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Corona-Tests: Was wird eigentlich wirklich gemessen?

(Bild: iStock, 1208161559/jarun011)

PCR-Tests, Antikörpertests und Antigentests sind Begriffe, mit denen man seit dem Ausbruch des neuartigen Coronavirus nahezu täglich konfrontiert ist. Durch die steigenden Fallzahlen der letzten Wochen werden immer wieder die Forderungen nach „mehr Tests“ und „schnelleren Tests“ laut, während andere Stimmen an der Aussagekraft der Tests zweifeln. Was genau soll man nun aber „mehr“ und „schneller“ messen und welche Aussagen kann man mit den gängigen Corona-Tests wirklich treffen? 

Egal auf welcher Methode die verwendeten Corona-Tests basieren, sollten sie im Grunde genommen drei Fragen klären: Ist eine Person mit SARS-CoV-2 infiziert? Ist eine Person für Kontaktpersonen ansteckend? Ist eine Person bereits gegen SARS-CoV-2 immun?

Hauptsächlich werden zurzeit PCR-Tests und Antikörpers Tests verwendet, um diese Fragen zu beantworten. Allerdings gibt es Verwirrung und Diskussionen, ob die gestellten Fragen mit den zur Verfügung stehenden Tests überhaupt zufriedenstellend geklärt werden können. Um der Verwirrung entgegenzutreten, muss zuerst verstanden werden, wie die verwendeten Testmethoden funktionieren, was gemessen wird und was das im Zusammenhang mit COVID-19 bedeutet. 

Während die sogenannten PCR-Tests oder RT-PCR-Tests früher hauptsächlich Wissenschaftlern ein Begriff war, sind die sogenannten „Real-Time- Polymerase Chain Reaction“-Tests oder zu Deutsch „Echtzeit Polymerase-Kettenreaktion“-Tests nun in aller Munde.

PCR-Tests sind keine spezifische Methode, um ein bestimmtes Virus zu detektieren (messen), sondern eine Vervielfältigungsmethode. Einfach zusammengefasst wird Erbgutmaterial, egal welcher Spezies, isoliert und so lange vermehrt, bis es in ausreichend großen Mengen vorhanden ist, um es mit verfügbaren Analysemethoden weiter untersuchen zu können. 

Im Falle eines Virus ist das Vorgehen kurz zusammengefasst, wie folgt: Man isoliert RNA, also das Erbgut des Virus, wandelt dieses in DNA um und vermehrt dann spezifische Teile der DNA in so vielen Zyklen wie notwendig. Ist die erhaltene Menge groß genug, kann sie mittels Fluoreszenz detektiert werden. Die genauen Schritte bei einem PCR-Test werden in diesem Video erklärt: https://youtu.be/xcYuyuL6-yw

Generell gelten PCR-Tests als sehr verlässlich und können selbst kleinste Mengen einer ursprünglichen DNA nachweisen. Allerdings ist die Testmethode zeitaufwendig (drei bis fünf Stunden Testdauer), kann nur in speziellen Labors mit notwendigem Equipment durchgeführt werden und die Tests sind dementsprechend teuer. 

PCR-Tests für COVID-19

Bereits am 17. Januar 2020 veröffentlichte die Weltgesundheitsorganisation (WHO) eine Empfehlung für Labore, das neuartige Coronavirus mittels PCR-Tests nachzuweisen. Grundlage dieser Empfehlung war ein Protokoll, welches das Team um Virologen Professor Christian Drosten Anfang Jänner entwickelt hat. Berufen wurde sich dabei auch auf Erfahrungen aus der SARS-Epidemie im Jahr 2002/2003, wo ebenfalls PCR-Tests zum Nachweis des Virus eingesetzt wurden. 

Was wird gemessen?

Das Ergebnis eines Corona-PCR-Tests ist die Aussage, ob in einer Probe bestimmte Sequenzen des SARS-CoV-2 Virus enthalten sind. Diese „Ja oder Nein“- Frage kann mittels PCR-Tests normalerweise verlässlich geklärt werden. 

