このプロトコルは、SARS-CoV-2の大規模な検査を検討している大学やその他の組織、または将来のウイルス発生に対する準備計画を策定するための青写真として機能することを目的としています。
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このプロトコルは、SARS-CoV-2の大規模な検査を検討している大学やその他の組織、または将来のウイルス発生に対する準備計画を策定するための青写真として機能することを目的としています。
感染者の特定と隔離、および濃厚接触者の隔離は、COVID-19の蔓延を遅らせるために重要です。COVID-19の無症候性キャリアに対するサーベイランスまたはスクリーニング能力での大規模な検査は、ウイルスの拡散に関するデータと、アウトブレイクが疑われる個人を迅速に検査するフォローアップ能力の両方を提供します。ミシガン州立大学のCOVID-19早期発見プログラムは、2020年秋からサーベイランスまたはスクリーニングの能力で大規模な検査を活用しています。ここで採用された方法は、唾液の信頼性、大量のサンプル、自己収集の利点を活用し、費用対効果の高い試薬保存型の2次元プーリングスキームと組み合わせています。このプロセスは、供給不足に適応できるように設計されており、キットの多くのコンポーネントとアッセイを簡単に置き換えることができます。SARS-CoV-2サンプルの収集と処理について概説したプロセスは、唾液中に確実に発現する将来のウイルス性病原体の試験に適合させることができます。この青写真を大学やその他の組織に提供することで、将来のウイルス発生に対する準備計画を策定することができます。
SARS-CoV-2ウイルスによって引き起こされたCOVID-19のパンデミックは、これまでに620万人以上が死亡し、その数は日々増加しています1。SARS-CoV-2の検査のゴールドスタンダードは、ヌクレオカプシド、エンベロープ、スパイク、RNA依存性RNAポリメラーゼ遺伝子2などのウイルスゲノムを標的とするように設計されたプライマーを使用した定量的リアルタイム(RT-q)PCRです。パンデミックが始まった当初は、SARS-CoV-2の検査能力が著しく不足していました。これは、検証済みのアッセイ、検査コンポーネント、臨床担当者の不足、およびパンデミックレベルの大量検査に対応するために急速に拡大する準備ができていないインフラストラクチャから生じました。検査不足のため、検査センターでは、検査を受けるためには医師の紹介が必要になることがよくありました。これらの不足により、検査の承認が遅れたり、不快な鼻咽頭サンプル採取のための長い列ができたり、結果が出るまでの待ち時間が長くなったりしました。さらに、これらの制約のために、検査の取り組みは、SARS-CoV-2を知らずに拡散する発症前、軽度、または無症状のキャリアに対応できませんでした。簡単にアクセスできる広範な検査の欠如が、COVID-19の制御不能な蔓延の一因となった可能性があります。
大規模なインターバルテストは、サーベイランスまたはスクリーニングとして実行できます。どちらも、高密度または高リスクの感染地域での地域の陽性率を監視するために使用でき、公衆衛生上の意思決定に利用できます。サーベイランス検査は、集団における疾患の発生率と有病率を監視することを目的としており、個々の診断には使用されません3。サーベイランスの結果は通常、匿名化され、参加者に返されません。サーベイランス試験を実施する試験所は、臨床的に認定されている必要はなく、FDA認定のアッセイを使用する必要もありません。スクリーニングでは、結果を個々の参加者に返すことができますが、米国のスクリーニング検査室は、Clinical Laboratory Improvement Amendments(CLIA)証明書を取得し、該当するすべてのCLIA要件を満たしている必要があります。
