病毒檢測(cè)的科學(xué)

董揚(yáng)

疾病的檢測(cè)和甄別對(duì)于治療至關(guān)重要，新冠肺炎導(dǎo)致的肺炎曾被當(dāng)作普通流感治療。病毒核酸檢測(cè)是一種從基因水平進(jìn)行篩查檢測(cè)的方法，相較于血清學(xué)檢測(cè)，有更高的特異性和靈敏性，它可檢測(cè)出標(biāo)本中極低含量的病毒，并大大縮短了病毒檢測(cè)“窗口期”。

直到今天，我們對(duì)微生物的了解還是極其有限的。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17世紀(jì)顯微鏡逐漸成形后，人類終于可以看到微生物了，但是對(duì)于致病微生物的發(fā)現(xiàn)，一直以來(lái)都困難重重。

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(shù)量最多，種群最為豐富。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(shù)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。

古希臘醫(yī)學(xué)認(rèn)為，人體是由四種體液構(gòu)成，即血液、黏液、黃膽汁和黑膽汁，這四種體液對(duì)應(yīng)到四種元素、四種氣質(zhì)，并認(rèn)為四種體液在人體內(nèi)失去平衡就會(huì)造成疾病，又稱為四體液學(xué)說(shuō)、四體液說(shuō)，這一觀點(diǎn)主導(dǎo)了歐洲長(zhǎng)達(dá)2200年?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)端以來(lái)，歐洲的醫(yī)學(xué)一直圍繞著四種液體進(jìn)行。

所以，顯微鏡發(fā)明以后，醫(yī)生們也自然而然地將目光鎖定在血液上，并很快意識(shí)到，正常人的血液是無(wú)菌的。通過(guò)用顯微鏡檢測(cè)血液中是否有微生物，人類發(fā)現(xiàn)了敗血癥的原因;通過(guò)檢測(cè)體液，人類發(fā)現(xiàn)了霍亂的致病菌。很長(zhǎng)一段時(shí)間，我們的病原微生物發(fā)現(xiàn)都采取“觀察看見—分類培養(yǎng)—接種動(dòng)物試驗(yàn)確認(rèn)”的方式來(lái)進(jìn)行。一路下來(lái)，成果也著實(shí)驚人。

現(xiàn)代傳染病研究是建立在病原微生物的發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)上的，快速鑒別病原，甚至是一些很難分離和培養(yǎng)的病原微生物，能在不需要培養(yǎng)的情況下就精確鑒定，是每一個(gè)傳染病研究和治療中最關(guān)鍵的技術(shù)。

1953年，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)被揭示，核酸是生命的基礎(chǔ)這樣的觀點(diǎn)開啟了新的時(shí)代，人們?cè)O(shè)想對(duì)于病原微生物檢測(cè)，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?？墒且獙?shí)現(xiàn)核酸的檢測(cè)卻非常困難，一個(gè)成年人的細(xì)胞中，也僅有3皮克DNA（1皮克為萬(wàn)億分之一克），必須要通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法放大檢測(cè)。

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)申請(qǐng)專利后，人們開始在試管里大量復(fù)制任何DNA片段，從此使得人類在體外檢測(cè)病原體的DNA變成了現(xiàn)實(shí)。

1963年，埃德爾曼（Edelman）與羅德尼·羅伯特·波特（Rodney Robert Porter）結(jié)合兩人多年的研究結(jié)果，提出了比較成熟的抗體分子模型。1975年，英國(guó)科學(xué)家米爾斯坦（Milstein）和法國(guó)科學(xué)家科勒（Kohler）發(fā)明了單克隆抗體制備技術(shù)。1976年，日本科學(xué)家利根川進(jìn)和同事發(fā)現(xiàn)人體中可以通過(guò)基因重排，產(chǎn)生數(shù)百億種不同的抗體，很好地解釋了抗體可以特異識(shí)別抗原的原理。這樣人們就可以大量獲得特異性很高、純度很高的抗體，并且利用這些抗體的特異性實(shí)現(xiàn)對(duì)病原微生物的檢測(cè)，而且這種“抗原—抗體”反應(yīng)非常迅速，并且可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)試劑和抗體結(jié)合，讓檢測(cè)結(jié)果通過(guò)顏色反應(yīng)肉眼可見，于是，就有了我們熟知的檢測(cè)試紙條。

