Detección del virus de la COVID-19 mediante la RT-PCR en tiempo real

Ciencia nuclear en detalle

Si quiere saber qué es la RT-PCR en tiempo real, cómo funciona con el coronavirus  y qué relación guarda con la tecnología nuclear, a continuación, encontrará información resumida al respecto, así como un repaso sobre los virus y la genética.

La RT-PCR en tiempo real es uno de los métodos de laboratorio más utilizados y exactos para detectar el nuevo coronavirus. (Fotografía: OIEA)

Mientras el virus que provoca la COVID-19 se propaga por todo el mundo, el OIEA, en colaboración con la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), ofrece su apoyo y sus conocimientos especializados para ayudar a los países a utilizar la reacción en cadena de la polimerasa con transcripción inversa en tiempo real (RT-PCR en tiempo real), uno de los métodos de laboratorio más exactos para detectar, seguir y estudiar el coronavirus.

Si quiere saber qué es la RT-PCR en tiempo real, cómo funciona  y qué relación guarda con la tecnología nuclear, a continuación, encontrará información resumida al respecto, así como un repaso sobre los virus y la genética.

¿Qué es la RT-PCR en tiempo real?

La RT-PCR en tiempo real es un método de base nuclear que detecta la presencia de material genético específico de los patógenos, como los virus. Inicialmente el método utilizaba marcadores de isótopos radiactivos para detectar materiales genéticos específicos pero, tras la realización de mejoras, el marcado isotópico se ha sustituido por marcadores especiales, que suelen ser colorantes fluorescentes. A diferencia de la RT-PCR convencional, que solo arroja los resultados al final, esta técnica permite a los científicos observar los resultados de manera casi inmediata mientras el proceso sigue en curso.

Aunque actualmente la RT-PCR en tiempo real es el método que más se utiliza para detectar los coronavirus, muchos países siguen necesitando ayuda para poner en marcha la técnica y utilizarla.

¿Qué son los virus y qué es el material genético?

Los virus son un conjunto microscópico de material genético con envoltura molecular. Ese material genético puede ser ADN o ARN. 

El ADN es una molécula bicatenaria presente en todos los organismos, como los animales, las plantas y los virus, y contiene el código genético, o esquema, de la forma en que esos organismos se crean y desarrollan.

El ARN suele ser una molécula monocatenaria que copia, transcribe y transmite partes del código genético a las proteínas para que estas puedan sintetizar y llevar a cabo funciones que hacen que los organismos sigan viviendo y desarrollándose. Esas actividades de copiar, transcribir y transmitir las llevan a cabo distintas variaciones del ARN.

Algunos virus como el coronavirus (SARS-Cov2) contienen únicamente ARN, lo que significa que tienen que infiltrarse en las células sanas para multiplicarse y sobrevivir. Una vez en la célula, el virus utiliza su propio código genético —ARN en el caso del coronavirus— para controlar y “reprogramar” las células y que estas fabriquen el virus.  

Para la pronta detección en el organismo de los virus como el coronavirus mediante la RT-PCR en tiempo real, los científicos tienen que convertir el ARN en ADN, proceso denominado “transcripción inversa”. Esto es necesario porque únicamente el ADN puede copiarse —o amplificarse—, lo que es una parte fundamental del proceso de RT-PCR en tiempo real utilizado para la detección de virus.

Los científicos amplifican una parte concreta del ADN vírico transcrito cientos de miles de veces. La importancia de la amplificación reside en que, en vez de intentar encontrar una cantidad minúscula del virus entre millones de cadenas de información genética, los científicos disponen de una gran parte de ADN vírico para confirmar con exactitud la presencia del virus.

¿Cómo funciona la RT-PCR en tiempo real con el coronavirus?

Se toma una muestra de una de las partes del cuerpo donde se acumula el coronavirus, por ejemplo, la nariz o la garganta; se le aplican diversas soluciones químicas para eliminar ciertas sustancias, como las proteínas y las grasas, y se extrae solo el ARN de la muestra. Este extracto de ARN consiste en una mezcla del material genético de la persona y, de estar presente, del ARN del coronavirus.

Se procede a la transcripción inversa del ARN para convertirlo en ADN mediante una enzima específica. A continuación, los científicos añaden pequeños fragmentos adicionales de ADN que complementan determinadas partes del ADN vírico transcrito. Esos fragmentos se adhieren a partes específicas del ADN vírico de estar el virus presente en la muestra. Algunos de los fragmentos genéticos añadidos sirven para crear la cadena de ADN durante la amplificación y otros, para producir ADN y añadir marcadores a las cadenas, que se utilizan posteriormente para detectar el virus.