ミシガン州立大学(MSU)の早期検出プログラムは2020年9月に開始され、350,000を超えるサンプルを処理してきました。このプログラムは、需要の高い検査用品4,5,6,7,8を必要としない高感度SARS-CoV-2アッセイを設計するための研究グループの努力から生まれました。その目的は、臨床検査室が供給不足に対応するための能力増強と柔軟なプロセスの開発を支援するとともに、MSU College of Human Medicineの職場復帰計画を確立するためのスクリーニング戦略を開発することでした。最初の取り組みは、SARS-CoV-2の代替収集、抽出、および定量方法に焦点を当てていました。鼻咽頭スワブの高い需要とその後の不足により、頬スワブで収集された前鼻腔サンプルの評価が行われ、試薬の不足により、中国の武漢からの初期の報告から適応したサンプル抽出方法が開発されました9。前鼻孔サンプル中のSARS-CoV-2の検出感度を高めるために、RT-qPCRの代わりに液滴デジタルPCRを使用しました6,7。Droplet Digital PCRは感度が高く、エンドポイントの読み出しで絶対値を提供できますが、この技術には信頼性の高いハイスループット機器がないため、大規模なテストには使用できないと判断されました。さらに、ヒトRNase Pのレベルに基づく前鼻孔サンプルの自己収集は非常に変動し、質量試験に十分な信頼性がないことが示唆されました。
鼻咽頭スワブと前鼻腔スワブに代わるものは、唾液のコレクションです。SARS-CoV、H1N1、MERSなどの呼吸器系ウイルスは、歴史的にすべて唾液中に検出されました10,11,12,13。これはその後、SARS-CoV-2 14,15,16,17に当てはまることが証明されました。唾液サンプルと鼻咽頭サンプルを直接比較すると、一致したサンプルでは、唾液は鼻咽頭スワブよりも高いウイルス力価をもたらし、サンプル収集を繰り返すと唾液の変動が少ないことが示されました14。また、オミクロン株などの特定の変異株では、デルタ16に比べて唾液がより敏感であることが報告されています。唾液採取のその他の利点は、需要の高い供給なしでオフサイトでの自己採取が比較的容易であること、必要に応じてサンプルを繰り返し再検査できること、サンプル採取のためのオンサイトの人員配置要件の排除、ウイルス感染の可能性を高める可能性のある参加者の待ち行列の回避です。ラボで組み立てられた唾液キットは、ラボアッセイの開発者、パッケージング学部の専門家、大学のブランディング専門家、安全担当者、およびボックスとラベリングシステムを製造した外部の製造パートナーのコラボレーションとして開発されました。
唾液サンプルは十分な遺伝的出発物質を提供し、RT-qPCRは高感度で信頼性の高い結果を提供しますが、試薬(プライマー/プローブおよびマスターミックス)のコストにより、個々のサンプルの大規模なテストは、サンプルごとに個別に費用のかかる作業となっていました。プライマー/プローブとマスターミックスはプロセスの中で最も高価な成分であるため、目標は、その使用を広げ、サンプルあたりのコストを削減するソリューションを探すことでした。SARS-CoV-2 検査では、コミュニティでの発生率とアッセイ感度に基づいてサンプルプールサイズを体系的に最適化することが提案されています18。しかし、あらゆる規模のプールでSARS-CoV-2の存在が示された場合、プール内のすべての参加者を再検査する必要があるため、時間が失われ、感染拡大の機会が増えます。これらの制限に対処するために、Zilinskasらによって提案されたプロセス19 のように、監視テストの制限の下で最初のパスを実施するために、2次元プーリング方法が採用されました。このプロセスでは、96個の個々のサンプルを12列8行からなる96ウェルプレートに入れます。各サンプルは、2つの異なる反応プレート上の8つのプールと12のプールに含まれています。これにより、すべてのサンプルが 2 つのプールで一意に表されます。座標に基づくプールのデコンボリューションにより、陽性の可能性のあるサンプルが特定されます。SARS-CoV-2が検出されなかったプール内のサンプルは、サーベイランス検査からスクリーニングに移行しません。一方、サーベイランスプロセスで陽性と判定された個人からのサンプルは、CLIAが承認したスクリーニングプロセスを通じて再抽出されます。陽性と確認された場合は、結果が通知され、大学の医師のオフィスに紹介され、接触者追跡が開始され、保健部門に通知されます。合計で、個々のサンプルは、陽性と宣言される前に3つの別々の反応でテストされ、2回は監視プールで、1回は1つの確認スクリーニングとしてテストされ、偽陽性の可能性を減らします。サンプルプーリングは、サンプルを個別に分析するよりも試薬の使用量が~80%少なく、サンプルあたり~$12のコストがかかります。
