新冠病毒肺炎疫情肆虐
——抗原檢測能否挽救局面？

Peter Weiss

在2020年春末和夏季，新冠病毒肺炎（COVID-19）疫情在最初被封鎖后又出人意料地以強勁的姿態(tài)卷土重來。2020年8月26日，為控制疫情傳播，醫(yī)療供應商巨頭雅培（Abbott）公司和美國聯(lián)邦政府宣布，批準緊急使用一款信用卡大小且每次檢測成本僅需5美元的新型檢測設備[1]。此外，聯(lián)邦政府將花費7.6億美元用于購買1.5億份試劑，并在大約一個月后將其運送至養(yǎng)老院和學校[2]。

到2020年10月底，隨著更多類似的檢測正在進行并等待緊急批準[4]，又有三種抗原檢測試劑盒（antigen test）獲得美國食品和藥品管理局（US FDA）[3]的緊急使用授權(quán)（EUA），其總數(shù)已達到7種。另外，世界衛(wèi)生組織雖然起初不愿意這樣做，但也在2020年9月和10月效仿美國食品和藥品管理局緊急授權(quán)批準使用兩種抗原檢測試劑盒[5]。

這些國內(nèi)及國際監(jiān)管機構(gòu)的批準強調(diào)了檢測的重要性和傳統(tǒng)診斷檢測的不足，突出說明檢測技術是直接抗擊COVID-19公共衛(wèi)生工作的關鍵。在由COVID-19疫情大流行引發(fā)的發(fā)明和改造中，檢測技術已經(jīng)成為生物技術和工程創(chuàng)新的熱點。

再加上采取戴口罩、保持社交距離、隔離和追蹤接觸者，以及如Abbott公司提供的更快、更便宜的篩查測試等更為廣泛的措施，為人們迫切需要抗擊這種傳染病并取得進展提供了希望。與此同時，治療方法和疫苗也正在開發(fā)中。世界上許多在初期似乎已經(jīng)控制住疫情的地方再度暴發(fā)疫情，這讓公共衛(wèi)生專家震驚不已，并呼吁所有人進行快速和頻繁的檢測[6]。據(jù)洛克菲勒基金會（Rockefeller Foundation）最近發(fā)布的一份報告，如果單純?yōu)闈M足中小學和養(yǎng)老院的檢測需要，美國就應在2021年1月前完成每月2億次的快速檢測[7]。雖然人們傾向于準確性更高的檢測，但準確性僅有70%的抗原檢測也能夠通過頻繁檢測發(fā)現(xiàn)先前測試中遺漏的感染者，并為持續(xù)篩查提供足夠的準確性。

據(jù)該報告的合著者、美國坦佩市亞利桑那州立大學（ASU）的實踐教授及醫(yī)學診斷專家Mara G.Aspinall稱，篩查美國全部人口所需的檢測數(shù)量可能是學校所需檢測數(shù)量的兩倍?！艾F(xiàn)在到時候了，”Aspinall說，“我們有協(xié)議，有檢測試劑。我希望社區(qū)能夠減少病毒的傳播并重新控制疫情。”

使用逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應（RT-PCR）來檢測COVID-19是當前的黃金標準[8]。然而，這種傳統(tǒng)的檢測不僅復雜、昂貴，而且緩慢，它需要花費數(shù)個小時并通過多個溫控步驟來檢測一個樣本。它還有賴于熟練的技術人員、昂貴的試劑，還需將樣品運送到專門的處理實驗室，進一步拖延了檢測的結(jié)果。在COVID-19感染率較低且各國能夠避免病例激增的情況下，使用RTPCR來檢測COVID-19似乎很有效。但是，當許多國家持續(xù)出現(xiàn)感染病例數(shù)量急劇上升的情況時，RT-PCR實驗室就無法滿足檢測需求了。在這種情況下，推遲幾天，有時甚至是一周或更長的時間報告檢測結(jié)果，大大降低了檢測在指導公共衛(wèi)生工作和防止疾病進一步傳播方面的價值。使用RT-PCR檢測COVID-19的費用也使其不適合快速且頻繁地使用，但這種檢測對于識別無癥狀和癥狀前的病毒攜帶者至關重要，因為這些病毒攜帶者可能會在不知情的情況下將病毒傳播給其他人。

