Coronavirustestauksen taustalla oleva tiede ja missä Yhdysvallat meni pieleen

Anna Minkina on tohtorikoulutettava genomitieteiden laitoksesta Washingtonin yliopistossa Seattlessa. Hän kehittää genomiikan tekniikoita, kirjoittaa CRISPR: llä ”muistoja” solujen omaan DNA: han ja on suorittanut koko joukon PCR: tä (menetelmä, jolla havaitaan uusi koronavirus). Kaikki tässä esitetyt näkemykset ovat hänen omia.

Tärkeä pullonkaula uuden koronaviruksen puhkeamisen torjumisessa Yhdysvalloissa on erittäin rajallinen testauskapasiteetti. Vaikka Etelä-Korea on testannut yli neljänneksen miljoonaa ihmistä, Yhdysvallat on tähän mennessä suorittanut vain 33 tuhatta testiä, vain kolme kertaa Etelä-Korean päivittäinen testauskapasiteetti. Spekulaatiot huolimattomuudesta, epäpätevyydestä ja tahallisesta salaliitosta ovat lentäneet ympäri selittääkseen tämän ristiriidan. Todellisuudessa, kuten melkein aina tapahtuu, tekijät, jotka vaikuttavat Yhdysvaltojen kykyyn aloittaa testaus, ovat uskomattoman monimutkaisia, ja niihin sisältyy sääntelyn esteitä liittovaltion ja paikallisella tasolla, tarvikkeiden, laitteiden ja sertifioidun henkilöstön pulaa sekä niihin liittyviä teknisiä haasteita itse testin kanssa.

Nämä haasteet huomioon ottaen voi yllättää, kun tiedät, että koronavirustesti on suhteellisen yksinkertainen ja toiminnallisesti sama kaikissa maissa. Olen molekyylibiologina suorittanut samanlaisia ​​menettelyjä satoja kertoja. Joten kun Etelä-Korea suoritti suuruusluokkaa enemmän testejä kuin Yhdysvallat, missä menimme pieleen? Jos testi on niin yksinkertainen, se voidaan suorittaa missä tahansa molekyylibiologian laboratoriossa, miksi emme testata rutiininomaisesti tuhansia ihmisiä päivässä? Miksi tuloksia ei ole saatavana päiviä testauksen jälkeen? Auttavatko hillitsemis- ja kotitestaukset?

Kuinka koronavirustesti toimii?

Näihin kysymyksiin vastaamiseksi harkitaan ensin syyllistä, jonka testi pyrkii havaitsemaan: itse viruksen. Virukset ovat ytimessään yllättävän yksinkertaisia ​​kokonaisuuksia: kapselit, joissa on kone solun tunkeutumiseen ja jotka sisältävät geneettistä tietoa ja ohjeet tehdä lisää viruksia. Kun virus saapuu soluun, ohjeet luetaan ja virusosia valmistetaan ja kootaan. Äskettäin valmistetuilla viruksilla on mekanismeja päästäkseen isäntäsoluistaan ​​ja koronaviruksen tapauksessa kulkeutuen edelleen hengitysteitä pitkin, saavuttaen lopulta keuhkosolut. Tartunnan sattuessa keuhkosolut eivät enää pysty suorittamaan normaalia työtä, mikä johtaa COVID-19: n (uuden koronaviruksen aiheuttaman sairauden) hengitysoireisiin.

Uusi koronavirus saapuu ja moninkertaistuu soluihimme

Viruksen esiintymisen havaitsemiseksi kliinisessä näytteessä on useita tapoja. Voimme etsiä viitteitä siitä, että immuunijärjestelmämme reagoi siihen, tai voimme etsiä virusta itse. Jälkimmäinen osoittautuu paljon yksinkertaisemmaksi, koska meillä on kokeiltu ja totta, helposti mukautettavissa oleva menetelmä viruksen yhden piirteen havaitsemiseksi: "miten tehdä enemmän viruksia" -ohjeet, joita virus sisältää.

Nämä ohjeet ovat viruksen geneettisiä tietoja, samanlaisia ​​kuin DNA: n. Ne ovat molekyylin rakennuspalikoiden ketju - lyhennettynä A: ksi, C: ksi, G: ksi ja U: ksi -, jotka on koottu yhteen ymmärrettävässä järjestyksessä - ne ovat käsikirja, jonka voimme avata ja lukea, kirjaimella kirjeellä. Viruksen havaitsemiseksi meidän on vain etsittävä sen käyttöohjeita.

