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Science子刊详解!开发和评估四种检测SARS-CoV-2抗体的血清学测试方法

来源:本站原创 2020-08-26 13:48

2020年8月26日讯/生物谷BIOON/---新型冠状病毒SARS-CoV-2导致2019年冠状病毒病(COVID-19),如今正在全球肆虐。它是一种基因组为RNA的包膜病毒。SARS-CoV-2感染可能是无症状的,也可能引起广泛的症状,从轻微的上呼吸道感染症状到危及生命的败血症。COVID-19的临床表现包括无症状携带者和以败血症和急性呼吸衰竭为特征的暴发性疾病。目前还没有针对SARS-CoV-2的人类疫苗,但大约有120种候选疫苗正在研发中。

在一项新的研究中,来自法国巴斯德研究所、法国国家科学研究中心(CNRS)、法国国家健康与医学研究院(INSERM)和巴黎大学的研究人员进行了一项初步研究以评估几种实验室测试的可靠性,目的是更好地了解针对SARS-CoV-2的抗体反应谱以及这种病毒在人群中的传播情况。

他们开发和评估了四种检测SARS-CoV-2抗体的方法,以及两种检测中和抗体的方法。这些称为实验室测定的测试方法是COVID-19流行病学研究的第一个阶段。相关研究结果近期发表在Science Translational Medicine期刊上,论文标题为“A comparison of four serological assays for detecting anti-SARS-CoV-2 antibodies in human serum samples from different populations”。
四种血清学测试方法之间的相关性,图片来自Science Translational Medicine, 2020, doi:10.1126/scitranslmed.abc3103。

评估无症状和有症状的SARS-CoV-2感染病例的流行率及其抗体反应谱是遏制疫情和阐明这种病毒传播方式的重要部分。

目前,PCR测试方法在法国和世界范围内被广泛使用,用于诊断COVID-19以及检测和定量确定SARS-CoV-2 RNA。这些病毒学测试方法对鉴定和监测活动性感染者至关重要。

还有一些血清学检测方法也在使用。有两种类型:抗体检测法,可显示一个人是否已产生针对SARS-CoV-2蛋白的抗体,因此可显示之前是否感染过这种病毒;中和测试,可确定一个人是否具有中和抗体,因此可确定是否对这种病毒产生免疫力。

可靠测试的重要性

这些测试的可靠性至关重要。因此,这些作者着手开发血清学测试方法,进行了一项初步研究,通过测量SARS-CoV-2抗体水平来评估四种测试方法的可靠性。他们还开发了两种新的测试方法,这使得他们多了一个比较点。他们从不同类别的人身上采集了一系列血液样本。这些用于评估测试方法的样本可以如下细分:
(1)来自400名大流行前(2017-2019年)个体的样本,作为对比样本,通过确保没有或极少有“假阳性”来确定测试方法的特异性;
(2)来自法国比查医院(Bichat Hospital)的51名COVID-19重症或危重症患者的样本,这些样本用于确定了测试方法的灵敏度,使得科学家们能够研究抗体反应的动力学;
(3)2020年3月3日和4日在法国瓦兹省(Oise département)采集的209名症状轻微(如发烧或咳嗽)的人的样本;
(4)在2020年3月20日至24日期间在瓦兹省采集的200名无症状献血者的样本。

血清阳性率(seroprevalence)结果

在取样前15天内,32%与COVID-19相容的轻度体征的人检测到血清阳性(抗体的存在),3%的无症状献血者检测到血清阳性。

抗体反应时间

这些作者测定了住院COVID-19患者的抗体反应时间。抗体在首次症状后5-6天出现,7-14天后具有中和活性。

在症状轻微或无症状的个体中,这个时间线很可能更长,抗体滴度(浓度)很可能更低。

对测试方法的描述和评估

这些作者设计了四种实验室测定方法来评估人血清中的SARS-CoV-2抗体水平。

ELISA测试方法:两种ELISA测试方法是基于SARS-CoV-2的全长N蛋白(ELISA N)或SARS-CoV-2刺突蛋白(S)胞外结构域(ELISA S)的常规测试方法。

优点:这两种测试方法是基于一种易于移植的技术,可用于商业试剂盒。ELISA S测试方法比ELISA N测试方法的灵敏度稍高。

对于这两种测试方法,有人提出了如何大规模使用或推向市场的问题,这是因为它们目前是室内测试。基于类似原理的测试方法已经上市,目前正在由法国国家呼吸道感染病毒参考中心(CNR)进行评估。

根据巴斯德研究所开发的至少两种血清学测试方法,CNR使用SARS-CoV-2抗体阴性或阳性的血清样本评估商业测定方法的性能。

S-Flow测试方法:这种测试方法可以检测细胞表面上处于自然构象下的SARS-CoV-2刺突蛋白。它具有高度的灵敏度和特异性。它的检测结果与ELISA S相类似,对低抗体水平的灵敏度更高。但是这种测定方法需要专业的设备(流式细胞仪),与医学实验室普遍使用的酶标仪相比,这种设备的普及程度较低。这使得它更适合用于流行病学研究,而不是大规模的诊断测试。

Lips测试方法:这种“免疫沉淀”测试方法采用了与其他测试方法不同的技术,检测可结合SARS-CoV-2 N或S蛋白或它们的亚结构域的抗体。这种测试方法提供了抗体反应所针对的病毒蛋白区域的详细图谱。因此,它使用了不同的“靶抗原”,检测灵敏度根据检测的抗原不同而不同。就这项新的研究而言,它使用了N蛋白的一部分和S蛋白的一部分(S1)。这种测试方法也可以在大多数动物中使用。

