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三问美新冠检测怎么运作为何检测为何检不上

发布时间:2020-03-23 23:28:28 作者:责任编辑。王凤仪0768

  出品:新浪科技

  编译:木尔

谁生病了?病情多严重?疾病传播速度多快?在美国,没有一个令人满意的答案,原因很简单也细思恐极:没有足够的试剂盒。

  截至3月16日,俄亥俄州的新冠病毒确诊病例为5例。但是在俄亥俄卫生局局长艾米·阿克顿(Amy Acton)看来,这只是危险的冰山一角中的一小部分。“我们大家都知道,社区传播的事实表明,目前俄亥俄州至少有1%的人口可能是病毒的携带者,”阿克顿在周四的新闻发布会上说,“而我们州人口总计1170万。”换句话说,按照阿克顿的推测,仅俄亥俄一州就有11.7万名感染者。

  阿克顿是怎么知道这些的呢?理论上讲,她并不知道。她只能从科学家目前已经掌握的关于这次大流行病的有限数据进行推断。官方多个方面数据显示,全球确诊病例共计13万例。所以,俄亥俄州潜在的6位数病例,着实骇人听闻,更不用说美国其他州的潜在病例数。

  这个数据到底正确与否,也是公共卫生工作人员迫切想知道的。谁生病了?病情多严重?疾病传播速度多快?只是在美国,没有一个令人满意的答案,原因很简单也细思恐极:没有足够的试剂盒。和流感,或者之前的其他冠状病毒如SARS或MERS,或者性传播疾病,或者其他感染不同,卫生工作人员根本无从判断坐在他们面前的人是不是新冠病毒携带者。检测的技术其实是有的,而且也不怎么复杂。只是试剂盒不够用。眼下,距疫情爆发已过去了四个月,距美国境内发现首例“社区传播”病例已过去两周,医生和卫生工作人员仍无法对所有人进行新冠病毒检测。(这样的局面或许最终会得到改变。3月13日,美国食品和药物管理局(FDA)已经批准两家公司进行商业检测。两家公司分别是瑞士的罗氏制药和医疗器械制造商赛默飞世尔。这两家公司在医疗测试和销售方面的丰富经验,意味着即时提供200份试剂盒并不是天方夜谭。)

  美国企业研究所(American Enterprise Institute)有一个估算美国当前总检测能力的项目。项目认为总检测能力应该在每天2.2万次以上——大约是韩国每日检测数量的两倍。这么大的缺口限制了科学家对疾病的了解,也限制了他们对治疗措施的研究。美国或将迎来一个十分可怕的感染曲线,受感染人数呈指数级增长。很大一部分美国人可能会发展成为重症患者,进而需要入院治疗,其中一部分很有一定的概率会不治身亡。在1月或2月份的时候,我们没有人着手开展足够的检测,来防微杜渐;而现在,依旧也没有足够的检测,来摸清未来的严重性。个中原因既有科学上的因素,也有政治上的因素,日后问题的解决也需要科学和政治双管齐下。

  广义上讲,应对传染病暴发,包括两个阶段:遏制和缓解。遏制阶段始于病例发现的初期。负责监督的公共卫生工作人员需要一一排查,确认与确诊患者可能有过接触的人员,通知他们并对他们采取隔离或给予治疗,以减少进一步的传播。但这里就存在一个问题:如果无法检测接触人员是否受感染,那么卫生工作人员也就无法有效地阻止进一步传播。

  在第二个阶段,疾病已经扩散,公共卫生系统已经无法调查和处理个别病例,人们需要知道他们即将面临的危险。但是,如果无法对大量人群进行仔细的检测,人们也就无法计算出究竟有多少患者需要住院治疗,或者有多少患者可能会死亡。这些数据会根据地区显示出来。针对这次的新冠病毒疫情,根据各个国家进行仔细的检测的深度和他们实际公布的数据,病死率从1%到15%的都有。造成差异的因素各种各样,从人口的整体健康状况到国家的医疗保健系统等等。如果可以知道哪一个病死率更为准确的话,那就好了。

