美国承认官方新冠检测试剂无效,核酸试剂到底有多复杂?把科学带回家


     


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导读



核酸试剂到底是什么?怎么这么难研发呢?病毒检测又是怎么做的呢?
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撰文 七君


最近刷屏的新冠疫情新闻里,核酸试剂是一个高频词。许多刚开始爆发疫情的国家的新冠病毒核酸试剂储备不足。比如,我国最近向缺乏新冠病毒核酸试剂的日本国立传染病研究所(NIID)捐赠了12500套核酸试剂。



而美国匆忙上马的新冠病毒核酸试剂却被证明是一堆废品。在今年2月12号和26号的新闻发布会上,美国疾病控制与预防中心(CDC )承认由于一个成分出错,第一批给美国国内外的公共卫生实验室分发的400份试剂给出了不准确的测试结果,是无效的。于是乎,CDC只能重新研发新的新冠肺炎检测试剂。


在2月26号的新闻发布会上,美国CDC的发言人承认其开发的新冠病毒核酸试剂存在问题,并开始研发新的试剂。图片来源:www.cdc.gov/media/releases/2020/t0225-cdc-telebriefing-covid-19.html


那么,这个核酸试剂到底是什么怎么难研发呢?病毒检测又是怎么做的呢?

实际上,新冠病毒SARS-CoV-2的检测采用的是一种应用非常广泛的核酸检测手段、被称为金标准的即时聚合酶链式反应(qPCR)


做RT PCR 的仪器


RT PCR技术经常被用来检测HIV病毒、乙肝病毒等病原体。RT PCR 的主要工作原理就是通过只对特定病毒有效的试剂制造大量的病毒核酸镜像,从而检测这种病毒是否出现在样本,比如病人的鼻涕里。

我们先来看看RT PCR的具体过程吧。



首先,先用高温把病毒的双链DNA拆成2根单链,拆开的目的就是为了制造它的镜像。当然,有些病毒(如HIV病毒和新型冠状病毒)的遗传物质不是DNA,而是RNA,也就是说它只有一条链。那么在做的时候稍微麻烦一点,要先把它变成双链的,然后再拆开来。


引物和单链DNA结合


接着就要开始制造镜像了。制造的时候,要先定个地标,然后才能开始作业。这个地标就是引物,也就是一小段单链 DNA,它会和病毒核酸的特定部位,比如某个基因开头的地方结合。

地标定好了,就可以开始正式的镜像复制黏贴了。复制的过程,靠的是一种叫做 Taq聚合酶 的蛋白质,我们就叫它小T吧。


Taq聚合酶来自生活在温泉里的海栖热袍菌


小T贼强贼好用,50摄氏度的高温都不会熟(变性),因为它来自生活在温泉和深海热泉里的海栖热袍菌。换别的蛋白质,在 PCR 机器的高温里烘一会儿就凉了。咦?


Taq聚合酶(黄色)生产扩增子(白色)


小T只认地标,见到地标才开工。找到作为地标的引物后,小T和溜达鸡似得顺着它一路往下走,就复制出了一段病毒核酸的镜像,这个镜像就叫做扩增子

如果能检测出扩增子,就能证明出现了我们要找的病毒基因。现在问题来了,DNA 和 RNA 那么小,我们怎么知道有没有产生足够多的扩增子呢?

这时候就要加入荧光探针,也就是一小段能够发出荧光的特殊单链 DNA 来检测了。


荧光探针一端有个会发荧光的分子,另一端则会把荧光吃掉。


荧光探针这个东西很神奇,它的一端有一个会发出荧光的分子R(报告荧光基团),另一端有一个吸收荧光的分子Q(淬灭荧光基团)

R和Q它俩是一对在一起就要吵架的极品冤家,只要R发光,Q就会把它的光吸收掉。但是它俩要是分开,R发出的光就不会被吸收掉,我们就可以看到它亮了。

荧光探针检测扩增子就是利用R和Q分分合合的原理。当路标,也就是引物和病毒核酸结合的时候,探针也会到引物后面的某段特定DNA,比如某个基因上乖乖躺好,就好像在路上装了一个炸弹一样。


