作者丨雲南農業大學教授 董揚
文字整理丨科技日報記者 趙漢斌
疾病的檢測和甄別對於治療至關重要，新型冠狀病毒導致的肺炎曾被當作普通流感治療。同樣的疾病，反映在不同患者上會有不同的症狀；同樣的症狀，也有可能是不同的疾病。面對傳染性疾病，首先是要搞清楚它的傳染源。
病毒核酸檢測是一種從基因水平進行篩查檢測的方法，相較於血清學檢測，有更高的特異性和靈敏性，它可檢測出標本中極低含量的病毒，並大大縮短了病毒檢測“窗口期”。
試劑盒長什麼樣？是如何“工作”的？我們熟知的檢測試紙又利用了什麼原理？在這裡跟大家聊一聊。
我們的生活依賴肉眼看不見的微生物
直到今天，我們對微生物的瞭解還是極其有限的。在微生物的世界中，我們有如懵懂的孩童在管中窺豹，所看到的，只是冰山一角。在十七世紀顯微鏡逐漸成形後，人類終於可以看到微生物了，但是對於致病微生物的發現，一直以來都困難重重。
列文虎克和他的顯微鏡（約1860年）
在人體中，天然存在大量的微生物，其中以腸道中的微生物數量最多，種群最為豐富。每個人腸道中大約有兩千克的微生物，大約80%的人體正常微生物都集中在這裡，它們的數量超過100萬億個（這個數字大約是人體細胞總數的十倍），種類多達四五百種。
我們的皮膚、汗液，甚至健康人的尿液中都有微生物天然存在，這些微生物大多數都是益生菌，和我們的身體和諧相處，甚至為我們提供很多幫助。
我們生活的環境中也充滿了微生物，土壤、空氣、水源無處不在，所以要發現致病微生物非常困難，需要精準區別致病微生物和環境微生物、益生菌，無異於徒手大海撈針。
人體中大腸的微生物菌叢數量最多。圖片來源：Abundant You
古希臘醫學認為，人體是由四種體液構成，即血液、黏液、黃膽汁和黑膽汁，這四種體液對應到四種元素、四種氣質，並認為四種體液在人體內失去平衡就會造成疾病，又稱為四體液學說、四體液說，這一觀點主導了歐洲長達2200年。現代醫學發端以來，歐洲的醫學一隻圍繞著四種液體進行。
所以，顯微鏡發明以後，醫生們也自然而然地將目光鎖定在血液上，並很快意識到，正常人的血液是無菌的。通過用顯微鏡檢測血液中是否有微生物，人類發現了敗血症的原因；通過檢測體液，人類發現了霍亂的致病菌。很長一段的好時間，我們的病原微生物發現都採取“觀察看見——分類培養——接種動物實驗確認”的方式來進行。一路下來，成果也著實驚人——
核酸的生命基礎觀念開啟了新時代
現代傳染病研究是建立在病原微生物的發現基礎上的，快速鑑別病原，甚至是一些很難分離和培養的病原微生物，能在不需要培養的情況下就精確鑑定，是每一個傳染病研究和治療中最關鍵的技術。
1953年，DNA雙螺旋結構被揭示，核酸是生命的基礎這樣的觀點開啟了新的時代，人們設想對於病原微生物檢測，只需要確定病原體的核酸序列，就可以知道是否有病原體是生命病原體。可是要實現核酸的檢測，卻非常困難，一個成年人的細胞中，也僅有3皮克DNA（1皮克為萬億分之一克），必須要通過實驗方法放大檢測。
美國化學家凱利·穆利斯（資料圖）
1983年，放蕩不羈、喜歡奇思妙想的美國化學家凱利·穆利斯（Kary Mullis），在從伯克利開車去門多西諾的飆車途中，在一條黑暗的路上 “靈光一閃解決了DNA化學中最令人頭疼的問題”，發明了聚合酶鏈式反應（PCR）技術，並於1985年提交專利，從此人們開始在試管裡大量複製任何DNA片段，整個生命科學和醫學檢驗學從此被劃分為PCR之前時代和PCR之後時代。穆利斯也因此於1993年和邁克爾·史密斯（(Michael Smith）分享了諾貝爾化學獎，同年還獲得日本國際獎。
聚合酶鏈式反應（PCR）技術示意圖
