新冠病毒肺炎疫情肆虐
——抗原檢測(cè)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(qiáng)勁的姿態(tài)卷土重來(lái)。2020年8月26日，為控制疫情傳播，醫(yī)療供應(yīng)商巨頭雅培（Abbott）公司和美國(guó)聯(lián)邦政府宣布，批準(zhǔn)緊急使用一款信用卡大小且每次檢測(cè)成本僅需5美元的新型檢測(cè)設(shè)備[1]。此外，聯(lián)邦政府將花費(fèi)7.6億美元用于購(gòu)買1.5億份試劑，并在大約一個(gè)月后將其運(yùn)送至養(yǎng)老院和學(xué)校[2]。

到2020年10月底，隨著更多類似的檢測(cè)正在進(jìn)行并等待緊急批準(zhǔn)[4]，又有三種抗原檢測(cè)試劑盒（antigen test）獲得美國(guó)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(dá)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(guó)食品和藥品管理局緊急授權(quán)批準(zhǔn)使用兩種抗原檢測(cè)試劑盒[5]。

這些國(guó)內(nèi)及國(guó)際監(jiān)管機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)了檢測(cè)的重要性和傳統(tǒng)診斷檢測(cè)的不足，突出說(shuō)明檢測(cè)技術(shù)是直接抗擊COVID-19公共衛(wèi)生工作的關(guān)鍵。在由COVID-19疫情大流行引發(fā)的發(fā)明和改造中，檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為生物技術(shù)和工程創(chuàng)新的熱點(diǎn)。

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(cè)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(jìn)展提供了希望。與此同時(shí)，治療方法和疫苗也正在開(kāi)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(jìn)行快速和頻繁的檢測(cè)[6]。據(jù)洛克菲勒基金會(huì)（Rockefeller Foundation）最近發(fā)布的一份報(bào)告，如果單純?yōu)闈M足中小學(xué)和養(yǎng)老院的檢測(cè)需要，美國(guó)就應(yīng)在2021年1月前完成每月2億次的快速檢測(cè)[7]。雖然人們傾向于準(zhǔn)確性更高的檢測(cè)，但準(zhǔn)確性僅有70%的抗原檢測(cè)也能夠通過(guò)頻繁檢測(cè)發(fā)現(xiàn)先前測(cè)試中遺漏的感染者，并為持續(xù)篩查提供足夠的準(zhǔn)確性。

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

使用逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)（RT-PCR）來(lái)檢測(cè)COVID-19是當(dāng)前的黃金標(biāo)準(zhǔn)[8]。然而，這種傳統(tǒng)的檢測(cè)不僅復(fù)雜、昂貴，而且緩慢，它需要花費(fèi)數(shù)個(gè)小時(shí)并通過(guò)多個(gè)溫控步驟來(lái)檢測(cè)一個(gè)樣本。它還有賴于熟練的技術(shù)人員、昂貴的試劑，還需將樣品運(yùn)送到專門的處理實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步拖延了檢測(cè)的結(jié)果。在COVID-19感染率較低且各國(guó)能夠避免病例激增的情況下，使用RTPCR來(lái)檢測(cè)COVID-19似乎很有效。但是，當(dāng)許多國(guó)家持續(xù)出現(xiàn)感染病例數(shù)量急劇上升的情況時(shí)，RT-PCR實(shí)驗(yàn)室就無(wú)法滿足檢測(cè)需求了。在這種情況下，推遲幾天，有時(shí)甚至是一周或更長(zhǎng)的時(shí)間報(bào)告檢測(cè)結(jié)果，大大降低了檢測(cè)在指導(dǎo)公共衛(wèi)生工作和防止疾病進(jìn)一步傳播方面的價(jià)值。使用RT-PCR檢測(cè)COVID-19的費(fèi)用也使其不適合快速且頻繁地使用，但這種檢測(cè)對(duì)于識(shí)別無(wú)癥狀和癥狀前的病毒攜帶者至關(guān)重要，因?yàn)檫@些病毒攜帶者可能會(huì)在不知情的情況下將病毒傳播給其他人。

