此次新型肺炎公布以来,从基因组序列测序完成到第一款检测试剂盒获批上市,仅用了不足20天时间,速度之快,令人兴叹。核酸检测技术为新型肺炎的确诊提供了有效的依据,并加快了诊断的速度,而对于核酸检测,有些人可能还很陌生,这里介绍几种目前临床中使用的试剂盒,带大家了解使用核酸检测方法是如何确诊新型肺炎的。
核酸检测诊断的快速建立
2020年1月26日,国家药品监督管理局应急审批通过4家企业4个新型冠状病毒检测产品。其中,华大集团(下称“华大”)旗下的华大基因和华大智造2家公司的2个产品——新型冠状病毒检测试剂盒和DNBSEQ-T7测序系统,双双正式通过了国家药监局应急审批程序,成为首批正式获准上市的抗击疫情的检测产品。两款试剂盒中,一款基于RT-PCR技术的快速检测试剂盒(新型冠状病毒2019-nCoV核酸检测试剂盒—荧光PCR法),可实现3个小时内快速检测;另一款则是基于宏基因组测序检测试剂盒(新型冠状病毒2019-nCoV核酸检测试剂盒—联合探针锚定聚合测序法),能够鉴别诊断包括新冠状病毒在内的其他冠状病毒和呼吸道病原的感染,实现病毒序列快速检测。通过RT-PCR加上宏基因组检测两个检测方法结合,可更快、更全面覆盖2019-nCoV病毒检测,并监测新型冠状病毒在传播过程中可能会发生的变异。获批试剂盒将会发往各地医院、疾控中心和出入境检验检疫局,用于测定疑似患者的样本中是否有新型冠状病毒。目前,华大已储备10万人份新型冠状病毒快速检测试剂盒成品,该批试剂盒成品将紧急供给以武汉为重点的全国各地使用,应对疫情。此外,华大相关负责人透露,已紧急追加生产20万人份试剂盒,并新储备30万人份的试剂盒原料。
1月28日,批准获批的2个企业分别是达安基因和圣湘生物; 1月31日,批准获批的1个企业是上海伯杰医疗科技有限公司。另外还有多家企业等待审批,如芯超生物、优思达生物等近54家企业。有些企业直接选择在省内审批,在省内使用的方法。
优思达生物技术有限公司1月12日研发了一款全自动POCT新型冠状病毒核酸检测试剂盒,从样本处理开始最快30分钟即可测出是否感染新型冠状病毒。原理是通过对患者痰液、咽拭子、血清等样本进行全自动化提取、扩增病毒基因片段,利用荧光探针自动检测出带有特定基因片段的病毒。整个过程只需一次加样操作,剩余步骤全部由仪器自动完成,减小了感染的可能性、该产品已投入浙江省疾控、浙江大学医学院附属第一医院、卫生部北京中日友好医院等医院的临床验证使用。检验结果准确率达100%。
上海芯超生物科技有限公司于1月17日,芯超生物新型冠状病毒(2019-nCoV)核酸检测试剂盒研制成功。1月29日,芯超生物新型冠状病毒(2019-nCoV)抗体检测试剂盒(胶体金免疫层析法)研制成功。芯超生物研制成功的POCT快速检测试剂盒,运用免疫胶体金层析技术,实现对人体血清、血浆或全血中新型冠状病毒IgM/IgG抗体的体外定性检测,加样后15分钟内就可以观察结果。可以方便快速地用于该病毒感染在社区卫生服务中心、基层医院的早筛早诊,可以有效防止广大群众在大型医院密集检查而导致的交叉感染。
图1. 截止2020-02-02国内新型冠状病毒核酸检测产品生产机构分布图
截止2020-02-02国内新型冠状病毒核酸检测产品生产机构共61家,其中获得国家审批共7家,地方审批3家,已生产未获批机构51家(数据来源:"基因慧"公众号http://www.yourmap.net.cn/)。获得国家审批共7家,地方审批3家的产品及公司如下表1:
表1.获得国家药监局审批的新型冠状病毒核酸检测产品
