三問美新冠檢測:如何運作?為何檢測?為何檢不上?
2020年03月23日08:50

  出品:新浪科技

  編譯:木爾

誰生病了?病情多嚴重?疾病傳播速度多快?在美國,沒有一個令人滿意的答案,原因很簡單也細思恐極:沒有足夠的試劑盒。

  截至3月16日,俄亥俄州的新冠病毒確診病例為5例。但是在俄亥俄衛生局局長艾米·阿克頓(Amy Acton)看來,這隻是危險的冰山一角中的一小部分。“我們知道,社區傳播的事實表明,目前俄亥俄州至少有1%的人口可能是病毒的攜帶者,”阿克頓在週四的新聞發佈會上說,“而我們州人口總計1170萬。”換句話說,按照阿克頓的推測,僅俄亥俄一州就有11.7萬名感染者。

  阿克頓是怎麼知道這些的呢?理論上講,她並不知道。她只能從科學家目前已經掌握的關於這次大流行病的有限數據進行推斷。官方數據顯示,全球確診病例共計13萬例。所以,俄亥俄州潛在的6位數病例,著實駭人聽聞,更不用說美國其他州的潛在病例數。

  這個數據到底正確與否,也是公共衛生工作人員迫切想知道的。誰生病了?病情多嚴重?疾病傳播速度多快?只是在美國,沒有一個令人滿意的答案,原因很簡單也細思恐極:沒有足夠的試劑盒。和流感,或者之前的其他冠狀病毒如SARS或MERS,或者性傳播疾病,或者其他感染不同,衛生工作人員根本無從判斷坐在他們面前的人是不是新冠病毒攜帶者。檢測的技術其實是有的,而且也不怎麼複雜。只是試劑盒不夠用。眼下,距疫情爆發已過去了四個月,距美國境內發現首例“社區傳播”病例已過去兩週,醫生和衛生工作人員仍無法對所有人進行新冠病毒檢測。(這樣的局面或許最終會得到改變。3月13日,美國食品和藥物管理局(FDA)已經批準兩家公司進行商業檢測。兩家公司分別是瑞士的羅氏製藥和醫療器械製造商賽默飛世爾。這兩家公司在醫療測試和銷售方面的豐富經驗,意味著即時提供200份試劑盒並不是天方夜譚。)

  美國企業研究所(American Enterprise Institute)有一個估算美國當前總檢測能力的項目。項目認為總檢測能力應該在每天2.2萬次以上——大約是韓國每日檢測數量的兩倍。這麼大的缺口限製了科學家對疾病的瞭解,也限製了他們對治療措施的研究。美國或將迎來一個十分可怕的感染曲線,受感染人數呈指數級增長。很大一部分美國人可能會發展成為重症患者,進而需要入院治療,其中一部分很有可能會不治身亡。在1月或2月份的時候,我們沒有人著手開展足夠的檢測,來防微杜漸;而現在,依舊也沒有足夠的檢測,來摸清未來的嚴重性。個中原因既有科學上的因素,也有政治上的因素,日後問題的解決也需要科學和政治雙管齊下。

  廣義上講,應對傳染病暴發,包括兩個階段:遏製和緩解。遏製階段始於病例發現的初期。負責監督的公共衛生工作人員需要一一排查,確認與確診患者可能有過接觸的人員,通知他們並對他們採取隔離或給予治療,以減少進一步的傳播。但這裏就存在一個問題:如果無法檢測接觸人員是否受感染,那麼衛生工作人員也就無法有效地阻止進一步傳播。

  在第二個階段,疾病已經擴散,公共衛生系統已經無法調查和處理個別病例,人們需要知道他們即將面臨的危險。但是,如果無法對大量人群進行檢測,人們也就無法計算出究竟有多少患者需要住院治療,或者有多少患者可能會死亡。這些數據會根據地區顯示出來。針對這次的新冠病毒疫情,根據各個國家進行檢測的深度和他們實際公佈的數據,病死率從1%到15%的都有。造成差異的因素各種各樣,從人口的整體健康狀況到國家的醫療保健系統等等。如果可以知道哪一個病死率更為準確的話,那就好了。

