科普:病毒大搜捕——新冠病毒與核酸檢測

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編者按:2020年9月5日,深圳市委宣傳部、深圳市社科聯聯合邀請孫海陸先生作客深圳市民文化大講堂,為市民朋友們做了一場題為「病毒大搜捕——新冠病毒與核酸檢測」的精彩講座。

病毒與微生物

在人類文明發展過程當中病毒可以說是如影隨形的,它能感染我們,它能夠大量的複製,它能夠造成危害,但它卻不是生命。因為簡單來講生命有三個基本定義:有細胞結構,有基本的能量代謝的過程,可以自主去複製和繁殖後代,但是這三點病毒都不符合,它主要是通過劫持人體或者其它動物的細胞來完成傳播過程的。

科普:病毒大搜捕——新冠病毒與核酸檢測

當今學界認為病毒出現的時間是遠遠早於人類的,估計是在40至30億年前,地球上現存的病毒種類大概有500萬,絕大多數是從海洋、湖泊、土壤里發現的。其中已經命名及描述的大概有30萬左右,在這30萬病毒中只有大概千分之一也就是300種左右能夠感染人類,當然自然界里絕對還有其它能夠感染人類的病毒,只是今天仍然沒有被發現而已。

科普:病毒大搜捕——新冠病毒與核酸檢測

上圖左上角紅細胞的直徑大概在70微米到100微米左右(1微米是1毫米的千分之一),右邊展示的是不同的病毒,它們和人類紅細胞比起來是非常微小的。

下面紫色的大腸桿菌是最常見細菌,它比大多數病毒的體型都要大。

狂犬病毒長度在170納米左右,渾身長滿了毛。其實除了狗身上,像狐狸、蝙蝠、浣熊等動物都有可能攜帶狂犬病毒。

埃博拉病毒從70年代到現在導致了3000人左右的死亡,這個數字可能會低於很多人的想像,這是因為它是靠體液接觸來傳播的,傳播能力沒有那麼強。

人類第一個被消滅的病毒是天花,痘苗病毒和人天花病毒之間有非常近的親屬關係,它幫助我們研發了人類歷史上第一個疫苗。

衣原體,比如沙眼就是由沙眼衣原體感染引起的,它的結構介於細菌和病毒之間,是一類非常奇特的病毒。另外,類病毒是一群很特殊的病毒,它們只有遺傳物質RNA核糖核酸,沒有蛋白質,但是同樣具有傳染性,主要感染的是植物,一些農作物被它感染後會減產。

朊病毒和類病毒在結構組成上剛好相反,它只有蛋白質,沒有遺傳物質,但依然可以大量複製。瘋牛病就是由朊病毒導致的,它會讓大腦變成像海綿一樣的形狀,會喪失大腦功能,而且可以傳染。

噬菌體是一類特殊的病毒,專門吃細菌,可以把遺傳物質注射到細菌裡面,然後大量的繁殖。

人類最早發現的病毒是什麼?


科普:病毒大搜捕——新冠病毒與核酸檢測

病毒性感冒仍然是不治之症

感冒其實是由100多種病毒導致的一個綜合性的癥狀,不止有流感病毒,還有鼻病毒、腺病毒、冠狀病毒等都可以引起感染。,而超過70%的感冒都是由鼻病毒造成。

科普:病毒大搜捕——新冠病毒與核酸檢測

對感冒的研究最早源於實驗室的一坨鼻涕,這一過程也類似於煙草花葉病毒被發現的過程,科學家把感冒病人的鼻涕用生理鹽水稀釋後滴到40多個健康人的鼻腔裡面,最後發現這些人中有19人患上了感冒,由此確定了鼻涕包含有造成感冒的元兇。然後利用陶瓷過濾器來過濾細菌和更大的微生物後,濾出的液體仍然可以讓健康人感冒,這就證明它是比細菌更小的微生物,但具體是什麼當時也不知道,都是到了有電子顯微鏡之後才最終揭示的。

可以說感冒在今天仍然是不治之症,因為絕大多數的感冒根本就不是靠醫療手段治好的,現在多數細菌病及絕大多數的真菌病都可以通過抗生素進行治療。但是對於病毒來講,如今研發出來的針對感染人群的特效藥很少,我們吃的感冒藥是不能殺死病毒的,只是為了緩解感冒之後的癥狀,對病毒幾乎沒有任何作用。

光學顯微鏡與電子顯微鏡

科普:病毒大搜捕——新冠病毒與核酸檢測

人類在400多年前就通過顯微鏡看到了細菌和真菌的結構,但是對病毒的觀察卻是最近不到一百年年才開始的。這是因為絕大多數病毒太小了,超出了光學顯微鏡的解析度。光學顯微鏡能分辨的極限是200納米,也就是0.2微米,而很多病毒是小於200納米的,所以通過光學顯微鏡很難被發現。一直到20世紀30年代電子顯微鏡問世,才找到了這些罪魁禍首——病毒。

如果用電子顯微鏡能看到病毒,那麼為什麼做新冠篩查的時候不用電子顯微鏡來做?雖然用電子顯微鏡這個方法看起來很直觀,但實際上的操作是非常困難的。電子顯微鏡樣本的準備非常繁瑣的,而且檢測的成本也非常高,還需要現在實驗室專門去培養一管新冠病毒,再把它放到電子顯微鏡下觀察,這樣才比較靠譜,不像今天用核酸檢測就可以快速而便宜地發現病毒。

細菌、真菌與病毒

科普:病毒大搜捕——新冠病毒與核酸檢測

新冠、天花、埃博拉和小兒麻痹症都是由病毒導致的,而黑死病、白喉、百日咳、破傷風都是由細菌導致的。細菌、真菌、病毒以及一些原生動物,如寄生蟲,它們到底誰更厲害,誰更讓人類難以招架?

