhension biomédicale conventionnelle, « incorrectes » ou inconnues.

Les tests ont été classés comme « ON » par l'équipe de terrain basée au Kenya s'ils étaient visiblement jaunes après six heures, et « OFF » s'il n'y avait pas de changement de couleur observable à l'œil nu. Ces évaluations ont été validées de manière indépendante par l'équipe basée aux États-Unis à partir de photographies des tests terminés. Les tests classés comme « ON » étaient marqués comme vrais positifs s'ils correspondaient à une concentration de fluorure mesurée par un photomètre ≥ 1,5 ppm, et faux positifs s'ils correspondaient à une concentration de fluorure mesurée par un photomètre < 1,5 ppm. Les tests classés "OFF" étaient marqués comme vrais négatifs s'ils correspondaient à des concentrations de fluorure mesurées par un photomètre <1,5 ppm, et faux positifs s'ils correspondaient à des concentrations de fluorure mesurées par un photomètre ≥1,5 ppm. La sensibilité a été déterminée par le rapport des résultats vrais positifs aux mesures positives totales (vrais et faux positifs combinés), tandis que la spécificité a été déterminée par le rapport des résultats vrais négatifs aux mesures négatives totales (vrais et faux négatifs combinés), et calculé dans Stata45. Les intervalles de confiance pour la sensibilité et la spécificité ont été calculés à l'aide du module diagt de Stata en comptant les vrais positifs, les vrais négatifs, les faux positifs et les faux négatifs.

Notre taille d'échantillon cible pour établir la précision du test (objectif 1) était de 65, sur la base de la sensibilité observée de 0,93 et de la prévalence observée de 0,7846. Bien que nous ayons obtenu 90 échantillons d'eau, seuls 57 convenaient à cette analyse (voir "Envoi du kit de test au comté de Nakuru, Kenya"); des estimations robustes ont quand même été générées avec cette taille d'échantillon. Pour les tests d'utilisabilité (objectif 2), les données sur les expériences de réhydratation et l'interprétation de 36 personnes sont bien supérieures au nombre recommandé pour les études d'utilisabilité47,48.

Nous avons obtenu l'approbation éthique pour cette étude des comités d'examen institutionnels de l'Université Northwestern (IRB STU00215306) et d'Amref Health (AMREF-ESRC P1003/2021). Nous avons également reçu l'autorisation du ministère de la Planification et du Développement du comté de Nakuru, qui est responsable de la coordination des activités de recherche dans le comté et les ministères concernés. Tous les participants ont fourni un consentement écrit pour participer aux activités de l'étude, y compris le consentement à prendre des photos du test à domicile. Les auteurs affirment que les participants humains à la recherche ont fourni un consentement éclairé pour la publication des images de la Fig. 3.

De plus amples informations sur la conception de la recherche sont disponibles dans le résumé des rapports de recherche sur la nature lié à cet article.

Toutes les données sources pour les figures principales et SI ont été déposées en libre accès dans la base de données Northwestern's Arch (https://arch.library.northwestern.edu). Les données sont accessibles via https://doi.org/10.21985/n2-zyy5-cp15. Une séquence complète du plasmide utilisé est disponible sur Addgene avec le numéro d'accession 128810 (pJBL7025) [https://www.addgene.org/128810/].

