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必须尽快提高核酸检测的灵敏度

已有 2394 次阅读 2022-5-5 12:51 |个人分类:纯科学|系统分类:科研笔记


一、混检的成本优势及伴随的灵敏度问题


中国在抗击COVID-19中成功实现了动态清零,这个需要大规模核酸检测的支持。因其使用量巨大,因此其成本负担也越来越成为一个问题。有一个非常好的降成本方法是采用混检技术。

  • 2020年7月21日,国务院应对新型冠状病毒肺炎疫情联防联控机制医疗救治组发布了《新冠病毒核酸筛查稀释混样检测技术指引》,推出5合1混检。

  •  2020年8月17日,国务院应对新型冠状病毒肺炎疫情联防联控机制医疗救治组发布了《新冠病毒核酸10合1混采检测技术规范》。

  • 2022年1月15日,国务院应对新型冠状病毒肺炎疫情联防联控机制医疗救治组发布了《新冠病毒核酸20合1混采检测技术规范》。

在大规模筛查中,阳性率极低,尤其在目前动态清零的前提条件下,阳性率几乎是百万甚至千万分之一的水平。此时,混检就可以有效地减少检测数量,接近于混检数量增加一倍,检测数量就会减少一半。

在混检中,与被检人数线性相关的成本主要是拭子及保存液,它们的成本在总体成本中占比极小。混检数量越多,后续检测环节就越少。如果混检数量增加一倍,就接近于平均每人检测成本减少到原来的一半。采用20合1混检,相比单拭子检测,其成本大约就可以减少到接近原来的20分之1,成本优势极为显著。但如果阳性率明显提升,混检减少检测次数的优势会越来越弱,最终甚至会反超。因此,可以说混检是特别适合中国目前国情的技术。可有效支撑中国在发生疫情时以大规模检测来防止疫情扩散。

但是,混检方法要真正有效,一个关键性的技术问题是检测的灵敏度。在混检的各个技术文件中,大都对检测灵敏度进行了提示,要求采用灵敏度更高的检测试剂等产品。混检之所以对灵敏度有更高要求,有如下一些原因:

混检的采样管要存放更多拭子头,因此保存液容量往往更大。例如,单拭子保存液一般是3ml,10合1采样管保存液容量一般为6ml,20合1则为10-12ml。同样数量的病毒核酸(如300copies)保存在3ml、6ml、12ml保存液中,其浓度分别为100copies/ml、50 copies/ml、25 copies/ml。显然,混检数量越多,病毒浓度就越低,对检测灵敏度的要求就会越高。另外,混检数量更多时,拭子头、保存液与管壁接触面等也成倍加大,这些都会带来病毒核酸吸附在其他拭子头或管壁上的几率增大。这些因素都会带来对系统灵敏度的要求更高。


二、检测灵敏度在当前防疫形势下的更多意义


目前,传播性极强的奥密克戎在全球快速传播。它是2021年11月9日在南非被首次检测到,到现在仅仅2个多月,就已经传遍全世界,成为全球优势毒株。它已经占据如美国等很多国家新增病例中接近100%,导致美国日新增病例超过百万,很多国家也迎来新增病例的高峰。人口数量仅6500多万的法国,2022年1月19日的日新增病例居然也高达46.477万。2021年12月9日,天津在入境闭环管控人员中发现首例内地奥密克戎,2022年1月9日再次发现首例本土奥密克戎新增病例。目前中国内地多地都已经出现本地新增奥密克戎病例,形势严峻。从目前全球范围的防疫实践结果看,最有效的防疫手段还是及时发现加有效隔离。随着奥密克戎等新型变异的毒株传播性不断提升,及早发现问题变得越来越迫切。

在抗疫实践中,有很多发现的本地新增病例,已经是在本地传播了三、四代的。在多个实际案例中,从境外入境的人员经过14+7甚至14+7+7的隔离后,才被发现阳性,此时已经开始本地传播,造成疫情爆发。很多解释认为是病毒的潜伏期更长,事实上却忽视了一个更为重要的因素,就是核酸检测的灵敏度问题。

以下图示是现在核酸检测的一般流程:

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在这个过程中,有两个环节导致了采样的样品病毒浓度被大幅度衰减了近千倍。这意味着,即使核酸提取效率为最理想的100%,最后一道的PCR及检测试剂的效率也为最大化(只要有一个病毒核酸输入就能有效检出),整个系统的检测灵敏度极限也在300个病毒拷贝。如果是10合1及20合1,这个极限会是600和1000。就是说,即使采样管里已经有200多个病毒,因为以上系统灵敏度的限制,也很可能检测不出来了。无论PCR仪器多么好,在前面环节已经把采到的病毒核酸不断稀释衰减没了,根本就没有病毒核酸输入进去,它怎么可能被检测出来呢?况且,在核酸检测实践中,由于核酸提取试剂效率的差异,使得最终检测系统的实际灵敏度不仅更低,而且采用不同产品时的灵敏度存在很大差异。这样获得的阳性数据对判断疫情也带来更大的误差,基本只是一种相互间有很大差异,灵敏度不足的定性检测结果。

