综述美国COVID-19检测方法功与过

【字体: 时间:2020年06月23日 来源:

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  或许更强大的是监测污水。病毒可以在感染后三天内出现在人的粪便中,远远早于最初症状的出现。科学家可以用标准的PCR检测污水样本来检测病毒。通过从分散在整个社区的特定地点收集样本,就有可能将任何感染的地点缩小到几个街区甚至个别建筑物,如公寓楼或大学宿舍。

  

在美国,死于COVID-19的人数已攀升至11.7万多,病例总数已经超过200万。

在持续了数周的封锁后,关于美国各州是否已经开始过快地重新开放餐馆、商店、理发店以及无数其他生活和商业活动的争论正在激烈进行。

加州大学伯克利分校霍华德休斯医学研究所研究员Robert Tjian表示,人们普遍认同:走出这场流行病的安全途径需要大量的检测。

2020年5月1日,他与研究合著者Meagan Esbin及其同事发表了《RNA》杂志,回顾了COVID-19检测技术的最新进展,并强调了广泛检测面临的障碍。Tjian解释说,为了追踪病原体的传播并阻止传播链,对SARS-CoV-2病毒本身和人们之前被感染的证据进行检测至关重要。

新西兰、中国、韩国和冰岛等迄今已成功遏制疫情爆发的国家,已尽最大努力查明病例。相反,乔治敦大学医学教授、公共卫生专家Lawrence Gostin说:“美国做得相当糟糕。”。

这种失败并不是因为科技欠缺。Tjian说,全国许多研究人员已经放弃了他们在美国应对这一挑战所做的工作。他补充说,在汇编该论文中描述的许多研究时,他“惊讶于好多实验室都转变为研究COVID-19了”

这些实验室设计了新的检测方法,并克服了在大流行早期阻碍检测工作的瓶颈。Tjian说,一些实验室,比如伯克利的实验室,已经建立了自己的快速测试业务,为当地社区服务,快速发布他们的方法。

为什么测试如此重要?

SARS-CoV-2它具有高度传染性和相对致命性,死亡率仍不确定,可能高于流感的10倍甚至更高。这种病毒最狡猾的特点是,它可以由甚至不知道自己被感染的人传播。与此相反,2003年的非典病毒感染者直到出现严重症状才能传染,这使得隔离和切断传播链变得容易。

斯克里普斯研究转化研究所(Scripps Research Translational Institute)创始人兼主任埃里克•托波尔(Eric Topol)解释说:“人们可以在没有症状的情况下患上COVID-19,这是防止传播最具挑战性的方面之一。一个不知情的感染者可以感染其他数十人。”

Tjian说,只有当受感染者正积极地产生大量的病毒时,检测才能发现SARS-CoV-2。这就是为什么三种类型的测试是至关重要的

有任何COVID-19症状的人都应该接受检测,以便尽快发现新病例。接触过感染者的人也应该接受检查,即使他们没有任何症状。最后,他说,医疗服务提供者应该测试人们对病毒的抗体,以确定那些可能已经被感染的人。

科学家如何检测新冠状病毒?

SARS-CoV-2通过进入人类细胞进行复制,然后劫持细胞装置来复制其基因物质RNA。科学家设计了几种检测方法来检测这种独特的病毒RNA。

迄今为止,几乎所有的检测方法都采用了被认为是“金标准”的方法,这种方法依赖于扩增微量病毒基因的技术。首先,用拭子从人的喉咙收集受感染的细胞,目的是收集病毒RNA,然后被纯化,从RNA复制到互补DNA中。然后用PCR的标准方法将DNA复制数百万次。最后,加入一个荧光探针,当病毒RNA的DNA拷贝存在时,荧光探针发出信号光。

PCR并不是唯一可行的方法

麻省理工学院和其他大学的科学家重新利用了CRISPR基因编辑技术,以快速检测SARS-CoV-2。CRISPR使用工程酶在精确的位置切割DNA。这种测试方法利用这种能力寻找特定的基因编码(一种病毒RNA)。5月初,美国食品药品监督管理局对麻省理工学院(MIT)团队张峰(Feng Zhang)领导开发的测试进行了紧急授权。

另一种检测技术使用基因测序,快速读取病毒基因组的每个RNA“字母”。对于检测病毒来说,似乎有点“用力过度”,但它对于绘制病毒在全球肆虐版图尤其有帮助。一些研究人员正在试验一种聪明的DNA“纳米开关”,当他们发现一段病毒RNA时,可以从一个形状翻转到另一个形状并产生荧光。

