新型コロナウイルスPCR検査におけるCt値とは

新型コロナウイルス感染を調べる検査として広く行われているPCR検査は、ウイルスから抽出した遺伝子を増幅して検出する検査です。陽性の判定にはPCR検査から求められる「Ct値」が用いられており、ウイルスの量を推定することができます。同じ陽性であっても「Ct値」の違いによって感染力が異なってきます。

PCR検査の原理

PCRとは

新型コロナウイルスの検査としても有名なPCR検査ですが、正式な名称は「ポリメラーゼ連鎖反応」と言い、英語のPolymerase Chain Reactionの頭文字を取った略語になります。

「ポリメラーゼ」とは、遺伝子を構成する核酸であるデオキシリボ核酸(DNA)を合成する酵素のことで、この酵素を使ってDNAを増やしていく技術のことをPCRと呼びます。

PCRの技術は新型コロナウイルスのような感染症の検査だけでなく、医学や生物学の基礎研究、水質や土壌などの環境検査、科学捜査など様々な用途で利用されています。

PCRの原理

PCRの技術は1983年にアメリカの生化学者Kary Mullisによって発明され、その後ノーベル賞を受賞しています。

(発明に際しては、原理をデートのドライブの途中で思いついたり、突拍子もないアイデアだったので最初は誰も相手にしてくれなかった、など数多くの逸話があるので、興味のある方は調べてみると面白いと思います。)

DNAはアデニン(A)、チミン(T)、グアニン(G)、シトシン(C)という4種類の塩基が連なったポリヌクレオチド鎖が2本対になった構造をしています。

これが有名な二重らせん構造です(図1)。

PCRでは、このつながった2本の鎖を熱を加えて引き剥がして1本ずつの鎖にします(図2-①)。

次に、温度を下げて1本になった鎖に短いDNA分子(プライマー)を結合させます(図2-②)。

このプライマーは遺伝子配列の中でも、増幅したい部分のみに特異的に結合するように設計されています。

最後にプライマーが結合した部分からポリメラーゼがDNAを合成していき、新しく2本鎖のDNAが出来上がります。

図を見ておわかりのように、1回のPCR反応を行うことによって1本のDNAが2本に増えていきます。

このPCR反応を繰り返すことによって、DNAは2倍、4倍、8倍、16倍…と倍々で増えていきます。40回繰り返すとおよそ1兆倍になる計算になります。

この反応には短時間で正確に温度を上下させてコントロールすることが必要で、「サーマルサイクラー」という特別な機械を使って行われます。

図1 https://www.ac-illust.com/main/detail.php?id=1330013&word=DNA%E3%80%80%E4%BA%8C%E9%87%8D%E3%82%89%E3%81%9B%E3%82%93%E6%A7%8B%E9%80%A0

リアルタイムPCR

PCRの技術自体はDNAを増やすことを目的として行いますが、蛍光色素を使ってどのくらいDNAが増えているかをリアルタイムに調べることができるPCRのことを「リアルタイムPCR」と呼びます。

新型コロナウイルスのPCRの検査では、リアルタイムPCRの手法が主に用いられており、リアルタイムでDNAの検出を行うことができます。

Ct値とは

新型コロナウイルスのPCR検査で「Ct値」という言葉を聞いたことがあるかもしれませんが、これは”Threshold Cycle” の頭文字を取ったもので、日本語訳にすると「閾(しきい)値のサイクル」となります。

少し難しい言葉ですが簡単に言うと、DNAが検出されるほど十分に増幅されるために必要なPCRの回数、ということになります。

つまり、最初にあるDNAの量が多ければ、少ないPCRの回数で十分なDNAの量が増幅されるため、Ct値は低くなります。

逆に、最初のDNAの量が少なければ、十分なDNAの量が増幅されるために多くの回数のPCRが必要となるため、Ct値は高くなります。


新型コロナウイルスのためのPCR検査

新型コロナウイルスのPCRの検査には、PCR以外にも鼻咽頭の拭い液や唾液などの検体から新型コロナウイルスのRNAを抽出し、不純物を取り除いて精製する工程が含まれます。

