揭秘：新冠肺炎病毒核酸检测试剂盒

揭秘：神奇的新冠肺炎检测试剂盒

大家好，我是《基因的故事》的主播。眼下正是新冠肺炎疫情肆虐的阶段，我国的疫情蔓延已经得到了较好的控制。但是，我们仍然不能放松对疫情的警惕，仍然要做好防护措施。在节目开始之前，我想表达对奋战在疫情一线的医务人员和志愿者的敬意，你们辛苦了，谢谢你们的无畏的付出。一句感谢的话，相对于它们的付出来说，实在太微不足道了，但我真心的希望他们注意休息，祝他们身体健康。

我做自媒体在线节目的想法由来已久，主要是想给大家介绍一下当今分子生物学的一些常见的基础知识。说白了，就是跟大家聊一聊基因到底是怎么回事，用最通俗易懂的话把听起来高深的基因的相关知识以故事的形式讲给大家听。博士学位最终答辩后，终于有了自己的一点额外时间，可以让我做点自己喜欢的事情。所以，这段时间，我正在准备做一个音频的专辑，内容是基因是如何影响动物行为的。不想，新冠肺炎疫情来势汹汹，影响了我们的正常生活，打乱了我们的计划。因此我打算在在线公布我的新专辑之前，紧急插播一个关于新冠肺炎的节目，希望跟大家普及一下相关的知识。

不仅是我国，新冠肺炎已经在世界多个国家和地区蔓延。比如，我所在的日本北海道的疫情已经不容乐观。近日，据中国驻日本大使馆官网消息，中方紧急向日本捐赠一批新冠肺炎核酸检测试剂盒，用于新冠肺炎患者的检测和诊断[1]。最近几天，我们总是听到试剂盒检验，检验结果呈阳性，或者呈阴性的新闻。那么试剂盒是什么？工作人员是怎么用试剂盒检测出患者感染了新冠肺炎病毒的呢？这期节目咱聊聊这些内容。

从哪儿说起呢，首先咱简单说一下什么是病毒。对具有初中生物知识水平的人来说，对病毒应该有大致的了解。首先说，病毒是一类非常小的颗粒。有多小呢？大小在几十个纳米到几百个纳米。细菌够小了吧，可病毒要比细菌还有小成百上千倍。请看下图，就一目了然了，在这里不多做赘述。

（图片来自网络 https://www.pinterest.jp/）

这么小的颗粒，其内部结构肯定复杂不了。的确，病毒的结构非常简单，主要有两部分构成：外面的蛋白质外壳和里面的遗传物质，核酸。蛋白质外壳包裹了遗传物质核酸。自然界，核酸共分为两类，一类是RNA（核糖核酸），另一类是DNA（脱氧核糖核酸）。但每种病毒只含有其中一种，所以，据此呢，病毒可以粗略的分为两大类，RNA病毒和DNA病毒。而我们这次面对的2019新冠肺炎病毒是一类RNA病毒[2]，也就是说新冠肺炎病毒的外壳里面包裹的是一团RNA。这么说，您可能不太清楚，什么DNA、RNA的，不明白。好，您别着急，我给您举个例子解释一下，您立马就明白了。比如说，我手边有一包薯条，外面有个包装袋，里面是薯条。包装袋上写着配料介绍，这包装里装的是什么，薯条是怎么制作，是原味的还是麻辣味的等等信息。而病毒，就好比这包薯条，但它的结构正好相反。它里面的核酸好比包装袋儿上的文字，介绍了病毒外面的蛋白外壳是什么样的，也就说，病毒是如何制作的相关信息储存在内部的核酸上。所以，当病毒侵染我们的时候，他会把核酸注入到我们的细胞内，在我们人体的细胞内，根据核酸的解释和说明，合成新的个体。所以，从根本上说，核酸才是病毒合成（繁殖）的根本。那么，当我们要鉴定某位患者是否感染了新冠肺炎病毒的时候，就是要检测一下这位患者的呼吸道内是否大量繁殖了新冠肺炎病毒，我们应该抓根本，那就要测试一下新冠肺炎病毒的核酸有没有被大量检测到。如果检测到了，也就是说有病毒核酸存在的话，我们叫做呈现阳性，反之，称为呈现阴性。那么，如何检测呢？

(图片改编自网络：Research Gate)

