Как выявляют вирус COVID-19 с использованием ОТ-ПЦР в реальном времени?

Что есть что в ядерной сфере

Что такое ОТ-ПЦР в реальном времени? Как это работает применительно к коронавирусу?  И как это связано с ядерными технологиями? Ниже мы представим общий обзор этого метода, расскажем о принципах его работы и кратко поговорим о вирусах и генетике.

Один из наиболее широко используемых и точных лабораторных методов выявления нового коронавируса — ОТ-ПЦР в реальном времени. (Фото: МАГАТЭ)

В связи с распространением по всему миру вируса, вызывающего инфекцию COVID-19, МАГАТЭ в партнерстве с Продовольственной и сельскохозяйственной организацией Объединенных Наций (ФАО) предлагает странам свою поддержку и экспертные знания, чтобы помочь им использовать один из наиболее точных лабораторных методов обнаружения, отслеживания и изучения коронавируса — полимеразную цепную реакцию с обратной транскрипцией в реальном времени (ОТ-ПЦР в реальном времени).

Но что такое ОТ-ПЦР в реальном времени? Как это работает?  И как это связано с ядерными технологиями? Ниже мы представим общий обзор этого метода, расскажем о принципах его работы и кратко поговорим о вирусах и генетике.

Что такое ОТ-ПЦР в реальном времени?

ОТ-ПЦР в реальном времени — это основанный на ядерных технологиях метод выявления присутствия определенного генетического материала любого патогена, в том числе вируса. Первоначально для обнаружения искомого генетического материала использовались радиоактивные изотопные маркеры, но в результате последующего усовершенствования этого метода изотопные метки были заменены специальными маркерами, чаще всего флуоресцентными красителями. С помощью этого метода ученые могут увидеть результаты практически сразу, еще в процессе исследования; при применении обычной ОТ-ПЦР результаты доступны только после его завершения.

При том, что сейчас ОТ-ПЦР в реальном времени является наиболее широко используемым методом для выявления коронавирусов, многие страны все еще нуждаются в поддержке при внедрении и использовании этого метода.

Что такое вирус? Что такое генетический материал?

Вирус — это микроскопическая совокупность генетического материала, окруженного молекулярной оболочкой. Генетический материал может быть представлен либо ДНК, либо РНК. 

ДНК — это состоящая из двух цепей молекула, которая встречается во всех организмах, таких как животные, растения и вирусы, и содержит генетический код или алгоритм того, как эти организмы строятся и развиваются.

РНК обычно представляет собой состоящую из одной цепи молекулу, которая копирует, транскрибирует и передает части генетического кода белкам, чтобы они могли синтезировать и выполнять функции, которые поддерживают жизнь и развитие организмов. Существуют различные типы РНК, которые выполняют копирование, транскрибирование и передачу.

Некоторые вирусы, такие как коронавирус (SARS-CoV-2), содержат только РНК, что означает, что они полагаются на проникновение в здоровые клетки для размножения и выживания. Оказавшись внутри клетки, вирус использует свой собственный генетический код (РНК в случае коронавируса) чтобы взять под контроль и «перепрограммировать» клетки так, чтобы они стали фабриками по производству вирусов.  

Для того чтобы при помощи ОТ-ПЦР в реальном времени выявить на раннем этапе присутствие в организме вируса, такого как коронавирус, ученым необходимо преобразовать РНК в ДНК. Этот процесс называется «обратной транскрипцией». Это делается потому, что только ДНК можно копировать (или амплифицировать), что и является ключевой частью процесса ОТ-ПЦР в реальном времени, применяемого для выявления вирусов.

Ученые амплифицируют определенную часть транскрибируемой вирусной ДНК в сотни тысяч раз. Амплификация важна, поскольку вместо того, чтобы пытаться найти ничтожное количество вируса среди миллионов цепей генетической информации, ученые имеют достаточно большое количество заданных участков вирусной ДНК, чтобы точно подтвердить, что вирус присутствует.

