在21世纪之交，冠状病毒是病毒学中最晦涩难懂的课题之一——人们很难对只会引起轻微鼻塞的病原体产生太多兴趣。尽管为资金苦苦挣扎，但还是有一些科学家对这些RNA病毒进行了大量的基础研究。然后，在2002年，成群的患者突然出现了。一种新型的严重急性呼吸综合征（SARS），与一种从动物传染给人类的新型冠状病毒联系起来。几千例病例和数百例死亡之后，公共卫生官员控制住了SARS的传播，但冠状病毒学领域却被彻底改变了。

   在SARS危机之后，野生动物调查和监测发现，自然界中有许多冠状病毒，理论上在适当的情况下，可能会传染给人类。到2019年，这些发现以及由人畜共患病冠状病毒感染引起的另一种严重呼吸道疾病——中东呼吸综合征（MERS）的出现清楚表明，冠状病毒对全球健康构成严重威胁。然后，2020年新冠病毒出现，全球新冠肺炎疫情大流行开始。随着这场危机的规模变得清晰，全球科学家和制药公司开始联合起来应对它，通常会重新利用为对抗其他疾病而开发的技术。2020年是每个人都成为冠状病毒学家的一年。

打通LAMP技术

   对于疫苗开发人员来说，前方的道路既明显又艰难。甚至在世界卫生组织宣布新冠肺炎疫情全球大流行之前，数百名学术和企业科学家就已经将现有的工具和技术用于开发新冠病毒疫苗。然而，随着这项努力的推进，公共卫生官员迫切需要可用的诊断测试方法。由于许多新冠病毒感染是无症状或轻型的，跟踪病毒的传播需要快速、可靠的检测，而现有的资源无法胜任这一任务。幸运的是，援军已经在路上。

   “在危机之前，我们从来没有研究过冠状病毒。”法国蒙彼利埃国家科学研究中心Sys2Diag项目主任Franck Molina坦言。然而，Molina的团队处于开发新一代新冠病毒测试方法的理想位置——实验室的学术—企业协作使团队具有多学科优势，包括从实验室研究人员到人工智能和生物信息学工程师的一切。Sys2Diag此前开发了用于定制癌症治疗的液体活检测试，现在转向测量病毒RNA，而非肿瘤生物标记物。

   当该团队的研究人员开始开发新的新冠病毒诊断系统时，有的医学实验室已经开始使用PCR检测。这种测试的主要缺点是需要复杂的实验室、训练有素的人员和昂贵的热循环器，而所有这些都供不应求。Molina和同事专注于利用环介导等温扩增技术（LAMP）创造一种更简单、更便宜的测试方法。“LAMP的机器只是一台加热器，而且我们知道这项技术的特性。”Molina说。

   除了使用更简单的设备进行DNA扩增外，研究人员还尽可能简化从样本收集到结果报告的所有工作。2020年6月，该系统的最后一次迭代在美国和欧盟获得了市场批准，患者向试管中吐唾液后40分钟就能产生可靠的结果。在这个过程的最后，智能手机应用程序将读取试剂盒结果。“然后，你马上就有了格式化的测试结果，阳性或阴性，信息会自动发送到数据库。”Molina表示。即使是受过最低程度训练的技术人员也几乎可以在任何地方开展测试。

   从Sys2Diag分离出来的SkillCell公司现在以EasyCOV的名称出售这种测试系统。Molina说，它可以在世界各地的机场、医院、诊所和各种需要对员工进行检测的行业中使用。它与其他快速检测病毒产品竞争，例如雅培的ID NOW COVID-19系统，该系统也使用等温扩增技术。

免疫计数

   虽然许多生物学家和立博体育公司改变了工作重点，以帮助对抗这种新病毒，但另一些人则只是在大流行病来临之际继续常规工作。世界上最大的实验室及诊断试剂和设备供应商之一珀金埃尔默（PerkinElmer）便是如此。“我们的目录上有几千种产品，当大流行病发生时，我们立即注意到了这一点。”珀金埃尔默子公司——欧蒙医学（EUROIMMUN US）科学事务经理Iswariya Venkataraman表示。

