综述：SARS-CoV-2床旁检测模式：整合分子、免疫、生物传感器与人工智能方法

《Diagnostics》：SARS-CoV-2 Point-of-Care Testing Modalities: Integrating Molecular, Immunological, Biosensor, and AI Approaches

　　

2019冠状病毒病（COVID-19）大流行凸显了对快速、可及且准确的诊断工具的迫切需求，以支持及时的临床决策、疫情控制和公共卫生监测。床旁检测（POCT）通过在传统实验室环境之外实现诊断测试，已成为去中心化医疗的重要组成部分。本综述基于对PubMed、Scopus和Web of Science数据库的结构化文献检索，涵盖2020年1月至2026年1月期间发表的研究，评估了当前COVID-19 POCT技术的进展，包括分子检测、抗原检测、抗体检测、生物传感器平台以及人工智能（AI）辅助诊断方法。分子POCT方法，如快速逆转录聚合酶链反应（RT-PCR）、环介导等温扩增（LAMP）和基于CRISPR的技术，提供了高分析灵敏度和特异性，并日益适用于去中心化诊断应用。抗原检测提供了快速且经济高效的筛查解决方案，但其诊断性能可能因病毒载量、症状出现时间和流行变异株而异。抗体POCT在血清流行病学研究、回顾性诊断和免疫反应监测方面仍具价值，而非用于急性感染检测。新兴的生物传感器技术和AI赋能的诊断系统展现出良好的分析能力和操作优势；然而，许多技术仍处于原型或早期验证阶段，在广泛实施前需进一步临床评估。研究结果表明，没有单一的POCT模式适用于所有临床场景。相反，分子、抗原、抗体、生物传感器和AI辅助方法提供了互补的优势，支持不同的诊断和公共卫生目标。检测设计、数字连接性、多重检测和变异株弹性检测策略的持续进步，有望进一步增强POCT在COVID-19管理和未来传染病防范中的作用。

1. 1.
   引言
   2019年底出现的SARS-CoV-2病毒已演变为持续的呼吸道病原体，其变异株（如Omicron及其亚型BA.2、BA.4/5、XBB、JN.1、KP.2、KP.3和XEC）的不断出现强调了持续重新评估POCT性能的必要性。在后大流行阶段（2025–2026年），POCT的作用已从紧急疫情控制转向长期临床管理、综合呼吸道病原体监测和去中心化医疗。现代POCT平台需提供快速准确的诊断，同时对新兴变异株保持弹性，支持共循环病原体的多重检测，实现公共卫生监测的数字连接，并在不同医疗环境中保持可及性。当前的SARS-CoV-2诊断技术包括RT-PCR、电化学生物传感器、侧流免疫层析 assay、等温核酸扩增检测（NAAT）和AI辅助诊断。尽管大多数检测仍在医疗中心和独立实验室进行，但POCT因其简便性、用户友好性、早期识别和相当的准确性与灵敏度，有助于减轻中心设施的负担，支持日常疫情控制和早期诊断管理。本综述概述了后大流行阶段SARS-CoV-2的POCT技术，涵盖分子、免疫、生物传感器和AI方法，强调适应变化流行病学条件的需求。
2. 2.
   文献综述与证据选择方法
   研究人员进行了结构化叙述性综述，检索了PubMed、Scopus和Web of Science中2020年1月至2026年1月发表的关于SARS-CoV-2 POCT技术的研究，包括分子、免疫、生物传感器和AI辅助诊断方法。检索策略结合了受控词汇和自由词，如“SARS-CoV-2”、“COVID-19”、“point-of-care testing”、“rapid diagnostics”、“molecular assays”、“biosensors”、“lateral flow immunoassay”、“isothermal amplification”、“CRISPR diagnostics”和“artificial intelligence”。纳入标准包括描述POCT或近患者诊断技术并报告分析或临床性能特征的研究；对于新兴的生物传感器和AI技术，由于临床验证数据有限，也纳入了概念验证和实验室原型研究。排除社论、会议摘要、重复发表和非同行评审来源。数据提取涵盖诊断原理、检测形式、分析性能（灵敏度、特异性、检测限）、样本类型、监管批准状态和预期部署环境。由于研究设计和平台的异质性，采用叙述性综合而非正式荟萃分析。文中明确区分了不同技术发展阶段，商业平台（如基于磁带的分子系统和侧流抗原检测）经过广泛临床评估和监管审查，而许多新兴技术仍处于实验室原型阶段，其报告结果需在相应背景下解读。
3. 3.
   床旁检测
   POCT用于SARS-CoV-2鉴定主要分为四类：分子检测、抗原检测、抗体检测和新兴技术（生物传感器和AI辅助诊断）。分子检测检测病毒遗传物质，通常提供最高的分析灵敏度，尤其在感染早期；抗原检测检测病毒蛋白，提供更快、更经济的筛查选项，适合大规模使用；抗体检测检测宿主免疫反应，主要用于回顾性评估和流行病学监测，而非早期诊断。新兴的生物传感器和AI技术旨在进一步提高速度、灵敏度和自动化，但许多平台仍处于临床验证阶段。这些诊断模式应视为互补工具，而非可互换。

