Innovation kan forbedre opdagelsen af ​​COVID-19-infektioner

Et tværfagligt forskerhold ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet en måde at øge følsomheden af ​​den primære test, der bruges til at påvise SARS-CoV-2-virus, som forårsager COVID-19. Anvendelse af deres resultater på computerstyret testudstyr kan forbedre vores evne til at identificere personer, der er inficerede, men som ikke udviser symptomer.

Holdets resultater, offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Analytisk og bioanalytisk kemi , beskrive en matematisk teknik til at opfatte forholdsvis svage signaler i diagnostiske testdata, der indikerer tilstedeværelsen af ​​virussen. Disse signaler kan undslippe påvisning, når antallet af virale partikler fundet i en patients næsepodningsprøve er lavt. Holdets metode hjælper et beskedent signal til at fremstå tydeligere.

"Anvendelse af vores teknik kan gøre podepindstesten op til 10 gange mere følsom, " sagde Paul Patrone, en NIST-fysiker og en medforfatter på holdets papir. "Det kunne potentielt spotte flere mennesker, der bærer virussen, men hvis virale antal er for lavt til, at den aktuelle test kan give et positivt resultat."

Forskernes resultater beviser, at data fra en positiv test, når det udtrykkes i grafisk form, antager en genkendelig form, der altid er den samme. Ligesom et fingeraftryk identificerer en person, formen er unik for denne type test. Kun formens position, og vigtigst af alt, dens størrelse, afvige, når de tegnes, varierer med mængden af ​​virale partikler, der findes i prøven.

Mens det tidligere var kendt, at formens position kunne variere, holdet lærte, at dets størrelse også kan variere. Omprogrammering af testudstyr til at genkende denne form, uanset størrelse eller placering, er nøglen til at forbedre testfølsomheden.

Podningstesten anvender en laboratorieteknik kaldet kvantitativ polymerasekædereaktion, eller qPCR, at opdage det genetiske materiale, der bæres af SARS-CoV-2 virus. qPCR-teknikken tager alle strenge af viralt RNA, der findes i en patients podningsprøve og multiplicerer dem derefter til en langt større mængde genetisk materiale. Hver gang der laves et nyt fragment af dette materiale, reaktionen frigiver en fluorescerende markør, der lyser, når den udsættes for lys. Det er denne fluorescens, der indikerer tilstedeværelsen af ​​virussen.

Mens testmetoden normalt fungerer godt i praksis, det kan mangle følsomhed over for lavt antal virale partikler. Testen starter med det genetiske materiale, der er til stede og fordobler det, så fordobles det igen, op til 40 gange, så de fluorescerende markører genererer nok lys til at udløse en detektor. Fordobling, som enhver, der er bekendt med renters rente, ved, er en kraftig forstærker, vokser langsomt i starten og stiger derefter til høje tal. Fordoblingerne producerer en graf, der oprindeligt er flad, bortset fra bumpene fra systemisk baggrundsstøj, og til sidst stiger en afslørende spids fra den.

Imidlertid, når det indledende virale antal er lavt, der kan være fejlstarter i de første par cyklusser. I disse tilfælde, selv 40 fordoblinger bygger måske ikke en spids høj nok - eller en fluorescens, der er lys nok - til at stige over detektionstærsklen. Dette problem kan forårsage problemer som inkonklusive tests eller "falske negativer, "Det betyder, at en person bærer virussen, men testen afslører det ikke.

Foreløbige undersøgelser indikerer, at antallet af falske negative kan være så høj som 30 % i qPCR-test for COVID-19, inklusive en undersøgelse, hvor CT-scanninger af brystet indikerede positive tilfælde, hvor podningsprøver ikke havde gjort det. En anden undersøgelse viser, at asymptomatiske og tidlige sygdomstilstande er forbundet med op til 60 gange færre viruspartikler i patientprøver. EN JAMA undersøgelse offentliggjort i august understøtter ideen om, at asymptomatiske bærere kan sprede virussen.

NIST-forskerne fandt ud af, at formen af ​​en positiv testgraf - en flad, støjende begyndelse efterfulgt af en spids — findes selv i data, der i øjeblikket ikke udløser et positivt testresultat. Deres papir tilbyder et formelt bevis på, at formerne er matematisk "lignende, " beslægtet med trekanter, der har de samme vinkler og proportioner på trods af at de er større eller mindre end hinanden. De anvender dette teoretiske bevis i en rutine, som en computer kan bruge til at genkende referenceformen i dataene.

"Vi er ikke længere begrænset af at skulle passere en høj detektionstærskel, " sagde Patrone. "Spikes behøver ikke at være store. De skal have den rigtige form."

At inkorporere deres resultater i test ville straks hjælpe pandemiens reaktion, Patron sagde, da det ville hjælpe med at bestemme antallet af asymptomatiske og præsymptomatiske tilfælde mere nøjagtigt.

"I bund og grund sænkning af falske negativer bør hjælpe læger og videnskabsmænd med at få bedre styr på den faktiske spredning af virussen, " sagde han. "Der er en god chance for, at vi mangler asymptomatiske tilfælde med testen. Den reduktion, vi forventer i antallet af påvist viralt RNA, kan opfange et betydeligt antal asymptomatiske tilfælde."

Den nye test ville sandsynligvis heller ikke generere falske positiver, fordi den ville kontrollere, at kurven var i overensstemmelse med en referenceform, ikke blot, at det krydsede en detektionstærskel.

"I standard testprotokoller, det er muligt at få falske positiver – f.eks. hvis baggrundseffekter stiger til detektionstærsklen, og ingen manuelt kontrollerer resultatet, " sagde Patrone. "Sandsynligheden for, at det sker i vores analyse er meget lille, fordi matematikken automatisk udelukker sådanne signaler."

Pandemiberedskabsarbejdere behøver ikke at gøre noget anderledes, når de indsamler prøver. Fordi holdets tilgang bruger en matematisk algoritme anvendt efter dataindsamling, programmører kunne anvende det ved at opdatere laboratorieudstyrets software med et par linjer computerkode.

"Vores arbejde er en potentielt nem løsning, fordi det er et fremskridt i dataanalysen, " sagde Patrone. "Det kan nemt indarbejdes i protokollen for ethvert laboratorium eller testinstrument, så det kan have en øjeblikkelig indvirkning på sundhedskrisens bane."