Diagnostische Leistung von Atemschutzgeräten zur Erfassung und Erkennung von SARS

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13277 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Atemschutzmasken, sogenannte Gesichtsmasken, werden verwendet, um den Träger vor der schädlichen Außenluft zu schützen und zu verhindern, dass Viren durch potenziell infizierte Ausatemluft auf die Nachbarn übertragen werden. Die antivirale Wirksamkeit von Atemschutzmasken ist nicht nur wissenschaftlich erforscht, sondern durch die gesellschaftliche Pflicht zum Tragen von Atemschutzmasken auch zu einem globalen Thema geworden. In diesem Artikel berichten wir über die Ergebnisse einer Studie zur Sammlung und Erkennung von Viren, die in der ausgeatmeten Luft enthalten sind, mithilfe von Atemschutzgeräten. Der innere elektrostatische Filter wurde sorgfältig für die Virensammlung ausgewählt, da er weder mit der menschlichen Haut noch mit der äußeren Umgebung in direkten Kontakt kommt. In der Studie einer gesunden Kontrollgruppe wurde bestätigt, dass eine große Menge an DNA und Biomolekülen wie Exosomen aus der Atemschutzmaske gesammelt wurde, die der Ausatmung ausgesetzt war, und dass die gesammelte Menge proportional zur Tragedauer zunahm. Wir führten Experimente mit insgesamt 72 gepaarten Proben mit Nasopharynxabstrichen und Atemschutzmaskenproben durch. Von diesen Proben wurden fünfzig positiv auf SARS-CoV-2 und zweiundzwanzig negativ getestet. Die PCR-Ergebnisse der NPS- und Beatmungsgeräteproben zeigten ein hohes Maß an Übereinstimmung mit einer positiven prozentualen Übereinstimmung von ≥ 90 % und einer negativen prozentualen Übereinstimmung von ≥ 99 %. Darüber hinaus gab es bei der Untersuchung der Atemschutzmaskenproben eine bemerkenswerte Übereinstimmung zwischen RCA-Flow-Tests und PCR. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass es sich hierbei um eine nicht-invasive, schnelle und einfache Methode zur Probenentnahme von Probanden handelt, die ein Beatmungsgerät verwenden. Dadurch können Wartezeiten an Flughäfen oder öffentlichen Plätzen sowie Bedenken hinsichtlich einer Kreuzkontamination erheblich verringert werden. Darüber hinaus gehen wir davon aus, dass miniaturisierte Technologien in naher Zukunft die PCR-Detektion in Beatmungsgeräte integrieren werden.

Die Infektion mit dem schweren akuten respiratorischen Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) verbreitete sich weltweit schneller als alle anderen Viren, was als charakteristisch für das Atemwegsvirus und die Entwicklung von Transportmitteln angesehen wird. Unmittelbar nach dem Ausbruch haben viele Länder das Tragen von Atemschutzmasken vorgeschrieben und so die Ausbreitung der Infektion bis zu einem gewissen Grad verhindert. Da wissenschaftliche Arbeiten berichten, dass eine Atemschutzmaske die Ausbreitung des Virus wirksam blockiert1,2, ist das Tragen einer Maske im Pandemie-Szenario zu einer grundlegenden globalen Etikette geworden. Dieses Phänomen hat das Konzept des traditionellen Maskentragens völlig verändert. Mit anderen Worten: Der herkömmliche Zweck des Tragens einer Maske bestand darin, den Träger vor schädlicher Außenluft zu schützen. Der Zweck der neuen Pflicht zum Tragen einer Maske während einer Pandemie besteht jedoch darin, die Ausbreitung des Virus auf Menschen in der Umgebung des Trägers über die vom Träger ausgeatmete Luft zu verhindern, die eine potenzielle Infektionsquelle darstellen kann3. Dies wird allgemein als Quellcodeverwaltung bezeichnet.

Die Unterscheidung zwischen Gesichtsmasken und Atemschutzmasken ist erwähnenswert, da der Begriff „Gesichtsmaske“ in der breiten Öffentlichkeit häufig ohne angemessene Differenzierung verwendet wird. Dies hat zu Verwirrung bei der Definition von Maßnahmen zur Kontrolle von Atemwegsinfektionen geführt, beispielsweise bei der Unterscheidung zwischen Atemschutzmasken und Gesichtsmasken. Zur Klarstellung: Eine Gesichtsmaske ist für den Einsatz als Quelle-Kontroll-Maßnahme durch die breite Öffentlichkeit und das Gesundheitspersonal gemäß den Vorschriften oder Empfehlungen während der COVID-19-Pandemie4 vorgesehen. Es ist wichtig zu beachten, dass Gesichtsmasken möglicherweise bestimmte Standards für Flüssigkeitsbarriere oder Filtrationseffizienz erfüllen oder nicht. Daher können sie nicht als Ersatz für Atemschutzmasken oder OP-Masken dienen. Andererseits handelt es sich bei einem Atemschutzgerät um ein Atemschutzgerät, das dazu dient, die Exposition des Trägers gegenüber externen Luftschadstoffen, einschließlich Viren in der ausgeatmeten Atemluft, zu minimieren5. Atemschutzmasken wie N95- oder KF94-Masken müssen zertifiziert, sorgfältig ausgewählt und im Rahmen eines umfassenden Atemschutzprogramms verwendet werden. Es ist wichtig anzuerkennen, dass N95- und KF94-Filter-Atemschutzmasken (FFRs) eine Untergruppe der Atemschutzmasken sind. Schließlich sind chirurgische Masken flüssigkeitsbeständig und dienen als physische Barriere, um Benutzer vor Gefahren wie Spritzern großer Bluttröpfchen oder Körperflüssigkeiten zu schützen4. Diese Masken, die als OP-, Isolations-, Zahn- oder medizinische Eingriffsmasken gekennzeichnet sind, unterliegen dem FDA-Zertifizierungsprogramm. In diesem Artikel verwenden wir den Begriff „Atemschutzgerät“, um sich speziell auf N95- oder KF94-zertifizierte FFR zu beziehen.

