十年前，Willy Ssengooba 开始在乌干达各地奔走，培训医护人员如何使用一种新型机器检测结核病。这种致命的肺部疾病每年感染东非国家约 9 万人，但使用痰液培养等传统方法有时需要数月才能确诊。这些新机器使用快速分子检测技术，可在数小时内得出结果，这意味着检测呈阳性的患者可以立即转诊接受救命治疗。Ssengooba 是坎帕拉马凯雷雷大学健康科学学院分枝杆菌学研究部门的科学主任，他帮助在该国各地的诊所安装了 265 台此类设备。通过增加早期诊断的数量——尤其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人数也随之下降。Ssengooba 认为这是一个巨大的成功，并希望部署更多的机器。但要让政界人士意识到这项技术的威力却很困难。
然后新冠疫情来了。在 2020 年 3 月 21 日乌干达报告首例病例后不久，Ssengooba 收到卫生部一位专员的消息。很快就变得显而易见，大多数新病例都来自边境口岸，因此对那里的人员进行筛查将是当务之急。Ssengooba 能否让所有想进入乌干达的人都能接受检测？他的整个国家都指望着他。
Ssengooba 和他的团队开始协助从热门入境点的卡车司机处采集鼻拭子，进口货物通过这些入境点进入这个内陆国家。这些样本——有时每天超过 1000 个——然后需要运送 150 英里到坎帕拉。首都坎帕拉是最近的、拥有实验室技术可以进行一种称为聚合酶链式反应（简称 PCR）的地方。这些大型机器使用荧光探针，可以附着在冠状病毒基因序列的部分片段上，从而确定样本中是否含有 SARS-CoV-2 的遗传物质。
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Ssengooba 的团队不得不自己运送样本。大约 50 名工作人员乘坐皮卡收集样本并运送到实验室，然后掉头返回取下一批样本，在路上度过漫长而疲惫的夜晚。随着疫情加剧，他们无法跟上进度。等待检测结果的卡车司机被滞留在边境数天，部分原因是坎帕拉的样本分析有时需要长达 72 小时才能返回结果。卡车排起了长队，绵延数公里，阻碍了从家用电器到建筑材料再到汽车零部件等各种商品的进口。更糟糕的是，当局关闭了机场。
政府迫切希望缓解积压。Ssengooba 想到了他多年来在乌干达各地安装的 265 台用于检测结核病的机器。他意识到，通过使用不同的样本处理盒，他可以将其中一些小型 PCR 机器重新用于检测冠状病毒。他将这些设备重新安置到边境口岸，并设计了一些基本的基础设施（电力；台式安全空间）来支持它们的使用。与坎帕拉的实验室设置不同，坎帕拉的实验室设置需要多台机器分散在不同的房间，并且需要经验丰富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，大小与打印机差不多。它们仍然使用 PCR 技术，但可以在大约半小时内当场返回结果。
到 5 月，第一批新冠病毒检测系统开始在肯尼亚-乌干达边境城镇马拉巴的过境点运行，将卡车司机的等待时间从几天缩短到大约半小时。在一周内，设备在另外两个主要边境口岸安装完毕。许多国家，即使是富裕国家，在疫情初期也难以启动新冠病毒筛查。但 Ssengooba 了解如何在公共卫生和经济需求之间取得平衡。通过在最需要的地方拼凑检测基础设施，他在防止疾病传播的同时，保持了关键物资流入该国。
苏格兰圣安德鲁斯大学诊断测试开发专家 Wilber Sabiiti 认为，Ssengooba 对乌干达有限的检测资源进行的创造性再利用“非常了不起”。在 Ssengooba 多年来不知疲倦地努力使 PCR 检测技术更易于为结核病所用之后，他的努力似乎终于得到了验证。他说，这次疫情明确了更广泛地部署 PCR 技术来检测各种传染病的紧迫性，特别是对政界人士而言，他们现在正在为这项技术分配更多的资金。“SARS-CoV-2 的爆发就像分子检测方法规模化推广的意外福音，”他说。
