核酸检测如何高效筛查新冠肺炎

回形针 甘立 孟心一  

[摘要]2020 年 8 月 18 日，国家卫健委将新冠诊疗方案更新到了第八版。其中规定了以核酸检测、基因测序或抗体检测结果为依据的新冠肺炎确诊方式。

其中，抗体检测并不适用于诊断当前的新冠病毒感染，这是由于身体在感染后 1~3 周才开始产生抗体，无法在感染初期的窗口期检出是否感染。

而基因测序通常需要 24~72 小时的流程。面对全国无数待检测人群，普遍采用只需要 2~3 小时就能得到结果的核酸检测。

核酸检测是如何高效筛查新冠肺炎的？

我们再来看一看这颗肆虐全球的 2019 新型冠状病毒（SARS-CoV-2），它的结构很简单：蛋白质构成的外壳和包膜，以及里面的遗传物质——RNA。

只要你感染病毒，这条 RNA 就会出现在你的体内，而核酸检测的目的，就把它找出来。

首先，我们得知道这条 RNA 的排序。幸运的是，中国科学家在发现新冠病毒后 5 天就获得了它的基因组序列。

接下来，需要在病毒最可能存在的地方采集样本，新冠病毒通过呼吸道进入体内，也会在呼吸道中残留。最简单易行的采集部位，是上呼吸道。

以口咽拭子为例，你需要保持坐姿，头后仰、嘴张大，医生会用这样的一根涤纶或藻酸钙拭子，越过舌根擦拭你的咽后壁和扁桃体隐窝、侧壁。来回 3~5 次后，混合着细胞、病毒、细菌等分泌物的拭子样本，会被转移到试管里。

接下来的操作，都会在这样一台全封闭的生物安全柜中进行取样检测。生物安全柜会通过滤风机不断将柜内空气抽出，保证人员安全。

密封的样本首先会加热到 56℃ 进行 30 分钟的灭活。然后添加入微离心管中，并在加入裂解缓冲液后在振荡器中震荡，裂解缓冲液能迅速破碎细胞，防止细胞死亡时释放出的核酸酶将目标 RNA 分解。

接下来，需要对 RNA 进行提纯。

以离心柱法为例，含有目标 RNA 的样本，会被加入离心柱（spin column）中，其中加入了含有二氧化硅基质的洗涤缓冲液，并在离心机中进行离心。

洗涤缓冲液会通过滤过膜，除掉样本所有残留的杂质，而二氧化硅基质可以吸附 RNA，留在管中。

最后，再加入洗脱液，重新加入离心机，将 RNA 与二氧化硅分离，从而获得不含蛋白质、抑制剂和其他污染物的纯化 RNA。

但一小份样本中的核酸太少，难以观察，需要将核酸大幅度扩增，这就涉及到了核酸检测的核心技术——聚合酶链式反应 PCR。它能在短时间内扩增出特定的 DNA 片段，便于检测。

而 PCR 技术的关键道具，就是这个小小的试剂盒，里面包含了 PCR 反应中所需要的反转录酶、DNA 聚合酶、引物、探针等核心材料。

新冠病毒遗传物质是 RNA，而 PCR 的目标是 DNA。所以，样本中的 RNA 首先会通过试剂盒中的反转录酶，制造出互补的 DNA 单链——cDNA ，再通过 DNA 聚合酶组装成双链 cDNA。

接下来，就可以通过 PCR 对 cDNA 进行扩增。扩增的过程，分为三步：

首先，利用高温（93℃~98℃）可以将连接两条 DNA 单链的氢键短暂打断，使其以单链形式存在。

接下来，降低温度，试剂盒中被加入的一段可以与目标 cDNA 单链排序契合的单链 DNA TaqMan 探针，会在降温后结合在 cDNA 的单链上，这个过程大概会持续 1~2 分钟。

探针的 5' 端连着一个荧光基团，3' 端则连着一个淬灭基团，在两个基团空间距离很近的时候，淬灭基团会抑制荧光基团发光。

接下来，一段引物会与 DNA 结合，引物的作用是为 DNA 聚合酶定位，DNA 聚合酶将会从引物开始，沿着 5' 端到 3' 端的方向引导 DNA 复制。

当 DNA 聚合酶经过探针所在位置时，DNA 聚合酶中含有的 5' 外切酶，可以将探针 5' 端连接的荧光分子从探针上切割下来，使样本发光。这样的流程构成了一次 PCR 热循环。

与此同时，另一条单链也被重新组装成了一条完整的双链，这两条新的双链会进入下一个循环，每次热循环释放出探针中的荧光物质都会增加一倍。

在经历约 45 次热循环后，释放的荧光物质就可以发出足够检测的光。

通过 PCR 仪器中的激发光源和发射光检测器，就能让每个热循环中荧光团发出的光被检测到。这些被检测到的发光，就是核酸检测中的阳性反应。

之后，你就会收到这样一张核酸检测报告。

一台 PCR 仪器，一次可以检测最多 384 份样本，成为了大量人群中病毒筛查的最佳手段。

从 2020 年 3 月到 8 月，中国的核酸日检测能力经历了从 126 万人份到 484 万人份的飞跃，5 月 14 日起，武汉市仅用了 19 天时间就完成了全市 989.98 万居民的核酸检测，检出无症状感染者 300 名，未发现确诊病例。

这样的检测能力，帮助中国在 7 月底就完成了 1.6 亿人次的核酸检测。这不仅依靠遍布全国的近 5000 家医疗机构，更离不开几万名医护人员不舍昼夜的付出。