春節期間，準備回家過年的人都面臨着目的地48小時核心酸陰性報告的防疫要求。各個核酸檢測點門口都排起長隊，寒風中瑟瑟發抖的人們不禁思考：為什麼出報告就不能再快一點呢？為什麼不能像正常驗血一樣半個小時取報告呢？
核酸檢測真的已經在全速沖刺，并且還在努力改進，變得越來越快。
01
核酸檢測到底檢了點啥？
首先，核酸不是什麼新名詞。它是生物體内的遺傳物質，一共兩大類：DNA和RNA。核酸儲存遺傳資訊的方式也挺一根筋的：用幾個不同的分子從頭到尾往下“寫”，而且一共隻用四個字母。如果是DNA的話，用A、T、C、G寫，寫成2排；如果是RNA的話，用A、U、C、G寫，寫成1排；仿佛某種四進制密碼。
圖源：wiki
PS：如果您家裡有選了生物的聯考考生，可以讓TA告訴您這A,T,C,G分别代表了什麼含氮堿基，這裡因不影響了解不作詳細解釋。
這些生物密碼不是随便瞎編的，通過分析它們的順序人們能得知許多事情。比如：有些密碼跟身份證一樣每個人身上都不盡相同，刑警以此來确定兇手是法外狂徒張三而不是背鍋的李四。有些密碼在親屬間有相似性，可以用來确定孩子是自己的而不是充話費送的。
還有一部分密碼在同一物種體内是一緻的，用以保證龍生龍，鳳生鳳，人生人，且生下來的人絕大多數情況下還是兩個眼睛兩條腿，鼻子下面長着嘴。通過檢測這類密碼，人們可以倒推一些事情——例如：隻要抓到了某種序列，那該核酸序列的擁有者一定是人類，無論他怎樣聲稱自己是天仙下凡青蛇成精都不好使，他就是人類。
新冠病毒也一樣，隻要檢測到特定的核酸序列的存在，那它就是新冠病毒，而不是其他微生物或人體細胞内的核酸。核酸檢測就是要想辦法把這段特定的“身份密碼”抓出來。
02
保姆級核酸檢測
技術原了解釋
盡管核酸是一種“大分子”，它的長度計量機關還是納米級的。人為一條一條去看上面寫了啥肯定不可能，儀器也很難對單個分子産生反應。因而核酸檢測為了抓到病毒身份密碼存在的證據，會使用一種叫熒光定量RT-PCR的特殊技術。先給采集來的樣本做一次滅活以免病毒伺機作妖，再用以下幾個步驟逼它招供：
提取核酸
核酸檢測的目标隻有核酸，病毒自己用來裝核酸的友善兜子蛋白質殼子不要，大家被采集點小姐姐一起捅下來的鼻涕泡食物殘渣等也不要。
為了精準把核酸抓出來，有好幾種方法可以用。比較常用的方法是“一步法”和“磁珠法”。
操作簡便，快速又經濟的方法是一步法：将核酸釋放劑和樣本在PCR管中混合，室溫靜置10分鐘，加入核酸釋放劑讓病毒裂開，再上離心柱一陣狂甩，讓蛋白質等不需要的東西與核酸分離，再把上層清液裡的核酸撈去檢測。即可獲得适用于熒光PCR檢測的核酸，将需要多次離心或是加熱的繁瑣傳統方法改變成為了簡單便捷的一步操作，耗時極短，大大提高檢測效率。但缺點是漏檢率較高。
圖源：imgflip.com
還有一種很巧妙的方法叫磁珠法：往溶液裡面扔點能跟核酸黏在一起親親我我的小圓珠，等它們抱緊核酸後，利用磁力把小圓珠吸住固定，其他不要的東西都沖走。然後再想辦法強拆CP讓小圓珠松手（通常是改變溶液特性，如PH值等），那樣就可以得到純純的核酸了。
核酸擴增與檢測
把核酸都抓出來之後，就該看看到底有沒有新冠病毒核酸特有的“密碼”了。畢竟樣本裡很可能還有點其他微生物或者人體自身細胞帶來的核酸，它們若是不幹壞事的良好市民，就不能冤枉它們報假警。
檢查的方式有點像對暗号，一些特殊的引物與探針被加到試劑裡，引物大喊“天王蓋地虎”，這時候誰答應一句“寶塔鎮河妖”誰就是新冠病毒。不吱聲的或者亂答“我是二百五”的就是其他無辜核酸。一旦聽見正确的答句，探針就會扔出一個熒光信号，表示找到了壞蛋。
“天王蓋地虎”是人類的密語，要跟病毒核酸對暗号就得找到對面能懂的“語言”。
去哪兒找呢，DNA大麻花大家都見過吧？喏，兩條鍊子扭在一起，中間是一些五顔六色，彩啦吧唧的玩意兒。這裡想強調的重點是，DNA示意圖裡的彩色小橫線并不是随便亂畫的。如前方所說，這些代表堿基的小橫線一共就四種，名字縮寫是A,T,C,G。并且他們成雙成對，A的對面一定是T，C的對面一定是G。
這就是核酸用來記錄資訊的“語言”，隻要知道了其中一條鍊“寫”了啥，另一條就能比對出來。于是工作就變得簡單起來：
引物：CCCTGTGGGTTTTACACTTAA
病毒：GGGACACCCAAAATGTGAATT
探針：就是它！！！
可惜的是，單個病毒核酸交代出暗号密碼後，發出的信号太微弱了。儀器：大點聲！我聽不見！熒光信号在哪兒呢？我沒看見。
好吧，一個熒光點不行，成千上萬個不停出現，總能捕捉到到了。通過聚合酶鍊式反應，人們可以逼迫被檢測的DNA不停複制出一模一樣的副本，1條變2條，2條變4條。再一遍一遍反複對暗号後，探針就會一次又一次确認到病毒并釋放出熒光信号，指數級增加，進而被儀器檢測到。