RT-PCR通過尋找并復制數(shù)以億計的病毒遺傳物質(zhì)鏈來檢測病毒，這種檢測十分準確。相比之下，“橫向流動抗原檢測”（lateral-flow antigen assay）通過使用特定的抗體捕捉病毒特有的蛋白質(zhì)或抗原來檢測病毒，其準確性通常不如RT-PCR。但重要的是，“橫向流動抗原檢測”技術可以“在等待時”出結(jié)果。美國政府向Abbott公司購買的1.5億套BinaxNOW COVID-19檢測試劑盒就是使用“橫向流動抗原檢測”技術。作為RT-PCR檢測的競爭對手，許多抗原檢測試劑盒的生產(chǎn)者公布了他們官方檢測的靈敏性和特異性。這種準確性僅適用于病毒高速增長前的短暫窗口期，即出現(xiàn)有癥狀感染者的前5天，而不適用于無癥狀感染者和癥狀前病毒攜帶者，原因是其抗原檢測的準確性仍需查明。一位醫(yī)療專業(yè)人員利用Abbott公司的BinaxNOW檢測試劑盒（圖1），將患者的檢測拭子插入測試卡上的一個微小的試劑孔中，用來制造樣品溶液（不允許自行進行此操作），該溶液利用一塊用膠體金標記的松散沉積的抗體通過毛細管運動沿著纖維帶遷移。如果目標蛋白存在于溶液中，那么抗原就會捕獲這些分子并形成膠體金標記的抗原抗體復合物，然后持續(xù)流動。在等待這些復合物下沉的過程中，一種固定的、不同種類抗體的“檢測”線會捕捉復合物。被捕捉的膠體金標記使得這條線肉眼可見，表明檢測結(jié)果呈陽性。此過程完全在室溫下進行，15 min就可完成檢測并且不需要讀數(shù)設備或其他儀器。

圖1.一名醫(yī)療專業(yè)人員將患者的鼻咽拭子插入BinaxNOW檢測卡中，以檢測嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2（SARS-CoV-2）的感染情況，該病毒導致全球新冠病毒大流行。這種便宜（5美元）、輕巧的設備可以在15 min內(nèi)檢測出人的黏液或其他體液中新冠病毒所特有的蛋白質(zhì)片段（抗原）。2020年夏天，美國政府向Abbott公司訂購了1.5億張新型檢測卡，此舉將有助于把這種和其他抗原檢測技術推向美國和國際社會遏制疫情工作的前沿。資料來源：Abbott（公共領域）。

抗原檢測長期以來被用于快速診斷諸如流行性感冒、軍團病、鏈球菌性咽喉炎和獲得性免疫缺陷綜合征（艾滋?。┑燃膊。运⒉恍缕妗５?，新冠病毒的快速流行促使新的基于抗原或其他快速檢測方法以前所未有的速度發(fā)展起來。當新冠病毒開始大流行時，制造商就已經(jīng)預見人們對抗原檢測的潛在的巨大需求。他們首先研究了何種蛋白質(zhì)可以作為嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2（SARS-CoV-2）的最好的標記物。能夠識別和結(jié)合這些標記物的互補分子——主要是抗體——也需要設計和制造出來。到目前為止，監(jiān)管機構(gòu)為緊急使用已經(jīng)批準了9種基于抗原檢測的方法，這些方法結(jié)合了先進技術，具體包括微流體[10]；納米材料（這可能影響測試的靈敏度、速度和讀出類型，以及是否需要單獨的分析儀器）；顯示病毒存在的各種方法，如色譜分析法[11]、熒光法[12]和電化學傳感[13]等；在一個單獨的儀器中進行一體檢測，該檢測可同時檢驗多種不同病原體（如COVID-19、流行性感冒和呼吸道合胞病毒）[14]。