Tätä varten käytämme tavanomaista molekyylibiologiatekniikkaa, jota kutsutaan polymeraasiketjureaktioksi tai PCR: ksi. PCR antaa meille mahdollisuuden tehdä kopioita pienestä, spesifisestä DNA-osasta - esimerkiksi lauseesta käyttöohjeesta -, kunhan tiedämme kyseisen lauseen ensimmäisen ja viimeisen sanan. Näitä vierekkäisiä sanoja kutsutaan alukkeiksi, ja kuten huomaat, on tärkeää valita ne viisaasti. Yhdistämällä alukkeet potilasnäytteen ja muutaman muun komponentin kanssa koneessa, joka voi käydä läpi muutaman eri lämpötila-asetuksen, voimme tuottaa miljoonia kopioita valitusta DNA-lauseestamme suhteellisen nopeasti (30–45 minuutissa).

(Ollakseni täysin tarkka, koronavirus on itse asiassa RNA-virus. RNA on samanlainen kuin DNA, mutta tämä menetelmä näyttää hieman erilaiselta käytännössä ja siihen viitataan nimellä RT-PCR. Lopputulos on sama: useita, monia kopioita DNA: sta valmistetaan virus-RNA-ohjeista).

Mutta odota, mitä käyttöohjeen lauseita yritämme kopioida ... ja miksi? Itse lauseella ei ole merkitystä, kunhan se on yksinomaan koronaviruksen käyttöohjeessa; sen ei tarvitse puuttua muiden yleisten virusten, kuten flunssa, geneettisestä koodista. Emme tee kopioita, jotta emme voi lukea niitä, vaan puhtaasti nähdäksemme, että ne voidaan tehdä - miljoona kopiota asiakirjasta on helpompi nähdä kuin yksi paperiarkki. Näiden kopioiden "näkemiseksi" käytämme fluoresoivaa koetinta, joka emittoi valoa vain, kun se sitoutuu DNA: han - mitä enemmän DNA-kopioita tehdään, sitä enemmän valoa säteilytetään näytteestä. Tartunnan saaneesta yksilöstä peräisin olevassa näytteessä - jossa ei ensisijaisesti ole virusmateriaalia, kopioita ei tehdä eikä valoa säteile. Viruksen RNA: ta sisältävä näyte muuttuu kirkkaammaksi ajan myötä. Voimme seurata kunkin näytteen lähettämää valon määrää reaaliajassa, kuten alla on esitetty.

Yhdysvaltojen sairauksien torjuntakeskuksen (CDC), Maailman terveysjärjestön (WHO) ja Yhdysvaltojen ympäristössä sijaitsevissa laboratorioissa sekä Etelä-Koreassa käytetyissä testeissä käytetään kaikkia tätä perusstrategiaa: RT-PCR virus-RNA: n havaitsemiseksi.

Mutta jos testi on niin yksinkertainen, miksi USA: lla on vaikeuksia saada se toimimaan?

Alun perin Yhdysvallat valtuutti käyttämään CDC: n kehittämiä testisarjoja kaikkiin koronavirustesteihin, mutta laboratorioilla oli ilmoitettu olevan vaikeuksia saada ne toimimaan. CDC: tä kritisoitiin siitä, ettei se käyttänyt Saksassa kehitettyjä testipaketteja, jotka havaitsivat onnistuneesti koronaviruksen ympäri maailmaa ja joita WHO tuki. Yhdysvaltain laboratoriot vastasivat kehittämällä omia testejä, joissakin tapauksissa ilmoittaen tulosten nopeammasta kääntymisestä. Tämä herättää kysymyksen: Mitkä ovat näiden testien erot ja miksi jotkut toimivat paremmin kuin toiset?

Vastaus on suhteellisen yksinkertainen: kukin testi valitsi eri “lauseen” kopioitavaksi virus-RNA: sta. Käytännössä tämä muuttaa alukkeet (lauseen ensimmäinen ja viimeinen sana), fluoresoiva koetin (vastaa jotakin sanaa keskellä) ja ”positiivinen kontrolli” (DNA-putki, joka sisältää ”lauseen”, jota käytetään tekemään Varmista, että testi toimii oikein). Itse asiassa CDC: n testisarjat ovat todellakin vain nämä: muutama putki, joka sisältää kolme edellä mainittua komponenttia.

Alukkeiden valitseminen mille tahansa PCR-kokeelle osoittautuu hankalaksi ja joskus arvaamatonksi. Alukkeet ovat vain lyhyitä DNA-paloja itse, ja jollakin DNA: lla on taipumus taittua itsensä sisään, jolloin syntyy “hiusneula” rakenne, joka estää PCR: ää. (Tämä on vähän kuin vastaavat kirjaimet palindromissa, jotka löytävät toisiaan). Nämä “palindromi” alukkeet voivat tuottaa väärän negatiivisen - tartunnan saaneen potilaan, jonka näytteestä puuttuu virus. Vaihtoehtoisesti alukkeet voivat toimia hienosti tehdäkseen kopioita koronavirus-RNA: sta, mutta saattavat myös pystyä kopioimaan jonkin osan ihmisen DNA: sta. Koska potilasnäytteet (useimmiten nenätyynyt) sisältävät sekä viruspartikkelit että ihmisen solut, nämä alukkeet voivat tuottaa väärän positiivisen - virukselle infektoimattoman yksilöllisen testituloksen. Muita mahdollisia RT-PCR-epäonnistumisen lähteitä ovat mm. Lämpötila, alhainen alukkeen tai näytteen pitoisuus ja kontaminaatio.

