How COVID Changed the World
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" data-newsletterpromo_article-image="https://static.scientificamerican.com/sciam/cache/file/4641809D-B8F1-41A3-9E5A87C21ADB2FD8_source.png" data-newsletterpromo_article-button-text="Sign Up" data-newsletterpromo_article-button-link="//www.fratoz.net/page/newsletter-sign-up/?origincode=2018_sciam_ArticlePromo_NewsletterSignUp" name="articleBody" itemprop="articleBody">一个十年前,威利·森古巴(Willy sengooba)开始在乌干达各地奔波,培训医护人员如何使用一种新机器检测结核病。18新利官网多久了这种致命的肺部疾病每年在这个东非国家感染约9万人,但有时需要几个月的时间才能用传统方法进行诊断,比如培养咳嗽痰样本。这些新机器使用快速分子检测在几个小时内就能得出结果,这意味着检测呈阳性的患者可以立即接受挽救生命的治疗。sengooba是坎帕拉的Makerere大学健康科学学院分枝杆菌研究部门的科学主任,他帮助在全国各地的诊所安装了265个这种设备。18新利官网多久了通过增加早期诊断的数量,特别是在儿童和艾滋病毒感染者等弱势群体中,与结核病相关的死亡也减少了。sengooba认为这是一个巨大的成功,并希望部署更多的机器。但很难让政客们意识到这项技术的力量。
然后COVID到来。2020年3月21日乌干达报告了第一例病例后不久,森古巴收到了卫生部一名专员的信息。18新利官网多久了很快人们就发现,大多数新病例都是通过过境点入境的,因此在那里对人们进行筛查将是首要任务。Ssengooba能让所有想要进入乌干达的人都接受测试吗?他的整个国家都指望着他。
sengooba和他的团队开始在热门入境点收集卡车司机的鼻拭子,进口商品就是从这些地方进入这个内陆国家的。这些样本——有时一天超过1000个——需要被运送150英里到坎帕拉。首都是最近的有实验室技术的地方,可以进行聚合酶链反应(PCR)。使用荧光探针锁定冠状病毒遗传序列的部分,这些大型机器可以确定样本是否具有SARS-CoV-2的遗传物质阳性。新利棋牌手机版下载
sengooba的团队不得不自己运送样本。大约50名工作人员用皮卡车收集样本,送到实验室,然后转身回去取下一批样本,他们在路上度过了漫长而疲惫的夜晚。随着疫情的加剧,他们无法跟上。等待检测结果的卡车司机在边境滞留数日,部分原因是坎帕拉的样本分析有时需要72小时才能返回结果。卡车排起了绵延数公里的长队,阻碍了从家电、建筑材料到汽车配件等各种商品的进口。更糟糕的是,当局已经关闭了机场。
政府迫切希望减轻积压。sengooba考虑了他多年来在乌干达各地安装的265台结核病检测机器。他意识到,他可以通过使用不同的样本处理盒来重新利用一些小型PCR机器来检测冠状病毒。新利棋牌手机版下载他将这些设备直接转移到边境入境点,并设计了一些基本的基础设施(电力;工作台安全空间)以支持它们的使用。坎帕拉的实验室设置需要多台机器分布在不同的房间,需要有经验的技术人员来准备和处理样本,而这些所谓的GeneXpert模块是自动化的,大小和一台打印机差不多。他们仍然使用PCR技术,但可以在大约半小时内当场返回结果。
