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用数学策略提高冠状病毒检测效率

作者:Smriti Mallapaty来源:nature

2020新冠病毒全球大爆发。各国需要进行广泛的测试以控制新冠状病毒的大流行。但在许多地区,测试所需的化学试剂短缺。

目前一些国家已经开始使用第二次世界大战时首次提出的策略:群组测试,通过同时测试许多人的样本,这种方法可以节省时间、化学试剂和金钱。

群组测试Group testing源于二战时期,美国需要通过血样检测美军是否携带梅毒,但是当时血液检测耗时耗钱,将每个士兵的血液都检查一遍效率很低。

考虑到携带梅毒的总归是少数,Rosenblatt和Dorfman提出将全部待检测士兵的血样分组混合后再检测,如果混合后的血样没有病毒,可以推定整个组都没有病毒,如此便能够减少不必要的检测。

中国、印度、德国和美国已经在使用群组测试。

有很多方法可以进行群组测试,一些科学家正在测试这种测试的最佳方法。

目前正在测试的有四种方法。

方法1和2:

在这种方法中,将用鼻拭子和咽喉拭子采集的相同数量的样本混合在一起(见方法1),并进行一次测试。

方法1:

20200711a.jpg

先排除了检测结果为阴性的样本组。但如果一组测试呈阳性,则该组中的每个样本都将单独重新测试。研究人员根据病毒在社区中的流行程度来估计最有效的群体规模,即使用最少测试次数的群体。

5月份,中国武汉在短短两周内检测了约1000万人,部分采用了这种方法。检测人员用群组测试方法对约230万人的样本进行了测试,一组中多达5个样本,并确定了56名感染者。

研究人员说,这种方法在感染水平较低的情况下,比如1%,效率最高,因为小组测试更可能是阴性,这可以节省许多人的单独测试。

“这可能是最简单的方法,”Texas A&M大学的Krishna Narayanan说,“但是在第二阶段可以构建比单独测试每个人样品更有效的方法。”

更复杂的版本涉及在分别测试每个样本之前添加更多轮群组测试(参见方法2)。添加轮次减少了需要单独测试的人数。

方法2:

20200711b.jpg

虽然减少了单独检测的人数,但是这种方法很慢,因为每个小组测试都需要几个小时才能得到结果。


方法3:多维检测

Ndifon和他的同事们改进了Dorfman的策略,他们计划在卢旺达进行测试,从而最终减少所需的测试次数。

他们的第一轮群组测试与Dorfman的测试相同,但对于测试结果为阳性的小组,他们将第二轮将样本划分为有重叠的群组。

方法3:

20200711c.jpg


想象一个有九个单位的方形矩阵,每个单位代表一个人的拭子(见方法3)。每行中的样本作为一组(行组)进行测试,每列中的样本作为一组(列组)进行测试,总共进行六次测试,每个人的样本分为处于两组(行组、列组)。

如果样品含有COVID19病毒RNA,则行、列两组测试均为阳性,从而很容易分辨出该人。

共同研究者英国爱丁堡大学的Neil Turok说,增加维度的数量,例如从正方形到立方体,可以实现更大的群体规模和更高的效率提升。

Ndifon估计,他们的方法可以将测试成本从每人9美元降低到75美分。

但是,德国Saarland大学医学中心的分子病毒学家Sigrun Smola进行了多达20个样本的群组测试,他不建议在一次测试中对30多个样本进行分组,以确保足够的准确性。

她认为更大的群体将使检测病毒变得更加困难,并增加错过阳性的机会。


方法4:一步法

一些研究人员表示,即使是两轮测试也太多了。孟买印度理工学院计算机科学家Manoj Gopalkrishnan建议用大量的重叠的组,一轮完成所有测试。

这会增加测试次数,但会节省时间。

Gopalkrishnan的方法涉及使用称为Kirkman三元组的计数技术混合不同组中的样品,该技术设定了如何分配样品的规则。想象一个扁平矩阵,其中每行代表一个测试,每列代表一个人(参见方法4)。通常,每个测试应包括相同数量的样本,并且每个人的样本应进行相同次数的测试。

方法4:

20200711d.jpg

但是Narayanan说,一步策略需要更多的测试来确保与多步骤组测试相同的准确度。一步法也意味着一次处理大量样本,这可能很棘手。

为了简化实验室流程,Gopalkrishnan及其同事开发了一款智能手机应用程序,告诉用户如何混合样本。他说,在印度的临床试验中,320个样本,只做了48此测试,就成功鉴定出5个阳性样本。

以色列的研究人员正在使用自动化系统和应用程序来应用类似的一步系统,实现快速检测。



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参考文献

The mathematical strategy that could transform coronavirus testing

Smriti Mallapaty


文章分类: 科技最前线
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