Как работает ОТ-ПЦР в реальном времени применительно к коронавирусу?

Из тех частей тела, где скапливается коронавирус, например из носа или горла человека, берется образец для проведения исследования. Образец обрабатывают несколькими химическими растворами, которые удаляют вещества, такие как белки и жиры, и извлекают только присутствующую в нем РНК. Эта извлеченная РНК представляет собой смесь собственного генетического материала человека и РНК коронавируса, если она присутствует в образце.

C помощью определенного фермента в реакции обратной транскрипции РНК превращают в ДНК. Затем ученые добавляют дополнительные короткие фрагменты ДНК, которые комплементарны определенным частям транскрибированной вирусной ДНК. Эти фрагменты прикрепляются к заданным участкам вирусной ДНК, если вирус присутствует в образце. Некоторые из добавленных генетических фрагментов предназначены для построения цепей ДНК во время амплификации, в то время как другие предназначены для построения ДНК и добавления к цепям маркерных меток, которые затем используются для выявления вируса.

После этого смесь помещается в прибор для проведения ОТ-ПЦР. Прибор выполняет циклы изменения температуры, во время которых смесь нагревается и охлаждается для того, чтобы запустить определенные химические реакции, которые создают новые точные копии заданных участков вирусной ДНК. Цикл многократно повторяется, чтобы продолжить копирование заданных участков вирусной ДНК. После каждого цикла происходит удвоение количества по сравнению с предыдущим: две копии превращаются в четыре, четыре — в восемь и так далее. Обычно при проведении ОТ-ПЦР в реальном времени выполняется 35 циклов; это означает, что к концу процесса из каждой цепи вируса, присутствующей в образце, создается около 35 миллиардов новых копий участков вирусной ДНК.

По мере того как создаются новые копии вирусных участков ДНК, маркерные метки прикрепляются к цепям ДНК, а затем высвобождают флуоресцентный краситель, уровень которого измеряется вычислительным устройством прибора с выводом показателя в режиме реального времени на экран. Вычислительное устройство отслеживает уровень флуоресцентного сигнала в образце после каждого цикла. Превышение этим показателем определенного уровня флуоресценции является подтверждением присутствия вируса. Ученые также смотрят, сколько циклов требуется для достижения этого уровня для того, чтобы оценить тяжесть инфекции: чем меньше циклов, тем тяжелее вирусная инфекция.

Зачем использовать ОТ-ПЦР?

Метод ОТ-ПЦР в реальном времени имеет высокую чувствительность и точность, с его помощью можно поставить надежный диагноз всего за три часа, при том, что лабораториям для этого обычно требуется в среднем от 6 до 8 часов. По сравнению с другими имеющимися методами изоляции вирусов ОТ-ПЦР в реальном времени значительно быстрее и имеет меньшую вероятность контаминации образца или ошибок, поскольку весь процесс может быть выполнен в одной закрытой пробирке. Это по-прежнему самый точный имеющийся метод для выявления коронавируса.

Поскольку вирусы присутствуют в теле только в течение определенного временного отрезка, ОТ-ПЦР в реальном времени нельзя использовать для выявления инфекций, появлявшихся в прошлом, что важно для понимания развития и распространения вирусов. Для выявления, отслеживания и изучения инфекций, появлявшихся в прошлом, особенно тех, которые могли развиваться и распространяться без симптомов, необходимо использовать другие методы.

МАГАТЭ в партнерстве с ФАО уже более 20 лет обучает специалистов во всем мире использованию метода ОТ-ПЦР в реальном времени и предоставляет им соответствующее оборудование, в частности через свою Сеть лабораторий ветеринарной диагностики VETLAB. В последнее время этот метод также используется для диагностики других заболеваний, таких как Эбола, Зика, MERS-Cov, SARS-Cov-1 и других серьезных зоонозных инфекций и болезней животных. Зоонозные инфекции — это болезни животных, которые также могут передаваться человеку. 

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.