また、ここまではPCRをDNAを増幅する技術として説明してきましたが、新型コロナウイルスはRNAで構成されるRNAウイルスでDNAは含まれていません。

そこで、PCRを行う前にRNAをDNAに変換する「逆転写」と呼ばれる工程も追加で必要になってきます。

実際の検査の手順を要約すると、①検体の採取(鼻咽頭や唾液など)→②検体からのRNA抽出→③RNAをDNAに変換(逆転写)→④リアルタイムPCR という流れになります。

手順が多く複雑なため、検査が完了するまでには数時間かかってしまいます。また、専門的かつ熟練した技術が必要な検査です。

PCR検査でわかること

Ct値と病状との関連

Ct値を用いて新型コロナウイルスが陽性か陰性かを判断することができます。

日本ではCt値が40より小さい値であれば、陽性と判断している施設が多くなっています。

先ほど説明したように、Ct値が40ということは、先程も説明したようにウイルスの遺伝子がおよそ1兆倍に増幅されているということになり、非常に少ないウイルス数でも陽性と判定することができます。

ただし、どの値より小さければ陽性とするかについては絶対的な指標がなく、施設や国によっても異なってきます。

また、Ct値は検査で用いる機械や試薬の種類などでも数値が変動するため、一般的な指標として使いづらいといったデメリットもあります。

Ct値と新型コロナウイルスの病状の経過とは関連性が示されており(日本感染症学会 COVID-19検査法および結果の考え方)、発症日のCt値は20前後とウイルス量が多くなっていますが、経過とともにCt値は増えていき、発症9日の時点ではおよそ30となりウイルスの量が減っていることがわかります。

Ct値が35以上であったり、発症してから10日以上経過しているような場合は、Ct値が40以下で陽性と判定されてもウイルスの数は非常に少ないため感染性が低いことがわかっています。

Ct値とスーパースプレッダー

新型コロナウイルスの感染者の中には、「スーパースプレッダー」と呼ばれる多くの人への感染拡大の感染源となった感染力の強い感染者がいることがわかっています。

では、そのような感染力の強い感染者をPCR検査で知ることができるのでしょうか?

上でも述べたようにCt値は絶対的な基準ではないため、明確な基準というのは存在しません。

ただ、Ct値が25より小さい場合はウイルスの数が非常に多く(1mlあたり約1800万個)、少量の唾液が飛び散っただけでも感染するのに十分なウイルスが含まれるので、「スーパースプレッダー」となり得ます。

無症状であってもCt値が25より小さくなる人が30%以上いた、という報告もあるので(https://www.city.setagaya.lg.jp/mokuji/kusei/001/002/003/d00190932_d/fil/siryou.pdf)、症状がなくてもマスクをはじめとした基本的な感染予防策を取ることが非常に重要であると言えます。

まとめ

新型コロナウイルスの検査として非常に重要であるPCR検査は、新型コロナウイルスから抽出した遺伝子を増幅して検出する検査です。

検査結果として、陽性か陰性かを判定する他に、ウイルス量と関係するCt値を求めることにより、感染力の強さも評価することが可能となります。

ただし、Ct値は機器や試薬により変動するので、絶対的な指標ではないことに注意は必要です。

参考文献】

最近の遺伝子コラム

niPGT-A(非侵襲的着床前診断)とは~胚にダメージを与えない着...niPGT-A(非侵襲的着床前診断)とは~胚にダメージを与えない着床前検査

embryo
着床前検査(Preimplantation Genetic Testing: PGT)は、受精卵(胚)の移植前に細胞の一部を採取して染色体や遺伝子の異常を調べる妊娠前に行う検査です。しかし、この検査には受精卵に穴を開けて […]
ttom">