Тесты на коронавирус: как они работают и почему их не хватает
В Огайо 16 марта было пять подтвержденных случаев коронавируса. Но директор департамента здравоохранения штата Эми Эктон считает, что это только начало.
“Сам факт распространения в сообществе говорит о том, что, по крайней мере, 1% сегодня переносит этот вирус в Огайо. У нас 11,7 миллиона человек”, – утверждает она. То есть, можно предположить, что уже есть 117 000 случаев заболевания только в Огайо.
Не факт, что эти цифры точные. Официально в мире зафиксировали 130 000 случаев Covid-19, так что шестизначное число заболевших в Огайо вряд ли реально. Однако эта деталь хорошо отображает ситуацию. Врачи не знают точно, кто болен, насколько серьезно и как быстро распространится вирус. Все потому, что в США недостаточно тестов.
В отличие от гриппа или других вирусов, врачи не могут определить наличие Covid-19 только по симптомам. И хотя тесты уже разработаны, для многих людей они просто недоступны.
По данным Американского института предпринимательства, США может проводить около 22 000 тестов в день. Это примерно вдвое больше, чем в Южной Корее, население которой в шесть раз меньше, чем население Америки. Проблема усугубилась еще и тем, что в январе и феврале тестов было еще меньше, и медики не могли оценить масштабы проблемы.
Как реагировать на пандемию
Реакция на вспышку инфекционного заболевания имеет две фазы: сдерживание и смягчение последствий. Фаза сдерживания наступает рано, когда начинают появляться первые случаи. В это время медики ищут всех людей, с которыми инфицированный человек мог контактировать. Их пытаются изолировать и вылечить, чтобы уменьшить дальнейшее распространение.
Но без возможности проверить всех потенциальных зараженных медики не могут долго сдерживать распространение.
На втором этапе, когда болезнь выходит за рамки возможностей системы здравоохранения, нужно смягчать последствия. Без возможности протестировать огромное количество людей трудно подсчитать, сколько больных попадут в больницы или умрут.
В случае с Covid-19 предполагаемый процент умирающих, или коэффициент летальности, варьируется от менее чем 1% до 15%. Все зависит от количества протестированных в стране.
Когда коронавирус превратился в пандемию, пришлось принимать меры по смягчению последствий: закрывать школы, отменять массовые мероприятия, работать из дома. Это должно помочь снизить число инфицированных и “сгладить кривую” – число больных людей в определенный момент времени. Иначе в США и других странах не будет достаточно ресурсов, чтобы лечить больных.
Сейчас в Штатах в среднем имеется 2,9 больничных коек на 1000 человек. Это меньше, чем в Италии, но больше, чем в Иране.
И хотя Дональд Трамп обещал доставить “миллионы” новых тестов, вряд ли это действительно удастся.
Как работают тесты
Тестирование нового вируса опирается на две важные технологии.
Первая – полимеразная цепная реакция (ПЦР). Метод изобрел в 1980-х годах Кэри Маллис и получил за него Нобелевскую премию. Он предполагает копирование участков ДНК. Его используют, если ДНК в биологическом материале слишком мало для анализа. Иногда нужно создать миллионы таких копий.
ПЦР позволяет определить наличие патогена – причины болезни. Для этого нужный ген копируют, а затем определяют последовательность участка ДНК и проверяют мутации.
Вторая – превращение в ДНК. Геном коронавируса состоит из РНК (одной цепочки), а его нужно превратить в ДНК (две цепочки). Это делают с помощью фермента под названием обратная транскриптаза.
Вместе эти две техники получили название RT-PCR.
Сейчас RT-PCR – единственный способ определить наличие коронавируса Covid-19. Никакие другие виды тестов пока не могут отличить этот вирус от гриппа или других респираторных вирусных заболеваний.
“Это очень стандартная, надежная методика, используемая в микробиологических лабораториях практически повсеместно, и ее можно быстро применить к клиническим испытаниям”, – объясняет Луис Мански, директор Института молекулярной вирусологии в Университете Миннесоты. Это один из самых быстрых видов тестов, утверждает он.
Но пока не разработают другие виды, тесты на Covid-19 придется делать только в лаборатории и только с помощью ученых. Соответственно, нужно оборудование для проведения ПЦР и люди, которые умеют им пользоваться. Поэтому пока тесты не получится проводить в обычной клинике или в домашних условиях.
