[论文解读] Group testing as a strategy for the epidemiologic monitoring of COVID-19

Vincent Brault, Bastien Mallein+1 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|May 14, 2020

SARS-CoV-2 detection and testing被引用 6

一句话总结

本文提出一种利用RT-qPCR进行群体检测的策略，用于监测封闭社区中SARS-CoV-2的流行情况并实现早期暴发检测，同时考虑了因样本稀释导致的假阴性问题。研究结果表明，频繁的小池群检测比不频繁的大池群检测在检测低病毒载量的无症状潜伏期病例方面更为有效。

ABSTRACT

Sample pooling consists in combining samples from multiple individuals into a single pool that is then tested using a unique test-kit. A positive test means that at least one individual within the pool is infected. Here, we propose an analysis and applications of sample pooling to the epidemiologic monitoring of COVID-19. We first introduce a model of the RT-qPCR process used to test for the presence of virus in a sample and construct a statistical model for the viral load in a typical infected individual inspired by the clinical data from Jones et. al. (2020). We then propose a method for the measure of the prevalence in a population, based on group testing, taking into account the increased number of false negatives associated with this method. Finally, we present an application of sample pooling for the prevention of epidemic outbreak in closed connected communities (e.g. nursing homes).

研究动机与目标

• 通过提出群体检测作为可扩展的替代方案，解决RT-qPCR试剂有限的问题，以实现人群水平的监测。
• 考虑在混合样本检测中因样本稀释导致的假阴性率上升问题，该问题会降低检测的敏感性。
• 基于临床数据，建立病毒载量分布的统计模型，以指导群体检测的效率。
• 评估在封闭社区（如养老院）中用于早期暴发检测的群体检测策略。
• 提供一种利用混合检测估算总体疾病流行率的框架，同时校正因稀释导致的假阴性。

提出的方法

• 基于Jones等人（2020b）的临床数据，构建基于右删失三重正态分布混合的RT-qPCR病毒载量统计模型。
• 将假阴性结果的概率建模为池大小和病毒载量的函数，纳入稀释效应的影响。
• 使用随机模拟比较不同筛查策略在不同池大小和检测频率下的表现。
• 将模型应用于模拟1,000人的封闭社区中的疾病动态，以评估检测效率。
• 比较在平均检测频率固定的情况下，不同池大小和检测间隔的筛查策略。
• 纳入现实的病毒载量特征，包括无症状个体中的低水平病毒载量，以评估检测敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在混合RT-qPCR检测中，样本稀释如何影响假阴性率？该影响能否被定量建模？
• RQ2 在封闭社区中，SARS-CoV-2早期检测的最优群体检测策略（包括频率和池大小）是什么？
• RQ3 在考虑稀释和假阴性的情况下，群体检测的流行率估算结果与个体检测相比如何？
• RQ4 群体检测能否有效检测出低病毒载量的无症状潜伏期携带者？这是疫情控制中的关键挑战。
• RQ5 不同采样方法（如鼻拭子与唾液）如何影响群体检测结果的可靠性？

主要发现

• 模型显示，频繁进行小池群检测的策略在早期暴发检测方面优于检测频率较低的大池群检测。
• 即使病毒载量较低（μ₀ ≈ 30），群体检测在检测频率较高时仍具有效力，适用于监测。
• 研究发现，病毒载量中等（μ₀ ≈ 20–25）的无症状和潜伏期个体可在最多30人的池群中被检测到。
• 将病毒载量建模为右删失的三重正态分布混合模型，与临床数据拟合良好，提示可能存在生物学上的亚群。
• 使用唾液样本进行群体检测可能降低假阴性率并提高接受度，但尚需更多关于唾液中病毒载量分布的数据支持。
• 作者警告称，尽管分析结果具有前景，但在复杂动态环境中未经进一步验证前，不应直接用作临床指导。