到5月,第一批COVID检测系统在肯尼亚和乌干达边境城镇马拉巴的过境点开始工作,将卡车司机的等待时间从几天减少到约半小时。一周之内,设备就在另外两个主要边境点安装好了。许多国家,甚至是富裕国家,在大流行的最初几个月里都难以启动COVID筛查。但sengooba知道如何平衡公共卫生和经济的需要。18新利官网多久了通过在最需要的地方拼凑检测基础设施,他在预防疾病的同时保持关键物资流入该国。
苏格兰圣安德鲁斯大学诊断测试开发专家Wilber Sabiiti说,Ssengooba对乌干达有限的检测资源的创造性重新利用是“巨大的”。在Ssengooba孜孜不倦地工作多年,试图使结核病的PCR检测更容易获得,他的努力似乎终于得到了验证。他说,这场大流行明确了在各种传染病中更广泛地应用PCR技术的紧迫性,特别是对政治家来说,他们现在正在为这项技术投入更多的资金。他说:“SARS-CoV-2的爆发就像因祸得福,促进了分子检测的扩大。”
Ssengooba并不是唯一有这种想法的人。华盛顿大学医学中心(University of Washington Medical Center)临床病毒学实验室的助理主任亚历克斯·格雷宁格(Alex Greninger)说,在过去,他工作的机构通常每年对流感和艾滋病等疾病进行5万次PCR检测。从2020年初到2021年底,该组织进行了400万次PCR检测,主要是针对COVID。与过去不同,然而,结果立即通知行为的关键:那些阳性self-isolate或保存在一个特殊的医院的病房。这就产生了对测试的巨大依赖,以指导此类决策。Greninger说:“在大流行的头22个月里,我们在病毒学实验室做了81年的分子检测。”他预计,即使在新冠疫情消退后,对PCR检测的需求也会持续存在。他说,现在公众对病毒学的认识要高得多,随着快速抗原检测在COVID及其未来可能激增的情况下成为生活中更常规的一部分,人们将寻求PCR检测来确认阳性结果。
COVID不仅扩大了疾病检测的规模,创造了几乎所有人的需求;这也促使人们采用了更高级的测试版本。医院系统已经开始购买小到可以安装在医生办公室的PCR仪,这样样本就不必被送到一个巨大的、集中的实验室。这意味着患者可以当场得到诊断,并在需要时立即隔离,并服用任何最合适的抗病毒药物或抗生素。全球范围内致力于PCR技术的公司和大学研究人员说,人们对他们的创新越来越感兴趣,比如手持版本的PCR,可以让从超市停车场到偏远村庄的任何地方进行检测变得更加可行。
这一切的好处可能不仅仅是单个患者。正如2021年底快速传播的Omicron变种的出现所证明的那样,在人群层面加强检测对于密切关注COVID可能如何变化和将医院系统(以及其他社会部门)推向崩溃点至关重要。对COVID的大规模采用PCR还可能为更强大的公共卫生监测系统铺平道路,该系统可以通过一次扫描数十种病原体来发现未来的大流行。18新利官网多久了根据耶鲁大学公共卫生学院的生物统计学家杰弗里·汤森的说法,PCR是一种用于疾病监测的强大工具,而且“有很多人说我们需要做得更多。”18新利官网多久了
一个奇怪的旅行
1983年,卡里·穆里斯(Kary Mullis)和他的女友驱车前往位于加州北部海岸的小木屋。他的女友是一家生物技术公司的化学家,他们受雇在这家公司合成基因片段。Mullis早年在加州大学伯克利分校完成了博士学位他会被迷幻药绊倒同时制造新的化学品。他的女朋友睡着了,开车的时候,他看到了分子在山路上跳舞的景象。就在那时,他产生了聚合酶链式反应的想法。他把车停在路边,潦草地写下了自己的想法。这为他赢得了十年后的诺贝尔奖。
聚合酶链反应的核心是一种复制遗传序列的方法。现在有几十种不同的聚合酶链反应,但穆利斯设计的最基本的形式是从一小段DNA开始,然后使用各种加热和冷却的循环来复制它。首先,该过程将加热DNA,使其双螺旋结构断裂为两条链。接下来,它将循环到一个较低的温度,从而允许专门定制的引物与链内的特定目标序列结合。样品将再次被加热,酶将在这些引物上开始工作,完成互补DNA序列的复制。如此循环往复。最终,它产生了许多目标链的副本。后来在这一过程中加入了特殊的荧光标记,以标记那些放大的感兴趣的短序列的存在。