唾液キット、プーリング戦略、アッセイ開発プロセスに加えて、キットの配布、サンプルの収集、結果の報告に関するロジスティクス計画も策定しました。プログラムの参加者は、キットを受け取り、チューブに一意の英数字コードを登録し、サンプルを生成して、多くのドロップオフビンの1つに預け、毎日ピックアップしてラボに運びます。ラボではサンプルを処理し、テクニカルスーパーバイザーは結果をレビューしてアップロードし、参加者には結果ポータルで確認するように通知されます。このプロセスのターンアラウンドタイムは、サンプルが堆積してから24〜48時間です。このハイブリッドなサーベイランスとスクリーニングのプロセスを大規模に成功させるには、施設のあらゆる部門からの協力が鍵となりました。必要なテストプログラムとインフラストラクチャの次の手順と説明は、将来の監視および/またはスクリーニングの目的でテストをスケールアップする方法の青写真として意図されています。
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早期発見プログラムの方法を最適化するために実施された研究は、ミシガン州立大学の治験審査委員会によって承認されました。すべての図は人為的なサンプルで再現されており、観察された人間の結果を代表しています。原稿に示されているデータ、情報、または結果は、ミシガン州立大学の早期検出プログラムの参加者からのものではありません。
1.キット製作
注意:キットの組み立て中は、キットコンポーネントの汚染を防ぐために、常にマスク、手袋、目の保護具、および白衣を着用してください。
2.自己サンプル収集のためのキットの使用
3. RNA単離のためのサンプル摂取と調製
注:すべてのステップは、バイオコンテインメント蓋付きのバイオセーフティキャビネットまたは遠心分離機のバケツで行われます。
4. RNA単離
5. サンプルプーリングとRT-qPCR
注:このプロセスは、2プレートシステム( 図2を参照)で設定されます。溶出RNAプレート番号は、作製カラムプレート番号とロープレートレター(A=1、B=2、C=3など)に対応します。デコンボリューションの目的で、カラムプレートの行文字はRNA溶出プレートの行文字に対応し、行プレートの列番号はRNA溶出プレートの列番号に対応します。例えば、RNAプレート#6のC4位のサンプルは、列反応プレート位置F4とカラム反応プレート位置C6にあります。
6. 陽性サンプルの検証
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これまでにラボが受け取ったサンプルの大部分は受け入れられ、最初の視覚的品質管理ステップに合格しました。サンプルを拒否する必要性は、サンプルの処理やサンプルの全体的な結果に悪影響を与える可能性のある理由に限定されます。具体的には、チューブ内の容量の誤り、粘稠度、または唾液に不自然な色、サンプルの均質化を支援するために使用されるセラミックビーズの欠如、バーコードの欠落などが、サンプルを拒否する理由です(図1)。
また、採取ビン内でサンプルが屋外の要素にさらされていることを説明するために、サンプル条件も調べました。選択したRNA安定化溶液は、熱サイクルと凍結融解サイクルに長時間さらされて試験されました。RNaseの非存在下で作製したSARS-CoV-2 RNAサンプルをさまざまな温度に曝露した後、RT-qPCR用に処理しました。RNA安定化溶液では、37°Cで1週間保存したサンプルは、RT、4°C、または-20°Cで保存したサンプルと比較して、どのプローブを調べたかによってCt値が1〜3単位高いことを示しました(...