Ob das Virus ursprünglich jedoch in so großen Mengen vorhanden ist, um die Testperson zu infizieren oder um auch noch andere Personen anzustecken, ist eine andere, vieldiskutierte Frage. 

Der Erfinder des PCR-Tests, der US-amerikanische Biochemiker und Nobelpreisgewinner Professor Kary Mullis, soll laut einem Blogeintrag von 1996 zu den Viruslast-Tests, bei denen versucht wird, die PCR zur Zählung der Viren zu verwenden, gesagt haben, dass eine „Quantitative PCR ein Oxymoron ist“ – also ein Widerspruch in sich. Die ursprünglich gedachte Anwendung von PCR war die Vervielfältigung von Erbgut zur weiteren Analyse oder die Feststellung, ob eine bestimmte DNA- Sequenz in einer Probe vorhanden ist oder nicht. 

In dem Blogartikel schreibt der umstrittene Harvard-Journalist und Schriftsteller John Lauritsen über PCR-Tests: „Obwohl es ein verbreitetes Missverständnis ist, dass der Viruslast-Test tatsächlich die Anzahl der Viren im Blut misst, können diese Tests keine freien infektiösen Viren nachweisen.“ 

Das heißt also: Die Intensität der gemessenen Fluoreszenz am Ende des PCR-Tests kann nicht über die ursprüngliche Virenlast aussagen. Das bedeutet, es kann nicht mit Sicherheit gesagt werden, ob der Patient infiziert oder ansteckend ist. 

Dies liegt daran, dass die Intensität der Fluoreszenz – wenn das Virus in der Probe vorhanden ist – direkt von der Anzahl der durchgeführten Zyklen abhängt, welche bis vor kurzem nicht einheitlich geregelt waren. Dieser Einschränkung wird mittlerweile durch das Einbeziehen des „CT-Wertes“ entgegengewirkt. 

Wichtiger Zusatz: CT-Wert

Der CT-Wert (Cyclethreshold-Wert) gibt an, ab welchem Messzyklus ein positiver Nachweis des Virus erfolgt ist. Also, wie oft die Bruchstücke des Viruserbguts vermehrt werden mussten, damit man sie nachweisen konnte. Das bedeutet, je niedriger der CT-Wert, je weniger Zyklen notwendig waren, desto mehr Viren müssen in der Anfangsprobe vorhanden gewesen sein. Umgekehrt, je höher der CT-Wert, desto weniger Viren waren in der Probe. 

Zurzeit wurde der experimentell ermittelte kritische Grenzwert auf 30 Zyklen festgelegt. Bei über 30 Zyklen geht man von einer geringen Viruslast, bei mehr als 35 Zyklen sogar von einer sehr geringen Viruslast aus. 

Die „Gretchen-Frage“: Welche Virusmenge ist notwendig, um sich zu infizieren? 

Um wirklich eine Aussage über die Virusmenge machen zu können und eine mögliche Infektion oder Ansteckungsgefahr einschätzen zu können, sollte also bei jedem positiven PCR-Test ein CT-Wert dazu angegeben werden. 

Allerdings gibt es immer noch die Frage, welche Virusmenge überhaupt notwendig ist, um sich zu infizieren? 

Der menschliche Körper kommt tagtäglich mit vielen verschiedenen Krankheitserregern in Kontakt, vor allem in der Wintersaison. Allerdings wird man nicht immer sofort krank. Dies hängt einerseits von den Eigenschaften des Virus und andererseits sehr stark vom individuellen Immunsystem ab. 

Ist das Immunsystem stark genug, kommt es üblicherweise zu keiner Infektion. Jedoch gibt es Viren, wie beispielsweise HIV, von denen Fälle bekannt sind, in denen bereits ein einziges Virus eine Infektion auslösen konnte. Bei Influenza A, einem speziellen Stamm des Grippevirus, soll dieser Wert zwischen 10 bis 100 Viren liegen. 

