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新冠肺炎核酸检测试剂筛查 快速检出的可能或藏在这些新方法中

发布时间:2020-03-15   来源:动脉网

几经调整,新型冠状病毒被世界卫生组织(WHO)命名为SARS-CoV-2,2019-nCoV成为旧称。此前不久,国家卫健委将这种新型病毒导致的疾病命名为COVID-19。

人类对这个庚子新春突袭中国大地的病毒的认识仍在基于陆续公布的新发现而变得逐渐清晰,SARS-CoV-2的最后定名也需要等待国际病毒分类委员会在今年6月前后开会正式决定。

根据科学家们目前掌握的情况,SARS-CoV-2属于有包膜的β属冠状病毒,遗传物质为由接近3万个碱基组成的单条正义RNA链,RNA由表面布满刺突蛋白(S Protein)的蛋白质外壳包裹,这些刺突蛋白是SARS-CoV-2侵染宿主细胞的关键,其具有高度传染性。

2月20日出版的《科学》杂志上有文章称,科学家们利用冷冻电镜技术解析刺突蛋白分子结构后发现,SARS-CoV-2的刺突蛋白通过与人体细胞的ACE2受体作用从而入侵细胞,其与ACE2的亲和力是SARS病毒的10~20倍,这在一定程度上解释了其高度传染性。

对于这类高传染性的、尚存在知识盲点的病毒,借助精准快速诊断、快速筛查分流、切断传播源、防范交叉感染,无疑是控制疫情发展的关键。

临床上最常用的病原体快速检测技术主要包括两大类,即核酸检测和抗原抗体检测(我们在前期的文章中进行过梳理)。核酸(DNA或RNA)作为病毒的遗传物质,任何物种都有独一无二的核酸序列,对样本中核酸特征序列进行检测便可确定病原体。

目前,核酸检测方法主要包括PCR法、恒温扩增法、测序法、CRISPR检测法等。其中,第二代PCR技术是病毒检测方法的主流方法,也是目前官方认可的SARS-CoV-2测定方法。第二代PCR技术,又称荧光PCR法,是指在反应体系中加入了荧光物质,通过专门仪器实现实时荧光检测,并对模板进行定量计算。为了增加灵敏度和特异性,荧光PCR法出现了不少改进版本,包括Taqman探针法、双重或多重荧光PCR等。

尽管存在“假阴性”质疑,核酸检测至少在SARS-CoV-2防控中仍然被作为诊断金标准。国务院相关负责人在联防联控新闻发布会上曾表示,会将推动新的快速检测方法在更基层的地方使用,让不具备较高医疗条件的地方也能开展核酸检测作为下一步要做的工作。

在动脉网根据公开资料整理的115家企业研发的116个SARS-CoV-2病毒核酸检测试剂盒中,98个试剂盒选择了荧光PCR技术,基于上述方法试剂盒也均有出现。

不同原理试剂盒类型分布

数据来源:动脉网根据公开资料整理

荧光PCR法是主流,2~3小时完成核酸检测

PCR,即聚合酶链式反应,是对待检测样本中的核酸进行扩增的一种方法。荧光PCR法,又称qPCR法(Quantitative Real-time PCR, qPCR),是生物分子荧光技术发展的产物,即指在核酸扩增反应的过程中,加入以荧光化学物质,并以荧光强度来测定PCR循环后产物中核酸水平。

荧光PCR的概念于1992年首次被日本科学家提及,并在4年后由美国公司ABI实现产业化。如今,ABI公司在荧光定量PCR仪制造界的地位仍不可撼动,其三代产品ABI 7500 Real-time PCR system是全球使用最广泛的荧光定量PCR仪。

据报道,2020年1月7日,中国研究者将SARS-CoV-2病毒全序列特征上传到NIH GeneBank数据库和GISAID数据库供全球共享;1月21日,中国疾病预防控制中心(CDC)也在官网上公布了包括ORF基因和N基因在内的几段基因序列;因此在1月27日,在国家卫健委发布的第四版新型冠状病毒肺炎诊疗方案里提出,只要RT-PCR或测序阳性即可确诊,根据基因序列,可以配比对应的酶和探针来检测病毒。

期间,国内核酸诊断试剂企业快速跟进,以公开的病毒序列作为靶序列,开发针对这一病毒的诊断试剂。截至发稿,动脉网从公开找到98款已经完成开发的荧光PCR法SARS-CoV-2病毒的核酸检测试剂盒,当然还有很多在研产品和未公布产品信息的试剂盒没有被统计在内。由于篇幅限制,本文不专门列示全部核酸检测试剂盒的相关信息,读者若感兴趣,可至专题Pro相关页面查询。

