快速檢測新型冠狀病毒 是怎麼做到的?

想要完成檢測，至少需要經過提取病毒RNA，和逆轉錄PCR （RT-PCR）兩步。提取病毒RNA本身也包含裂解樣本，提純RNA等多個工序，需要花費數小時。而RT-PCR，一般來說也需要至少三四個小時才能完成。整套工序流水線操作的話，總共大概需要一個工作日，即6-8小時左右，檢測結果都需要經過覆核，重複實驗則需要花費雙倍的時間。

文章來自「科學大院」公眾號

作者：譚璞

新型冠狀病毒（2019-nCoV）引發的疫情引起了全國乃至全世界人民的關注。其中，有一個問題引發了廣泛討論：為什麼確診人數在2020年1月18日之後出現了爆發性增長？

作為生物檢測技術的研究者，筆者希望藉此機會跟大家探討一下，如何診斷一個新發病原體。

圖1 導致中東呼吸症候群（MERS）的冠狀病毒電子顯微鏡照片。導致本次疫情的病原與此病毒同屬冠狀病毒。圖片來源：維基百科

核酸檢測需要多久？

1月9日，本次不明原因的病毒性肺炎病例的病原體初步判定為「新型冠狀病毒」，能否快速，準確地檢測到它，成為防控的關鍵。

在特異性的診斷方法出現之前，只能根據患者體徵找到一些疑似病例。很不幸的是，這次的新型冠狀病毒肺炎症狀上特異性不強。與SARS相比，此次肺炎起病並不很急，有些患者甚至沒有出現高燒。在這個流感橫行的季節，單靠病人體徵這種太過粗糙的方法區分新型冠狀病毒感染者是非常困難的事。

1月16日，首批針對新型冠狀病毒生產的PCR試劑盒下發到各省級疾控中心，這是近幾日出現確診病例數量快速增長的直接原因。

圖2: 冠狀病毒RT-PCR試劑盒的大致工作流程 圖片來源：自製

冠狀病毒檢測PCR試劑盒的工作原理大致是：通過提取病人樣本中的RNA，進行反轉錄·聚合酶鏈反應（RT-PCR），通過擴增反應將樣本中微量的病毒信息加以放大，最後以螢光的方式讀取信號。如果PCR之後信號為陽性，那麼就可以說樣本中存在病毒（已經感染），反之則說明沒有感染。

那麼一次檢測到底需要多久呢？

初期大約需要16小時。（本文數據根據常規的實驗室操作時間推測，不代表實際用時）

引發本次肺炎的新型冠狀病毒，和它的近親SARS，MERS 一樣，遺傳信息都是由單鏈RNA構成。想要完成對它的檢測，至少需要經過提取病毒RNA，和逆轉錄PCR （RT-PCR）兩步。提取病毒RNA本身也包含裂解樣本，提純RNA等多個工序，需要花費數小時。而RT-PCR，一般來說也需要至少三四個小時才能完成。整套工序流水線操作的話，總共大概需要一個工作日，即6-8小時左右，檢測結果都需要經過覆核，重複實驗則需要花費雙倍的時間。

這樣算下來，從1月16日湖北省收到國家疾控中心下發的試劑盒到1月18日通報第一批檢測結果，負責檢測病毒的工作部門已經可以說是馬不停蹄了。

在此基礎上，目前有機構開發出了簡化版的試劑盒，可將單次檢測的時間縮短到約3小時。

研發生產試劑盒需要多久？

有的朋友可能還有疑問，從發現第一例患者到試劑盒下發，中間經過了一個月左右，研發生產試劑盒為什麼需要這麼久？

其實，已經很快了。

我們來捋一捋試劑盒的開發流程：

1. 病原分離和排查：此次導致武漢肺炎疫情的病原是一種全新的冠狀病毒。在確認這是一種從沒有見過的病原之前，需要排除掉所有已知病原：包括各類流感病毒（甲型流感，禽流感等），容易導致普通感冒的腺病毒，鼻病毒和已知能導致肺炎的冠狀病毒（SARS, MERS)，衣原體，支原體等等。

