Как работает групповое тестирование: объяснение на примерах

Допустим, эпидемиологам необходимо проверить на Covid-19 взятые у большой группы людей образцы слюны. Очевидное решение — проанализировать каждый из них. Однако существуют алгоритмы, позволяющие резко сократить число этих дорогостоящих операций.

Один из них — использование т.н. пакетной или же групповой обработки (batch- или pool testing). Этот подход применяется, в частности, в Китае (в Ухани 9 миллионов горожан были проверены на коронавирус за неполных 10 дней) и в США. Используется он и в Латвии, в том числе и для обработки «школьных» Covid-тестов, в частности, в E. Gulbja Laboratorija — алгоритм там в целом похож на описанный ниже, но в деталях есть отличия. Такие

нюансы зависят от того, какого конкретно ресурса в конкретной стране острее всего не хватает в конкретный момент — времени, реагентов, мощностей приборов-анализаторов или «человеческого фактора».

Эти тонкости мы опускаем и приводим общее описание метода — максимально упрощенное и показывающее только принцип работы.

Допустим, у нас есть 8 пробирок c образцами слюны, взятыми у 8 человек. Разумеется, каждая из них помечена так, чтобы можно было идентифицировать проверяемого (но на диаграмме эти пометки не отражены):

В случае использования обычного метода для выяснения, если ли среди проверяемых зараженные Covid-19, пришлось бы провести отдельный анализ каждого из 8 образцов. Групповая обработка действует иначе.

К 8 пробиркам с образцами добавляется девятая, пустая:

В нее помещается часть материала из каждой из восьми пробирок. В итоге в ней получается смесь из образцов 8 человек. И именно этот «коктейль» и отправляется на анализ. Логика тут такова: если хотя бы один образец из 8 заражен, то зараженной окажется и 9-я пробирка. Если не заражен ни один — «чистой» будет и 9-я пробирка.

Если результат проверки 9-й пробирки оказывается негативным, «чистыми» признаются все пробирки. (На диаграммах инфицированные образцы обозначены красными плюсами, «чистые» — зелеными минусами.)

Проведя всего один анализ, мы «сняли подозрения» сразу с 8 человек.

Если же 9-я пробирка оказывается «красной», позитивными до дальнейшего выяснения считаются все 8 образцов (инфекция может оказаться и в одном из них, и в нескольких, и во всех):

Дальше возможны разные варианты действий. Например, такой: 9-я пробирка выбрасывается, наши 8 пробирок с образцами делятся на две группы по 4 штуки. К каждой группе добавляется 5-я пробирка — и в нее помещается материал из всех пробирок «ее» группы:

Проверяются обе «пятые» пробирки:

Теперь мы признали негативными еще 4 образца. С остальными работаем по прежней схеме — делим на две группы, добавляем новые пробирки и т.п.:

Проводим анализ:

У нас осталось всего два образца. Можно сначала проверить любой из них — если нам повезет, и он окажется «зеленым», оставшийся можно не анализировать: он точно — «красный». Если же первый окажется позитивным, нужно проверить и второй — ведь он тоже может быть заражен.

Таким образом, чтобы выяснить, что ни один из 8 человек не заражен, потребуется всего один анализ (т.е. 7 операций «сэкономлены»). Чтобы выявить единственного заболевшего, понадобится максимум 7 операций (одна «сэкономлена»).

Этот принцип работает тем эффективнее, чем больше число обрабатываемых проб и чем меньше зараженных среди проверяемых — что мы сейчас и покажем.

Допустим, нам нужно проверить такие же образцы слюны, но взятые уже у 64 человек.

Расставим их в квадратную кассету: по 8 пробирок в каждом из 8 рядов.

Дополним каждый ряд девятой пробиркой — так же, как мы уже делали…

…и каждый столбец — другой девятой пробиркой.

Теперь у нас есть 8 пробирок, в каждой из которых находится смесь образцов из своего ряда, и еще 8, в каждой из которых — смесь из своего столбца. Проанализируем эти добавленные пробирки.

Мы помним, что, если в ряду нет ни одной зараженной пробирки, «чистыми» являются все пробирки в этом ряду. Это относится и к столбцам тоже.

Сейчас каждая пробирка у нас стоит одновременно и в ряду, и в столбце. И если она находится или в «зеленом» ряду, или в «зеленом» столбце, значит, она не содержит инфекции — иначе бы «покраснел» бы и весь ряд, и весь столбец.

У нас получился один «красный» ряд и один «красный» столбец — и пробирка, стоящая одновременно и в этом ряду, и в этом столбце, всего одна. Все остальные находятся или «зеленых» рядах, или в «зеленых» столбцах — и, следовательно, не содержат инфекции.

Как уже было сказано, эффективность метода оказывается особенно высокой при небольшой распространенности инфекции. Сейчас, когда из 64 человек заражен был лишь один (доля позитивных образцов — 1,6%, примерно столько в последние дни регистрируется в Латвии), мы «сэкономили» 48 операций анализа — 75% от необходимого для индивидуальной проверки всех образцов.

Если зараженных, допустим, трое (позитивность — 4,7%), картина оказывается иной — хотя общее число операций все равно меньше:

Проведя 16 анализов, мы сузили «круг подозреваемых» до 9 пробирок — каждая из них оказалась одновременно и в «красном» ряду, и в «красном» столбце.

Их мы проверим каждую отдельно — найдя в результате три инфицированные.

Получается, что, проведя в общей сложной 25 анализов, мы обработали 64 образца — т.е. экономия ресурсов все равно получилась весьма значительная (около 60%).

Метод batch-тестирования может быть и более сложным (и более эффективным): например, если использовать не двухмерные матрицы, как наша квадратная кассета 8x8, а трехмерные: представьте 8 таких кассет, поставленных одна на другую в 8 «этажей», т.е. в общей сложности 512 образцов, которые анализируются не только по сторонам квадратов, но и по «этажам». Однако, как и любая методика, групповое тестирование имеет свои ограничения, связанные, например, с чувствительностью прибора-анализатора (нельзя смешивать слишком много образцов — концентрация возбудителя может оказаться слишком маленькой для выявления конкретной лабораторной установкой). Именно поэтому подчеркнем еще раз: в данной публикации объясняется исключительно принцип, а не конкретная технология, и все числа приведены только для иллюстрации.

Заметили ошибку? Сообщите нам о ней!

Пожалуйста, выделите в тексте соответствующий фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Пожалуйста, выделите в тексте соответствующий фрагмент и нажмите Сообщить об ошибке.

Еще видео

Рекомендуем

Уведомляем, что на портале Lsm.lv используются т.н. cookie-файлы (cookies). Продолжая использовать портал, вы соглашаетсь с размещением и хранением cookie-файлов в вашем устройстве. Подробнее

Принять и продолжить