我们必须清楚:无论是发表在国际顶级刊物上的论文,还是权威医学家的观点,他们计算R0、潜伏期等等数值所基于的原始测量数据,都是以现有核酸测量结果为基础的。现在这个最基础的原始核酸检测灵敏度不足,并且因不同厂家的产品性能指标并没有统一的计量和定标,其检测结果是高度不确定的。以这样的资料为基础进行医学研究会存在很大的误差,也会从根本上影响这些科学研究论文的水准和所有结论的准确性,无论作者本人学术水平多高都没用。道理很简单,用分辨力很有限的肉眼,是无法看清月球上的环形山,要想看清楚必须用分辨力更高且有严格计量定标的天文望远镜。

灵敏度不足带来的直接后果,就是只能等感染者体内病毒浓度不断增加,一直增加到超过系统灵敏度以后才能被检测出来。这就会带来发现感染者的时间被推后的问题。如果天天做核酸,发现的时间至少就会晚一天;隔天做一次,至少晚两天;一个星期做一次,就可能是晚一个星期。而每晚一天发现奥密克戎感染者,就有可能带来新疫情的爆发。

解决这个问题的方法其实也非常简单,只要采用现在市场上已经有的深孔大板核酸提取试剂,加大从采样管中抽取的样本量,就可有效减少样本病毒的衰减量。例如可从200μl提升到600甚至1000μl,就可以将灵敏度提升3到5倍。如果将用作PCR的浓缩液容量也增加,如从5μl提升到20μl,又可以再增加4倍的系统灵敏度。两个措施加起来,就可以将灵敏度提升12-20倍。这样,整个系统的检测灵敏度极限就可以从300,600,1000,至少分别提升至25,50,100。这样,20合1检测的系统灵敏度比原来单拭子的系统灵敏度还要高,可以有效平衡各个方面的需求。

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三、BNCM磁珠在超高灵敏度核酸检测中的意义和价值


在以上改进措施中,有一个很重要的技术前提条件:加大了从采样管中抽取样本量的同时,核酸提取试剂浓度会被稀释得更多,在这种情况下,其提取效率不能明显下降。否则,以上措施带来的系统灵敏度提升的理论推测就不能真正实现。例如,假设提取样本量为600μl,是原来的3倍,如果这么做了以后,因为核酸提取试剂被稀释导致其提取效率下降到原来的一半,那么最终能提取到的病毒核酸数量就只是原来的1.5倍,而不是3倍。虽然也增加了一点,但效果就很有限。因此,如何保证在极限稀少的病毒核酸浓度,以及核酸提取试剂被稀释情况下,提取效率基本维持不变,就是关键性的技术要求。

由磁珠领域全球领导性的国科融智原创的BNCM磁珠,与传统磁珠生产工艺完全不同,它是由生物体内生长出来的,其粒径为50纳米左右。目前,一般用于核酸提取试剂的磁珠粒径多在几百纳米甚至微米级。磁珠重量相同,磁珠数量会与粒径缩小的倍数呈立方关系,一般情况下,磁珠数量越多,能提取到病毒的几率就会越大,提取效率越高。该磁珠的材料纯净度和晶型都相当理想,在提取新冠病毒上具有非常突出的提取效率和系统灵敏度优势。根据目前大量的第三方测试证明,在与市场上国外各知名品牌高端磁珠产品对比测试中,采用其一半甚至四分之一重量的BNCM磁珠,就可以实现相同的技术性能,尤其是提取效率和灵敏度的性能。如果采用同等磁珠质量,BNCM磁珠试剂的提取效率尤其极低病毒浓度条件下的提取效率优势就非常突出。因此,采用BNCM磁珠不仅可显著降低国内试剂生产企业的成本,而且配合深孔大板试剂盒等手段,可以确保核酸检测,尤其10合1、20合1检测时的灵敏度,是价廉质优的IVD领域新型核心原材料。


四、采样管的安全性及品质问题



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国科融智20合1采样管(灭活型)实际产品照片

为配合更大数量的混检,国科融智在已有各类采样管、包括5合1及10合1采样管基础上,及时开发并向市场推出了20合1的采样管。需要提示一下的是,在目前阳光采购价格压力以及市场竞争激烈的情况下,对采样管的一些关键性指标的质量控制上难度越来越大,主要是安全性和核酸保护能力,后者对系统灵敏度也有关键影响。