  隨著抗疫已經從個人上升到整個人口層面,保持社交距離、取消大型活動、關閉學校並通知人員居家工作等各種緩解措施,不僅是為了降低受感染人數,也為了“撫平曲線”——流行病學家解釋說。該曲線表示給定時間內的患者人數,眼下最理想的狀態就是儘量把“海嘯”狀曲線緩解為“一片漣漪”狀,除了必要的減少受感染總人數之外,還要把時間間隔拉長。這是因為美國醫院的人員、設備及空間有限:每1000個人平均擁有2.9個病床位。這個數據,雖不及意大利,但好過伊朗,這兩個國家的醫療系統都在經受嚴峻考驗。另外,也是為了給研發治療方案,爭取更多時間。

  新冠病毒檢測的工作原理

  在測試諸如SARS-Cov-2這類新病毒時,第一波診斷幾乎全都依賴於兩項儘管不是十分現代但卻非常重要的技術。

  第一個技術叫做聚合酶鏈式反應(PCR),它是一項DNA擴增技術,通常在實驗室中使用,可在短時間內擴增目標DNA,以便對其進行分析研究。凱利·穆利斯(Kary Mullis)在1983年發明聚合酶鏈式反應,利用加熱和冷卻循環,大量複製樣本稀少的DNA。穆利斯因此獲得1993年諾貝爾化學獎。再結合可標記DNA的螢光染色劑,PCR可以讓科學家知道具體的DNA數量。PCR技術可以用來有效判斷病原體的存在(無論是在宿主體內還是遺留在物體表面)。

  但是,由於SARS-CoV-2這類病毒的基因組為單鏈RNA構成,因此科學家在檢測之前,需要先把病毒的基因組轉變為雙鏈的DNA。這時候,他們就需要逆轉錄酶來幫忙。將這兩個技術組合在一起,就是逆轉錄聚合酶鏈式反應(RT-PCR)。

  當前,RT-PCR是檢測一個人是否感染新冠病毒的唯一方法。其他檢測方法均無法區分新冠病毒與流感病毒,更無法區分新冠病毒與其他十幾種在每年這個時候引起呼吸道疾病的病毒。明尼蘇達大學分子病毒學研究所主管路易斯·曼斯基(Louis Mansky)說:“(RT-PCR)是微生物實驗室中普遍使用的一項標準且可靠的技術,它可以迅速應用於臨床測試,大概也是開發起來最快的檢測方法。”

  但問題是,在其他檢測方法得到開發並獲得批準之前,所有新冠病毒的檢測都只能在實驗室里由受過專門訓練的技術人員進行操作。檢測需要PCR設備以及經過培訓的設備操作員,這意味著新冠病毒檢測無法在診所或患者家中進行。但曼斯基也說,由於PCR在生物學界的地位舉足輕重,因此很多大學和醫院的研究實驗室都配備了必要的設備和人員。只是在美國,只有經過聯邦醫療保險和醫療補助服務中心認證的實驗室,才能處理臨床樣本。而這個所謂的認證過程,耗時數月。Kalorama Information是一家專門研究醫療診斷的市場研究公司。該公司的出版負責人布魯斯·卡爾森(Bruce Carlson)說:“我們對醫療檢測有著十分繁瑣的監管體系,既擔心錯報,又擔心漏報。”

  試劑齊全的話,基本上一天就可以出結果。但是試劑短缺和運輸物流會導致一次檢測需要數天乃至數週才出結果。(事實上,這個問題已經存在,我們稍後會詳述。)下面,讓我們來捋一遍正常的流程:

  第一步,收集樣本。醫護人員用無菌拭子擦拭患者鼻腔或喉嚨後部,目的是採集從之前在肺部停留過的物質。目前,普遍認為,病毒在肺部進行複製。採集完成後,拭子被密封起來,裝在冷藏容器內,送往檢測實驗室。樣本的儲存溫度必須保持在1.7℃至4.4℃之間。另外,如果樣本採集後四天內未進行處理,就需要把樣本放進冷凍櫃或做廢棄處理。

  樣本送到實驗室後,第一步要做的是從樣本中分離出RNA。樣本中的其他物質——人體細胞、蛋白質、酶等會破壞病毒的基因密碼。這一步叫做RNA提取。手動提取RNA需要添加化學物質,然後用離心分離法析出RNA。一些大型的生化供應商會提供試劑盒,裡面有RNA分離所需的一切。也有自動化機器可以完成RNA分離。

