[論文レビュー] Purim: a rapid method with reduced cost for massive detection of CoVid-19

Benjamin Isac Fargion, Daniele Fargion+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2020

COVID-19 diagnosis using AI参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

Purimは、患者のサンプルをサブグループにプールして一括で検査し、結果の相互相関を用いて感染個体を最小限の個別検査で特定する、画期的で低コストかつ高スループットな大量SARS-CoV-2スクリーニング手法である。この手法は、個別PCR検査に比べて検査コストと時間を最大98％まで削減でき、1回の検査で数千人をスクリーニング可能であり、急速な全国的スクリーニングと初期の流行発見を可能にする。

ABSTRACT

The CoVid-19 is spreading pandemically all over the world. A rapid defeat of the pandemic requires carrying out on the population a mass screening, able to separate positive from negative cases. Such a cleaning will free a flow of productive population. The current rate and cost of testing, performed with the common PCR (polymerase chain reaction) method and with the available resources, is forcing a selection of the subjects to be tested. Indeed, each one must be examined individually at the cost of precious time. Moreover, the exclusion of potentially positive individuals from screening induces health risks, a broad slowdown in the effort to curb the viral spread, and the consequent mortality rates. We present a new procedure, the Purified by Unified Resampling of Infected Multitudes, in short Purim, able to untangle any massive candidate sample with inexpensive screening, through the cross-correlated analysis of the joint speciments. This procedure can reveal and detect most negative patients and in most cases discover the identity of the few positives already in the first or few secondary tests. We investigate the the two-dimensional correlation case in function of the infection probability. The multi-dimensional topology, the scaled Purim procedure are also considered. Extensive Purim tests may measure and weight the degree of epidemic: their outcome may identify focal regions in the early stages. Assuming hundreds or thousand subjects, the saving both in time and in cost will be remarkable. Purim may be able to filter scheduled flights, scholar acceptance, popular international event participants. The optimal extension of Purim outcome is growing as the inverse of the epidemia expansion. Therefore, the earlier, the better.

研究の動機と目的

• パンデミックの拡散を抑制するための、迅速で低コストかつ大規模なSARS-CoV-2検査の緊急的なニーズに対応すること。
• 現在の個別PCR検査におけるボトルネックを克服すること。これは大規模に実施する際、時間とコストがかかるためである。
• 全員の個別検査に依存せずに、プールされたサンプル内で感染個体を効率的に同定する手法を開発すること。
• スケーラブルな検査を用いて地域間の流行拡大の程度を測定・重み付けすることで、流行の早期発見を可能にすること。

提案手法

• PurimはN人の個体を1つのテストにプールする。陽性の場合、グループはサブグループ（例：行と列）に再分割して二次検査を実施する。
• 水平方向および垂直方向のサブグループからなる2次元のプールドサンプルアレイを用い、感染個体を特定するための相互相関を可能にする。
• サブグループ検査の結果を相互に照合することで、陽性例の交差領域を同定し、誤検出が発生しても感染個体を特定する。
• 『ミラー』または『シャドウ』効果に起因する誤検出は、懸念される候補者に対する最小限の追加個別検査により解消される。
• この手順は多次元トポロジーにスケーリング可能であり、10,000人規模の大きな集団に対しても適用可能で、2·N²のサブテストで実現できる。
• 感染確率が低い（<1％）ものと仮定し、サンプルの希釈にも耐えられる。10～100倍のウイルスRNA希釈に対しても有効性を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プール検査戦略を用いることで、大規模なSARS-CoV-2スクリーニングに必要なPCR検査数を大幅に削減できるか？
• RQ2 プールされたサブグループからの相互相関結果をどのように活用すれば、高精度かつ最小限の追加検査で感染個体を特定できるか？
• RQ3 この手法を用いて、コストと時間の効率を維持したまま、スクリーニング可能な最大人口はどれくらいか？
• RQ4 感染症の有病率が変動する状況、特に低有病率環境下でもこの手法は効果を発揮するか？
• RQ5 空港のスクリーニング、学校再開、国家規模の検査キャンペーンといった実世界の応用にこの手法を拡張可能か？

主な発見

• 1％未満の感染有病率の集団をスクリーニングする場合、Purimは個別検査に比べて検査数を80％～98％まで削減できる。
• 10,000人の集団を対象とした場合、Purimは個別PCRに必要な検査数の2％～20％にまで削減可能であり、感染率に応じて変動する。
• 最初または第二ラウンドの検査で、真の陽性個体を高い信頼性で特定でき、追加の個別検査の必要を最小限に抑えることができる。
• 6,000万人規模の国家的試験において、Purimは個別検査のコストのたった2％～3％にまで削減可能であり、数十億ドルの費用削減が見込める。
• この手順により、飛行機や学校、イベントなど大規模なグループの迅速なスクリーニングが可能となり、大多数の安全な再入場が可能となる一方で、少数の感染者を隔離できる。
• この手法は、感染症の拡大率が速くなるにつれて効率が低下するが、流行の初期段階に適用すれば、その効率は感染拡大率の逆数に比例して向上する。