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新冠病毒快速检测技术

Feb 18, 2021 No Comments

 

新冠病毒快速检测技术卫生工作者在法国的一所学校使用快速抗原测试进行大规模筛查。

 

科学家们仍在争论数百万廉价、快速的诊断工具是否有助于控制疫情。本指南会介绍其中的原因。

随着2021年初英国新冠肺炎病例数量激增,英国政府宣布了一项可能改变新冠疫情局势的举措:提供数百万廉价、快速的病毒检测试剂。1月10日,该机构表示,将在全国范围内推出这些测试,即使没有症状的人也可以接受新冠测试。类似的举措将在美国总统Joe Biden控制美国新冠疫情的计划中发挥关键作用。

这些快速检测通常是将鼻拭子或咽喉拭子与液体混合,然后滴加到试纸上,在半小时内返回结果。这类测试被认为是传染性测试,而不是感染测试。它们只能检测到高病毒载量,无法检测到许多新冠病毒水平较低的人。人们希望,它们可以有助于通过快速识别最具传染性的人群来遏制大流行,否则这些人可能会在不知情的情况下传播病毒。

然而,当政府宣布其计划时,一场激烈的争论爆发了。一些科学家对英国的测试策略感到高兴。另一些人则表示,这种检测会遗漏很多感染病例,如果大量使用,可能弊大于利。英国伯明翰大学(University of Birmingham)专门研究测试评估的Jon Deeks认为,许多人可能会因为测试结果呈阴性而错误地感到安心,放松警惕。如果人们自己进行检测,而不是依赖训练有素的专业人员,这些检测将会漏检很多阳性者。他和同事Jac Dinnes等科学家希望在冠状病毒快速检测被广泛使用之前获得更多数据。

但是其他研究人员很快进行了反击,指出这些测试可能造成伤害的说法是错误的和“不负责任的”(go.nature.com/3bcyzfm)。这些研究人员包括哈佛大学陈曾熙公共卫生学院(Harvard T. H. Chan School of Public Health)流行病学家Michael Mina。他表示,这些争论拖慢了推进疾病大流行所急需的解决办法的进度。我们一直强调,尽管目前还没有足够的数据,但我们正处于一场战争之中——就病例数量而言,情况不会比现在更糟了。

科学家们唯一达成共识的是,需要就快速检测的目的以及阴性结果意味着什么来进行明确沟通。Mina提醒,把工具提供给不知道怎么使用的人并不是一个好主意。

 

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样品检测设备已准备好运往韩国。

 

快速检测试剂比较

快速测试很难获得可靠的信息,因为——至少在欧洲——产品的销售完全基于制造商的数据,没有独立的评估。没有评估试剂性能的标准方法,将使得比较各个试剂非常困难,并迫使每个国家不得不自己进行验证。

全球创新诊断基金会(Foundation for Innovative New Diagnostics,FIND)首席执行官Catharina Boehme表示,试剂评估是诊疗学领域的大西部(目前还没有标准化试验)。该基金会是一家位于瑞士日内瓦的非营利组织,对数十种COVID-19检测方法进行了重新评估和比较。

2020年2月,FIND启动了一项雄心勃勃的任务,在标准化试验中评估数百种COVID-19快速诊断试剂。该基金会与WHO和世界各地的研究机构合作,对数百个冠状病毒样本进行了测试,并将其与高灵敏度聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)技术获得的样本进行了比较。这项技术从一个人的鼻子或咽喉(有时是唾液)的样本中寻找特定的病毒基因序列。基于PCR的测试通过多次扩增循环,复制出更多的这种遗传物质,因此它们可以检测出最初的极少量的病毒。但它们可能很耗时,需要训练有素的人员和昂贵的实验室设备(见图:新冠快速检测试剂的原理)。