  随着抗疫已经从个人上升到整个人口层面,保持社交距离、取消大型活动、关闭学校并通知人员居家工作等各种缓解措施,不仅是为了降低受感染人数,也为了“抚平曲线”——流行病学家解释说。该曲线表示给定时间内的患者人数,眼下最理想的状态就是尽量把“海啸”状曲线缓解为“一片涟漪”状,除了必要的减少受感染总人数之外,还要把时间间隔拉长。这是因为美国医院的人员、设备及空间有限:每1000个人平均拥有2.9个病床位。这个数据,虽不及意大利,但好过伊朗,这两个国家的医疗系统都在经受严峻考验。另外,也是为了给研发治疗方案,争取更多时间。

  新冠病毒检测的工作原理

  在测试诸如SARS-Cov-2这类新病毒时,第一波诊断几乎全都依赖于两项尽管不是十分现代但却很重要的技术。

  第一个技术叫做聚合酶链式反应(PCR),它是一项DNA扩增技术,通常在实验室中使用,可在短时间内扩增目标DNA,以便对其做多元化的分析研究。凯利·穆利斯(Kary Mullis)在1983年发明聚合酶链式反应,利用加热和冷却循环,大量复制样本稀少的DNA。穆利斯因此获得1993年诺贝尔化学奖。再结合可标记DNA的荧光染色剂,PCR可以让科学家知道具体的DNA数量。PCR技术可拿来有效判断病原体的存在(无论是在宿主体内还是遗留在物体表面)。

  但是,由于SARS-CoV-2这类病毒的基因组为单链RNA构成,因此科学家在检测之前,需要先把病毒的基因组转变为双链的DNA。这时候,他们就需要逆转录酶来帮忙。将这两个技术组合在一起,就是逆转录聚合酶链式反应(RT-PCR)。

  当前,RT-PCR是检测一个人是否感染新冠病毒的唯一方法。其他检测的新方法均无法区分新冠病毒与流感病毒,更无法区分新冠病毒与其他十几种在每年这样一个时间段引起呼吸道疾病的病毒。明尼苏达大学分子病毒学研究所主管路易斯·曼斯基(Louis Mansky)说:“(RT-PCR)是微生物实验室中普遍使用的一项标准且可靠的技术,它可以迅速应用于临床测试,大概也是开发起来最快的检测的新方法。”

  但问题是,在其他检测的新方法得到开发并获得批准之前,所有新冠病毒的检测都只能在实验室里由受过专门训练的技术人员做相关操作。检测需要PCR设备以及经过培训的设备操作员,这在某种程度上预示着新冠病毒检测无法在诊所或患者家中进行。但曼斯基也说,由于PCR在生物学界的地位举足轻重,因此很多大学和医院的研究实验室都配备了必要的设备和人员。只是在美国,只有经过联邦医疗保险和医疗补助服务中心认证的实验室,才能处理临床样本。而这个所谓的认证过程,耗时数月。Kalorama Information是一家专门研究医疗诊断的市场研究公司。该公司的出版负责人布鲁斯·卡尔森(Bruce Carlson)说:“我们对医疗检测有着十分繁琐的监管体系,既担心错报,又担心漏报。”

  试剂齐全的话,基本上一天就可以出结果。但是试剂短缺和运输物流会导致一次检测需要数天乃至数周才出结果。(事实上,这样的一个问题已经存在,我们稍后会详述。)下面,让我们来捋一遍正常的流程:

  第一步,收集样本。医护人员用无菌拭子擦拭患者鼻腔或喉咙后部,目的是采集从之前在肺部停留过的物质。目前,普遍认为,病毒在肺部进行复制。采集完成后,拭子被密封起来,装在冷藏容器内,送往检测实验室。样本的储存温度必须保持在1.7℃至4.4℃之间。另外,如果样本采集后四天内未做处理,就需要把样本放进冷冻柜或做废弃处理。

  样本送到实验室后,第一步要做的是从样本中分离出RNA。样本中的其他物质——人体细胞、蛋白质、酶等会破坏病毒的基因密码。这一步叫做RNA提取。手动提取RNA需要添加化学物质,然后用离心分离法析出RNA。一些大型的生化供应商会提供试剂盒,里面有RNA分离所需的一切。也有自动化机器可以完成RNA分离。

