К вопросу о точности лабораторной диагностики COVID-2019

Главная

Статья в Elpub

РУС ENG

Инфекция и иммунитет. 2021; 11: 9-16

К вопросу о точности лабораторной диагностики COVID-2019

Куличенко А. Н., Саркисян Н. С.

https://doi.org/10.15789/2220-7619-TTQ-1622

Аннотация

Рассмотрены вопросы точности (чувствительности и специфичности) ПЦР-анализа в зависимости от особенностей выполнения преаналитического и аналитического этапов лабораторной диагностики COVID-19, а также сравнение результатов полимеразной цепной реакции (ПЦР) и компьютерной томографии (КТ) легких. В настоящее время основным методом диагностики новой коронавирусной инфекции COVID-19 является молекулярно-генетический тест — ПЦР. По данным на 1 ноября 2020 г. методом ПЦР в мире проведено более 750 млн исследований. Накопленный к настоящему времени опыт позволяет оценить диагностическую чувствительность метода в 82—91%, специфичность — в 99—100%. Имеются данные о повышении чувствительности ПЦР при повторном исследовании образцов из верхних дыхательных путей, которая составила 82,2% при первичном анализе и 90,6% после двух последовательных тестов. На точность анализа оказывает влияние целый ряд факторов. Причинами ложноотрицательных результатов молекулярных тестов могут быть недостаточное количество генетического материала вируса в пробе, сроки и погрешности при отборе биологических образцов. Установлено, что РНК вируса SARS-CoV-2 с максимальной диагностической чувствительностью выявляется в верхних дыхательных путях за 1—3 дня до появления симптомов и далее в течение 5—6 дней после начала болезни. В этот период наблюдается наивысший риск передачи возбудителя инфекции. На второй неделе болезни отмечается увеличение частоты детекции вирусной РНК в бронхо-легочном материале. Продолжительность детекции маркеров вируса (в том числе при отсутствии жизнеспособных форм) коррелирует с тяжестью заболевания и может достигать 1—2 мес. Другая реальная проблема ПЦР-анализа — возможность ложноположительных ответов. Ее решение требует высокого уровня организации лабораторных исследований, особенно при их значительных объемах. При этом важно, что положительные ответы ПЦР означают присутствие в образце не жизнеспособного вируса, а только фрагментов его РНК. Отмечено, что ПЦР-анализ имеет большую специфичность по сравнению с КТ, которая не дает возможности отличить пневмонию, вызванную SARS-CoV-2, от пневмоний другой этиологии (до 25% ложноположительных ответов). Но диагностическая чувствительность КТ составляет 97,2%, что превышает значение этого показателя для ПЦР на 10—15%. Сделано заключение, что только комплексный подход с использованием ПЦР и КТ, с учетом особенностей этих методов и факторов, влияющих на точность получаемых данных, позволяет правильно интерпретировать результаты диагностики.

Список литературы

1. Бухарова О., Рузанова Н. Найти и обезвредить. Как можно пройти диагностику на коронавирус / Российская газета. 2020. 21 февраля (№ 8092). URL: https://rg.ru/2020/02/20/kak-mozhno-projti-diagnostiku-na-koronavirus.html (20.02.2020)

2. Московские врачи предложили включить больницы для лечения коронавируса и пневмонии в единую систему / mos-gorzdrav.ru. 2020. 9 апреля. URL: https://mosgorzdrav.ru/ru-RU/news/default/card/3748.html (09.04.2020)

3. Профилактика, диагностика и лечение новой коронавирусной инфекции (COVID-19): временные методические рекомендации. Версия 9 (26.10.2020). Минздрав РФ, 2020. 236 с.