更便宜、更快的检测往往通过检测SARS-CoV-2颗粒表面的特定蛋白质(统称为抗原)起作用。因为这些“快速抗原测试”不会放大样本中的病毒,所以只有当病毒在人体内达到高水平——每毫升样本中可能有数十万,甚至数百万个病毒拷贝——时才能检测到病毒。通常在出现症状前后病毒才能达到这些水平,也就是人们最具传染性的时候(图:新冠检测试剂比较)。

Dinnes指出,制造商关于检测灵敏度的数据主要来自于对有症状人群的实验室试验,这些人往往有高病毒载量。在这些试验中,许多快速测试似乎非常敏感。(它们也具有很高的特异性:不太会出现假阳性的结果。)但现实世界的评估显示,在病毒载量较低的人群中,这些试剂的表现大不相同。

样本中的病毒水平通常通过参考检测病毒所需的PCR扩增周期数来定量。一般来说,如果PCR扩增循环在25及以下(循环阈值/Ct 小于等于25,Ct值是qPCR中起始模板扩增达到一定产物量时,所对应的循环数),那么被认为是高病毒载量,表明该个体可能具有传染性——尽管目前仍不确定有和无传染性的病毒载量分界点是多少。

2020年11月,英国政府公布了在Porton Down科技园和牛津大学(University of Oxford)进行的初步研究结果,完整的结果尚未经过同行评审,但已于1月15日在网上公布。这些报告指出,尽管许多快速抗原检测“不能达到大规模人群使用所需的水平”,但在实验室试验中,4个独立品牌对Ct值≤25的样本达到91-100%的灵敏度。FIND对一些快速检测试剂盒的重新评估也表明,这些试剂盒对Ct值≤25的病毒水平的检测敏感性达到90%或更高。

随着病毒水平下降——也就是Ct值上升——快速检测试剂开始出现假阴性。Porton Down的科学家们特别关注了加利福尼亚州帕萨迪纳市Innova Medical公司的一款快速检测试剂——英国政府已经花费了8亿多英镑(折合11亿美元)来订购这些试剂,作为其减缓冠状病毒传播战略的一个主要手段。当Ct值为25-28时,该检测的敏感性下降到88%,而当Ct值为28-31时,敏感性下降到76%(图:快速检测试剂盒检测高病毒载量)。

位于伊利诺伊州阿伯特帕克的雅培实验室(Abbott Laboratories)于2020年12月对BinaxNOW快速检测试剂进行了评估,结果比Porton Down试验的结果更乐观。雅培的研究测试了加州旧金山的3300多人,结果显示,对Ct值低于30的样本的敏感度为100%(即使感染者没有表现出症状)。

但不同校准的PCR系统意味着,不同实验室之间的Ct值很难进行比较,而且相同Ct值并不总是表明样本中病毒的水平相同。Innova指出,英国和美国的研究使用了不同的PCR系统,只有对同一PCR系统进行直接比较才是有效的。他们提到了一份由Porton Down的科学家在12月底撰写的英国政府报告,该报告对Innova的测试与雅培的Panbio测试(类似于雅培在美国销售的BinaxNOW套件)进行了面对面的测试。在20多个Ct水平低于27的样本中,都检出93%的阳性(go.nature.com/3at82vm)。

英国利物浦对数千人使用Innova快速检测试剂盒进行筛查的试验发现,Ct水平低于25的病例只有三分之二被检出阳性(go.nature.com/3tajhkw),这意味着三分之一可能具有感染性的病例被漏诊了。这种情况进一步证明了Ct校准的细微差别的重要性。正如利物浦研究的负责人、利物浦大学(University of Liverpool)公共卫生和信息学研究员Iain Buchan所表示,处理样品的实验室检测的Ct值是25——也许在其他实验室,同一样品的Ct值在30以上。

