можно ли верить пцр тесту
Про тесты. Можно ли доверять тестированию на COVID-19, как оно работает и что выявляет
Таня Мельник
Молекулярные и антигенные диагностические тесты
Диагностические тесты для обнаружения коронавирусной инфекции основаны на выявлении элементов вируса: РНК или белка. В обоих случаях выбирается уникальный элемент SARS-CoV-2, чтобы снизить риск перекрестной реакции со сходными вирусами. Вирион (внеклеточная форма вируса) SARS-CoV-2, как и другие коронавирусы, по своей форме чем-то напоминает мяч с шипами – то самое растиражированное изображение COVID-19. «Шипы» образованы шиповидным белком (S) и отвечают за взаимодействие вируса с клеткой хозяина и проникновение в нее. Шиповидные белки уникальны для каждого вида коронавируса. Оболочка вируса образована липидной мембраной, позаимствованной у клетки хозяина, с включением вирусных белков оболочки Е и М. Именно эти два белка участвуют в образовании вирионов и в поддержании их сферической формы. Внутри вириона находится его генетический материал, молекула РНК, упакованная вместе с белками нуклеокапсида (N). Вместе РНК и белки N образуют структуру, сходную с бусинами на нитке. Это позволяет свернуть длинную цепочку РНК в компактную форму. Генетический код разных видов коронавирусов во многом схож. Например, геномы вирусов SARS и SARS-CoV-2 похожи больше чем на 80%. Но и различий вполне достаточно, они и используются в дизайне диагностических тестов: для теста выбираются уникальные последовательности генома и белки, присущие определенному вирусу.
ПЦР-тест
Этот тест основан на обнаружении генетического материала вируса в биологическом образце методом полимеразной цепной реакции (ПЦР). Метод использует праймеры – короткие цепочки нуклеиновых кислот, специально подобранные для распознавания уникальных мишеней-последовательностей в геноме вируса, и полимеразу – фермент, который создает из праймеров, распознавших участки вируса, более длинные цепочки, копию вирусного гена. Праймеры и полимераза работают вместе только в том случае, если в образце есть генетический материал вируса.
Чувствительность экспресс-тестов ниже стандартных лабораторных тестов. В связи с высокой чувствительностью теста генетический материал вируса может быть обнаружен даже спустя несколько недель после острой инфекции. В большинстве случаев выздоровевшие пациенты не заразны после двух недель от начала симптомов, несмотря на положительный тест. Исключение представляют собой пациенты с сильной иммуносупрессией, как, например, при химиотерапии лимфомы. У таких людей вирус может оставаться активным и способным к заражению продолжительное время.
Тесты на антигены коронавируса
Тесты на антигены вируса основаны на выявлении частиц вируса в исследуемом материале. Осуществляется это при помощи антител, которые распознают белки вируса – антигены. Большинство тестов на данный момент построено на обнаружении шиповидного белка вируса SARS-CoV-2. Тесты на антиген вируса требуют меньше времени, могут быть сделаны вне лаборатории и стоят дешевле, чем ПЦР-тесты. Но при этом их чувствительность ниже, около 56%, хотя специфичность остается высокой и достигает 98%. Тест на антиген коронавируса может быть сделан по анализу из носа или носоглотки, а также по анализу слюны. Поскольку тест дает быстрый ответ при достаточно низкой чувствительности, его часто комбинируют с ПЦР-тестом, что снижает частоту ложноотрицательного результата у пациента.
Использование диагностических тестов
ПЦР-тест и антигенный тест чаще всего используются для диагностики острой коронавирусной инфекции. Положительный, как и отрицательный результат теста должны интерпретироваться исходя как из истории болезни, так и из клинической картины заболевания. Если у пациента есть симптомы COVID-19 и он контактировал с больным с подтвержденной коронавирусной инфекцией, то отрицательный тест не означает отсутствие у него коронавирусной инфекции. Диагностические тесты (ПЦР и антигенный) также используются для скрининга бессимптомных пациентов, чтобы отследить цепочки заражения и последующей изоляции. В некоторых странах этот тест требуется перед операциями и процедурами, а также химиотерапией.
