分子检测如何成为疾控的秘密武器？

科创板日报 2022-03-25 21:10

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本文来自：高瓴创投

医学检验是通过生物化学实验，分析样本中的生物化学组分，临床医生能够通过将检验出的数据与正常值进行比对，判断患者的身体机能出现了怎样的异常。医学检验也因此被称为临床医学和基础医学的桥梁。

检验科的护士会收集病人的血液、尿液或者用拭子在鼻子或口腔里转一圈，这些从身体里分离出来的东西就是检验所需要的样本。被封装好的样本将被送到检验科，检验科的医生会将会把样本稍加处理后加入到一个巨大的仪器中，等待几个小时后，得到检测结果。

分子诊断如何快速读取遗传密码

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我们的生命由遗传物质编码，即使病毒也不例外。

这些由DNA或RNA构成遗传信息就像一本书，里边的内容是由一个个叫做“核苷酸”的字符连接起来的句子组成的。每一本书的内容都会有具有一定的特征，就像“人类的悲欢并不相通，我只觉得他们吵闹”这句话是出自鲁迅的《而已集·小杂感》，而不可能出现在张爱玲式的书里。

因此，当我们想要知道一本没有封面的书是什么书，并不需要完整的读完这本书，而只需要分析这本书的表达风格，或者找到这本书里具有识别特征的独一无二的“金句”，就可以足够精确的判断它是哪本书。

样本采集就像是在网络上下载一个无名文档，我们并不知道这个文档是什么，阅读文档中的内容是可读的。我们使用特征对里面的内容进行快速搜索，如果能够找到匹配的句子，就可以确定这是我们要找的那本书。

核酸中的脱氧核糖核苷酸（DNA）与核糖核苷酸（RNA）分别包括A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、C（胞嘧啶）与A、G、C、U（尿嘧啶）。这些核苷酸之间存在相互配对的关系，就像一对对磁铁：腺嘌呤与鸟嘌呤（A与G）和胸腺嘧啶与胞嘧啶或尿嘧啶（C与T/U）互相配对，两个对应的嘧啶或嘌呤之间能够形成稳定的氢键“吸附”在一起，而不同组合或者同一类型的核苷酸则不能稳定连接，这就是核酸的“碱基互补配对”。一条核酸链有且只有一条与之完美结合的对应链条能够与之完美吸附。

我们可以设计一条与目标序列完全互补配对且带有信号标记的核酸链，如果样本中存在与之对应的核酸链，那么两者就能牢牢的结合在一起，再通过洗脱步骤将未能结合的核酸洗掉，这样就能得到我们所需要的信号。

由于核酸杂交具有极强的特异性，只有与设计的“关键词”核酸序列互补配对的核酸存在于样本中，带有标记的检测核酸才能够吸附而不会被洗脱，最终在醋酸纤维膜上能够看到信号条带。这种最为经典的核酸杂交方法也因其发明人而得名Southern Blot。

核酸杂交虽然精准，对于新冠检测却犯了难：最初的感染者往往携带极其微量的病毒，这些病毒所产生的信号很难被核酸杂交探测到。

多聚酶链式反应（PCR）另辟蹊径解决了信号微弱的问题：使用基因扩增放大信号，再引入探针检测信号。由于基因扩增的过程中也需要一条叫做“引物”的与目标核酸互补配对的核酸链作为基因扩增的启动条件，PCR也因此能够得到与核酸杂交一致的特异性。

PCR在引物与目标核酸特异性结合后，启动复制过程并产生荧光信号，通过分析荧光信号得出样本中的目标核酸含量。插画：青柠

当提取出的样本加入到反应体系中后，高温使得样本中的部分蛋白变性，藏匿在细胞或病毒衣壳中的核酸有机会被释放到反应环境中。这时，引物在降温后与样本核酸序列特异性结合，开始搜索目标核酸。如果目标核酸存在，引物会与之结合并在核酸聚合酶的作用下启动核酸复制过程。在RT-qPCR（实时定量多聚酶链式反应）中引入的荧光等信号探针能够在核酸合成过程中发生结合，产生信号。新核酸分子产生的速度与样本中模板的含量成幂次关系，因此可以通过信号强弱的时间变化定量分析样本中的核酸含量。RT-qPCR一次反应可以同时检测上百个样本，而且整个反应过程只需要不到2小时。

而如果我们需要对样本的核酸进行更加精准的分析，研究这段核酸“错在了哪里”，测序技术的逐字分析就能够派上用场。

体外检测技术如何判断身体状况

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如果我们想知道一个电灯是否工作，不需要分析复杂的内部结构或者用电表逐个检查电路的通电情况，我们只需要按下开关，检查灯泡是否点亮，就能够知道它是否正常工作。只有在它没有正常工作的时候，我们才需要进一步的检查究竟哪里出了问题。

