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NIST的创新技术可提高对新冠肺炎感染的检测能力

发布时间:2021-02-01 00:00:00 来源:www.zzckong.com
“应用我们的技术可以使拭子检测的灵敏度提高10倍,”NIST物理学家、团队论文的合著者Paul Patrone说。“它有可能识别出更多携带这种病毒的人,尤其是那些携带病毒数量太低、目前的检测无法得出阳性结果的人。”

研究人员经验证发现,阳性测试的数据若以图形形式来表达,总是呈现出一种相同的、可识别的形状。就像用指纹进行身份识别一样,这种测试结果所呈现的形状是独一无二的,唯一不同的只是形状的位置和大小(这一点很重要),这两点会因为样本中病毒颗粒的数量不同而变化。

之前就知道这种形状的位置可能会不同,而这次研究团队进一步发现它的大小也可能会变化。重新编写检测设备的程序以识别这种形状,不考虑其大小或位置的信息,这就是提高检测灵敏度的关键。

拭子检测采用了一种称为定量聚合酶链反应(qPCR)的实验室技术,以检测SARS-CoV-2病毒携带的遗传物质。qPCR技术提取病人拭子样本中存在的任何病毒RNA链,然后将其复制成大量的遗传物质。每当出现这种物质的新片段,它就会反应释放出一种荧光标记,在光照下会发光。正是这种荧光标记显示出病毒的存在。

虽然这种检测方法通常在实践中效果很好,但如果病毒颗粒数量低,它可能就会缺乏敏感性。检测从现有的遗传物质开始,然后加倍,然后再加倍,多达40倍以上,这样荧光标记才能产生足够的光来触发检测器。熟悉复利的人都知道,翻倍是一个强大的放大器,一开始增长缓慢,然后会飙升到很高的数字。翻倍产生的图形最初是平的,与系统背景噪音产生的崎岖不平明显不同,它最终会显出一个明显的尖峰。

然而,若最初的病毒数量很低,开始的几轮周期可能会出错。在这种情况下,即使翻40倍也不能形成足够高的尖峰,也就没有能超过检测阈值的足够亮光。因此,这会导致一些问题,比如非结论性检测或“假阴性”,意思是一个人携带病毒但却没有检测出来。

初步研究表明,在COVID-19的qPCR检测中,假阴性率可能高达30%,其中一项研究发现某些胸部CT扫描显示阳性的病例在拭子检测中却没有发现。另一项研究表明,如果是无症状和早期疾病状态,患者样本中检测出的病毒颗粒数量只有1/60或更少。《美国医学会杂志》(JAMA)八月份发表的研究报告支持无症状携带者可以传播病毒的观点。

NIST的研究人员发现,阳性测试图的形状,即一种平坦的、嘈杂的开始之后是一个尖峰,甚至在目前没有触发阳性检测结果的数据中也可以发现。他们在研究论文中给出了一个形式证明,证明了这些形状在数学上是“相似的”,类似于三角形,尽管它们的尺寸要么大些要么小些,但它们的角度和比例都相同。他们将这一理论证据应用到计算机可以用来识别数据中参考形状的例行程序中。

“我们不再受限于必须通过高的检测阈值,”Patrone说。“尖峰不需要太大。它们需要有合适的形状。”

Patrone说,将他们的发现并入检测将会立即帮助应对大流行,因为这将有助于更准确地确定无症状和症状前期病例的数量。

“从本质上说,减少假阴性有助于医生和科学家们更好地控制病毒的实际传播,”他说。“我们很可能错过了无症状病例的检测。根据我们的设计,检测到的病毒RNA数量无需很高,因此可以查出大量的无症状病例。”

新的检测标准也不太可能产生假阳性,因为它将检查曲线是否与参考形状一致,而不仅仅是它是否超过了检测阈值。

“在标准的检测协议中,有可能出现假阳性,例如,如果背景影响上升到检测阈值范围而没有人手动检查结果,”Patrone说。“在我们的分析中,这种情况发生的可能性非常小,因为数学会自动排除这类信号。”

在收集样本时,大流行应急工作人员不需要采取任何不同的做法。由于研究团队利用的这种数学算法是应用于数据收集后,因此程序员只需要用几行计算机代码更新实验室设备软件就可以了。

“我们的工作可能很容易解决问题,因为它是数据分析方面的一个进步,”Patrone说。“它可以很容易地并入任何实验室或检测仪器的协议中,因此它可能对这场健康危机的法阵产生直接影响。”
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