從此，使得人類在體外檢測病原體的DNA變成了現實，這種無需培養，甚至不需要分離病原體的方法，成為病原診斷領域發展最迅速的技術，很快成為主流檢測方法，並且很影響到食品微生物檢測、環境微生物監測和法醫領域，我們熟知的神探李昌鈺，早年就是以利用DNA檢測技術來破獲一系列答案，相享譽偵探界。
早在19世紀80年代半期，學者們在研究病原菌的過程中，已在感染者的血清中發現有“殺菌素”(bactericidins)，也就是最早發現的抗體。當時的科學家們根據抗體來源的特性，把能刺激宿主產生抗體的物質命名為抗原。到了1963年，埃德爾曼（Edelman）與羅德尼·羅伯特·波特（Rodney Robert Porter）結合兩人多年的研究結果，提出了比較成熟的抗體分子模型，而波特也是桑格（Sanger）的第一名博士研究生。
他們認為，抗體是由兩條重鏈和兩條輕鏈組成的“Y”型對稱結構，“Y”的頭部是用來識別抗原的。1976年，日本科學家利根川進和同事發現人體中可以通過基因重排，產生數百億種不同的抗體，很好地解釋了抗體可以特異識別抗原的原理。1975年英國科學家米爾斯坦（Milstein）和法國科學家科勒（Kohler）發明了單克隆抗體製備技術。這樣人們就可以大量獲得特異性很高、純度很高的抗體，並且利用這些抗體的特異性實現對病原微生物的檢測，而且這種抗元-抗體反應非常迅速，並且可以實現化學試劑和抗體結合，讓檢測結果通過顏色反應肉眼可見，於是，就有了我們熟知的檢測試紙條。
人類離甄別“害人精”病毒的時代已經越來越近了。
識別病毒的“神探”真的來了
如此前我們在科普文章所述，病毒是一種個體微小、結構簡單，只含一種核酸（DNA或RNA），必須在活細胞內寄生並以複製方式增殖的非細胞型生物。它由一個核酸長鏈和蛋白質外殼構成，卻沒有自己的代謝機構，也沒有酶系統。因此病毒離開了宿主細胞，就成了沒有任何生命活動、也不能獨立自我繁殖的化學物質。但一旦進入宿主細胞後，它就可以利用細胞中的物質和能量以及複製、轉錄和轉譯的能力，按照它自己的核酸所包含的遺傳信息，產生和它一樣的新一代病毒。
病毒比細菌小很多，又是寄生在細胞內，致病病毒的檢測要遠比致病細菌檢測難很多，病毒的培養也要遠遠比細菌培養難，如果依靠傳統的檢測方法，我們依然很難發現並追蹤病毒，這個人類殺手將變得更加肆無忌憚。
PCR八聯管。圖片來源：Wikipedia
幸好有了歷代科學家的積累和發現，人類掌握了核酸檢測技術和抗體檢測技術。以本次新型冠狀病毒檢測為案例，目前我們可以用的成熟的檢測試劑盒有兩種：
基於熒光定量PCR檢測技術的試劑盒，如華大基因捐贈的試劑盒等，這些試劑盒是目前主流的檢測試劑盒。由於冠狀病毒無論是寄生狀態還是遊離狀態，它都需要有遺傳物質，也就是它自己的RNA，RNA可以通過反轉錄酶變成DNA，之後再通過聚合酶鏈式反應（PCR）實現指數級的信號擴增放大，在擴展放大過程中，加入熒光基團結合在擴展產物上，檢測的時候用儀器讀取熒光值，不但可以實現定性檢測，判斷病毒有無，還可以實現初步的定量檢測，判斷病毒數量多少。這種檢測方法非常精準，特異性和靈敏度都非常高。
基於抗體檢測技術，這類檢測試劑盒一般被製備成為試紙條，試紙條上化學修飾過的針對新型冠狀病毒抗體，在遇到待檢測體液中的病毒，會快速發生“抗體-抗原”反應，出現不同的顏色，整個檢測時間可以控制在15分鐘內，結果肉眼可視，這種檢測可以實現即時檢測（POCT），但是準確性略差，特別是在病毒潛伏期，病毒濃度和數量都較少的時候，容易漏篩。
國家病原微生物資源庫於2020年1月24日發佈了由中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所成功分離的我國第一株病毒毒種信息及其電鏡照片、新型冠狀病毒核酸檢測引物和探針序列等國內首次發佈的重要權威信息，並提供共享服務。（圖片來源：中國疾病預防控制中心）