用这种方法检测病原体的存在与否成为可能:例如,如果一个人的血液样本中存在一种病毒,聚合酶链反应(PCR)机器就会对其序列进行大量复制,荧光标记就会发出明亮的光。如果没有病毒,就只有黑暗。
荧光标记的加入意味着聚合酶链反应机器也可以指示如何多病毒在一个人的体内如果荧光在复制周期中照射得更强、更早,就意味着存在更多的病毒。PCR不仅可以检测DNA,还可以检测被称为RNA的遗传物质。这为诊断开辟了一个全新的世界,因为许多病毒,如HIV,都是基于rna的生物。当艾滋病席卷全球时,医生们想知道答案有多少艾滋病毒是否在患者体内循环,以及他们开出的抗病毒药物是否有效地将病毒水平保持在较低水平。PCR最终可以给他们一个答案。
然而,进行分析的机器需要具有高度专业知识的实验室技术人员来准备样本,并需要半天或更长时间才能返回结果。这种情况在美国邮政总局发起一项技术竞赛后发生了改变,这项技术可以快速筛查邮件中致命的炭疽孢子。911事件后,一名生物恐怖分子将炭疽孢子寄往美国参议员和记者的办公室。2002年公布的获奖者是造父变星公司(Cepheid)的GeneXpert原型。造父变星是一家成立于上世纪90年代末的硅谷诊断公司。该系统通过使用墨盒和阀门将液体通过微小通道并混合在一起,自动化了许多以前费力的样品制备步骤。而且它返回结果的时间是几分钟而不是几小时。在此后的几十年里,GeneXpert平台获得了对诺瓦克病毒、衣原体、结核病和SARS-CoV-2等病原体进行检测的批准。
造父变星公司表示,目前全球有超过4万台GeneXpert机器,而2020年只有2.3万台。(大型生物医学公司罗氏(Roche)的诊断部门也为诊所配备了一台咖啡机大小的PCR机。)它们越来越多地出现在医生的办公室和乌干达边境口岸等地点,而不仅仅是集中的实验室。2020年9月,造父变星获得了FDA的GeneXpert测试授权同时对于甲型和乙型流感,SARS-CoV-2和一种对幼儿特别危险的病原体呼吸道合胞病毒。测试结果可以在大约半小时后出来,帮助临床医生知道如果病人生病了,应该给什么特定的抗病毒药物——例如,治疗流感的达菲和治疗COVID的帕罗维德。在大流行期间,当你的感染决定了你的隔离行为时,这就更加关键了。
实时预警系统
直到过去十年左右,科学家们才建立起快速追踪病毒爆发的全球监测系统。病原体的检测落到各个实验室的手上,而像聚合酶链反应(PCR)这样的分子诊断方法既昂贵又不可用。此外,为了对感兴趣的病毒进行PCR检测,科学家需要能够识别病原体基因序列的特定探针。但他们缺乏制作这些探测器的简单工具。进行聚合酶链反应的障碍和缺乏上传此类数据的存储库,使得在人群中追踪病毒的消长变得断断续续。
2012年,加州公共卫生部收到了几份报告,称一种神秘的小儿麻痹症感染了儿童。18新利官网多久了它表现为四肢突然出现肌肉无力,有时还会导致口齿不清和眼睛移动困难。患病儿童并没有感染脊髓灰质炎病毒,卫生当局排除了其他可能的罪魁祸首,包括西尼罗河病毒、中风和肉18新利官网多久了毒中毒。孩子们什么做了是一种名为肠病毒D68或EV-D68的不明病毒,它在几十年前首次被发现。它最近与急性弛缓性脊髓炎有关。尽管一些儿童可以完全康复,但它可能导致永久性瘫痪甚至死亡。
几乎就在急性弛缓性脊髓炎与EV-D68联系在一起的同时,总部位于犹他州的分子生物学公司BioFire Diagnostics开始提供一种综合的基于pcr的呼吸测试,该公司现在是全球诊断巨头bioMérieux的子公司。该研究从一名患者的深鼻拭子中寻找了17种病毒和3种细菌。
