華大基因CEO尹燁:核酸檢測的原理是什麼?

瘟疫和病毒的知識與人類日常生活息息相關，從獲得健康長壽的生命，到提高生活質量，再到下一代的遺傳和養育，這其中的答案，其實都與生命科學息息相關。

隨著新冠肺炎的爆發，「核酸檢測」這種醫學檢測手法也進入了大眾的視野。那麼，核酸檢測的原理是什麼？為什麼核酸檢測會有一定機率出錯？面對新發感染性疾病，人類還有更先進的病原體檢測手法嗎？

華大基因CEO、《生命密碼2》作者尹燁就在他的新書中為我們講述了病原檢測的過去與未來。

【直播回顧：人類壽命簡史：我們能否高質量長壽？】

核酸檢測的原理是什麼？

1953 年 DNA 雙螺旋結構的發現，開啟了分子生物學時代，使人類對病原體的研究從形態學層次深入到分子層次。

基於分子水平的核酸檢測技術漸漸成為病原體檢測的主流，它不必預先對病原體進行分離培養便可直接檢測，方便快捷，而且靈敏度更高。

圖：信息時報 陸明傑 攝

核酸檢測技術是基於核酸雙鏈互補配對原則的核酸雜交技術，技術人員合成一段與特定病原體 DNA 或者 RNA 互補的單鏈核酸序列作為探針，並用生物素、放射性同位素、酶等進行標記，讓其與待測病原體的核酸進行雜交。

如果探針能與待測病原體的核酸互補配對，便能觀察到標記物的信號，這樣就可以證實待測病原體的種類。

這類檢測技術的特異度和靈敏度均較高，對感染性疾病的早期診斷有至關重要的意義。

示意圖：探針與病原體核酸互補結合後，探針上的標記物便會顯色，通過觀察病原體樣本是否顯色即可確定病原體的種類（繪圖：李靖）

然而，有時因為患者體內的病原體核酸含量過低，檢測時會有一定的難度。20 世紀八九十年代，PCR 技術的應用使待檢測的病原體核酸數量可以成千上萬地擴增，大大提高了核酸檢測技術的應用性和準確性。

病原體免疫檢測技術進化史

在古代，人們把大範圍暴發的感染性疾病稱為瘟疫，「醫聖」張仲景在其著作《傷寒雜病論》中提到：

「建安元年，丙子年，南陽自此連年疾疫，不到十年之間，張仲景宗族兩百餘口，死者竟達三分之二。」

肉眼一般只能看到直徑大於 100 微米（0.1 毫米）的物體，而絕大多數病原體微生物至多是這個尺度的五十分之一，因此古代醫生無法鑑別引發瘟疫的病原體，只能通過「望聞問切」等方法觀察患者症狀來確定所患的是何種疾病，從而對症治療。

圖：紀錄片《本草中華》

1670 年，安東尼 · 列文虎克（Antony van Leeuwenhoek）改進了顯微鏡。基於顯微鏡技術的微生物學、寄生蟲學等學科相繼誕生，並催生了病原檢測技術。

19 世紀的德國細菌學家羅伯特 · 科赫（Robert Koch）是病原微生物學的開拓者。他發明了用苯胺對細菌進行染色的細菌染色法，以及微生物的固體培養基培養法和懸滴培養法。

科赫提出了著名的科赫法則（Koch’s Postulates）: 對於某種感染性疾病，如果每一個患者體內都能找到同樣的微生物，再把這種微生物提取、培養後，接種到健康宿主體內能引起相同的病症，而且被感染的宿主體內能提取到這種微生物，就說明這種微生物是感染性疾病的病原體。

在科赫的理論上發展起來的現代病原體檢測方法包括塗片染色後顯微鏡觀察和病原體培養檢測。這兩種方法簡便易行，是極為常用的病原體檢測方法。

愛德華·詹納醫生為人接種「牛痘」

隨著十八、十九世紀牛痘疫苗、炭疽疫苗和狂犬疫苗等疫苗的發明，人類對免疫機制的研究越來越深入。

基於免疫學中的抗體與抗原特異性結合的原理，多種免疫檢測技術相繼誕生，在病原體免疫檢測中，根據患者體內的病原體能否與特定抗體結合，便可判斷病原體的種類。

假如病毒再度變異，更好的檢測方式是什麼？

測序技術發明後，人類獲得了窺探生命遺傳本質的能力，自此步入基因組學時代。而 20 世紀 70 年代 DNA 測序技術的發明，為感染性疾病的精準診斷和精準治療奠定了基礎。

近幾十年來新發感染性疾病不斷增加，現有病原體經過變異形成新的病原體，原先未被發現的病原體入侵人類社會。

SARS病毒顯微鏡照片 圖/NIH Image Gallery / Flickr

部分新發感染性疾病如非典等，傳播速度快、波及範圍廣，具有嚴重的社會危害性。而人類對新發感染性疾病所知不多，在疾病出現之初不但缺乏成熟的防治方法，有時甚至難以診斷其病原體。

在這種情況下，運用 mNGS 技術可以幫助醫生對新發、疑難感染性疾病進行診斷，快速明確感染病原，及時對患者進行精準治療。

2017 年 6 月，一位菲律賓籍船員在唐山港口出現頭痛、意識障礙、左半身偏癱的症狀。

院方和華大基因採用 mNGS 技術，僅用了 30 個小時便從患者腦脊液樣本中檢出結核桿菌，證明患者感染的是結核性腦膜炎。明確病原之後，院方立即進行了針對性治療，患者於 7 月中旬順利出院回國。

感染性疾病的傳統檢測技術對實驗室場地建設、儀器設備、從業人員等有很高的要求。

與之相比，即時檢測（point of care testing， POCT）技術將各種專業檢測技術整合到一個小型機器中，操作簡易，非專業檢測人員也可進行操作；檢測場地也不受限制，在家庭、公共場所都能進行檢測；檢測速度快，患者能得到及時的診斷和治療。

未來的即時檢測的檢測設備將向小型化、自動化、簡易化的趨勢發展。

病原檢測技術的發展前景

隨著技術的發展，檢測對象已經從病原體個體水平深入到分子水平，並進一步深入到 DNA 單鹼基差異水平；病原體特性鑑定從種屬水平到單個病原體水平及其耐藥屬性，甚至到微生物群體水平；病原體檢測範圍從常見性病原擴展到少見、罕見性病原，從細菌病毒擴展到全部微生物甚至寄生蟲；診斷模式也將從醫生經驗性的假設診斷到不需要提前預設病原體的數據診斷。

這些進步都為現代感染性疾病的精準預防、精準診斷和精準治療提供了保障。

展望未來，感染檢測技術的發展重點會向著更準確、更快速、更便宜和更便捷的方向發展。

隨著分子診斷技術，特別是測序技術成本的進一步降低以及檢測速度和性能的進一步提高，再複雜的病原診斷也將不再困難，人類對於微生物的認知也將更加全面、更加清晰，傳染、感染疾病的精準醫療時代即將全面到來。