4. Ai T., Zhenlu Y., Hongyan H., Chenao Z., Chong C., Wenzhi L., Qian T., Ziyong S., Liming X. Correlation of chest CT and RT-PCR testing for coronavirus disease 2019 (COVID-19) in China: a report of 1014 cases. J. Radiology, 2020, vol. 296, pp. 32—40. doi: 10.1148/radiol.2020200642

5. Alcoba-Florez J., Gil-Campesino H., Garcia-Martinez de Artola D., Gonzalez-Montelongo R., Valenzuela-Fernandez A., Ciuffreda L., Flores C. Sensitivity of different RT-qPCR solutions for SARS-CoV-2 detection. Int. J. Infect. Dis., 2020, vol. 99, рр. 190-192. doi: 10.1101/2020.06.23.20137455

6. Bergant M., de Marco A. Diagnostics and monitoring of COVID-19 infection — current understanding. Preprints, 2020: 2020050316. doi: 10.20944/preprints202005.0316.v1

7. CDC. 2019-Novel Coronavirus (2019-nCoV) Real-Time RT-PCR diagnostic panel: instructions for use. URL: https://www.fda.gov/media/134922/download (12.01.2020)

8. Chan J.F., Yip C.C., To K.K., Tang T.H., Wong S.C., Leung K.H., Fung A.Y., Ng A.C., Zou Z., Tsoi H.W., Choi G.K., Tam A.R., Cheng V.C., Chan K.H., Tsang O.T., Yuen K.Y. Improved molecular diagnosis of COVID-19 by the novel, highly sensitive and specific COVID-19-RdRp/Hel real-time reverse transcription-polymerase chain reaction assay validated in vitro and with clinical specimens. J. Clin. Microbiol., 2020, vol. 58, no. 5: e00310-20. doi: 10.1128/JCM.00310-20

9. Chen Y., Liangjun C., Qiaoling D., Guqin Z., Kaisong W., Lan N., Yibin Y., Bing L., Wang W., Chaojie W., Jiong Y., Guangming Y., Cheng Z. The presence of SARS-CoV-2 RNA in the feces of COVID-19 patients. J. Med Virol., 2020, vol. 92, no. 7, pp. 833-840. doi: 10.1002/jmv.25825

10. Cheng H.Y., Jian S.W., Liu D.P., Ng T.C., Huang W.T., Lin H.H.; Taiwan COVID-19 Outbreak Investigation Team. Contact tracing assessment of COVID-19 transmission dynamics in taiwan and risk at different exposure periods before and after symptom onset. JAMA Intern. Med., 2020, vol. 180, no. 9, pp. 1156-1163. doi: 10.1001/jamainternmed.2020.2020

11. Cheng M.P., Papenburg J., Desjardins M., Kanjilal S., Quach C., Libman M., Dittrich S., Yansouni C.P. Diagnostic testing for severe acute respiratory syndrome-related coronavirus-2: a narrative review. Ann. Intern. Med., 2020, vol. 172, no. 11, pp. 726-734. doi: 10.7326/M20-1301

12. Corman V.M., Landt O., Kaiser M., Molenkamp R., Meijer A., Chu D.K., Bleicker T., Brunink S., Schneider J., Schmidt M.L., Mulders D.G., Haagmans B.L., van der Veer B., van den Brink S., Wijsman L., Goderski G., Romette J.L., Ellis J., Zambon M., Peiris M., Goossens H., Reusken C., Koopmans M.P., Drosten C. Detection of 2019 novel coronavirus (2019-nCoV) by real-time RT-PCR. Euro Surveill., 2020, vol. 25, no. 3: 2000045. doi: 10.2807/1560-7917.ES.2020.25.3.2000045

13. Fang Y., Zhang H., Xie J., Lin M., Ying L., Pang P., Ji W. Sensitivity of chest CT for COVID-19: comparison to RT-PCR. Radiology, 2020, vol. 296, no. 2, pp. 115-117. doi: 10.1148/radiol.2020200432

14. Guan W.J., Ni Z.Y., Hu Y., Liang W.H., Ou C.Q., He J.X., Liu L., Shan H., Lei C.L., Hui DSC, Du B., Li L.J., Zeng G., Yuen K.Y., Chen R.C., Tang C.L., Wang T., Chen P.Y., Xiang J., Li S.Y., Wang J.L., Liang Z.J., Peng Y.X., Wei L., Liu Y., Hu Y.H., Peng P., Wang J.M., Liu J.Y., Chen Z., Li G., Zheng Z.J., Qiu S.Q., Luo J., Ye C.J., Zhu S.Y., Zhong N.S.; China Medical Treatment Expert Group for COVID-19. Clinical characteristics of coronavirus disease 2019 in China. Engl. J. Med., 2020, vol. 382, no. 18, pp. 1708-1720. doi: 10.1056/NEJMoa2002032

