十年前，Willy Ssengooba 開始在烏干達各地奔走，培訓醫護人員如何使用一種新型機器檢測結核病。這種致命的肺部疾病每年感染東非國家約 9 萬人，但使用痰液培養等傳統方法有時需要數月才能確診。這些新機器使用快速分子檢測技術，可在數小時內得出結果，這意味著檢測呈陽性的患者可以立即轉診接受救命治療。Ssengooba 是坎帕拉馬凱雷雷大學健康科學學院分枝桿菌學研究部門的科學主任，他幫助在該國各地的診所安裝了 265 臺此類裝置。透過增加早期診斷的數量——尤其是在兒童和艾滋病毒感染者等弱勢群體中——與結核病相關的死亡人數也隨之下降。Ssengooba 認為這是一個巨大的成功，並希望部署更多的機器。但要讓政界人士意識到這項技術的威力卻很困難。
然後新冠疫情來了。在 2020 年 3 月 21 日烏干達報告首例病例後不久，Ssengooba 收到衛生部一位專員的訊息。很快就變得顯而易見，大多數新病例都來自邊境口岸，因此對那裡的人員進行篩查將是當務之急。Ssengooba 能否讓所有想進入烏干達的人都能接受檢測？他的整個國家都指望著他。
Ssengooba 和他的團隊開始協助從熱門入境點的卡車司機處採集鼻拭子，進口貨物透過這些入境點進入這個內陸國家。這些樣本——有時每天超過 1000 個——然後需要運送 150 英里到坎帕拉。首都坎帕拉是最近的、擁有實驗室技術可以進行一種稱為聚合酶鏈式反應（簡稱 PCR）的地方。這些大型機器使用熒光探針，可以附著在冠狀病毒基因序列的部分片段上，從而確定樣本中是否含有 SARS-CoV-2 的遺傳物質。
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Ssengooba 的團隊不得不自己運送樣本。大約 50 名工作人員乘坐皮卡收集樣本並運送到實驗室，然後掉頭返回取下一批樣本，在路上度過漫長而疲憊的夜晚。隨著疫情加劇，他們無法跟上進度。等待檢測結果的卡車司機被滯留在邊境數天，部分原因是坎帕拉的樣本分析有時需要長達 72 小時才能返回結果。卡車排起了長隊，綿延數公里，阻礙了從家用電器到建築材料再到汽車零部件等各種商品的進口。更糟糕的是，當局關閉了機場。
政府迫切希望緩解積壓。Ssengooba 想到了他多年來在烏干達各地安裝的 265 臺用於檢測結核病的機器。他意識到，透過使用不同的樣本處理盒，他可以將其中一些小型 PCR 機器重新用於檢測冠狀病毒。他將這些裝置重新安置到邊境口岸，並設計了一些基本的基礎設施（電力；臺式安全空間）來支援它們的使用。與坎帕拉的實驗室設定不同，坎帕拉的實驗室設定需要多臺機器分散在不同的房間，並且需要經驗豐富的技術人員來準備和處理樣本，而這些所謂的 GeneXpert 模組是自動化的，大小與印表機差不多。它們仍然使用 PCR 技術，但可以在大約半小時內當場返回結果。
到 5 月，第一批新冠病毒檢測系統開始在肯亞-烏干達邊境城鎮馬拉巴的過境點執行，將卡車司機的等待時間從幾天縮短到大約半小時。在一週內，裝置在另外兩個主要邊境口岸安裝完畢。許多國家，即使是富裕國家，在疫情初期也難以啟動新冠病毒篩查。但 Ssengooba 瞭解如何在公共衛生和經濟需求之間取得平衡。透過在最需要的地方拼湊檢測基礎設施，他在防止疾病傳播的同時，保持了關鍵物資流入該國。
蘇格蘭聖安德魯斯大學診斷測試開發專家 Wilber Sabiiti 認為，Ssengooba 對烏干達有限的檢測資源進行的創造性再利用“非常了不起”。在 Ssengooba 多年來不知疲倦地努力使 PCR 檢測技術更易於為結核病所用之後，他的努力似乎終於得到了驗證。他說，這次疫情明確了更廣泛地部署 PCR 技術來檢測各種傳染病的緊迫性，特別是對政界人士而言，他們現在正在為這項技術分配更多的資金。“SARS-CoV-2 的爆發就像分子檢測方法規模化推廣的意外福音，”他說。