除了核酸检测诊断以外,医学影像也被建议作为新冠肺炎诊断的一主要凭证。华中科技大学一位教授向湖北省新型冠状病毒防控总指挥部提交了《关于推荐以CT影像作为2019nCoV肺炎主要诊断依据的建议》,武汉大学中南医院影像科副主任张笑春教授也建议以此为主要诊断依据,原因如下:
1. 有些病例早期会出现影像学表现,但核酸检测出现滞后性。这些患者中的很多人既不归为疑似病理也不在新冠肺炎确诊人数中,没有得到隔离或者治疗,但部分患者后期核酸检测又呈阳性,因而有可能增加疾病传染的风险;
2. 核酸检测试剂盒质量参差不齐,核酸检测稳定可靠性尚存疑。核酸检出率低,许多病例要重复2-3次检测,很多病人咽拭子阴性但肺细胞灌洗液里有病毒;
3. CT检查及时、准确、快捷、阳性率高、肺部病变范围与临床症状密切相关,可以依据CT病变范围结合临床资料,如血氧饱和度判断患者轻重缓急,重症优先住院,轻者尽快隔离,必要时征用移动CT进社区筛查。
因此,随着对患者病情的深入了解及治疗经验的积累诊断手段也可能会进行更新。
确诊新型冠状病毒的核酸检测技术介绍
病毒核酸序列获得(基因测序)
从新型冠状病毒感染者的体液中(如肺泡灌洗液)分离疑似病毒株,经细胞培养富集,确定该病毒可在细胞系中稳定传代,然后提取目标病毒核酸,经反转录聚合酶链式反应(RT-PCR)将单链RNA转变为双链DNA,从而进行大量扩增提纯形成DNA文库,再用高通量二代测序仪进行序列检测,通过与数据库中的基因序列进行生物信息比对分析,最终获得病毒全基因组的全长序列,获取病毒基因序列是设计特异性引物进行病毒诊断的第一步。
病毒核酸快速诊断(RT-qPCR方法)
目前官方使用的病毒感染确诊方法是实时荧光定量RT-qPCR,这种简便有效的方法被大量应用于分子检测实验室的日常工作中,它的基本原理是:利用反转录酶在适当的反应条件下,以疑似患者痰液、鼻咽拭子或血液样本中提取出来的病毒单链RNA为模板,合成互补链cDNA,再引入特异性扩增引物,通过DNA聚合酶大量富集目标DNA片段,放大病毒核酸的信号;在荧光染料或荧光淬灭探针的结合下,每扩增一条特异性的DNA链就会形成一个荧光分子(图2)。荧光信号的累积与PCR产物的形成完全同步,通过荧光定量qPCR仪的接收分析,可获得样本的荧光强度增长曲线,再与已知浓度的标准品对比计算得出该样本中的病毒核酸含量(图3)。由于经过设计的病毒特异性引物只能结合病毒的基因序列,因此只有被新型冠状病毒感染的细胞组织或血液样本才能使仪器产生荧光信号,该样本来源才会被确诊为病毒阳性患者。该方法尽管十分灵敏,特异性和准确性都很高,但仍然存在假阳性或假阴性的可能,比如采集样本或实验操作时不慎与其他患者样本发生交叉污染,就会产生假阳性的结果;而部分患者体内的病毒载量较低,导致目的核酸提取浓度不够,使仪器检测不到荧光信号,就会产生假阴性的结果,因此如果要进一步确诊阳性,就需要进行重复实验核对,两次结果一致才能报告。整个实验流程从样本采集、核酸提取到荧光定量PCR,大概需要6-8小时,如果进行复核则需要约16小时,给疑似患者的及时诊断和疫情控制带来了一定挑战。
图2. 荧光定量qPCR的原理
图3. 荧光定量qPCR分析样品中目的基因的含量
病毒蛋白快速诊断(ELISA,胶体金)