Ssengooba 绝非孤军奋战。华盛顿大学医学中心临床病毒学实验室助理主任 Alex Greninger 说，过去，他所在的机构通常每年进行 5 万次 PCR 检测，用于检测流感和艾滋病毒等疾病。但在 2020 年初到 2021 年底期间，该机构已完成 400 万次 PCR 检测，主要用于新冠病毒检测。然而，与过去不同的是，检测结果对于告知即时行为至关重要：检测呈阳性的人会自我隔离，或者被隔离在医院的特殊病房中。这造成了对检测的巨大新依赖，以指导此类决策。“在疫情最初的 22 个月里，我们[完成的]分子检测量相当于病毒学实验室 81 年的工作量，”Greninger 说。他预计，即使在新冠疫情消退后，对 PCR 检测的需求仍将持续存在。他说，普通民众现在对病毒学的认识大大提高，而且随着快速抗原检测成为新冠疫情及其未来可能出现的激增期间日常生活的更常规组成部分，人们将寻求 PCR 检测来确认阳性结果。
新冠疫情不仅增加了疾病检测的规模，并创造了几乎所有人的需求；它还促进了更先进版本的检测技术的采用。医院系统已开始购买足够小型的 PCR 机器，以便安装在医生办公室，这样样本就不必送到大型中央实验室进行异地检测。这意味着患者可以当场获得诊断，并在需要时立即隔离——并服用最合适的抗病毒药物或抗生素。全球各地从事 PCR 技术研究的公司和大学研究人员表示，人们对他们的创新成果越来越感兴趣，例如手持式版本，这将使在任何地方（从超市停车场到偏远乡村）进行检测变得更加可行。
所有这些可能不仅仅使个体患者受益。正如 2021 年底快速传播的奥密克戎变异株的出现所表明的那样，在人口层面加强检测对于密切关注新冠病毒可能发生的变异以及将医院系统（以及社会其他部门）推向崩溃边缘至关重要。新冠病毒 PCR 的广泛应用也可能为更强大的公共卫生监测系统铺平道路，这些系统可以通过一次扫描数十种病原体来发现未来的疫情。耶鲁大学公共卫生学院的生物统计学家 Jeffrey Townsend 认为，PCR 是一种用于疾病监测的强大工具，“很多人都说我们需要做得更多。”
一次奇特的旅程
1983 年，凯利·穆利斯和他的女友一起开车前往他在加利福尼亚州北部海岸的小屋，他的女友是他在一家生物技术公司受雇合成基因片段的化学家。穆利斯早年曾在加州大学伯克利分校完成博士学位，在那里他会在服用 LSD 的同时制造新的化学物质。他的女友睡着了，当他开车时，他看到了分子在山路上跳舞的景象。就在那时，聚合酶链式反应的想法出现在他的脑海中。他把车停在路边，潦草地写下了他的想法。十年后，这为他赢得了诺贝尔奖。
PCR 的核心是一种复制基因序列的方法。现在有许多不同类型的 PCR，但穆利斯设计的最基本的形式是从一小段 DNA 开始，然后使用不同的加热和冷却循环来复制它。首先，该过程会将 DNA 加热，将其双螺旋结构分解成两条链。接下来，它会循环到一个较低的温度，这将使专门定制的引物与链中特定的目标序列结合。样本会被再次加热，酶会开始工作，以这些引物为基础完成互补 DNA 序列的复制。然后循环会重复。最终，它会产生大量目标链的副本。后来，在过程中添加了特殊的荧光标记，以标记那些扩增的感兴趣的短序列的存在。
这种方法可以用来检测病原体的存在与否：例如，如果一个人的血液样本中存在病毒，PCR 机器会复制大量病毒序列，荧光标记会发出明亮的光。如果没有病毒，则只有黑暗。
外表朴实的机器：GeneXpert 模块使用 PCR 技术来检测各种传染病，包括新冠病毒。图片来源：埃丝特·露丝·姆巴巴齐