Beachten Sie, dass N95- und KF94-zertifizierte Atemschutzmasken aus drei oder vier Membranen bestehen und in der mittleren Membran eine mechanische und elektrostatische Filterung nutzen6. Eine der Zwischenschichtmembranen nutzt permanent geladene Elektretfasern als Filtermedium und kann 95 % der aerosolisierten Viren7 auffangen. Aufgrund der Beschaffenheit zertifizierter Atemschutzgeräte können durch die ausgeatmete Atemluft ausgeschiedene Viren effizient in Atemschutzgeräten gesammelt werden8. Jüngste Studien haben berichtet, dass SARS-CoV-2-Virus-RNA aus Beatmungsgeräten gesammelt und mithilfe der Reverse-Transkriptions-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) quantifiziert wurde9,10,11. Darüber hinaus wurden Gesichtsbeatmungsgeräte mit tragbaren Sensoren zum direkten Nachweis von Viren verwendet, die aus der ausgeatmeten Luft eines Trägers gesammelt wurden12,13. Wir haben auch vorläufige Daten zur Sammlung von Viren mithilfe eines Beatmungsgeräts vorgelegt und die Machbarkeit des Nachweises von Viren entweder mit RT-PCR oder mit Rolling-Circle-Amplifikationsmethoden (RCA) nachgewiesen14.

Einige Studien haben berichtet, dass ausgeatmete Luft als alternative Probe anstelle von Nasopharyngealabstrichen (NPSs) oder Speichel verwendet werden kann15,16. Der Atemtest hat seit langem Interesse für mögliche Anwendungen in der medizinischen Diagnose und Krankheitsüberwachung geweckt17. Dieses Interesse ist in erster Linie auf seine Eigenschaften der Nichtinvasivität und einfachen Probenahme sowie der wiederholten Probenahme aus der menschlichen Atemluft zurückzuführen. Somit ist die Atemanalyse mittels einer elektronischen Nase eine Technik, die sich auf die Profilierung flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) in der Ausatemluft für diagnostische und prognostische Zwecke konzentriert18. Wenn dieser Ansatz durch Methoden zur VOC-Identifizierung unterstützt wird, wird er oft als Metabolomics oder Breathomics bezeichnet. Darüber hinaus wurden Versuche unternommen, COVID-19 mit einer elektronischen Nase zu erkennen19. Allerdings verlief der Fortschritt von der Laborumgebung zur routinemäßigen klinischen Praxis aufgrund verschiedener Probleme, einschließlich nicht standardisierter Probenahmemethoden und der unterschiedlichen Empfindlichkeit der verwendeten Sensoren, langsam. Darüber hinaus war die diagnostische Leistung elektronischer Nasen ohne molekulare Amplifikation der konventionellen PCR unterlegen. Da die Testung infektiöser Viren wie COVID-19 keine falschen Ergebnisse von mehr als 0,1 % für die Empfindlichkeit zulässt, kann die elektronische Nase in der klinischen Praxis nicht eingesetzt werden.

In einer aktuellen Vorstudie untersuchten wir den Einsatz der Ausatembiopsie über Beatmungsgeräte als mögliche alternative Methode zur Virussammlung20. Unsere Ergebnisse zeigten, dass der PCR-Test auf Basis von Atemschutzmaskenproben eine vergleichbare Leistung wie der PCR-Test auf Basis von Nasopharyngealabstrichproben aufwies. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Biopsie der ausgeatmeten Atemluft mithilfe von Beatmungsgeräten ein vielversprechender Ansatz für die Erkennung und Überwachung von Viren sein könnte. Aus diesem Grund haben wir eine umfassende klinische Studie zur Sammlung von Beatmungsgeräten von Patienten mit bestätigter COVID-19-Infektion sowie von gesunden Kontrollpersonen durchgeführt. Verarbeitete Proben wurden entweder mit einer zertifizierten RT-PCR im Vergleich zu authentischen Proben wie NPS untersucht, wie in Abb. 1 dargestellt. Darüber hinaus wurden diese PCR-Ergebnisse mit Atemschutzmaskenproben mit der RCA-Methode verglichen, die in unserer vorherigen Studie20,21 entwickelt wurde . Bei Erfolg kann diese Methodik ein schnelles, nicht-invasives Probenahmeprotokoll an Point-of-Care- und Flugreisekontrollpunkten bereitstellen.

(a) Virusansammlung vom Ausatmen bis zur Maske. (b) Schematische Darstellung der Extraktion viraler RNA aus der Maske. (c) Übernahme von drei Zielgenen: N, E und RdRp zur Identifizierung von SARS-CoV-2. (d) Einführung von zwei auf RCA basierenden Tests. (1) Allgemeiner RCA-Test (RCA-FL) mit Fluoreszenzdetektion mithilfe eines PCR-Geräts und (2) Schnelltest (RCA-Flow) mithilfe der DNA-Hydrogelbildung in mikrofluidischen Poren.

Das Vergleichsergebnis des Nukleinsäureprofils von zellfreier DNA (cfDNA), die aus menschlichem Plasma extrahiert wurde, und Nukleinsäure, die aus einem 3 Stunden lang getragenen Atemschutzgerät extrahiert wurde, ist in Abb. 2a dargestellt. Die cfDNA war zwischen 100 und 300 bp verteilt, die Respirator-Nukleinsäure war zwischen etwa 200 und 300 bp verteilt. Beim quantitativen Vergleich der Verteilung dieser Nukleinsäuren, wie in Abb. 2b dargestellt, waren die Nukleinsäuren außerdem hauptsächlich zwischen 100 und 270 bp verteilt, und die Konzentration der Respirator-Nukleinsäure lag nahe an der der aus Plasma extrahierten cfDNA. Daher wurde in gewissem Umfang die Methode zur Extraktion von Nukleinsäuren aus dem Beatmungsgerät etabliert. Wie in Abb. 2c gezeigt, stieg die Menge der extrahierten RNA fast linear mit der Tragedauer an, und die Menge der extrahierten DNA aus Atemschutzmasken, die länger als 3 Stunden getragen wurden, war sogar größer als die von Plasma. Wir empfehlen daher, Atemschutzmasken, die Patienten länger als 3 Stunden tragen, zu sammeln.

