一文读懂新冠检测方法:核酸法和抗体法

来源: 李奇霖
截至3月30日,CFDA应急批准上市共23个新冠肺炎检测试剂产品,其中15个核酸检测试剂,8个抗体检测试剂。

检验是疾病诊断的重要环节

(一)检验成为疾病诊断不可或缺的环节

任何疾病诊断,离不开检查检验。

我国中医疾病诊疗过程中讲究四诊:“望、闻、问、切”,《古今医统》中称之为“医之纲领”;“望”指观气色,“闻”指听声息,“问”指询问症状,“切”指摸脉象,这是在没有现代科技加持下,医学检查检验辅助诊断的雏形,也是我国古代先人的智慧和经验积累结晶。

随着现代科技的发展,生物医学与声、光、电等现代科学实验方法渗透融合,医学诊断发展出种类繁多、更加灵敏和特异性、同时应用范围更广的检验方法,部分检验也从手工到半自动化、全自动化和检验流水线更便捷快速发展,为临床诊断提供了及时、准确的判断依据。分子生物学的发展,高通量测序的进步和肿瘤标志物等的发现,还实现了部分疾病尤其是癌症的早发早治以及分型精准治疗;甚至医学检验已由从属于临床医疗辅助性学科,发展成为现代医学领域中一门独立的技术应用学科,在医疗机构中,医学检验也单独成为一个科室“医学检验科”,承担医疗机构绝大部分医学集中检验工作。

现代医学发展已经使检验成为疾病诊断不可或缺的环节。医疗机构普通门诊患者就诊包括挂号、候诊\分诊、医生诊治、检查检验、提出治疗意见、开具处方、缴费取药等基本流程,检查检验成为重要环节之一;如果需要住院治疗,其中检查检验同样不时需要。

(二)现代医学已经发展多种疾病检查检验方法

现代广义医学检查检验包括影像学检验和非影像检验两大类,影像检查包括X光、CT、超声、核磁共振(MRI)、数字减影血管造影(DSA)、核医学融合成像技术(SPECT、PET-CT、PET-MRI)等影像学检查方法,分别用于人体不同部位、器官或全身疾病影像检查;本文着重讨论狭义的非影像检验,根据检验项目所采用的技术原理、检验方法以及临床应用等不同,现代医学检验包括理化质谱检验、基因组检验、病理诊断、生化发光检验、免疫学检验、其他综合检验等 6 大类,当前国内外医疗机构(含第三方医学独立实验室ICL)可开展的医学检验4000-5000余项检验项目。

各医疗机构按照实际医疗需求及各自技术实力(医技人员、仪器试剂配置),开展适应不同需求层级的检验业务。绝大部分基层医院都以开展血尿常规、生化和酶联免疫等基础检验项目为主,二级中等医院在基础检验的基础上,增加化学发光、微生物检验等服务;三级等大医院以及部分龙头ICL(第三方独立医学检验实验室)有充足医检需求及自身强大人员和技术实力支持,可以提供包括基因诊断、特色项目等服务。

常见医学检验项目如下:

生化检验:生物化学技术,包括有肝功能、肾功能、血脂、血糖等以及一些电解质钾、钠、氯、钙、等相关的检测。生化检查需要抽血化验,要求在早晨餐前空腹,且不能喝水,才能确保检验结果的准确性。一般针对检验物质为蛋白类、酶类、激素类基电解质等检验。

化学发光检验:物质在进行化学反应过程中伴随的一种光辐射现象,可以分为直接发光和间接发光。直接发光是最简单的化学发光反应,有两个关键步骤组成:即激发和辐射。如A、B两种物质发生化学反应生成C物质,反应释放的能量被C物质的分子吸收并跃迁至激发态C*,处于激发的C*在回到基态的过程中产生光辐射。这里C*是发光体,此过程中由于C直接参与反应,故称直接化学发光。间接发光又称能量转移化学发光,A和B反应生成激发态中间体C*(能量给予体);当C*分解时释放出能量转移给F(能量接受体),使F被激发而跃迁至激发态F*;最后,当F*跃迁回基态时,产生发光。根据发光时间长短,又可分为闪光型和辉光型。化学发光检验融合光、电技术,使部分生化检验更精确、可衡量。

免疫学检验:技术理论基础是抗原抗体应答,常用检验技术有ELISA技术、胶体金技术、免疫荧光技术等,主要用于过敏疾病自身抗体检测、对各种病原体抗原检测和优生优育检测等。检测效率较高,速度较快,抗体抗原结合特异性较高。本次新冠疫情期间,我国应对及时,多家公司成功迅速开发相应诊断检测试剂盒,截至3月19日,国家药监局共批准新冠病毒检测试剂盒19个,其中抗体类检测9个,技术基础大多为胶体金技术,检测所需时间缩短为15分钟左右。