大多數由細菌導致的病,只要發現得及時,在還沒有對身體造成非常大傷害的情況下,都可以被克制,有些還可以通過疫苗預防和治療。而大多數病毒是沒有特效藥可以治療的,例如乙肝。當然我們可以通過疫苗進行預防,比如乙肝疫苗、流感疫苗。但是流感疫苗只能防得住部分病毒,即使接種了,仍然有很高感染的風險。艾滋病呢?據統計迄今為止全世界被治好的艾滋病人只有兩個。而大多數艾滋病患者都要依賴「雞尾酒療法」不間斷地用藥來壓制病毒,而不能消滅病毒。

冠狀病毒家族

用電子顯微鏡可以看到冠狀病毒周邊有很多的突起,因此它們被命名為「冠狀病毒家族」,已知的冠狀病毒大概有40種右,其中有7種可以感染人類,包括今天的新冠病毒COVID-19。

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冠狀病毒家族

2003年的SARS以及在中東爆發的中東呼吸綜合症,是會導致嚴重癥狀的疾病。冠狀病毒家族都有一個蛋白質的外殼,直徑60到220納米,新冠病毒的直徑大概在90到100納米左右,是屬於中間大小的體型。它們的結構最外面主要是刺突蛋白,也叫S蛋白,它對於新冠病毒能夠感染人這件事情起到最為重要的作用。冠狀病毒的內部是由一條單鏈RNA構成的遺傳物質。

冠狀病毒家族中最早被發現的病毒是在1937年,它是在雞的身上發現的,而在人的身上發現是1965年。感染人的冠狀病毒從被發現到今天,已經差不多五六十年過去了,但是仍然沒有疫苗來對它進行防治。冠狀病毒感染雞的時候會感染雞的呼吸道,尤其是上呼吸道,會讓雞打噴嚏;感染豬、牛、狗的時候主要感染它們的消化道,會讓它們拉肚子。

新冠病毒是怎樣複製的?

人的基因組長度大概有3GB,而新冠病毒長30KB,二者相差了10萬倍如果人的基因組是一個12集的電視連續劇,那麼新冠病毒就是其中一個0.3秒的鏡頭,相比起來非常小。但就是這麼簡單的遺傳信息,今天反而成為了讓人類非常頭痛的一個東西。

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新冠病毒會先感染人體的細胞,然後進行大量的複製,從而對人體造成傷害,人被感染後,有些人可能自己會恢復,而有些人會轉為重症。新冠病毒外面的S蛋白就像它體外帶的鑰匙,有了這個鑰匙它可以識別人體特定的細胞並把「門」打開,從而讓新冠病毒進入人體內。

首先 ,新冠病毒會先附著,比如通過呼吸道裡面包含的飛沫或者氣溶膠附著到人體細胞上面,一旦附著之後就嘗試用鑰匙去匹配細胞的門鎖。匹配成功之後,細胞膜等蛋白質就會把它拉到細胞內部。病毒進入細之後會把外殼脫掉,跑到細胞核附近,釋放其所蘊含的單鏈的RNA遺傳物質,然後這個遺傳物質會利用人細胞的生產工廠先複製一套自己的生產工具,然後再利用這套工具高效地複製自己,將大量的複製個體再排出細胞外,去感染其它細胞。

新冠病毒會對人體造成什麼樣的危害?

人體的免疫系統可以簡單的分成兩類,第一類,只要看到外來入侵者就會消滅它。另外一類,外來入侵者必須要先來挂號,免疫系統要先知道入侵者長什麼樣子,才會大量生產特定的免疫細胞去消滅它。人體血液呈現紅色是因為血液裡面有紅細胞,除了紅細胞我們血液裡面還有白細胞、血小板這些血細胞,白細胞就是人體最重要的免疫部隊。

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人體的造血幹細胞經過分化後會產生不同類型的細胞。其中巨噬細胞是一類體型比較大、具有吞噬作用的細胞,它可以改變自己的現狀,可以在細胞的組織間隙裡面到處尋找外來入侵的病原體和小顆粒並把它吞噬掉。同時它還有一個預警的功能,會標識這些外來入侵者的特徵,並且把它傳遞給其它的白細胞。樹突細胞主要功能也是為其它免疫部隊標記入侵位置,提供敵人的信息,相當於一個哨兵的角色。當它看到敵人入侵後就會把這個信號告訴更多的白細胞部隊。真正有強的殺傷力的是這些,我們叫做特種部隊,包含體內白細胞裡面的B細胞、T細胞、淋巴細胞、粒細胞等。他們相當於有重型武器,可以殺滅一些病毒和細菌。