(a) Vergleich der Nukleinsäureprofile von aus Masken extrahierten Nukleinsäuren. (b) Quantitativer Vergleich der Verteilung von Nukleinsäuren (Nukleinsäuren sind hauptsächlich in der Nähe von 100–270 bp verteilt). (c) Messung (Menge) der gesammelten Nukleinsäurekonzentration entsprechend der Maskentragezeit. (d) Vergleich der Ct-Werte von Nukleinsäuren für die drei Haushaltsgene GAPDH, GUSB und RPLP0 in menschlichem Plasma und Maske. (e) Typische PCR-Ergebnisse aus einer klinischen Probe einer Maske, die von einem Patienten mit SAR-CoV-2-Infektion getragen wird.

In dieser Studie wurde RT-qPCR für drei Housekeeping-Gene (GAPDH, GUSB und RPLP0) verwendet und mit menschlichem Plasma verglichen, um die Extraktionsleistung und Anwendbarkeit von aus Beatmungsgeräten isolierten Nukleinsäuren zu bestätigen. Wie in Abb. 2d gezeigt, wurde für jedes Housekeeping-Gen der Ct-Wert der aus dem Beatmungsgerät isolierten Nukleinsäure auf einem Niveau gemessen, das fast dem von Plasma ähnelte; Somit konnten wir erneut die Extraktionsleistung der Nukleinsäure aus dem Beatmungsgerät bestätigen. Darüber hinaus haben wir bestätigt, dass eine ausreichende Menge an Nukleinsäure extrahiert wurde, um für die molekulare Diagnose verwendet zu werden. Abbildung 2e zeigt typische PCR-Ergebnisse, bei denen klinische Proben aus Beatmungsgeräten entnommen wurden, die von SAR-CoV-2-infizierten Patienten getragen wurden. Das interne Kontrollsignal wurde erstmals bei Zyklus 24.3 beobachtet, während die Signale für die RdRp-, N- und E-Gene bei den Zyklen 34.6, 37.1 bzw. 37.6 beobachtet wurden. Die aktuellen Ergebnisse für das Beatmungsgerät sind identisch mit den PCR-Ergebnissen für die NPS-Probe. Zusammenfassend bestätigen wir, dass die Virussammlung mittels Beatmungsgeräten möglich ist und für die Diagnose genutzt werden kann.

Wie in Abb. 3a dargestellt, nahm die Nukleinsäuremenge im Laufe der Zeit im Vergleich zur Nukleinsäuremenge am Tag der Entnahme ab. Zusätzlich wurden PCR-Tests am Zielgen anhand klinischer Proben durchgeführt, die an jedem Entnahmetag aus dem Beatmungsgerät entnommen wurden, um jeden Ct-Wert zu bestätigen. Wie in Abb. 3b dargestellt, stieg der Ct-Wert. Wie bei den quantitativen Ergebnissen nahm die Menge an Nukleinsäuren ab. Daher haben wir beobachtet, dass die Nukleinsäuremenge und die Nachweisleistung mit Ablauf des Entnahmedatums abnahmen, und wir schlussfolgerten, dass die Empfindlichkeit verbessert werden kann, wenn der Probenahmeplan so früh wie möglich ab dem Datum der bestätigten Virusinfektion erfolgt.

(a) Trendlinie der Menge an Nukleinsäuren in klinischen Proben, die aus Masken entnommen wurden, für jeden Sammeltag (n = 19). (b) Vergleich der Ct-Werte für Zielgene anhand klinischer Proben, die an jedem Sammeltag aus Masken entnommen wurden. (c) Vergleich der Menge der aus Rachenabstrichen, Speichel und Masken extrahierten Nukleinsäuren. (d) Vergleich der Ct-Werte für Zielgene unter Verwendung klinischer Proben, die aus verschiedenen Proben extrahiert wurden.

Die Mengen an Nukleinsäuren, die aus Rachenabstrichen, Speichel und Beatmungsgeräten extrahiert wurden, wurden jeweils verglichen. Wie in Abb. 3c dargestellt, betrugen die Mengen 94,6 ng/µL im Rachenabstrich, 104,9 ng/µL im Speichel und 124,0 ng/µL im Beatmungsgerät. Die hierfür verwendete Probe war die Probe am Tag der Entnahme und N = 3. Abbildung 3d zeigt den Ct-Wert, der durch Durchführung einer PCR am Zielgen unter Verwendung der aus jeder Probe extrahierten klinischen Probe erhalten wurde. Als Ergebnis betrugen die jeweiligen Ct-Werte 28,41, 29,46 und 30,95, was bestätigt, dass es je nach Probentyp keinen signifikanten Unterschied gab. Insgesamt können wir vorhersagen, dass sich die Leistung der Nukleinsäuresammlung mit dem Beatmungsgerät nicht wesentlich von der herkömmlichen Methode zur Probensammlung unterscheidet.

Wie in Tabelle 1 gezeigt, haben wir Experimente mit insgesamt 72 gepaarten Proben (NPS und Atemschutzmaske) durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Unter den 72 Proben wurden 50 positive Proben von Patienten gesammelt, die positiv auf SARS-CoV getestet wurden -2 mit einem PCR-Test vor ihrer Krankenhauseinweisung. Im Gegensatz dazu wurden 22 negative Proben von Patienten entnommen, die bereits aus Gründen, die nichts mit COVID-19 zu tun haben, ins Krankenhaus eingeliefert wurden und durch den PCR-Test als negativ bestätigt wurden. Von den 72 Krankenhauspatienten haben wir am ersten Tag nach dem Krankenhausaufenthalt zwei Arten von Proben gesammelt, nämlich NPS- und Beatmungsprobenproben. Wie in Tabelle 1 gezeigt, bestätigte die NPS-Probenahme in Kombination mit dem RT-PCR-Test, der als Referenzmethode zum Vergleich der diagnostischen Leistung von Beatmungsgeräten eingesetzt wurde, erneut 50 von 50 echten Positiven und 22 von 22 echten Negativen. Was die Tests der Atemschutzmaskenproben betrifft, so wurden von den 50 wirklich positiven Proben 45 als positiv identifiziert, und alle 22 wirklich negativen Proben wurden korrekt als negativ identifiziert. Folglich wurden die entsprechende Sensitivität und Spezifität mit 90 % bzw. 100 % berechnet.