截至2020年11月初，由亞利桑那州立大學的Aspinall和其他人共同維護的公共數(shù)據(jù)庫，即COVID-19通用測試庫列出了全球約1000種已有或正在開發(fā)的檢測方法用于檢驗SARS-CoV-2的活動性感染，另外又列出了1000種抗體檢測方法用于識別那些曾感染COVID-19但不處于活動性感染的個體。數(shù)據(jù)庫中關于活動性感染檢測方法的大部分詞條屬于RT-PCR種類，約占75%。其中大多數(shù)方法相對實驗室標準進行了改良，以對檢測過程進行加速、簡化或減少檢測成本。數(shù)據(jù)庫中10%以上的檢測方法屬于“橫向流動抗原檢測方法”，并列出100多種類似的還在開發(fā)的檢測方法。另外又列出了近150種基于大量新技術的、代表了最先進的原型和概念的檢測方法。其中的9種，包括2種被美國食品和藥品管理局批準可緊急使用的檢測方法[15,16]，利用了成簇的規(guī)律間隔的短回文重復序列（CRISPR）[17]，這一基因編輯技術備受贊譽并獲得了2021年諾貝爾化學獎[18]。其他一些則利用了人工智能技術，例如，英國牛津大學正在開發(fā)一種結(jié)合顯微成像、快速熒光標記和神經(jīng)網(wǎng)絡分析的測試方法，以便在5 min內(nèi)確定病毒的存在[19]。多家公司，包括合作伙伴Gauss（美國加利福尼亞州門洛帕克）和Cellex（美國北卡羅來納州三角研究園）正通過加強彼此的合作來解決公眾對測試結(jié)果的驗證和對報告的擔憂，并設計測試結(jié)果只能通過智能手機的應用端讀取，同時確保測試結(jié)果在公共健康部門或其他部門之間的安全流通[20]。

但即使是RT-PCR類別也包含很多創(chuàng)新。例如，“CovidNudge”——一個高度小型化的RT-PCR測試盒——只需90 min就可以在一個約烤面包機大小的便攜壁掛式的實驗室箱中自動進行一個完整的RT-PCR循環(huán)（圖2 [21]）。2020年4—5月，在英國三家醫(yī)院進行的試驗表明，在沒有進行實驗室處理或樣品預處理的情況下，即時檢測的總體準確性與實驗室條件下RT-PCR測試的準確性相當[21]。這促使英國政府從2020年9月起花費2.12億美元訂購了580萬套檢測試劑盒，供國家衛(wèi)生醫(yī)療服務體系使用[22]。

所有這些新的檢測方法將如何影響COVID-19疫情的大流行，以及它們將如何補充即將到來的預期疫苗仍有待確定。但是，盡管專家仍在繼續(xù)審查和討論檢測試劑盒的潛在用途，特別是在識別無癥狀和癥狀前可能感染的病毒攜帶者方面[23-25]，政府、慈善機構(gòu)和全球醫(yī)療系統(tǒng)仍在爭相購買和部署數(shù)以百萬計的檢測試劑盒[2,22,26-28]。

世界衛(wèi)生組織的COVID-19技術負責人、倫敦帝國理工學院公共衛(wèi)生學院榮譽講師、傳染病流行病學家Maria van Kerkhove 表示，快速檢測方法的日益普及是“一種非常積極的進步”，但仍然“需要改進”?！案鲊荚谑褂盟鼈?，所以我們試圖提供指導，讓他們知道這些方法在哪些地方表現(xiàn)得更好，以減輕PCR檢測的一些壓力?！?/p>

圖2.“CovidNudge”測試方法展示了RT-PCR技術最近的創(chuàng)新成果，RT-PCR是醫(yī)療行業(yè)檢測病毒感染的黃金標準。當烤面包機大小的“DnaNudge”測試器從頂部滑到底部的操作位置時，該自動化設備就會對可移動藍色測試盒中的患者樣本進行復雜的基于基因的RT-PCR處理。早在新冠病毒疫情流行之前，“DnaNudge”的工程師就已經(jīng)在倫敦帝國理工學院將這種臨床實驗室式的設備小型化了，以便為一家營養(yǎng)品消費初創(chuàng)公司實現(xiàn)快速和便攜式的基因分析。用改造后的設備在醫(yī)療機構(gòu)和非實驗室地點，如機場、學校、大型工作場所等進行COVID-19診斷，該設備檢測SARS-CoV-2并進行完整的RT-PCR過程只需不到90 min，約為標準中心實驗室處理所需時間的1/4，且不包括樣品運輸所延長的時間。資料來源：DnaNudge（公共領域）。