1月,国家药品监督管理局打开了医疗器械注册应急审批通道。根据规定,核酸检测试剂在疫情期间可以免临床试验先上市,后补充临床试验数据,审批有效期为1年。核酸检测试剂盒获国家局审批上市后,即可进入各地医院和逐步开放的第三方医学检验所进行核酸检测,对疾病预防控制中心的患病人群筛查工作形成有力补充。

以湖北为例,目前可以进行核酸检测的机构有疾控中心18家、医院63家、第三方独立机构13家,其中在武汉市的医院有25家。

下表列出了国家药监局审批上市的9个新冠病毒核酸检测试剂盒中6个采用了荧光PCR法的产品,分别来自之江生物、华大生物、捷诺生物、伯杰生物、圣湘生物和达安基因6家研发企业。

这些试剂盒多采用ORF1ab 基因和N 基因作为靶基因,据了解,ORF1ab基因特异性较强,而N基因在冠状病毒内本身相对保守,会有交叉,如229E、OC43、HKU-1等感染人但传播能力较差的冠状病毒检测时也会呈现阳性。

 

 

上述企业均第一时间在其公众号推送了新产品获批的消息,其迅速开发新产品、充分调动产能保障产量、整合多方渠道让产品及时触达用户的能力,在抗击新冠肺炎疫情的过程中发挥了举足轻重的作用。例如,圣湘生物早在1月14日即研制出核酸检测试剂盒。

再如,达安基因从1月12日拿到病毒基因组序列,到1月28日取得试剂盒的医疗机械注册证,历时仅半个月,并将核心日产能从10万人份提高到20万人份,向全国各地供应。

同时,我们在慈善援助中也频频看到这些企业的身影。例如,2月3日,之江生物通过中华慈善总会,在蓝天救援队的物流支持下,将第一批捐赠物资点对点捐赠武汉协和医院,包括10000人份新型冠状病毒核酸检测试剂、配套提取试剂以及相应自动化配套设备;截至2月18日,华大基因已向湖北及其他省份捐赠10.25万人份新冠病毒检测试剂盒。

到今天,疫情蔓延势头得到初步遏制,防控工作取得阶段性成效,全国多地调整了重大公共卫生事件响应等级,核酸检测试剂盒仍活跃在保障企业员工复工安全的最前线。

检出效率方面,有业内人士向动脉网表示,尽管有企业号称能够在半小时甚至15分钟内完成核酸检测,目前获批上市的试剂盒均需要2~3个小时才能走完核酸检测的全部流程。该业内人士指出,PCR最大特点就是实时,样本检测为阳性的时间与样本浓度相关,由于无症状者或轻症者体内浓度低,如果一味追求反应快,可能会造成漏检。

在本文的剩余章节,我们将对数字PCR法、测序法、CRISPR检测法、恒温扩增法下已经完成研发的SARS-CoV-2病毒核酸检测试剂盒做简单介绍。

数字PCR法

数字PCR技术是第三代PCR技术,是一种核酸分子绝对定量的检测方法。现阶段,核酸分子的定量有三种方法:光度法基于核酸分子的吸光度来定量;实时荧光定量PCR基于Ct值,即指可以检测到荧光值对应的循环数;数字PCR作为最新定量技术,主要采用当前分析化学热门研究领域的微流控或微滴化方法,借助专门设备将50微升左右核酸溶液样本大量稀释后,分割成了近10万个液滴分散至芯片的微反应器或微滴中,单一液滴为独立反应单元,每个反应器的核酸模板数少于或者等于1个。

经过PCR循环扩增后,有一个核酸分子模板的反应器就会给出荧光信号,没有模板的反应器就没有荧光信号。根据相对比例和反应器的体积,就可以推算出原始溶液的核酸浓度,从而实现样本核酸分子绝对定量,即直接计算出核酸数量。

 

 

数字PCR法和荧光PCR法的关键区别在于检测结果的绝对定量和相对定量差异。据了解,现阶段数字PCR试剂和机器相价格加高(一台仪器近百万元),在SARS-CoV-2快速检测中的优势并不大。

不过,由于具备自动化程度更好、耗时更短等技术优势,国内多家掌握了数字PCR技术的核酸试剂研发企业正在尝试开发适用于SARS-CoV-2检测的相关试剂盒,我们将其不完整罗列如下。

 

 

测序法

测序法可直接解读出核酸碱基的排列顺序,对于一个完全未知的新病毒来说,测序是必须的。测序技术虽然早在1977年就已发明,并在“人类基因组计划”末期突破重要技术瓶颈开始迅猛发展,仍只有少数企业研制出新型冠状病毒核酸测序试剂盒并投入生产。

