新型冠状病毒抗原检测性能与主要影响因素

作者:邹嘉琪 2022-06-01
作者单位:广州万孚生物技术股份有限公司

邹嘉琪,广州万孚生物技术股份有限公司医学中心主管。2018年毕业于华南农业大学动物科学学院,分子遗传与育种方向农学硕士,曾参与撰写2019-2020年卷《中国体外诊断产业发展蓝皮书》。


2020年3月,世界卫生组织(World Health Organization,WHO)宣布新型冠状病毒肺炎(新冠)为大流行病,新冠疫情已持续2年多,至今全球大流行仍在继续。 奥密克戎突变株的出现,使疫情局势雪上加霜,许多国家和地区都面临着前所未有的严峻形势[1]。截至2022年4月27日,全球已报告超过5亿例确诊病例和600万死亡病例[2]。早期确诊对于新冠的预防和控制疫情及对患者的及时治疗至关重要。


聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)是诊断新冠病毒的金标准,但PCR需要在BL3实验室用精密昂贵的分析仪器,由熟练的技术人员至少进行4个小时的操作,不利于疫情的及时防控[3]。而新冠病毒抗原检测快速、简单、易行,可缩短样本周转时间,适合在基层迅速开展大规模检测[4]。目前,新冠病毒抗原检测已得到广泛认可,我国为应对疫情,于2022年3月22日印发了《新冠病毒抗原检测应对方案(试行)》[5],在核酸监测的基础上增加抗原检测作为补充,以提高对新冠感染者“早发现”的能力。由此可见,新冠病毒抗原检测在新冠疫情的防控方面占据越来越重要的位置。


本文主要从新冠抗原检测的技术性能及其主要影响因素进行综述分析,从而增加对新冠病毒抗原检测性能的了解,为新冠病毒抗原检测的应用策略提供参考。


一、抗原检测技术性能


在对新冠病毒抗原检测性能进行评估时,大多数研究都是对同一或配对标本(如鼻、鼻咽、口咽、唾液),以核酸检测(如RT-PCR)的结果为参考标准。不同临床验证时,新冠病毒抗原检测的特异性一般较高,而灵敏度差异较大。欧洲疾病预防与控制中心(ECDC)对于2020年10月23日前9种抗原快速检测试剂研究结果进行分析后显示,它与RT-PCR方法对比,灵敏度为29.0%~93.9%,特异性为80.2%~100%[6]。这一结果与最近一项研究结果基本吻合,该研究结果表明,与RT-PCR结果相比,抗原检测的灵敏度为22.9%~93.9%[7-8]。最近的系统回顾和meta分析结果显示,由于抗原检测的灵敏度与病毒载量呈正相关,PCR检测的循环阈值(Cycle Threshold,Ct)通常分为≤25和>25,其平均检测灵敏度分别为94.5%和40.7%[10],而当Ct值升高到31~35和36~40时,其检测灵敏度分别下降至16.5%和15.1%[9]。也有研究结果表明,有临床症状患者的新冠病毒抗原检测的检测灵敏度比无症状患者高,其平均检测灵敏度分别为72.0%(95%CI:63.7%~79.0%)和58.1%(95%CI:40.2%~74.1%)[9],这表明新冠病毒抗原检测可以识别这两种患者[9]。


新冠病毒抗原检测的总体灵敏度低于核酸检测,但对于高病毒载量的样本,抗原检测的灵敏度接近核酸检测水平。因此,抗原快速检测可有助于高传染性个体的快速检出。抗原快速检测还可通过增加检测频率,在一定程度弥补灵敏度低的不足,提高对感染者的检出能力。研究结果表明,当在至少每3天一次的检测频率下,抗原检测与核酸检测的灵敏度均>98%,检测性能相当[11]。


二、抗原检测性能的主要影响因素


1. 样本病毒载量对抗原检测性能的影响:新冠病毒通过其表面的S蛋白可与人类呼吸道上皮细胞表面的血管紧张素转化酶2(ACE2)结合,感染呼吸道上皮细胞。从此,新冠病毒开始大量复制并向下迁移至下呼吸道,最终进入肺泡上皮细胞[12],在感染一周后开始出现相关症状。一般来说,在症状出现时和之后几天(通常为一周内)观察到上呼吸道样本的病毒载量最高,在接下来的1~3周内病毒载量水平缓慢下降[13]。通常在症状出现时和症状出现一周内进行抗原检测能够有效判断新冠病毒的早期感染。


新冠病毒抗原检测的灵敏度与样本中病毒载量呈正相关,而病毒载量与PCR检测的Ct值呈负相关;病毒载量越高,Ct值越小,而新冠病毒抗原检测的灵敏度越高。研究发现,当样本的病毒载量至少在1.7×105拷贝/ml(Ct<25)时,新冠病毒抗原检测处于高灵敏度状态(>90%);但当病毒载量降至9.4×103拷贝/ml(Ct>30)时,抗原检测的灵敏度也随之下降[14-15]。在一项系统综述中,病毒载量较高(Ct≤25)时,新冠病毒抗原检测的总体灵敏度为94.5%[16]。因此,新冠病毒抗原检测应在症状出现前1~3天和发病后5~7天(Ct值≤25~30,105~106拷贝数/ml)进行检测效果最好[17]。


2. 样本类型对抗原检测性能的影响:新冠病毒抗原检测旨在直接鉴定呼吸道分泌物(或口腔液或唾液)中病毒复制产生的新冠病毒蛋白质[15]。与核酸检测类似,常见的抗原检测样本类型主要包括鼻咽拭子、鼻腔拭子、前鼻拭子、中鼻拭子或口咽拭子,也有部分研究采用下呼吸道样本、口腔液、痰液、唾液、血清等样本作为抗原检测样本[18-19],一项荟萃分析发现,与上呼吸道相比,下呼吸道的新冠病毒保持阳性的时间更长[20]。


