春節(jié)期間，準(zhǔn)備回家過年的人都面臨著目的地48小時內(nèi)核酸陰性報告的防疫要求。各個核酸檢測點門口都排起長隊，寒風(fēng)中瑟瑟發(fā)抖的人們不禁思考：為什么出報告就不能再快一點呢？為什么不能像常規(guī)驗血一樣半個小時取報告呢？核酸檢測真的已經(jīng)在全速沖刺，并且還在努力改進(jìn)，變得越來越快。核酸檢測到底檢了點啥？
首先，核酸不是什么新名詞。它是生物體內(nèi)的遺傳物質(zhì)，一共兩大類：DNA和RNA。核酸保存遺傳信息的方式也挺一根筋的：用幾個不同的分子從頭到尾往下“寫”，而且一共只用四個字母。如果是DNA的話，用A、T、C、G寫，寫成2排；如果是RNA的話，用A、U、C、G寫，寫成1排；仿佛某種四進(jìn)制密碼。
圖源：wiki
PS：如果您家里有選了生物的高考考生，可以讓TA告訴您這A,T,C,G分別代表了什么含氮堿基，這里因不影響理解不作詳細(xì)解釋。
這些生物密碼不是隨便瞎編的，通過分析它們的順序人們能得知許多事情。比如：有些密碼跟身份證一樣每個人身上都不盡相同，刑警以此來確定兇手是法外狂徒張三而不是背鍋的李四。有些密碼在親屬間有相似性，可以用來確定孩子是自己的而不是充話費送的。還有一部分密碼在同一物種體內(nèi)是一致的，用以保證龍生龍，鳳生鳳，人生人，且生下來的人絕大多數(shù)情況下還是兩個眼睛兩條腿，鼻子下面長著嘴。通過檢測這類密碼，人們可以倒推一些事情——例如：只要抓到了某種序列，那該核酸序列的擁有者一定是人類，無論他怎樣聲稱自己是天仙下凡青蛇成精都不好使，他就是人類。新冠病毒也一樣，只要檢測到特定的核酸序列的存在，那它就是新冠病毒，而不是其他微生物或人體細(xì)胞內(nèi)的核酸。核酸檢測就是要想辦法把這段特定的“身份密碼”抓出來。保姆級核酸檢測
技術(shù)原理解釋
盡管核酸是一種“大分子”，它的長度計量單位還是納米級的。人為一條一條去看上面寫了啥肯定不可能，儀器也很難對單個分子產(chǎn)生反應(yīng)。因而核酸檢測為了抓到病毒身份密碼存在的證據(jù)，會使用一種叫熒光定量RT-PCR的特殊技術(shù)。先給采集來的樣本做一次滅活以免病毒伺機(jī)作妖，再用以下幾個步驟逼它招供：核酸檢測的目標(biāo)只有核酸，病毒自己用來裝核酸的方便兜子蛋白質(zhì)殼子不要，大家被采集點小姐姐一起捅下來的鼻涕泡食物殘渣等也不要。為了精準(zhǔn)把核酸抓出來，有好幾種方法可以用。比較常用的方法是“一步法”和“磁珠法”。操作簡便，快速又經(jīng)濟(jì)的方法是一步法：將核酸釋放劑和樣本在PCR管中混合，室溫靜置10分鐘，加入核酸釋放劑讓病毒裂開，再上離心柱一陣狂甩，讓蛋白質(zhì)等不需要的東西與核酸分離，再把上層清液里的核酸撈去檢測。即可獲得適用于熒光PCR檢測的核酸，將需要多次離心或是加熱的繁瑣傳統(tǒng)方法改變成為了簡單便捷的一步操作，耗時極短，大大提高檢測效率。但缺點是漏檢率較高。還有一種很巧妙的方法叫磁珠法：往溶液里面扔點能跟核酸黏在一起親親我我的小圓珠，等它們抱緊核酸后，利用磁力把小圓珠吸住固定，其他不要的東西都沖走。然后再想辦法強(qiáng)拆CP讓小圓珠松手（通常是改變?nèi)芤禾匦?，如PH值等），那樣就可以得到純純的核酸了。圖源：wiki
把核酸都抓出來之后，就該看看到底有沒有新冠病毒核酸特有的“密碼”了。畢竟樣本里很可能還有點其他微生物或者人體自身細(xì)胞帶來的核酸，它們?nèi)羰遣桓蓧氖碌牧己檬忻?，就不能冤枉它們報假警?/span>檢查的方式有點像對暗號，一些特殊的引物與探針被加到試劑里，引物大喊“天王蓋地虎”，這時候誰答應(yīng)一句“寶塔鎮(zhèn)河妖”誰就是新冠病毒。不吱聲的或者亂答“我是二百五”的就是其他無辜核酸。一旦聽見正確的答句，探針就會扔出一個熒光信號，表示找到了壞蛋。“天王蓋地虎”是人類的密語，要跟病毒核酸對暗號就得找到對面能懂的“語言”。去哪兒找呢，DNA大麻花大家都見過吧？喏，兩條鏈子扭在一起，中間是一些五顏六色，彩啦吧唧的玩意兒。這里想強(qiáng)調(diào)的重點是，DNA示意圖里的彩色小橫線并不是隨便亂畫的。如前方所說，這些代表堿基的小橫線一共就四種，名字縮寫是A,T,C,G。并且他們成雙成對，A的對面一定是T，C的對面一定是G。這就是核酸用來記錄信息的“語言”，只要知道了其中一條鏈“寫”了啥，另一條就能匹配出來。于是工作就變得簡單起來：可惜的是，單個病毒核酸交代出暗號密碼后，發(fā)出的信號太微弱了。儀器：大點聲！我聽不見！熒光信號在哪兒呢？我沒看見。好吧，一個熒光點不行，成千上萬個不停出現(xiàn)，總能捕捉到到了。通過聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，人們可以逼迫被檢測的DNA不停復(fù)制出一模一樣的副本，1條變2條，2條變4條。再一遍一遍反復(fù)對暗號后，探針就會一次又一次確認(rèn)到病毒并釋放出熒光信號，指數(shù)級增加，從而被儀器檢測到。到這里可能會有人發(fā)現(xiàn)個小問題：新冠病毒是RNA病毒，RNA只有一條鏈，這套檢測機(jī)制不是針對DNA的嗎？別擔(dān)心，逆轉(zhuǎn)錄技術(shù)會在擴(kuò)增開始前把單鏈的病毒RNA轉(zhuǎn)化成雙鏈的cDNA，之后照常分析。至于為什么不直接復(fù)制RNA，是因為RNA單鏈不穩(wěn)定，復(fù)制時乏校正功能，容易出錯。類似于萬一把“天王蓋地虎”復(fù)制成“天王蓋壁虎”，接下去就不好辦了。所以核酸檢測還能再快點嗎？