病毒沒有自己的代謝機(jī)構(gòu)，也沒有酶系統(tǒng)，因此病毒離開了宿主細(xì)胞，就成了沒有任何生命活動(dòng)、也不能獨(dú)立自我繁殖的化學(xué)物質(zhì)。但一旦進(jìn)入宿主細(xì)胞后，它就可以利用細(xì)胞中的物質(zhì)和能量擁有復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯的能力，按照它自己的核酸所包含的遺傳信息，產(chǎn)生和它一樣的新一代病毒。

病毒比細(xì)菌小很多，又是寄生在細(xì)胞內(nèi)，致病病毒的檢測(cè)要遠(yuǎn)比致病細(xì)菌檢測(cè)難很多，病毒的培養(yǎng)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比細(xì)菌培養(yǎng)難，如果依靠傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，我們依然很難發(fā)現(xiàn)并追蹤病毒，這個(gè)人類殺手將變得更加肆無(wú)忌憚。

幸好有了歷代科學(xué)家的積累和發(fā)現(xiàn)，人類掌握了核酸檢測(cè)技術(shù)和抗體檢測(cè)技術(shù)。以本次新型冠狀病毒檢測(cè)為案例，目前我們可以用的成熟的檢測(cè)試劑盒有兩種：

基于熒光定量PCR檢測(cè)技術(shù)的試劑盒，如華大基因捐贈(zèng)的試劑盒等，這些試劑盒是目前主流的檢測(cè)試劑盒。由于冠狀病毒無(wú)論是寄生狀態(tài)還是游離狀態(tài)，它都需要有遺傳物質(zhì)，也就是它自己的RNA，RNA可以通過(guò)反轉(zhuǎn)錄酶變成DNA，之后再通過(guò)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)的信號(hào)擴(kuò)增放大，在擴(kuò)展放大過(guò)程中，加入熒光基團(tuán)結(jié)合在擴(kuò)展產(chǎn)物上，檢測(cè)的時(shí)候用儀器讀取熒光值，不但可以實(shí)現(xiàn)定性檢測(cè)，判斷病毒有無(wú)，還可以實(shí)現(xiàn)初步的定量檢測(cè)，判斷病毒數(shù)量多少。這種檢測(cè)方法非常精準(zhǔn)，特異性和靈敏度都非常高。

基于抗體檢測(cè)技術(shù)，這類檢測(cè)試劑盒一般被制備成為試紙條，試紙條上化學(xué)修飾過(guò)的針對(duì)新型冠狀病毒抗體，在遇到待檢測(cè)體液中的病毒，會(huì)快速發(fā)生“抗原—抗體”反應(yīng)，出現(xiàn)不同的顏色，整個(gè)檢測(cè)時(shí)間可以控制在15分鐘內(nèi)，結(jié)果肉眼可視，這種檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)檢測(cè)（POCT），但是準(zhǔn)確性略差，特別是在病毒潛伏期，病毒濃度和數(shù)量都較少的時(shí)候，容易漏篩。

1月6日完成病毒測(cè)序后，新型冠狀病毒的檢測(cè)發(fā)生了轉(zhuǎn)折性的變化。通過(guò)測(cè)序技術(shù)所獲得病毒的基因組信息，同時(shí)分離病毒，現(xiàn)代的檢測(cè)技術(shù)讓病毒一旦被鎖定就無(wú)處可遁。華大基因的創(chuàng)始人汪建老師提出，“建設(shè)萬(wàn)人級(jí)別的檢測(cè)中心”是對(duì)目前檢測(cè)的最好解決方法，集中檢測(cè)不但效率更高，還可避免病毒在檢測(cè)環(huán)節(jié)的二次傳染。

◎ 來(lái)源|科技日?qǐng)?bào)（有刪減）