到這裡可能會有人發現個小問題：新冠病毒是RNA病毒，RNA隻有一條鍊，這套檢測機制不是針對DNA的嗎？别擔心，逆轉錄技術會在擴增開始前把單鍊的病毒RNA轉化成雙鍊的cDNA，之後照常分析。
至于為什麼不直接複制RNA，是因為RNA單鍊不穩定，複制時乏校正功能，容易出錯。類似于萬一把“天王蓋地虎”複制成“天王蓋壁虎”，接下去就不好辦了。
03
是以核酸檢測還能再快點嗎？
通過原了解釋大家可以看到，核酸檢測有一套必須按部就班完成的流程，其中每一步都要耗時。尤其是聚合酶鍊式反應擴增數量的步驟，一旦開機便沒辦法暫停。後續如果有新一批樣本需要檢測，不能中途加進去，隻能新開一鍋。如同電鍋工作到一半無法半路再加米。
不過為了滿足繁重的核酸檢測需求，相關人員還是在用多種手段努力讓核酸檢測變得越來越快。
增加檢測裝置供應
一台裝置來不及做，那麼“再來一台”聽起來是理所當然的事情，然而核酸檢測并不是買幾台儀器搬到現場就能開工的。它需要依托能夠保證操作安全的實驗室，在處理醫療廢棄物，空氣消毒等方面都有特定的要求。
因而能“憑空”兩三天内拔地而起的氣膜實驗室就成了抗疫一線的救星。去年上半年投入的“獵鷹号”氣膜實驗室每組每天可以檢測超過3萬個樣本，以便大家及時拿到核酸檢測報告。
“獵鷹号”氣膜實驗室
圖源：廣州日報
縮短流程時間
優化熒光定量RT-PCR的過程也讓核酸檢測變得越來越快。例如一些核酸釋放劑加入後不需要再采用離心等手段去分離出核酸，而是直接可以進入下一步擴增。
核酸在PCR擴增儀裡不停數量翻倍通常要進行95-100分鐘，那是為了産生足夠多的副本被裝置檢測到。如果裝置的靈敏度提高，那麼就可以少做幾輪擴增，自然就會縮短時間。
還有一種思路是擴增環節因反應物對溫度需求的不同，需要反複升溫降溫，那麼改善導熱結構，使每一次升溫降溫變得更快也能縮短檢查時間。去年的中國創新創業大賽中，最快新冠核酸檢測儀器可以在30分鐘内出檢測結果。
中國核酸檢測專利申請趨勢
（為了增加核酸檢測能力，研發人員不停在追求更高效的技術）
圖源：21世紀經濟頻道
主動出擊，給空氣做核酸檢測
即将開幕的2022年北京冬奧會，将會采用一套自主研發的生物氣溶膠新冠病毒核酸監測系統，可以檢測空氣中懸浮的病毒。
這套裝置外觀與普通的檢測儀器似乎差別并不大，實際上卻能從樣本采集到檢驗實驗室裡的步驟（包括前面介紹過的滅活處理、核酸提取、擴增）全都自動化內建完成，45分鐘得出檢測結果。且儀器靈敏度達到20拷貝/毫升，比正常裝置（200-500拷貝/毫升）靈敏了10倍以上。測試賽期間共采集和檢測348例标本，檢測成功率100%。
但願冬奧大顯身手後，這套系統今後能在醫院、車站、機場等人流密集的場所落地，及時發現病毒，助力疫情防控。興許人們就不用排着隊去做檢測啦~
新冠疫情總會過去，但這不會是人類最後一次與大規模傳播的病毒戰鬥。未來面對新的緻病微生物之時，這些不斷革新的技術将幫助人類更好地維持個人健康與社會秩序。
參考文獻
[1].李剛,馬文麗，生物化學[D]. 北京大學醫學出版社，2013
[2]. 餘漢忠，牛璐璐等，不同核酸提取方法和新型冠狀病毒核酸檢測試劑室間 質評結果分析[J]. 臨床檢驗雜志2021年2月，39（2）
[3]. 國家衛生健康委員會辦公廳，新型冠狀病毒肺炎實驗室檢測技術指南（第四版），2020
[4]. Rossi, Liane & Costa, Natalia & Silva, Fernanda & Wojcieszak, R.. (2014). ChemInform Abstract: Magnetic Nanomaterials in Catalysis: Advanced Catalysts for Magnetic Separation and Beyond. Green Chemistry. 16. 2906-2933. 10.1039/c4gc00164h.
[5]. 30分鐘内出結果，全國最快新冠核酸檢測儀器亮相創業大賽，上海市科學技術委員會，2021-09-09，http://stcsm.sh.gov.cn/xwzx/mtjj/20210909/aed248c31ac24a6792d6e2557fe327bd.html
[6]. 中國科學院過程工程研究所，一種自助式核酸檢測一體機及微流控晶片[P]. 中國專利，CN214088513U，2021-08-31
編輯：91
鳴謝：上海普陀區中心醫院檢驗科 檢驗技師 張孟哲 醫學博士
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不代表中科院實體所立場
來源：上海科技館
編輯：藏癡