2. 設計引物：這是非常關鍵的一步，只有設計出適當的引物，才能進行病毒檢測的PCR反應。科學家需要對這個新找到的病毒進行全基因組測序和生物信息學分析，設計引物（就是一段DNA序列），驗證它的特異性，敏感性，確保它只能識別新型冠狀病毒基因。

3. 工業化生產：可以說，除了引物，所有病毒核酸檢測試劑盒中的其他組分都是一樣的，所以大量合成適當的引物就是工業化生產試劑盒的關鍵。

病原分離和排查需要花費至少一周的時間，測序和生物信息學分析也需要三天左右。探針設計與特異性檢查又需要兩三天。也就是說，在一切都非常順利的情況下，也需要將近兩周的時間才能把設計好的引物投入工業化生產。

萬幸的是，目前我國工業化DNA合成技術已經推廣得非常普遍，一兩天的時間足可以生產出大量的產品（有些小劑量定製產品甚至可以當日送達）。綜合各方面信息來看，這次疫情，我國最起碼在檢測手段的開發上做到了近乎完美的快速響應。

除了核酸檢測，蛋白檢測也在路上

除了目前衛生系統所採用的核酸檢測方法以外，基於病毒蛋白的檢測技術也可以在病原的快速檢測上起到很大作用。

在DNA/RNA攜帶的遺傳信息之外，病毒的蛋白外殼同樣也攜帶了大量涉及病毒結構與致病機理的信息，同樣可以確定病人是否感染了病毒，以及是否對病毒有免疫能力。

核酸檢測依賴的是引物，病毒蛋白的檢測主要依賴抗體。只要找到了親和力足夠高，特異性足夠好的抗體，就可以省去提取病毒RNA的繁瑣步驟，直接用發病期患者的血清或痰液進行蛋白免疫分析（一般是酶聯免疫吸附分析，ELISA），在3-5小時內得到結果。如果採用基於微流控平臺的新一代免疫反應器，甚至可以在保證檢測靈敏度的情況下，把總檢測時間縮短到30分鐘之內，真正做到即時診斷。說一句題外話，筆者長期致力於新型微流生物傳感器的開發，衷心希望這類新技術能在此次疫情中能起到應有的作用，造福於國家和人民。

圖3 A 利用抗體檢測病毒的大概原理 (自製) B 一種微流免疫反應器的示意圖 來源：參考文獻2

基於蛋白的病毒檢測開發難點在於抗體篩選生產。

實驗用抗體的生產高度依賴動物（一般由鼠，兔，羊等動物生產）。注射抗原後數日，還需要對動物的免疫細胞進行篩查，找到能用來生產高特異性抗體的淋巴細胞，對其進行擴增。即便是全速開動，也需要2-3周的時間才能得到初步可用的單克隆抗體。相比基於RNA的PCR試劑盒，蛋白檢測試劑盒所需的開發時間要更長，生產成本要更高。

圖4 2003年華大基因生產的SARS抗體診斷試劑盒 圖片來源：中國科學院 （參考文獻3）

在2003年的非典疫情中，軍事醫學科學院，中科院北京基因組所，華大基因等單位都開發出了可以檢測SARS病毒本身，或患者對病毒免疫反應的ELISA試劑盒。但它們投入應用的時候，疫情已經趨於結束。它們主要用於SARS病毒相關的學術研究。從這次疫情的反應速度上看，預計在近期第一批針對新型冠狀病毒的蛋白檢測試劑盒就將出爐（有消息說已經研製出檢測用抗體），筆者希望它們能對新型冠狀病毒肺炎的診斷起到較大的積極作用。

願大家眾志成城，共渡難關。

作者單位：密西根大學生物醫學工程系

參考資料:

[1] http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11427-020-1637-5?slug=abstract

[2]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.8b00641

[3] http://www.cas.cn/zt/kjzt/fdgx/ggqy/200305/t20030503_1709491.shtml

科學大院是中科院官方科普微平臺，由中科院科學傳播局主辦、中國科普博覽團隊運營，致力於最新科研成果的深度解讀、社會熱點事件的科學發聲。