Détection du virus responsable de la COVID-19 à l’aide de la RT-PCR en temps réel

Le nucléaire expliqué

Qu’est-ce que la RT-PCR en temps réel ? Comment fonctionne-t-elle avec le coronavirus ?  Qu’a-t-elle à voir avec la technologie nucléaire ? Vous trouverez ci-dessous des informations sur cette technique, ainsi qu’un rappel sur les virus et la génétique.

La RT-PCR en temps réel est l’une des techniques de laboratoire les plus utilisées et les plus exactes pour détecter le nouveau coronavirus. (Photo : AIEA)

Alors que le virus responsable de la COVID-19 se propage dans le monde entier, l’AIEA, en partenariat avec l’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO), propose aux pays une assistance et met à disposition ses compétences pour les aider à utiliser la réaction en chaîne par polymérase avec transcription inverse en temps réel (RT-PCR en temps réel), l’une des méthodes de laboratoire les plus précises permettant de détecter, de suivre et d’étudier le coronavirus.

Qu’est-ce que la RT-PCR en temps réel ? Comment fonctionne-t-elle ?  Qu’a-t-elle à voir avec la technologie nucléaire ? Vous trouverez ci-dessous des informations sur cette technique, ainsi qu’un rappel sur les virus et la génétique.

Qu’est-ce que la RT-PCR en temps réel ?

La RT-PCR en temps réel est une technique dérivée du nucléaire qui permet de détecter la présence de matériel génétique propre à un agent pathogène, notamment un virus. Initialement, le matériel génétique était détecté au moyen de marqueurs isotopiques, mais la méthode a ensuite été perfectionnée et d’autres types de marqueurs, le plus souvent des colorants fluorescents, remplacent aujourd’hui les isotopes radioactifs. Avec cette technique, les scientifiques peuvent visualiser les résultats de façon presque immédiate, avant que le processus soit terminé, tandis que la RT-PCR classique ne donne un résultat qu’à la fin.

Bien que la RT-PCR en temps réel soit la méthode la plus couramment employée pour détecter les coronavirus, de nombreux pays ont encore besoin d’aide pour la mettre en œuvre et l’utiliser.

Qu’est-ce qu’un virus et qu’est-ce que le matériel génétique ?

Un virus est un organisme microscopique constitué de matériel génétique entouré d’une enveloppe moléculaire. Ce matériel génétique peut être composé d’ADN ou d’ARN. 

L’ADN est une molécule à deux brins présente dans tout type d’organismes, notamment les animaux, les plantes et certains virus, qui contient le code génétique, c’est-à-dire le programme selon lequel l’organisme se construit et se développe.

L’ARN est une molécule, généralement composée d’un seul brin, qui copie et transcrit une partie du code génétique de l’organisme pour la transmettre à des protéines qui synthétisent d’autres molécules nécessaires à l’accomplissement des fonctions essentielles à la vie et au développement de l’organisme. Il existe différents types d’ARN permettant la copie, la transcription et la transmission du matériel génétique.

Certains virus, dont le coronavirus (SARS-Cov-2), ne contiennent que de l’ARN, ce qui signifie qu’ils ont besoin de s’infiltrer dans des cellules saines pour se multiplier et survivre. Une fois dans la cellule, le virus utilise son propre code génétique (de l’ARN dans le cas du coronavirus) pour prendre le contrôle de celle-ci et la « reprogrammer » pour qu’elle se mette à produire des virus.  

Pour détecter précocement ce type de virus dans l’organisme à l’aide de la RT-PCR en temps réel, les scientifiques doivent convertir son ARN en ADN selon un processus appelé « transcription inverse ». Cela est nécessaire car, contrairement à l’ADN, il n’est pas possible de copier, ou d’« amplifier », l’ARN en laboratoire. Or, l’amplification est une étape clé du processus de RT-PCR en temps réel pour la détection des virus.

Les scientifiques amplifient plusieurs centaines de milliers de fois une partie de l’ADN viral transcrit. L’amplification est une étape importante car elle permet aux scientifiques d’obtenir une grande quantité des segments de l’ADN viral pour pouvoir confirmer avec exactitude la présence du virus, et leur évite d’avoir à rechercher une quantité infime du virus parmi des millions de brins d’information génétique.