Deeks表示,尽管细节尚未揭晓,2020年12月在伯明翰大学(University of Birmingham)进行的一项试验就是一个例子,说明快速诊断试剂盒可能漏检很多病人。超过7000名没有症状的学生参加了Innova测试,只有2例呈阳性。但当大学的研究人员用PCR重新检查了10%的阴性样本时,他们发现了另外6名感染的学生。因此,在所有样本中,Innova诊断试剂可能遗漏了60名受感染的学生。

Mina提出,这些学生的病毒水平较低,所以不太可能具有传染性。Deeks认为,虽然病毒水平较低的人可能处于感染减弱的后期阶段,但他们也可能处于潜伏期,感染力正在加强。另一个因素是,一些学生可能在采集拭子样本时操作不规范,所以没有收集到足够的病毒颗粒。他担心人们会错误地认为单次阴性测试是安全的,而实际上快速测试只是表明当时是否具有传染性。Deeks认为这些测试可以使工作场所完全安全的言论并不是让公众了解其有效性的正确方式。如果人们有一种错误的安全感,他们的一些错误行为就会传播病毒。

但是Mina等人提醒,在利物浦试验中,研究人员告知受试者,即使检测结果为阴性,他们以后仍然可能传播病毒。Mina强调,经常使用这些测试——比如一周两次——是让它们有效地消灭新冠疫情的关键。

对检测结果的解释不仅取决于检测的准确性,还取决于一个人已经感染COVID-19的几率。这取决于他们所在地区的感染率以及他们是否表现出症状。如果来自COVID-19高发地区的人出现了该疾病的典型症状,并得到了阴性结果,这可能是假阴性,需要用PCR进行双重检查。

研究人员还争论人们是否应该自己进行测试(在家里、学校或工作中)。检测结果的可靠性取决于测试人员如何取样和处理样品。例如,实验室科学家使用Innova试剂对所有样本(包括病毒载量非常低的样本)进行检测,达到近79%的敏感性,但自学的普通民众的检测敏感度只有58%(图:快速检测,是否适合在家检测?)——Deeks指出,这一点比较让人担心。

 

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尽管如此,去年12月,英国药品监管机构批准在家庭使用Innova检测试剂来检测无症状感染者的感染情况。卫生和社会保障部(Department of Health and Social Care)的一位发言人证实,虽然这些检测被标记为来自国家卫生服务体系,由卫生和社会保障部设计,但却是从Innova购买的,由中国厦门宝太生物科技有限公司制造。发言人在一份声明中表示,英国政府使用的快速抗原检测试剂经过了该国顶尖科学家的严格评估。这意味着它们是准确、可靠的,并可以成功识别没有症状的COVID-19患者。

德国的一项研究表明,自我管理的测试和由专业人士进行的测试一样有效。这项尚未经过同行评审的研究发现,当人们用棉签擦拭自己的鼻子,并使用世界卫生组织批准的、匿名寄送的试剂进行检测时,其敏感性与专业人员非常相似,尽管人们经常会违背一些使用说明要求。

在美国,FDA 批准了13项抗原检测的紧急使用许可,但只有一项——Ellume COVID-19家用检测——可以用于没有症状的人。据澳大利亚布里斯班的一家公司Ellume称,该检测在11名无症状感染者中检测出了10名冠状病毒,而这些人已经通过PCR检测呈阳性。今年2月,美国政府宣布将购买850万枚这种快速诊断试剂。

 

不断迭代的快速测试

一些没有资源进行大量PCR检测的国家,如印度,已经使用快速抗原检测试剂一段时间了,目的在于增加检测能力。出于对准确性的担忧,一些有PCR检测的公司才刚刚开始推出快速替代方法。但已经实施大规模快速测试的政府认为这一举措非常成功。斯洛伐克是一个拥有550万人口的国家,它是第一个尝试对其所有成年人进行测试的国家。广泛的检测帮助将感染率降低了近60%。但在进行检测的同时,该国也颁布了一些其他国家没有实施的严格限制,以及政府为检测呈阳性的人提供财政支持,帮助他们居家隔离。因此,专家们指出,虽然结合检测和限制措施似乎比单独限制措施能更快地降低感染率,但目前还不清楚这种方法是否能在其他地方奏效。在其他国家,许多人可能不愿意接受快速检测,那些检测呈阳性的人可能缺乏居家隔离的动机。尽管如此,由于商业快速检测非常便宜——低至5美元——Mina表示,各个城市/州可以购买数百万个这样的检测,而这只是政府新冠疫情相关成本的一小部分。