15. He X., Lau EHY, Wu P., Deng X., Wang J., Hao X., Lau Y.C., Wong J.Y., Guan Y., Tan X., Mo X., Chen Y., Liao B., Chen W., Hu F., Zhang Q., Zhong M., Wu Y., Zhao L., Zhang F., Cowling B.J., Li F., Leung G.M. Temporal dynamics in viral shedding and transmissibility of COVID-19. Nat Med., 2020, vol. 26, no. 5, pp. 672-675. doi: 10.1038/s41591-020-0869-5

16. Hu E. COVID-19 testing: challenges, limitations and suggestions for improvement. Preprints 2020: 2020040155. doi: 10.20944/preprints202004.0155.v1

17. Hu Z., Song C., Xu C., Jin G., Chen Y., Xu X., Ma H., Chen W., Lin Y., Zheng Y., Wang J., Hu Z., Yi Y., Shen H. Clinical characteristics of 24 asymptomatic infections with COVID-19 screened among close contacts in Nanjing, China. Sci. China Life Sci., 2020, vol. 63, no. 5, pp. 706-711. doi: 10.1007/s11427-020-1661-4

18. James A.S., Alawneh J.I. COVID-19 infection diagnosis: potential impact of isothermal amplification technology to reduce community transmission of SARS-CoV-2. Diagnostics (Basel), 2020, vol. 10, no. 6: 399. doi: 10.3390/diagnostics10060399

19. Kanne J.P., Little B.P., Chung J.H., Elicker B.M., Ketai L.H. Essentials for radiologists on COVID-19: an update — radiology scientific expert panel. Radiology, 2020, vol. 296, no. 2, pp. 113-114. doi: 10.1148/radiol.2020200527

20. Kim S., Kim D., Lee B. Insufficient sensitivity of RNA dependent RNA polymerase gene of SARS-CoV-2 viral genome as confirmatory test using Korean COVID-19 cases. Preprints, 2020: 2020020424. doi: 10.20944/preprints202002.0424.v1

21. Li D., Wang D., Dong J., Wang N., Huang H., Xu H., Xia C. False-negative results of real-time reverse-transcriptase polymerase chain reaction for Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2: role of deep-learning-based CT diagnosis and sights from two cases. Korean J. Radiol., 2020, vol. 21, no. 4, pp. 505-508. doi: 10.3348/kjr.2020.0146

22. Li N., Wang X., Lv T. Prolonged SARS-CoV-2 RNA shedding: not a rare phenomenon. J. Med. Virol., 2020, vol. 92, no. 11, pp. 2286-2287. doi: 10.1002/jmv.25952

23. Li Y., Xia L. Coronavirus disease 2019 (COVID-19): role of chest CT in diagnosis and management. Am. J. Roentgenol., 2020, vol. 214, no. 6, pp. 1280-1286. doi: 10.2214/AJR.20.22954

24. Liu W.D., Chang S.Y., Wang J.T., Tsai M.J., Hung C.C., Hsu C.L., Chang S.C. Prolonged virus shedding even after seroconversion in a patient with COVID-19. J. Infect., 2020, vol. 81, no. 2, pp. 318-356. doi: 10.1016/j.jinf.2020.03.063

25. Loeffelholz M.J., Tang Y.W. Laboratory diagnosis of emerging human coronavirus infections — the state of the art. Emerg. Microbes Infect., 2020, vol. 9, no. 1, pp. 747-756. doi: 10.1080/22221751.2020.1745095

26. Long C., Xuc H., Shen Q., Zhang X., Fan B., Wang C., Zeng B., Li Z., Li X., Li H. Diagnosis of the Coronavirus disease (COVID-19): rRT-PCR or CT? Eur. J. Radiol., 2020, vol. 126: 108961. doi: 10.1016/j.ejrad.2020.108961

27. Lu X., Wang L., Sakthivel S.K., Whitaker B., Murray J., Kamili S., Lynch B., Malapati L., Burke S.A., Harcourt J., Tamin A., Thornburg N.J., Villanueva J.M., Lindstrom S. US CDC real-time reverse transcription PCR panel for detection of Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2. J. Emerg. Infect. Dis., 2020, vol. 26, no. 8, pp. 1654-1665. doi: 10.3201/eid2608.201246