Comment fonctionne la RT-PCR en temps réel avec le coronavirus ?

On prélève un échantillon sur des parties du corps où le coronavirus s’accumule, comme le nez ou la gorge. On traite l’échantillon avec plusieurs solutions chimiques pour le débarrasser de certaines substances, notamment les protéines et les graisses, et extraire uniquement l’ARN qu’il contient. L’ARN ainsi extrait contient à la fois le matériel génétique de la personne et, s’il est présent, l’ARN du virus.

L’ARN est alors converti en ADN, lors de la transcription inverse, grâce à une enzyme spécifique. Les scientifiques ajoutent ensuite de courts fragments d’ADN complémentaires de certains segments de l’ADN viral transcrit. Si le virus est présent dans l’échantillon, ces fragments s’attachent aux segments de l’ADN viral cible. Certains des fragments d’ADN ajoutés servent uniquement à construire de nouveaux brins d’ADN lors de l’amplification, tandis que les autres servent aussi au marquage des brins qui permettront de détecter le virus.

Le mélange est ensuite placé dans un appareil de RT-PCR, où il est chauffé et refroidi suivant des cycles qui déclenchent des réactions chimiques permettant d’obtenir de nouvelles copies, identiques, des segments de l’ADN viral cible. Les cycles se répètent de nombreuses fois pour continuer à copier les segments de l’ADN cible. À chaque cycle, la quantité double : on passe de deux copies à quatre, puis de quatre à huit et ainsi de suite. Le processus de RT-PCR comprend généralement 35 cycles, ce qui signifie qu’à la fin du processus, environ 35 milliards de nouvelles copies des segments d’ADN viral sont produites à partir de chaque brin de l’ARN viral présent dans l’échantillon.

À mesure que les copies des segments de l’ADN viral sont produites, les marqueurs se fixent sur les brins d’ADN et émettent une fluorescence qui est mesurée par l’ordinateur de l’appareil. Les résultats s’affichent en temps réels à l’écran. L’ordinateur effectue un suivi de la quantité de fluorescence dans l’échantillon à la fin de chaque cycle. Lorsque cette quantité dépasse un certain seuil, la présence du virus est confirmée. Le nombre de cycles nécessaires pour atteindre ce seuil permet également aux scientifiques d’estimer la gravité de l’infection : plus le seuil est atteint rapidement, plus l’infection est grave.

Pourquoi utiliser la RT-PCR en temps réel ?

La technique de RT-PCR en temps réel, hautement sensible et spécialisée, permet d’établir un diagnostic fiable en seulement trois heures, bien que les laboratoires mettent généralement six à huit heures en moyenne. Elle est beaucoup plus rapide que les autres méthodes d’isolation du virus disponibles et présente un risque plus faible de contamination ou d’erreur puisque toutes les étapes peuvent être réalisée dans un tube fermé. Parmi les méthodes disponibles, elle reste la plus précise pour la détection du coronavirus.

Les virus n’étant présents dans l’organisme que pendant une certaine durée, la RT-PCR en temps réel ne permet pas de déterminer si un individu a été infecté par le passé, ce qui est pourtant utile pour comprendre le développement et la propagation du virus. Pour détecter, suivre et étudier les infections passées, en particulier les infections asymptomatiques qui auraient contribué à la propagation du virus, d’autres méthodes sont nécessaires.

Depuis plus de 20 ans, l’AIEA, en partenariat avec la FAO, forme des experts du monde entier à l’utilisation de la technique de RT-PCR en temps réel et leur fournit du matériel, notamment dans le cadre de son réseau VETLAB, composé de laboratoires de diagnostic vétérinaire. Cette technique a récemment été utilisée pour diagnostiquer d’autres maladies, comme les maladies à virus Ebola et à virus Zika, le syndrome respiratoire du Moyen-Orient (virus MERS-CoV), le syndrome respiratoire aigu sévère (virus SARS-Cov-1) et d’autres zoonoses et maladies animales importantes. Les zoonoses sont des maladies animales qui peuvent aussi toucher l’homme. 

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.