RT-PCR通過(guò)尋找并復(fù)制數(shù)以億計(jì)的病毒遺傳物質(zhì)鏈來(lái)檢測(cè)病毒，這種檢測(cè)十分準(zhǔn)確。相比之下，“橫向流動(dòng)抗原檢測(cè)”（lateral-flow antigen assay）通過(guò)使用特定的抗體捕捉病毒特有的蛋白質(zhì)或抗原來(lái)檢測(cè)病毒，其準(zhǔn)確性通常不如RT-PCR。但重要的是，“橫向流動(dòng)抗原檢測(cè)”技術(shù)可以“在等待時(shí)”出結(jié)果。美國(guó)政府向Abbott公司購(gòu)買的1.5億套BinaxNOW COVID-19檢測(cè)試劑盒就是使用“橫向流動(dòng)抗原檢測(cè)”技術(shù)。作為RT-PCR檢測(cè)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，許多抗原檢測(cè)試劑盒的生產(chǎn)者公布了他們官方檢測(cè)的靈敏性和特異性。這種準(zhǔn)確性僅適用于病毒高速增長(zhǎng)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(wú)癥狀感染者和癥狀前病毒攜帶者，原因是其抗原檢測(cè)的準(zhǔn)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(cè)試劑盒（圖1），將患者的檢測(cè)拭子插入測(cè)試卡上的一個(gè)微小的試劑孔中，用來(lái)制造樣品溶液（不允許自行進(jìn)行此操作），該溶液利用一塊用膠體金標(biāo)記的松散沉積的抗體通過(guò)毛細(xì)管運(yùn)動(dòng)沿著纖維帶遷移。如果目標(biāo)蛋白存在于溶液中，那么抗原就會(huì)捕獲這些分子并形成膠體金標(biāo)記的抗原抗體復(fù)合物，然后持續(xù)流動(dòng)。在等待這些復(fù)合物下沉的過(guò)程中，一種固定的、不同種類抗體的“檢測(cè)”線會(huì)捕捉復(fù)合物。被捕捉的膠體金標(biāo)記使得這條線肉眼可見(jiàn)，表明檢測(cè)結(jié)果呈陽(yáng)性。此過(guò)程完全在室溫下進(jìn)行，15 min就可完成檢測(cè)并且不需要讀數(shù)設(shè)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(cè)卡中，以檢測(cè)嚴(yán)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(dǎo)致全球新冠病毒大流行。這種便宜（5美元）、輕巧的設(shè)備可以在15 min內(nèi)檢測(cè)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(guó)政府向Abbott公司訂購(gòu)了1.5億張新型檢測(cè)卡，此舉將有助于把這種和其他抗原檢測(cè)技術(shù)推向美國(guó)和國(guó)際社會(huì)遏制疫情工作的前沿。資料來(lái)源：Abbott（公共領(lǐng)域）。