28. Lu Y., Deng W., Liu M., He Y., Huang L., Lv M., Li J., Du H. Symptomatic Infection is associated with prolonged duration of viral shedding in mild coronavirus disease 2019: a retrospective study of 110 children in Wuhan. Pediatric Infect. Dis. J., 2020, vol. 39, no. 7, p. e95-e99. doi: 10.1097/INF.0000000000002729

29. Maricic T., Nickel O., Aximu-Petri A., Essel E., Gansauge M., Kanis P., Macak D., Riesenberg S., Bokelmann L., Zeberg H., Meyer M., Borte S., Paabo S. A direct RT-qPCR approach to test large numbers of individuals for SARS-CoV-2. medRxiv preprint, 2020, June 26. doi: 10.1101/2020.06.24.20139501

30. Miller T.E., Garcia Beltran W.F., Bard A.Z., Gogakos T., Anahtar M.N., Astudillo M.G., Yang D., Thierauf J., Fisch A.S., Mahowald G.K., Fitzpatrick M.J., Nardi V., Feldman J., Hauser B.M., Caradonna T.M., Marble H.D., Ritterhouse L.L., Turbett S.E., Batten J., Georgantas N.Z., Alter G., Schmidt A.G., Harris J.B., Gelfand J.A., Poznansky M.C., Bernstein B.E., Louis D.N., Dighe A., Charles R.C., Ryan E.T., Branda J.A., Pierce V.M., Murali M.R., Iafrate A.J., Rosenberg E.S., Lennerz J.K. Clinical sensitivity and interpretation of PCR and serological 1 COVID-19 diagnostics for patients presenting to the hospital. FASEB J., 2020, vol. 34, no. 10, pp. 13877-13884. doi: 10.1096/fj.202001700RR

31. Pan Y., Zhang D., Yang P., Poon L.M., Wang Q. Viral load of SARS-CoV-2 in clinical samples. Lancet Infect. Dis., 2020, vol. 20, no. 4, pp. 411-412. doi: 10.1016/S1473-3099(20)30113-4

32. Salehi S., Abedi A., Balakrishnan S., Gholamrezanezhad A. Coronavirus disease 2019 (COVID-19): a systematic review of imaging findings in 919 patients. Am. J. Roentgenol., 2020, vol. 215, no. 1, pp. 87-93. doi: 10.2214/AJR.20.23034

33. Tahmasebi S., Khosh E., Esmaeilzadeh A. The outlook for diagnostic purposes of the 2019-novel coronavirus disease. J. Cell Physiol., 2020, vol. 235, no. 12, pp. 9211-9229. doi: 10.1002/jcp.29804

34. van Kampen J.J.A., van de Vijver D.A.M.C., Fraaij P.L.A., Haagmans B.L., Lamers M.M., Okba N., van den Akker J.P.C., Endeman H., Gommers D.A.M.P.J., Cornelissen J.J., Hoek R.A.S., van der Eerden M.M., Hesselink D.A., Metselaar H.J., Verbon A., de Steenwinkel J.E.M., Aron G.I., van Gorp E.C.M., van Boheemen S., Voermans J.C., Boucher C.A.B., Molenkamp R., Koopmans M.P.G., Geurtsvankessel C., van der Eijk A.A. Duration and key determinants of infectious virus shedding in hospitalized patients with coronavirus disease-2019 (COVID-19). Nat. Commun., 2021, vol. 12, no. 1: 267. doi: 10.1038/s41467-020-20568-4

35. Wang M., Wu Q., Xu W., Qiao B., Wang J., Zheng H., Jiang S., Mei J., Wu Z., Deng Y., Zhou F., Wu W., Zhang Y., Zhihua L., Huang J., Guo X., Feng L., Xia Z., Li D., Xu Z., Liu T., Zhang P., Tong Y., Li Y. Clinical diagnosis of 8274 samples with 2019-no-vel coronavirus in Wuhan. medRxiv preprint, 2020, February 18. doi: 10.1101/2020.02.12.20022327

