最近刷屏的新冠疫情新聞裡，核酸試劑是一個高頻詞。許多剛開始爆發疫情的國家的新冠病毒核酸試劑儲備不足。比如，我國最近向缺乏新冠病毒核酸試劑的日本國立傳染病研究所（NIID）捐贈了12500套核酸試劑。
而美國匆忙上馬的新冠病毒核酸試劑卻被證明是一堆廢品。在今年2月12號和26號的新聞發佈會上，美國疾病控制與預防中心（CDC ）承認由於一個成分出錯，第一批給美國國內外的公共衛生實驗室分發的400份試劑給出了不準確的測試結果，是無效的。於是乎，CDC只能重新研發新的新冠肺炎檢測試劑。
在2月26號的新聞發佈會上，美國CDC的發言人承認其開發的新冠病毒核酸試劑存在問題，並開始研發新的試劑。圖片來源：www.cdc.gov/media/releases/2020/t0225-cdc-telebriefing-covid-19.html
那麼，這個核酸試劑到底是什麼怎麼難研發呢？病毒檢測又是怎麼做的呢？
實際上，新冠病毒SARS-CoV-2的檢測採用的是一種應用非常廣泛的核酸檢測手段、被稱為金標準的即時聚合酶鏈式反應（qPCR）。
做RT PCR 的儀器
RT PCR技術經常被用來檢測HIV病毒、乙肝病毒等病原體。RT PCR 的主要工作原理就是通過只對特定病毒有效的試劑製造大量的病毒核酸鏡像，從而檢測這種病毒是否出現在樣本，比如病人的鼻涕裡。
我們先來看看RT PCR的具體過程吧。
首先，先用高溫把病毒的雙鏈DNA拆成2根單鏈，拆開的目的就是為了製造它的鏡像。當然，有些病毒（如HIV病毒和新型冠狀病毒）的遺傳物質不是DNA，而是RNA，也就是說它只有一條鏈。那麼在做的時候稍微麻煩一點，要先把它變成雙鏈的，然後再拆開來。
引物和單鏈DNA結合
接著就要開始製造鏡像了。製造的時候，要先定個地標，然後才能開始作業。這個地標就是引物，也就是一小段單鏈 DNA，它會和病毒核酸的特定部位，比如某個基因開頭的地方結合。
地標定好了，就可以開始正式的鏡像複製黏貼了。複製的過程，靠的是一種叫做 Taq聚合酶 的蛋白質，我們就叫它小T吧。
Taq聚合酶來自生活在溫泉裡的海棲熱袍菌
小T賊強賊好用，50攝氏度的高溫都不會熟（變性），因為它來自生活在溫泉和深海熱泉裡的海棲熱袍菌。換別的蛋白質，在 PCR 機器的高溫裡烘一會兒就涼了。咦？
Taq聚合酶（黃色）生產擴增子（白色）
小T只認地標，見到地標才開工。找到作為地標的引物後，小T和溜達雞似得順著它一路往下走，就複製出了一段病毒核酸的鏡像，這個鏡像就叫做擴增子。
如果能檢測出擴增子，就能證明出現了我們要找的病毒基因。現在問題來了，DNA 和 RNA 那麼小，我們怎麼知道有沒有產生足夠多的擴增子呢？
這時候就要加入熒光探針，也就是一小段能夠發出熒光的特殊單鏈 DNA 來檢測了。
熒光探針一端有個會發熒光的分子，另一端則會把熒光吃掉。
熒光探針這個東西很神奇，它的一端有一個會發出熒光的分子R（報告熒光基團），另一端有一個吸收熒光的分子Q（淬滅熒光基團）。
R和Q它倆是一對在一起就要吵架的極品冤家，只要R發光，Q就會把它的光吸收掉。但是它倆要是分開，R發出的光就不會被吸收掉，我們就可以看到它亮了。
熒光探針檢測擴增子就是利用R和Q分分合合的原理。當路標，也就是引物和病毒核酸結合的時候，探針也會到引物後面的某段特定DNA，比如某個基因上乖乖躺好，就好像在路上裝了一個炸彈一樣。
引物（左）和熒光探針（右）可以和病毒單鏈核酸的特定位置結合
我們剛才說過，小T會沿著引物一邊溜達一邊修路，製造出病毒核酸的鏡像。不過，小T不僅是修路專家，還是拆彈專家，它會把粘在路上的探針拆散架。