Ssengooba 絕非孤軍奮戰。華盛頓大學醫學中心臨床病毒學實驗室助理主任 Alex Greninger 說，過去，他所在的機構通常每年進行 5 萬次 PCR 檢測，用於檢測流感和艾滋病毒等疾病。但在 2020 年初到 2021 年底期間，該機構已完成 400 萬次 PCR 檢測，主要用於新冠病毒檢測。然而，與過去不同的是，檢測結果對於告知即時行為至關重要：檢測呈陽性的人會自我隔離，或者被隔離在醫院的特殊病房中。這造成了對檢測的巨大新依賴，以指導此類決策。“在疫情最初的 22 個月裡，我們[完成的]分子檢測量相當於病毒學實驗室 81 年的工作量，”Greninger 說。他預計，即使在新冠疫情消退後，對 PCR 檢測的需求仍將持續存在。他說，普通民眾現在對病毒學的認識大大提高，而且隨著快速抗原檢測成為新冠疫情及其未來可能出現的激增期間日常生活的更常規組成部分，人們將尋求 PCR 檢測來確認陽性結果。
新冠疫情不僅增加了疾病檢測的規模，並創造了幾乎所有人的需求；它還促進了更先進版本的檢測技術的採用。醫院系統已開始購買足夠小型的 PCR 機器，以便安裝在醫生辦公室，這樣樣本就不必送到大型中央實驗室進行異地檢測。這意味著患者可以當場獲得診斷，並在需要時立即隔離——並服用最合適的抗病毒藥物或抗生素。全球各地從事 PCR 技術研究的公司和大學研究人員表示，人們對他們的創新成果越來越感興趣，例如手持式版本，這將使在任何地方（從超市停車場到偏遠鄉村）進行檢測變得更加可行。
所有這些可能不僅僅使個體患者受益。正如 2021 年底快速傳播的奧密克戎變異株的出現所表明的那樣，在人口層面加強檢測對於密切關注新冠病毒可能發生的變異以及將醫院系統（以及社會其他部門）推向崩潰邊緣至關重要。新冠病毒 PCR 的廣泛應用也可能為更強大的公共衛生監測系統鋪平道路，這些系統可以透過一次掃描數十種病原體來發現未來的疫情。耶魯大學公共衛生學院的生物統計學家 Jeffrey Townsend 認為，PCR 是一種用於疾病監測的強大工具，“很多人都說我們需要做得更多。”
一次奇特的旅程
1983 年，凱利·穆利斯和他的女友一起開車前往他在加利福尼亞州北部海岸的小屋，他的女友是他在一家生物技術公司受僱合成基因片段的化學家。穆利斯早年曾在加州大學伯克利分校完成博士學位，在那裡他會在服用 LSD 的同時製造新的化學物質。他的女友睡著了，當他開車時，他看到了分子在山路上跳舞的景象。就在那時，聚合酶鏈式反應的想法出現在他的腦海中。他把車停在路邊，潦草地寫下了他的想法。十年後，這為他贏得了諾貝爾獎。
PCR 的核心是一種複製基因序列的方法。現在有許多不同型別的 PCR，但穆利斯設計的最基本的形式是從一小段 DNA 開始，然後使用不同的加熱和冷卻迴圈來複制它。首先，該過程會將 DNA 加熱，將其雙螺旋結構分解成兩條鏈。接下來，它會迴圈到一個較低的溫度，這將使專門定製的引物與鏈中特定的目標序列結合。樣本會被再次加熱，酶會開始工作，以這些引物為基礎完成互補 DNA 序列的複製。然後迴圈會重複。最終，它會產生大量目標鏈的副本。後來，在過程中添加了特殊的熒游標記，以標記那些擴增的感興趣的短序列的存在。
這種方法可以用來檢測病原體的存在與否：例如，如果一個人的血液樣本中存在病毒，PCR 機器會複製大量病毒序列，熒游標記會發出明亮的光。如果沒有病毒，則只有黑暗。
外表樸實的機器：GeneXpert 模組使用 PCR 技術來檢測各種傳染病，包括新冠病毒。圖片來源：埃絲特·露絲·姆巴巴齊