Антитела – это сложные белки с несколькими функциями. Они способны не только распознавать специфические патогены, но и активировать защитные механизмы организма, позволяющие нейтрализовать и уничтожить вирусы и бактерии. Антитела – часть приобретенного иммунитета, поэтому их наличие в крови сигнализирует о встрече с определенным патогеном и подтверждает прошлую инфекцию.
При бактериальной инфекции развитие специфического иммунного ответа достаточно предсказуемо. Первыми на инфекцию реагируют клетки неспецифического иммунитета – нейтрофилы, макрофаги и моноциты. Их задача – найти и обезвредить врага, что они могут сделать и без наводки антител.
Дальше к делу подключается специфический иммунитет, способный распознать чужака и более эффективно его нейтрализовать, а также не дать ему вызвать инфекцию при повторном попадании в организм. За специфический иммунитет отвечают лимфоциты: В- и Т-клетки. Координация работы специфического иммунного ответа сложна и в определенной степени хаотична: организм определяет нужные антитела и клетки путем подбора из множества вариантов в процессе взаимодействия нескольких видов клеток. Те самые иммуноглобулины, которые способны защитить организм в будущем – дело совершенно случайной, но удачной мутации.
«Цена ошибки высока». От чего зависит результат ПЦР-тестов на коронавирус
МОСКВА, 6 дек — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Недавняя публикация ученых из Сеченовского университета о том, что почти половина анализов на возбудителя COVID-19 не дают реальной картины, вызвала множество вопросов. Насколько точны ПЦР-тесты и нужны ли они для диагноза? РИА Новости разбирается в ПЦР-диагностике и почему в нее закрадываются ошибки.
Как выявляют вирус в организме
«Тяжело заболел наш сотрудник. Поднялась высокая температура, положили в больницу. Все признаки COVID-19, — рассказывает Алексей Чемерис, доктор биологических наук, профессор, сотрудник Института биохимии и генетики Уфимского ФИЦ РАН. — А ПЦР-анализ, который ему сделали в специальном медицинском центре наши коллеги-профессионалы, как только он почувствовал недомогание, — отрицательный. Видимо, в тот момент у больного было мало вирусных частиц в организме — за пределами чувствительности теста».
Ученые называют такие результаты ложнонегативными — инфекция проявляется внешне, а тест на возбудителя — «чистый». Тут дело и в самом методе, и в его массовом применении.
Когда медсестра берет мазок из ротоглотки и носоглотки, на кончике зонда остается немного влаги, а в ней — клетки эпителия. Зонд опускают в пластиковую пробирку с раствором (эппендорф) и кончик отламывают, чтобы закрыть емкость. В лаборатории ее помещают в центрифугу, проводят ряд манипуляций для выделения из клеток фрагментов вирусного генома. В случае с COVID-19 — это РНК коронавируса SARS-CoV-2.
В образовавшийся раствор добавляют праймеры — искусственные участки генома коронавируса, именно они опознают SARS-CoV-2, и один из них служит затравкой для синтеза цепочки ДНК под действием определенного фермента на основе механизма обратной транскрипции. Фактически получается ДНК-копия участка коронавируса, которую уже можно размножать. Для этого запускают ПЦР — полимеразную цепную реакцию. За несколько десятков циклов она увеличивает число копий ДНК, а специальный флуоресцентный краситель подсвечивает их в пробирке, сигнализируя о вирусе. Если в биоматериале нет вирусных частиц, ампликонов (продуктов ПЦР) не будет вовсе, результат — отрицательный. Если вируса очень мало, итоговое количество ампликонов по завершении ПЦР окажется за пределами чувствительности прибора и результат — ложноотрицательным.
Тонкости метода
В ПЦР-диагностике много нюансов, объясняет Алексей Чемерис. В лаборатории для научных целей выявляют даже единичные копии вирусного генома в образце, при массовом применении чувствительность обычно на порядки ниже.
«Из-за случайных мутаций генома праймеры могут не сработать, если однонуклеотидные замены или даже более значительные изменения генома вируса пришлись как раз на эти участки. Вероятность невысока, но она есть», — отмечает ученый.
Возможны сбои при ручных операциях, которых не так много. Одна из них — извлечение вирусной РНК из образца. Автоматический экстрактор нуклеиновых кислот стоит довольно дорого, поэтому обычно эту процедуру доверяют лаборанту. Редко, но ложноположительные результаты случаются, в том числе из-за особенностей ПЦР или загрязнения образца.
