14. Mai 2020

Covid-19-Diagnostik: PCR, Serologie & Antigentests

In diesem 11-minütigen Video gibt Dr. Christoph Spinner, Facharzt für Innere Medizin und Infektiologe am Klinikum rechts der Isar der TU München, einen Überblick über die korrekte SARS-CoV-2-Diagnostik und ordnet gängige Nachweisverfahren basierend auf der aktuellen Studienlage ein.

Videodauer: 11:32

  • Herzlich willkommen zu unserem heutigen Covid-19-Update zum aktuellen Stand der SARS-CoV-2-Diagnostik. Mein Name ist Christoph Spinner und ich bin Infektiologe am Klinikum rechts der Isar.

    Zunächst möchte ich mit einer einfachen Übersicht über prinzipielle Methoden für den SARS-CoV-2-Nachweis sprechen. Für den Erregerdirektnachweis sind sogenannte Echtzeit-Polymerasekettenreaktionen, auch als rtPCR abgekürzt, geeignet und sie weisen in der Regel Erbmaterialien des Erregers, also hier von SARS-CoV-2, direkt nach, gehören damit zu Virus-Direktnachweismethoden. Daneben sind serologische Methoden, das bedeutet die Bestimmung von Antikörpern gegenüber SARS-Coronavirus-2, mittlerweile etabliert und Antigentests, ebenso wie andere Nachweismethoden, finden bislang nur in der Forschung Anwendung.

    Zunächst möchte ich mit Ihnen über den Erregerdirektnachweis, die PCR-Methoden, sprechen. Prinzipiell sind Nasen-Rachen-Abstriche oder tiefe respiratorische Sekrete, wie Sputum, Endotrachealsekrete oder Bronscheoalveoläre Lavage Flüssigkeiten geeignet, um eine PCR-Diagnostik zugeführt zu werden. Hierbei ist zu beachten, dass die Sensitivität der PCR-Verfahren, zwischen 85 und 90% liegt, weshalb bei fortbestehendem klinischem Verdacht der Nachweis gegebenenfalls wiederholt werden sollte. In der verlinkten Publikation fand ein Vergleich von PCR-positiven Proben verschiedener Probanden, im Rachenabstrich, im Sputum und im Stuhl von 22 Covid-19-Patienten, statt. Hierbei wurden 545 Proben untersucht und als Ergebnis lässt sich schlussfolgern, dass der empfindlichste Nachweis im Sputum gelungen ist. Leider ist die Gewinnung von Sputum erheblich kompliziert, sodass sich in der klinischen Praxis die Verwendung von Nasen-Rachen-Abstrichen als beste Möglichkeit herauskristallisiert hat. Hierbei ist die richtige Entnahme eines Nasen-Rachen-Abstrichs von entscheidender Bedeutung, denn die Präanalytik, also die Qualität wie ein Nasen-Rachen-Abstrich gewonnen wird, trägt erheblich dazu bei, dass ein zuverlässiges Testergebnis im Labor erzeugt werden kann.

    Zunächst ist vor allem darauf zu achten, dass die Entnahme unter ausreichend persönlicher Schutzausrüstung, also unter Verwendung eines Schutzvisiers oder einer Schutzbrille, eine FFP2-Maske, eines Schutzkittels und Handschuhen, entnommen wird. Zur Entnahme wird der Kopf des Patienten leicht in den Nacken gelegt und der Tupfer tief über die Nasenmuschel bis in den Rachen eingeführt und unter Drehbewegungen entnommen. Alternativ kann auch ein tiefer Rachenabstrich entnommen werden, wobei darauf zu achten ist, dass kein ausschließlicher Abstrich der Mundschleimhaut erfolgt. Wir haben die Korrektentnahme eines Nasen-Rachen-Abstrichs im Video hier auf der Folie verlinkt. Als Tupfer sind generell Trockentupfer geeignet. Keinesfalls dürfen Geltupfer verwendet werden, denn diese sind nicht zur Durchführung von PCR-Methoden geeignet. Alternativ können auch Trockenabstrichtupfer für den Transport ins Labor entweder mit Kochsalz oder mit bakteriostatischen Transportmedien verwendet werden.

    Als Nächstes möchte ich mit Ihnen einen genaueren Blick auf die verfügbaren Erreger-Nachweismethoden hier mittels PCR, für SARS-CoV-2, werfen. Es gibt derzeit verschiedene in den Vereinigten Staaten oder bei uns entsprechend zertifizierte kommerzielle PCR-Tests. Allen gemein ist, dass sie eine Durchführungszeit von etwa 3-5 Stunden aufweisen, wobei mittlerweile Patienten nach Verfahren verfügbar sind, die Ergebnisse in Minuten bis zu etwa einer Stunde anbieten kann. Insgesamt besteht die Problematik, dass die sehr empfindlichen PCR-Testverfahren auch noch einige Wochen nach der Infektion positiv ausfallen können, wobei unklar ist, ob es sich hierbei wirklich noch um infektiöses Virus handelt. Die Sensitivität aller eingesetzten Verfahren ist mittlerweile gut und alle zugelassenen Verfahren sollten eine Sensitivität von deutlich über 90 Prozent aufweisen.

