È necessario avere un abbonamento a JoVE per visualizzare questo. Accedi o inizia la tua prova gratuita.
Method Article
Il protocollo è destinato a fungere da modello per le università e altre organizzazioni che prendono in considerazione test su larga scala per SARS-CoV-2 o lo sviluppo di piani di preparazione per future epidemie virali.
L'identificazione e l'isolamento degli individui contagiosi, insieme alla quarantena dei contatti stretti, sono fondamentali per rallentare la diffusione del COVID-19. I test su larga scala in una capacità di sorveglianza o screening per i portatori asintomatici di COVID-19 forniscono sia dati sulla diffusione virale che la capacità di follow-up di testare rapidamente le persone durante i focolai sospetti. Dall'autunno del 2020, il programma di diagnosi precoce del COVID-19 presso la Michigan State University utilizza test su larga scala con capacità di sorveglianza o screening. I metodi qui adattati sfruttano l'affidabilità, l'elevato volume di campione e i vantaggi dell'auto-raccolta della saliva, abbinati a uno schema di pooling bidimensionale economico e conservatore dei reagenti. Il processo è stato progettato per essere adattabile alle carenze di approvvigionamento, con molti componenti dei kit e del test facilmente sostituibili. I processi descritti per la raccolta e l'elaborazione dei campioni di SARS-CoV-2 possono essere adattati per testare in modo affidabile la presenza di futuri agenti patogeni virali espressi in modo affidabile nella saliva. Fornendo questo modello per le università o altre organizzazioni, è possibile sviluppare piani di preparazione per future epidemie virali.
La pandemia di COVID-19, causata dal virus SARS-CoV-2, ha causato la morte di oltre 6,2 milioni di persone fino ad oggi, con numeri in aumento ogni giorno1. Il gold standard dei test per SARS-CoV-2 è la PCR quantitativa in tempo reale (RT-q), con primer progettati per colpire il genoma virale, come i geni nucleocapside, envelope, spike e RNA polimerasiRNA-dipendente 2. All'inizio della pandemia, la capacità sufficiente per i test SARS-CoV-2 era gravemente carente. È nato dalla mancanza di test convalidati, componenti di test, personale clinico e un'infrastruttura impreparata a espandersi rapidamente per ospitare test di massa a livello pandemico. A causa delle carenze, i centri di test spesso richiedevano il rinvio di un medico per essere idonei al test. Queste carenze hanno comportato ritardi nell'approvazione dei test, lunghe code per la scomoda raccolta dei campioni nasofaringei e lunghi tempi di attesa per i risultati. Inoltre, a causa di questi vincoli, gli sforzi di test non potevano accogliere portatori pre-sintomatici, lievi o asintomatici che diffondevano inconsapevolmente il SARS-CoV-2. La mancanza di test diffusi e facilmente accessibili ha probabilmente contribuito alla diffusione incontrollata del COVID-19.
I test a intervalli su larga scala possono essere eseguiti sia come sorveglianza che come screening. Entrambi possono essere utilizzati per monitorare i tassi di positività locali in aree ad alta densità o ad alto rischio di trasmissione e possono essere utilizzati per prendere decisioni di salute pubblica. I test di sorveglianza hanno lo scopo di monitorare l'incidenza e la prevalenza della malattia in una popolazione e non vengono utilizzati per la diagnostica individuale3. I risultati della sorveglianza in genere vengono anonimizzati e non restituiti ai partecipanti; i laboratori che conducono test di sorveglianza non devono essere clinicamente certificati, né sono tenuti a utilizzare un test autorizzato dalla FDA. Lo screening consente di restituire i risultati ai singoli partecipanti, ma i laboratori di screening negli Stati Uniti devono avere un certificato CLIA (Clinical Laboratory Improvement Amendments) e soddisfare tutti i requisiti CLIA applicabili.