  RNA分離出來後,就是往裡邊加入逆轉錄酶,把單鏈的RNA變成雙鏈的DNA。再接下來,把處理好之後的DNA,連同核苷酸、DNA聚合酶和一小段DNA合成片段(即“引物”)一起,放入試管。這些引物的作用是發現並結合病毒基因組的特定片段。簡言之,如果一切正常的話,它們應該只會識別和擴增病毒的基因物質,而無視樣本中的其他一切“雜質”,比如人類或細菌的DNA。

  這一切都在PCR儀器內完整。PCR儀器可以控製溫度循環。對試管加熱時,DNA的雙螺旋結構分裂成兩條單鏈,每條單鏈的一側暴露在外。隨後,對試管進行降溫,這時引物配對到單鏈裸露在外的一側。然後,DNA聚合酶利用引物作為DNA複製的起始點,根據單鏈的結構開始構建互補鏈。五分鍾後,一條完整的DNA雙鏈就複製好了。經過30到40次循環,一個DNA結構可以擴增至數百萬個,足夠科學家對其進行檢測。

  檢測過程是這樣的:在PCR擴增階段,科學家會往試管里加入螢光染色劑。這些染色劑只會在遇到DNA時發光發亮,可以很好地用來標記DNA。隨著DNA數量的增加,螢光強度也隨之上升。PCR儀器內部的特殊光測量儀可以讀取這些螢光圖,從而判斷哪些樣本中有病毒,哪些沒有病毒。“如果某一份樣本里有冠狀病毒,那麼它的RNA就會被轉錄成DNA,進而複製擴增,最後螢光信號會告訴我們檢測結果是陽性還是陰性,”曼斯基說。

  協議開發

  關於RT-PCR,比較重要的一點是,它不是針對某一種病毒的一項測試;而是一種用來識別特定基因序列的方法,廣泛應用於全球的學術、商業和公共衛生實驗室。並且,科學家用來獲得可靠結果的具體“配方”——使用哪一種RNA提取試劑盒、哪一台PCR儀器以及哪些引物——也各有不同。這些具體的“配方”,我們稱之為“協議”。

  當有新的疾病——比如這一次的新冠病毒疾病——出現時,大學、國家研究機構和公共衛生組織(如國家疾控中心等)等往往會在第一時間製定出RT-PCR協議。他們擁有生物安全實驗室,可以處理致命的新型病原體(包括培養病原體的能力),這是驗證各種檢測有效性的關鍵一步。一旦機構有了初步檢測,他們就可以把檢測下放到當地的公共衛生實驗室和醫院。最終,如果疫情持續擴散,商業實驗室和診斷公司也會生產他們自己的檢測試劑盒。

  從今年1月份開始,中國研究人員率先發佈了SARS-CoV-2的第一個全基因組序列。此後不久,世界各地的組織陸續開始設計、測試和公佈用過檢測新型冠狀病毒的RT-PCR協議。世界衛生組織作為向檢測實驗室提供資源的一個機構,一直在更新協議清單,以及最佳操作指南。

  其中就有美國疾控中心開發的協議。美國疾控中心的檢測包括四組引物。前兩組引物分別叫做“N1”和“N2”,針對SARS-CoV-2基因組的獨特編碼區,這部分編碼區關係到包裹和保護病毒基因物質的蛋白質。第三組引物針對SARS樣病毒屬的共有基因。第四組(也是最後一組)引物針對人類基因,可用作陽性質量控製。理論上,每次檢測都應該100%地標識出人類基因目標;如若不然,則說明檢測有問題。有些與SARS-CoV-2不相關的DNA,理論上也不會與前三個引物產生反應,對此試劑盒也有相應的陰性對照說明。美國疾控中心曾在1月份的時候,開始使用這套協議對有武漢旅行史的人進行病毒檢測。

  2月4日,也就是美國疾控中心檢測到美國第一例新冠病毒患者的兩週之後,FDA發佈緊急授權,越過平日的監管渠道,直接允許全國經認證的公共衛生實驗室對病毒進行檢測。疾控中心將四組引物、連同相關的螢光試樣,打包到試劑盒內,每一個試劑盒可處理700至800份樣品。從2月5日開始,通過該部門自己的分發機構——International Reagent Resource,疾控中心正式開始把200個試劑盒發送到全國115個有資質進行檢測的公共衛生中心實驗室。

