用狗狗也能检测新冠病毒?
2021-02-23 18:46

用狗狗也能检测新冠病毒?

本文来自微信公众号:biokiwi(ID:biokiwi),作者:无奶树、Tadpole,原文标题:《震惊!用狗狗也能检测新冠病毒?》,头图来自:视觉中国


最近偶然看到了这样一条新闻:


德国汉诺威兽医大学近日表示,他们训练的两只嗅探犬能以94%的准确率识别出感染新冠病毒的患者。两只狗狗在受训前分别是探雷犬和寻尸犬。训练它们的工作人员称,病毒会使被感染的细胞释放出与健康细胞不同的物质,而经过训练的犬类能分辨出这种物质的气味并告知人们。


什么?用狗来闻就可以识别新冠病毒?这听起来也未免过于玄幻了吧?为此我们抱着求真的态度,看看狗狗是不是真的能胜任新冠检测这个任务。


其实狗狗早就被用来检测疾病了


其实关于狗是否可以检测疾病,早在1989年就有过相关的探讨。


当时有人跑来诊所要求皮肤检查,原因却让在场的医生一脸懵逼:她的狗对她有非常剧烈的反应,让她很担心——结果她被查出患有恶性黑色素瘤。为此Hywel Williams和Andres Pembroke给《柳叶刀》杂志写了封信,表达了对此的看法:说不定狗能帮助诊断疾病。


用狗能闻出黑色素瘤吗?图源:The Lancet


但这个现象其实到现在也没有实验依据,狗到底是闻到了什么物质才识别出疾病的呢?这个问题一直没有答案,也不是那么容易就能得到答案。


因为现阶段我们只知道嗅觉受体(Olfactory receptors)最基本的生物学机制:产生不同气味的小分子进入鼻腔,根据结合能力强弱会和不同的嗅觉受体结合,再由嗅觉受体产生神经信号传导给大脑的嗅觉皮层。


嗅球结构,这个示意图只是嗅觉受体的冰山一角,图源:mammothmemory


这里面涉及到很多未知的信息,比如人的嗅觉受体决定基因多达800个,小鼠有1000多个,更不用说嗅觉灵敏的狗了。目前研究者对此的解释一般是肿瘤产生、挥发出一些特殊的有机物可能被狗鼻子识别出来。


实际上,在前面我们提到的狗狗发现黑色素瘤的案例之后,很多国家开始尝试利用狗进行某些癌症、疟疾等疾病的筛查检测,并为此训练了很多“检测犬”。根据陆陆续续的研究结果来看,都有很不错的检测准确率。


这可能就是为什么研究者会考虑从狗这个角度去检测新冠。


狗也早就被用来检测新冠了


而早在这个新闻之前,去年七八月份就有很多利用狗狗检测新冠病毒的相关报道了,比如新闻里已经提到的德国汉诺威兽医大学,以及据说部分国家的军队就在训练狗来识别新冠,还有在芬兰赫尔辛基、智利圣地亚哥和迪拜的机场也开始使用狗来检测新冠病毒的存在。


在芬兰赫尔辛基机场投入使用的“检测犬”,图源:BBC


德国汉诺威兽医大学的这一研究也不是只有新闻报道,去年七月份他们的研究结果就已经发表在了《BMC Infectious Diseases》杂志。


使用检测犬鉴定新冠患者样本的初步研究,图源:BMC Infectious Diseases


该研究对8只“检测犬”训练了一星期,并且在检测过程中严格执行了双盲实验:狗自己,指导狗的人、提供检测样品的人都不知道样品是阴性还是阳性。训练过程中,第一天正确率是50%,第二天正确率就到了70%,到第七天正确率就是81%


训练的“检测犬”,地下有若干放了样品的检测口会依次打开,只有一个是阳性(最左侧绿色标,狗是看不到的),当狗狗在那停留2秒以上说明阳性,检测对了会有食物奖励,以此来进行训练,图源:Jendrny P, et al.


之后在做了一个1012个样本的随机检测里,每只狗的平均正确率是94%,其中有157个正确的阳性样本,792个正确的阴性样本。可以说结果非常可观了。但是如果我们只看实际检验出阳性的敏感性,会比正确率低一些,平均水平在80%左右。这就暗示漏检阳性的可能性还是不低的。


八只狗检测的特异性(specificity,对阴性结果的判断能力)和敏感性(sensitivity,对阳性结果的判断能力),图源:Jendrny P, et al.


此外,在去年12月,巴黎东大学的研究团队也发表了一篇使用狗来识别新冠的文章,但他们的角度更加神奇:通过让狗闻汗液的味道来判断检测者是否患有新冠。


是否可以通过汗液气味来警告新冠阳性患者?图源:PloS one


研究的假设是:感染了新冠病毒的细胞可能会产生一些物质,并可能通过汗腺分泌到体外,这样就可能被狗检测到,当然类似的像是尿液、唾液、泪水、粪便等等也是可以考虑的,但汗腺的分泌相对来说更方便采集。


实验者采取汗液样本的方法,图源:Grandjean D, et al.