В США такие тесты могут делать только лаборатории, сертифицированные федеральными центрами Medicare и Medicaid Services. И процесс утверждения новых центров для проведения тестов может занять месяцы.
Проведение самого теста занимает около одного дня, если есть все необходимые реагенты. Но нехватка этих реагентов тоже может стать серьезной проблемой. Так что тестирование может затянуться на дни или даже недели.
Как определяют наличие вируса
Самый первый шаг – сбор образца. Стерильной мягкой пластиковой палочкой медики проводят в носу пациента или по задней стенке горла. Так они собирают биологический материал, который недавно был в легких – а именно в них, по мнению ученых, размножается вирус.
Затем эту палочку запечатывают и отправляют в холодном контейнере в лабораторию. Образец должен находиться при температуре 1.5-4.5 градуса по Цельсию. В таких условиях его можно содержать до четырех дней. Потом нужно или отправить в морозильник, или выбросить.
В лаборатории первым делом отделяют РНК от всего остального биологического материала – белков, ферментов. Это называется извлечением РНК.
Если это делать вручную, то нужно добавлять химикаты и задействовать центрифугу, чтобы РНК отслоилась от остального материала. Несколько компаний делают наборы тестов со всем необходимым для выделения РНК. Есть также автоматизированные машины, которые могут выделить ее без ручного вмешательства человека.
Как только РНК отделили, нужно добавить обратную транскриптазу, чтобы получить ДНК (сделать из одной цепочки две). Затем ДНК отправляют в пробирку. Там ее уже ждут праймеры – короткие фрагменты ДНК, разработанные для “связывания” с вирусом. Праймеры должны распознать и “связаться” только с генетическим материалом вируса и больше ни с чем.
Все это происходит внутри аппарата для проведения ПЦР, который меняет температурный режим. Когда пробирка нагревается, двойная спираль ДНК разделяется на две нити. Температура понижается – и праймеры фиксируются на “вирусных” сегментах открытой ДНК. Потом эта ДНК копируется до того момента, когда ученые смогут распознать вирус. Вирусные фрагменты находят при помощи флуоресцентного красителя. Специальный прибор считывает количество света и определяет, в каких образцах содержится вирус.
“Если в вашем образце присутствует коронавирус, то его РНК будет превращаться в ДНК и копироваться вместе с флуоресцентным сигналом, который сообщает, положительный или отрицательный тест”, – говорит Луис Мански.
В чем проблема
Этот процесс – только схема того, что нужно делать. Но праймеры, особенности извлечения РНК и другие детали могут отличаться. Поэтому чтобы все тесты на новый коронавирус проводились правильно, нужно создать протоколы тестирования. Из-за ошибок в протоколах и бюрократии в феврале тестов было недостаточно.
И хотя сейчас процедуры упростили, появилась проблема с тем, чтобы достать необходимые препараты и инструменты для извлечения РНК. “Все пытаются заказать эти вспомогательные ингредиенты, и в лабораториях говорят, что многие сейчас невозможно получить”, – рассказал руководитель Ассоциации лабораторий по здравоохранению Эрик Бланк.
Как с этим борются
Минимум 20 компаний пытаются разработать “молекулярные” тесты, которые не требуют такой аппаратуры и столько времени. Компании надеются создать анализ, для которого нужно будет просто взять мазок у пациента, поместить его в картридж и через полчаса получить результат.
Cepheid – одна из крупнейших компаний, которая производит такие наборы для лечения других заболеваний – разрабатывает версию для Covid-19. Компания Coyote Bioscience якобы уже внедряет ее в Китае. Есть даже одна разработка, которая потенциально может диагностировать одновременно и коронавирус, и грипп.
Есть идеи для разработки тестов, основанных на технологии поиска генов Crispr. Этими методами занимаются Sherlock Biosciences и Mammoth Biosciences. Сейчас Mammoth проверяет результаты первых исследований.
Другой подход – поиск антител к вирусу в крови пациентов. Это так называемый серологический тест. Он был бы очень полезным, ведь так можно было бы узнать, кто заразился, но вылечился. “Пока мы не пройдем полное тестирование такого типа, мы не узнаем, сколько случаев мы пропустили”, – уверен Мартин Хибберд, исследователь инфекционных заболеваний в Лондонской школе гигиены.
Серологический тест также, вероятно, будет дешевле, чем диагностика на основе ПЦР. Сейчас его пытаются разработать в Сингапуре. Тем не менее серологические тесты могут быть менее точными, чем другие.