凯普生物

2月3日晚间,上市公司广东凯普生物发布公告称,旗下子公司潮州凯普生物化学有限公司和广州凯普医药科技有限公司研发团队应用荧光PCR技术和Sanger测序平台,分别完成了新型冠状病毒(2019-nCoV)核酸检测试剂盒(PCR-荧光探针法)和新型冠状病毒2019-nCoV核酸检测试剂盒(Sanger测序法)的开发。

此外,公司控股的广州凯普医学检验所已作为广东省卫健委指定的承接新型冠状病毒样本检测的第三方检验机构之一,开展相关的样本检测工作。武汉凯普医学检验实验室有限公司已被湖北省新型冠状病毒感染肺炎疫情防控指挥部列入可开展新型冠状病毒核酸检测的第三方机构名单(第一批)。

杰毅生物

杰毅生物针对新型冠状病毒设计了全新的mNGS方案,在全面鉴定病原体的同时,特别设计了一系列新冠病毒特异性引物,并结合杰毅生物独特的PCR-free快速建库方法,推出了新型冠状病毒(2019-nCoV)核酸检测试剂盒(可逆末端终止测序法)。

该试剂盒可以直接从临床样本开始操作,大大提高新冠病毒核酸富集效率,在和荧光定量CT<37确诊样本对比中,不仅阳性符合率比传统mNGS从87.5%提高到100%,基因组覆盖度更是最高达到99.8%。

除试剂盒外,该解决方案配备了Cubics™病原宏基因组一站式建库仪和本地化数据分析软件,从临床样本至测序文库,全流程无人值守自动化,用时3.5小时。

据介绍,杰毅生物的试剂盒具有自动化、速度快、成本低、覆盖广的特点。Cubics™一站式建库仪,具有4个独立反应通道,可放置在生物安全柜内无人值守地完成核酸提取、建库和纯化的全流程。

样本进,文库出,有效杜绝样本间交叉污染和实验人员的感染风险,测序数据分析在本地自动化运行,耗时1小时左右;在每个样本测序20M(两千万条)序列,75bp读长的条件下,“新冠病毒”基因组覆盖度最高可达99.8%,显著提高测序仪利用率,降低测序成本;除“新冠病毒”外,可同时检测样本中16000余种DNA病原体(细菌、DNA病毒、真菌、寄生虫等),对临床重症患者提供精准和全面的感染诊断。

拥有这一最新利器组合,临床工作者可以在18小时内完成病原宏基因组检测,并高效地获取新型冠状病毒的基因组序列信息,对研究分析病毒的进化来源、致病病理机制、病毒变异的情况以及人与人之间传染的能力评估是至关重要的。

CRISPR检测技术法

基于CRISPR的检测技术是一种新的新冠病毒RNA检测,仅需纯化的核酸分子样本,通过简单三步即可在1个小时的时间里完成检测。张峰团队在SARS-Cov-2疫情进展后不久曾公开发表过一项基于该技术的核酸检测方法。

他们的主要工具是Cas13a切割酶和针对靶序列设计的两条gRNA,一条针对S基因,一条针对Orf1ab基因。理论上,只要样本里有SARS-Cov-2病毒相应RNA,gRNA就会引导Cas13a去切割靶RNA,所以阳性组会出现两条片段,而阴性组则仅有一条对照条带。不过,张峰团队的这项成果还处于临床研究中。

普世利华

普世利华发布消息称,其与普世君安联合开发的2019新型冠状病毒即时现场检测试剂盒(CRISPR剪切法)已完成验证。这是一款新型冠状病毒即时现场检测试剂盒,无需借助定量PCR仪,操作简便、快速,可更广泛地应用于多种防控一线场景,如基层医院、交通枢纽、机场、海关等。

据介绍,普世利华的试剂盒能够在30多分钟内完成检测,检测限可达到aM级别(10-18),gRNA特异性识别保证了靶标检测的高度特异性。此外,该试剂盒为冻干形态产品,便于常温运输,如配套取样器使用,可实现免提取分子检测。

微远基因

1月23日,微远基因宣布仅用5天时间即研制成功“新型冠状病毒(2019-nCoV)核酸检测试剂盒(恒温CRISPR法)”。该基因编辑工具创新产品CRISPR-nCoV,实现了高特异性、单拷贝级别灵敏度、40分钟快速的新型冠状病毒核酸检测。

微远基因称,该试剂盒利用自有CRISPR病原诊断平台,基于GISAID公布的2019-nCoV序列(BetaCoV/Wuhan/IPBCAMS-WH-01/2019, Collection date: 2019-12-24),设计特定CRISPR检测位点开发完成,并进行了产品性能验证,与中国医学科学院病原生物学研究所进行了联合评估。CRISPR-nCoV试剂盒灵敏度可低至单个拷贝,具备与其它冠状病毒明确区分的高特异性,可检测痰液、拭子、肺泡灌洗液等多种样本类型,用样量可以低至100ul。