  RNA分离出来后,就是往里边加入逆转录酶,把单链的RNA变成双链的DNA。再接下来,把处理好之后的DNA,连同核苷酸、DNA聚合酶和一小段DNA合成片段(即“引物”)一起,放入试管。这些引物的作用是发现并结合病毒基因组的特定片段。简言之,如果一切正常的话,它们应该只会识别和扩增病毒的基因物质,而无视样本中的其他一切“杂质”,比如人类或细菌的DNA。

  这一切都在PCR仪器内完整。PCR仪器可以控制温度循环。对试管加热时,DNA的双螺旋结构分裂成两条单链,每条单链的一侧暴露在外。随后,对试管进行降温,这时引物配对到单链裸露在外的一侧。然后,DNA聚合酶利用引物作为DNA复制的起始点,根据单链的结构开始构建互补链。五分钟后,一条完整的DNA双链就复制好了。经过30到40次循环,一个DNA结构可以扩增至数百万个,足够科学家对其进行检测。

  检测过程是这样的:在PCR扩增阶段,科学家会往试管里加入荧光染色剂。这些染色剂只会在遇到DNA时发光发亮,可以很好地用来标记DNA。随着DNA数量的增加,荧光强度也随之上升。PCR仪器内部的特殊光测量仪可以读取这些荧光图,从而判断哪些样本中有病毒,哪些没有病毒。“如果某一份样本里有冠状病毒,那么它的RNA就会被转录成DNA,进而复制扩增,最后荧光信号会告诉我们检测结果是阳性还是阴性,”曼斯基说。

  协议开发

  关于RT-PCR,较为重要的一点是,它不是针对某一种病毒的一项测试;而是一种用来识别特定基因序列的方法,大范围的应用于全球的学术、商业和公共卫生实验室。并且,科学家用来获得可靠结果的具体“配方”——使用哪一种RNA提取试剂盒、哪一台PCR仪器以及哪些引物——也各有不同。这些具体的“配方”,我们称之为“协议”。

  当有新的疾病——比如这一次的新冠病毒疾病——出现时,大学、国家研究机构和公共卫生组织(如国家疾控中心等)等往往会在第一时间制定出RT-PCR协议。他们拥有生物安全实验室,可以处理致命的新型病原体(包括培养病原体的能力),这是验证各种检测有效性的关键一步。一旦机构有了初步检测,他们就可以把检测下放到当地的公共卫生实验室和医院。最终,如果疫情持续扩散,商业实验室和诊断公司也会生产他们自己的检测试剂盒。

  从今年1月份开始,中国研究人员率先发布了SARS-CoV-2的第一个全基因组序列。此后不久,世界各地的组织陆续开始设计、测试和公布用过检测新型冠状病毒的RT-PCR协议。世界卫生组织作为向检测实验室提供资源的一个机构,一直在更新协议清单,以及最佳操作指南。

  其中就有美国疾控中心开发的协议。美国疾控中心的检测包括四组引物。前两组引物分别叫做“N1”和“N2”,针对SARS-CoV-2基因组的独特编码区,这部分编码区关系到包裹和保护病毒基因物质的蛋白质。第三组引物针对SARS样病毒属的共有基因。第四组(也是最后一组)引物针对人类基因,可用作阳性质量控制。理论上,每次检测都应该100%地标识出人类基因目标;如若不然,则说明检测有问题。有些与SARS-CoV-2不相关的DNA,理论上也不会与前三个引物产生反应,对此试剂盒也有相应的阴性对照说明。美国疾控中心曾在1月份的时候,开始使用这套协议对有武汉旅行史的人进行病毒检测。

  2月4日,也就是美国疾控中心检测到美国第一例新冠病毒患者的两周之后,FDA发布紧急授权,越过平日的监管渠道,直接允许全国经认证的公共卫生实验室对病毒进行仔细的检测。疾控中心将四组引物、连同相关的荧光试样,打包到试剂盒内,每一个试剂盒可处理700至800份样品。从2月5日开始,通过该部门自己的分发机构——International Reagent Resource,疾控中心正式开始把200个试剂盒发送到全国115个有资质进行仔细的检测的公共卫生中心实验室。

