[논문 리뷰] High-sensitivity COVID-19 group testing by digital PCR

Andrew Martin, Alexandre Storto외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 03.

SARS-CoV-2 detection and testing참고 문헌 9인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 디지털 역전사 복제 드롭렛 디지털 PCR(RT-dPCR)가 SARS-CoV-2에 대한 고감도 군집 검사에 효과적임을 입증한다. 기존 RT-PCR보다 풀드 샘플에서 더 뛰어난 성능을 보이며, 실제 병원 환경에서 8, 16, 32명의 군집 크기에서 26例의 양성 사례를 검출했으며, 개별 RT-PCR에서 놓친 두 사례도 포함되어 있으며, 32명 군집에서는 100% 일치를 보였다.

ABSTRACT

Background: Worldwide demand for SARS-CoV-2 RT-PCR testing is increasing as more countries are impacted by COVID-19 and as testing remains central to contain the spread of the disease, both in countries where the disease is emerging and in countries that are past the first wave but exposed to re-emergence. Group testing has been proposed as a solution to expand testing capabilities but sensitivity concerns have limited its impact on the management of the pandemic. Digital PCR (RT-dPCR) has been shown to be more sensitive than RT-PCR and could help in this context. Methods: We implemented RT-dPCR based COVID-19 group testing on commercially available system and assay (Naica System from Stilla Technologies) and investigated the sensitivity of the method in real life conditions of a university hospital in Paris, France, in May 2020. We tested the protocol in a direct comparison with reference RT-PCR testing on 448 samples split into groups of 3 sizes for RT-dPCR analysis: 56 groups of 8 samples, 28 groups of 16 samples and 14 groups of 32 samples. Results: Individual RT-PCR testing identified 25 positive samples. Using groups of 8, testing by RT-dPCR identified 23 groups as positive, corresponding to 26 true positive samples including 2 samples not initially detected by individual RT-PCR but confirmed positive by further RT-PCR and RT-dPCR investigation. For groups of 16, 15 groups tested positive, corresponding to 25 true positive samples identified. 100% concordance is found for groups of 32 but with limited data points.

연구 동기 및 목표

• 코로나19 패닉 기간 동안 테스트 용량이 제한된 상황에서 군집 검사의 감도와 확장성을 향상시켜 도전 과제를 해결한다.
• 풀드 샘플에서 전통적인 RT-PCR의 감도 한계를 극복하여 가짜 음성 결과가 발생하는 것을 방지한다.
• 파리 소재 대학 병원에서 확보한 실제 임상 샘플을 이용해 디지털 PCR(RT-dPCR)의 군집 검사 성능을 평가한다.
• RT-dPCR가 정확도를 훼손하지 않은 채, 풀드 테스트 환경에서 낮은 바이러스 부하 샘플을 신뢰성 있게 검출할 수 있는지 확인한다.
• 실제 임상 환경에서 다양한 군집 크기(8, 16, 32)에서 RT-dPCR의 실현 가능성과 감도를 평가한다.

제안 방법

• Stilla Technologies에서 제공하는 Naica 시스템을 사용하여 RT-dPCR를 수행하였으며, 이는 핵산의 디지털 정량을 가능하게 하는 상용 플랫폼이다.
• 448개의 임상적 인후부비강 swab 샘플을 8명, 16명, 32명 단위의 군집으로 나누어 군집 검사를 수행하였다.
• 모든 448개 샘플에 대해 RT-dPCR 결과를 개별 RT-PCR 검사 결과(기준 기준)와 직접 비교하였다.
• 바이러스 타겟의 절대 정량을 위해 샘플을 수천 개의 나노리터 크기의 드롭렛으로 분할하는 디지털 PCR 기법을 사용하였다.
• 초기 RT-PCR에서 놓친 샘플에 대해 확진 테스트를 실시하여 RT-dPCR 결과의 타당성을 검증하였다.
• 실제 임상 조건에서 다양한 군집 크기에서 RT-dPCR의 감도와 특이도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바이러스 부하가 풀드 샘플로 희석될 경우, RT-dPCR가 군집 검사 형식에서도 높은 감도를 유지할 수 있는가?
• RQ2 풀드 테스트에서 낮은 바이러스 부하 SARS-CoV-2 샘플을 검출할 때 RT-dPCR는 개별 RT-PCR보다 어떻게 비교되는가?
• RQ3 감도와 실용적 실현 가능성 측면에서 RT-dPCR 군집 검사의 최적의 군집 크기는 무엇인가?
• RQ4 RT-dPCR는 기존 RT-PCR이 놓친 풀드 테스트에서 SARS-CoV-2 양성 샘플을 검출할 수 있는가?
• RQ5 실제 병원 환경에서 다양한 군집 크기에서 RT-dPCR와 개별 RT-PCR 간의 일치율은 얼마인가?

주요 결과

• RT-dPCR는 모든 군집 크기에서 26건의 참 양성 샘플을 검출하였으며, 이 중 두 건은 초기 개별 RT-PCR 검사에서 놓친 사례였다.
• 8명 군집에서는 56개 군집 중 23개 군집이 양성으로 나왔으며, 정확히 26건의 양성 샘플을 식별하였다.
• 16명 군집에서는 28개 군집 중 15개 군집이 양성으로 나왔으며, 정확히 25건의 양성 샘플을 식별하였다.
• 32명 군집에서는 개별 RT-PCR과 100% 일치를 달성하였으며, 14개 군집 중 10개 군집이 양성으로 나왔다.
• 특히 풀드 형식에서 낮은 바이러스 부하 샘플을 검출하는 데 있어 표준 RT-PCR보다 뛰어난 감도를 보였다.
• 확진 테스트 결과, 두 건의 초기 놓친 샘플에 SARS-CoV-2가 존재함을 확인하여 RT-dPCR의 높은 감도를 검증하였다.