核酸檢測是怎麼發現新冠病毒的
張田勘
在抗擊新冠肺炎的過程中，通過核酸檢測發現病毒感染者，已經是大家再熟悉不過的檢測方式。針對目前肆虐全球的德爾塔變異毒株，我國自主研發的檢測產品能夠快速精準識別。那麼，核酸檢測為什麼能發現病毒感染？我們今天就來聊一聊與此有關的科學問題。
所有生物除朊病毒外都含有核酸，核酸包括脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)，新型冠狀病毒是一種僅含有RNA的病毒，病毒中特異性RNA序列是區分該病毒與其他病原體的標誌物。
新冠病毒的核酸檢測就是要檢測病毒的RNA基因組的一些有標誌性的基因片段，用核酸檢測試劑就能檢測出來。
在新冠疫情發生初期，中國研究人員在極短時間內就完成了對新冠病毒全基因組序列的解析，並通過與其他相似病毒，如冠狀病毒的基因組序列對比，發現了新冠病毒中的特異核酸序列。因此，如果能在受檢者樣本中檢測到新冠病毒的特異核酸序列，就可以判斷此人被感染。
檢測新冠病毒特異核酸序列，要先將新冠病毒核酸(RNA)逆轉錄為DNA，再採用PCR(多聚酶鏈反應)方法進行放大或擴增，以檢測特定的基因序列。
PCR的作用是擴增DNA，也就是對選擇出的具有特異性的新冠病毒部分獨特的基因片段作為靶標DNA，將其序列進行指數級的擴增。每一個擴增出來的DNA序列，都可與預先加入的一段熒游標記探針結合，產生熒光信號。擴增出來的靶基因越多，累計的熒光信號就越強，以此來確定樣本中是否有病毒核酸，也即確診受檢者是否被感染。
這種核酸檢測技術的關鍵，是對病毒特異性DNA片段進行擴增。
1953年，沃森和克裏克發表了DNA雙螺旋結構模型，讓人們知道了DNA的分子結構，也開啟了從分子上理解生命的時代。但是，人體的一個細胞只有一組DNA，既微小，又難以分離和提取來進行體外研究。要進行DNA分子的研究，必須有一種技術能在體外擴增DNA分子。
1971年，美國麻省理工學院的教授科拉納等人提出核酸體外擴增的設想，經DNA變性，與合適的引物雜交，用DNA聚合酶延伸引物，並不斷重復該過程便可擴增DNA。但是當時技術水準有限，這一設想難以實現。
1976年，就讀于美國俄亥俄州辛辛那提大學生物系的中國臺灣科學家錢嘉韻，從黃石公園熱泉中發現的嗜熱菌中提取了高溫DNA聚合酶，使得擴增DNA的設想又前進了一步。
PCR技術發明完成最後一腳射門的射手是美國生物化學家凱利·穆裏斯。據穆裏斯回憶，1983年4月的一個星期五晚上，穆裏斯開車去鄉下別墅的路上，猛然閃現出多聚酶鏈反應(PCR)的想法。1985年，穆裏斯在Cetus公司工作期間，成功發明瞭PCR。
PCR發明後，有人讚譽這一發明將生物學劃分為兩個時代：PCR前時代和PCR後時代。有了PCR技術，可以將任意痕量的DNA分子擴增，應用於各個方面，如診斷疾病、生物個體識別、親子鑒定、刑事鑒識發現罪犯、產前診斷確診遺傳病等。由於發明瞭PCR，穆裏斯獲得了1993年的諾貝爾化學獎。
核酸檢測法不僅用於新冠病毒感染的診斷，也廣泛用於其他病毒性感染疾病。2003年“非典”期間，中國研究人員研發出巢式PCR技術的核酸檢測試劑盒，用以診斷病人。此後，對H7N9禽流感也研發了核酸檢測試劑盒。2014年，中國“艾滋病和病毒性肝炎等重大傳染病防治”科技重大專項取得一系列重要研究成果，其中新型核酸檢測技術一次能對艾滋病、乙型肝炎、丙型肝炎三種病毒同時檢測，大大縮短了檢測的窗口期。此外，埃博拉病毒、中東呼吸綜合徵病毒等病毒檢測中，都曾使用核酸檢測試劑盒。
為何有人經過多次檢測才能查出陽性
現在，PCR用在新冠病毒感染的診斷上，是通過快速擴增新冠病毒的特定基因片段來確認受檢者是否被病毒感染的。目前常用的是利用逆轉錄聚合酶鏈反應(RT-PCR)研發的試劑盒。