Atemschutzmaskenproben wurden mit dem RT-PCR-Test und dem RCA-Flow bewertet, wie in Tabelle 2 aufgeführt. Es ist zu beachten, dass die in Tabelle 2 verwendeten Proben eine Teilmenge der in Tabelle 1 verwendeten Proben waren. TH-Ergebnisse der RT-PCR waren Wird als Referenz zur Bewertung der diagnostischen Leistung des RCA-Flow-Tests verwendet. Von den 26 positiven Ergebnissen der RT-PCR waren 24 positiv und 2 negativ im RCA-Flow-Test, während alle 22 negativen Ergebnisse der RT-PCR im RCA-Flow-Test negativ waren. Daher betrugen die Sensitivität und Spezifität zahlenmäßig 92,3 % bzw. 100 %. In der Literatur, die die Vergleichsanalyse und die klinische Leistung des Allplex 2019-nCoV-Echtzeit-PCR-Kits (Seegene, Seoul, Korea) und mehrerer RT-PCR-Kits bewertet, lag die Nachweisempfindlichkeit positiver Proben bei 92,8–95,9 %22. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die Leistung des RCA-Flow nicht wesentlich von den diagnostischen Ergebnissen der RT-PCR unterscheidet, wenn man bedenkt, dass es sich bei RCA-Flow um eine auf Point-of-Care-Tests basierende Diagnosetechnik handelt.

In dieser Studie wollten wir die Machbarkeit des Einsatzes von Atemschutzmasken als Werkzeug zur Virensammlung untersuchen, um das derzeit komplexe und umständliche Probensammlungsprotokoll zu vereinfachen. Es wurde festgestellt, dass die Empfindlichkeit des SARS-CoV-2-Nachweises anhand von Atemschutzmasken entnommenen Proben 90 % der Empfindlichkeit von Nasopharynx-Abstrichproben beträgt, die in dieser Studie als Benchmark verwendet wurden. Diese Ergebnisse unterscheiden sich von denen einer aktuellen Studie23, was auf Unterschiede in der Tragezeit der Atemschutzmaske und der Probengröße zurückzuführen sein könnte. Beispielsweise war die Tragedauer der Atemschutzmaske auf 30–60 Minuten begrenzt, während in unserer Studie mindestens 3 Stunden erforderlich waren. Wie in Abb. 2c dargestellt, stieg die Menge der extrahierten RNA nahezu linear mit der Tragedauer an. Darüber hinaus kann es zu Diskrepanzen zwischen den beiden Studien aufgrund von Unterschieden in der Probenentnahmezeit ab dem Datum der COVID-19-Erkennung gekommen sein24. Wie in Abb. 3a dargestellt, nimmt die aus der Atemschutzmaskenprobe extrahierte RNA-Menge mit der Zeit exponentiell ab. Im Laufe der Zeit steigen die PCR-Ct-Werte weiter an und können den diagnostischen Grenzwert überschreiten (Abb. 3b).

Ein wichtiges Merkmal von Atemschutzgeräten besteht darin, dass sie über längere Zeiträume einer großen Menge Atemluft ausgesetzt sind. Die Menge der pro Stunde einem Beatmungsgerät zugeführten Ausatemluft variiert von Person zu Person, beträgt im Ruhezustand jedoch durchschnittlich etwa 450 l. Bei einer Sammlung über einen Zeitraum von ca. 3 Stunden beläuft sich die Menge daher auf 1350 l. Im Gegensatz dazu liegt das maximale Luftvolumen, das mit Geräten auf einmal gesammelt werden kann, zwischen 0,2 und 3 l, was zu einer geringen Sensitivität bei der Identifizierung infizierter Patienten führen kann23. Darüber hinaus können Atemschutzgeräte eine große Menge an Viren einfangen, und diese Viruslast steigt bis zu 4 Stunden lang weiter an (Abb. 2b).

Diese Studie hat gezeigt, dass Atemwegsviren von infizierten Personen effektiv mit zertifizierten Atemschutzgeräten wie KF94 oder N95 gesammelt werden können. Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, wie wichtig persönliche Schutzausrüstung (PSA) zur Verhinderung der Ausbreitung infektiöser Viren und zur persönlichen Isolation ist. Obwohl in vielen Studien berichtet wurde, dass Atemschutzmasken Atemaerosole blockieren können2,8, bestätigte diese Studie die Ansammlung von Atemwegsviren in Atemschutzmasken. Mit anderen Worten: Das Atemwegsvirus, das durch die Atmung kontinuierlich an die Außenseite der infizierten Person abgegeben wird, kann mit dem Beatmungsgerät effektiv eingedämmt werden. Eine potenzielle Einschränkung dieser Studie ist jedoch das Risiko einer Maskenkontamination durch Teilnehmer oder externe Quellen während des An- und Ausziehvorgangs, was einen unbeabsichtigten Kontakt mit kontaminierten Händen einschließen kann. Das Risiko einer solchen Kontamination steigt mit längerer Maskennutzung (über 6 Stunden) und höheren Raten klinischer Kontakte25. Um dieses Risiko zu mindern, sollten Protokolle zur Dauer der Maskenverwendung eine maximale Zeit für die kontinuierliche Verwendung festlegen und Leitlinien berücksichtigen, die auf Einstellungen mit hohem Kontakt zugeschnitten sind.

In dieser Studie wurden jedoch mehrere Probleme bei der Probenahme von Atemschutzmasken identifiziert und die Entwicklung einer neuen Methode zur effizienten Extraktion viraler RNA aus verschiedenen Atemschutzmasken muss angegangen werden. Insbesondere wurden die Atemschutzmaskenproben mit anderen biologischen Flüssigkeiten wie Speichel, Schleim und Sputum, einschließlich NPS, verglichen, um die Einfang- und Extraktionsfähigkeit von Nukleinsäuren zu vergleichen. Durch den Vergleich mit klinisch nachweisbaren Proben haben wir eine weitere molekulardiagnostische Methode zur Virusdiagnose vorgeschlagen. Die Fähigkeit, Nukleinsäuren in Atemschutzfiltern nachzuweisen, ist in Zukunft eine Untersuchung wert, und eine Studie bestätigte, dass sie eine ausreichende Viruslast enthalten, um einen positiven Nachweis von SARS-CoV-2 in den Ergebnissen von Ausbreitungsexperimenten des Coronavirus auf Atemschutzfiltern zu ermöglichen20. Dies stimmte einigermaßen mit unseren Ergebnissen überein. Daher wird die direkte Sammlung und Erkennung von Viren aus Atemschutzmasken dringend empfohlen12.