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サンプル処理中、細心の注意が必要なステップがあります。サンプルの量、一貫性、色、および追加されたビーズの存在を調べる最初の品質管理ステップは、プロセスの全体的な成功にとって重要です。正しい量の唾液が含まれていないサンプルのチューブは、唾液が少なすぎると十分な遺伝物質がなくなるため、偽陰性を引き起こす可能性があります。逆に、唾液が多すぎると、RNAバッファーと正しい比率にならず、RNAの分解が発生する可能性があります。まれに、個々のバイオハザードバッグに液体が存在し、サンプルチューブが不適切に閉じられ、サンプルが漏れたことを示しています。これらのサンプルは、チューブの取り扱いに起因する潜在的な交差汚染を排除するために、リジェクションプロセスの対象となりました。サンプルの非定型の一貫性と色も、問題を予測できます。食品の塊や非天然色のサンプルは、サンプルが収集される前に食べ物や飲み物が消費された可能性があることを示唆しています。これにより、口を洗い流した後の唾液からの信号が低くなったり、RNAを分解したり、RNA抽出が問題となる可能性のある物質が導入されたりして、偽陰性が発生...
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著者らは、方法、供給品、機器、または試薬に関する財務上の開示を行っていません。
著者らは、ミシガン州立大学の治験審査委員会が承認した方法の最適化に使用された研究(STUDY00004265、STUDY00004383、STUDY00005109)と、方法のテストに使用されたサンプルを収集するために出かけた研究(Katie Miller博士、Anna Stoll、Brian Daley、Claudia Finkelstein博士)の参加者に感謝します。この取り組みは、ミシガン州立大学の支援を受けました。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 1ステップMM、ROXサー | モフィ | ッシャーA28523 | |
| 1.2 mlディープウェルプレート | フィ | ッシャーAB0564 | |
| 100 mL試薬リザーバー | コーニング | 4872 | |
| 2.8 mmセラミックビーズ | OMNI | 19-646 | |
| 25 ml円錐形スクリューキャップ付き | VWR | 76338-496 | |
| 50mL VボトムリザーバーCostar | 4870 | ||
| 5430-高速遠心分離機 | エッペンドルフ | 22620601 | |
| 5ml エッペンドルフ チューブ | フィッシャー | 14282300 | |
| 8 ストリップ チューブ QuantStudio | ライフ テクノロジー | 4316567 | |
| ベータ メルカプトエタノール | フィッシャー | AC125472500 | |
| エタノール 200 プルーフ、分子生物学グレード | フィッシャー | BP28184 | |
| Microamp Endura Optical 96ウェル高速クリア反応プレート、バーコード | ライフテクノロジー | 4483485 | |
| Microamp Fast Optical 96ウェルプレート | フィッシャー | 4346906 | |
| ミニマイクロ遠心分離機 | Corning Medical | 6770 | |
| ストリップチューブ用光学キャップ | ライフテクノロジー | AB-1820 | |
| 光学フィルム | サーモフィッシャー | ||
| PCR プレートシーリングフィルム 非光学 | 式 Fisher | AB-0558 | |
| PCR プレートセミスカート | Fisher | 14230244 | |
| QuantStudio 3 リアルタイム PCR システム、96 ウェル、0.1 mL | Thermo Fisher | A28136 | |
| Quick RNA Viral Kit 確認 | Zymo | R1035 | |
| 試薬リザーバー、100ml | DOT | 229298 | |
| RNAシールド | Zymo | R1200-1L | |
| スモールバイオハザードバッグ | Fisher | 180000 | |
| Taqpath RTPCR COVID19キット | サーモフィッシャー | A47814 | |
| サーモサイエンティフィック Sorvall ST4R Plus 遠心分離機 | サーモフィッシャー | 75009525 | |
| トランスファーピ | ペット フィッシャー | 22170404 | |
| ウイルス 96 キット | Zymo | R1041 | |
| ボルテックスミキサー | フィッシャー | 2215414 |
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