  然而,事情就是从这里开始跑偏。

  漏洞百出、乱成一团,繁文缛节火上浇油

  试剂盒送达各州实验室后,当地的科学家便开始着手验证检测结果。其中涉及使用试剂盒检测已知的样本,来确保试剂盒可以正确检测出SARS-CoV-2,同时又不会错误地标记未感染样本。但很多实验室都遇到了各种各样的问题。在有些实验室,阴性对照不起作用;而在另外的一些实验室,本该得出阳性结果的,检测下来却结果不明。

  2月12日,美国疾控中心宣布问题出在试剂上。本该标记冠状病毒共有基因的第三组引物,没能够正常工作。疾控中心官员通知实验室说,不要急,新的试剂盒马上送到。结果,几周过去了,仍只有少数几个州的零星实验室有能力检测新冠病毒。在其他地方,卫生部门只能把疑似患者的样本直接送到疾控中心等待检测。更不巧的是,彼时疾控中心的检测标准十分苛刻:只有有明显症状且有中国旅行史的患者,才有资格接受检测。对此,《纽约时报》的一篇报道说,这在某种程度上预示着,在病毒传播至美国的关键早期阶段,很多受感染者未能被及时发现。

  就在美国疾控中心努力寄出更多试剂盒的同时,其他受疫情影响的国家则开始采用世卫组织公布的其他协议。相比之下,一直到2月25日,除了疾控中心之外,美国仅5个州的12个实验室有能力检测新冠病毒。根据疾控中心网站的网页存档,当时美国仅426人接受了检测。(从3月2日开始,该机构不再公布检测人数。)与此同时,据报道,韩国每天接受检测的人数为1.5万人——相当于美国迄今为止接受检测的总人数。

  原则上,只要设备齐全,美国任何一家具有资质的实验室理应都可以检测病毒,包括医院和商业实验室。他们所需要做的就是使用世卫组织发布的任何一项协议,来订购引物,继而开始新冠病毒检测。但实际上,因为各种新发布的繁文缛节的存在,他们什么都做不了,只能等待疾控中心分拨更多试剂盒。

  为什么会这样呢?这要从1月份那会说起。当时,联邦医疗卫生机构宣布新冠病毒疾病为公共卫生紧急事件,随后触发一系列规则,其中包裹要求所有检测都必须经过FDA的“紧急使用许可”程序审核。这些规则提高了试剂盒开发和独立实验室检测病毒的门槛。在非紧急情况下,FDA通常不会插手这类检测。但是根据紧急规则,任何想要检测新冠病毒的实验室都必须先进行一系列验证研究,并把数据提交给FDA进行审核。然而进行验证研究首先需要有病毒样本;但若非疾控中心,想要获得病毒样本谈何容易。

  为了保持一致性,FDA选择仅对疾控中心的试剂盒开放紧急许可,为的是确保对各州、各县和各市的卫生部门进行统一的监督。“政府采取的检测策略非常狭隘。换言之,即便试剂盒有效,短时间内检测能力也不会显著提高,”约翰霍普金斯公共卫生学院卫生政策研究员约书亚·沙夫斯坦(Joshua Sharfstein)说,“政府的意思无异于,我们只能使用疾控中心开发的试剂盒,不仅如此,这个试剂盒只能由疾控中心打包和分发,并且只能由州立实验室来做检测。”

  结果,美国的所有实验室只能用疾控中心送来的试剂盒检测新冠病毒。他们不能订购自己的引物和荧光试剂,哪怕他们自己购买的引物和荧光试剂跟疾控中心使用的一模一样。更糟的是,当疾控中心的试剂盒存在缺陷时,下级实验室除了等待,别无选择。