A continuación, se introduce esa combinación en un aparato de RT-PCR, donde se someten a ciclos de calor-frío para provocar determinadas reacciones químicas que dan lugar a nuevas copias idénticas de partes específicas del ADN vírico. Esos ciclos se repiten una y otra vez para seguir copiando las partes específicas del ADN vírico. En cada uno de ellos se duplican las cantidades: de dos copias, se pasan a cuatro; de cuatro, a ocho, y así sucesivamente. Un sistema habitual de RT-PCR en tiempo real suele constar de 35 ciclos, es decir, que al final del proceso se habrán creado unos 35 000 millones de copias nuevas de las partes del ADN vírico de cada una de las cadenas del virus presentes en la muestra.

A medida que se producen nuevas copias de las partes del ADN vírico, los marcadores se acoplan a las cadenas de ADN y emiten una fluorescencia, que la computadora del aparato medirá y presentará en tiempo real en la pantalla. La computadora hace un seguimiento de la magnitud de la fluorescencia de la muestra tras cada ciclo. Cuando esta supera un determinado nivel, se confirma la presencia del virus. Los científicos supervisan también el número de ciclos que se tarda en alcanzar ese nivel para determinar así la gravedad de la infección: mientas menor sea el número de ciclos, más grave será la infección vírica.

¿Por qué utilizar la RT-PCR en tiempo real?

La RT-PCR en tiempo real es una técnica muy sensible y precisa que puede ofrecer un diagnóstico fiable tan solo en tres horas, aunque a los laboratorios suele tomarles entre seis y ocho horas de media. En comparación con otros métodos disponibles de aislamiento de virus, la RT-PCR en tiempo real es bastante más rápida y tiene menos posibilidades de contaminación o error, ya que todo el proceso puede llevarse a cabo en tubos cerrados. De los métodos existentes, sigue siendo el más exacto para detectar el coronavirus.

La RT-PCR en tiempo real no sirve para saber si alguien estuvo infectado por el virus, lo cual es importante para comprender su desarrollo y propagación, ya que los virus solo están presentes en el organismo durante un período determinado. Para detectar, seguir y estudiar infecciones pasadas, en particular las que han podido cursarse o propagarse de manera asintomática, se precisan otros métodos.

El OIEA, en colaboración con la FAO, lleva más de 20 años capacitando y equipando a expertos de todo el mundo para utilizar el método de la RT-PCR en tiempo real, en particular por conducto de su Red de Laboratorios de Diagnóstico Veterinario (VETLAB). Recientemente, esta técnica se ha utilizado también en el diagnóstico de otras enfermedades como las causadas por los virus del Ébola, del Zika, del MERS-Cov, del SARS-Cov1, y otras enfermedades zoonóticas y animales importantes. Las enfermedades zoonóticas son enfermedades animales que pueden contagiar también a las personas. 

What is real time RT–PCR?

Real time RT–PCR is a nuclear-derived method for detecting the presence of specific genetic material in any pathogen, including a virus. Originally, the method used radioactive isotope markers to detect targeted genetic materials, but subsequent refining has led to the replacement of isotopic labelling with special markers, most frequently fluorescent dyes. This technique allows scientists to see the results almost immediately while the process is still ongoing, whereas conventional RT–PCR only provides results at the end of the process.

Real time RT–PCR is one of the most widely used laboratory methods for detecting the COVID-19 virus. While many countries have used real time RT–PCR for diagnosing other diseases, such as Ebola virus and Zika virus, many need support in adapting this method for the COVID-19 virus, as well as in increasing their national testing capacities.

(Update on 16 November: Read our article on how the technology is used to track mutation of the virus and support vaccine research.)

What is a virus? What is genetic material?

A virus is a microscopic package of genetic material surrounded by a molecular envelope. This genetic material can be either deoxyribonucleic acid (DNA) or ribonucleic acid (RNA).

DNA is a two-strand molecule that is found in all organisms, such as animals, plants and viruses, and which holds the genetic code, or blueprint, for how these organisms are made and develop.

RNA is generally a one-strand molecule that copies, transcribes and transmits parts of the genetic code to proteins so that they can synthetize and carry out functions that keep organisms alive and developing. Different variations of RNA are responsible for copying, transcribing and transmitting.