遇到小T後，熒光探針就 BONG 炸了，R和Q就果斷分手了。分手後，重獲自由的R渾身上下開始散發出單身才有的光彩，就可以被探測儀檢測到了。所以，如果檢測到了熒光，就說明檢測到了目標病毒核酸啦。
S型的擴增曲線代表檢測出了病毒。如果是平直的擴增曲線，則代表沒有檢測出病毒。
這裡的路標（引物）、修路專家小T、熒光探針，還有一些催化劑就是傳說中的病毒核酸試劑了。在檢測的時候，只要把病毒樣本和試劑混合，放到 RT PCR 機器裡去跑，就可以得出病人有沒有被病毒感染的結果了。
檢測不同的病毒需要不同的引物和探針，但是新冠病毒檢測試劑還沒有統一的引物和探針，尚處於研發探索階段。
比如，香港大學的一個團隊瞄準的是冠狀病毒大家族下的一支，也就是 Sarbecovirus 亞屬的基因（ORF1b 和 N 基因）。而世界衛生組織給全球159個實驗室派發的檢測試劑的檢測目標是能夠區分非典的 SARS-CoV 病毒和新冠病毒的基因（檢測的是RdRP基因、N基因和E基因）。
國內最早一批參與病毒試劑生產研發的上海之江生物生產的試劑盒，該試劑檢測的是冠狀病毒的3個典型基因（ORF1ab、N基因和E基因）。
需要注意的是，上面只是核酸檢測的理論，實操其實更加複雜，能出錯的地方很多。今年2月19日發表在 Nature Biotechnology 上的一篇文章指出，雖然 PCR 技術本身很可靠，但是如果操作不當，就有可能給出假陰性的結果。
比如，做檢測的試劑要放在零下20攝氏度的冰箱裡，防止試劑中的蛋白質分解。
用的時候，大部分試劑是放在冰上解凍的。但是小T在使用前一直要保持零下20攝氏度的狀態。另外，熒光探針不能見光，所以要避光儲存。
你看，試劑的作用原理和檢測操作如此高端，試劑和病毒樣本的保存條件如此嚴苛，即使在發達國家，也只有少數實驗室有能力進行檢測。 比如在本週二，美國 CDC 的國家免疫與呼吸道疾病中心主任 Nancy Messonnier 表示，目前全美只有12個檢測部門有能力檢測新冠病毒。
當然，影響核酸檢測結果的還有試劑以及實驗操作以外的因素。
為新加坡政府製造了新冠病毒檢測試劑，並且給中國供應了1萬份試劑的新加坡國際生物醫學研究與開發中心啟奧城（BIOPOLIS）的試劑研發團隊領導 Sidney Lee 表示， 新冠病毒核酸試劑測不準的問題還和病人接受檢測的時機以及病毒樣本運輸條件有關。
咽拭子
比如，由於 SARS-CoV-2 主要感染肺部，因此初期患者的咽拭子可能無法截取足夠多的病毒。其次，如果病毒脫離人體太久，或運輸儲存條件不當，那麼病毒核酸可能會分解，這也會降低能夠檢測出來的病毒數量。
由於病毒核酸試劑檢測結果不穩定等因素，我國在2月8日公佈了新冠的確診標準，不再只依賴核酸檢測。
而在2月14日，鍾南山領導的呼吸疾病國家重點實驗室推出了一種擺脫了病毒核酸檢測的新的檢測方法——新冠病毒 IgM 抗體快速檢測試劑盒。
抗體試劑不檢測病毒核酸，而檢測病人體內有沒有出現抗體。鍾南山團隊的抗體試劑有望在15分鐘內快速篩查新冠病人，為挽救更多人的生命爭取寶貴的時間。另據《科學》在2月27號的報道，新加坡已經開始採用杜克-新加坡國立大學醫學院研發的抗體檢測試劑篩查患者。
在這場全球大考中，希望我國率先交卷離開考場，順便給曾經的學霸們遞個小抄。
本文由轉自 “把科學帶回家”
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