Bei dieser Studie handelte es sich um eine Vorstudie mit klinischen Proben und es gab einige Einschränkungen. Was zunächst die Stichprobengröße betrifft, erkennen wir an, dass die Stichprobengröße relativ klein war. Diese Einschränkung war in erster Linie darauf zurückzuführen, dass die Studie in einem Spezialkrankenhaus mit Unterdrucksystemen durchgeführt wurde und wir uns auf Patienten konzentrierten, bei denen die Diagnose in externen COVID-19-Screeningzentren gestellt wurde. Dieser begrenzte Pool klinischer Patienten trug zur eingeschränkten Stichprobengröße bei. Darüber hinaus bestand eine weitere wesentliche Einschränkung in der Berücksichtigung des potenziellen Infektionsrisikos und der Übertragung bei der Probenentnahme und -vorbereitung, insbesondere beim Zugang zu den Spezialbereichen der Station. Um die Sicherheit der Teilnehmer zu gewährleisten, empfahl das Institutional Review Board (IRB) des Universitätsklinikums die Reduzierung groß angelegter klinischer Studien, was uns dazu veranlasste, innerhalb dieser Einschränkungen zu arbeiten. Folglich konnten wir insgesamt 50 klinische Proben in unsere Studie einbeziehen, nachdem wir alle nicht qualifizierten Proben ausgeschlossen hatten. Wichtig ist, dass diese Stichprobengröße mit der vorgegebenen Anzahl der vom IRB genehmigten Stichproben übereinstimmt. Zweitens wurde in dieser Studie nicht die Filtereffizienz von Masken bewertet, wie dies in anderen Studien der Fall war. Obwohl wir die Bedeutung solcher Bewertungen anerkennen, möchten wir klarstellen, dass sich unsere Forschung in erster Linie auf die Beurteilung der diagnostischen Leistung von Gesichtsmasken und nicht auf die Bewertung der Maskenfiltrationseffizienz konzentrierte. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass wir in unserem ursprünglichen Entwurf ausdrücklich die Verwendung von KF94- (oder N95-)zertifizierten Atemschutzmasken erwähnt haben, deren Filtereffizienz einer strengen Validierung unterzogen wurde. Darüber hinaus haben aktuelle Studien gezeigt, dass N95-zertifizierte Masken eine Filtereffizienz von 95 bis 99,2 % aufweisen7,26. Auf der Grundlage dieses Berichts bestätigen wir erneut, dass die meisten ausgeatmeten Viren von den N95-zertifizierten Masken, die wir in unserer Studie verwendet haben, erfasst würden.

Darüber hinaus ist die Bewertung der Effizienz der Viruspartikelextraktion aus der Maske ein entscheidender Aspekt unserer Studie. In den Zusatzinformationen haben wir zwei Methoden (Abb. S1 und S2) zur Extraktion viraler RNA aus Beatmungsgeräten ausführlich beschrieben und verglichen. Bei der in Abb. S1 beschriebenen Methode verwendeten wir eine 10-ml-Spritze, um die Maskenfilterschicht mit Trizol einzuschließen und so die Rückgewinnung von Coronavirus-Partikeln aus den Masken zu ermöglichen. Allerdings haben wir die Rückgewinnung von Viruspartikeln in Abb. S2a–d durch die Verwendung eines speziell entwickelten Spritzenzentrifugenröhrchens weiter verbessert. Dieses neue Protokoll zeigte einen moderaten Anstieg der Flüssigkeitsrückgewinnung, wie in Abb. S2e dargestellt. Wichtig ist, dass es eine signifikante Verbesserung der viralen RNA-Ausbeute zeigte, wie in Abb. S2f dargestellt. Wir glauben, dass die beobachtete Verbesserung der viralen RNA-Ausbeute auf die vorherrschende Oberflächenspannung in den Poren der Maskenfiltermembran zurückzuführen ist, ein Phänomen, das wir zuvor in unserer Forschung aufgeklärt haben27.

Noch wichtiger ist, dass RCA-Tests falsch positive Ergebnisse liefern können; Daher muss für eine genaue Diagnose eine spezifischere Zielbindung entwickelt werden. Derzeit laufen Verbesserungspläne und Verifizierungsexperimente. Wir werden die Ergebnisse bald veröffentlichen, um eine stabile Alternative vorzuschlagen. Darüber hinaus sind Sensitivität und Spezifität die entscheidenden Kriterien in der molekularen Diagnostik. Obwohl die Forschung noch in den Kinderschuhen steckt, stellt dieser innovative Ansatz einen erfrischenden Wendepunkt dar und liefert neue Erkenntnisse für die Zukunft.

Durch die vorliegende Studie konnten wir mehrere potenzielle zukünftige Richtungen für die Sammlung und Erkennung von Atemwegsviren identifizieren. Ein entscheidender Schwerpunkt liegt auf der Optimierung und Standardisierung von Maskenextraktionsprotokollen, um die Effizienz der Viruspartikelrückgewinnung zu verbessern. Dies würde die Erforschung innovativer Ansätze und Technologien zur Verbesserung der Erfassung und Rückgewinnung viraler RNA beinhalten, beispielsweise die Verwendung neuartiger Materialien für Maskenfilter. Ein vielversprechender Weg ist die Verwendung wasserlöslicher Polymermembranen, die die schnelle und einfache Extraktion von Viruspartikeln aus Maskenfiltern erleichtern könnten. Darüber hinaus birgt die Integration innovativer tragbarer Sensoren oder Soforterkennungsgeräte großes Potenzial. Beispielsweise könnte der RCA-Flow-Test als Beispiel für die Integration der RCA-Methode mit fortschrittlicher Mikrofluidik durch den Einbau elektrischer Biosensoren weiter verbessert werden. Diese Integration würde eine Echtzeit- und Vor-Ort-Erkennung direkt in einem Atemschutzgerät mit Gesichtsanschluss ermöglichen12,13. Die für den Nachweisprozess benötigte Flüssigkeit könnte durch den Einsatz superabsorbierender Polymere aus der ausgeatmeten Atemfeuchtigkeit gewonnen werden.

