Про групповое тестирование на заболевания
Вчера в комментарии к одному из постов наткнулся на один коммент. В нём комментатор задавал вопрос который звучал примерно так: правда ли, что при анализе на ВИЧ все пробы от пациентов объединяются в одну и для делается общий анализ. Если все люди, сдавшие пробы на анализ, будут здоровы, то анализ будет отрицательным? А если есть хоть один больной, то анализ будет положительным, и тогда всем пациентам назначат повторный анализ?
Вопрос, конечно, интересный. И, не знаю, применяется ли данный метод при анализе именно на ВИЧ на практике. Но, такой подход, с объединением большого количества проб и проведения анализа для усреднённой пробы существует. И даёт отличные результаты, экономя при этом огромное количество времени и реактивов. А, значит, за одно и то же время можно сделать куда больше анализов.
Такой подход, когда анализируется не каждая отдельная проба, а изготавливается и анализируется усреднённая проба, называется групповым тестированием.
Я описал методологию данного подхода в комментарии. Но, думаю, что, может быть интересно большему количеству людей. И поэтому решил создать отдельный пост.
Широко про данный подход для анализа именно заболеваний начал внедряться, когда началась пандемия коронавируса. За короткое время понадобилось протестировать огромное количество людей. Особенно тяжело пришлось на начальном этапе, когда большинство экспресс-тестов ещё не было разработано, а те, что были, давали очень недостоверные результаты. Нагрузка на клинические лаборатории, занимающиеся ПЦР-анализом оказались неподъёмной.
Поэтому, стали искать выход, чтобы сократить количество тестов при сохранении достоверности результатов. Вот и применили метод группового тестирования.
Описание метода: Допустим, есть группа из 10 человек. Для того, чтобы обработать каждого - нам надо сделать ровно 10 тестов.
Но можно отобрать по чуть-чуть из каждого образца, смешать их и протестировать усредненную пробу. Если вирус был хоть у кого-то, даже у одного человека, он будет обнаружен в пробе. Если нет, то все будут считаться здоровыми.
Допустим, в общей пробе обнаружен вирус.
Делим количество образцов на две группы по 5 образцов (например, группа А и группа Б). Опять смешиваем образцы в каждой группе. Получаем ещё два образца (А и Б). Анализируем их.
Допустим, в группе А не обнаружилось вируса, а в группе Б - обнаружился. Все пациенты из группы А считаются здоровыми. Таким образом, мы сделали всего 3 анализа, а отсеяли уже сразу 5 человек.
Далее, пробы из оставшейся группы Б можно либо анализировать уже по отдельности (даже если все пациенты в оставшейся группе окажутся больными, и нам надо будет провести все 5 анализов, то всё равно мы сэкономили время и реактивы и вместо 10 анализов провели 8) . Либо, опять разбить на группы и повторять анализ для каждой группы.
И так проводим анализ до тех пор, пока не будут выявлены все заболевшие и отсеяны все здоровые.
В итоге, вместо 10 анализов можно сделать всего 1.
Для маленьких выборок сильно мельчить группы, конечно, невыгодно. Может так получиться, что все образцы будут от заражённых людей. И, в таком случае, для подтверждения того, что каждый человек из группы болен, нужно будет провести больше тестов, чем есть образцов.
Но, такое стечение обстоятельств маловероятно, поэтому на большом отрезке времени экономия будет в любом случае.
И, чем больше тестов будут объединены, тем больше экономия. Сэкономить 60-80 процентов времени и реактивов? Вполне возможно. Но в больших выборках нужен другой подход к объединению проб.
Если мы возьмём, например, 144 образца, то делать 1 усреднённый тест из всех пробирок бессмысленно. Потому что статистически в такой выборке вряд ли будут все здоровые.
Тогда расставляем образцы в планшете так, чтобы получился квадрат со стороной как-раз 12 образцов (вот, как в табличке ниже. Каждая клеточка - это один образец). Получается что-то вроде матрицы.
