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核酸检测是怎么发现新冠病毒的?一文搞懂!

 金色书屋 2020-02-29
这段时间,我们常能听到一个词:核酸检测。

现在已经众所周知,核酸检测在新冠病毒感染的诊断中发挥着关键作用。在医院,核酸检测是诊断新冠病毒感染的金标准。

而在医院之外,核酸检测还可以用来做大范围的筛查,尽可能找出还在潜伏期的无症状感染者。尤其当下复工在即,筛查可以大大降低办公室传染的风险。

可你们知道核酸检测是怎么发现病毒的吗?这种黑科技是怎么让看不见的病毒“显形”的?

现在小编就来给大家说说核酸检测的原理。全文简单易懂,一起涨知识!


首先认识一下,什么是核酸?


核酸是地球上所有已知的生命体必不可少的一种组成物质。它主要分为两种:脱氧核糖核酸、核糖核酸。

脱氧核糖核酸,其实就是我们常说的DNA,地球上几乎所有生物的遗传物质。而许多冠状病毒的遗传物质,则是RNA,也就是核糖核酸。



所以病毒核酸检测,其实就是对病毒的遗传物质RNA进行检测。

而针对病毒RNA进行检测的技术,还可以分两种:一种是实时荧光RT-PCR,一种是病原宏基因组测序(mNGS)

*图为冠状病毒。它的外层是包膜和蛋白质,里面是它的遗传物质RNA。

它们都是用于诊断新冠病毒感染的方法。但核酸检测因为速度快(4~6小时)而应用更多,而基因测序比较慢(24~72小时),所以用的比较少。

一般对于高度疑似新冠病毒感染、但核酸检测是阴性的病人,会利用基因测序技术进一步确认。

图为《新型冠状病毒肺炎诊疗方案》试行第六版,新型冠状病毒肺炎确诊的病原学依据


实时荧光RT-PCR检测
是如何让病毒“显形”的?


首先要采集样本。由于新冠病毒是通过呼吸道感染人体,所以样本要从呼吸道采集。目前常规的样本类型大致有2类:一类是用咽拭子、鼻拭子在人的上呼吸道(咽部或鼻腔)擦拭采集;另一类是收集下呼吸道痰液、支气管灌洗液、肺泡灌洗液等。


采集到的样本将被严格封存,送到实验室。那里是检测员让病毒“现形”的战场。

什么是实时荧光RT-PCR?

为了避免晦涩难懂,此处略去几百个火星文。小编将通过一个大致的检测流程来介绍这一黑科技。我们还实拍了水母基因实验室里的设备和工具,并由可爱的实验室小姐姐友情出镜,给大家做一个操作演示。

① 提取病毒的RNA

先从样本中提取出病毒的RNA。具体来说,就是在样本中加入核酸提取试剂,把病毒破坏,让核酸释放出来。

*提取病毒核算必须在高级别的生物安全柜内完成。图为水母实验室小姐姐使用生物安全柜进行的操作演示。

② 把病毒RNA“反转录”成cDNA

通过反转录技术(RT),把病毒的RNA“反转”成一种特异DNA,即cDNA(因为病毒RNA结构不稳定,所以把病毒RNA转换成稳定的cDNA会更方便检测)

这里会用到核酸检测试剂盒中一种叫“反转录酶”的物质。而完成转录后,所有工作都将围绕cDNA展开。

③ 进行cDNA的扩增与检测

简单说就是扩增cDNA的数量。这里应用的就是PCR,全称聚合酶链式反应。具体来说,就是借助试剂盒中一些特殊物质,让cDNA不断复制,使其数量呈指数式增长。

所谓RT-PCR,就是将RNA的反转录(RT)和cDNA的扩增(PCR)相结合的技术。

当cDNA扩增的同时,试剂盒中还有一种叫荧光探针的东西同时工作。它会释放荧光信号,cDNA每完成一次扩增,荧光信号就会增加一点,而PCR检测仪就能记录到一个荧光信号增加的Ct值。

*图中左边白色的仪器叫QPCR仪。上面说到的转录、扩增、检测都是在这台QPCR仪上完成。电脑上显示的红线,我们也可以理解为Ct值的曲线。

④ 出结果

这一步就是根据检测仪记录的Ct值,进行检测结果分析。

理想状态下,如果样本中有新冠病毒,那么在cDNA完成预订次数的扩增后,检测仪记录的Ct值就会形成一个逐渐上升的S形曲线,检测结果为阳性;如果没有类似的S型曲线,检测结果就为阴性。

做完以上所有工作,通常需要4~6小时

现在明白什么是实时荧光RT-PCR了吗?检测人员就是这样诊断新冠病毒感染的。


基因测序技术
是怎样测出病毒的?