抗原檢測(cè)長(zhǎng)期以來(lái)被用于快速診斷諸如流行性感冒、軍團(tuán)病、鏈球菌性咽喉炎和獲得性免疫缺陷綜合征（艾滋病）等疾病，所以它并不新奇。但是，新冠病毒的快速流行促使新的基于抗原或其他快速檢測(cè)方法以前所未有的速度發(fā)展起來(lái)。當(dāng)新冠病毒開(kāi)始大流行時(shí)，制造商就已經(jīng)預(yù)見(jiàn)人們對(duì)抗原檢測(cè)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(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2（SARS-CoV-2）的最好的標(biāo)記物。能夠識(shí)別和結(jié)合這些標(biāo)記物的互補(bǔ)分子——主要是抗體——也需要設(shè)計(jì)和制造出來(lái)。到目前為止，監(jiān)管機(jī)構(gòu)為緊急使用已經(jīng)批準(zhǔn)了9種基于抗原檢測(cè)的方法，這些方法結(jié)合了先進(jìn)技術(shù)，具體包括微流體[10]；納米材料（這可能影響測(cè)試的靈敏度、速度和讀出類型，以及是否需要單獨(dú)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(xué)傳感[13]等；在一個(gè)單獨(dú)的儀器中進(jìn)行一體檢測(cè)，該檢測(cè)可同時(shí)檢驗(yàn)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(xué)的Aspinall和其他人共同維護(hù)的公共數(shù)據(jù)庫(kù)，即COVID-19通用測(cè)試庫(kù)列出了全球約1000種已有或正在開(kāi)發(fā)的檢測(cè)方法用于檢驗(yàn)SARS-CoV-2的活動(dòng)性感染，另外又列出了1000種抗體檢測(cè)方法用于識(shí)別那些曾感染COVID-19但不處于活動(dòng)性感染的個(gè)體。數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于活動(dòng)性感染檢測(cè)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(duì)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了改良，以對(duì)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行加速、簡(jiǎn)化或減少檢測(cè)成本。數(shù)據(jù)庫(kù)中10%以上的檢測(cè)方法屬于“橫向流動(dòng)抗原檢測(cè)方法”，并列出100多種類似的還在開(kāi)發(fā)的檢測(cè)方法。另外又列出了近150種基于大量新技術(shù)的、代表了最先進(jìn)的原型和概念的檢測(cè)方法。其中的9種，包括2種被美國(guó)食品和藥品管理局批準(zhǔn)可緊急使用的檢測(cè)方法[15,16]，利用了成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列（CRISPR）[17]，這一基因編輯技術(shù)備受贊譽(yù)并獲得了2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[18]。其他一些則利用了人工智能技術(shù)，例如，英國(guó)牛津大學(xué)正在開(kāi)發(fā)一種結(jié)合顯微成像、快速熒光標(biāo)記和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析的測(cè)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(guó)加利福尼亞州門洛帕克）和Cellex（美國(guó)北卡羅來(lái)納州三角研究園）正通過(guò)加強(qiáng)彼此的合作來(lái)解決公眾對(duì)測(cè)試結(jié)果的驗(yàn)證和對(duì)報(bào)告的擔(dān)憂，并設(shè)計(jì)測(cè)試結(jié)果只能通過(guò)智能手機(jī)的應(yīng)用端讀取，同時(shí)確保測(cè)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(gè)高度小型化的RT-PCR測(cè)試盒——只需90 min就可以在一個(gè)約烤面包機(jī)大小的便攜壁掛式的實(shí)驗(yàn)室箱中自動(dòng)進(jìn)行一個(gè)完整的RT-PCR循環(huán)（圖2 [21]）。2020年4—5月，在英國(guó)三家醫(yī)院進(jìn)行的試驗(yàn)表明，在沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室處理或樣品預(yù)處理的情況下，即時(shí)檢測(cè)的總體準(zhǔn)確性與實(shí)驗(yàn)室條件下RT-PCR測(cè)試的準(zhǔn)確性相當(dāng)[21]。這促使英國(guó)政府從2020年9月起花費(fèi)2.12億美元訂購(gòu)了580萬(wàn)套檢測(cè)試劑盒，供國(guó)家衛(wèi)生醫(yī)療服務(wù)體系使用[22]。

所有這些新的檢測(cè)方法將如何影響COVID-19疫情的大流行，以及它們將如何補(bǔ)充即將到來(lái)的預(yù)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(cè)試劑盒的潛在用途，特別是在識(shí)別無(wú)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(jī)構(gòu)和全球醫(yī)療系統(tǒng)仍在爭(zhēng)相購(gòu)買和部署數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的檢測(cè)試劑盒[2,22,26-28]。

世界衛(wèi)生組織的COVID-19技術(shù)負(fù)責(zé)人、倫敦帝國(guó)理工學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院榮譽(yù)講師、傳染病流行病學(xué)家Maria van Kerkhove 表示，快速檢測(cè)方法的日益普及是“一種非常積極的進(jìn)步”，但仍然“需要改進(jìn)”。“各國(guó)都在使用它們，所以我們?cè)噲D提供指導(dǎo)，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(cè)的一些壓力。”

圖2.“CovidNudge”測(cè)試方法展示了RT-PCR技術(shù)最近的創(chuàng)新成果，RT-PCR是醫(yī)療行業(yè)檢測(cè)病毒感染的黃金標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)烤面包機(jī)大小的“DnaNudge”測(cè)試器從頂部滑到底部的操作位置時(shí)，該自動(dòng)化設(shè)備就會(huì)對(duì)可移動(dòng)藍(lán)色測(cè)試盒中的患者樣本進(jìn)行復(fù)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(guó)理工學(xué)院將這種臨床實(shí)驗(yàn)室式的設(shè)備小型化了，以便為一家營(yíng)養(yǎng)品消費(fèi)初創(chuàng)公司實(shí)現(xiàn)快速和便攜式的基因分析。用改造后的設(shè)備在醫(yī)療機(jī)構(gòu)和非實(shí)驗(yàn)室地點(diǎn)，如機(jī)場(chǎng)、學(xué)校、大型工作場(chǎng)所等進(jìn)行COVID-19診斷，該設(shè)備檢測(cè)SARS-CoV-2并進(jìn)行完整的RT-PCR過(guò)程只需不到90 min，約為標(biāo)準(zhǔn)中心實(shí)驗(yàn)室處理所需時(shí)間的1/4，且不包括樣品運(yùn)輸所延長(zhǎng)的時(shí)間。資料來(lái)源：DnaNudge（公共領(lǐng)域）。