首先，要想检测核酸，你就得先了解它。刚才我们说了，新冠病毒的核酸是RNA，中文名叫核糖核酸。它是非常长的分子，由一个个的小分子组成，这些小分子叫核糖核苷酸，共有四种，英文简称叫A，U，G，C，按一定顺序排列连接在一起。这好比我们吃的糖葫芦，把山楂果，橘子瓣儿，葡萄，草莓四种水果串到一起，但是这些水果的排列是按照一定顺序有规律的排列的。然而，新冠病毒的RNA链这串糖葫芦却非常非常的长，有多长呢，根据《Nature》2月3日在线发表的新冠病毒测序文章结果来看[2]，这串糖葫芦含有22903个果子串到一起。刚才我说了，这些果子的排列，也就是说四种碱基的排列是按一定顺序的。正是这些顺序，携带了遗传信息。这好比我们的汉语，把汉字按照一定顺序排在一起，就能表达出意思一样。比如我说，“你，好，啊”。三个汉字，你-好-啊，这样排列，就是问好的意思。但是你要说“好-啊-你”，那么意思就变了，什么意思，你懂得。虽然RNA只有四种核糖核酸，好比就只有四个汉字，但是它的链非常非常的长，刚才我说了，超过两万个碱基组成了新冠病毒的RNA，这样，这四种碱基就可以有很多很多种排列方法，这样呢就包含了大量的信息。每种病毒之所以不一样，就是因为他们的RNA链的四种碱基的排列顺序不一样。但是呢，越是亲缘关系近的病毒，其序列也越相似。比如，这次的新冠肺炎病毒的序列就与2003年的SARS病毒有超过80%的序列是一致的[3]，说明这两种病毒在亲缘关系上是非常近的，是亲兄弟。正因如此，这两种病毒感染人体后引起的症状也十分相似[4]。

（新冠肺炎病毒 COVID-19 部分序列信息，信息来自NCBI Genebank）

要检测新冠病毒的RNA，首先要弄清楚RNA的序列是什么，也就是说这些核糖核甘酸是如何排列的。本次疫情爆发之后，为了尽快弄清楚新冠肺炎病毒的RNA序列，我国的科学家们在很短的时间内，就完成了新冠肺炎病毒的基因组测序。所谓测序，就是把病毒的RNA分离出来，我们把这个叫做基因组的提取。然后，通过相关的手段，把这个病毒的RNA是怎么排列的解读出来，这就是所谓的测序。在2020年的1月5日，新冠肺炎病毒的RNA序列测序就已经完成，并且已经上传到了NCBI的数据库中（网址：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/MN908947.3/），全世界的科学家都能查找到它，研究它，点开我添加的网址，您也能查看。好了，弄明白了新冠肺炎病毒的序列，下一步就要根据他的序列来检测它。怎么检测呢，刚才咱说了，我们要检测一下新冠肺炎病毒的RNA存不存在患者的呼吸道内，首先医务人员从疑似患者的喉部或者其他部位取粘液，从中提取RNA。然后，用提取到的RNA核酸去做分子实验，比较常用的手段叫做实时荧光RT-PCR法，咋样，听起来挺高深的吧。这种方法的原理，对于学习过分子生物学的专业人士来说，不是很复杂，很容就弄懂。但是，对于从来没有学习过分子生物学的人来说理解起来就很难了，正所谓各行如隔山。但是，我要给您讲个故事，叫矮人国漂流记，您就明白了。想象一下你发现了一个小人国，这个国家生活着三种小矮人A，B，C，他们长的差不多，分布在三个小岛上，你此行的目的是分辨出到底哪个岛上住的是矮人C。然而他们个头非常小，你看不清楚他们，从而无法把他们区分出来。那你得想办法呀。其实你来这个小人国之前就已经知道，这三种矮人说的话不一样。A矮人只会说“我很帅”，B矮人只会说“我很酷”，C矮人只会说“我很坏”。然而他们每个人说话的声音也非常小，也听不清楚。为了区分发现小矮人C住在哪个岛上，你想了这样一个办法：你以某种方法引诱他们，让让他们一起整齐的说话，合起来的声音不就变大了嘛。当三个岛上的成千上万的矮人一起按照你的口令，1,2,3开始之后，他们一齐喊那句话，这时候你便能清楚的听到他们说话了。然后，你注意听第三个字，发现离你最近的这个岛上的矮人说的话最后一个字是“坏”，哎，这时候你就知道这个岛上住的是矮人C了。好了，故事讲完了，怎么样啊？您可能会说，这个故事实在不怎么样，是的，的确不怎么样。