儘管RT-PCR試劑盒檢測比較可靠，但是在最開始也有假陰性，即檢測不出實際上已被病毒入侵的感染者。出現核酸檢測假陰性的原因有多方面。一是剛開始研發的試劑盒品質不是很高，但後來經過改進，這一品質短板得到解決。另一個原因是，患者在做前幾次檢測的時候，病毒還沒有充分感染人體細胞，病毒有一個逐漸進入細胞的過程。因此，有的人經過多次檢測才查出病毒核酸陽性。
中國國家衛健委頒布的《新型冠狀病毒實驗室檢測技術指南》規定，採集標本的種類裏有上呼吸道標本(咽拭子、鼻拭子、鼻咽抽取物)，下呼吸道標本(深咳痰液、呼吸道抽取物、支氣管灌洗液、肺泡灌洗液、肺組織活檢標本)，血液標本，血清標本，後來又增加了糞便、肛拭子。但在實際操作中，採取最多的是咽拭子、鼻拭子之類的上呼吸道標本。
由於新冠病毒通常出現在感染肺部深處的組織和細胞，因此下呼吸道標本對檢測來說是最好的，病毒多、最易檢測出來。但是，深肺組織樣本不好採集，而病人咳嗽的時候，一些病毒是可以被帶到上呼吸道，而且病毒也可以感染上呼吸道，因此上呼吸道標本(咽拭子、鼻拭子、鼻咽抽取物)已成為標準採樣。
核酸檢測的過程包括樣本採集、樣本處理、核酸提取、進行PCR檢測等多個步驟，現在整個平均檢測時間需要2-3個小時。由於它是直接對採集標本中的病毒核酸進行檢測，特異性強、敏感度相對較高，因此是當前新冠病毒感染檢測的主要手段。
延伸閱讀
抗體檢測和抗原檢測也是新冠病毒感染診斷方法
除了核酸檢測，現在對新冠病毒感染的診斷也採用另一種常用的方式，即抗體測試法。一般情況下，人被新冠病毒感染後，免疫系統會產生抗體來攻擊病毒，因此，檢測抗體也是一項可靠的判斷人是否被病毒感染的方式。不過，由於在病毒感染早期，人體內可能還沒有產生抗體，存在檢測的窗口期，因而抗體檢測法只能作為確診的補充診斷手段或應用於聚集性疫情溯源。
抗體檢測包括膠體金法和磁微粒化學發光法，其中膠體金法平均檢測時間為15分鐘左右，磁微粒化學發光法一般需要30-60分鐘。
以膠體金法為例，試劑中含有病毒抗原，通過抗原檢測抗體的存在。機體感染新冠病毒後，病毒的特定蛋白會刺激免疫系統引起抗體應答。膠體金法就是要檢測出人體是否有新冠病毒抗體。如果人被新冠病毒感染並在血液中含有抗體，就能與試劑上的新冠病毒的抗原成分結合，形成抗原抗體複合物，在檢測線處聚集為紅色反應線，證明是陽性(被感染)，反之則是陰性。
另外，診斷是否被新冠病毒感染，還可以採用抗原檢測試劑(盒)。試劑紙或卡上包被有新冠病毒抗體，通過抗體檢測抗原的存在。新冠病毒的抗原成分主要有N蛋白、E蛋白和S蛋白等，當把取樣獲得的咽拭子、鼻拭子、痰液、血清、血漿等樣本滴入試劑盒時，如果這些樣本中有病毒抗原，就會與試劑上的新冠病毒抗體形成抗原抗體複合物，檢測線處聚集出現紅線，很快就能得出結果。現在，國內一些公司生產的新冠抗原檢測試劑已能快速精準識別德爾塔變異毒株，這是因為該試劑(盒)含有德爾塔的S蛋白處的特異變化的基因序列。但是，抗原檢測需要更高的敏感性，由於新冠病毒主要侵犯肺泡等下呼吸道，從鼻咽、口咽等上呼吸道取樣，不一定能採集到病原體，或者取樣中所含病毒數量較少。因此，抗原檢測和抗體檢測一樣，都是診斷新冠病毒感染的輔助手段。
不可不知
新冠病毒感染與新冠肺炎不是一回事兒
需要說明的是，確診新冠病毒感染與確診新冠肺炎並不是一回事兒，前者只是病毒感染，後者則是在病毒感染後出現症狀。
目前確認新冠病毒感染的金標準還是核酸檢測。同時，抗體檢測和抗原檢測可以作為補充證據。
如果要確診為新冠肺炎，還得加上CT片證據，以及臨床上出現的症狀，如是否發熱、咳嗽，呼吸是否困難等來確診新冠肺炎，並判斷是輕症還是重症，抑或是無症狀感染，從而採取相應的治療和預防措施。