科普:病毒大搜捕——新冠病毒與核酸檢測

人體的免疫系統一旦檢測到有外來入侵者就會激活,然後首先趕到戰場的是巨噬細胞和樹突細胞。這兩類細胞會先看看敵人長什麼樣,如果遇到少量的敵人,它們會嘗試去消滅,胖子細胞可以變形,到處跑,吞噬這些外來入侵者。樹突細胞會給身體發出信號,說在某一個部位看到入侵者,大概長成什麼樣子。而巨噬細胞和樹突細胞釋放的信號,就叫做細胞因子。它們由蛋白或糖蛋白構成,種類非常多。這些信息會傳遞給體內的T細胞、B細胞、自然殺傷細胞等真正有強大進攻能力的細胞,然後這些特種部隊就來了。

這個時候就開始了一場戰鬥,戰鬥結束之後會有很雜亂的戰場要打掃,而巨噬細胞有一個戰場打掃的功能,它會吞噬被殺死的病毒和外來入侵者的屍體,以及人體被感染的細胞的屍體。當巨噬細胞看見到處都是屍體和病毒,它有可能會進入失控的狀態,就會釋放更多的入侵信號並傳遞給人體的免疫系統,這就叫做細胞因子風暴。這個時候免疫系統可能會失控而派出更多的特種兵到戰場進行新一輪戰鬥,士兵太多了後也有可能出現問題,它們會進行無差別的進攻,不止進攻病毒和病毒感染的細胞,也會進攻這個部位正常的細胞組織。

所以就會導致人體受感染的部位大量的細胞死亡,大量的細胞屍體帶著大量的蛋白質囤積在這個地方,如果受感染的部位是胳膊,或者是皮下組織,又或者是某塊肌肉裡面,那麼這個地方就會水腫、發紅、發炎、流膿等癥狀,但是如果這個受感染區域發生在肺部,大量液體充斥肺泡,情況嚴重就有可能產生呼吸窘迫和窒息。從免疫系統激活到攻擊自身健康細胞並損害器官的這個過程就叫做細胞因子風暴。

核酸檢測與抗體檢測

在對新冠病毒進行基因檢測過程中,根據基因組的ATCG不同鹼基的排列順序,科學家嘗試找出一段序列,它是新冠病毒所特有的,與人類或其他病毒、細菌的基因都不相同。而且還要保證在一些發生變異的新冠病毒體內也有這一段基因信息,那麼利用這一段特有的基因信息就可以設計出相應的化學試劑,完成核酸檢測試劑盒的生產。

科普:病毒大搜捕——新冠病毒與核酸檢測

核酸檢測

核酸檢測首先利用咽試紙進行取樣,當然在國外也會用鼻拭子,但是鼻拭子會更難受。採到的樣品會插到採樣管里,管裡面有一些液體負責保存這些細胞。隨後先對這個遺傳物質進行滅活,因為一旦這裡面有活的新冠病毒,被拿到實驗室裡面去,對實驗室的實驗人員也是非常大的危險。人的遺傳信息是DNA,新冠病毒的遺傳信息是RNA,RNA相對DNA更加不穩定,對新冠病毒進行60℃,30分鐘時間的滅活處理來保證它失去活性,但也要保證病毒的RNA和遺傳信息沒有受到大的損傷。然後從滅活的樣品中分離出裡面的遺傳物質並放到檢測儀中,最後利用核酸檢測試劑盒對它進行檢測到底包不包含新冠病毒。

迄今為止全世界通用的新冠病毒檢測的手段總共三種:第一種是利用膠體金方法來簡便快速的檢測出樣品裡面有沒有新冠病毒的抗體這個檢測很簡便,在家裡扎破手指就可以10分鐘內獲得結果。第二種方法也是檢測抗體,但這個ELISA檢測是在實驗室做的,看看樣本中是否有新冠抗體。第三種就前面說的PCR核酸檢測的方法。三種辦法各有優劣,第一種方法雖然簡便,但是準確性會有問題。第二個是在實驗室檢測,準確性基本沒問題但是對患者的感染時間長短有要求,感染初期是查不到抗體的。但是抗體檢測可以和核酸檢測形成很好的互補。第三種就是我們講到的核酸檢測,又快又方便,準確率也較高,但是在自愈或治癒已經有一段時間的患者體內是很難測到病毒的核酸的。

嘉賓簡介

孫海陸:深圳市猛獁公益基金會教育總監,華大基因「生命周期表」項目主任;2010年加入華大基因,長期從事動植物群體遺傳與系統發育方向的研究。近年來主持、參與了毛皮服裝動物源性鑒定標準,食品動植物源性鑒定標準等國標、地標的研發和制定;申請專利3項,國際1項、地標4項,軟體著作權2項。在2020年疫情中,參與了對20多個國家的抗疫試劑與儀器的捐贈。