许多疾病的检查，也和检查电灯的功能一样，不需要进行过分复杂的分子分析，而只需要检查它的功能就能知道它是否正常。这样能够减少大量不必要的检验，省去了时间和资源。

凝血检验就是一类经典的体外功能检验。

凝血检验在体外模拟体内凝血的环境与条件，使用不同的试剂检验患者样本的凝血功能不同通路的完整性。常见的凝血检验包括凝血酶原时间（PT）、活化部分凝血酶原时间（aPTT）、凝血酶时间（TT）、纤维蛋白原测定（Fib）和D二聚体检测。这些检测将样本置于合适的温度条件，并添加激活因子激活凝血过程。虽然凝血过程涉及到繁复的蛋白信号通路，这些激活剂能像按下开关一样，直接对对应的凝血通路进行功能性检测，如果凝血功能出现异常就能够先应用广谱性药物先行干预，再进一步诊断治疗。

手术前的凝血检测是必要的，不仅能够对手术中可能出现的大出血进行预判，还能够对凝血剂的选择给出参考。除此之外，还能对患者的凝血治疗进行评估：内出血、脑血栓、心肌梗死等疾病的并发都可能是由于患者体内失衡的凝血系统造成的，对以老年人为主的人群定期筛查凝血功能，能够对这些风险进行预知预判，提早干预，拯救生命。

化学免疫发光：让看不见的因子现身

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核酸虽然编码了基因，但基因的存在并不意味着对应的功能：在核酸决定性状的路上还存在即为复杂的调控，有些基因存在于机体中可能并不表达。我们并不需要研究香菜冰激凌的成分来判断自己喜不喜欢，买一杯尝一口是更直接简单的办法；分析生理活动是否正常，不用纠结于基因和复杂的基因调控，直接分析蛋白等最终产物更加高效。

和分子检测一样，化学发光免疫分析也需要一个和互补核酸一样能够精准捕获目标的捕手，能够与蛋白等分子特异性稳定结合的抗体成为了最佳的选择。

抗体是免疫系统中的重要组成部分。在免疫系统受到抗原刺激后，免疫系统中的浆细胞会产生抗体，这种蛋白能够与抗原特异性结合，阻断抗原的功能并招募其它免疫细胞消灭抗原。

化学发光免疫分析技术通过抗体的特异性识别作用检测物质并通过连接在抗体上的信号分子发出信号。插画：青柠

在抗体上添加一个化学信号底物，就能让抗体变成一只萤火虫，在复杂的样本中发出光亮，而抗体的特异性能够让这只萤火虫在我们需要的地方停留，从而知道样本中是否存在我们找寻的物质。和分子杂交一样，化学发光免疫分析也能够通过分析产生的信号强度定量分析目标物质，而放大信号则是通过引入二次结合：使用捕获萤火虫的萤火虫。这样，当和目标分子与抗体结合后，使用另一种抗体结合与目标物质结合的抗体，萤火虫就会像叠罗汉一样，将信号成倍的放大。

更小的检测设备意味着什么

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坐在医院等候区排队的你不禁会想，要是在家门口就能完成这些检测该多好。

通常因为检测设备体积巨大，会占用一到两个房间的空间，而且价格昂贵，小诊所并不能有这样的条件购置，即使这些设备能够同时检测上百个样本。这样的检测对于许多疾病的初筛都是必要的，患者不得不到大医院进行排队等待，对于新冠检测和术前检测这样争分夺秒的检测来说，是致命的缺陷。

床旁检测（Point of Care Testing, POCT）就是一类小型的检验设备，虽然牺牲了大型设备的样本量，却获得了行李箱大小的体积带来的便捷。这些更小的设备便于携带，价格也更加低廉。POCT对医学检验带来的影响，不亚于将占据几个房间的大型计算机变成手提电脑：更低的成本、更少的时间。

轻便化的检测设备能够灵活适应更多的检测场景，这对于突发公共卫生事件至关重要。插画：青柠

把设备做小可不像做马卡龙那样简单，这对设备的样本处理系统和信号检验系统都提出了新的挑战。

普施康生物的微流控芯片技术能够在微米级的流道内精准操控纳升级体积的样品，并且完成分离、定量、混合、检测等功能。利用精巧的设计，普施康将原本需要占据两个房间的化验室整合到一块饼干那样大的微芯片上，且只需要少许样本就可以完成检测。这样的芯片不仅能够一体化地完成化学发光免疫分析这样的分子检验，还能够完成凝血分析这样的功能性实验。

卡尤迪生物分子诊断平台搭载新一代基因检测技术，能够让复杂的分子诊断快速简单的完成。将样本加入一台电脑主机大小的分子设备中，最快30分钟就得到检测结果。这对新冠检测意义重大：轻巧便捷的检验设备帮助流动检测站的搭建，减少了样本从采集到上样中无谓的运输时间，更快的检测时间意味着更快的疫情控制。这对应对突发卫生情况是革命性的改变。

POCT将原本只能存在于大型医院的检验设备有机会进入诊所甚至家庭，让患者享受到在家门口就能完成的便捷检验同时，还能够助力公共卫生，为传染病控制争分夺秒。