Alle in dieser Studie durchgeführten Verfahren, einschließlich menschlicher Teilnehmer, entsprachen den ethischen Standards institutioneller und/oder nationaler Forschungsräte sowie denen der Helsinki-Erklärung von 1964 und etwaiger späterer Überarbeitungen oder ähnlicher ethischer Standards. Das Studienprotokoll wurde von den Institutional Review Boards des Korea University Guro Hospital (Genehmigungsnummer: 2021GR0092) und des Konyang University Hospital (Genehmigungsnummer: KYUH 2020-12-018-003) genehmigt. Die in dieser Studie verwendeten Daten werden in den Zusatzinformationen beschrieben. Alle Experimente wurden in fünf Wiederholungen (n = 5) unter jeder Bedingung während der gesamten Studie durchgeführt.

Gesichtsbeatmungsgeräte wurden von Patienten mit SARS-CoV-2-Infektion gesammelt, die durch offizielle PCR-Tests im COVID-19 Lifestyle Treatment Center des Korea University Kuro Hospital und des Kongyang University Hospital identifiziert wurden. Von allen Patienten wurde eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt. Die Patienten wurden gebeten, bis zu 4 Stunden lang Atemschutzmasken zu tragen. Klinische Proben für das Experiment wurden von hospitalisierten Patienten (n = 72, männlich 40, Alter = 68,7 ± 12,7 Jahre) entnommen, darunter Personen, die positiv auf SARS-CoV-2 getestet wurden (n = 50), sowie Negativkontrollen (n =). 22), wie in Tabelle 1 dargestellt. Die Testübereinstimmung zwischen dem PCR-Test und dem RCA-Flow-Test wurde unter Verwendung derselben Maskenproben bewertet, wie in Tabelle 2 dargestellt. Aufgrund der erhöhten Anzahl von Tests (PCR vs. RCA-Flow-Test) flow) für die drei viralen Zielgene (R-, N-, RdRp-Gene) und die begrenzte Verfügbarkeit extrahierter Proben wurde die Gesamtzahl der positiven Proben auf 26 reduziert. Somit handelte es sich bei den in Tabelle 2 verwendeten Proben um eine Teilmenge von die in Tabelle 1 verwendeten Proben. Darüber hinaus wurden Maskenproben von 19 der 50 bestätigten SARS-CoV-2-Fälle an drei aufeinanderfolgenden Tagen (n = 19) erfolgreich gesammelt, wie in Abb. 3 dargestellt. Alle Atemschutzgeräte waren KF94-zertifiziert und zugelassen von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) sowie der koreanischen FDA. Diese Atemschutzmasken wurden sorgfältig in sterilisierten Plastiktüten gesammelt und sofort in einem Gefrierschrank bei –80 °C gelagert. Proben, die die Ausschlusskriterien nicht erfüllten, wurden von dieser Studie ausgeschlossen. Die Ausschlusskriterien für die Probenentnahme und -lagerung lauten wie folgt: (1) Wenn die Atemschutzmaske nicht von einem bestätigten COVID-19-Patienten getragen wurde; (2) Die Atemschutzmaske wurde nicht ausreichend lange getragen (t > 4 h); (3) Die Lagertemperatur (< 80 °C) wurde nach der Probenentnahme nicht eingehalten.

Abbildung 1b zeigt den Prozess der Extraktion viraler RNA aus einem Beatmungsgerät. Um SARS-CoV-2 zu identifizieren, haben wir vier Zielgene übernommen: die Gene N, E, RdRp und ORF1ab (Abb. 1c). Diese Zielgene werden in vielen kommerziell erhältlichen Tests verwendet. Beispielsweise wurden kommerzielle PCR-Reagenzien von Seegen bezogen. Die Reagenzien waren für die N-, E- und RdRp-Gene als Zielgene bestimmt. Wie in Abb. 1d gezeigt, haben wir zwei zusätzliche Tests übernommen, die auf RCA-FL- und RCA-Flow-Tests basieren. Der RCA-FL-Test ist ein gängiger RCA-Test mit Fluoreszenzdetektion mithilfe eines PCR-Geräts, und der RCA-Flow ist ein Schnelltest, bei dem die DNA-Hydrogelbildung in Mikrofluidporen genutzt wird19. KF94 ist bei der Blockierung von SARS-CoV-2-Partikeln mindestens so gut wie N95, da die Zahl 94 die Filtrationseffizienz angibt. Bevor wir die Atemschutzmasken von Patienten untersuchten, untersuchten wir die Auswirkung der Tragezeit der Atemschutzmasken auf die Menge der aus den Atemschutzmasken gesunder Kontrollpersonen gesammelten Nukleinsäuren. Beachten Sie, dass die ausgeatmete Luft verschiedene Substanzen wie DNA, RNA, Exosomen und verschiedene flüchtige organische Verbindungen enthält28.

Zellfreie DNA (cfDNA) ist eine Untergruppe der im Plasma zirkulierenden extrazellulären DNA, die hauptsächlich durch Apoptose, Nekrose und aktive Sekretion aus Zellen freigesetzt wird. cfDNA hat ein einzigartiges Potenzial als Biomarker für Krebspatienten oder im Bereich der Schwangerschaftsvorsorge. Die extrahierte cfDNA wurde mit den Methoden des TapeStation-Systems quantifiziert. Jüngste Studien haben zirkulierende cfDNA im Plasma von Patienten mit verschiedenen Krebsarten nachgewiesen. Die Größenverteilung der cfDNA war im Plasma von Krebspatienten und gesunden Spendern mit einer durchschnittlichen Größe von 150–200 bp20 größtenteils ähnlich. Das TapeStation-System ist ein etabliertes automatisiertes Elektrophorese-Tool für die Qualitätskontrolle von DNA- und RNA-Proben und kann durch eine vollautomatische Probenverarbeitung eine unbeaufsichtigte Analyse von Größe, Konzentration und Integrität durchführen. Es bietet eine Komplettlösung für eine echte End-to-End-Probenqualitätskontrolle innerhalb jedes Next-Generation-Sequencing- (NGS) oder Biobank-Workflows und eignet sich gut für die Qualitätskontrolle von DNA-Proben, die aus klinischen Daten abgeleitet werden.