Il programma di diagnosi precoce della Michigan State University (MSU) è iniziato nel settembre 2020 e ha elaborato oltre 350.000 campioni. Il programma è nato dagli sforzi di un gruppo di ricerca per progettare un test SARS-CoV-2 altamente sensibile che non richiedesse forniture di test ad alta domanda 4,5,6,7,8. Gli obiettivi erano aiutare i laboratori clinici ad aumentare la capacità e sviluppare processi flessibili per soddisfare le carenze di approvvigionamento, sviluppando al contempo una strategia di screening per stabilire un piano di ritorno al lavoro per il MSU College of Human Medicine. Gli sforzi iniziali si sono concentrati su metodi alternativi di raccolta, estrazione e quantificazione per SARS-CoV-2. L'elevata domanda e la conseguente carenza di tamponi nasofaringei hanno portato alla valutazione di campioni di narici anteriori raccolti con tamponi buccali, mentre la carenza di reagenti ha portato allo sviluppo di un metodo di estrazione del campione adattato dai primi rapporti di Wuhan, Cina9. Per aumentare la sensibilità per la rilevazione di SARS-CoV-2 nei campioni di narici anteriori, la PCR digitale con goccioline è stata sostituita con RT-qPCR 6,7. Sebbene la PCR digitale a goccia sia altamente sensibile e possa fornire valori assoluti con una lettura del punto finale, è stato stabilito che il suo utilizzo non era fattibile per test su larga scala a causa della mancanza di strumentazione affidabile ad alto rendimento per la tecnologia. Inoltre, l'auto-raccolta di campioni di narici anteriori basata sui livelli di RNasi P umana era estremamente variabile, suggerendo che non era sufficientemente affidabile per i test di massa.
Un'alternativa ai tamponi nasofaringei e narici anteriori è la raccolta della saliva. I virus respiratori come SARS-CoV, H1N1 e MERS sono stati storicamente rilevati nella saliva 10,11,12,13. Questo è stato successivamente dimostrato vero per SARS-CoV-2 14,15,16,17. Il confronto diretto tra la saliva e i campioni nasofaringei ha mostrato che la saliva produce titoli virali più elevati rispetto ai tamponi nasofaringei nei campioni abbinati e che la saliva è meno variabile con la raccolta ripetuta del campione14. È stato anche segnalato che la saliva è più sensibile in alcune varianti, come Omicron, rispetto a Delta16. Ulteriori vantaggi della raccolta della saliva sono la relativa facilità di auto-raccolta fuori sede senza forniture ad alta domanda, la possibilità di ripetere ripetutamente il test del campione se necessario, l'eliminazione dei requisiti di personale in loco per la raccolta dei campioni e l'eliminazione delle code dei partecipanti che potrebbero aumentare il potenziale di trasmissione virale. Il kit di saliva assemblato in laboratorio è stato sviluppato in collaborazione tra sviluppatori di saggi di laboratorio, esperti della scuola di imballaggio, esperti di branding universitari, responsabili della sicurezza e partner di produzione esterni che hanno prodotto la scatola e il sistema di etichettatura.
