令人驚「呼」的新型PCR檢測

作者 : imec

比利時的研究團隊開發了新型的SARS-CoV-2檢測,主要用來準確識別定點照護場所的確診個案。

與現有的唾液或鼻咽採樣不同,這款新型檢測可以直接從人體呼出的氣體中採集病毒樣本,可望成為判斷感染者傳播力的測試方法,對於頻繁(甚至是每日)或普遍篩檢來說十分便利。此次開發解決方案,imec攜手比利時的魯汶大學醫院(UZ Leuven University)進行臨床驗證。本文是以imec主要技術人員Tim Stakenborg,以其最新研究報告說明這款新型PCR檢測成果。

造成COVID-19疾病的新冠病毒(SARS-CoV-2)使得全球陷於停滯,現已累計兩年。至今的COVID-19確診個案將近6億,全球死亡人數也超過600萬,帶給全球醫療系統的影響甚鉅。儘管目前已經順利執行數次疫苗施打計畫,但在可見的未來,簡便、可靠又快速的新冠病毒測試需求仍將持續。然而,這可能是項挑戰,因為當前的診斷工具仍有缺點。

現有的新冠病毒檢測

目前有兩種新冠病毒檢測:分子(DNA)檢驗與抗原(蛋白質)測試。最敏感且可靠的是分子檢驗,它利用聚合酶連鎖反應(PCR)來偵測鼻咽或唾液樣本是否含有病毒的基因成分,同時量化病毒含量。從鼻咽採樣的分子檢驗顯示的病毒含量在感染的第4天或第5天達到峰值。

好處是僅需少量的病毒分子就能檢測出來;但缺點是採樣需由專業訓練的醫療人員進行,而且過程令多數人感到極度不適,操作不慎還可能出現偽陰性。此外,PCR檢測在感染病毒後的數週甚至是數月內都可能顯示陽性;檢測時間還可能花上一整天,包含運送樣本,以及在實驗室進行批量分析與等待結果。

為了應對PCR檢測費時的缺點,有些廠商推出了抗原快篩,透過偵測特定的病毒蛋白質來判斷是否感染。抗原篩檢的費用較低,還能在照護病人的定點進行檢測。目前核准的測試設備能在約15分鐘內測得結果,不過與PCR相似,多數的抗原快篩透過鼻咽或鼻腔樣本進行分析,讓人感到不適,而且還不如PCR可靠;它們在感染新冠病毒的初期特別不敏感,儘管這時的病毒含量被認為是最高的。

Stakenborg解釋:「事實上,這些測試工具都無法快速評估一個人是否具備傳染力,而這項限制影響重大,因為傳染力是判斷隔離時機與時間的關鍵因素。」

新冠病毒的感染過程

Stakenborg提到:「和多數人的認知相反,新冠病毒只能在有限的時間內進行傳播。來看個實例,圖1中的X病人在第0天感染病毒,因為當天必須出席重要會議而預防性地自行篩檢,但當時採樣的病毒量未達偵測標準,所以得到陰性結果。但是不久之後,病毒量開始激增,這時感染者就能把病毒傳給他人(傳染空窗期)。」

 

圖1:感染新冠病毒的典型過程。

 

「到了第6天,X已經出現一些症狀,決定再次進行抗原快篩。這次的樣本病毒量足夠測出陽性,雖然X的免疫系統其實早已開始抑制病毒。這時已經過了病毒傳播的尖峰時期,傳染力較弱,但他/她還是必須依照現行規定進行隔離。更糟的是,實際的傳染空窗期在不知不覺中已經過了大半。」Stakenborg說明。

Stakenborg表示:「這也是我們開發定點照護便利檢測的原因,這樣才能在感染的前幾天就確認某人是否帶有病毒,並顯示是否具備傳染力。與抗原快篩不同,我們開發的新型檢測基於臨床實驗室使用的PCR檢測方法,高度可靠。測試時間不到20分鐘,取樣在1分鐘內完成,接著在15分鐘內進行快速的PCR分析。我們甚至成功把PCR的等待時間縮短至5分鐘內。與現有的唾液或鼻咽取樣篩檢不同,新型測試能偵測人體呼氣中的病毒分子,所以測試門檻極低,適合用來頻繁或每日檢測。」

從呼氣中偵測新冠病毒分子

大家都知道,像是新冠病毒這類的呼吸道疾病通常透過打噴嚏、咳嗽甚至正常呼吸時形成的飛沫進行傳播。Stakenborg表示:「研究發現,人體呼氣、咳嗽或噴嚏內的新冠病毒分子(又稱氣溶膠)似乎是最主要的傳播途徑。這是一大發現,因為雖然呼氣採檢似乎是最符合邏輯又便利的測試方法,但一直以來都被忽略。另外,直接從呼出的分子中測量病毒量有可能可以直接測出傳播力。」

一項大規模的長期研究顯示,imec開發的新技術與業界標準的鼻咽取樣PCR檢測相當,甚至能在感染的第一週取代抗原快篩。據稱能用來測量傳播力的呼氣病毒量在抗原快篩測出陽性之前就會達到高峰。這就代表,就算感染者才剛自行採檢並取得陰性結果,他們在早期階段就能傳播病毒。呼氣篩檢也是首個能取得一貫陰性結果的方法,顯示某人不再具備傳染力。

Stakenborg表示:「有了這項技術,我相信未來篩檢新冠病毒會更容易、更快速,還能擴大規模進行。由於新冠病毒被認為主要經由飛沫傳播,呼氣中的病毒量可望能提高計算傳播空窗期的精準度。我們也在調整這項檢測的設計,用來靈活應對更多藉由飛沫傳染的病毒和病菌,例如流感、呼吸道合胞病毒(RSV)和肺結核。」

平凡中的創新灼見:半導體的助力

imec已經研究出一套檢測原型來展示整合式操作流程,包含採樣器與分析儀。採樣器的功能包含兩個面向:捕獲人體呼氣中的氣溶膠與病毒分子,以及直接在原裝置上進行PCR分析。

Stakenborg解釋:「透過傳統技術來設計這項解決方案會非常困難,但可以利用半導體。我們設計了一款晶片,上面佈滿數千個微米等級的PCR孔洞,可以從呼氣中捕獲病毒分子。」

 

圖2:(A)呼氣採樣裝置模型圖:與肺活量計(1)、空氣過濾器(2)與吹嘴(3)相連;(B)拋棄式呼氣採樣器。

 

Stakenborg總結:「採樣器插入分析儀時會自動注入試劑,以蒐集氣溶膠內的病毒,接著進入熱循環來促進聚合酶連鎖反應,並進行定量分析。現有裝置分析時間為15分鐘,全程自動化,從取樣到測得結果只需不到20分鐘。初步研究成果甚至顯示可以加速至5分鐘內完成,相較之下,傳統的實驗室需要等到30分鐘。這項創新的關鍵就是運用半導體技術,加上全程標準化,因此可以大規模進行低成本檢測。」

 

 

 

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