    Die Präanalytik hat hierbei jedoch starken Einfluss. Das bedeutet die Qualität des entnommenen Nasen-Rachen-Abstrichs oder des respiratorischen Materials trägt entscheidend zur Zuverlässigkeit, insbesondere der Sensitivität der Probe, bei. Gleichzeitig ist die Spezifität aller kommerziell verfügbaren PCR-Verfahren mittlerweile sehr hoch und liegt bis zu 100 Prozent. Wir haben auf einer kompakten Übersicht die diagnostische Sensitivität in absteigender Reihenfolge für ausgewählte kommerziell verfügbare PCR-Testverfahren dargestellt. Sie alle detektieren an unterschiedlichen Abschnitten des SARS-Coronavirus-2, was sie auf der Abbildung leicht erkennen können. Dass die PCR-Verfahren eine große Empfindlichkeit oder Unterschiede in der Empfindlichkeit aufweisen, sehen Sie in der hier dargestellten Abbildung. Es handelt sich um die exemplarische Darstellung der etwas geringeren Sensitivität der in der Charité entwickelten Testverfahren im Vergleich zur CDC-Testmethode.

    Im Nachfolgenden möchte ich mit Ihnen die SARS-Coronavirus-2 Serologie im Kontext der Covid-19-Diagnostik beleuchten. In der Regel werden so genannte enzym-basierte Nachweisverfahren eingesetzt, die virale Strukturproteine bzw. Antikörper dagegen detektieren und sich in der Regel aus entweder totalem Immunglobulin-Testsystemen oder der Kombination von verschiedenen Immunglobulin-Klassen, also IgG und IgA oder IgG und IgM, zusammensetzen. Ein Problem aller serologischen Nachweisverfahren ist die Kreuzreaktivität gegenüber anderen Betacoronaviridae, weshalb die Stabilität der Erkennung der Antikörper gegen die entsprechenden Strukturproteine wesentlich zur Sensitivität und insbesondere zur Spezifität beiträgt. Aus den ersten klinischen Berichten der Kollegen in Schwabing und von Christian Drosten war ableitbar, dass eine Serokonversion in 7 Tagen nach Symptombeginn bei jedem zweiten und 14 Tage nach Symptombeginn bei nahezu jedem Patienten mit Covid-19 beobachtet werden kann. Das bedeutet übersetzt, dass in früheren Erkrankungsphasen die Serologie eine niedrigere Sensitivität hat als im Verlauf der Erkrankung. Interessant ist, dass bislang kein Zusammenhang zwischen Serokonversion und Geschwindigkeit des Viruslastabfalls bei den ersten beschriebenen Patienten hergestellt werden konnte. In der Abbildung dargestellt sehen Sie eine generell zuverlässige Sensitivität sogenannter totaler Immunglobulin-Tests, die zwischen 86 und 90 Prozent nach 21 Tagen liegt. Das bedeutet, die mittlerweile verfügbaren serologischen Methoden zeichnen sich durch eine mittel bis hohe Sensitivität aus, wenn sie ausreichend spät nach Symptombeginn, nämlich zwei bis drei Wochen durchgeführt werden. Die Spezifität für kombinierte Nachweisverfahren aus IgM und IgG ist in der Regel hoch und bewegt sich zwischen 98 bis 100 Prozent.

    Das bedeutet, falsch-positiv kombinierte Tests sind selten. Während vereinzelte IgM- oder IgG-Nachweise durch Kreuzreaktivitäten der Betacoronaviridae bedingt sein können, weshalb serologischen Methoden idealerweise stets in Kombination betrachtet werden sollten. Sie sehen in der Abbildung eine exemplarische Darstellung der Serokonversion über Zeit verschiedener Teste, wobei hier verschiedene kommerzielle Testverfahren miteinander verglichen werden und wie sie in der Abbildung weiter rechts erkennen können, trägt vor allem die Tage, also die Zeit nach Symptom gegeben, entscheidend zur Serokonversion bei. Die Serologie spielt also, vor allem in späteren Erkrankungsphasen oder mit der Frage einer durchgemachten Infektion, eine entscheidende Rolle. Während die PCR-Testverfahren für die Akutphase der Infektion erheblich wichtiger sind.