虽然呼吸板不专门检测EV-D68,但它检测其所属的一般病毒家族的存在。BioFire希望找到一种捕捉EV-D68疫情的方法,这样医生和公共卫生官员就可以知道如何防止患者感染他人。18新利官网多久了该公司与学术合作伙伴一起开发并测试了一种算法,该算法基于过去的数据进行训练,以预测EV-D68的热点。这种方法的真正证据出现在2018年,那年夏天,该算法提醒研究人员EV-D68的出现。俄亥俄州哥伦布市的全国儿童医院(national Children 's Hospital)是该算法最先识别出病毒病例可能增加的地方之一;那里的团队证实算法是正确的。因此,医院实施了EV-D68检测,以尽早发现病例并防止其传播。
一个使用BioFire的PCR检测的相关监测平台整理了来自美国和世界其他国家不同站点的呼吸道病毒数据,如流感、鼻病毒和现在的冠状病毒,以及十多种胃肠道病原体。新利棋牌手机版下载与过去繁琐的数据收集协议不同,直接从连接的PCR机器持续收集数据的监测系统有可能被用于检测疫情,包括食源性疾病的暴发。
在许多方面,这种方法——组合PCR检测,撒下更大的网,在给定的样本中寻找更多可能的病原体——预示着聚合酶链反应的未来。“他们的仪器会给家里打电话,这太酷了,”格林杰在谈到BioFire疾病跟踪平台时说。他解释说,该平台的广泛网络可以帮助显示意外疫情发生的地方。COVID大流行清楚地表明,对人们进行病毒检测,即使他们没有症状,也可以帮助识别那些原本不知道自己被感染的人,促使他们在不知情的情况下将病原体传播给社区中的其他人之前进行隔离。
病毒的进化有时会给PCR带来挑战。由于测试中使用的引物和探针是专门为寻找病毒内部特定的泄密序列而量身定制的,有时一种新的病毒变体可以逃避检测,因为它的序列已经进化到超出测试所寻找的水平。测试开发人员必须不断确保引物和探针是最新的。罗氏诊断解决方案公司的临床开发和医疗事务主管Alexandra Valsamakis解释说:“如果你想拥有一种全球适用的、准确的基于pcr的诊断检测,你需要对全球人群中的新兴基因组有非常好的了解。”
然而,一旦科学家发现了新的病毒变异,他们就可以使用PCR检测来跟踪这些变异的传播。这是基于抗原的检测方法——寻找特定病原体特有的蛋白质——无法做到的。Omicron变异的出现表明了跟踪变异是多么的重要。聚合酶链反应(PCR)测试的大量数据显示,与之前的Delta变种相比,Omicron正在迅速传播。因此,一些政府开始更新他们的指导方针,并推动更多的加强注射,一些人把数据作为一个提示,重新考虑他们的社交活动,升级口罩的功效。
一些专家担心,即使聚合酶链反应(PCR)检测能力扩大,使更多此类监测成为可能,也会受到保险公司的阻碍,这些保险公司可能不愿为无症状检测支付费用,或者不愿为目前尚无药物或治疗方法的病原体检测支付费用。在大多数情况下,保险公司“根据个人利益支付疫苗和诊断费用,”比尔和梅林达·盖茨基金会创新技术解决方案团队负责人丹·瓦滕多夫说。“但我们并没有真正的支付计划或报销和覆盖范围来发现社区中的传播。”PCR检测覆盖面的问题已经成为冠状病毒大流行的一个症结。新利棋牌手机版下载美国政府制定了健康保险公司对新冠病毒PCR检测的覆盖要求,但无论是否覆盖,消费者仍会收到18新利官网多久了数千美元的意外账单。尽管PCR技术本身在疾病监测方面无疑是强大的,但谁来买单的问题在很大程度上仍然没有答案。
Covid如何塑造诊断的未来
随着COVID - 19在各地创造了更多PCR检测的需求,它也暴露出大多数技术是如何依赖昂贵的酶和一次性塑料零件进行样本处理的。在2020年春天成功地在乌干达边境安装了快速周转的GeneXpert机器之后,sengooba很快就用完了机器所依赖的墨盒和试剂。在疫情爆发的最初几个月里,乌干达向造父星公司索取了50万个这样的子弹,但sengooba说,该公司只送了3万个。他回忆说,测试制造商说,他们被禁止向美国出口更多的墨盒。“我们在2020年剩下的时间里没有获得额外的墨盒,”sengooba说。
