淺談新冠病毒的檢測
文/ 張藝耀 Yiyao Zhang 編/ 張琬婷
1 前言
基於前段時間實驗室的情況，小夥伴們一聽聞身邊有人快篩檢測為陽性，就急忙進行快篩來檢測自己是否感染新冠病毒。由此，想針對以下幾個問題，結合原理來進行研究分析：
．立即使用快篩試劑來檢測是否具有有效性？
．同樣是新冠檢測，為何快篩試劑檢測當場能出結果，而核酸檢測卻耗時且又昂貴呢？
．核酸檢測就不能做成像快篩試劑那樣的自檢試劑盒嗎？
2 簡介
首先，無論是核酸檢測還是快篩檢測，都需要在鼻腔(nasopharyngeal)或咽喉(oropharyngeal) 處採集樣本。這是由於新冠病毒感染的是呼吸道，它的傳播途徑就是讓病毒顆粒出現在我們的鼻腔和咽喉的地方，然後再讓我們產生咳嗽噴嚏的症狀，把病毒噴射出去。因此，從原理上來講，只要感染了新冠病毒，鼻腔和咽喉這些地方就一定會出現病毒，從而一定會被棉簽沾到。當然，如果有些人是剛剛感染新冠沒多久的話，新冠病毒數量比較少，有可能檢測不出來，這也是往往隔離期間明明是結果是全陰性，但依舊還是需要接連幾天不斷地檢測原因之一。
在從鼻腔和咽喉處取到的樣本，接下來就是需要將沾到的部分病毒檢測出來。自然這是無法用肉眼觀看出來的，因此我們需要有特定的手段。根據科學研究，簡而言之，新冠病毒的結構就是一堆蛋白質包裹著一堆核酸。這時相對應就有抗原檢測和核酸檢測，其實就是分別檢測其中的蛋白質和核酸。
3 抗原檢測
首先，我們先說原理相對簡單的抗原檢測。在這之前，我們先介紹一個概念，叫做抗體(antibodies)。簡單來說，這是一種動物體內用來抵抗細菌病毒之類的物質。比如說我們感染了病毒，首先是要和我們的細胞相結合，則體內會分泌出抗體的物質，抗體可以識別病毒表面的某些蛋白質，然後就緊緊的黏附在這些病毒的蛋白質上面，一大堆抗體可以把整個病毒包裹起來，則病毒就無法入侵我們的細胞。
科學家們便利用這個原理，首先先從小白鼠之類的動物體內，把能夠黏附在新冠病毒蛋白質上的抗體(Anti SARS-CoV-2 antibody)提取出來，然後結合一些化學技術，給抗體上面裝一粒很小很小的黃金(Colloidal gold)，此時我們可將帶著小黃金的抗體稱作為金抗體。順帶一提，如果將黃金的顆粒做得非常非常小，小到一定的程度，黃金的顏色會變成紅顏色。
在抗原快篩檢測中，我們用來洗棉簽的那根管子中的液體，其實就是一些強效的洗滌劑，與洗手液的成分類似，可以將可能沾到的新冠病毒從棉簽上洗下來。然後，我們需要把洗過棉簽的液體滴在快篩片的圓洞上，液體就會順著底下的一張紙條流過去，這些液體在流動的過程中，會先接觸到上述提及可以黏住新冠病毒蛋白質的金抗體。
如果其中包含新冠病毒，那麼這些金抗體就會和新冠病毒的蛋白質黏在一起，再往前流到第一條T 線（測試線），同時這條線上已經預先固定了一些同樣會黏到新冠病毒蛋白質的抗體。於是，當有粘著新冠病毒蛋白質的金抗體流過這條線時，就會被攔截住，這時金抗體上的微小黃金顆粒集結，在宏觀上就會顯示出紅色的條帶了。而第二條C 線（控制線）的位置上也裝有一些抗體，無論這些抗體不管流過來的金抗體上是否黏有新冠病毒都會與之結合，所以不管你是否得了新冠病毒，C 線的條帶顏色永遠都會顯現出來。
4 核酸檢測
接下來說說檢測核酸的核酸檢測，有一個缺點和有一個優點。缺點很明顯就是核酸的含量太少了，雖然上述抗原檢測所需的蛋白質也不算多，但每一個病毒裡面至少有好幾百個蛋白質分子。然而一個病毒只有一個核酸分子，因此用棉簽收集到的樣本裡面包含的病毒核酸數量是字面意義上的屈指可數。
然而，其缺點也正是其優點，核酸具有可複製性。核酸，在生物學上稱作RNA(RiboNucleic Acid)。它與我們熟悉一些的脫氧核酸DNA(Deoxyribo-Nucleic Acid)類似，上面是AUCG 四種堿基編碼的序列，而有一些特殊的生物試劑可以像抄作業似的抄寫這些堿基序列，然後複製出很多類似的分子出來。