检测时间缩短至1小时以内,并且检测仪器便携可拓展,具有实现床旁即时检测的应用潜力。

博杰生物

2月21日,武汉博杰生物医学科技有限公司宣布,其与解放军总医院第五医学中心(中国人民解放军第三〇二医院)核心团队携手研发的新冠状病毒CRISPR快速核酸检测试剂盒研发成功,并已进入临床做初步验证。据临床操作人员反馈,具有操作简便、速度快、灵敏度和特异度高等优点。快速检测出病毒,排查出感染患者。

博杰生物称,该试剂盒采用CRISPR技术,不仅检测快速、便捷、准确,还采用特殊技术,有效降低了病毒RNA的生物风险。此外,CRISPR快速核酸检测试剂盒配备的仪器简单、便携,无需高端昂贵的检测仪器和专业培训检测人员,只需一个手提箱,便于在基层医疗单位开展检测工作。

同时,博杰生物正式启动新型冠状病毒(2019-nCoV)核酸快速检测试纸的研发。 该测试纸以CRISPR为核心技术,相较于传统的免疫胶体金技术,不需要制备特异性抗体,流程更加简便稳定,针对病毒核酸特异性片段,可以更早期地检测病毒(免疫法一般在感染病毒第3-5天测出,而核酸检测试纸在感染病毒的任何阶段都能测出)。

而相较于现有市场上病毒检测RT-PCR试剂盒需要精密检测仪器和高水平检测人员、周期较长等特点,快速直观的CRISPR试纸在筛查潜伏期人群的应用中,适用于三甲医院、各县市地区医院以及条件相对简陋的社区医院,甚至居家都可以实现自我初步检测。

恒温扩增法

恒温扩增法避免了荧光PCR法中对样本实施的温度调整,主要涉及2类技术,一类是利用特殊酶取代了PCR中高温解链的步骤,比如LAMP技术中的链置换DNA聚合酶和RPA中的重组酶、单链结合蛋白和链置换酶;另一类技术则涉及DNA和RNA之间相互转换来扩增,比如NASBA和TMA用到的逆转录酶和RNA聚合酶。

博奥生物

2月22日,由清华大学医学院程京院士团队、四川大学华西医院、博奥生物集团有限公司共同设计开发的包括新型冠状病毒在内的“六项呼吸道病毒核酸检测试剂盒(恒温扩增芯片法)”获国家药监局应急医疗器械审批批准,这是首个获得国家局注册证书的该类产品。

据介绍,该试剂盒是用于呼吸道多病毒检测的全新微流控芯片系统,只需采集患者的口咽试子等分泌物样本,在1.5小时内便可一次性检测包括新型冠状病毒(2019-nCoV)在内的6种呼吸道常见病毒,目前已获15项授权专利。除新型冠状病毒外,该系统还可以比其他已获批单一指标检测产品快一倍的速度同时检测其他5种呼吸道常见病毒,故能准确鉴别包括新型冠状病毒在内的各种常见病毒,达到排查其他引起相似症状病毒的目的;产品具有更快、更多、更安全的特点。

博奥生物表示,该试剂盒一经应用到临床,将可以对疑似患者快速鉴别诊断、及时针对性治疗,大大减轻医院负担,使宝贵的救治资源集中用于新型冠状病毒患者的救治中。

产品获批后,清华大学已联系疫情严重的武汉市,紧急提供4套检测仪器,并捐赠价值500万人民币可完成1.2万人份检测的芯片和试剂。这些仪器设备将用于华中科技大学附属协和医院、同济医院和火神山等医院复检临床诊断确定的新冠病人和鉴别诊断疑似病人。

中帜生物

基于国内外专家在GISAID平台上发布的六个新型冠状病毒基因组序列信息,中帜生物研发团队完成“新型冠状病毒(2019-nCoV)核酸检测试剂盒(双扩增法)”和“新型冠状病毒(2019-nCoV)核酸检测试剂盒(RNA恒温扩增-金探针层析法)”双试剂盒的研制,以辅助呼吸道感染性疾病新型冠状病毒的早期鉴别诊断。

其中,基于专利技术“RNA恒温扩增-金探针层析技术(RGT)”开发的新型冠状病毒核酸检测试剂盒可在1h完成病毒检测,无需核酸提取,采集上呼吸道或下呼吸道样本后直接细胞裂解进行病毒RNA恒温扩增,对设备要求低,无需特殊仪器,恒温装置即可完成扩增和层析检测,适用于更低层级医疗机构,适用于各种应用场景,实现病原体RNA POCT检测。

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