3.1. 分子POCT

实验室核酸检测涉及多步骤工作流程，包括标本收集、RNA提取、逆转录为互补DNA（cDNA）和核酸扩增（如RT-PCR或LAMP）。为克服集中实验室的限制，分子POCT发展为集成自动化系统，可在患者附近或家庭使用，旨在接近实验室水平的性能。商业分子POCT平台（表1）包括基于磁带的RT-PCR系统和等温扩增检测，通过将样本处理、扩增和检测集成到单一设备中，实现可靠的分权检测。然而，这些系统也存在局限性：需要专有仪器、操作成本较高、通量较低，且超快速扩增方法在低病毒载量样本中灵敏度可能降低。CRISPR-based诊断系统（如SHERLOCK、DETECTR、CONAN和VaNGUARD）利用Cas酶（Cas9、Cas12、Cas13）的序列特异性识别和 collateral cleavage 活性，结合等温扩增，提供高特异性和快速信号生成。尽管前景良好，大多数CRISPR平台仍处于早期临床验证阶段，面临标准化和可扩展性的挑战。现实世界研究表明，分子POCT的汇总灵敏度约为92.8%，受病毒载量、标本质量和检测设计影响。变异株的出现可能影响检测性能，特别是针对可变区域的检测。因此，现代分子POCT越来越多地采用多重引物/探针设计，靶向更保守的基因组区域，如核衣壳（N）、膜（M）、包膜（E）、ORF1ab和RNA依赖的RNA聚合酶（RdRp）基因，以提高对变异株的弹性。研究显示，靶向N和E基因的RT-LAMP检测对Omicron变异株保持了稳健的分析灵敏度，而CRISPR-based OmiCrisp检测通过保守靶点成功检测到多种Omicron亚型。

3.2. 抗原基POCT

抗原检测主要检测SARS-CoV-2核衣壳蛋白，通常采用侧流免疫层析格式（图2），在10–20分钟内提供结果，适合快速筛查和大规模检测。与分子方法相比，抗原检测更简单、无需专门仪器、成本更低，广泛用于社区筛查、急诊科和家庭自测。然而，其灵敏度通常低于分子诊断，特别是在无症状个体或感染早期和晚期病毒载量低时。抗原检测的性能高度依赖病毒载量，在急性感染期病毒脱落高峰时灵敏度最高。尽管存在局限性，抗原检测在公共卫生策略中发挥着关键作用，尤其在高流行环境或有症状个体中可及时识别传染源，但阴性结果可能需要分子方法确认。近期研究关注数字化侧流检测（digital LFAs），结合便携式电子阅读器量化信号强度，减少用户依赖性变异，提供半定量分析，代表了传统抗原检测和生物传感器之间的中间平台。关于变异株的影响，现有证据表明，快速抗原检测（RATs）对Omicron亚型保持足够的诊断性能，在中等至高病毒载量患者中可靠性良好，但在低病毒载量和无症状个体中灵敏度降低仍是固有限制。

3.3. 抗体基POCT

抗体POCT依赖于宿主免疫反应而非直接病毒识别，检测IgM和IgG抗体，通常采用侧流免疫层析（LFIA）格式（图3），在10–20分钟内出结果。由于感染后存在血清学窗口期，抗体检测不适用于早期临床诊断，更适合回顾性评估、血清流行病学研究和免疫应答监测。商业抗体POCT广泛用于血清阳性率调查和疫苗免疫应答评估，但其性能因检测时间和个体免疫差异而变。交叉反应和其他人类冠状病毒的干扰可能导致假阳性，限制了其作为急性感染独立诊断工具的可靠性。因此，抗体检测在SARS-CoV-2诊断中起补充作用，而非主要功能。

3.4. 生物传感器基POCT

生物传感器POCT利用纳米材料增强的电化学、光学和电子转导机制进行快速检测，代表了一个独特类别。从早期基于局域表面等离子体共振（LSPR）的金纳米粒子比色检测，到光热增强杂交、微流控集成、电化学小型化（如使用还原氧化石墨烯电极和磁珠），再到无创呼吸分析和场效应晶体管（FET）生物传感器（图4），该领域经历了清晰的技术演进。FET生物传感器使用功能化石墨烯片检测病毒刺突蛋白，实现飞克级检测。尽管实验室分析灵敏度令人印象深刻，但许多生物传感器平台仍处于早期开发阶段，从合成样本获得的性能指标不能直接等同于临床诊断准确性。长期稳定性和保质期是重大挑战，因为生物识别元件（抗体、适体、酶）可能在储存和运输中降解。此外，标准化、可制造性、监管批准和冷链要求也是未来临床实施的障碍。