   2019年12月，当新冠病毒暴发的范围变得清晰时，欧蒙医学开始开发检测病毒的PCR测试，以及针对病毒抗体的酶联免疫吸附试验（ELISA）。Venkataraman指出：“我们的首要任务是能诊断感染，然后了解感染后的体液免疫反应。”尽管在疫情大流行早期，识别并隔离感染者的迫切需要占据了大部分注意力，但公共卫生官员很快意识到抗体筛查的重要性。

   2020年5月初，欧蒙医学获准进行快速定性检测，以检测针对新冠病毒刺突糖蛋白的抗体。该测试使用纯化的刺突S1结构域（通常被认为是病毒上最特异性的抗原靶点），将任何医学检测实验室都熟悉的标准ELISA程序与免疫球蛋白G（IgG）抗体结合。IgG在感染晚期出现，被认为是基于抗体的体液免疫的良好长期标记物。Venkataraman表示：“对于IgG抗体来说，中位发病时间大约是（感染后的）第14或15天。”

   随着疫情大流行的持续，定性检测显示，个人对病毒的免疫反应存在很大差异，一些人在感染数周内检测出抗体呈阴性，而另一些人感染数月后仍呈阳性。与此同时，疫苗开发人员正在加紧进行临床试验，他们不仅需要知道产品能否引发抗体反应，而且需要知道这些反应有多强烈。欧蒙医学通过校准他们建立的定性测试来满足这一需求。“这是完全相同的抗原靶点，只是增加了校准器来定量。”Venkataraman说。该公司于2020年12月发布了名为QuantiVac的新测试试剂盒。

   目前，QuantiVac在欧洲作为定量测试、在美国作为半定量测试试剂盒销售。区别是由于美国食品药品监督管理局（FDA）要求定量检测基于既定的国际参考标准，而目前尚不存在针对新冠病毒抗体的参考标准。“当有可用的国际标准时，我们将校准化验结果。”Venkataraman说。

   QuantiVac试剂盒包括一套6个参考样本，代表一系列抗体浓度。Venkataraman指出，“有了这些数据，你就可以绘制出一条标准曲线。一旦有了一条标准曲线，就可以确定样本中未知的浓度。”他补充道，疫苗开发人员和免疫学家应该会发现，定量数据对详细描述患者免疫反应很有用。

抗体可以看出差异

   其他专注于诊断测试的公司也走了类似的道路，有着类似的时间表。“2020年2月，我们讨论了抗体检测在疫情大流行管理中可能发挥的作用。”位于德国潘茨堡的罗氏诊断公司免疫检测开发和系统集成主管Beatus Ofenloch-Haehnle表示。2020年3月的第二周，他和同事正在改进现有的罗氏检测方法，以检测新冠病毒抗体，由此产生的病毒接触的定性分析6周后在欧洲和美国推出。

   与欧蒙医学的检测不同，罗氏定性检测识别的是针对新冠病毒核衣壳蛋白的抗体反应，而不是刺突糖蛋白。该测试使用的不是标准的ELISA，而是罗氏专利Elecsys电化学发光免疫分析法。在这种技术中，两种不同的抗原制剂分别与不同的偶联物结合，与样本中的抗体结合，并将其连接到磁珠和发光标记物上。然后，磁铁沉淀抗体结合珠，外加电压使沉淀的抗体三明治发光。

   整个测试在罗氏完善的cobas自动化平台上运行。“我们有20年的经验来开发各种免疫分析方法。”Ofenloch-Haehnle指出。由于Elecsys的硬件已经被用于世界各地超过4万个诊断和研究实验室的其他分析，新冠病毒暴露测试对用户来说很容易采用。

