我们如何开发出一种廉价、准确、现场检测埃博拉病毒的方法

A woman receives the H1N1 influenza vaccination in Ottawa October 26, 2009. Health care workers across the country began administrating H1N1 influenza vaccine shots on Monday. REUTERS/Chris Wattie (CANADA HEALTH) - RTXQ1G3
The QuRapID uses heat and colour to detect Ebola and get to the genome of the virus.Image: REUTERS/Chris Wattie
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我们已经开发出一项技术,可在血液样本中可靠检测埃博拉病毒,速度比实验室检测快7倍、成本低10倍,安全性高700倍。事实上,这项检测可用于检测血液中的任何遗传物质,因此既可检测疟疾,也可检测寨卡病毒。

想象一下热带的酷暑。你穿着一套厚重、笨拙的塑料防护服,从头到脚都被包裹起来。你只能通过呼吸器呼吸;水分则是自己的汗水,顺着眼睛往下流。你在厚厚的塑料手套里活动着手指,走近又一个可能致你于死地的人:一名痛苦不堪、发着高烧、浑身湿透的患者,他可能感染了埃博拉病毒病。

你必须把针头扎进患者的静脉,抽取一管血,再将血样送到诊断实验室。然而,开车到实验室可能要好几天。在结果出来之前,患者可能感染的是疟疾(其症状与埃博拉病毒病相似),必须与健康人隔离。他们会与其他疑似病例一起被隔离,其中一些人可能检测出埃博拉病毒阳性。

血样送达诊断实验室后,便加入数百份等待人工处理的样本队列。2014年西非埃博拉疫情最严重时,等待检测结果需要五天甚至更久。等到西方国家作出响应,检测时间已缩短至五到八小时。然而,每次检测费用高达100美元,仍然令人难以承受。石油资源丰富的尼日利亚,人均年医疗支出约为118美元;而上一轮埃博拉疫情始发地几内亚的人均年医疗支出仅为9美元。英国则约为4,000美元。

对于埃博拉病毒病,检测血液样本中的病毒基因组是最可靠的诊断方法。病毒数量也能帮助判断患者可能生还是死。然而,在进行检测之前,必须先提取并纯化病毒基因组。

我当时正在研发自己的肺病诊断技术,思考如何用一种简单、无需实验室的办法,取代这种依赖人工和实验室的方法。我们的目标是在不降低检测可靠性的前提下,大幅缩短检测时间、降低成本。最终,我和同事通过基础科学研究找到了答案。

简单实用

我们开发的设备是定量快速识别(QuRapID)平台,采用两项简单原理:加热和显色。冷冻会使细胞破裂、内容物释放。借助一台设备完成这一步(设备使用廉价的Raspberry Pi电脑),就能提取埃博拉病毒的基因组,同时避免将其破坏。

接下来,要测量样本中有多少病毒拷贝,通常会使用一种产生绿色染料的化学反应——样本越绿,病毒含量就越高。然而,血液会吸收绿光并发出红光,因此呈现红色。我们将化学反应的成分从产生绿色染料改为产生特定色调的红色,这样就能通过由Raspberry Pi控制的光传感器,检测这种红色的变化。血滴中这种红色越浓,病毒含量就越高。将冷冻步骤与红色染料结合起来,我们便能直接检测血滴中的病毒。

整个过程只有简单的五个步骤,耗时不超过70分钟——从指尖采血到获得红绿灯式的检测结果。

Image: The Conversation

这项技术并不完美,但符合实际用途。实验室方法能检测到的病毒量比QuRapID平台低10倍,不过迄今为止,有症状患者血液中的埃博拉病毒含量远高于QuRapID的最低检测限。遗憾的是,我们始终没能在患者身上测试这项技术,而是用加入活埃博拉病毒的牛血进行了测试。从2014年8月提出想法,到将其制成一台功能齐全的仪器,我们用了15个月;2015年11月,这台仪器经确认可检测活埃博拉病毒。那时,西非疫情实际上已经结束。

调整QuRapID以检测其他疾病

2015年8月,另一种传染性极强的疾病——中东呼吸综合征(MERS)袭击了韩国。我们估算,公共卫生机构只需两周时间,就能开发出一种新检测,用于大规模筛查。当时,我们的埃博拉研究开展还不到12个月,尚未确认QuRapID是否能实现预期功能。但在未来,若能为已知的高风险疾病(如埃博拉病毒病)储备仪器和检测试剂,就能在几天甚至几小时内开展大规模筛查。

然而,埃博拉病毒并非唯一威胁。有些病毒(如寨卡病毒)在远低于埃博拉病毒的感染水平时就能致病,因此目前的研究目标是进一步提高这一遗传检测平台的灵敏度,并开发针对其他可能引发大规模疫情的疾病的检测方法。

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