  然而,事情就是從這裏開始跑偏。

  漏洞百出、亂成一團,繁文縟節火上澆油

  試劑盒送達各州實驗室後,當地的科學家便開始著手驗證檢測結果。其中涉及使用試劑盒檢測已知的樣本,來確保試劑盒可以正確檢測出SARS-CoV-2,同時又不會錯誤地標記未感染樣本。但很多實驗室都遇到了各種各樣的問題。在有些實驗室,陰性對照不起作用;而在另外的一些實驗室,本該得出陽性結果的,檢測下來卻結果不明。

  2月12日,美國疾控中心宣佈問題出在試劑上。本該標記冠狀病毒共有基因的第三組引物,沒能夠正常工作。疾控中心官員通知實驗室說,不要急,新的試劑盒馬上送到。結果,幾週過去了,仍只有少數幾個州的零星實驗室有能力檢測新冠病毒。在其他地方,衛生部門只能把疑似患者的樣本直接送到疾控中心等待檢測。更不巧的是,彼時疾控中心的檢測標準十分苛刻:只有有明顯症狀且有中國旅行史的患者,才有資格接受檢測。對此,《紐約時報》的一篇報導說,這意味著,在病毒傳播至美國的關鍵早期階段,很多受感染者未能被及時發現。

  就在美國疾控中心努力寄出更多試劑盒的同時,其他受疫情影響的國家則開始採用世衛組織公佈的其他協議。相比之下,一直到2月25日,除了疾控中心之外,美國僅5個州的12個實驗室有能力檢測新冠病毒。根據疾控中心網站的網頁存檔,當時美國僅426人接受了檢測。(從3月2日開始,該機構不再公佈檢測人數。)與此同時,據報導,韓國每天接受檢測的人數為1.5萬人——相當於美國迄今為止接受檢測的總人數。

  原則上,只要設備齊全,美國任何一傢俱有資質的實驗室理應都可以檢測病毒,包括醫院和商業實驗室。他們所需要做的就是使用世衛組織發佈的任何一項協議,來訂購引物,繼而開始新冠病毒檢測。但實際上,因為各種新發佈的繁文縟節的存在,他們什麼都做不了,只能等待疾控中心分撥更多試劑盒。

  為什麼會這樣呢?這要從1月份那會說起。當時,聯邦醫療衛生機構宣佈新冠病毒疾病為公共衛生緊急事件,隨後觸發一系列規則,其中包裹要求所有檢測都必須經過FDA的“緊急使用許可”程式審核。這些規則提高了試劑盒開發和獨立實驗室檢測病毒的門檻。在非緊急情況下,FDA通常不會插手這類檢測。但是根據緊急規則,任何想要檢測新冠病毒的實驗室都必須先進行一系列驗證研究,並把數據提交給FDA進行審核。然而進行驗證研究首先需要有病毒樣本;但若非疾控中心,想要獲得病毒樣本談何容易。

  為了保持一致性,FDA選擇僅對疾控中心的試劑盒開放緊急許可,為的是確保對各州、各縣和各市的衛生部門進行統一的監督。“政府採取的檢測策略非常狹隘。換言之,即便試劑盒有效,短時間內檢測能力也不會顯著提高,”約翰霍普金斯公共衛生學院衛生政策研究員約書亞·沙夫斯坦(Joshua Sharfstein)說,“政府的意思無異於,我們只能使用疾控中心開發的試劑盒,不僅如此,這個試劑盒只能由疾控中心打包和分發,並且只能由州立實驗室來做檢測。”

  結果,美國的所有實驗室只能用疾控中心送來的試劑盒檢測新冠病毒。他們不能訂購自己的引物和螢光試劑,哪怕他們自己購買的引物和螢光試劑跟疾控中心使用的一模一樣。更糟的是,當疾控中心的試劑盒存在缺陷時,下級實驗室除了等待,別無選擇。