那么对六只“检测犬”(他们都有检测过爆炸物或者结肠癌的经验)进行1~3周的训练,再对177份汗液样本进行检测,正确率在76%到100%之间。


六只狗的检测结果,图源:Grandjean D, et al.


整体来看,利用犬类进行检测正确率其实还算是不低,但是可靠性显然是不如核酸检测来的靠谱,毕竟标准的核酸检测结果精度可以稳定在99%以上。


换个角度想,这个检测方法的意义其实和在机场、火车站检测体温是类似的,只能做一个快速、初步的筛查(狗狗几秒内就可以检测出结果),不能作为确诊依据。


会不会是狗狗的大危机?


但是这里还存在另一个问题。多项研究成果和新闻报道里,已经发现狗可以在实验室环境和自然环境下感染新冠病毒,这一点对于狗狗以及检测人员来说会不会存在安全隐患呢?


安全隐患显然是存在的,不过新冠病毒的跨物种感染虽然存在,但是不同物种的感染程度也各不相同,这个关键就在于病毒表面的蛋白。


作为一种单链正股 RNA 病毒,冠状病毒(CoV)分为四个属:α-CoV,β-CoV,γ-CoV和δ-CoV,其中前两种感染哺乳动物,后两类则会攻击鸟类和猪。新冠病毒作为β-CoV 属内的新成员,目前已知的也只能感染哺乳动物,如老虎、狮子、水貂、雪貂、雪豹、狗和家猫等等。


可能感染新冠病毒的动物,图源:Mohamed et al., 2020


而从病毒表面的蛋白来看,已知新冠病毒的RNA基因组能够编码16种非结构性蛋白和4种结构蛋白 ,后者包括的刺突蛋白(Spike protein)不仅是冠状病毒这一名称的来源,也对病毒宿主类型的选择和感染过程起到关键作用。


因为刺突蛋白与人类呼吸道细胞表面受体相结合,才使得新冠病毒能够进入细胞,进行复制,并对人体造成伤害;这也是为什么疫苗和一些正在研发的药物都会以刺突蛋白作为目标靶点。


由于新冠病毒基因是以单链RNA的形式存在,突变的概率相较DNA要高。当编码刺突蛋白的基因发生变化时,可能会增强病毒对细胞表面受体的亲和力,也可能会赋予病毒和其他生物细胞表面受体结合的能力,进而实现不同物种之间的传播。所以狗会被感染新冠也是可以理解的了,但是具体的致病机制会不会像人这样严重,可能就需要更具体的研究。


至于反过来感染人的情况比较少见。目前报道的能反过来感染人的动物只有水貂一种,但我们也不应该对此放松警惕。如果病毒能够在人类和其他动物之间来回传播,不断蛰伏并积累突变,不仅对全球新冠病毒疫情的管控制造困难,也是在为疫苗和治疗手段的研发设置障碍。


我们还应该让检测犬来帮助我们检测新冠吗?


从现阶段的事实来看,一方面这需要经过专业训练的探测犬,才能尽快实现检测效果;另一方面这种检测的准确率仍然存在不低的假阴性,可能就漏掉不少的阳性患者,而且狗也是新冠的感染对象之一。


不得不说,方法是独特、新奇的;但并不是那么可靠,也不能作为确诊的依据。


参考资料

Williams H, Pembroke A. Sniffer dogs in the melanoma clinic?[J]. The Lancet, 1989, 333(8640): 734.

Willis C M, Church S M, Guest C M, et al. Olfactory detection of human bladder cancer by dogs: proof of principle study[J]. Bmj, 2004, 329(7468): 712.

Jendrny P, Schulz C, Twele F, et al. Scent dog identification of samples from COVID-19 patients–a pilot study[J]. BMC infectious diseases, 2020, 20(1): 1-7.

Grandjean D, Sarkis R, Lecoq-Julien C, et al. Can the detection dog alert on COVID-19 positive persons by sniffing axillary sweat samples? A proof-of-concept study[J]. PloS one, 2020, 15(12): e0243122.

Li F (2008) Structural analysis of major species barriers between humans and palm civets for severe acute respiratory syndrome coronavirus infections. J Virol 82:6984–6991

Snijder EJ, Decroly E, Ziebuhr J (2016) The nonstructural proteins directing coronavirus RNA synthesis and processing. Adv Virus Res 96:59–126

Adriaan H. de Wilde, Eric J. Snijder, Marjolein Kikkert and Martijn J (2017). van Hemert. Host Factors in Coronavirus Replication. Current Topics in Microbiology and Immunology. DOI 10.1007/82_2017_25

Mohamed A. A. Mahdy, Waleed Younis and Zamzam Ewaida (2020) An overview of SARS-CoV-2 and Animal Infection. Frontiers in Veterinary Science 7-596391

COVID-19 and Animals. Centers for Disease Control and Prevention. Jan. 15, 2021. https://www.cdc.gov/coronavirus/201


本文来自微信公众号:biokiwi(ID:biokiwi),作者:无奶树、Tadpole

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