（矮人国漂流记示意图）

但是，我这个故事可以帮助您了解所谓的实时荧光RT-PCR检测新冠肺炎的原理。简单来说，就是找新冠肺炎特有的序列，所谓特有，就是只存在于新冠肺炎病毒中。刚才说道，我们科学家已经知道了新冠肺炎病毒的完整的所有序列，但是，病毒之间有亲戚啊，这些亲戚之间有相同的序列，如果去检查相同的序列，那就不知道到底是感染了新冠肺炎病毒还是它的近缘病毒了。就好比当你只听到三种矮人一起喊前两个字，我很的时候，你不能区分哪个是A,哪个是B，哪个是C。但是，如果把新冠肺炎病毒比作矮人C的话，我们只要找到他们话语中的“坏”这个词就可以了，因为只有这个字是矮人C特有的，这就好比新冠肺炎的特有RNA序列，只要我能找到这个特定序列，就能断定这是新冠肺炎病毒的RNA了。但是，即便是患者感染了新冠肺炎病毒，提取到的RNA总量也是有限的，非常少，就好比只有一个矮人C在说话一样，我们听不见最后一个字，该怎么办？哎，别忘了，刚才您把多个矮人C召集到一起的办法。你是想办法让他们一起喊“我很坏”你才听见的。同样的道理，你把新冠肺炎病毒的特有序列多多的复制一下，在分子生物学里也叫克隆，扩增成百万倍，这样以来核酸的量不就够了么。核酸的量够了之后，我得检测到啊。就好比故事里讲的，我得听到矮人的喊声才能判断呢。这就要说到实时定量RT-PCR的荧光了，科学家们发明了一种探针，能在检测到新冠肺炎病毒特定序列的时候发光，当特定序列的数够了一定量，那么发出的光积攒到了一定的强度，直到机器能检测到这段序列的信号就可以了，就能检测到新冠肺炎病毒的RNA了，这就是新冠肺炎病毒RNA特定序列检测的过程。总结一下，实时荧光RT-PCR可以分这么两步，第一，找到特定序列，第二，多多的复制这段序列，并让它发光。所以说，如果实时荧光RT-PCR的实验结果发现发光很强，说明是阳性，新冠肺炎病毒的含量越高，意味着疑似患者被新冠肺炎病毒感染了。发光非常微弱或者不发光，说明是阴性，患者就没有被感染。做实时荧光RT-PCR的时候，简单来说，可以用Ct值来反映核酸含量的高低。Ct值越小，说明新冠肺炎病毒RNA含量约高。反之，Ct值越大，病毒RNA含量就越低。根据中国疾病预防控制中心官网提供的参考数据，Ct值小于37被认为是阳性，无Ct值或Ct值大于40则为阴性，37-40之间为可疑，需重新做检测[5]。

下面，咱来回答最后一个问题。既然知道了如何去检测，那么前面说了，要用试剂盒。试剂盒是什么呢？从字面意思不难理解，就是一盒试剂嘛。试剂盒是目前生物学医学等研究常用的试剂套装，是生物医药公司批量生产的为完成某一实验目的，将多种功能的试剂组合在一起的实验药品套装。这是我根据自己的理解给出的解释，不好理解。那对于新冠病毒核酸检测的试剂盒您可以简单的理解为一个工具箱，这个工具箱里有一管一管试剂，并配有说明书，医务人员可以用这些试剂做检测实验，比如刚才提到的实时荧光RT-PCR，从而去检验疑似患者是否感染了新冠病毒。下面的图展示了我国华大基因生产的核酸检测试剂盒和美国CDC设计生产的用于新冠肺炎病毒检测的试剂盒。

（图片来自华大基因公众号和美国CDC官网）

截止到2月19日，《自然·生物技术》（Nature Biotechnology）的通讯报道[6]，已经有13种检测新冠肺炎病毒的试剂盒被研制出来，并投产，正在世界各地发挥着检测的作用，为患者病情的确诊做出最有力的并无可替代的作用。让我们向这些分子生物学家致敬，同时也想告诉大家大家，在危机的关头，在为我们这个社会付出的除了医务人员和志愿者，还有我们的科研人员。在这里，我也想提醒大家重新认识和思考科学对我们这个社会，这个国家甚至这个世界的贡献和作用。

好了，这期节目到这里就要跟大家说再见了。这是我第一次在自媒体发表长文，为了让大众更容易理解分子生物的一些内容，我用了许多很通俗的例子。但同时，准确性可能有所下降。加之本人水平有限，若有遗漏或错误之处还请大家多多包涵。

喜欢我的节目的话，就订阅和转发吧。谢谢大家的关注，咱们下期再见。

参考文献：

[1] 中国驻日本大使馆官网，2020年2月20日讯，《驻日本使馆发言人就中方向日方捐助新型冠状病毒核酸检测试剂事答记者问》

[2] Wu, F., Zhao, S., Yu, B. et al. A newcoronavirus associated with human respiratory disease in China. Nature (2020).

[3] Chan, J.F.W.; Kok, K.H.; Zhu, Z.; Chu,H.; To, K.K.W.; Yuan, S.; Yuen, K.Y. Genomic characterization of the 2019 novelhuman-pathogenic coronavirus isolated from a patient with atypical pneumoniaafter visiting Wuhan. Emerg. Microbes. Infect. 2020, 9, 221–236.

[4] Xu J, Zhao S, Teng T, et al. SystematicComparison of Two Animal-to-Human Transmitted Human Coronaviruses: SARS-CoV-2and SARS-CoV[J]. Viruses, 2020, 12(2): 244.

[5] 中国疾病预防控制中心官网，病毒病所，2020年1月21日，《新型冠状病毒核酸检测引物和探针序列（Specific primers and probes for detection 2019 novel coronavirus）》

[6] Cormac Sheridan. Coronavirus and therace to distribute reliable diagnostics[J]. Nature biotechnology, 2020.2.19, https://www.nature.com/articles/d41587-020-00002-2