Der Prozess der RNA-Extraktion aus dem Beatmungsgerät ist wie folgt. Der äußere Teil der gesammelten Maske wurde zugeschnitten, um den inneren Elektretfilter zu entnehmen, der anschließend in die Abmessungen 50 mm × 50 mm geschnitten wurde. Dann wurde das geschnittene Atemschutzgerät in 5 ml Trizol gegeben, 10 Minuten bei Raumtemperatur (24 °C) inkubiert und gedreht. Anschließend wurde die gesamte Lösung mithilfe einer Ultrazentrifuge aus dem Beatmungsgerät abgelassen. Anschließend 200 µL Chloroform in 1,5-ml-Röhrchen abgeben. Fügen Sie 1 ml der aus dem Atemschutzgerät extrahierten Mischung hinzu. Die Mischung wurde 15 s gerührt und 5 min bei Raumtemperatur inkubiert. Nach 10-minütiger Zentrifugation bei 12.000 × g und 4 °C wurde nur der klare Überstand isoliert. Mischen Sie 500 µL Isopropanol mit dem Überstand, rühren Sie die Mischung um und inkubieren Sie sie 10 Minuten lang bei Raumtemperatur. Zentrifugieren Sie die Proben erneut 10 Minuten lang bei 12.000 × g und 4 °C und entfernen Sie dann den Überstand. Der weitere Prozess war derselbe wie beim herkömmlichen. Nach Zugabe von 1 ml 75 %igem Ethanol zu der RNA, von der der Überstand entfernt wurde, wurde die Mischung gerührt und eine Zentrifugation bei 7500 × g, 4 °C für 5 Minuten durchgeführt, und dann wurde der Überstand (Ethanol) entfernt und je nach Probe zweimal gewaschen. Als nächstes wurde der Deckel der Mischung geöffnet und 5–10 Minuten lang getrocknet (um Ethanol vollständig zu entfernen). Schließlich wurde die Mischung nach der Abgabe und Pipettierung von 15 µL RNase-freiem Wasser (DW) 10 Minuten lang bei 65 °C auf einem Heizblock inkubiert, gefolgt von einer 2-minütigen Inkubation auf Eis, um RNA zu extrahieren. Nachdem die RNA aus dem Atemschutzgerät zur Virensammlung extrahiert worden war, wurde sie mit Nanotropfen quantifiziert und die Fragmentgrößenverteilung mit einem 4200 TapeStation Instrument (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA) bewertet.

In dieser Studie haben wir ein kommerzielles SARS-CoV-2-Nachweiskit (Allplex™ SARS-CoV-2 Assay, Seegene, Seoul, Korea) erworben, das von der FDA als COVID-19-Diagnose-Reagenzbox für den Notfallgebrauch zugelassen wurde. Bei diesem Produkt handelt es sich um ein Echtzeit-Genamplifikations-(RT-PCR)-COVID-19-Diagnosekit, das drei Zielgene (E, RdRp, N) erkennt, um eine SARS-CoV-2-Infektion zu bestätigen. In Südkorea wurde es vom Ministerium für Lebensmittel- und Arzneimittelsicherheit für den Notfallgebrauch zugelassen. Die allelspezifische Amplifikation wurde mit einem Echtzeit-PCR-System (CFX96 Touch™ Real-Time PCR, Bio-Rad) wie folgt durchgeführt: Zunächst wurde ein Reaktions-Mastermix hergestellt. Der Master-Mix enthält 5 μl SARS2 MOM, 5 μl EM85 und 5 μl RNase-freies Wasser für ein Gesamtvolumen von 15 μl Master-Mix. Die Gesamtmenge jedes benötigten Reagenzes wird basierend auf der Anzahl der Reaktionen, einschließlich Proben und Kontrollen, berechnet. Mastermix kurz vortexen und zentrifugieren; 15 μl Reaktionsstamm in 0,1-ml-Röhrchen mit 8 Röhrchen geben (MicroAmp™ Fast 8-Tube Strip, 0,1 ml, Applied Biosystems™); Geben Sie 5 μl Nukleinsäure von jeder Probe in das Röhrchen mit dem Reaktionsmastermix. Schließen Sie die 8-Streifen-Kappe (MicroAmp™ Optical 8-Tube Cap Strip, Applied Biosystems™) und zentrifugieren Sie das PCR-Röhrchen kurz. Die Flüssigkeit mit allen PCR-Komponenten befindet sich am Boden jedes PCR-Röhrchens.

Das thermische Profil wurde wie folgt aufgebaut: 20-Minuten-Zyklen bei 50 °C, 15-Minuten-Zyklen bei 95 °C, dann 45 Zyklen bei 95 °C für 10 Sekunden, 60 °C für 15 Sekunden und schließlich 72 °C für 10 Sekunden S. Die Daten wurden mit der Bio-Rad CFX Maestro-Software analysiert, wobei der Zyklusschwellenwert (Ct) auf 200 eingestellt war.

Ein integriertes Mikrofluidiksystem und seine Detektionsergebnisse sind in Abb. 4 dargestellt. Das Mikrofluidiksystem kann alleine ohne jegliche Ausrüstung wie eine Spritzenpumpe oder Verbindungsschläuche betrieben werden. Da der Flüssigkeitsstand in der Probenkammer höher ist als der Flüssigkeitsstand in der anderen Kammer, wird der Fluss durch die Schwerkraft angetrieben, indem er die Gummiabdeckung durchsticht. Wenn jedoch ein Zielpathogen wie SARS-CoV-2 in der Probe vorhanden ist, entsteht ein Hydrogel, das die Mikroporen im Gitter verstopft29. Aufgrund der geringen Größe der Mikroporen im Nylonnetz (ca. 1 µm) werden diese Mikroporen durch die DNA-Verschränkung im RCA-Prozess schnell blockiert. Abbildung 4c und d zeigen SEM-Bilder von Nylonnetzen in hoher Vergrößerung, während Abb. 4f ein Foto des Hydrogels zeigt, das durch RCA-Reaktion mit RNA aus klinischen Atemschutzprobenproben gebildet wurde. Bemerkenswert ist, dass es in Abwesenheit von Krankheitserregern zu einem natürlichen Fluss aufgrund der Schwerkraft kam und wiederholte Tests einen sehr guten Variationskoeffizienten (< 5 %) für die Migrationszeiten ergaben.