Чаще всего, однако, проблемы возникают до того, как пробирка попала в лабораторию. Вот что пишут авторы статьи в журнале «Вестник Росздравнадзора»: «В настоящее время имеются неопровержимые доказательства того, что преаналитическая фаза является основным источником ошибок в лабораторных исследованиях, когда они используются для диагностических или исследовательских целей». Они публикуют целый список нарушений, ведущих к ложноотрицательным результатам.
Ключевой этап — подготовка к исследованию. «За три часа до анализа нельзя есть, пить, курить и полоскать рот. Дело в том, что коронавирус поражает клетки слизистой оболочки дыхательных путей. Проникая в них, он начинает размножаться, накапливается на их поверхности. Но есть еще и эпителиальные клетки, которые часто обновляются. Вместе с водой, едой и избытком слюны при курении и жевании жвачки эпителиальные клетки попадают в пищевод. В результате вероятность обнаружить вирус в мазке падает практически до нуля», — комментирует Тамара Силкина, врач клинической лабораторной диагностики, директор по лабораторным технологиям «Гемотеста».
Не менее важна процедура взятия биоматериала. Если неверно выбрать точку для мазка, например, из-за кашля или рвотного рефлекса, на зонд может не попасть достаточное количество клеток. На результат также влияют нарушения технологии хранения, транспортировки образцов.
«Цена ошибки очень высока — процент выявляемости коронавирусной инфекции снизится, а скорость ее распространения вырастет. Люди, получившие ложноотрицательные результаты, будут чувствовать себя спокойно, выходить в общественные места и контактировать с окружающими», — уточняет представитель «Гемотеста».
Ключевой этап — подготовка к исследованию. «За три часа до анализа нельзя есть, пить, курить и полоскать рот. Дело в том, что коронавирус поражает клетки слизистой оболочки дыхательных путей. Проникая в них, он начинает размножаться, накапливается на их поверхности. Но есть еще и эпителиальные клетки, которые часто обновляются. Вместе с водой, едой и избытком слюны при курении и жевании жвачки эпителиальные клетки попадают в пищевод. В результате вероятность обнаружить вирус в мазке падает практически до нуля», — комментирует Тамара Силкина, врач клинической лабораторной диагностики, директор по лабораторным технологиям «Гемотеста».
Не менее важна процедура взятия биоматериала. Если неверно выбрать точку для мазка, например, из-за кашля или рвотного рефлекса, на зонд может не попасть достаточное количество клеток. На результат также влияют нарушения технологии хранения, транспортировки образцов.
«Цена ошибки очень высока — процент выявляемости коронавирусной инфекции снизится, а скорость ее распространения вырастет. Люди, получившие ложноотрицательные результаты, будут чувствовать себя спокойно, выходить в общественные места и контактировать с окружающими», — уточняет представитель «Гемотеста».
О точности диагностики
В России одобрены к использованию десятки тест-систем для выявления коронавируса. Ключевые характеристики — диагностические специфичность (точность) и чувствительность. Первый параметр показывает способность набора определить конкретный вирус. Второй — возможность обнаружить его части, даже если в биоматериале их очень мало. «Чем эти параметры ближе к ста процентам, тем лучше», — подчеркивает Тамара Силкина.
«Порог чувствительности — общий как для российских, так и для зарубежных тестов: 10³ на миллилитр. То есть должно быть не менее тысячи вирусных геном-эквивалентов на миллилитр образца. «ДНК-технология» заявила о чувствительности 10¹ — десять вирусных единиц на миллилитр. Другой важный показатель — воспроизводимость, то есть возможность получить одинаковый результат в разных условиях. Нужно учитывать и сходимость — отсутствие существенных различий между измерениями, выполненными в одинаковых условиях», — добавляет медик.
Метод ПЦР с обратной транскрипцией хорошо отработан и практически полностью автоматизирован. С момента попадания в лабораторию анализ занимает четыре-шесть часов. В мире эти тесты буквально поставили на поток. Только в Москве, по официальным данным, сделали 12 миллионов анализов.
Поскольку этот метод прямо выявляет возбудителя в организме, его относят к доказательной медицине и рекомендуют учитывать в клинической практике. Однако анализ больших данных говорит, что при массовом использовании ПЦР-тесты часто промахиваются.