Wie groß muss also die Viruskonzentration sein, damit überhaupt die Gefahr einer Ansteckung mit COVID-19 besteht? Zu dieser Frage gibt es bisher noch nicht viele Studien. Allerdings machten österreichische Forscher gemeinsam mit der Harvard Universität den Anfang bei der Beantwortung dieser Frage mit einer Studie an 548 infizierten Personen mit COVID-19 Symptomen in Österreich. 

Dabei stellte das Forscherteam folgendes fest: 514 einzelne Viren sind im Durchschnitt notwendig, um eine Infektion auszulösen – jedoch reicht die Spannweite an individuellen Fällen von drei bis über 5000 Viren. 

Warum diese Verteilung so breit ist und Werte bei verschiedenen Patienten ungeachtet ihres Alters und Geschlechts so unterschiedlich sind, ist bisher noch nicht wissenschaftlich geklärt. 

Klar ist jedoch, dass die Entwicklung eines standardisierten Testverfahrens zur eindeutigen Infektionsfeststellung durch diese hohe Spannweite der Virenmenge, die eine Infektion erst auslöst, schwierig wird. 

(Bild: iStock, 1224215386/AnnaStills)

Antikörper-Tests

Eine andere interessante Frage ist, ob eine Person gerade eine Infektion durchmacht oder bereits mit SARS-CoV-2 infiziert war und dabei eine gewisse Immunität entwickelt hat. 

Dafür eignet sich der serologische Nachweis von Antikörpern. Diese werden bei Viruserkrankungen als Immunantwort vom körpereigenen Immunsystem gebildet. Um Antikörper nachweisen zu können, gibt es mehrere verwendete Testmethoden. Am häufigsten werden ELISA-basierte Verfahren genutzt, aber es gibt auch Schnelltests wie immunochromatografische Lateral-Flow-Kassettentests.

ELISA-Tests basieren auf meist rekombinant (künstlich) hergestellten SARS-CoV-2-Antigen-beschichteten Mikrotiterplatten. Je nach verwendetem Test können Antikörper der Klassen IgA, IgM und IgG nachgewiesen werden. Die Tests sind spezifisch gegen bestimmte Virusteile gerichtet (S1- und/oder S2-Domäne des Spike-Proteins (S-Protein) oder gegen das Nucleocapsid-Protein (N-Protein).

Sie sind die genauesten Antikörpertests, allerdings ähnlich wie PCR-Tests, auch relativ aufwändig durchzuführen. Daher, obwohl die Methode billiger als PCR ist, eignet sich auch die ELISA-Testvariante nicht als Schnelltest. 

ELISA- Tests ermöglichen die Aussage, ob Antikörper vorhanden sind und, wenn man einen passenden Vergleich hat, auch in welcher Konzentration. 

Zurzeit geht man laut verschiedenen Studien [1,23] davon aus, dass Antikörpertests möglicherweise auch geeignet sind, um den Verlauf einer COVID-19 Infektion zu untersuchen. Allerdings sind sie vor allem in der Anfangsphase einer Infektion sehr ungenau. 

Studien [12] deuten darauf hin, dass IgM und IgA Antikörper bereits in den Tagen nach Symptombeginn nachgewiesen werden können. Allerdings liegt die Wahrscheinlichkeit für ein korrekt positives Ergebnis (Sensitivität – genaue Begriffserklärung weiter unten) für ELSIA-Tests zwischen Tag 1-7 bei weniger als 30 Prozent. Erst im weiteren Verlauf von Tag 8 bis Tag 14 kann man die IgM und IgA Antikörper mit einer Sensitivität von 75 Prozent nachweisen und IgG mit 55 Prozent. In der dritten Woche nach dem Beginn der Krankheitssymptome liegt die Sensitivität für IgM schließlich bei über 94 Prozent, für IgG bei knapp 80 Prozent. 