科学家也能在血液中看到感染的迹象。一旦人们被感染,他们的免疫系统就会产生抗体来中和病毒。抗体测试使用与SARS-CoV-2抗体结合的蛋白质检测血液样本的免疫反应。然而,建立一种既灵敏又准确的抗体检测方法却很困难。

病毒在2月(甚至更早)杀进美国人,但美国政府到现在也未能做好应对这一流行病蔓延的准备。

例如,特朗普政府拒绝使用世界卫生组织(世卫组织)开发的基于PCR的检测,而美国疾病控制和预防中心(CDC)生产的检测结果证明是错误的。由于缺乏协调一致的全国性部署,各州、公司和大学实验室都在争先恐后地填补这一空白。

当美国的实验室和州争相提高他们的测试能力时,他们遇到了瓶颈和障碍。例如,“只有少数实验室能得到(PCR反应所需的)试剂,试剂供应严重不足,”Tjian说。“甚至连采集样本用的棉签等基本设备也很难找到。这是一件让我们吃惊的事情,”特健回忆道,谁能想到,在这整个过程中的限速步骤竟然是一根拭子。结果发现,CDC批准的拭子主要生产商是意大利北部的一家工厂,而该地区是受病毒影响最严重的地区之一。

“缺乏病例数据资料使得建立流行病的路径变得具有挑战性,”一个旨在改善医疗保健系统的私人基金会,联邦基金会的Eric C. Schneider写道。“因此,很难预测哪里最需要紧急医疗服务、病床和呼吸机。”

到5月中旬,美国的测试能力终于从每天几千台提高到每天约30万台。不过,这还远远不够。例如,哈佛大学的大流行复原路线图估计,该国将需要以“每天2000万人的速度进行测试,才能充分恢复经济活力”。

伯克利课题组(Berkeley group)通过跳过一步(RNA纯化)和自制试剂等改进措施,将每次测试的成本降低到接近1美元,大幅提高了测试能力。“这不是火箭科学,但我们花了五个星期才搞清楚细节,因为商业公司不告诉你他们的试剂中有什么,”Tjian解释说。这个研究小组已经将他们的自制测试免费提供给任何想要复制它的实验室。

与此同时,罗格斯大学、耶鲁大学和其他研究中心的研究小组发现唾液样本同样有效,消除了对咽喉拭子的需求。这为家庭测试打开了更大的大门,因为吐到试管里并邮寄到实验室要比擦拭容易得多。

抗体检测也在取得进展。最初在市场上进行的几十种所谓血清学检测中,大多数都不具备只检测针对SARS-CoV-2的抗体的敏感性和特异性。挑战在于测试需要使用与抗体结合的病毒蛋白的拷贝。解决这个问题的一个关键是,利用哺乳动物细胞制造出精确形状的病毒蛋白。

克服COVID-19的基本策略是识别受感染者,发现和检测他们接触过的任何人,并隔离受感染者。这对于大城市或整个国家来说都是不现实的,因为需要的测试数量惊人,后勤方面的挑战,以及棘手的隐私问题。

有没有方法可以在没有这么多单独测试的情况下撒下更大的网。

一种方法是将许多样本集中在一个池中,这样只需进行一次测试就可以监视大量的人群。然后,如果病毒真的出现在游泳池中,公共卫生官员就可以对这一组中的个人进行检测,以确定感染者。

或许更强大的是监测污水。病毒可以在感染后三天内出现在人的粪便中,远远早于最初症状的出现。科学家可以用标准的PCR检测污水样本来检测病毒。通过从分散在整个社区的特定地点收集样本,就有可能将任何感染的地点缩小到几个街区甚至个别建筑物,如公寓楼或大学宿舍。“你可以通过一天一次的测试来确定病毒载量以及它是如何随时间变化的,那就太棒了。”

Tjian和许多其他人现在正在研究如何利用这些方法安全地重新开放一所大学或一家企业。他说,大规模的测试工作将是劳动密集型的,并不便宜,但比锁定整个经济体要便宜得多,也比像一些州现在所做的那样,在没有充分测试的情况下重新开放要安全得多。随着科学家们不断提高测试能力,创造出更便宜、更好的测试,这一战略应该很快就能实现。

原文检索:Overcoming the bottleneck to widespread testing: A rapid review of nucleic acid testing approaches for COVID-19 detection

(生物通:伍松)

 

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