揭示新型冠狀病毒的幾個重要節點
2019年12月30日
研究人員通過對武漢金銀潭醫院3名肺炎患者的樣本進行全基因組測序，發現了一種從未見過的乙型冠狀病毒屬（beta coronavirus）病毒。
2020年1月6日
新型冠狀病毒從感染者氣道上皮細胞中分離出，隨後將其命名為2019-nCoV。為了明確新型冠狀病毒感染的人呼吸道上皮細胞內可否觀察到病毒顆粒，研究人員模擬新型冠狀病毒感染的人類呼吸道上皮細胞培養物，每天用光學顯微鏡進行觀察，培養6天后用透射電鏡觀察。研究發現，在人呼吸道上皮細胞表面接種96小時可以觀察到細胞病變，成功地觀察和檢測到了新型冠狀病毒。
2020年1月24日
國家病原微生物資源庫發佈了由中國疾病預防控制中心成功分離的我國第一株新型冠狀病毒電鏡照片。
2020年1月25日
多家企業宣佈成功研發基於熒光定量PCR的新型冠狀病毒檢測試劑盒，並且快速捐贈和通過審批。
2020年1月27日
國家病原微生物資源庫再次發佈了由中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所成功分離的我國第一株從環境樣本中分離的新型冠狀病毒毒種中英文名稱、編號（NPRC 2020.00002）信息及其電鏡照片、新型冠狀病毒核酸檢測引物和探針序列等全球首次發佈的重要權威信息。同日，華大基因選擇國產測序儀通過審批用於新型冠狀病毒檢測。
2020年1月28日
據中科院之聲消息，中國科學院武漢病毒研究所研製出了用於研究的抗體檢測試紙。
研究人員在進行新型冠狀病毒毒株分離實驗。圖片來源：浙江新聞客戶端
也就是說，1月6日完成病毒測序後，新型冠狀病毒的檢測發生了轉折性的變化。通過測序技術所獲得病毒的基因組信息，同時分離病毒，現代的檢測技術讓病毒一旦被鎖定就無處可遁。和SARS相比，這次中國的速度令世界矚目。此外，基於CRISPR-cas、Meta-genomics測序的更先進的檢測技術也可以完全實現新型冠狀病毒的檢測，在面對隱形殺手病毒的時候，這次我們不再是一臉茫然，有這些病毒檢測技術、DNA測序和序列分析技術、大數據病原溯源體系，定然可以實現對病毒的精準打擊與殲滅！
最後，我們想告訴大家的是，從目前的情況看，綜合全國檢測試劑盒的產能，可以覆蓋至少每日50萬人次的檢測，按照人均5次的反覆確認檢測，我們每天可以完成10萬人的檢測。當然，這些檢測很多都需要技術熟練的專業檢驗師和科研人員操作；而操作的第一步，就是接觸患者或受檢人的痰液、糞便或者血液，這個過程有很大的被感染的風險，因此一定需要在有對應防控級別的實驗室中操作，這些檢驗人員也暴露在很大的風險中。雖然有些企業也提出了一些可以代替手工檢測的實驗室自動化解決方案，但是儀器設備的部署、人員的培訓都需要時間。所以，也需要全社會給這些檢驗人員一些時間，他們也是在用生命捍衛生命！
華大基因的創始人汪建老師提出，“建設萬人級別的檢測中心”是對目前檢測的最好解決方法，集中檢測不但效率更高，還可避免病毒在檢測環節的二次傳染。
面對新型冠狀病毒，我們有中國速度、世界科技和人類智慧，這次，真的不用怕。
關於消毒劑，這些事你可能還不知道……
疫苗，阻遏新型冠狀病毒感染的終極武器！
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重視，但不慌亂！面對新型冠狀病毒，這一次我們有備而來
審核：王小龍
終審：冷文生
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關鍵字: 流行性感冒 2019未來科學大獎 檢測