Kuinka koronavirustesti voi epäonnistua. ”Palindrome” -alusta voi aiheuttaa väärän negatiivisen. Alukkeet, jotka tunnistavat ihmisen DNA: n, voivat johtaa väärään positiiviseen.

On keskusteltu siitä, oliko CDC: n alukkeet huonompi kuin toiset, mutta Yhdysvaltojen laboratorioilla on toinen kriittinen syy kehittää omia testejä: CDC: n testisarjoja on vähän. Periaatteessa suurin osa molekyylibiologian laboratorioista voi kehittää tällaisen testin viikossa tai kahdessa, mutta ne, jotka ovat tehneet niin, ovat joutuneet vastaamaan toiseen suureen esteeseen: FDA: n määräykset estävät niitä tutkimasta potilasnäytteitä ja antamasta tuloksia.

Liittovaltion määräykset vaikeuttavat yrityksen sisäistä testausta

Ennen kuin pääsemme rikkaruohoihin täällä, on tärkeää muistuttaa itsellemme, miksi FDA: n säännökset ovat olemassa: suojella kuluttajaa - meitä - väärien lääketieteellisten tietojen saamiselta. Tyypillisesti sekä laboratorioita, joissa kliinisiä testejä suoritetaan, että itse testejä valvotaan laillisesti (vaikka kuten tässä artikkelissa todetaan, FDA: n nykyisen hallinnon kliinisten kokeiden valvonta on ennen häiriötä ollut hälyttävän heikko).

Vastauksena tähän puhkeamiseen FDA valtuutti alun perin yksinomaan CDC-testien käytön, mutta löysätti rajoituksia, kun kävi selväksi, että tarve ylitti CDC: n tarjonnan vakavasti. Tällä hetkellä CLIA-sertifioiduilla laboratorioilla (laboratorioilla, jotka on jo sertifioitu suorittamaan kliinisiä testejä) sallitaan kehittää ja käyttää omia testejä, mutta niiden on toimitettava hätäkäyttölupahakemus, johon sisältyy huolellinen (ja aikaa vievä) sisäisten testien validointi ja näytteenoton menettelyt. Laboratorioiden, joilla on laaja kokemus ja infrastruktuuri kliinisten näytteiden virus-PCR-määritysten suorittamiseksi, mutta joiden pääpaino on historiallisesti ollut tutkimusta eikä kliinistä diagnostiikkaa, on myös hankittava CLIA-sertifikaatti, estämällä väliaikaisesti ainakin yhden hyvin varustetun laboratorion, jolla oli keskeinen rooli paljastaa Seattlen puhkeamisen laajuuden suorittamalla lisätestauksia.

Se on monimutkainen asia, sillä yksittäisten kuluttajien suojelu on jonkin verran ristiriidassa maan välittömän tarpeen kanssa aloittaa testaus nopeasti kansanterveydellisen hätätilanteen yhteydessä. Tiukat ja aikaa vievät FDA-vaatimukset estävät akateemisia ja kliinisiä laboratorioita ympäri maata, joilla on valmiuksia ja halua kehittää ja ottaa käyttöön testausta yhteisöissään, kyvystä tehdä niin. Vaikka sertifiointitie on olemassa, se ei ole nopea eikä kivuton, ja kriisissä, joka kasvaa räjähdysmäisesti joka päivä, kun laajalle levinnyt testaus on osoittautunut tehokkaaksi levityksen hillitsemisessä, on ratkaisevan tärkeää, että liittovaltion hallitus tekee kaiken voitavansa salliakseen halunsa laboratoriot hakemaan löysyyttä sieltä, missä se lopulta epäonnistui: valmistautuminen liikkumaan nopeasti kansanterveyskriisin sattuessa - työ, jota aiemmin hoiti pandemiavalmiusryhmä, jonka Trump hajotti vuonna 2018.