(a) Schematische Darstellung des RCA-Flusses mit Mikrofluidik; (b) detailliertes Foto eines Reagenzglases, das mit einem Nylonnetz an die Viruserkennungseinheit des Mikrofluidikchips gekoppelt ist; (c) und (d) sind stark vergrößerte REM-Aufnahmen des Nylonnetzes mit Mikroporen; (e) schematische Darstellung von RCA auf einer Nylonnetzoberfläche; (f) Foto eines Hydrogels, das durch RCA-Reaktion mit RNA aus einer klinischen Maskenprobe gebildet wurde; (g) Negativkontrolle für den SAR-CoV-2-Erreger mithilfe eines Mikrofluidik-Chips; (h) Positivkontrolle für SAR-CoV-2-bestätigte Patienten unter Verwendung eines Mikrofluidik-Chips.

Um den SARS-CoV-2-Nachweis anhand klinischer Proben zu bestätigen, haben wir die molekulardiagnostischen Ergebnisse mit der RCA-Methode verglichen. In das Mikrofluidik-Kit wurden jeweils Röhrchen mit befestigtem, mit einem Primer verbundenem Nylonnetz eingesetzt. Dies kann durch die Informationen in unserer vorherigen Studie14 bestätigt werden. Darüber hinaus wurde eine Nukleinsäureprobe aus einem Beatmungsgerät einer normalen Person als Negativkontrolle bezeichnet. Der Flussweg durch das normale Beatmungsgerät (Negativkontrolle) wurde bei einer spezifischen Inkubationszeit von 30 Minuten nicht vollständig blockiert, indem ein spezifischer COVID-19-Erreger einzeln in den Einlass beider Mikrofluidik-Kits platziert wurde, um einen schnellen Durchfluss (~ 17 s) zu erreichen das Reagenzglas (Abb. 4g). Allerdings war der Flussweg, durch den die klinische Probe eines bestätigten Corona-Patienten durch das mit Primer gebundene Nylonnetz strömte, vollständig blockiert und es fand kein Fluss auf dem gesamten Weg durch das Reagenzglas statt (Abb. 4h).

Für den RCA-Flusstest wurde das in unserer aktuellen Studie entwickelte Mikrofluidiksystem eingesetzt20,21. Das System besteht aus einer Probenkammer, einem Glasrohr, einem Nylonnetz mit Vorhängeschloss-Sonde und einer Abfallkammer mit Gummiabdeckung. Da die Abfallkammer mit einer Gummikappe verschlossen ist, kann die in die Probenkammer geladene Probe nicht durch das Röhrchen fließen. Wenn die Gummikappe mit der Atmosphäre verbunden ist, wird die Probenflüssigkeit aufgrund des erhöhten hydrostatischen Drucks in der Probenkammer in die Abfallkammer gedrückt. Bei diesem RCA-Flusstest verwenden wir ein sehr dünnes Gitter, auf dem befestigte Vorhängeschlosssonden das Zielgen einfangen. Die Hybridisierung erfolgt, wenn die Sonde auf den Zielpathogen trifft. Die geöffnete Vorhängeschlosssonde wird mit Ligase (T4-Ligase, 12,5 μM) ligiert, um eine geschlossene Schleife zu bilden, die dann mit dem RCA-Prozess fortfahren kann. Im Laufe der Zeit wird beim RCA-Prozess komplementäre einzelsträngige DNA mithilfe der Bst 3.0-DNA-Polymerase in eine Hantelform verlängert. Aufgrund der hantelförmigen Matrize neigt amplifizierte lange DNA dazu, sich leicht zu verschränken, mit benachbarter DNA zu aggregieren und DNA-Gele zu bilden. Dadurch verstopft das Hydrogel die Mikroporen des Netzes teilweise oder vollständig; Je nachdem, wie stark das Hydrogel die Mikroporen verstopft, kommt es daher zu einer Flussverzögerung oder zu keinem Fluss. Detaillierte Informationen finden Sie in unseren früheren Artikeln20,21.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

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Diese Forschung wurde durch einen von der koreanischen Regierung finanzierten Zuschuss der National Research Foundation of Korea (NRF), MSIP (RS-2023-00207833), unterstützt.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Hwang-soo Kim und Hansol Lee.

Abteilung für Mikro-Nano-Systemtechnik, Korea University, Seoul, 02841, Republik Korea

Hwang-soo Kim & Sehyun Shin

Asia Pacific Influenza Institute, Korea University College of Medicine, Seoul, 08308, Republik Korea

Hansol Lee

Abteilung für Infektionskrankheiten, Abteilung für Innere Medizin, Konyang University Hospital, Daejeon, 35365, Republik Korea

Seonghui Kang

Abteilung für Infektionskrankheiten, Abteilung für Innere Medizin, Korea University College of Medicine, Seoul, 08308, Republik Korea

Woo Joo Kim

School of Mechanical Engineering, Korea University, Seoul, 02841, Republik Korea

Sehyun Shin

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WJK und SS initiierten die Forschung. HL und HK führten die Experimente durch und analysierten die Daten mit Unterstützung von SKHK und S. S schrieb das Manuskript mit Unterstützung von WJK. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse.

Korrespondenz mit Woo Joo Kim oder Sehyun Shin.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Kim, Hs., Lee, H., Kang, S. et al. Diagnostische Leistung von Beatmungsgeräten zur Sammlung und Erkennung von SARS-CoV-2. Sci Rep 13, 13277 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39789-w

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Eingegangen: 4. April 2023

Angenommen: 31. Juli 2023

Veröffentlicht: 15. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39789-w

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