在一些情况下,快速检测可能特别适合于无症状筛查,场所包括监狱、无家可归者收容所、学校和大学,这些地方的人们无论如何都可能聚集在一起,因此任何能够发现额外感染病例的检测都是有用的。但Deeks提醒,这种测试不能作为改变人们行为或促使他们放松预防措施的依据。例如,如果检测结果为阴性,人们就会有更强的动机去拜访疗养院里的亲戚。

在美国,大规模快速测试项目目前已经在学校、监狱、机场和大学等地展开。例如,位于图森市的亚利桑那大学(University of Arizona)自5月以来一直在使用由加州圣地亚哥的Quidel公司开发的索菲亚测试系统,每天对其运动员进行筛查。自2020年8月以来,它已经至少每个月对学生进行一次测试(一些学生——尤其是那些住在爆发疫情宿舍的学生——被测试得更频繁,最多每周一次)。到目前为止,该大学已经进行了近15万次检测,过去两个月没有报告COVID-19病例激增。

负责亚利桑那州大规模检测项目的干细胞研究人员David Harris表示,不同类型的检测有不同的用途:快速抗原检测不应该被用于评估病毒在人群中的流行程度。如果你像PCR一样使用它,你会得到一个可怕的灵敏度,但就目前的用途——防止感染的传播而言,抗原测试,尤其是多次应用时,似乎效果很好。

世界各地的许多研究小组都在设计更快、更便宜的测试方法。一些公司正在对PCR测试进行调整,以加快扩增过程,但其中许多测试仍需要专业设备。其他方法依赖于一种叫做环介导等温扩增(LAMP)的技术,这种技术比PCR更快,而且只需最少的设备。但这种检测不如基于PCR的检测灵敏。去年,伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的研究人员开发了他们自己的快速诊断方法:一种基于PCR的测试,使用唾液而不是鼻拭子,跳过了昂贵而缓慢的步骤。该检测费用为10-14美元,在不到24小时内就能得到结果,这使得该大学可以每周对校园里的每个人进行两次筛查,尽管它依赖于现场实验室进行PCR检测。2020年8月,频繁测试让该校发现了校园感染的激增,并在很大程度上控制住了病情发展。一周之内,新发病例减少了65%,此后该大学从未报告过类似的激增。
Boehme表示,没有一种检测方法可以满足所有的需求,但是能够识别感染人群的检测方法对于保持世界经济的开放至关重要。在机场、边境、工作场所、学校和临床环境中的测试——所有这些都是快速测试有很大优势的场合,因为它们易于使用、成本低、速度快。然而,大规模的测试项目应该依赖于最好的可用测试。

欧盟目前对COVID-19诊断检测的批准程序与对其他类型诊断的批准程序相同,但对某些检测方法性能的担忧,使其去年4月出台了新的指南。新指南要求制造商生产的试剂性能至少与当前主流的新冠快速检测试剂可比。但是,由于在制造商的试验中测试的效果可能与在现实世界中不同,该指南建议成员国在推出测试之前对其进行验证。

Boehme指出,理想情况下,各个国家不需要验证每一个试验。世界各地的实验室和制造商都将使用共同的评估方法,比如FIND开发的那些方法。我们需要的是评估快速诊断试剂的标准化方法,这和评估疗法和疫苗是一样的。

 

原文检索:
Giorgia Guglielmi. (2021) Rapid coronavirus tests: a guide for the perplexed. Nature, 590:202-205.
张洁/编译

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