Ложнонегативные результаты получаются в 20-66 процентах случаев. Такие данные из литературы приводят исследователи из Сеченовского университета. Вместе с зарубежными коллегами они изучили записи пациентов, госпитализированных в университетскую клинику в апреле — мае. Из 3480 человек, чьи ПЦР-тесты были доступны, примерно половина оказались чистыми. В то же время клиническая картина и КТ легких указывали на коронавирусную инфекцию. Авторы допускают, что в реальной клинической практике ПЦР-анализ не столь и критичен.
«Этиологическая диагностика, которая выявляет причину заболевания, нужна априори, — не соглашается Айрат Мавзютов, заведующий кафедрой фундаментальной и прикладной микробиологии, профессор кафедры лабораторной диагностики Башкирского государственного медицинского университета, руководитель Исследовательского центра «Лаборатория». — При вирусных инфекциях других, сравнимых по чувствительности и специфичности (точности), методов, кроме ПЦР-тестирования, нет».
Важно понимать, объясняет профессор Мавзютов, что клинический диагноз опирается на субъективные данные — анамнез (опрос) и осмотр пациента. На их основании невозможно установить вирусную природу заболевания и тем более какой именно возбудитель его вызвал. Для этого проводятся лабораторные исследования. Получаемые при этом данные, продолжает ученый, намного объективнее, поскольку большинство современных методов лабораторных исследований автоматизировано. Соответственно, на результаты не повлияют случайные факторы: уровень подготовки специалистов, их настроение, «погода в доме» и так далее.
«Диагноз COVID-19 можно поставить, только когда в материале от больного обнаружили РНК вируса SARS CoV-2 методом ПЦР или же антигены этого вируса иммунохимическими методами. Не выявив следов вируса в организме, нельзя говорить о «ковидной» природе заболевания или летального исхода», — утверждает Айрат Мавзютов.
Он обращает внимание на еще один аспект. ПЦР-тест не отличает РНК вируса, способного к репродукции, то есть размножению, от обломков «нежизнеспособных» вирусных частиц. Он лишь позволяет понять, присутствует или нет РНК коронавируса в клетках.
«Пока инфицированные клетки не заменятся на новые, а на это уходит от двух до четырех недель, не исключены положительные результаты. При этом вирус может быть уже «мертвым», человек здоров и никому не опасен», — отмечает профессор. Для уточнения учитываются данные целого ряда дополнительных исследований, позволяющих на лабораторном уровне оценивать остроту воспалительного процесса или образование антител на стадии его завершения.
Альтернатива ПЦР-диагностике
В любом случае нужно повышать чувствительность тест-систем на основе ПЦР, заключает Алексей Чемерис, а для этого нужны другие подходы. «Надо сделать так, чтобы ложнонегативных результатов было меньше, практически исключить их», — считает он.
В обзоре, подготовленном вместе с коллегами, профессор Чемерис рассматривает преимущества и недостатки ПЦР-диагностики и других методов амплификации — копировании РНК бетакоронавирусов, к которым относится SARS-CoV-2. Теоретически весьма перспективен метод петлевой амплификации — LAMP, где используют сразу шесть или восемь праймеров.
«С одной стороны, повышается специфичность: только когда все праймеры отожгутся (сработают, распознав РНК коронавируса. — Прим. ред.), начнется амплификация, с другой — вирус мутирует и шансы, что реакция не пойдет, увеличиваются, поскольку какие бы участки генома ни выбрать, все равно вероятность мутаций больше в восьми участках, чем в двух или трех (при использовании гибридизационного зонда), достаточных для ПЦР», — объясняет исследователь.
Во время предшествующей эпидемии SARS возбудителя выявляли с помощью реакции NASBA (амплификации на основе секвенирования нуклеиновых кислот) и RCA (репликации по типу катящегося кольца). Геномный редактор CRISPR-Cas также пробуют применять для идентификации РНК нового коронавируса. Есть работы по полногеномному секвенированию любого генетического материала, находящегося в биоматериале. Метод очень чувствительный, но дорогой и долгий — занимает 20 часов. Так что в ближайшее время ПЦР с обратной транскрипцией останется самым массовым способом обнаружения коронавируса в организме.