引物(左)和荧光探针(右)可以和病毒单链核酸的特定位置结合


我们刚才说过,小T会沿着引物一边溜达一边修路,制造出病毒核酸的镜像。不过,小T不仅是修路专家,还是拆弹专家,它会把粘在路上的探针拆散架。



遇到小T后,荧光探针就 BONG 炸了,R和Q就果断分手了。分手后,重获自由的R浑身上下开始散发出单身才有的光彩,就可以被探测仪检测到了。所以,如果检测到了荧光,就说明检测到了目标病毒核酸啦。


S型的扩增曲线代表检测出了病毒。如果是平直的扩增曲线,则代表没有检测出病毒。


这里的路标(引物)、修路专家小T、荧光探针,还有一些催化剂就是传说中的病毒核酸试剂了。在检测的时候,只要把病毒样本和试剂混合,放到 RT PCR 机器里去跑,就可以得出病人有没有被病毒感染的结果了。



检测不同的病毒需要不同的引物和探针,但是新冠病毒检测试剂还没有统一的引物和探针,尚处于研发探索阶段。

比如,香港大学的一个团队瞄准的是冠状病毒大家族下的一支,也就是 Sarbecovirus 亚属的基因(ORF1b 和 N 基因)世界卫生组织给全球159个实验室派发的检测试剂的检测目标是能够区分非典的 SARS-CoV 病毒和新冠病毒的基因(检测的是RdRP基因、N基因和E基因)


国内最早一批参与病毒试剂生产研发的上海之江生物生产的试剂盒,该试剂检测的是冠状病毒的3个典型基因(ORF1ab、N基因和E基因)


需要注意的是,上面只是核酸检测的理论,实操其实更加复杂,能出错的地方很多。今年2月19日发表在 Nature Biotechnology 上的一篇文章指出,虽然 PCR 技术本身很可靠,但是如果操作不当,就有可能给出假阴性的结果。

比如,做检测的试剂要放在零下20摄氏度的冰箱里,防止试剂中的蛋白质分解。



用的时候,大部分试剂是放在冰上解冻的。但是小T在使用前一直要保持零下20摄氏度的状态。另外,荧光探针不能见光,所以要避光储存。



你看,试剂的作用原理和检测操作如此高端,试剂和病毒样本的保存条件如此严苛,即使在发达国家,也只有少数实验室有能力进行检测。 比如在本周二,美国 CDC 的国家免疫与呼吸道疾病中心主任 Nancy Messonnier 表示,目前全美只有12个检测部门有能力检测新冠病毒。

当然,影响核酸检测结果的还有试剂以及实验操作以外的因素。

为新加坡政府制造了新冠病毒检测试剂,并且给中国供应了1万份试剂的新加坡国际生物医学研究与开发中心启奥城(BIOPOLIS)的试剂研发团队领导 Sidney Lee 表示, 新冠病毒核酸试剂测不准的问题还和病人接受检测的时机以及病毒样本运输条件有关。


咽拭子


比如,由于 SARS-CoV-2 主要感染肺部,因此初期患者的咽拭子可能无法截取足够多的病毒。其次,如果病毒脱离人体太久,或运输储存条件不当,那么病毒核酸可能会分解,这也会降低能够检测出来的病毒数量。



由于病毒核酸试剂检测结果不稳定等因素,我国在2月8日公布了新冠的确诊标准,不再只依赖核酸检测。



而在2月14日,钟南山领导的呼吸疾病国家重点实验室推出了一种摆脱了病毒核酸检测的新的检测方法——新冠病毒 IgM 抗体快速检测试剂盒。

抗体试剂不检测病毒核酸,而检测病人体内有没有出现抗体。钟南山团队的抗体试剂有望在15分钟内快速筛查新冠病人,为挽救更多人的生命争取宝贵的时间。另据《科学》在2月27号的报道,新加坡已经开始采用杜克-新加坡国立大学医学院研发的抗体检测试剂筛查患者。


在这场全球大考中,希望我国率先交卷离开考场,顺便给曾经的学霸们递个小抄。

无标注图片来源网络。

动图来源和参考资料储存于石墨:

https://shimo.im/docs/xWhJXPx6PpdhyR9X/ 



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背景简介:文章2020年3月1日发表于微信公众号 把科学带回家美国承认官方新冠检测试剂无效,核酸试剂到底有多复杂?),风云之声获授权转载。

责任编辑祝阳

文章转载自微信公众号:风云之声

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