病原宏基因组测序(mNGS),是针对病原微生物(细菌、真菌、病毒和寄生虫等)使用的基因测序技术。它的原理就比较简单了。

首先,我们要掌握病毒的基因序列。(中国科学家在发现新冠病毒后5天就鉴定分析出了它的基因组序列,此处应有掌声!)

然后是检测。在实验室里,技术人员利用基因测序仪器,针对样本中提取的病毒RNA或总核酸进行检测。当样本中检测出的病毒基因序列,与已知的新冠病毒基因序列高度同源,就可以确诊感染。

基因测序是一个更加复杂且耗时的过程,可以简单归纳为以下7个步骤:

采集样本:与前面介绍一致
从样本中提取出病毒RNA:与前面介绍一致
把病毒RNA反转录为cDNA:为了便于检测,测序也需要进行反转录。
文库构建:翻译过来,就是把完整的DNA链条打碎成片段,接着给DNA片段末端修复,然后给DNA片段加上独有的样本编码(用于识别这个样本是谁的),并把DNA片段用一个接头固定起来,方便测序……
高通量测序:通过高通量测序仪,把文库的核酸序列检测出来。
生物信息分析:把测出的DNA序列与已有的数据库进行比对。
出具检测报告

这样一套完整的病毒基因测序流程,加上出结果,通常需要24~72小时

基因测序还有个特异功能:如果病人同时感染了多种病毒,基因测序也能够发现。

*图为水母基因实验室的高通量测序仪。

敲黑板:以上图片展示的,仅仅是水母基因实验室小姐姐的操作演示,不是实际的病毒核酸检测操作。而真正的病毒核酸检测过程极为严格,需要全程严格消毒,且工作人员全程三级防护(穿防护服,戴N95口罩、护目镜、双层手套、脚套)。

因为这是在与病毒打交道。从采集样本到检测,每一个步骤都凶险万分,一不小心就有被病毒感染的可能。

所以我们感恩战斗在抗疫灭毒一线医生和忽视,但也要记住这样一群人:他们不接触患者,却每天都在实验室里与病毒零距离打交道;他们看似不在一线,实则处在超一线!


助力全国抗疫灭毒
水母基因在行动!

 
当面对病毒侵袭,专业资源和人才会显得尤为珍贵。哪怕多一位专业志愿者、多一台PCR检测仪、多一个试剂盒,都能为这场攻坚战创造无可估量的力量。我们也深知,勿以善小而不为。因此在疫情爆发后,水母基因迅速开展了相关工作。
 
近期,我们与一批拥有测序仪、实验室、试剂盒等专业资源的企业/机构,共同发起了抗疫灭毒联合行动联盟,为抗疫灭毒贡献一份力量。


截至目前,已有53家企业/机构加入,覆盖北京、湖北、辽宁、广东、浙江、江西、福建、上海、黑龙江、天津等18个省市区。

他们愿意暂停正在进行的部分科研工作和业务运营,为抗疫灭毒提供PCR实验室、基因扩增检验实验室、P2实验室、CAP认证实验室场地,自动化核酸仪、全自动毛细管电泳仪、测序仪、PCR仪器,检测试剂盒、专业人员,以及捐资上千万元。

联盟成员将根据当地疾控部门的具体需求和指引,通过人员培训、仪器借用、试剂捐赠、资源共享等方式,协助湖北以及全国其它有迫切需求的区域,尽快建立或者升级新型冠状病毒检测实验室。

当下复工在即,响应国家号召,我们也将协调各方资源,面相全国各地的企业提供员工体检筛查的服务,帮助企业降低复工感染的风险,尽快安全地恢复生产运营。

如果你所在的企业,目前正面临复工难题,希望尽快排除隐患,在确保员工安全的情况下尽快复工,都可以通过水母基因获得帮助。

水母基因作为抗疫灭毒行动联盟成员之一,可以帮你推荐或联系你所在地区的专业检测机构。联盟中的53家企业/机构非常愿意提供帮助。

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