Mentre i campioni di saliva offrono un ampio materiale genetico di partenza e la RT-qPCR fornisce risultati sensibili e affidabili, il costo dei reagenti (primer/sonde e master mix) ha reso l'analisi su larga scala di singoli campioni un'impresa costosa su base individuale, per campione. Poiché il primer/sonde e la miscela master sono i componenti più costosi del processo, l'obiettivo era quello di cercare soluzioni che ne estendessero l'uso e quindi diminuissero il costo per campione. Per il test SARS-CoV-2 è stata proposta l'ottimizzazione sistemica delle dimensioni del pool di campioni in base all'incidenza nella comunità e alla sensibilità del test18. Tuttavia, quando i pool di qualsiasi dimensione indicano la presenza di SARS-CoV-2, tutti i partecipanti al pool devono essere sottoposti a un nuovo test, con conseguente perdita di tempo e aumento delle opportunità di diffusione. Per affrontare queste limitazioni, è stato impiegato un metodo di pooling bidimensionale, come il processo proposto da Zilinskas e altri19 per condurre un primo passaggio sotto le restrizioni dei test di sorveglianza. In questo processo, 96 campioni individuali vengono inseriti in una piastra a 96 pozzetti composta da 12 colonne e otto righe. Ogni campione è incluso in un pool di otto e un pool di 12 su due diverse piastre di reazione. In questo modo ogni campione viene rappresentato in modo univoco con i due pool. La deconvoluzione delle vasche in base alle coordinate identifica i campioni potenzialmente positivi. I campioni in pool in cui il SARS-CoV-2 non è stato rilevato non passano dai test di sorveglianza allo screening. Nel frattempo, i campioni di individui risultati positivi al test nel processo di sorveglianza vengono nuovamente estratti attraverso un processo di screening approvato dalla CLIA. Se confermato positivo, le persone ricevono il risultato, vengono indirizzate all'ufficio del medico universitario, viene avviato il tracciamento dei contatti e viene informato il dipartimento sanitario. In totale, il campione di un individuo viene testato in tre reazioni separate prima di essere dichiarato positivo, due volte in pool di sorveglianza e una volta come singolo screening di conferma, riducendo le possibilità di un falso positivo. Il pooling dei campioni utilizza ~80% in meno di reagenti rispetto all'esecuzione di campioni singolarmente, con un costo di ~$12 per campione.
Oltre al kit di saliva, alla strategia di pooling e al processo di sviluppo del test, il team ha anche sviluppato un piano logistico per la distribuzione dei kit, la raccolta dei campioni e la segnalazione dei risultati. I partecipanti al programma ritirano il loro kit, registrano il codice alfanumerico univoco sulla loro provetta, producono il loro campione e lo depositano in uno dei tanti cassonetti di raccolta dove vengono prelevati quotidianamente e trasportati al laboratorio. Il laboratorio elabora i campioni, il supervisore tecnico esamina e carica i risultati e i partecipanti ricevono una notifica per controllare il portale dei risultati. Questo processo ha un tempo di consegna di 24-48 ore dal momento in cui un campione viene depositato. La collaborazione di tutte le parti dell'istituzione è stata fondamentale per il successo dell'implementazione su larga scala di questo processo ibrido di sorveglianza e screening. Le seguenti procedure e descrizioni del programma di test e dell'infrastruttura necessaria sono intese come modelli su come aumentare i test per futuri scopi di sorveglianza e/o screening.
Gli studi condotti per ottimizzare i metodi per il programma di diagnosi precoce sono stati approvati dal Michigan State University Institutional Review Board. Tutte le cifre sono state riprodotte con campioni artificiosi e sono rappresentative dei risultati umani osservati. Nessun dato, informazione o risultato mostrato nel manoscritto proviene da alcun partecipante al programma di rilevamento precoce della Michigan State University.
1. Produzione del kit
NOTA: Durante l'assemblaggio del kit, indossare sempre maschere, guanti, protezioni per gli occhi e camici da laboratorio per evitare la contaminazione dei componenti del kit.
2. Usi del kit per la raccolta di campioni autonomi
3. Assunzione del campione e preparazione per l'isolamento dell'RNA
NOTA: Tutte le fasi si svolgono in una cabina di biosicurezza o in un secchio da centrifuga con coperchio di biocontenimento.
4. Isolamento dell'RNA
5. Raggruppamento dei campioni e RT-qPCR
NOTA: Il processo è impostato in un sistema a due piastre (come mostrato nella Figura 2). Il numero della piastra dell'RNA di eluizione corrisponde al numero della piastra della colonna prodotta e alla lettera della piastra della riga (A = 1, B = 2, C = 3, ecc.). Ai fini della deconvoluzione, la lettera della riga della piastra della colonna corrisponderà alla lettera della riga della piastra di eluizione dell'RNA e il numero della colonna della piastra della riga corrisponderà al numero della colonna della piastra di eluizione dell'RNA. Ad esempio, un campione nella piastra di RNA #6 in posizione C4 si troverà nella posizione F4 della piastra di reazione della riga e nella posizione C6 della piastra di reazione della colonna.