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Tout d'abord, nous remercions sincèrement tous les participants à l'étude de nous avoir accueillis chez eux et de partager leurs expériences avec l'insécurité de l'eau et les tests d'eau. Pour leur aide à la collecte de données, nous remercions Janet Barsolai Chepchirchir et Maxwell Otieno Aduogo, ainsi que James Yegon (SOAR-Kenya Academy) pour leur aide à la mobilisation communautaire. Nous tenons également à remercier Charlotte Knopp (Northwestern University) pour la gestion de l'expédition de la réaction des États-Unis au Kenya. Nous remercions Dylan Brown (Northwestern University) pour ses informations utiles sur la stabilité de la température du capteur et pour avoir fourni certains réactifs utilisés dans cette étude, ainsi que Hilary Bethancourt (Northwestern University) pour des conseils sur l'analyse statistique. Ce travail a été soutenu par la Carnegie Corporation ; l'Institute for Policy Research de la Northwestern University et le Crown Family Center for Jewish and Israel Studies ; le soutien du peuple américain apporté au Feed the Future Sustainable Intensification Innovation Lab par le biais de l'accord de coopération de l'Agence des États-Unis pour le développement international AID-OAA-L-14-00006 ; et le Commandement des contrats de l'armée américaine W52P1J-21-9-3023.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Walter Thavarajah, Patrick Mbullo Owuor.

Département de génie chimique et biologique, Northwestern University, 2145 Sheridan Road, Evanston, IL, 60208, États-Unis

Walter Thavarajah et Julius B. Chances

Centre de biologie synthétique, Northwestern University, 2145 Sheridan Road, Evanston, IL, 60208, États-Unis

Walter Thavarajah, Julius B. Lucks et Sarah L. Young

Centre de recherche sur l'eau, Northwestern University, 2145 Sheridan Road, Evanston, IL, 60208, États-Unis

Walter Thavarajah, Julius B. Lucks et Sarah L. Young

Centre d'ingénierie, de durabilité et de résilience, Northwestern University, 2145 Sheridan Road, Evanston, IL, 60208, États-Unis

Walter Thavarajah, Julius B. Lucks et Sarah L. Young

Département d'anthropologie, Northwestern University, 1810 Hinman Avenue, Evanston, IL, 60208, États-Unis

Patrick Mbullo Owuor, Rahul Aggarwal et Sarah L. Young

Institut de recherche sur les politiques, Northwestern University, 2040 Sheridan Road, Evanston, IL, 60208, États-Unis

Patrick Mbullo Owuor

Programme d'études africaines, Northwestern University, 620 Library Pl, Evanston, IL, 60208, États-Unis

Patrick M. Young et Sarah L. Young

Département des sciences de la gestion et de la planification de projets, Université de Nairobi, PO Box 30197, GPO, Nairobi, Kenya

Diana Ross Awuor

Département d'épidémiologie et de statistiques médicales, École de santé publique, Université Moi, PO Box 4606-30100, Eldoret, Kenya

Karlmax Kiprotich

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Correspondance à Julius B. Lucks ou Sera L. Young.

Les auteurs déclarent les intérêts financiers concurrents suivants : WT et JBL détiennent un brevet (numéro de publication internationale WO 2020/185451 A3) pour les développements technologiquement importants inclus dans ce travail. JBL est cofondateur de Stemloop, Inc. Les intérêts de JBL sont examinés et gérés par la Northwestern University conformément à ses politiques en matière de conflits d'intérêts.

Nous reconnaissons les inégalités potentielles dans la collaboration entre les chercheurs des pays à revenu élevé et des pays à revenu faible ou intermédiaire, et avons été attentifs à l'inclusivité tout au long de la conception, de la mise en œuvre, de l'analyse et de la diffusion des résultats de l'étude. Nous avons suivi toutes les règles nationales et locales au Kenya relatives à la recherche sur des sujets humains, ainsi que celles de l'institution américaine. Des scientifiques basés aux États-Unis et au Kenya ont été inclus dans la conception de l'étude, la création d'instruments de collecte de données, l'interprétation des données et en tant que co-auteurs de cet article.

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Réimpressions et autorisations

Thavarajah, W., Owuor, PM, Awuor, DR et al. La précision et la convivialité des biocapteurs de fluorure au point d'utilisation dans les zones rurales du Kenya. npj Clean Water 6, 5 (2023). https://doi.org/10.1038/s41545-023-00221-5

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Reçu : 08 juillet 2022

Accepté : 23 janvier 2023

Publié: 08 février 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41545-023-00221-5

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