基因组学检验:指通过对DNA/RNA核酸进行分析,用于疾病诊断,运用的检验技术包括PCR技术、基因芯片、荧光原位杂交技术等。通常用于传染病病原体检验,近年来也用于无创产检基因检测,技术能快速临床转化和临床应用,我国最先开发的新冠肺炎检测试剂盒就是核酸检测法,直接检测病人体内新冠病毒核酸物质,判断是否感染新冠肺炎

病理诊断:细胞和组织水平检验由病理检测资质的病理医生制片染色后,在显微镜下进行检查。如疑似癌组织诊断、肾脏病理检测等。

理化质谱检验:以色谱和质谱技术、原子吸收技术为基础技术,通常用于微量元素检测和遗传代谢病检测等。

其他综合检验:血常规、外周血染色体核型分析、唐氏综合征等检验。

新冠病毒检测两种方法:核酸法和抗体法

(一)为什么PCR核酸检测法最先研制出来?

目前,核酸检测方法主要包括PCR法、恒温扩增法、测序法、CRISPR检测法等,目前还研发出基因芯片技术。第二代PCR技术(荧光PCR法)是病毒检测方法的主流方法,也是目前我国批准上市的新冠病毒检测试剂盒采用最多的技术。

1月7日,我国实验室已经检出导致武汉疫情是一种新型冠状病毒,获得了病毒的全基因组序列,并将全序列特征上传到NIH GeneBank数据库和GISAID数据库供全球共享;1月26日,CFDA就应急批准了包括之江生物、华大生物和捷诺生物在内的首批三家公司新冠病毒核酸检测试剂盒(荧光PCR法)上市,从新冠病毒被完整测序获得全基因组序列,到核酸检测试剂盒上市,整个研发历时仅20天左右,如果不考虑审批材料准备和必要审批流程,实际上市时间更短,如圣湘生物早在1月14日即研制出核酸检测试剂盒,历时7天时间,达安基因1月12日拿到病毒基因组序列后,在1月28日取得试剂盒医疗器械注册证,历时约半个月。

为什么PCR核酸法检测试剂盒最能最短时间迅速研发出来?PCR核酸检测法的基本原理是根据已知基因序列信息,设计多对特异引物,运用DNA聚合酶链式反应(PCR)扩增技术,对处理后的样本进行基因扩增,因为引物的特异性,如果样本存在目标病原体,则会扩增出相应的目标基因片段,由此判断是否阳性。只要知道目标基因序列,设计多对引物,就可以套用已有技术平台,进行检测试剂盒开发,所以核酸法研发最快。新冠病毒是RNA病毒,所以在PCR之前还需加上反转录(RT)过程,将RNA反转录成DNA后,再进行PCR。第二代PCR技术荧光PCR法是在反应体系中加入荧光物质,能通过专门仪器实现实时荧光检测,以方便观察结果;荧光PCR法也出现了不少改进版本,包括Taqman探针法、双重或多重荧光PCR等。

(二)抗体法检测试剂盒是快速筛查利器

抗体法基本原理是抗原抗体结合,包括酶联免疫吸附测定(ELISA),IgG及IgM免疫荧光检测和胶体金法。其中,胶体金法由于使用方便,且可用肉眼直接观察结果,是本次新冠抗体法检测试剂盒的主要采用技术。

2月22日,CFDA应急审批通过了国内首两个胶体金法抗体检测试剂盒分别是万孚生物新型冠状病毒(2019-nCoV)抗体检测试剂盒(胶体金法),英诺特2019-新型冠状病毒IgM/IgG联合检测试剂盒(胶体金法),相比核酸法检测试剂盒,上市时间约晚20天-1个月时间。

IgM/ IgG检测试剂盒原理是用抗原测抗体,通过检测人体内相应抗体间接证明感染与否。人体受到病原体感染一周左右,最早产生IgM抗体,再次受到抗原刺激后,产生更高亲和力的IgG抗体,通过检测外周血中IgM 和IgG,不仅可以鉴别感染与否,还可以辨别患者是近期感染或者是既往感染。胶体金检测法具有简单、快速、方便等特点,15分钟左右出结果,且可用肉眼观察结果,较适合快速现场筛查。

(三)核酸法和抗体法是否可以互相替代?

荧光PCR核酸法检测的样品一般是患者的咽拭子或鼻拭子、肺泡灌洗液、痰液等检测;全过程包括标本处理、核酸提取和PCR检测等多个步骤,对所采集的标本(咽拭子、鼻拭子采集物等)中有无病毒核酸片段进行检测。核酸法检测优点明显,缺点也明显,优点直接检测有无病毒核酸片段,特异性强,敏感度相对也高;缺点是耗时较长,平均检测时间需要2~3个小时,另外需要特定场所,过程繁琐、样品前处理较麻烦,且还存在标本采样位置选择带来的假阴性(如新冠病毒拭子采样最佳位置在咽和鼻呼吸道深部位)。