   高水平的自动化和数十年的用户界面改进，意味着cobas驱动的Elecsys检测方法对新手来说也很容易上手。Ofenloch-Haehnle表示，许多实验室第一次购买cobas系统只是为了运行新冠病毒测试。12微升的血液样本，整个过程持续18分钟。最大的cobas系统每小时可以完成300个测试，技术员只需要加载和卸载样本。

   因为能检测病毒核衣壳，因此罗氏定性检测对于识别感染病毒的个体很有用。然而，目前所有处于临床开发后期阶段的疫苗都只针对外部刺突糖蛋白激发免疫反应，而Elecsys的新冠病毒定性检测无法检测到这些抗体。“我们决定开发第二种检测，这次是定量检测，因为你需要评估抗体水平并提出重新接种疫苗或免疫的潜在阈值。”Ofenloch-Haehnle表示。

   2020年9月，罗氏的第二种检测在欧洲和美国发布，使用相同的Elecsys平台提供抗刺突保护性免疫球蛋白G的定量测量。这两种检测方法在某些情况下可以一起使用。“虽然核衣壳完全来自自然感染，但有了抗刺突试验，人们可以在接种疫苗的个体中看到是否发生了自然感染，也可以区分人体对疫苗和自然感染的反应。”Ofenloch-Haehnle解释道。

“T”时间

   尽管抗体检测对于监测疫情大流行的范围和跟踪疫苗反应至关重要，但它们只测量了对新冠病毒免疫反应的一个方面。除了通过抗体获得体液免疫外，感染病毒的人还会通过“杀手”T细胞介导产生细胞免疫。“T细胞与身体对新冠病毒的反应密切相关。”位于英国阿宾顿的牛津免疫技术公司首席执行官Peter Wrighton-Smith指出。

   然而，T细胞反应更难以测量，而且研究和临床实验室都难以确定细胞免疫在新冠病毒中到底有多重要。“我们在学术文献中遇到的一个问题是，研究结果都使用不同的方法。”Wrighton-Smith说。为了解决这个问题，他的公司开始为研究实验室生产标准化试剂盒，以测试人体面对新冠病毒时的T细胞反应。这些试剂盒于2020年5月发布，随后成为该公司与英国公共卫生部合作进行的一项研究的核心，研究分析医护人员和急救人员的T细胞反应。

   “我们一开始对人们进行了测试，然后在随后的几个月里跟踪他们，看看谁感染了新冠病毒。”Wrighton-Smith说。结果显示，T细胞介导的免疫是许多感染的共同特征。关键是，强大的T细胞反应与对抗再感染的免疫力密切相关；没有产生这种反应的人更有可能再次感染。“在决定谁具有免疫力方面，T细胞可能比抗体更重要。”Wrighton-Smith说。

   为了测量临床环境中的细胞免疫，牛津免疫技术公司求助于T-Spot，这是他们开发了18年的平台。通过这个系统，技术人员从血液样本中分离出T细胞，计数并将它们分布到多孔板中，然后进行测定，以测量对测试抗原产生反应的细胞数量。该公司的第一款产品T-SPOT.TB已经在世界范围内用于追踪细胞对结核病的反应。“通过识别你是否有这些细胞，能够确认你是否感染了或者最近是否接触过新冠病毒。通过计算反应的强烈程度，还可以告诉你免疫的程度。”Wrighton-Smith说。

   T-SPOT Discovery则既可以用作定性检测，也可以用作定量检测。“我们正在为实现这一目标而努力，（因为）我们有一种技术，我们认为它在疫情的下一阶段会非常重要。”Wrighton-Smith表示。他强调，和其他研究新冠病毒的相关技术的人一样，虽然有效疫苗的出现有望控制病毒，但对创新的需求——无论是针对这次疫情还是未来的大流行病，仍将持续存在。■

Alan Dove是马萨诸塞州的科学作者和编辑。

鸣谢：“原文由美国科学促进会（www.aaas.org）发布在2021年1月22日《科学》杂志”。官方英文版请见https://www.science.org/content/article/pandemic-pivot-how-scientists-answered-call-diagnostic-tests。