2020-09-12 09:35

核酸检测如何高效筛查新冠肺炎?

#战疫进行时

2020 年 8 月 18 日,国家卫健委将新冠诊疗方案更新到了第八版。其中规定了以核酸检测、基因测序或抗体检测结果为依据的新冠肺炎确诊方式。



其中,抗体检测并不适用于诊断当前的新冠病毒感染,这是由于身体在感染后 1~3 周才开始产生抗体,无法在感染初期的窗口期检出是否感染。


而基因测序通常需要 24~72 小时的流程。面对全国无数待检测人群,普遍采用只需要 2~3 小时就能得到结果的核酸检测。



核酸检测是如何高效筛查新冠肺炎的?


我们再来看一看这颗肆虐全球的 2019 新型冠状病毒(SARS-CoV-2),它的结构很简单:蛋白质构成的外壳和包膜,以及里面的遗传物质——RNA。



只要你感染病毒,这条 RNA 就会出现在你的体内,而核酸检测的目的,就是把它找出来。


首先,我们得知道这条 RNA 的排序。幸运的是,中国科学家在发现新冠病毒后 5 天就获得了它的基因组序列。



接下来,需要在病毒最可能存在的地方采集样本,新冠病毒通过呼吸道进入体内,也会在呼吸道中残留。最简单易行的采集部位,是上呼吸道。



以口咽拭子为例,你需要保持坐姿,头后仰、嘴张大,医生会用这样的一根涤纶或藻酸钙拭子,越过舌根擦拭你的咽后壁和扁桃体隐窝、侧壁。来回 3~5 次后,混合着细胞、病毒、细菌等分泌物的拭子样本,会被转移到试管里。



接下来的操作,都会在这样一台全封闭的生物安全柜中进行取样检测。生物安全柜会通过滤风机不断将柜内空气抽出,保证人员安全。



密封的样本首先会加热到 56℃ 进行 30 分钟的灭活。然后添加入微离心管中,并在加入裂解缓冲液后在振荡器中震荡,裂解缓冲液能迅速破碎细胞,防止细胞死亡时释放出的核酸酶将目标 RNA 分解。



接下来,需要对 RNA 进行提纯。


以离心柱法为例,含有目标 RNA 的样本,会被加入离心柱(spin column)中,其中加入了含有二氧化硅基质的洗涤缓冲液,并在离心机中进行离心。



洗涤缓冲液会通过滤过膜,除掉样本所有残留的杂质,而二氧化硅基质可以吸附 RNA,留在管中。


最后,再加入洗脱液,重新加入离心机,将 RNA 与二氧化硅分离,从而获得不含蛋白质、抑制剂和其他污染物的纯化 RNA。



但一小份样本中的核酸太少,难以观察,需要将核酸大幅度扩增,这就涉及到了核酸检测的核心技术——聚合酶链式反应 PCR。它能在短时间内扩增出特定的 DNA 片段,便于检测。


而 PCR 技术的关键道具,就是这个小小的试剂盒,里面包含了 PCR 反应中所需要的反转录酶、DNA 聚合酶、引物、探针等核心材料。



新冠病毒遗传物质是 RNA,而 PCR 的目标是 DNA。所以,样本中的 RNA 首先会通过试剂盒中的反转录酶,制造出互补的 DNA 单链——cDNA ,再通过 DNA 聚合酶组装成双链 cDNA。



接下来,就可以通过 PCR 对 cDNA 进行扩增。扩增的过程,分为三步:


首先,利用高温(93℃~98℃)可以将连接两条 DNA 单链的氢键短暂打断,使其以单链形式存在。



接下来,降低温度,试剂盒中被加入的一段可以与目标 cDNA 单链排序契合的单链 DNA TaqMan 探针,会在降温后结合在 cDNA 的单链上,这个过程大概会持续 1~2 分钟。


探针的 5' 端连着一个荧光基团,3' 端则连着一个淬灭基团,在两个基团空间距离很近的时候,淬灭基团会抑制荧光基团发光。



接下来,一段引物会与 DNA 结合,引物的作用是为 DNA 聚合酶定位,DNA 聚合酶将会从引物开始,沿着 5' 端到 3' 端的方向引导 DNA 复制。



当 DNA 聚合酶经过探针所在位置时,DNA 聚合酶中含有的 5' 外切酶,可以将探针 5' 端连接的荧光分子从探针上切割下来,使样本发光。这样的流程构成了一次 PCR 热循环。



与此同时,另一条单链也被重新组装成了一条完整的双链,这两条新的双链会进入下一个循环,每次热循环释放出探针中的荧光物质都会增加一倍。


在经历约 45 次热循环后,释放的荧光物质就可以发出足够检测的光。



通过 PCR 仪器中的激发光源和发射光检测器,就能让每个热循环中荧光团发出的光被检测到。这些被检测到的发光,就是核酸检测中的阳性反应。



之后,你就会收到这样一张核酸检测报告。



一台 PCR 仪器,一次可以检测最多 384 份样本,成为了大量人群中病毒筛查的最佳手段。


从 2020 年 3 月到 8 月,中国的核酸日检测能力经历了从 126 万人份到 484 万人份的飞跃,5 月 14 日起,武汉市仅用了 19 天时间就完成了全市 989.98 万居民的核酸检测,检出无症状感染者 300 名,未发现确诊病例。



这样的检测能力,帮助中国在 7 月底就完成了 1.6 亿人次的核酸检测。这不仅依靠遍布全国的近 5000 家医疗机构,更离不开几万名医护人员不舍昼夜的付出。


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