荧光标记的加入意味着 PCR 机器还可以指示一个人体内病毒的含量。如果荧光在复制循环中发出更强、更早的光，则意味着病毒含量更高。PCR 不仅可以检测 DNA，还可以检测称为 RNA 的遗传物质。这开启了一个全新的诊断世界，因为许多病毒，如艾滋病毒，都是 RNA 病毒。随着艾滋病在全球肆虐，医生们想知道他们的患者体内循环了多少艾滋病毒，以及他们开出的抗病毒药物是否能有效降低病毒水平。PCR 最终可以为他们提供答案。
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，并且需要半天或更长时间才能返回结果。这种情况在美国邮政服务发起一项技术竞赛，旨在快速筛查邮件中致命的炭疽孢子后发生了改变，一位生物恐怖分子在 9/11 事件后将炭疽孢子装在信件中寄给美国参议员和记者办公室。2002 年宣布的获胜者是塞菲德公司（Cepheid）的 GeneXpert 原型，塞菲德公司是一家成立于 20 世纪 90 年代末的硅谷诊断公司。该系统通过使用药盒和阀门，将液体吸入微小的通道并混合在一起，从而自动化了先前许多费力的样本制备步骤。它在几分钟内而不是几小时内返回结果。在过去的几十年里，GeneXpert 平台已获得批准用于检测诺如病毒、衣原体、结核病和 SARS-CoV-2 等病原体。
塞菲德公司表示，目前全球有超过 4 万台 GeneXpert 机器，高于 2020 年的 2.3 万台。（主要的生物医学公司罗氏的诊断部门也有一种用于诊所的 PCR 机器，大小与咖啡机差不多。）它们越来越多地出现在医生办公室和乌干达边境口岸等场所，而不仅仅是在中央实验室。2020 年 9 月，塞菲德公司获得 FDA 授权，推出了一款 GeneXpert 检测，可以同时检测甲型和乙型流感、SARS-CoV-2 以及一种对幼儿特别危险的病原体，称为呼吸道合胞病毒。检测结果可以在大约半小时内返回，帮助临床医生了解如果患者生病，应该给予哪种特定的抗病毒药物——例如，流感服用达菲，新冠病毒服用 Paxlovid。这在疫情期间尤为重要，因为您的感染情况决定了您的隔离行为。
实时预警系统
直到过去十年左右，科学家们才建立起全球监测系统，以快速追踪病毒的爆发。病原体检测工作落到了各个实验室手中，而 PCR 等分子诊断方法既昂贵又难以获得。此外，为了对感兴趣的病毒进行 PCR 检测，科学家们需要能够识别病原体中基因序列的特定探针。但他们缺乏创建这些探针的简便工具。进行 PCR 检测的障碍以及上传此类数据的数据库的匮乏，使得追踪病毒在人群中的兴衰变得零星。
2012 年，加利福尼亚州公共卫生部收到多起儿童患上神秘的脊髓灰质炎样疾病的报告。其表现为肢体突然出现肌肉无力，有时还会导致口齿不清和眼睛移动困难。患病儿童没有脊髓灰质炎病毒，卫生部门排除了其他可能的罪魁祸首，包括西尼罗河病毒、中风和肉毒杆菌中毒。孩子们确实感染了一种名为肠道病毒 D68（简称 EV-D68）的罕见病毒，这种病毒早在几十年前就被发现了。最近，它与急性弛缓性脊髓炎有关。虽然有些儿童可以从这种疾病中完全康复，但它可能会导致永久性瘫痪甚至死亡。
在急性弛缓性脊髓炎与 EV-D68 相关联的大约同一时间，BioFire Diagnostics 公司（一家总部位于犹他州的分子生物学公司，现已成为全球诊断巨头生物梅里埃的子公司）开始提供全面的基于 PCR 的呼吸道检测。它可以在从患者身上采集的单个深鼻拭子中检测 17 种病毒和 3 种细菌。
虽然呼吸道检测板不专门检测 EV-D68，但它可以检测 EV-D68 所属的病毒大家族的病毒存在。BioFire 希望找到一种方法来捕捉 EV-D68 的爆发，以便医生和公共卫生官员可以知道如何防止患者感染他人。该公司与其学术合作伙伴一起，开发并测试了一种算法，该算法使用过去的数据进行训练，以预测 EV-D68 的热点地区。该方法的真正验证是在 2018 年，当时该算法提醒研究人员注意当年夏天 EV-D68 的出现。俄亥俄州哥伦布市的全国儿童医院是最早被该算法识别出可能出现病毒病例激增的地点之一；那里的团队证实该算法是正确的。因此，该医院实施了 EV-D68 检测，以尽早发现病例并防止其传播。