抗体法(胶体金和磁微粒化学发光)检测的样品是患者的外周血,基本原理是抗原抗体结合。优点是耗时相对核酸法大为缩短,提高检测效率,如胶体金法检测试剂盒操作简单,将血样取入试剂盒孔内,平均检测时间15分钟左右,最快150秒即可肉眼判读结果,可为新冠肺炎疑似患者快捷筛查,能更有效评估疑似病例;且能够突破现有检测技术对场地和操作人员的限制,可作为核酸检测的补充或协同;磁微粒化学发光法,一般需要30分钟到60分钟;另外采血比采拭子对医务人员危险性小,方便快捷,也不会由于采样位置带来的检验误差。缺点是存在检测窗口期,由于抗体检测是对人体血液中的抗体水平进行检测,在疾病的感染早期,患者体内可能还没有产生抗体,所以无法在感染早期检验,不适合早检。

在新冠病毒检验中,核酸法和抗体法检测互为补充。核酸检测法开发难度小,这点在新发流行病学应急研发和应用中尤为重要,如本次新冠病毒核酸检测试剂盒最先研发出来的即是核酸法试剂盒,另外属于直接检验,可用于早筛早查,它是当前新冠病毒临床诊断检测的一个主要手段;抗体检测可用于对核酸检测阴性的病例进行辅助诊断,也可以对病例进行排查、筛查,虽便捷高效,但时间窗口存在决定它不能完全替代核酸法,是核酸检验法的有益补充。

当前新冠病毒检测试剂盒研发企业面面观

(一)新冠检测产品应急研发百花齐放

按我国医疗器械注册管理分类,新冠病毒检测试剂盒属于第三类医疗器械,属于器械类最高监管级别,必须取得CFDA批准取得医疗器械注册证才能上市销售,销售对象只能是医疗机构。新冠肺炎疫情爆发后,我国CFDA等监管部门为适应疫情防控需要,启动应急审批流程,加快审批新冠病毒检测试剂盒上市。

截至3月30日,CFDA应急批准上市共23个新冠肺炎检测试剂产品,主要包括两类:一类是核酸检测试剂,一类是抗体检测试剂,其中15个核酸检测试剂,8个抗体检测试剂,其中之江生物、捷诺生物和华大生物为第一批获得批文三家企业,华大生物和博奥赛斯各获得两张注册批文,预计将来还会有更多公司的检测试剂和方法批准上市。

另外,产品出口欧盟、美国等国际市场,还需取得CE、FDA EUA(紧急使用授权)等认证。据CACLP体外诊断资讯和上市公司公告不完全统计,当前我国有20家企业的检测试剂盒产品获得CE、FDA EUA(紧急使用授权)等国际认证。3月17日,国务院联防联控机制披露还有清华大学、四川大学、厦门大学、电子科技大学、重庆医科大学等5所高校研发的14种新冠病毒检测试剂获得了欧盟CE认证,意味着这些检测产品可以国际出口,支援全球新冠疫情防控。

(二)全球新冠病毒检测试剂盒需求及代表公司

我们认为各类新冠病毒检测试剂盒需求主要在三个方面:诊疗需求、筛查需求和储备需求。

诊疗需求:确诊患者从一开始就诊检测到最后出院,最少需要经过三次检测试剂盒检测,即确诊检测1次、出院检测2次。当前全球目前确诊人数接近百万,每日新增超7万例,随着后续确诊患者人数的增加,诊疗需求加速上升。

筛查需求:大规模筛查是检测试剂盒最大需求,早筛查、早发现、早隔离前提条件是进行全面大规模检测筛查,各国升级新冠疫情防控手段,大幅增加新冠病毒检测能力,当前全球新冠肺炎病例前十的韩国的总筛查人数达到37.7万人次,对应百万人口测试量7348例,美国纽约州是全美疫情最严重的地区,筛查人数14.6万人,百万人口测试量7493人,我们假设疫情严重的欧美各国,同样达到约7500人次每百万人口检测量,则至少需要检测约800万人次以上。考虑全球其他国家,假设维持百万人口2000人的检测量,也需要1200万人次,合计约2000万人次,实际需求可能更大。另外一方面,现在全球每日新增病例以超7万人增长,我们根据欧美10%-20%的阳性检出率,估算全球每天筛查例数在35-70万人次。

储备需求:应对未来疫情防控,战略储备一定数量检测试剂盒。

我国新冠疫情基本得到控制,而海外疫情仍在每日7万例以上新增病例发展,我们认为目前新冠病毒检测试剂盒需求主要来自海外,最近商务部、海关总署和CFDA发文收紧包括检测试剂盒在内的抗疫医疗物质出口资质,要求通过我国CFDA审批和适应出口地标准才准许出口,因此优先选择产品同时获得国内CFDA批准和通过CEFDA EUA(紧急使用授权)等国际认证的公司,相关上市公司有华大基因、迈克生物、万孚生物。

风险提示

检测试剂盒销售不及预期、审批风险、系统风险。

本文来源:李奇霖 (ID:macro_liqilin),华尔街见闻专栏作者

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