The Innovation | 生物检测是传染病防控的第一道防线

导 读

传染病爆发常导致公共卫生突发事件，而生物检测是疾病防控的第一道防线。不同的生物检测手段可以应对传染病的不同阶段、标志物及应用场景。本文详细介绍了各种病毒性传染病生物检测手段的技术特点和适用范围，并对其发展前景进行了评述与展望。

图1 在传染病过程不同阶段的标志物及对应的生物检测技术

针对病原体的检测方法主要包括核酸检测和抗原检测。核酸相当于生物的遗传“指纹”，通过聚合酶链式反应（PCR）对核酸进行指数扩增，可高灵敏检测出病原体。因此，实时荧光定量PCR（qPCR）已成为包括新冠在内多种传染病临床检测的金标准。然而，qPCR依赖中心化的专业机构及昂贵的设备，检测耗时长，在传染病爆发时易造成检测能力超载与检测结果延误，因此在资源匮乏地区难以应对病原体的快速大规模传播。为此，研究人员发展了一系列不依赖昂贵设备的等温核酸检测方法。最近，一些先进的合成生物学体系，例如原本作为基因编辑技术的CRISPR体系，正被开发用于无需PCR的现场快速核酸检测。

抗原检测以病原体的蛋白为标志物，常用的检测方法包括侧流免疫层析法(LFIA)、酶联免疫吸附法(ELISA)、化学发光免疫分析法(CLIA)等依赖抗原-抗体识别的免疫检测方法。免疫层析试纸条在疫情期间广泛用于抗原自检，15分钟内即可检出。然而，针对抗原的免疫检测方法准确性不足，难以作为临床确诊依据。为提高准确性，研究人员尝试利用纳米技术对识别分子进行精确排布，更好地匹配病原体表面抗原位点空间排布，以期增强对抗原的识别能力。

上述检测手段只适用于已知的病原体，而近年来兴起的宏基因组测序技术可对复杂环境中的所有微生物进行基因组测序，直接确定新的病原体或变异株并获取其基因组信息。尤其是纳米孔测序技术，具有读取序列长、文库制备速度快、设备便携，可实时采集数据等优势，有望实现现场、即时的基因组分析。

除了来源于病原体的标志物，患者血清中的抗体与细胞因子也可以作为间接标志物。当首次感染时，宿主体内免疫球蛋白（抗体）IgM与IgG先后产生并存续不同时间，适用于对既往感染的调查。另外，宿主体内产生的细胞因子可作为评价和预测患者病情的重要指标。

生物传感器利用界面上的配体-受体相互作用（类似于鼻子的工作原理）识别疾病标志物，将其转化为光学/电学信号，有望将上述标志物检测的设备微型化，但其灵敏度受限于界面分子反应效率。近年来，研究人员致力于通过创新性的纳米结构精确调控改造界面特性，从而提高传感器的灵敏度。例如，基于DNA框架结构的电化学生物传感器可以在几分钟内完成无需PCR的新冠病毒核酸检测。此外，生物传感芯片可以看作是对多个生物传感器的集合，可以在小尺寸的设备上实现高通量的检测，适合用于病原体基因组测序和组学研究等。然而，样品体积和传感面积的减小同样带来灵敏度的降低，亟待纳米技术带来的创新。

总结与展望

现有的生物检测手段通常面临效率、准确性和成本之间的矛盾。依赖昂贵设备的方法准确性高，但部署有限、检测效率低；容易广泛部署、成本低廉的自检手段则缺乏足够的准确性。作者建议，融合合成生物学、纳米技术、微流控和人工智能的创新技术，开发一体化、小型化的生物检测系统，集成核酸、抗原、抗体等多种标志物的检测，自动完成样品制备—检测—数据分析的所有步骤，可望兼顾效率、准确性和成本，有效应对传染病的流行。

责任编辑

王长龙  北京工业大学

于润泽  北京高压科学研究中心

扫二维码｜查看原文

原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00127-8

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第六期以Editorial发表的“Bioassay development for public health emergency” (投稿: 2022-06-28；接收: 2022-09-16；在线刊出: 2022-09-27)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100331

引用格式：Jiao k., Liu G., Zuo x., et al. (2022). Bioassay development for public health emergency. The Innovation. 3(6),100331.

作者简介

樊春海，中国科学院院士，博导，上海交通大学王宽诚讲席教授。主要从事生物传感器、DNA纳米技术与DNA计算以及生物光子学的研究。在Nature等杂志发表论文600余篇，近七年连续入选“全球高被引科学家”。荣获2019年度何梁何利基金科学与技术创新奖、美国化学会“测量科学进展讲座奖”和第十二届“谈家桢生命科学创新奖”。入选美国科学促进会(AAAS)、国际电化学学会(ISE)、美国医学和生物工程院(AIMBE)和英国皇家化学会(RSC)会士。

李 江，博导，中国科学院上海高等研究院研究员。主要从事框架核酸的分子探针设计与应用研究。在Nature Chemistry, Nature Communications, Science Advances等杂志发表论文80余篇。曾获中国分析测试协会一等奖、上海市青年拔尖人才等。参与主持科技部重点研发计划、国家自然科学基金课题、上海市科委重大项目等。

往期推荐

期刊简介

扫二维码 ｜ 关注期刊官微

The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球49个国家；已被110个国家作者引用；每期1/4-1/3通讯作者来自海外。目前有195位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，33位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC等数据库收录。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

期刊官网1（Owner）：

www.the-innovation.org

期刊官网2（Publisher）：

www.cell.com/the-innovation/home

期刊投稿（Submission）：

www.editorialmanager.com/the-innovation

商务合作（Marketing）：

marketing@the-innovation.org

Logo｜期刊标识

See the unseen & change the unchanged

创新是一扇门，我们探索未知；  

创新是一道光，我们脑洞大开；  

创新是一本书，我们期待惊喜；  

创新是一个“1”，我们一路同行。