  此时此刻,除了政府之外,没人知道为什么美国还不使用为世卫组织研发的检测的新方法。这个检测的新方法已经在120多个国家使用。一名世卫组织发言人拒绝回答该问题,诸如卫生和公共服务部长亚历克斯·阿扎尔(Alex Azar)一众的美国议员则对该问题始终避而不答。可想而知,官僚主义占了很大因素——该检测要在美国获得批准,可能需要很长很长的时间。有些人则怀疑是政治因素在作怪。健康政策记者丹·戴蒙德(Dan Diamond)在一档节目中称,特朗普总统有意拖延检测效率,因为确诊病例人数过高会影响他的连任计划。

  2月29日,随着公共卫生灾难愈演愈烈,提高检测能力的压力也慢慢变得大。FDA此时不得不更改其监管规定,改口允许有资质的临床实验室开发和使用他们自己的试剂盒来检测新冠病毒,且无需事先批准。沙夫斯坦说:“西海岸社区传播病例浮出水面,给人们敲响了警钟。等到周末,FDA只能松口。”

  在新的政策下,实验室仍需将数据提交给FDA审核。但现在,在内部验证了检测之后,他们可以有两周的时间来准备需要提交给FDA的数据。在此期间,患者样本的检测也可以同步进行。

  根据美国企业研究所编制的数据,协议放宽后,两家大型商业诊断实验室Quest Diagnostics和LabCorp,均慢慢的开始每天检测数千份样本。Quest Diagnostics发言人还表示,预期到三月底,公司每周可以检测上万份样本。大学和医院也纷纷开始行动起来。

  只不过,监管的问题现在算是解决了,但物流又提出了新的挑战。当慢慢的变多的实验室开放在线申请后,RT-PCR检测的每一个步骤几乎都会遇到瓶颈。公共卫生实验室协会首席项目官埃里克·布兰克(Eric Blank)说,目前最大的问题在于RNA提取试剂盒。“大家都在抢购这些辅助材料,我们从成员实验室获悉,很多材料现在已经订不到了。”

  疾控中心的检测协议推荐的RNA提取试剂盒由Qiagen公司供应。但早有媒体在3月10日时报道称,由于过去数周全球都在加速新冠病毒的检测,这些试剂盒目前已处于待补货状态。据报道,同样缺货的还有自动化RNA提取设备和RT-PCR仪器。疾控中心对用来检测新冠病毒的设备也有要求,并不是所有实验室都拥有获批的设备。那些缺少获批设备的实验室现在则正在想方设法采购符合标准要求的设备。

  Qiagen公司高管也在邮件中说,他们正在招聘新员工,扩大欧洲工厂的生产能力,每天采取三班倒,一周七天都在加紧生产。FDA最近进一步放宽监管,允许实验室使用另一家欧洲制造商罗氏制药供应的试剂盒。但是,眼下的物资短缺预计将进一步影响美国及时确诊新冠病毒患者的能力。布兰克说:“对此没有快速的处理方法。解决供应链这样的一个问题,可能需要几周的时间,也就是说,短时间内,检测将一直供不应求。”

  正在研发中的检测技术

  更多试剂盒当然能大大的提升检测能力。最终,新的检测技术或许也可以帮上忙。

  至少已经有20家公司宣布计划开发“分子定点照护”(molecular point-of-care)检测的新方法。这些检测的新方法以自动化系统为主,可以让一线医护人员在半小时内获得检测结果,无需再等待数天乃至更久。“你可以采集患者的鼻拭子或咽拭子,放进容器,再把容器放进设备,按下按钮。30分钟后,你就可以拿到诊断报告,这就是他们的目标,”卡尔森说。

  Cepheid是一家生产这类检测工具的公司,他们的产品已经用于其他疾病的诊断。目前,新冠病毒的检测工具已经在开发中。Coyote Bioscience开发的类似检测工具已经在中国部署。甚至还有一项正在研发中的检测的新方法可以同时检测新冠病毒和流感病毒。

  像Sherlock Biosciences和Mammoth Biosciences这些创业公司也在考虑利用基于CRISPR技术的诊断方法来检测新冠病毒。这些检测利用CRISPR的可编程基因搜索功能,可以在一小时内得出结果,且无需繁琐的实验室仪器。Mammoth在3月10日发布一篇预印文章,提到公司为SARS-CoV-2开发的一项检测技术,可以配合检测试纸使用。目前,公司正在对检测结果做进一步验证。

