找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

  • QQ空间
  • 回复
  • 收藏

核酸检测的原理是什么?

班木芙兰 2020-6-3 142人围观 技术



瘟疫和病毒的知识与人类日常生活息息相关,从获得健康长寿的生命,到提高生活质量,再到下一代的遗传和养育,这其中的答案,其实都与生命科学息息相关。

随着新冠肺炎的爆发,“核酸检测”这种医学检测手法也进入了大众的视野。那么,核酸检测的原理是什么?为什么核酸检测会有一定几率出错?面对新发感染性疾病,人类还有更先进的病原体检测手法吗?

尹哥在新书《生命密码2》中讲述了病原检测的过去与未来。

01
核酸检测的原理是什么?

1953 年 DNA 双螺旋结构的发现,开启了分子生物学时代,使人类对病原体的研究从形态学层次深入到分子层次。

基于分子水平的核酸检测技术渐渐成为病原体检测的主流,它不必预先对病原体进行分离培养便可直接检测,方便快捷,而且灵敏度更高。

核酸检测技术是基于核酸双链互补配对原则的核酸杂交技术,技术人员合成一段与特定病原体 DNA 或者 RNA 互补的单链核酸序列作为探针,并用生物素、放射性同位素、酶等进行标记,让其与待测病原体的核酸进行杂交。

如果探针能与待测病原体的核酸互补配对,便能观察到标记物的信号,这样就可以证实待测病原体的种类。

这类检测技术的特异度和灵敏度均较高,对感染性疾病的早期诊断有至关重要的意义。

然而,有时因为患者体内的病原体核酸含量过低,检测时会有一定的难度。20 世纪八九十年代,PCR 技术的应用使待检测的病原体核酸数量可以成千上万地扩增,大大提高了核酸检测技术的应用性和准确性。

02
病原体免疫检测技术进化史

在古代,人们把大范围暴发的感染性疾病称为瘟疫,“医圣”张仲景在其著作《伤寒杂病论》中提到:

“建安元年,丙子年,南阳自此连年疾疫,不到十年之间,张仲景宗族两百余口,死者竟达三分之二。”

肉眼一般只能看到直径大于 100 微米(0.1 毫米)的物体,而绝大多数病原体微生物至多是这个尺度的五十分之一,因此古代医生无法鉴别引发瘟疫的病原体,只能通过“望闻问切”等方法观察患者症状来确定所患的是何种疾病,从而对症治疗。

图:纪录片《本草中华》

1670 年,安东尼 · 列文虎克(Antony van Leeuwenhoek)改进了显微镜。基于显微镜技术的微生物学、寄生虫学等学科相继诞生,并催生了病原检测技术。

19 世纪的德国细菌学家罗伯特 · 科赫(Robert Koch)是病原微生物学的开拓者。他发明了用苯胺对细菌进行染色的细菌染色法,以及微生物的固体培养基培养法和悬滴培养法。

科赫提出了著名的科赫法则(Koch’s Postulates): 对于某种感染性疾病,如果每一个患者体内都能找到同样的微生物,再把这种微生物提取、培养后,接种到健康宿主体内能引起相同的病症,而且被感染的宿主体内能提取到这种微生物,就说明这种微生物是感染性疾病的病原体。

在科赫的理论上发展起来的现代病原体检测方法包括涂片染色后显微镜观察和病原体培养检测。这两种方法简便易行,是极为常用的病原体检测方法。

爱德华·詹纳医生为人接种“牛痘”

随着十八、十九世纪牛痘疫苗、炭疽疫苗和狂犬疫苗等疫苗的发明,人类对免疫机制的研究越来越深入。

基于免疫学中的抗体与抗原特异性结合的原理,多种免疫检测技术相继诞生,在病原体免疫检测中,根据患者体内的病原体能否与特定抗体结合,便可判断病原体的种类。

03
假如病毒再度变异,更好的检测方式是什么?

测序技术发明后,人类获得了窥探生命遗传本质的能力,自此步入基因组学时代。而 20 世纪 70 年代 DNA 测序技术的发明,为感染性疾病的精准诊断和精准治疗奠定了基础。

近几十年来新发感染性疾病不断增加,现有病原体经过变异形成新的病原体,原先未被发现的病原体入侵人类社会。

SARS病毒显微镜照片 图/NIH Image Gallery / Flickr

部分新发感染性疾病如非典等,传播速度快、波及范围广,具有严重的社会危害性。而人类对新发感染性疾病所知不多,在疾病出现之初不但缺乏成熟的防治方法,有时甚至难以诊断其病原体。

在这种情况下,运用 mNGS 技术可以帮助医生对新发、疑难感染性疾病进行诊断,快速明确感染病原,及时对患者进行精准治疗。

2017 年 6 月,一位菲律宾籍船员在唐山港口出现头痛、意识障碍、左半身偏瘫的症状。

院方和华大基因采用 mNGS 技术,仅用了 30 个小时便从患者脑脊液样本中检出结核杆菌,证明患者感染的是结核性脑膜炎。明确病原之后,院方立即进行了针对性治疗,患者于 7 月中旬顺利出院回国。

感染性疾病的传统检测技术对实验室场地建设、仪器设备、从业人员等有很高的要求。

与之相比,即时检测(point of care testing, POCT)技术将各种专业检测技术整合到一个小型机器中,操作简易,非专业检测人员也可进行操作;检测场地也不受限制,在家庭、公共场所都能进行检测;检测速度快,患者能得到及时的诊断和治疗。

未来的即时检测的检测设备将向小型化、自动化、简易化的趋势发展。

04
病原检测技术的发展前景

随着技术的发展,检测对象已经从病原体个体水平深入到分子水平,并进一步深入到 DNA 单碱基差异水平;病原体特性鉴定从种属水平到单个病原体水平及其耐药属性,甚至到微生物群体水平;病原体检测范围从常见性病原扩展到少见、罕见性病原,从细菌病毒扩展到全部微生物甚至寄生虫;诊断模式也将从医生经验性的假设诊断到不需要提前预设病原体的数据诊断。

这些进步都为现代感染性疾病的精准预防、精准诊断和精准治疗提供了保障

展望未来,感染检测技术的发展重点会向着更准确、更快速、更便宜和更便捷的方向发展。

随着分子诊断技术,特别是测序技术成本的进一步降低以及检测速度和性能的进一步提高,再复杂的病原诊断也将不再困难,人类对于微生物的认知也将更加全面、更加清晰,传染、感染疾病的精准医疗时代即将全面到来。

我有话说......