36. Weiss A., Jellingsoe M., Sommer M.O.A. Spatial and temporal dynamics of SARS-CoV-2 in COVID-19 patients: a systematic review and meta-analysis. EBioMedicine, 2020, vol. 58: 102916. doi: 10.1016/j.ebiom.2020.102916

37. WHO. Advice on the use of masks in the context of COVID-19. 2020. URL: https://www.who.int/docs/default-source/coronaviruse/temp/who-2019-ncov-ipc-masks-2020-4-eng.pdf?sfvrsn=20ec1cbf_2 (05.06.2020)

38. Wikramaratna P.S., Paton R.S., Ghafari M., I.ourenco J. Estimating the false-negative test probability of SARS-CoV-2 by RT-PCR. Euro Surveill., 2020, vol. 25, no. 50: 2000568. doi: 10.2807/1560-7917.ES.2020.25.50.2000568

39. Williams T.C., Wastnedge E., Allister G., Bhatia R., Cuschieri K., Kefala K., Fiona J.H., Johannessen I., Iaurenson I.F., Shepherd J., Stewart A., Waters D., Wise H., Templeton K. Sensitivity of RT-PCR testing of upper respiratory tract samples for SARS-CoV-2 in hospitalised patients: a retrospective cohort study. medRxiv preprint, 2020, June 20. doi: 10.1101/2020.06.19.20135756

40. Wolfel R., Corman V.M., Guggemos W., Seilmaier M., Zange S., Muller M.A., Niemeyer D., Jones T.C., Vollmar P., Rothe C., Hoelscher M., Bleicker T., Brunink S., Schneider J., Ehmann R., Zwirglmaier K., Drosten C., Wendtner C. Virological assessment of hospitalized patients with COVID-2019. Nature, 2020, vol. 581, no. 7809, pp. 465-469. doi: 10.1038/s41586-020-2196-x

41. Xie X., Zhong Z., Zhao W., Zheng C., Wang F., Iiu J. Chest CT for typical coronavirus disease 2019 (COVID-19) pneumonia: relationship to negative RT-PCR testing. J. Radiology, 2020, vol. 296, no. 2, pp. 41-45. doi: 10.1148/radiol.2020200343

42. Yang H., Ian Y., Yao X., Iin S., Xie B. Evaluation on the diagnostic efficiency of different methods in detecting COVID-19. medRxiv preprint, 2020, June 26, doi: 10.1101/2020.06.25.20139931

43. Yang W., Dang X., Wang Q., Xu M., Zhao Q., Zhou Y., Zhao H., Wang I., Xu Y., Wang J., Han S., Wang M., Pei F., Wan Y. Rapid detection of SARS-CoV-2. Using reverse transcription RT-IAMP method. medRxiv preprint, 2020, March 03. doi: 10.1101/2020.03.02.20030130

44. Yang W., Yan F. Patients with RT-PCR confirmed COVID-19 and normal chest CT. J. Radiology, 2020, vol. 295, no. 2: E3. doi: 10.1148/radiol.2020200702

45. Young B.E., Sean-Wei X.O., Kalimuddin S., Iow J.G., Tan S.Y., Ioh J., Ng O.-T., Marimuthu K., Ang I.W., Mak T.M., Iau S.K., Anderson D.E., Chan K.S., Tan T.Y., Ng T.Y., Cui I., Zubaidah S., Kurupatham I., Chen M.I-C., Chan M., Vasoo S., Wang I.F., Tan B.H., Tzer R. Iin P., Jian V., Iee M., Ieo Y.-S., Iye D.C. Epidemiologic features and clinical course of patients infected with SARS-CoV-2 in Singapore. JAMA, 2020, vol. 323, no. 15, pp. 1488-1494. doi: 10.1001/jama.2020.3204

46. Yuan J., Kou S., Iiang Y., Zeng J.F., Pan Y., Iiu I. Polymerase chain reaction assays reverted to positive in 25 discharged patients with COVID-19. Clin. Infect. Dis., 2020, vol. 71, no. 16, pp. 2230-2232. doi: 10.1093/cid/ciaa398

47. Zhou B., She J., Wang Y., Ma X. The duration of viral shedding of discharged patients with severe COVID-19. Clin. Infect. Dis., 2020, vol. 71, no. 16, pp. 2240-2242. doi: 10.1093/cid/ciaa451