一个相关的监测平台使用 BioFire 的 PCR 检测，整理来自美国各地和其他国家的不同地点关于呼吸道病毒（如流感、鼻病毒，现在还有冠状病毒）以及十几种胃肠道病原体的数据。与过去繁琐的数据收集协议不同，持续直接从连接的 PCR 机器收集数据的监测系统有可能用于检测疫情爆发，包括食源性疾病的爆发。
在许多方面，这种方法——联合 PCR 检测，可以撒下更广泛的网络，以在一个给定的样本中寻找更多可能的病原体——预示着 PCR 的未来。“他们的仪器正在向总部‘打电话’，这真是太酷了，”Greninger 在谈到 BioFire 疾病追踪平台时说，他解释说，它撒下的广泛网络可能有助于显示意外爆发的发生地点。新冠疫情已经清楚地表明，即使对无症状人群进行病毒检测，也有助于识别那些原本不知道自己已被感染的人，从而促使他们在不知不觉中将病原体传播给社区中的其他人之前进行隔离。
病毒进化有时会给 PCR 带来挑战。由于检测中使用的引物和探针是专门为寻找病毒中特定的、有指示意义的序列而定制的，因此有时新的病毒变异株可能会逃避检测，因为其序列已经进化到超出检测的范围。检测开发人员必须不断确保引物和探针是最新的。“如果您要拥有全球适用且准确的基于 PCR 的诊断检测，您需要非常了解全球人群中新出现的基因组，”罗氏诊断解决方案公司临床开发和医学事务主管 Alexandra Valsamakis 解释说。
然而，一旦科学家们识别出新的病毒变异株，他们就可以使用 PCR 检测来追踪这些变异株的传播。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。奥密克戎变异株的出现表明追踪变异株至关重要。来自 PCR 检测的大量数据表明，与之前的德尔塔变异株相比，奥密克戎变异株的传播速度像野火一样。因此，一些政府开始更新其指南，推动接种更多加强针，而有些人则将这些数据视为重新考虑其社交互动并升级口罩效力的信号。
一些专家担心，即使 PCR 检测能力得到扩展，使得更多此类监测成为可能，但它仍将受到保险公司的阻碍，保险公司可能不愿意为无症状检测付费，或者对尚未有药物或治疗方法的病原体检测犹豫不决。在大多数情况下，保险公司“根据个人利益为疫苗和诊断付费，”比尔及梅琳达·盖茨基金会创新技术解决方案团队主任 Dan Wattendorf 说。“但我们实际上没有支付计划或报销和保险来发现社区中的传播情况。”PCR 检测的保险问题在冠状病毒疫情中已经成为一个症结所在。美国政府制定了要求，要求医疗保险公司支付新冠病毒 PCR 检测费用，但无论是否参保的消费者仍然收到了数千美元的意外账单。虽然 PCR 技术本身无疑是强大的疾病监测工具，但由谁来承担费用的问题仍然很大程度上悬而未决。
新冠疫情如何塑造诊断学的未来
随着新冠疫情在各地创造了对更多 PCR 检测的需求，它也暴露了大多数技术都依赖于昂贵的酶和一次性塑料部件进行样本处理。在 2020 年春季成功在乌干达边境安装了快速周转的 GeneXpert 机器后，Ssengooba 很快就用完了机器所依赖的药盒和试剂。在疫情初期，乌干达向塞菲德公司订购了 50 万个此类药盒，但 Ssengooba 说该公司只发送了 3 万个。他回忆说，这家检测制造商表示，它被禁止从美国运出更多药盒。“在 2020 年的剩余时间里，我们都无法获得额外的药盒，”Ssengooba 说。