Diese Werte zeigen, dass eine Infektion vor allem in ihrer Frühphase leicht übersehen werden kann. Deshalb werden, besonders wenn man (noch) keine Symptome hat, PCR-Tests empfohlen. Ist die Infektion allerdings weiter fortgeschritten, steigt die Wahrscheinlichkeit, mit Antikörpertests ein korrekt positives Ergebnis zu erhalten. 

Da man davon ausgeht, dass Patienten in den späteren Phasen der Infektion am ansteckendsten sind, könnten Antikörpertests vor allem in dieser Phase einen Beitrag leisten.

Problematisch ist jedoch vor allem in der Winterzeit, dass die Tests zum Teil eine gewisse Kreuzreaktivität gegenüber anderen Coronaviren haben. Zwei davon sind HCoV-OC43 – eines der Viren, die beim Menschen eine normale Erkältung auslösen können und HCoV-HKU1- welches Lungenentzündung oder Bronchitis auslöst. Somit besteht die Möglichkeit, falsch positive Ergebnisse auf SARS-CoV-2 zu erhalten. 

Schnelltests – ein Analyse-Lichtblick?

Um IgM und/oder IgG-Antikörper im Serum, Plasma oder Blut nachzuweisen, gibt es mittlerweile auch Schnelltests, bei denen ein Ergebnis innerhalb von 15 Minuten vorliegt. 

Eine weitere Schnelltest-Variante stellen sogenannte Antigen-Tests dar. Diese weisen ein SARS-CoV-2-spezifisches Antigen im Untersuchungsmaterial der oberen Atemwege nach. In den Tests werden häufig monoklonale (künstliche) Antikörper verwendet, die gegen das N-Protein und/oder die S1-Domäne des S-Proteins gerichtet sind.

Sie sind verhältnismäßig billig, einfach durchzuführen und auszulesen. Die breite Anwendung solcher Tests in Apotheken oder Schulen wird schon länger diskutiert. Auch das „Poolen“ (Zusammenschütten) von mehreren Proben ist dabei möglich.

Eine Überlegung wäre beispielsweise in einer Klasse mit 20 Kindern jeweils 10 Proben zu „poolen“ und dann zwei Antigen-Tests durchzuführen. Gibt es bei beiden ein negatives Ergebnis, hat man mit wenig Aufwand und Kosten die ganze Klasse getestet. Gibt es ein positives Ergebnis, könnte man die zehn Schüler der „positiven“ Gruppe dann einzeln testen oder sie bei zu wenig Testmöglichkeiten vorsorglich in Quarantäne schicken. 

Da Antikörper auch eine gewisse Zeit im Körper erhalten bleiben (wie lange, ist von Erkrankung zu Erkrankung unterschiedlich und bei COVID-19 noch nicht geklärt), kann man die Tests nutzen, um nachträglich zu sehen, wer infiziert war und dadurch zum Messzeitpunkt „Immunität“ hat. Studien über Langzeitimmunität, die über drei Monate hinausgehen, sind bei COVID-19 zurzeit noch nicht vorhanden.

Doch auch bei diesem Test sind Kreuzreaktionen mit denselben Viren wie bei ELISA-Tests möglich. Zudem haben sie von allen erwähnten Tests die niedrigste Sensitivität.

(Bild: iStock, 1204897738/anyaivanova)

Ohne Statistik keine klare Aussage: Sensitivität und Spezifität

Wichtige Begriffe, die bisher noch nicht erklärt wurden, sind Sensitivität und Spezifität. Sie sind aber sehr wichtig, denn ohne ein bisschen Statistik in die Ergebnisse mit einzubeziehen, lässt sich eigentlich gar keine Aussage über das Ergebnis treffen. 

Jeder Test, egal welche Methode, macht nur Sinn, wenn dieser richtig positiv oder richtig negativ ist. Kommen viele falsch positive oder falsch negative Ergebnisse vor, landen gesunde Menschen in Quarantäne und erkrankte Menschen wissen nichts von ihrer COVID-19 Infektion und können weiterhin unbewusst andere Menschen anstecken.