48. Zhou R., Ii F., Chen F., Iiu H., Zheng J., Iei C., Wu X. Viral dynamics in asymptomatic patients with COVID-19. Int. J. Infect. Dis., 2020, vol. 96, pp. 288-290. doi: 10.1016/j.ijid.2020.05.030

49. Zou I., Ruan F., Huang M., Iiang I., Huang H., Hong Z., Yu J., Kang M., Song Y., Xia J., Guo Q., Song T., He J., Yen H.I., Peiris M., Wu J. SARS-CoV-2 viral load in upper respiratory specimens of infected patients. N. Engl. J. Med., 2020, vol. 382, no. 12, pp. 1177-1179. doi: 10.1056/NEJMc2001737

Russian Journal of Infection and Immunity. 2021; 11: 9-16

To the question regarding accuracy of COVID-2019 laboratory diagnostics

Kulichenko A. N., Sarkisyan N. S.

https://doi.org/10.15789/2220-7619-TTQ-1622

Abstract

Issues of accuracy (sensitivity and specificity) of PCR-analysis depending on features of performing preanalytical and analytical stages of laboratory diagnostics of COVID-19, as well as comparing PCR and lung computed tomography (CT) results have been analyzed in the study. Currently, a molecular genetic test based on polymerase chain reaction (PCR) is used for diagnostics of a new coronavirus infection (COVID-19). As of November 1, 2020, more than 750 million PCR tests have been conducted globally. Evidence accumulated by now allows to estimate diagnostic sensitivity and specificity of the SARS-CoV-2-specific PCR as high as 82—91% and 99—100%, respectively. In addition, increased PCR sensitivity may be noted upon performing repeated testing of the upper respiratory tract samples comprising 82.2% during the primary analysis that was further elevated up to 90.6% after two consecutive tests. A whole set of factors affect the PCR accuracy. In particular, false negative data might result from insufficient amount of virus-coupled genetic material in the sample, timeframe and mistakes made upon selecting biological samples. It was found that SARS-CoV-2 virus RNA was detected at the maximum diagnostic sensitivity in the upper respiratory tract 1—3 days before the onset of symptoms and sustained within the 5—6 days after disease onset. Such period of time is associated with the peak risk of SARS-CoV-2 transmission. On week 2 after disease onset, there have been noted elevated rate of detecting viral RNA in bronchopulmonary samples. The duration of detecting virus-related markers (including those found in the absence of viable virus forms) correlates with disease severity and may last for as long as 1—2 months. Another real-world issue related to PCR analysis is posed by an opportunity of obtaining false positive data, which solution requires high level organized laboratory research, especially in case large-scale studies. Upon that, it is worth noting that positive PCR results may account for detecting solely certain RNA-related fragments present in any sample, rather than a viable virus. It was noted that PCR in comparison to CT analysis demonstrates higher specificity, but does not allow to distinguish pneumonia caused by SARS-CoV-2 from pneumonia caused by other etiological agents (up to 25% false positive results). However, the diagnostic CT sensitivity was 97.2% that exceeds such parameter for PCR by 10—15%. It was concluded that the approach combining use of both PCR and CT by taking into account their own features as well as factors affecting the accuracy of the data obtained, allows us to correctly interpret the diagnostical results.

References

1. Bukharova O., Ruzanova N. Naiti i obezvredit'. Kak mozhno proiti diagnostiku na koronavirus / Rossiiskaya gazeta. 2020. 21 fevralya (№ 8092). URL: https://rg.ru/2020/02/20/kak-mozhno-projti-diagnostiku-na-koronavirus.html (20.02.2020)

2. Moskovskie vrachi predlozhili vklyuchit' bol'nitsy dlya lecheniya koronavirusa i pnevmonii v edinuyu sistemu / mos-gorzdrav.ru. 2020. 9 aprelya. URL: https://mosgorzdrav.ru/ru-RU/news/default/card/3748.html (09.04.2020)

3. Profilaktika, diagnostika i lechenie novoi koronavirusnoi infektsii (COVID-19): vremennye metodicheskie rekomendatsii. Versiya 9 (26.10.2020). Minzdrav RF, 2020. 236 s.