6. Convalida dei campioni positivi
La stragrande maggioranza dei campioni ricevuti dal laboratorio fino ad oggi è stata accettata e ha superato la fase iniziale di controllo visivo della qualità. La necessità di rifiutare un campione è limitata ai motivi che possono influenzare negativamente l'elaborazione del campione e/o i risultati complessivi del campione. In particolare, il volume errato della provetta, la consistenza o il colore non naturale della saliva, l'assenza di perle di ceramica utilizzate per facilitare ...
Durante l'elaborazione del campione, ci sono passaggi che richiedono molta attenzione. La fase iniziale del controllo qualità, che esamina il volume del campione, la consistenza, il colore e la presenza di perle aggiunte, è fondamentale per il successo complessivo del processo. Le provette con campioni che non contengono la giusta quantità di saliva potrebbero produrre un falso negativo, poiché una quantità insufficiente di saliva comporterebbe una quantità insufficiente di materia...
Gli autori non hanno informazioni finanziarie riguardanti i metodi, le forniture, le attrezzature o i reagenti.
Gli autori desiderano ringraziare i partecipanti agli studi approvati dal Michigan State University Institutional Review Board utilizzati per ottimizzare i metodi (STUDY00004265, STUDY00004383, STUDY00005109), nonché coloro che sono andati a raccogliere campioni utilizzati per testare i metodi (Dr. Katie Miller, Anna Stoll, Brian Daley, Dr. Claudia Finkelstein). Questo sforzo è stato sostenuto dalla Michigan State University.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 Step MM, no ROX | Thermo Fisher | A28523 | |
1.2 mlDeep well Plates | Fisher | AB0564 | |
100 mL reagent reservoirs | Corning | 4872 | |
2.8 mm Ceramic Beads | OMNI | 19-646 | |
25 ml conical w/screw cap | VWR | 76338-496 | |
50mL V bottom reservoirs | Costar | 4870 | |
5430-High-Speed Centrifuge | Eppendorf | 22620601 | |
5ml Eppendorf Tube | Fisher | 14282300 | |
8 strip tubes for QuantStudio | life technologies | 4316567 | |
Beta Mercaptoethanol | Fisher | AC125472500 | |
Ethanol 200 Proof, Molecular Biology Grade | Fisher | BP28184 | |
Microamp Endura Optical 96-well fast clear reaction plate with barcode | life technologies | 4483485 | |
Microamp Fast Optical 96 well plate | Fisher | 4346906 | |
Mini Microcentrifuge | Corning Medical | 6770 | |
optical caps for strip tubes | life technologies | AB-1820 | |
Optical Film | Thermo Fisher | 4311971 | |
PCR plate sealing film Non-optical | Fisher | AB-0558 | |
PCR Plate semi-skirted | Fisher | 14230244 | |
QuantStudio 3 Real-Time PCR System, 96-well, 0.1 mL | Thermo Fisher | A28136 | |
Quick RNA Viral Kit confirmation | Zymo | R1035 | |
Reagent Reservoir, 100ml | DOT | 229298 | |
RNA Shield | Zymo | R1200-1L | |
Small Biohazard Bags | Fisher | 180000 | |
Taqpath RTPCR COVID19 kit | Thermo Fisher | A47814 | |
Thermo Scientific Sorvall ST4R Plus Centrifuge | Thermo Fisher | 75009525 | |
Transfer Pipet | Fisher | 22170404 | |
Viral 96 Kit | Zymo | R1041 | |
Vortex Mixer | Fisher | 2215414 |
Richiedi autorizzazione per utilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE
Richiedi AutorizzazioneThis article has been published
Video Coming Soon