采样管安全性主要是灭菌,灭菌方法主要有两种:一种是环氧乙烷灭菌,二是辐照灭菌。环氧乙烷灭菌是利用环氧乙烷(EO)作为灭菌剂进行化学灭菌,EO可与蛋白质上的基团发生化学反应,使微生物蛋白质失去活性从而导致微生物死亡。环氧乙烷灭菌设备投资小,对材料要求低,普通医用透明聚丙烯就可以满足要求,是目前国内医疗器械灭菌的主流方法,但是存在环境污染和环氧乙烷残留问题。

辐照灭菌是利用核辐射原理,原子能射线的能量会引起微生物死亡,从而达到杀菌的目的。商业上多利用钴-60产生的γ(伽马)射线和电子加速器产生的电子束来进行辐照灭菌。γ射线灭菌具有灭菌彻底,无毒、无残留,绿色环保、低能耗的优点,但是对原材料的稳定性要求非常苛刻。普通医用透明聚丙烯经γ射线辐照后材料会发生严重黄变和脆化,机械性能急剧下降而无法满足使用要求。采样管要采用γ射线灭菌方法,必须使用品质很高的材料,该材料价格是普通釆样管材质的5-10倍。经调研,目前国内市场上仅友康和国科融智等部分厂家的采样管是经γ射线照射的。有些厂家销往国内和国外市场的采样管采用不同的质量标准,国内因低价竞争等原因往往已不釆用γ射线灭菌。

根据规范要求,灭活型保存液中一般会添加胍盐,它可以让病毒裂解释放出少部分核酸,这部分核酸如果不被有效保护,就会使后续检测过程的病毒核酸数量降低,从而降低整个检测过程的灵敏度。为保护这些核酸,需要在采样管保存液中加入相应的核酸保护剂。但为降低成本,很多厂家的保存液也已省略了此成分。

阳光采购的确可有效降低防疫物资的采购成本,尤其在原来医疗物资价格偏高的市场环境下更是如此。但需要明确注意到:这种纯价格战的方法最初是源自于印度的。无论从经济学角度还是印度市场的长期经验都充分证明,这种纯价格战机制长期持续下去,在将产品价格拉回到合理区间以后并不会就此停止,而是一定会造成产品价格及更上游成本的持续无底线下降。这很可能导致产品不断降低品质和配置的问题。因此,以纯价格战著称的印度早就知道这种问题,其同时也建立起了世界上最为严苛(甚至比发达国家还要严苛得多)的产品测量标准和流程。如果我们在建立了阳光采购体系的同时,没有相应地同步提升产品质控体系,产品质量的无底线下降就是一个必然的过程。对防疫物资的安全性和影响灵敏度等关键技术指标的各项严格检测,应成为选择防疫物资的必备条件。

另外,成本的降低,应更多建立在类似混检、BNCM磁珠、检测过程的智能化和自动化、高灵敏度的数字PCR等等科技创新的基础之上,而不应单纯地、无限度地依赖价格战。如果因灵敏度等技术问题而不能有效阻止新疫情的爆发,由此带来的防疫成本巨增会远远超过单纯产品降价带来的收益。


五、用科技创新强化防疫最后一道防线


除了及时发现及有效隔离的最传统方法外,疫苗和特效药是两种重要的防疫途径。疫苗在人类战胜传染病的历史中是起到过奇迹般作用的,例如抗击天花的牛痘疫苗。天花疫苗只要接种一次,基本是100%有效,并且可获得终身免疫。它在免疫的有效性和持续时间上都达到最理想的状态,最终使历史上导致数亿人死亡的恶性传染病天花在1980年5月被完全消灭。

目前全世界已经实际应用的多种新冠疫苗,根据权威专家们的研究结论,的确都有不同程度的防疫效果。可是,只要与天花疫苗简单比较就可明白,无论在免疫的有效性(远不到100%)还是在持续时间上(未看到宣称能坚持一年以上不降低免疫效果的,更别提终身免疫了),目前的新冠疫苗与人们期待的目标还是有差距的。

国内外的新闻报道中也都提到一些对新冠有特效的药物,甚至有些已经获得批准上市。其真实效果如何还有待实践的检验。

我们当然期待更好疫苗或特效药物的出现,但需要提醒注意的是:在由各种冠状病毒引发的传染病中,除了最传统的隔离手段以外,还极少有用其他方法能根本解决问题的先例。因为这类病毒的变异能力实在是太强了,并且通过呼吸道和空气进行传染,也使其具有普遍易得的传播渠道。其变异速度远远超过人类研发疫苗和药物的速度。迄今为止,对持续时间已经非常长、很普遍的冠状病毒引发的传染病,如普通感冒及流感等,也都没有真正有效的特效药和疫苗。

2022年1月18日,世卫组织卫生紧急项目负责人迈克尔·瑞安说:我们今年不会消灭新冠病毒。人们可能永远也无法消灭新冠病毒。这意味着,除了及时的发现及隔离之外,国际权威专家对其他方法的最终有效性都开始持怀疑态度。