    Trotz verfügbarer zuverlässiger PCR und Serologie Diagnostik gibt es derzeit erhebliche Forschungsaktivität, insbesondere zur Entwicklung von sogenannten Patientennamen, Point-of Care-Verfahren oder um verfügbare Testverfahren zu beschleunigen. So werden Schnelltests, patientennahe PCR-Tests, immunkromatografische Alternativverfahren und andere Ansätze in klinischen Studien geprüft und entwickelt. Entscheidend dabei ist aber, dass sie im Alltag darauf achten, dass sowohl Sensitivität als auch Spezifität der Testverfahren ausreichend gut sind und eine entsprechende Zertifizierung in Deutschland verfügbar ist. Denn sowohl falsch-positive wie falsch-negative Testverfahren tragen erheblich zur Komplizierung des Managements klinischer Felder bei und es gibt patientennahe Testverfahren, die eine Sensitivität von 30 Prozent aufweisen, die im Alltag also nicht zuverlässig sind. Dahin möchte ich zusammenfassen. In den wenigen Minuten wollte ich Ihnen nahebringen, dass mittlerweile eine zuverlässige Diagnostik auf SARS-CoV-2 mittels Erregerdirektnachweisverfahren, also PCR-Tests, aus respiratorischen Materialien, zuverlässig möglich ist. Hierbei sollten vor allem tiefe respiratorische Materialien verwendet werden, um eine gute Sensitivität zu erreichen oder eine entsprechend zuverlässige Probenentnahme gewährleistet sein muss. Mit einer PCR-Positivität nach durchgemachter Infektion muss gerechnet werden. Ob jedoch Infektiosität besteht, ist unklar. Derzeit würden aber mindestens zwei negative Abstriche seitens des Robert-Koch-Instituts gefordert werden, um eine Entlassung aus der Quarantäne zu ermöglichen. Serologische Verfahren sind mehrheitlich bei hoher Spezifität zuverlässig und zeichnen sich mittlerweile durch eine sehr gute Sensitivität aus, sofern sie in späten Erkrankungsphasen durchgeführt werden. Ob eine Seropositivität allerdings auch mit einer schützenden Immunität im Sinne eines Immungedächtnisses einhergeht, wird derzeit noch untersucht.

    Damit möchte ich mich sehr herzlich für Ihre Aufmerksamkeit bedanken und darf sie schon bald zum nächsten Covid-19 Update einladen. Bleiben Sie gesund!

Video-Inhalte im Überblick

  • SARS-Cov-2-Nachweis: Übersicht der Methoden 0:19
  • PCR-Methoden 1:05
  • Nasen-Rachen-Abstrich korrekt durchführen 2:22
  • PCR-Tests im Vergleich 3:57
  • Serologie bei SARS-CoV-2 6:06
  • Forschung zu anderen diagnostischen Verfahren 9:05
  • Zusammenfassung 10:05

Interessenkonflikt
Dr. Christoph Spinner erklärt, dass keine potenziellen Interessenkonflikte bestehen.

  1. Chen C, Gao G, XuY, et al. SARS-CoV-2–Positive Sputum and Feces After Conversion of Pharyngeal Samples in Patients With COVID-19. Ann Intern Med. 2020; [Epub ahead of print 30 March 2020]. doi:https://doi.org/10.7326/M20-0991
  2. Francisco M. Marty, M.D., Kaiwen Chen, B.S., and Kelly A. Verrill, R.N.; How to Obtain a Nasopharyngeal Swab Specimen; NEJM 2020; DOI 10.1056/NEJMvcm2010260 vom 17. April 2020
  3. Joshua A. Lieberman, Gregory Pepper, Samia N. Naccache, Meei-Li Huang, Keith R. Jerome, Alexander L. Greninger; Comparison of Commercially Available and Laboratory Developed Assays for in vitro Detection of SARS-CoV-2 in Clinical Laboratories; Journal of Clinical Microbiology Apr 2020, JCM.00821-20; DOI: 10.1128/JCM.00821-20
  4. Chenyu Li, David N. Debruyne, Julia Spencer et. al; High sensitivity detection of coronavirus SARS-CoV-2 using multiplex PCR and a multiplex-PCR-based metagenomic method; bioRxiv2020.03.12.988246; doi: https://doi.org/10.1101/2020.03.12.988246
  5. Wölfel, R., Corman, V.M., Guggemos, W. et al. Virological assessment of hospitalized patients with COVID-2019. Nature (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2196-x1. [Epubaheadof print]
  6. Zainol Rashid Z, Othman SN, Abdul Samat MN, Ali UK, Wong KK.; Diagnostic performance of COVID-19 serology assays. Malays J Pathol. 2020 Apr; 42(1):13-21.

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