基於這個原理，科學家就此設計了一套系統，就是在樣本當中加入這種生物試劑。如果樣本中有新冠病毒的核酸，那麼在這種試劑的作用下就會“抄”出一大堆出來。如果樣本裡面沒有新冠病毒的核酸，這種試劑就沒有作業可以抄。同時這種試劑內還有一種特殊的成分，我們可以理解為科學家們在它“抄作業”的“筆”上做了點手腳，讓它每次抄作業的時候都會發出熒光，然後我們就可以根據反應過程中有沒有發光來知道它在不在抄作業，繼而就知道是否存在新冠病毒的核酸了。
只不過，我們知道核酸以及DNA 這些生物大分子，平時都是高度內捲的螺旋，所以這些生物試劑“抄作業”的時候需要先升高到特定的溫度，將這些大分子的螺旋解開，這樣其中的堿基才能充分的暴露出來給我們“抄”。然後又要降低到一個稍微低一些的溫度，才能讓“抄作業系統”附著上去抄寫。這個高低溫的變化需要不停地循環，而且高溫多少度，低溫多少度，高溫多少秒，低溫多少秒等等都需要非常的精確。在此過程中，還需要隨時盯著這成千上萬的樣本中哪個有熒光，所以核酸檢測必須用專門的精密儀器，只有專業的醫院、研究機構以及企業才具備這樣的條件，而不能像抗原檢測那樣在家自己動手操作了。
但對比與抗原檢測，至少從頭到尾都是專業人員操作，可以最大程度減少人為誤差，加之核酸檢測其“抄作業”的原理，使之理論上哪怕樣品中只有極其微量的病毒核酸分子也能檢測出來。有些感染新冠不久的患者，可能抗原檢測看不出來，但核酸檢測就能看出來。
5 結語
幸虧有這些幫助檢測新冠病毒的方法，不論是快篩試劑或是核酸檢測，在這新冠疫情下皆有助於人民了解自己的健康狀態。憑著生醫科技的發展與大家度過這段艱難時期的決心，相信人民的生活很快又能從疫情下的死寂恢復往日的熱鬧喧囂，聽到那些自由生活的聲音。
References
[1] COVID 19 Antigen Rapid Test — Animation video
youtube.com/watch?v=5xZC8GJs-i4
[2] Coronavirus Test: Real time RT-PCR — Animation video
youtube.com/watch?v=ThG_02miq-4
[3] What is RNA | Genetics | Biology | FuseSchool
youtube.com/watch?v=Y4p6jhFaru4
[4] COVID-19 Animation: What Happens If You Get Coronavirus?
youtube.com/watch?v=5DGwOJXSxqg
[5] Udugama B, Kadhiresan P, Kozlowski HN, et al: Diagnosing COVID-19: The Disease and Tools for Detection. AC Nano 2020;14:3822–35.
[6] Corman VM. Landt O. Kaiser M. et al: Detection of 2019 novel coronavirus(2019-nCoV) by real-time RT-PCR. Euro Surveill 2020:25:2000045.
[7] WHO (2020, Jan 13). Diagnostic detection of 2019-nCoV by real-time RT-PCR.
[8] CDC, US (2020, May 29). 2019-Novel Coronavirus (2019-nCoV) Real-time rRTPCR Panel Primers and Probes.