И отбираем общую пробу из каждого вертикального ряда ("строки", обозначенные буквами от А до М) и каждого горизонтального ряда ("столбца", обозначенного цифрами от 1 до 12). Таким образом у нас получаются 24 пробирки и КАЖДАЯ из 144 проб будет отобрана по 2 раза (один раз при объединении образцов в "строке", один раз в "столбце").
Анализируем этих 24 общих пробы. Если, например, в "столбце" 1 не будет ни одного инфицированного, то исключаем его из дальнейших анализов (в таблице неинфицированные образцы обозначены зелёным). То же самое делаем со строками.
Если на 144 проанализированных образцов был всего 1 заражённый, мы его найдём, таким методом с первого же раза. В таблице выше мы видим, что во всех строках, кроме строки Д и все столбцы, кроме столбца 5 получились отрицательные результаты. Соответственно, лишь один положительный результат (инфицированный человек, обозначен крестиком в красной ячейке) находится в позиции на перекрестье этого столбца и этой строки (жёлтым обозначил строки/столбцы, в которых получился положительный результат, но эти пробы были отсеяны, благодаря тому, что в пересекающих их строках/столбцах образцы были чистыми). Мы провели 24 анализа вместо 144, сделав всего лишь 17 % от общего количества анализов.
И, даже если в выборке окажутся 3 инфицированных, но они будут удачно находиться в одном столбце, то, путём исключения мы всё равно можем определить их с первой же попытки, как в примере снизу. Инфицированные удачно расположились в столбце 5.
Если на выборку окажется два инфицированных, но в разных строках и столбцах - то нам после первого же прогона нужно проанализировать всего ещё 4 единичных пробы (28 анализов).
На таблице положение инфицированных в матрице находится в разных строках и столбцах. Нам для точного поиска нужно проанализировать пробы Д5, Л5, Д11 и Л11.
Чем меньше инфицированных в выборке, тем меньше анализов нужно делать.
Можно пойти дальше строить не двухмерные матрицы (в 1 плоскости), а трёхмерные, добавив ещё несколько плоскостей (тогда каждая проба будет анализироваться по 3 раза).
Как мы видим, экономичность группового тестирования в случае, если на сотни проб будет инфицировано всего несколько человек - просто невероятная. Но, чем больше инфицированных в выборке - тем экономичность ниже (больше нужно будет делать тестов).
Всё упрётся только в чувствительность метода. И бесконечно разводить пробы и наращивать выборки не получится. Методом ПЦР можно определять очень малые количества вирусов в образце. Но - если вирусных частиц, благодаря сильному разведению пробы чистыми образцами, будет слишком мало, то можно нарваться на ложноотрицательный результат. Тут нужно рассчитывать и соизмерять риски (и такие расчёты были многократно проведены).
Что касается второй части вопроса, мол, если при смешении проб мы получим положительный результат, то нужно опять всех вызывать и брать пробы, ответ на поверхности: нет, не нужно будет. Образца при любых лабораторных исследованиях (химических, физических или биологических) должно отбираться столько, чтобы можно было повторить эксперимент несколько раз.
Хочется добавить, что сама методика группового тестирования с объединением пробы далеко не нова. Может применяться везде. Например, при определении качества очистки.
У нас есть определённый порог чувствительности методики, равный 1 единице содержания вещества (единиц чего - неважно, это просто пример). И у нас есть 10 проб, часть из которых может быть загрязнена.
Мы считаем пробу загрязнённой, если в ней содержится более 10 единиц вещества. Если меньше - проба чистая.
В одну пробирку смешиваем равное количество объёма каждой из проб и анализируем эту общую пробирку. Если в общей пробе мы обнаружим меньше 1 единицы вещества, то все пробы чистые. Думаю, тут понятно, почему. Даже если только в одной пробе будет превышение в 10 единиц, но остальные пробы будут совершенно чистыми и разведут пробу, то на выходе мы всё равно получим больше 1 единицы. И, в этом случае делаем так, как написано в начале поста.
Тут, конечно, много нюансов, но, думаю, общий смысл метода группового тестирования передал.
P.S. Знаю, что в посте с пунктуацией будут проблемы. Но не вычитывал сильно текст, потому что уже хотел спать.