熒游標記的加入意味著 PCR 機器還可以指示一個人體內病毒的含量。如果熒光在複製迴圈中發出更強、更早的光，則意味著病毒含量更高。PCR 不僅可以檢測 DNA，還可以檢測稱為 RNA 的遺傳物質。這開啟了一個全新的診斷世界，因為許多病毒，如艾滋病毒，都是 RNA 病毒。隨著艾滋病在全球肆虐，醫生們想知道他們的患者體內迴圈了多少艾滋病毒，以及他們開出的抗病毒藥物是否能有效降低病毒水平。PCR 最終可以為他們提供答案。
然而，進行分析的機器需要具有高度專業知識的實驗室技術人員來準備樣本，並且需要半天或更長時間才能返回結果。這種情況在美國郵政服務發起一項技術競賽，旨在快速篩查郵件中致命的炭疽孢子後發生了改變，一位生物恐怖分子在 9/11 事件後將炭疽孢子裝在信件中寄給美國參議員和記者辦公室。2002 年宣佈的獲勝者是塞菲德公司（Cepheid）的 GeneXpert 原型，塞菲德公司是一家成立於 20 世紀 90 年代末的矽谷診斷公司。該系統透過使用藥盒和閥門，將液體吸入微小的通道並混合在一起，從而自動化了先前許多費力的樣本製備步驟。它在幾分鐘內而不是幾小時內返回結果。在過去的幾十年裡，GeneXpert 平臺已獲得批准用於檢測諾如病毒、衣原體、結核病和 SARS-CoV-2 等病原體。
塞菲德公司表示，目前全球有超過 4 萬臺 GeneXpert 機器，高於 2020 年的 2.3 萬臺。（主要的生物醫學公司羅氏的診斷部門也有一種用於診所的 PCR 機器，大小與咖啡機差不多。）它們越來越多地出現在醫生辦公室和烏干達邊境口岸等場所，而不僅僅是在中央實驗室。2020 年 9 月，塞菲德公司獲得 FDA 授權，推出了一款 GeneXpert 檢測，可以同時檢測甲型和乙型流感、SARS-CoV-2 以及一種對幼兒特別危險的病原體，稱為呼吸道合胞病毒。檢測結果可以在大約半小時內返回，幫助臨床醫生了解如果患者生病，應該給予哪種特定的抗病毒藥物——例如，流感服用達菲，新冠病毒服用 Paxlovid。這在疫情期間尤為重要，因為您的感染情況決定了您的隔離行為。
即時預警系統
直到過去十年左右，科學家們才建立起全球監測系統，以快速追蹤病毒的爆發。病原體檢測工作落到了各個實驗室手中，而 PCR 等分子診斷方法既昂貴又難以獲得。此外，為了對感興趣的病毒進行 PCR 檢測，科學家們需要能夠識別病原體中基因序列的特定探針。但他們缺乏建立這些探針的簡便工具。進行 PCR 檢測的障礙以及上傳此類資料的資料庫的匱乏，使得追蹤病毒在人群中的興衰變得零星。
2012 年，加利福尼亞州公共衛生部收到多起兒童患上神秘的脊髓灰質炎樣疾病的報告。其表現為肢體突然出現肌肉無力，有時還會導致口齒不清和眼睛移動困難。患病兒童沒有脊髓灰質炎病毒，衛生部門排除了其他可能的罪魁禍首，包括西尼羅河病毒、中風和肉毒桿菌中毒。孩子們確實感染了一種名為腸道病毒 D68（簡稱 EV-D68）的罕見病毒，這種病毒早在幾十年前就被發現了。最近，它與急性弛緩性脊髓炎有關。雖然有些兒童可以從這種疾病中完全康復，但它可能會導致永久性癱瘓甚至死亡。
在急性弛緩性脊髓炎與 EV-D68 相關聯的大約同一時間，BioFire Diagnostics 公司（一家總部位於猶他州的分子生物學公司，現已成為全球診斷巨頭生物梅里埃的子公司）開始提供全面的基於 PCR 的呼吸道檢測。它可以在從患者身上採集的單個深鼻拭子中檢測 17 種病毒和 3 種細菌。
雖然呼吸道檢測板不專門檢測 EV-D68，但它可以檢測 EV-D68 所屬的病毒大家族的病毒存在。BioFire 希望找到一種方法來捕捉 EV-D68 的爆發，以便醫生和公共衛生官員可以知道如何防止患者感染他人。該公司與其學術合作伙伴一起，開發並測試了一種演算法，該演算法使用過去的資料進行訓練，以預測 EV-D68 的熱點地區。該方法的真正驗證是在 2018 年，當時該演算法提醒研究人員注意當年夏天 EV-D68 的出現。俄亥俄州哥倫布市的全國兒童醫院是最早被該演算法識別出可能出現病毒病例激增的地點之一；那裡的團隊證實該演算法是正確的。因此，該醫院實施了 EV-D68 檢測，以儘早發現病例並防止其傳播。