现代PCR仪使用塑料托盘,传统上每个托盘有96或384个小孔来保存样本。为了避免对昂贵的塑料“消耗品”的需求,如管子和瓶盖,总部位于英国的公司LGC用长而灵活的聚合物胶带代替托盘。它只有0.3毫米厚,可以伸展到40米,有空间106368年反应井.瓦滕多夫说:“这使得每台机器每天可以做10万到15万次测试,比世界上任何机器都多10倍,成本却低10倍。”他还补充说,盖茨基金会已经与之合作LGC和诺斯威尔健康公司18新利官网多久了这是纽约州最大的卫生系统,尝18新利官网多久了试用基于磁带的方法进行COVID检测。
生物医学工程师尼古拉斯·亚当斯(Nicholas Adams)说,PCR的另一个瓶颈是,在进行测试之前,“你必须得到非常非常纯化的样本”。PCR仪经过校准,以在特定温度下进行反应,而来自患者样本的盐和蛋白质等杂质以及添加的防腐剂可能会影响反应。去除杂质是很困难的。为了避免这一步,范德比尔特大学的亚当斯和弗雷德里克·哈塞尔顿(Frederick Haselton)想出了一个主意,加入PCR试验试图检测的目标基因序列的镜像版本的DNA。这些镜像序列是“左旋”的——这意味着它们与自然产生的DNA的右旋方向相反——所以它们不会干扰检测过程。通过加入一定量的左撇子DNA,并跟踪其被复制的数量,亚当斯可以用它作为基准来校准和确认PCR机器正在运行,而不用担心太多杂质。亚当斯说,通过减少对左撇子dna的净化需求——每个测试实验室的成本约为11美分——可以节省大量的劳动力和材料成本。
现在,新冠肺炎已经表明,检测的可及性是多么重要,人们对便携式PCR设备更有热情。Avleo技术设计了一种手持分子检测仪30分钟就能出结果。维斯比医疗公司(Visby Medical)的另一款设备最初是为寻找性传播感染而开发的比如衣原体和淋病(并获得了FDA的批准),自那以来增加了对SARS-CoV-2的检测。Anavasi诊断”AscencioDx平台,最初开发用于检测艾滋病毒和流感在大流行到来之前,它正在作为一种快速分子COVID检测试验中使用。2021年11月,美国国立卫生研究院向Anavasi授予1490万美元,以支持该倡议。18新利官网多久了
诊断学开发人员仍在继续修补PCR技术。德国工程公司Solarkiosk Solutions正在开发一个版本使用太阳能该公司正在苏门答腊岛的一个偏远地区试点新冠病毒检测,那里的许多居民缺乏电力和诊断设备。学术实验室和旧金山的猛犸生物科学(Mammoth Biosciences)等初创企业正在将传统的PCR方法与CRISPR基因编辑技术相结合,以提高检测特定病原体基因的效率。
在乌干达的边境口岸,sengooba说,无论如何,目前的测试“非常顺利”。但在PCR的想法诞生近40年后,由于大流行,该技术正在迅速发展,而sengooba梦想着伟大。他渴望尝试手持疾病诊断,因为传统的聚合酶链反应(包括边境的打印机大小的机器)仍然需要连接到电网和各种样品处理室。一个便携式版本,类似于印度正在开发的一个公司Molbio该公司可以绕过其中一些要求,首次在偏远地区开启快速测试通道。“这是不可思议的,”他说。
从收集样本到将18新利官网多久了结果提交给患者之间需要数小时或数天的时间,这一直阻碍了公共卫生;与此同时,感染者已经离开了诊所,回到了他们的日常生活中,在不知不觉中把病毒传染给了其他人,并延误了如果早点开始治疗通常会更有效的治疗。COVID - 19,特别是欧米克隆令人震惊的传播能力,暴露了这一差距的后果——对个人健康、社区传播、医院负担过重、劳动力短缺,等等。18新利官网多久了sengooba希望缩小这一差距的紧迫性将持续下去。他说,想象一下,在未来,携带现场检测结果的便携式PCR检测将变得司空见惯,“所有这些挑战都将被抛在脑后。”