Suuri toimituspula vaatii luovia ratkaisuja

Laboratoriot, jotka onnistuvat saamaan asianmukaisen sertifikaatin kliinisen testauksen suorittamiseen, kohtaavat vielä yhden esteen: massiivinen tarvikepula. Potilaidenäytteet kerätään yleisimmin nenänäytteinä, ja ennen RT-PCR: ää virus RNA on erotettava limakalvoista, ihmisen soluista ja muista jätteistä. Kaupallisesti saatavilla olevat RNA-uuttopakkaukset ovat ylivoimaisesti nopein ja turvallisin tapa käsitellä useita näytteitä kerralla, mutta yllättävää, että kysyntä on nopeasti ylittänyt tarjonnan, pakottaen testauslaboratoriot etsimään lahjoituksia paikallisesti sosiaalisen median kautta. PCR-koneet ovat toinen merkittävä pullonkaula, samoin kuin koulutetut henkilöt, joita tarvitaan niiden käyttämiseen kapasiteetilla. Vaikka jotkut tutkijat väittävät, että FDA: n rajoitukset olisi poistettava, jotta kaikki akateemiset laboratoriot voivat polttaa tyhjäkäynnillä olevat PCR-koneensa ja aloittaa testauksen heti, vaikka hekin tunnustavat tämän, se lisää huomattavasti virheellisten tulosten määrää, johtaen meidät piilottamattomalle ja arvaamattomalle alueelle. Vaikuttaa järkevämmältä, että FDA siirtyy nopeasti varmentamaan hyvin varustetut laboratoriot, jotka voivat kouluttaa vapaaehtoisia tutkijoita suorittamaan hyväksyttyjä sisäisiä testejä mittakaavassa. Länsirannikolla se on jo kaikilla käsillä kannella. Washingtonin yliopiston lääketieteellinen korkeakoulu ja UC Berkeleyn Innovatiivinen genomiikkainstituutti kouluttavat akateemisia tutkijoita, jatko-opiskelijoita ja postdokumentteja suorittamaan koronavirustestauksen.

Kuvia Twitteristä

Auttavatko autokokeet ja kotona testaaminen?

Ensin selvitetään sekaannus: koronavirustestauksen suhteen ”ajaa läpi” ja ”kotona” eivät kuvaa itse testiä, joka vaatii koulutusta ja erikoistuneita laitteita. Nämä termit viittaavat sen sijaan siihen, miten ja mihin nenätyynyt kerätään. Vaikka nämä strategiat eivät välttämättä lisää huomattavasti testauksen nopeutta, näytteenoton keräämisessä postitse tai ajamalla voi olla huomattavia etuja kansanterveydelle: sairaiden pelkäävien ei tarvitse matkustaa klinikalle, vaarassa tartuttaa toisia siellä tai siellä kauttakulku. Kotimaisen näytteenoton suunnitelmat ovat jo käynnissä, ja UW-lääketieteen potilaille ja henkilökunnalle on jo saatavissa ajokokeita. Mutta myös tässä yhteydessä esiintyy sääntelyesteitä: kotitestijen käsittelemiseksi laboratorioiden on toimitettava merkittävää näyttöä siitä, että nämä näytteet ovat luotettavia verrattuna koulutettujen henkilöiden keräämiin näytteisiin, mikä vaikeuttaa laboratorioiden kykyä nopeasti toteuttaa nämä toimenpiteet.

Minne menemme täältä?

Kuva Twitteristä

Tässä esitetyt haasteet johtavat yhteen johtopäätökseen: Yhdysvallat ei ollut täysin valmistautunut tällaiseen kansanterveydelliseen hätätilanteeseen. Etelä-Korea uudisti hätävalmiussuunnitelmiaan vuoden 2015 MERS-puhkeamisen jälkeen ja tunnusti, että varhainen havaitseminen ja eristäminen olivat tehokkaita puhkeamisen lieventämiseksi, ja asetti resurssit ja menettelyt paikoilleen, jotka voidaan ottaa nopeasti käyttöön. Toivottavasti Yhdysvaltojen hallitus oppii tästä katastrofista ja suuntaa lisää resursseja tulevaisuuden hätävalmiuteen. Sillä välin, tutkijat tekevät sankarillisesti kaiken voitavansa tarttuakseen löysyyteen, ja hallituksen olisi ensisijaisesti painotettava yksinkertaistamaan ja nopeuttamaan sääntelymenettelyjä, jotta pätevät ja hyvin varustetut laboratoriot voisivat testata enemmän. Parafraasina virologin ennustettua levinneisyyttä ja odotettua suuntausta kuvaavaa virologia Trevor Bedfordia, joka on tärkeä ääniraportointi, testauskapasiteetin lisääminen on välttämätöntä leviämisnopeuden vähentämiseksi ja koronaviruksen puhkeamisen saattamiseksi USA: n hallintaan.

Tutkijana tunnen ylpeyttä ja rohkaisua tutkijoiden kollegoiden nopeista ja epäitsekäsistä vastauksista laajentaa testausta, välittää tärkeitä tietoja yleisölle ja aloittaa rokotteiden kehittämisen ja testaamisen ennätysnopeudella. Viime kädessä olemme kaikki tässä yhdessä.