对于不同样本类型,新冠病毒抗原检测的灵敏度有所差异。研究结果显示,与其他样本类型相比,上呼吸道拭子样本的抗原检测灵敏度最高(其中前鼻或中鼻甲样本为75.5%,鼻咽样本为71.6%)[21]。一项比较不同方法的单独荟萃分析发现,合并的鼻拭子和咽拭子的敏感度最高,为97%,其次是鼻拭子(86%)和唾液(85%),最后是单独的咽拭子(68%)[20]。血清N抗原检测可能有助于新冠感染者的诊断[19, 22]。由于不同样本类型对新冠病毒抗原检测试剂性能的影响,应依据获批产品的说明书推荐的样本类型进行采样检测,以保证抗原检测性能不受影响。


除不同样本类型外,样本的质量、采集时间和处理方式等因素也对新冠病毒抗原检测的性能产生影响,包括储存条件和在拭子病毒运输液中的稀释。有研究探究不同灭活方式、病毒运输液和样本保存方式对抗原检测试剂的影响时发现,热灭活及含有使蛋白质变性和失活的化学物质的病毒运输液可降低抗原检测试剂的性能[23]。因此,应选择合适的样本灭活方式和病毒运输液,以保证新冠病毒抗原检测试剂盒的性能不受其影响。


3. 新冠突变株对抗原检测性能的影响:目前,随着全球SARS-CoV-2大流行的持续,SARS-CoV-2存在持续且广泛的变异,目前已报道4000多种变体[24]。D614G变体首先出现在美国,并于2020年中期开始席卷全球[25-26]。2020年下半年以来,出现了更多SARS-CoV-2变体,包括Alpha、Beta、Gamma、delta、Omicron、Eta、Lota、Kappa、Lambda等,随后WHO宣布Alpha、Beta、Gamma、delta、Omicron成为关注的变异株(Variant of Concern,VoC)。2021年4月,Delta变体成为多地主要流行变体,具有高病毒载量、高传播性等特点[27],并对于疫苗效力产生一定影响,一时间成为疫情防控的重点。2021年11月,Omicron在南非首次被发现,该变异株在刺突蛋白处发生了30多个突变,其中15个突变位于受体结合域(RBD)[28-29]。最初的模型表明,Omicron的病毒传染性增加了13倍,是Delta的2.8倍[30]。


新冠病毒突变株的迅速流行,对于验证新冠抗原试剂的检测性能成为必要。然而,由于市面上可买到的新冠病毒抗原检测试剂大多数针对新冠病毒N蛋白,且抗原检测是针对蛋白全长或多位点检测,在部分位点变异下,可能不影响对变异体的识别。英国卫生部测评结果显示,对于5种N蛋白靶标的抗原快速检测试剂进行测试,虽然Alpha变体也存在N蛋白变异,但是5种试剂对于新冠病毒的检出未受影响[31]。也有相关研究结果表明,暂未发现Alpha、Beta和Delta突变株对新冠抗原检测试剂产生显著影响[32-33]。对Delta和Omicron突变株的研究结果显示,多种新冠病毒抗原检测试剂对Delta和Omicron突变株的检测灵敏度相当[34-35],灵敏度分别为22.2%~88.9%和52.9%~91.2%[36]。根据WHO建议,目前尚无证据显示新冠病毒变体会影响抗原快速检测试剂的检测性能[37]。


4. 其他影响因素:由于新冠病毒抗原检测性能受多种因素影响,除上述三个主要原因外,还受患者因素、病毒因素、运输和(或)储存条件、检测操作人员的能力、产品的设计或质量问题、不同方法学和不同生产厂家等因素有关[14-15, 38]。其中患者因素主要包括患者的发病时间、症状和免疫状态等。病毒因素包括病毒抗原脱落的浓度和时间,以及靶抗原的结构变异等。检测操作人员能力欠缺或者没有严格按照说明书建议的流程进行抗原检测均会影响抗原检测试剂的性能。产品设计或质量问题包括对目标抗原的抗体数量或亲和力不足,与其他微生物可能产生交叉反应,产品保存不当等均会影响抗原检测试剂的性能。


三、小结


新冠病毒是一种新发病原体,目前对该病毒的致病性、检测方法性能的了解仍然有限,需开展更多的基础和临床研究,以提高其检测方法效能,提升临床及实验室诊断能力。新冠病毒抗原检测简单、快速,有助于新冠疫情防控,但其性能可能会因不同影响因素而异。


本文主要讨论了样本病毒载量、不同样本类型及新冠突变株对抗原检测试剂性能的影响。根据WHO的建议,新冠病毒抗原检测试剂的临床标本灵敏度应至少达到80%,特异度达到97%[15]。通常建议在症状出现时和症状出现一周内进行抗原检测,因为此时样本中的病毒载量一般较高。建议使用鼻咽拭子来检测呼吸道病毒,因为鼻咽拭子作为样本时抗原检测的灵敏度更高,然而采集鼻咽拭子比前鼻腔拭子更困难,患者依从性不高。相比之下,前鼻腔拭子采集速度更快、效率更高,也可用于自采样本。先前的研究结果表明,在感染早期可以在前鼻腔样本中检测到新冠病毒[39]。目前,也暂未发现新冠病毒突变株对抗原检测性能显著影响的依据,抗原检测仍可检测出Alpha、Delta、Omicron等突变株感染的样本。


综上所述,在病毒载量高的病例症状出现后的第一周内,使用上呼吸道样本可以实现新冠病毒抗原检测的最佳性能。在这场长期大流行期间,抗原检测可用于大规模筛查新冠感染者,包括无症状患者,以限制新冠病毒传播,控制疫情发展。


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