与病毒的遗传物质RNA不同,病毒外壳是由蛋白质组成,但也有着特异性的分子构型,故而可以利用抗原-抗体结合的原理,对病毒外壳蛋白进行免疫学检测诊断。ELISA酶联免疫法就是一种高效且广泛使用的蛋白定量方法,该方法的原理是让能特异性识别病毒蛋白抗原的抗体结合到固相载体表面,再加入受检样本与固相抗体结合形成固相抗原复合物,然后引入用酶标记的抗体识别并结合固相抗原复合物,在洗涤多余的酶标抗体后,加入底物使酶发生颜色反应,根据颜色的变化程度进行抗原的定性或定量。该方法省去了病毒核酸提取的步骤,大大降低了检测时间,且方法较为成熟,自动化程度高,只要找到足够特异识别病毒的抗体,就能在1-3小时内获得检测结果。但是,筛选出合适的病毒识别抗体是该方法的难点,因为涉及到动物免疫和蛋白纯化过程,比起核酸检测试剂盒来说,蛋白检测试剂盒开发时间更长,生产成本更高。
无论是RT-qPCR还是ELISA诊断方法,都受到人力、时间、设备、检测条件等限制,另一种基于免疫蛋白检测原理开发的胶体金试纸则更便于人们广泛使用。胶体金试纸就是用一种胶体形式的金标记生物大分子,并在PVC材质的试纸固定,试纸上留有加样孔、检测线和质量控制线,将患者的咽拭子、肺泡灌洗液等样品加入加样孔之后,再滴加几滴液体介质,让液流向试纸另一端的吸水垫进行流动,试纸上进行层析,一般等待十余分钟的免疫反应之后,就可以看到胶体金聚集的位置上有没有红色条带出现,检测线和质控线都显色的为阳性样本,只有质控线显色的为阴性样本。该方法最大的优点就是方便快捷,但其通量也较小,比较适用于单独个体的快速确诊,但该试纸的准确性也高度依赖于抗体对病毒识别的特异性。
图4. 双抗体夹心法检测抗原的胶体金试纸原理
图5. 双抗体夹心法检测抗原的胶体金试纸法的结果判读
展望
这次新型冠状病毒疫情的发生,正值新年伊始和春节假期,是探亲访友、聚会、旅游、群体活动的高潮。为了防止疫情蔓延,按照党中央的部署,武汉首先采取了封城措施,各地也建立了登记、隔离措施。主要公共娱乐场所关闭,部分交通管制。虽然确诊人数仍然在上升(图6),但隔离措施的效果将很快显现。目前治愈的人数已呈现较大幅度的增长,让我们看到了战胜病毒疫情的希望。
图6.2月7日全国疫情趋势图
有人说,未来危险国家安全的可能不是原子弹,瘟疫的发生可能更具危险性和危害性。因此,我们要从此次疫情中吸取教训。首先,要建立和健全各级疫情发生的联防机制。主要城市要建立独立的“小汤山医院”,医院具备样品提取、患者隔离病房、ICU、分子检测、影像分析和快速转运机制。一旦有可疑病例发生,可以尽快启动追根循源机制,减少扩散风险的发生。利用网络和APP系统建立医院24小时预诊体系,通过筛查,患者可直接在附近药房取药获得初步治疗;一旦病情加重可经预诊体系到指定医院就诊。
其次,建立病原体快速检测程序。我们需要根据常见的细菌、病毒类型,建立初步筛查的诊断试剂盒,至少在疾病发生初期,就能确定发病的主要原因,区分细菌,病毒或其他病原微生物,是否具有潜在的传染性。进一步再明确是否是已知的亚型,还是新发的变异类型。经两步筛查,可避免存在的有症状但并没有查出有冠状病毒的情况而造成传染发生。
再者,加强和加快抗病毒药物和病毒疫苗的研发。本次疫情发生后,所有的医生都说没有特效药,只能对症治疗,使疫情的防治如履薄冰。很大程度上,要靠患者的自身免疫力的恢复。因此,调动各方积极性,包括中西医结合方法,广泛开展有针对性的治疗研究,如流感病毒,冠状病毒,EB病毒,埃博拉病毒,SARS病毒等,开发疫苗和相应药物研究,为疫情防治奠定坚实基础。
最后,我们看到,此次疫情发生后,习总书记亲自指挥和部署,从上到下,万众一心,众志成城。“只要坚定信心、同舟共济、科学防治、精准施策,我们一定会战胜这一次的疫情。”要预耐
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