现代 PCR 机器使用塑料托盘，传统上每个托盘都包含 96 或 384 个小孔来容纳样本。为了规避对昂贵的塑料“耗材”（如试管和瓶盖）的需求，总部位于英国的 LGC 公司用一条长而柔软的聚合物胶带取代了托盘。它只有 0.3 毫米厚，可以拉伸至 40 米，并有空间容纳 106368 个反应孔。“这使您能够每台机器每天进行 10 万到 15 万次检测，比世界上任何机器都多 10 倍，成本却降低了 10 倍，”Wattendorf 说，他补充说，盖茨基金会已与 LGC 和 Northwell Health（纽约州最大的医疗系统）合作，尝试基于胶带的方法进行新冠病毒检测。
PCR 的另一个瓶颈是“您必须在运行检测之前对样本进行非常非常纯化的处理，”生物医学工程师 Nicholas Adams 说。PCR 机器经过校准，可在特定温度下运行反应，而来自患者样本的杂质（如盐和蛋白质）以及添加的防腐剂会使温度失控。去除杂质很困难。为了避免这一步骤，范德比尔特大学的 Adams 和 Frederick Haselton 想到了添加 DNA 的想法，这种 DNA 是 PCR 检测试图检测的目标基因序列的镜像版本。这些镜像序列是“左手”的——这意味着它们以与天然 DNA 相反的方向扭曲，天然 DNA 是右手的——因此它们不会干扰检测过程。通过添加特定数量的左手 DNA 并追踪复制了多少，Adams 可以将其用作基准来校准和确认 PCR 机器的运行，而无需担心太多杂质。Adams 说，通过使用左手 DNA 减少对纯化的需求（每次检测成本约为 11 美分），实验室可以节省大量的人工和材料成本。
现在，新冠疫情已经表明检测的可及性有多么重要，人们对便携式 PCR 设备的热情也更高了。Avleo Technologies 公司设计了一款手持式分子检测机器，可在 30 分钟内给出结果。Visby Medical 公司的另一款设备最初是为寻找性传播感染（如衣原体和淋病）而开发的（并获得了 FDA 对这些应用的批准），此后又增加了 SARS-CoV-2 的检测。Anavasi Diagnostics 公司的 AscencioDx 平台最初是为检测 艾滋病毒和流感 而开发的，在疫情爆发前就已经问世，目前正在试验中作为一种快速分子新冠病毒检测方法使用。2021 年 11 月，美国国立卫生研究院向 Anavasi 授予了 1490 万美元，以支持这项计划。
诊断开发人员正在继续改进 PCR 技术。德国工程公司 Solarkiosk Solutions 正在开发一种太阳能供电版本，该公司正在苏门答腊岛的一个偏远地区进行试点，用于新冠病毒检测，该地区许多居民缺乏电力和诊断服务。学术实验室和初创公司（如旧金山的 Mammoth Biosciences 公司）正在将传统 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，Ssengooba 说，目前，无论如何，检测“非常顺利”。但是，在 PCR 概念诞生近 40 年后，由于疫情的影响，这项技术正在迅速发展，Ssengooba 也在展望宏伟的蓝图。他渴望尝试手持式疾病诊断设备，因为传统的 PCR——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本处理室。印度 Molbio 公司 开发的便携式版本可以绕过其中一些要求，并首次为偏远地区开放快速检测通道。“这真是令人难以置信，”他说。
公共卫生一直受到从样本采集到向患者交付结果之间的小时或天数的时间间隔的阻碍；在此期间，受感染者已离开诊所，回到他们的日常生活，在不知不觉中将病毒暴露给他人，并延误了通常在早期开始更有效的治疗。新冠疫情，尤其是奥密克戎惊人的传播性，已经暴露了这种时间间隔的后果——对个人健康、社区传播、不堪重负的医院、劳动力短缺以及更多方面的影响。Ssengooba 希望弥合这一时间间隔的紧迫性能够持续下去。当想象一个便携式 PCR 检测和现场结果将变得司空见惯的未来时，他说，“所有这些挑战都将被抛在身后。”