  此時此刻,除了政府之外,沒人知道為什麼美國還不使用為世衛組織研發的檢測方法。這個檢測方法已經在120多個國家使用。一名世衛組織發言人拒絕回答該問題,諸如衛生和公共服務部長亞曆克斯·阿紮爾(Alex Azar)一眾的美國議員則對該問題始終避而不答。可想而知,官僚主義占了很大因素——該檢測要在美國獲得批準,可能需要很長很長的時間。有些人則懷疑是政治因素在作怪。健康政策記者丹·戴蒙德(Dan Diamond)在一檔節目中稱,特朗普總統有意拖延檢測效率,因為確診病例人數過高會影響他的連任計劃。

  2月29日,隨著公共衛生災難愈演愈烈,提高檢測能力的壓力也越來越大。FDA此時不得不更改其監管規定,改口允許有資質的臨床實驗室開發和使用他們自己的試劑盒來檢測新冠病毒,且無需事先批準。沙夫斯坦說:“西海岸社區傳播病例浮出水面,給人們敲響了警鍾。等到週末,FDA只能鬆口。”

  在新的政策下,實驗室仍需將數據提交給FDA審核。但現在,在內部驗證了檢測之後,他們可以有兩週的時間來準備需要提交給FDA的數據。在此期間,患者樣本的檢測也可以同步進行。

  根據美國企業研究所編製的數據,協議放寬後,兩家大型商業診斷實驗室Quest Diagnostics和LabCorp,均已經開始每天檢測數千份樣本。Quest Diagnostics發言人還表示,預期到三月底,公司每週可以檢測上萬份樣本。大學和醫院也紛紛開始行動起來。

  只不過,監管的問題現在算是解決了,但物流又提出了新的挑戰。當越來越多的實驗室開放在線申請後,RT-PCR檢測的每一個步驟幾乎都會遇到瓶頸。公共衛生實驗室協會首席項目官埃里克·布蘭克(Eric Blank)說,目前最大的問題在於RNA提取試劑盒。“大家都在搶購這些輔助材料,我們從成員實驗室獲悉,很多材料現在已經訂不到了。”

  疾控中心的檢測協議推薦的RNA提取試劑盒由Qiagen公司供應。但早有媒體在3月10日時報導稱,由於過去數週全球都在加速新冠病毒的檢測,這些試劑盒目前已處於待補貨狀態。據報導,同樣缺貨的還有自動化RNA提取設備和RT-PCR儀器。疾控中心對用來檢測新冠病毒的設備也有要求,並不是所有實驗室都擁有獲批的設備。那些缺少獲批設備的實驗室現在則正在想方設法採購符合要求的設備。

  Qiagen公司高管也在郵件中說,他們正在招聘新員工,擴大歐洲工廠的生產能力,每天採取三班倒,一週七天都在加緊生產。FDA最近進一步放寬監管,允許實驗室使用另一家歐洲製造商羅氏製藥供應的試劑盒。但是,眼下的物資短缺預計將進一步影響美國及時確診新冠病毒患者的能力。布蘭克說:“對此沒有快速的解決辦法。解決供應鏈這個問題,可能需要幾週的時間,也就是說,短時間內,檢測將一直供不應求。”

  正在研發中的檢測技術

  更多試劑盒當然可以提高檢測能力。最終,新的檢測技術或許也可以幫上忙。

  至少已經有20家公司宣佈計劃開發“分子定點照護”(molecular point-of-care)檢測方法。這些檢測方法以自動化系統為主,可以讓一線醫護人員在半小時內獲得檢測結果,無需再等待數天乃至更久。“你可以採集患者的鼻拭子或咽拭子,放進容器,再把容器放進設備,按下按鈕。30分鍾後,你就可以拿到診斷報告,這就是他們的目標,”卡爾森說。

  Cepheid是一家生產這類檢測工具的公司,他們的產品已經用於其他疾病的診斷。目前,新冠病毒的檢測工具已經在開發中。Coyote Bioscience開發的類似檢測工具已經在中國部署。甚至還有一項正在研發中的檢測方法可以同時檢測新冠病毒和流感病毒。

  像Sherlock Biosciences和Mammoth Biosciences這些創業公司也在考慮利用基於CRISPR技術的診斷方法來檢測新冠病毒。這些檢測利用CRISPR的可編程基因搜索功能,可以在一小時內得出結果,且無需繁瑣的實驗室儀器。Mammoth在3月10日發佈一篇預印文章,提到公司為SARS-CoV-2開發的一項檢測技術,可以配合檢測試紙使用。目前,公司正在對檢測結果做進一步驗證。