  另一种非常有市场的办法是从患者血液中寻找病毒抗体,即所谓的血清检测。这个方法自然是好的,因为除了检测新冠病毒之外,它还可以告诉你对方是否曾经感染病毒,但现已经治愈。伦敦卫生和热带医学学院的一名传染病研究员马丁·希伯德(Martin Hibberd)曾参与过SARS病毒的检测研发,他说:“检测越快,当然确诊的病例越多,但即便是最好的检测,也无法做到没有一点遗漏。只有等到我们对这类型的检测的新方法进行全面测试后,才能知道确切的漏诊率。”

  血清检测比基于PCR的检测可能还会便宜一些,也更适合自动化和高通量检测。希伯德说,血清检测的准确性或许不及分子检测,但另一方面,之前用来检测SARS病毒的血清检测却可以识别出SARS-CoV-2病毒。这对研发新的检测的新方法有没有用,还有待观察。

  这跟吃瓜群众有什么关系?

  就眼下这种各地检测能力各异的情况,意味着,如果你感到不舒服,那么你能否接受新冠病毒检测,很大程度上取决于你住在哪里。有报道指出,有些医院不提供新冠病毒检测,原因是他们没有足够的口罩来保护收集患者样本的医护人员。其他医院则采取定量检测,即只对重症患者进行新冠病毒检测,其他症状较轻的则被建议居家治疗。目前,每个州、县和部分城市都有自己的政策,规定谁可以接受检测。“我们的系统跟不上目前的需求,”国家过敏和传染病研究所主任安东尼·福熙(Anthony Fauci)在上周的国会听证会上说道,“这是一个失败,我们一定要承认的失败。”

  在周五的白宫新闻发布会上,特朗普总统试图挽救这种失败的局面。他宣布,鉴于新冠病毒疫情,全国进入“国家紧急状态”,以便各州和各地灵活应对资金和监管问题。总统还宣布,将与包括沃尔玛和CVS在内的多家全国大型商店、药店建立公私合作伙伴关系,允许他们将部分停车位留作“免下车检测”通道。与罗氏制药、Quest和LabCorp等检测公司的合作意味着“我们将能够在非常、非常短的时间内完成数百万次检测,”特朗普总统说。副总统麦克·彭斯(Mike Pence)则表示他们预期最终每天能够直接进行1.5万次到2万次检测。

  除此之外,一个新的检测系统将很快上线。彭斯说,两天后,他会发布新网站的上线时间。据说,这个网站由谷歌开发,可以允许人们输入自己的症状,然后如果满足一定条件,他们就可以收到附近的提供免下车检测服务的停车场位置信息。好是好,但看上去,似乎还是必须得出现了症状才能进行新冠病毒检测,而这并不能解决更广泛的流行病学问题。随后,谷歌也否认该公司或同属Alphabet旗下的医疗健康公司Verily正在开发类似的技术,但Verily确实计划在湾区测试一个针对医疗工作人员的小型d试验项目。

  新闻发布会之后,如何帮助解决检测和治疗费用的问题,依旧悬而未决。还有,假如谷歌的网站真的上线了,那么人们的个人隐私信息怎么保护,检测结果呈阳性后,又该怎么处理?

  而在此期间,作为普通群众的我们,能做的就是与人保持距离,避免参加大型聚会。如果可以居家工作的话,那就在家工作哪也别去了。如果发现了自己跟确诊患者有过接触的话,请在家自我隔离14天。要是觉得身体不适,也请在家自我隔离14天。症状不严重的话,也没必要前往医院。勤洗手,用肥皂洗,至少20秒。可以的话,给你的手机和其他用品也勤消毒。千万忍住,不要摸脸。最后,留心你的邻居,家中有老人和病人的,他们可能会需要帮助。

  这一次的大流行病影响着我们每一个人,我们所能做的就是竭力全力,帮助身边需要帮助的人。

  作者:Megan Molteni、Adam Rogers

  原文链接:https:///story/everything-you-need-to-know-about-coronavirus-testing/

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