Some viruses such as the coronavirus (SARS-CoV-2), which causes COVID-19, only contain RNA, which means that they rely on infiltrating healthy cells to multiply and survive. Once inside the cell, the virus uses its own genetic code — RNA in the case of the COVID-19 virus — to take control of and ‘reprogramme’ the cells, turning them into virus-making factories.

In order for a virus like the COVID-19 virus to be detected early in the body using real time RT–PCR, scientists need to convert the RNA to DNA. This is a process called ‘reverse transcription’. They do this because only DNA can be copied — or amplified — which is a key part of the real time RT–PCR process for detecting viruses.

Scientists amplify a specific part of the transcribed viral DNA hundreds of thousands of times. Amplification is important so that, instead of trying to spot a minuscule amount of the virus among millions of strands of genetic information, scientists have a large enough quantity of the target sections of viral DNA to accurately confirm that the virus is present.

How does real time RT–PCR work with the COVID-19 virus?

A sample is collected from the parts of the body where the COVID-19 virus gathers, such as a person’s nose or throat. The sample is treated with several chemical solutions that remove substances such as proteins and fats and that extract only the RNA present in the sample. This extracted RNA is a mix of the person’s own genetic material and, if present, the virus’s RNA.

The RNA is reverse transcribed to DNA using a specific enzyme. Scientists then add additional short fragments of DNA that are complementary to specific parts of the transcribed viral DNA. If the virus is present in a sample, these fragments attach themselves to target sections of the viral DNA. Some of the added genetic fragments are used for building DNA strands during amplification, while the others are used for building the DNA and adding marker labels to the strands, which are then used to detect the virus.

The mixture is then placed in an RT–PCR machine. The machine cycles through temperatures that heat and cool the mixture to trigger specific chemical reactions that create new, identical copies of the target sections of viral DNA. The cycle is repeated over and over to continue copying the target sections of viral DNA. Each cycle doubles the previous number: two copies become four, four copies become eight, and so on. A standard real time RT–PCR set-up usually goes through 35 cycles, which means that, by the end of the process, around 35 billion new copies of the sections of viral DNA are created from each strand of the virus present in the sample.

As new copies of the viral DNA sections are built, the marker labels attach to the DNA strands and then release a fluorescent dye, which is measured by the machine’s computer and presented in real time on the screen. The computer tracks the amount of fluorescence in the sample after each cycle. When a certain level of fluorescence is surpassed, this confirms that the virus is present. Scientists also monitor how many cycles it takes to reach this level in order to estimate the severity of the infection: the fewer the cycles, the more severe the viral infection is.

Why use real time RT–PCR?

The real time RT–PCR technique is highly sensitive and specific and can deliver a reliable diagnosis in as little as three hours, though laboratories take on average between six and eight hours. Compared to other available virus isolation methods, real time RT–PCR is significantly faster and has a lower potential for contamination or errors, as the entire process can be carried out within a closed tube. It continues to be the most accurate method available for the detection of the COVID-19 virus.

However, real time RT–PCR cannot be used to detect past infections, which is important for understanding the development and spread of the virus, as viruses are only present in the body for a specific window of time. Other methods are necessary to detect, track and study past infections, particularly those which may have developed and spread without symptoms.

What is PCR and how is it different from real time RT–PCR?

RT–PCR is a variation of PCR, or polymerase chain reaction. The two techniques use the same process except that RT–PCR has an added step of reverse transcription of RNA to DNA, or RT, to allow for amplification. This means PCR is used for pathogens, such as viruses and bacteria, that already contain DNA for amplification, while RT–PCR is used for those containing RNA that needs to be transcribed to DNA for amplification. Both techniques can be performed in ‘real time’, which means results are visible almost immediately, while when used ‘conventionally’, results are only visible at the end of the reaction.

PCR is one of the most widely used diagnostic tests for detecting pathogens, including viruses, that cause diseases such as Ebola, African swine fever and foot-and-mouth disease. Since the COVID-19 virus only contains RNA, real time or conventional RT–PCR is used to detect it.

For over 20 years, the IAEA, in partnership with the FAO, has trained and equipped experts from all over the world to use the real time RTPCR method, particularly through its VETLAB Network of veterinary diagnostic laboratories. Recently, this technique has also been employed to diagnose other diseases, such as Ebola, Zika, MERS and SARS, as well as other major animal diseases. It has also been used to detect major zoonotic diseases, which are animal diseases that can also infect humans.