  另一種非常有市場的辦法是從患者血液中尋找病毒抗體,即所謂的血清檢測。這個方法自然是好的,因為除了檢測新冠病毒之外,它還可以告訴你對方是否曾經感染病毒,但現已經治癒。倫敦衛生和熱帶醫學學院的一名傳染病研究員馬丁·希伯德(Martin Hibberd)曾參與過SARS病毒的檢測研發,他說:“檢測越快,當然確診的病例越多,但即便是最好的檢測,也無法做到沒有任何遺漏。只有等到我們對這類型的檢測方法進行全面測試後,才能知道確切的漏診率。”

  血清檢測比基於PCR的檢測可能還會便宜一些,也更適合自動化和高通量檢測。希伯德說,血清檢測的準確性或許不及分子檢測,但另一方面,之前用來檢測SARS病毒的血清檢測卻可以識別出SARS-CoV-2病毒。這對研發新的檢測方法有沒有用,還有待觀察。

  這跟吃瓜群眾有什麼關係?

  就眼下這種各地檢測能力各異的情況,意味著,如果你感到不舒服,那麼你能否接受新冠病毒檢測,很大程度上取決於你住在哪裡。有報導指出,有些醫院不提供新冠病毒檢測,原因是他們沒有足夠的口罩來保護收集患者樣本的醫護人員。其他醫院則採取定量檢測,即只對重症患者進行新冠病毒檢測,其他症狀較輕的則被建議居家治療。目前,每個州、縣和部分城市都有自己的政策,規定誰可以接受檢測。“我們的系統跟不上目前的需求,”國家過敏和傳染病研究所主任安東尼·福熙(Anthony Fauci)在本週的國會聽證會上說道,“這是一個失敗,我們必須承認的失敗。”

  在週五的白宮新聞發佈會上,特朗普總統試圖挽救這種失敗的局面。他宣佈,鑒於新冠病毒疫情,全國進入“國家緊急狀態”,以便各州和各地靈活應對資金和監管問題。總統還宣佈,將與包括沃爾瑪和CVS在內的多家全國大型商店、藥店建立公私合作關係,允許他們將部分停車位留作“免下車檢測”通道。與羅氏製藥、Quest和LabCorp等檢測公司的合作意味著“我們將能夠在非常、非常短的時間內完成數百萬次檢測,”特朗普總統說。副總統麥克·彭斯(Mike Pence)則表示他們預期最終每天可以進行1.5萬次到2萬次檢測。

  除此之外,一個新的檢測系統將很快上線。彭斯說,兩天后,他會發佈新網站的上線時間。據說,這個網站由Google開發,可以允許人們輸入自己的症狀,然後如果滿足一定條件,他們就可以收到附近的提供免下車檢測服務的停車場位置信息。好是好,但看上去,似乎還是必須得出現了症狀才能進行新冠病毒檢測,而這並不能解決更廣泛的流行病學問題。隨後,Google也否認該公司或同屬Alphabet旗下的醫療健康公司Verily正在開發類似的技術,但Verily確實計劃在灣區測試一個針對醫療工作人員的小型d試驗項目。

  新聞發佈會之後,如何幫助解決檢測和治療費用的問題,依舊懸而未決。還有,假如Google的網站真的上線了,那麼人們的個人信息怎麼保護,檢測結果呈陽性後,又該怎麼處理?

  而在此期間,作為普通群眾的我們,能做的就是與人保持距離,避免參加大型聚會。如果可以居家工作的話,那就在家工作哪也別去了。如果發現自己跟確診患者有過接觸的話,請在家自我隔離14天。要是覺得身體不適,也請在家自我隔離14天。症狀不嚴重的話,也沒必要前往醫院。勤洗手,用肥皂洗,至少20秒。可以的話,給你的手機和其他用品也勤消毒。千萬忍住,不要摸臉。最後,留心你的鄰居,家中有老人和病人的,他們可能會需要幫助。

  這一次的大流行病影響著我們每一個人,我們所能做的就是竭力全力,幫助身邊需要幫助的人。

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