人们期待新冠的毒性会自然减弱,最终变成与大号的普通感冒一样。但是,这种基于定性的进化论分析而想到的结论未必一定可靠。进化论的原理是:自然选择,适者生存。其重点在于选择。自然的传染病之所以有可能会毒性逐渐地减弱,是因为毒性太强的病毒会很快造成宿主死亡,这样也降低其自身传播的几率。因此,在自然选择的过程中,那些毒性较弱的病毒就有更多机会进行传播,从而更好地适应并生存下来。但是,有两个我们需要充分考虑的因素:一是现在选择并不完全是自然的,人类对待新冠的态度和措施本身就成为最重要的选择条件之一。如果人类社会选择对其放任,它就拥有了更好的传播条件。二是新冠“极为聪明”也是其极为麻烦之处在于,它的毒性就正好处于不同人类社会可以承受与不能承受的临界点左右。这就使世界上绝大多数国家无法统一认识采取有效的隔离措施。

进化选择的窗口是有一定宽度的,只要在这个选择窗口的宽度之内,不同病毒就是处于相同的选择条件,是都可以生存的“适者”。在这个选择窗口的小范围之内能否最终生存,就只取决于它们自身的传播力,而与毒性无关了。这并不仅仅是理论分析,而是有实际案例为证的:德尔塔病毒比之前的毒性更强,只因其传播力更强就曾一度占据了优势。如果人们认为新冠是一个大号的感冒而人为地提供充分的选择窗口,它的毒性就会时不时去挑战下人类承受力的底线 —— 它与感冒之间的毒性差异对其生存的选择性已经是没区别的了。如果你认为0.5%以下的死亡率是人类社会可接受的,它下次正好就变异成0.51%的死亡率你该怎么办?

历史上的多种传染病并不都是毒性越来越弱的。例如,目前被列为甲类传染病的霍乱和鼠疫,其死亡率与上千年前并无本质差异,狂犬病的死亡率还是接近100%。过去天花病毒在上千年危害人类的过程中,其毒性也没有通过自然进化最终弱化成大号流感。如果不是通过天花疫苗把它最终消灭,传播到今天它很可能依然会是一种死亡率极高的恶性传染病。对此,我们不能轻易地用幻想和美好的期望来作判断。

现在,奥密克戎引发的冲击还远未到达峰值,大量令人担忧的新变异又不断被报道。2021年12月9日,法国发现比奥密克戎变异位点数量更多的IHU病毒,含46个突变点。2022年1月7日,塞浦路斯发现了结合死亡率更高的德尔塔与传播力最强的奥密克戎新型变异病株——“Deltacron”(德尔塔克戎)。这些新型毒株最后实际影响到底如何现在还在观察研究之中。但这些快速变异现象表明了,我们不能因为现在奥密克戎传染性更强、毒性更低就轻易得出其最终一定会毒性越来越弱的结论。

不仅是新冠,在人类对付传染病的漫长历史中,及时发现和有效隔离,是被充分验证过的、普遍适用的“特效药”。这是人类对付新冠的最后一道防线。但这道防线也不是绝对牢固的:

一是长期采用隔离方法,会给社会带来很大的防疫负担。除防疫本身的成本外,因隔离带来的生产活动、尤其服务产业的停摆,造成了巨大的经济损失。

二是检测的灵敏度如果不足,有可能使检测失效,从而使未来变异成可在更低浓度时传播的病毒突破核酸检测排查的防线,导致疫情的失控。现在对付奥密克戎时的疫情此起彼伏,已经初步显露出这种征兆。准确地检测是隔离方法的有效前提,如果它不可靠,就会导致这最后一道防线不牢。大幅度提升核酸检测灵敏度,不仅可使隔离的防疫措施更牢靠,而且可以有效地精准防疫、降低隔离的范围,从而极大减轻其对社会生产生活带来的冲击。

它有利更大数量的混检,也可使防疫本身的成本显著降低,从而使得这道最后的防线更容易被社会所承受。

另外,大幅度提升后续检测的灵敏度,也有利使用采样环节更为人性化的方式。例如,鼻拭子采样的病毒浓度一般会高于咽拭子,检测灵敏度更高,但它使被采样者产生的不适也更大。如果后续环节的灵敏度大幅度提升,就可在保证防疫效果的前提下,采用虽然病毒浓度更低,但却更人性化的采样方式。更好地体现以人为本也是极为重要的课题,中国公众对各类防疫措施的支持度是非常高的。但越是如此,我们越是需要特别珍惜和保护公众的这种支持度,通过持续的科技创新,使社会大众以及医护人员在这个过程中承受的痛苦尽最大可能地减轻。




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