通過原理解釋大家可以看到，核酸檢測有一套必須按部就班完成的流程，其中每一步都要耗時。尤其是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增數(shù)量的步驟，一旦開機(jī)便沒辦法暫停。后續(xù)如果有新一批樣本需要檢測，不能中途加進(jìn)去，只能新開一鍋。如同電飯煲工作到一半無法半路再加米。
不過為了滿足繁重的核酸檢測需求，相關(guān)人員還是在用多種手段努力讓核酸檢測變得越來越快。
一臺設(shè)備來不及做，那么“再來一臺”聽起來是理所當(dāng)然的事情，然而核酸檢測并不是買幾臺儀器搬到現(xiàn)場就能開工的。它需要依托能夠保證操作安全的實驗室，在處理醫(yī)療廢棄物，空氣消毒等方面都有特定的要求。因而能“憑空”兩三天內(nèi)拔地而起的氣膜實驗室就成了抗疫一線的救星。去年上半年投入的“獵鷹號”氣膜實驗室每組每天可以檢測超過3萬個樣本，以便大家及時拿到核酸檢測報告。“獵鷹號”氣膜實驗室
優(yōu)化熒光定量RT-PCR的過程也讓核酸檢測變得越來越快。例如一些核酸釋放劑加入后不需要再采用離心等手段去分離出核酸，而是直接可以進(jìn)入下一步擴(kuò)增。核酸在PCR擴(kuò)增儀里不停數(shù)量翻倍通常要進(jìn)行95-100分鐘，那是為了產(chǎn)生足夠多的副本被設(shè)備檢測到。如果設(shè)備的靈敏度提高，那么就可以少做幾輪擴(kuò)增，自然就會縮短時間。還有一種思路是擴(kuò)增環(huán)節(jié)因反應(yīng)物對溫度需求的不同，需要反復(fù)升溫降溫，那么改善導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，使每一次升溫降溫變得更快也能縮短檢查時間。去年的中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中，最快新冠核酸檢測儀器可以在30分鐘內(nèi)出檢測結(jié)果。中國核酸檢測專利申請趨勢
（為了增加核酸檢測能力，研發(fā)人員不停在追求更高效的技術(shù)）
圖源：21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)頻道
即將開幕的2022年北京冬奧會，將會采用一套自主研發(fā)的生物氣溶膠新冠病毒核酸監(jiān)測系統(tǒng)，可以檢測空氣中懸浮的病毒。
這套設(shè)備外觀與普通的檢測儀器似乎區(qū)別并不大，實際上卻能從樣本采集到檢驗實驗室里的步驟（包括前面介紹過的滅活處理、核酸提取、擴(kuò)增）全都自動化集成完成，45分鐘得出檢測結(jié)果。且儀器靈敏度達(dá)到20拷貝/毫升，比常規(guī)設(shè)備（200-500拷貝/毫升）靈敏了10倍以上。測試賽期間共采集和檢測348例標(biāo)本，檢測成功率100%。但愿冬奧大顯身手后，這套系統(tǒng)今后能在醫(yī)院、車站、機(jī)場等人流密集的場所落地，及時發(fā)現(xiàn)病毒，助力疫情防控。興許人們就不用排著隊去做檢測啦~新冠疫情總會過去，但這不會是人類最后一次與大規(guī)模傳播的病毒戰(zhàn)斗。未來面對新的致病微生物之時，這些不斷革新的技術(shù)將幫助人類更好地維持個人健康與社會秩序。
[1].李剛,馬文麗，生物化學(xué)[D]. 北京大學(xué)醫(yī)學(xué)出版社，2013
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[4]. Rossi, Liane & Costa, Natalia & Silva, Fernanda & Wojcieszak, R.. (2014). ChemInform Abstract: Magnetic Nanomaterials in Catalysis: Advanced Catalysts for Magnetic Separation and Beyond. Green Chemistry. 16. 2906-2933. 10.1039/c4gc00164h.
[5]. 30分鐘內(nèi)出結(jié)果，全國最快新冠核酸檢測儀器亮相創(chuàng)業(yè)大賽，上海市科學(xué)技術(shù)委員會，2021-09-09，http://stcsm.sh.gov.cn/xwzx/mtjj/20210909/aed248c31ac24a6792d6e2557fe327bd.html
[6]. 中國科學(xué)院過程工程研究所，一種自助式核酸檢測一體機(jī)及微流控芯片[P]. 中國專利，CN214088513U，2021-08-31
編輯：91
鳴謝：上海普陀區(qū)中心醫(yī)院檢驗科 檢驗技師 張孟哲 醫(yī)學(xué)博士
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