这些作者还开发了两种检测感染者血清样本中的中和抗体的测试方法:一种是使用传染性SARS-CoV-2病毒,需要进入BSL3实验室;另一种是基于“假病毒(pseudovirus)”,可以在不需要BSL3设施的情况下使用。

使用传染性SARS-CoV-2的中和测试方法实施起来比较复杂,这是因为这种病毒需要在BSL3实验室处理。它使用的是固定剂量的SARS-CoV-2病毒,可100%破坏细胞。在将它与不同的血清稀释液混合后,这些作者观察存在的SARS-CoV-2抗体是否足以中和这种病毒,抑制病毒增殖,从而阻止细胞遭受破坏。

这些作者还开发了一种称为Lenti S的中和测试方法,该方法基于一种非传染性的假病毒来代替SARS-CoV-2病毒。这种测试方法不需要在生物安全实验室进行控制,因此很容易大规模实施。

与检测抗体的ELISA测试方法不同的是,中和测试方法测量的是抗体阻止这种病毒进入细胞的能力。因此,它可以确定一个人是否拥有能够限制病毒增殖的抗体,并有可能提供保护,防止进一步感染SARS-CoV-2。这些作者热衷于对这种测试方法进行调整,使得它能够用于高通量测试。还需要开展进一步的研究,以确定可能赋予保护作用的中和抗体的数量,以及它们在一段时间内的持久性。

多种测试方法之间的相关性

为了评价这些测试方法的比较可靠性,这些作者采用三个队列进行了比较。

在住院患者中,以N和S蛋白为基础的血清学测试方法获得了相似的阳性病例数;诊断性应用检测抗S1抗体的检测法灵敏度较低,后者的目的是调查与保护的相关性。

对于来自瓦兹省的有症状的个体队列,S-Flow和ELISA S测试方法以及Lips N+S1组合提供了非常相似的结果,检测水平高于其他测试方法。在献血者中,只有S-Flow和ELISA S测试方法检测出阳性病例。

总结一下:

(1)这些作者比较了4种检测SARS-CoV-2抗体的测试方法的性能。总地来说,它们表现都不错,根据测试方法的不同,特别是靶抗原的不同,灵敏度也有差异;
(2)在中和抗体测试方法方面,假病毒中和测试方法简单、有效,但需要细胞培养设施和特殊设备;血清学测试方法用来估计与这种病毒结合的抗体水平,而不是预测它们的功能;
(3)这些作者目前正在建立相关性,以便根据与这种病毒不同部分结合的抗体水平来估计哪些血液样本具有中和能力;
(4)血液中中和抗体的存在可能表明对进一步感染有保护作用,特别是当滴度很高时,但这一点尚未得到正式证实;
(5)血清学测试方法可用于流行病学研究,以确定特定人群的血清阳性率;
(6)在瓦兹省的首发病例簇内有明显的病毒流通:32%的与COVID-19相容的中度临床症状的人有抗体;
(7)对无症状者的检测结果取决于所研究的群体及其所在地。例如,在瓦兹省对无症状献血者进行的200次检测中(表现出近期症状的人不允许献血),有3%的人呈阳性。

这些作者强调道,“这些测试方法用于在流行病学研究中检测血清阳性率,也用于诊断个体。在评估商业测试方法时,它们对于全面描述血清盘(serum panel)的特征也非常有用。这项研究涉及到巴斯德研究所的几个团队与来自巴黎公立医院网络(AP-HP)、INSERM和法国血液服务(EFS)的医生、病毒学家和流行病学家合作。我们想要感谢为这项研究献血的患者和志愿者。”

论文共同作者、法国国家呼吸道感染病毒参考中心主任Sylvie van der Werf解释道,“ELISA N和ELISA S测试方法在当前背景下具有特别的意义。在巴斯德研究所,每周可以进行数千次检测,而且这种技术可以与其他实验室共享。”

论文共同通讯作者、巴斯德研究所病原体发现实验室主任Marc Eloit说,“针对相同的抗原而言,LIPS测试方法具有与ELISA测试方法相同的灵敏度,对于详细研究几千份血清样本的队列中防止进一步感染的概率非常有用,以确定哪些抗原是高通量检测的最佳选择---这种方法将对管理封锁措施放松至关重要。自这项研究开展以来,我们还将Lips测试方法的使用扩展到季节性冠状病毒的感染检测,以及它们在保护或促进SARS-CoV-2感染方面的作用。”

论文共同通讯作者、巴斯德研究所病毒与免疫组负责人Olivier Schwartz说,“自2020年3月本研究开始以来,S-Flow测试方法就被用于研究轻度症状的PCR+个体的体液反应程度。我们目前正在评估这种反应的持续时间。我们正在分析在症状发作后的不同时间点收集的康复者血液样本。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Ludivine Grzelak et al. A comparison of four serological assays for detecting anti-SARS-CoV-2 antibodies in human serum samples from different populations. Science Translational Medicine, 2020, doi:10.1126/scitranslmed.abc3103.

2.Ludivine Grzelak et al. SARS-CoV-2 serological analysis of COVID-19 hospitalized patients, pauci-symptomatic individuals and blood donors. medRxiv, 2020, doi:10.1101/2020.04.21.20068858.

3.Development of serological assays to detect SARS-CoV-2 antibodies
https://medicalxpress.com/news/2020-08-serological-assays-sars-cov-antibodies.html


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