Die Frage, wie verlässlich ein Test ist, wird im wissenschaftlichen Bereich mit der „Sensitivität“ und „Spezifität“ eingestuft.

Die grundlegenden Voraussetzungen, um ein korrektes Ergebnis zu erhalten, sind natürlich die richtige Probenentnahme, die richtige Durchführung aller Arbeitsschritte im Labor und dass alle verwendeten Geräte richtig funktioniert haben. 

Aber selbst wenn alle diese Punkte richtig gemacht wurden, kann der Test in „manchen Fällen“ trotzdem falsch sein. Und genau diese „manche Fälle“ will man durch die Kenntnis der Sensitivität und Spezifität der Tests einschätzen können.

Wie verlässlich sind die Tests?

Die Sensitivität gibt an, wie sicher man mit einer Testmethode ein korrekt positives Ergebnis erhält. Je höher die Sensitivität ist, desto genauer kann ein Test eine infizierte Person als korrekt positiv erkennen. Umgekehrt gesagt, je höher die Sensitivität, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine infizierte Person ein negatives Ergebnis erhält und man die Infektion übersieht. 

Die Spezifität hingegen gibt an, mit welcher Sicherheit man eine nicht infizierte Person als korrekt negativ erkennt. 

So weit, so einfach. Jedoch hängt die Verlässlichkeit der Tests auch von der Prävalenz – also der Häufigkeit der Krankheit ab. Diese wird zurzeit für COVID-19 mit 1 Prozent geschätzt. Denn bei einer häufig vorkommenden Erkrankung ist die Wahrscheinlichkeit, positiv getestet zu werden, im Allgemeinen höher. 

Wenn also die Prävalenz mit eingerechnet wird, kann man die noch aussagekräftigeren Werte PPW und NPW ermitteln. PPW (Positiv Prädiktiver Wert) ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein positives Testergebnis wirklich korrekt ist und NPW (Negativ Prädiktiver Wert) ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein negatives Testergebnis wirklich korrekt ist. 

Bei PCR-Tests ist die Spezifität mit nahezu 100 Prozent angegeben, ein negatives Testergebnis ist somit sehr verlässlich. Die Sensitivität wird jedoch ein wenig niedriger, zwischen 95 und 96 Prozent angegeben, wodurch sich bei 10.000 getesteten Menschen ein PPW-Wert von 90,4 Prozent ergibt. Also wenn man ein positives Testergebnis erhält, kann man mit 90,4-prozentiger Sicherheit sagen, dass in der Probe Erbgut von SARS-CoV-2 enthalten war.

Ist die Sensitivität jedoch geringer, beispielsweise bei 94 oder 95 Prozent, wie bei den meisten Antikörpertests, ergibt dies einen PPW-Wert um die 42 Prozent. Also ist hier der positive Nachweis nur noch weniger als zur Hälfte sicher. Daher sind mehrfache Tests sinnvoll, um ein positives Ergebnis wirklich mit Sicherheit bestätigen zu können.

Die genauen Rechenwege für die Beispiele sind hier erklärt und zusammengefasst:  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7225716/

Umgekehrt ist es jedoch bei negativen Ergebnissen. Der NPW Wert liegt bei allen gängigen Testmethoden in einem hohen Bereich. Ist man also negativ, kann man darauf mit über 90-prozentiger Wahrscheinlichkeit darauf vertrauen. 

Allerdings muss man bedenken, dass Antikörper erst im Laufe einer Infektion gebildet werden und daher die Tests oft erst Tage später positiv werden. 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass „mehr“ Tests und „schnellere“ Tests nicht unbedingt die Antwort sind, um die Infektionszahlen richtig festzustellen. Wenn man sich die Testverfahren und die statistischen Werte ansieht, würden vor allem „häufigere“ Tests an derselben Person Sinn machen. So könnten falsch positive Ergebnisse am ehesten vermieden werden und die neuen Infektionszahlen besser eingeschätzt werden. 

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