病毒檢測的科學

董揚

疾病的檢測和甄別對于治療至關重要，新冠肺炎導致的肺炎曾被當作普通流感治療。病毒核酸檢測是一種從基因水平進行篩查檢測的方法，相較于血清學檢測，有更高的特異性和靈敏性，它可檢測出標本中極低含量的病毒，并大大縮短了病毒檢測“窗口期”。

直到今天，我們對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世紀顯微鏡逐漸成形后，人類終于可以看到微生物了，但是對于致病微生物的發現，一直以來都困難重重。

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。

古希臘醫學認為，人體是由四種體液構成，即血液、黏液、黃膽汁和黑膽汁，這四種體液對應到四種元素、四種氣質，并認為四種體液在人體內失去平衡就會造成疾病，又稱為四體液學說、四體液說，這一觀點主導了歐洲長達2200年。現代醫學發端以來，歐洲的醫學一直圍繞著四種液體進行。

所以，顯微鏡發明以后，醫生們也自然而然地將目光鎖定在血液上，并很快意識到，正常人的血液是無菌的。通過用顯微鏡檢測血液中是否有微生物，人類發現了敗血癥的原因;通過檢測體液，人類發現了霍亂的致病菌。很長一段時間，我們的病原微生物發現都采取“觀察看見—分類培養—接種動物試驗確認”的方式來進行。一路下來，成果也著實驚人。

現代傳染病研究是建立在病原微生物的發現基礎上的，快速鑒別病原，甚至是一些很難分離和培養的病原微生物，能在不需要培養的情況下就精確鑒定，是每一個傳染病研究和治療中最關鍵的技術。

1953年，DNA雙螺旋結構被揭示，核酸是生命的基礎這樣的觀點開啟了新的時代，人們設想對于病原微生物檢測，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。可是要實現核酸的檢測卻非常困難，一個成年人的細胞中，也僅有3皮克DNA（1皮克為萬億分之一克），必須要通過實驗方法放大檢測。

聚合酶鏈式反應（PCR）技術申請專利后，人們開始在試管里大量復制任何DNA片段，從此使得人類在體外檢測病原體的DNA變成了現實。

1963年，埃德爾曼（Edelman）與羅德尼·羅伯特·波特（Rodney Robert Porter）結合兩人多年的研究結果，提出了比較成熟的抗體分子模型。1975年，英國科學家米爾斯坦（Milstein）和法國科學家科勒（Kohler）發明了單克隆抗體制備技術。1976年，日本科學家利根川進和同事發現人體中可以通過基因重排，產生數百億種不同的抗體，很好地解釋了抗體可以特異識別抗原的原理。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現對病原微生物的檢測，而且這種“抗原—抗體”反應非常迅速，并且可以實現化學試劑和抗體結合，讓檢測結果通過顏色反應肉眼可見，于是，就有了我們熟知的檢測試紙條。

病毒沒有自己的代謝機構，也沒有酶系統，因此病毒離開了宿主細胞，就成了沒有任何生命活動、也不能獨立自我繁殖的化學物質。但一旦進入宿主細胞后，它就可以利用細胞中的物質和能量擁有復制、轉錄和轉譯的能力，按照它自己的核酸所包含的遺傳信息，產生和它一樣的新一代病毒。

病毒比細菌小很多，又是寄生在細胞內，致病病毒的檢測要遠比致病細菌檢測難很多，病毒的培養也遠遠比細菌培養難，如果依靠傳統的檢測方法，我們依然很難發現并追蹤病毒，這個人類殺手將變得更加肆無忌憚。

幸好有了歷代科學家的積累和發現，人類掌握了核酸檢測技術和抗體檢測技術。以本次新型冠狀病毒檢測為案例，目前我們可以用的成熟的檢測試劑盒有兩種：

基于熒光定量PCR檢測技術的試劑盒，如華大基因捐贈的試劑盒等，這些試劑盒是目前主流的檢測試劑盒。由于冠狀病毒無論是寄生狀態還是游離狀態，它都需要有遺傳物質，也就是它自己的RNA，RNA可以通過反轉錄酶變成DNA，之后再通過聚合酶鏈式反應（PCR）實現指數級的信號擴增放大，在擴展放大過程中，加入熒光基團結合在擴展產物上，檢測的時候用儀器讀取熒光值，不但可以實現定性檢測，判斷病毒有無，還可以實現初步的定量檢測，判斷病毒數量多少。這種檢測方法非常精準，特異性和靈敏度都非常高。

基于抗體檢測技術，這類檢測試劑盒一般被制備成為試紙條，試紙條上化學修飾過的針對新型冠狀病毒抗體，在遇到待檢測體液中的病毒，會快速發生“抗原—抗體”反應，出現不同的顏色，整個檢測時間可以控制在15分鐘內，結果肉眼可視，這種檢測可以實現即時檢測（POCT），但是準確性略差，特別是在病毒潛伏期，病毒濃度和數量都較少的時候，容易漏篩。

1月6日完成病毒測序后，新型冠狀病毒的檢測發生了轉折性的變化。通過測序技術所獲得病毒的基因組信息，同時分離病毒，現代的檢測技術讓病毒一旦被鎖定就無處可遁。華大基因的創始人汪建老師提出，“建設萬人級別的檢測中心”是對目前檢測的最好解決方法，集中檢測不但效率更高，還可避免病毒在檢測環節的二次傳染。

◎ 來源|科技日報（有刪減）