一個相關的監測平臺使用 BioFire 的 PCR 檢測，整理來自美國各地和其他國家的不同地點關於呼吸道病毒（如流感、鼻病毒，現在還有冠狀病毒）以及十幾種胃腸道病原體的資料。與過去繁瑣的資料收集協議不同，持續直接從連線的 PCR 機器收集資料的監測系統有可能用於檢測疫情爆發，包括食源性疾病的爆發。
在許多方面，這種方法——聯合 PCR 檢測，可以撒下更廣泛的網路，以在一個給定的樣本中尋找更多可能的病原體——預示著 PCR 的未來。“他們的儀器正在向總部‘打電話’，這真是太酷了，”Greninger 在談到 BioFire 疾病追蹤平臺時說，他解釋說，它撒下的廣泛網路可能有助於顯示意外爆發的發生地點。新冠疫情已經清楚地表明，即使對無症狀人群進行病毒檢測，也有助於識別那些原本不知道自己已被感染的人，從而促使他們在不知不覺中將病原體傳播給社群中的其他人之前進行隔離。
病毒進化有時會給 PCR 帶來挑戰。由於檢測中使用的引物和探針是專門為尋找病毒中特定的、有指示意義的序列而定製的，因此有時新的病毒變異株可能會逃避檢測，因為其序列已經進化到超出檢測的範圍。檢測開發人員必須不斷確保引物和探針是最新的。“如果您要擁有全球適用且準確的基於 PCR 的診斷檢測，您需要非常瞭解全球人群中新出現的基因組，”羅氏診斷解決方案公司臨床開發和醫學事務主管 Alexandra Valsamakis 解釋說。
然而，一旦科學家們識別出新的病毒變異株，他們就可以使用 PCR 檢測來追蹤這些變異株的傳播。這是基於抗原的檢測方法——尋找特定病原體特有的蛋白質——無法做到的。奧密克戎變異株的出現表明追蹤變異株至關重要。來自 PCR 檢測的大量資料表明，與之前的德爾塔變異株相比，奧密克戎變異株的傳播速度像野火一樣。因此，一些政府開始更新其指南，推動接種更多加強針，而有些人則將這些資料視為重新考慮其社互動動並升級口罩效力的訊號。
一些專家擔心，即使 PCR 檢測能力得到擴充套件，使得更多此類監測成為可能，但它仍將受到保險公司的阻礙，保險公司可能不願意為無症狀檢測付費，或者對尚未有藥物或治療方法的病原體檢測猶豫不決。在大多數情況下，保險公司“根據個人利益為疫苗和診斷付費，”比爾及梅琳達·蓋茨基金會創新技術解決方案團隊主任 Dan Wattendorf 說。“但我們實際上沒有支付計劃或報銷和保險來發現社群中的傳播情況。”PCR 檢測的保險問題在冠狀病毒疫情中已經成為一個癥結所在。美國政府制定了要求，要求醫療保險公司支付新冠病毒 PCR 檢測費用，但無論是否參保的消費者仍然收到了數千美元的意外賬單。雖然 PCR 技術本身無疑是強大的疾病監測工具，但由誰來承擔費用的問題仍然很大程度上懸而未決。
新冠疫情如何塑造診斷學的未來
隨著新冠疫情在各地創造了對更多 PCR 檢測的需求，它也暴露了大多數技術都依賴於昂貴的酶和一次性塑膠部件進行樣本處理。在 2020 年春季成功在烏干達邊境安裝了快速週轉的 GeneXpert 機器後，Ssengooba 很快就用完了機器所依賴的藥盒和試劑。在疫情初期，烏干達向塞菲德公司訂購了 50 萬個此類藥盒，但 Ssengooba 說該公司只發送了 3 萬個。他回憶說，這家檢測製造商表示，它被禁止從美國運出更多藥盒。“在 2020 年的剩餘時間裡，我們都無法獲得額外的藥盒，”Ssengooba 說。