1. 4.
   人工智能（AI）辅助COVID-19诊断
   AI与POCT的整合旨在提高疾病诊断的速度和准确性，可用于图像分析、个性化护理和分散式AI方法。在COVID-19背景下，AI应用包括基于声音的筛查（使用移动应用程序分析语音特征，LSTM模型达到89%准确率）和AI辅助床旁超声（AI-POCUS），后者在检测肺炎方面显示出高准确性（患者水平达94.5%）。然而，这些AI应用大多仍处于探索阶段，不应视为已验证诊断检测的替代品。现代POCT平台还集成了无线通信和医疗物联网（IoMT）基础设施，实现结果自动传输至医疗提供者和公共卫生系统，促进实时监测。同时，连通性也带来患者隐私、网络安全和数据治理的担忧，未来开发必须平衡创新与数据安全。
2. 5.
   监管考虑与质量控制
   SARS-CoV-2诊断检测的快速部署得益于紧急使用授权（EUA）和CE标记等途径，但这也导致了验证标准和报告性能的差异。研究设计、评估方案和报告标准的不同使得跨平台比较具有挑战性。因此，上市后监督和持续性能监测至关重要。建立标准化验证框架和协调的监管指南是提高POCT技术一致性和质量的关键。
3. 6.
   实施与挑战
   尽管POCT具有优势，但其广泛实施面临挑战：成本（尤其是分子平台所需的专用设备和耗材）、基础设施限制（供应链和设备可用性）、以及人员培训（用户操作和遵循协议的可变性会影响准确性）。解决这些实际挑战对于最大化POCT的有效性和可扩展性至关重要。
4. 7.
   SARS-CoV-2 POCT模式的比较分析
   各类POCT在诊断性能、操作要求和临床适用性上差异显著。分子检测分析灵敏度最高，但成本高、设备依赖性强；抗原检测快速简便，适合大规模筛查，但灵敏度受病毒载量影响；抗体检测适用于血清监测和回顾性分析，但在急性诊断中效用有限。新兴的生物传感器和AI平台虽具潜力，但临床验证有限，技术成熟度较低。所有模式的现实性能均受样本质量、操作者变异性和疾病流行率的影响。没有单一模式适用于所有场景，选择应基于诊断目标、资源可用性和技术成熟度（图5，表5）。分子POCT适用于需要最大灵敏度的场合，抗原POCT支持快速大规模筛查，抗体检测用于血清监测和既往暴露评估，而CRISPR、生物传感器和AI系统代表有前途的未来方向，但需进一步验证。
5. 8.
   结论
   POCT已成为SARS-CoV-2诊断策略的重要组成部分，实现了快速、去中心化和可及的检测。分子POCT提供最稳健的分析灵敏度、特异性和对病毒变异的弹性；抗原检测因其经济性、简单性和快速性而在筛查中保持价值；抗体检测继续支持血清流行病学和既往暴露评估。新兴技术（CRISPR、生物传感器、纳米技术和AI）展现出扩展去中心化诊断能力的潜力，但多数仍处于概念验证或早期临床验证阶段，需要更多临床验证和标准化。各种POCT模式应被视为互补组件，共同构成综合诊断生态系统，其选择应指导于临床目标、疾病流行率、资源可用性和性能与可及性的平衡。
6. 9.
   未来展望
   未来呼吸道POCT的重要趋势是从单病原体检测转向多重呼吸道panel，能够同时检测多种病毒（如SARS-CoV-2、流感A/B、呼吸道合胞病毒（RSV）、腺病毒等）。商业多重分子平台（如BioFire呼吸道panel、Xpert Xpress CoV-2/Flu/RSV Plus）已证明可行性。未来的多重POCT系统有望扩大病原体覆盖范围，同时保持快速和高灵敏度，并整合微流控、生物传感器、纳米技术、等温扩增和CRISPR检测。此外，与数字健康基础设施（IoMT、云报告、AI辅助决策）的整合将促进实时监测和公共卫生干预。然而，挑战依然存在，包括平衡多重覆盖与分析性能、大规模生产、监管批准和成本效益。最终，POCT的未来在于整合互补方法，结合多重检测、高性能、操作简单、数字连接和广泛可及性，以增强全球对传染病爆发的防范能力。