現代 PCR 機器使用塑膠托盤，傳統上每個托盤都包含 96 或 384 個小孔來容納樣本。為了規避對昂貴的塑膠“耗材”（如試管和瓶蓋）的需求，總部位於英國的 LGC 公司用一條長而柔軟的聚合物膠帶取代了托盤。它只有 0.3 毫米厚，可以拉伸至 40 米，並有空間容納 106368 個反應孔。“這使您能夠每臺機器每天進行 10 萬到 15 萬次檢測，比世界上任何機器都多 10 倍，成本卻降低了 10 倍，”Wattendorf 說，他補充說，蓋茨基金會已與 LGC 和 Northwell Health（紐約州最大的醫療系統）合作，嘗試基於膠帶的方法進行新冠病毒檢測。
PCR 的另一個瓶頸是“您必須在執行檢測之前對樣本進行非常非常純化的處理，”生物醫學工程師 Nicholas Adams 說。PCR 機器經過校準，可在特定溫度下執行反應，而來自患者樣本的雜質（如鹽和蛋白質）以及新增的防腐劑會使溫度失控。去除雜質很困難。為了避免這一步驟，範德比爾特大學的 Adams 和 Frederick Haselton 想到了新增 DNA 的想法，這種 DNA 是 PCR 檢測試圖檢測的目標基因序列的映象版本。這些映象序列是“左手”的——這意味著它們以與天然 DNA 相反的方向扭曲，天然 DNA 是右手的——因此它們不會干擾檢測過程。透過新增特定數量的左手 DNA 並追蹤複製了多少，Adams 可以將其用作基準來校準和確認 PCR 機器的執行，而無需擔心太多雜質。Adams 說，透過使用左手 DNA 減少對純化的需求（每次檢測成本約為 11 美分），實驗室可以節省大量的人工和材料成本。
現在，新冠疫情已經表明檢測的可及性有多麼重要，人們對行動式 PCR 裝置的熱情也更高了。Avleo Technologies 公司設計了一款手持式分子檢測機器，可在 30 分鐘內給出結果。Visby Medical 公司的另一款裝置最初是為尋找性傳播感染（如衣原體和淋病）而開發的（並獲得了 FDA 對這些應用的批准），此後又增加了 SARS-CoV-2 的檢測。Anavasi Diagnostics 公司的 AscencioDx 平臺最初是為檢測 艾滋病毒和流感 而開發的，在疫情爆發前就已經問世，目前正在試驗中作為一種快速分子新冠病毒檢測方法使用。2021 年 11 月，美國國立衛生研究院向 Anavasi 授予了 1490 萬美元，以支援這項計劃。
診斷開發人員正在繼續改進 PCR 技術。德國工程公司 Solarkiosk Solutions 正在開發一種太陽能供電版本，該公司正在蘇門答臘島的一個偏遠地區進行試點，用於新冠病毒檢測，該地區許多居民缺乏電力和診斷服務。學術實驗室和初創公司（如舊金山的 Mammoth Biosciences 公司）正在將傳統 PCR 方法與 CRISPR 基因編輯技術相結合，以提高檢測特定病原體基因的效率。
在烏干達的邊境口岸，Ssengooba 說，目前，無論如何，檢測“非常順利”。但是，在 PCR 概念誕生近 40 年後，由於疫情的影響，這項技術正在迅速發展，Ssengooba 也在展望宏偉的藍圖。他渴望嘗試手持式疾病診斷裝置，因為傳統的 PCR——包括邊境的印表機大小的機器——仍然需要連線到電網和各種樣本處理室。印度 Molbio 公司 開發的行動式版本可以繞過其中一些要求，並首次為偏遠地區開放快速檢測通道。“這真是令人難以置信，”他說。
公共衛生一直受到從樣本採集到向患者交付結果之間的小時或天數的時間間隔的阻礙；在此期間，受感染者已離開診所，回到他們的日常生活，在不知不覺中將病毒暴露給他人，並延誤了通常在早期開始更有效的治療。新冠疫情，尤其是奧密克戎驚人的傳播性，已經暴露了這種時間間隔的後果——對個人健康、社群傳播、不堪重負的醫院、勞動力短缺以及更多方面的影響。Ssengooba 希望彌合這一時間間隔的緊迫效能夠持續下去。當想象一個行動式 PCR 檢測和現場結果將變得司空見慣的未來時，他說，“所有這些挑戰都將被拋在身後。”