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让呼吸道疾病诊治不再“盲人摸象”

2018-11-07 10:07 来源:科技日报 本报记者 申 明

  当你因为感冒发烧咳嗽等症状去医院时,医生通常都会通过“问”或者辅助生化指标分析等进行血象检测,判断是病毒感染还是细菌感染,时间耗费长而且容易耽误病情。如今,一种新的技术手段通过一口痰液就能快速准确检测出病原体。

  前不久,内蒙古巴彦淖尔市临河区的一名2岁男童出现轻微咳嗽,久经治疗不见效。以肺炎收治入院后病情快速加重出现呼吸困难,并被下达了病危通知书,随后转入内蒙古医科大学附属医院的ICU病房。

  长期从事呼吸系统感染方面检测的北京大学环境科学与工程学院研究员、博士生导师要茂盛辗转得知此事后,经院方和家属同意,带着一台检测仪器和芯片前往内蒙古为患儿做检查,最终确定了患儿感染的病原体情况,医院得以对症治疗。

  据要茂盛介绍,帮助迅速锁定病原体的仪器和芯片是来自博奥生物集团联合清华大学、北京大学人民医院自主研发的呼吸道病原菌碟式芯片检测系统。

  作为国内首款微流控芯片病原核酸检测系统,该系统结合了微流控与核酸扩增技术,可一次性检测13种(其中8种已获准进入临床应用)与呼吸道感染相关的病原微生物,最关键的是它可以在拿到样本后2小时内给出检测报告,为患者赢得宝贵的救命时间。

  目前,该系统已在全国31个省区市的200多家医院投入使用,有些医院的月检测量已达600多份,成功挽救了不少重症患者的生命并在2017年获得北京市科学技术奖二等奖。

  传统细菌培养方法周期长

  或许你不知道,2017年世界卫生组织发布的统计数据显示,在世界十大死因中,下呼吸道感染竟然排在了第三位。肺炎更是导致5岁以下儿童死亡的第一大病因。

  “人类和细菌的斗争已经很多年,到现在还是无能为力,很多病原只能靠猜,是病毒感染还是细菌感染。”博奥生物集团有限公司高级副总裁、技术总监邢婉丽教授告诉记者。

  由于病原体感染的多种可能性,当患者呼吸系统感染后,医生需要知道患者感染了哪种病原体才能更好地针对性用药。在传统诊疗中,往往需要患者先抽血化验,医生通过常规检测手段等经验推断是病毒感染、细菌感染还是混合感染。

  目前,临床上鉴定病原菌的方法主要是细菌培养法,而某些细菌培养要花上一周左右的时间,个别细菌的培养甚至需要一个月以上,有些病原体甚至无法培养。

  邢婉丽指出,细菌培养不出、培养周期较长、病情诊断不明确是传统诊疗方法的症结所在。

  这种情况下,很多病患无法在早期准确判断出其所感染的病原体,导致临床医生被迫根据经验用药。

  博奥生物集团转化医学研究院副院长盖伟告诉记者:“怀疑细菌感染往往会使用抗生素,但因为不知道是哪种细菌感染,或者这种细菌可能对服用的抗生素不敏感,导致所用的抗生素无效。”

  对此,博奥生物集团和北大人民医院的专家们在2007年开始有了强烈的意愿,希望开发出能帮助医生快速准确找到病原体的检测方法。

  微流控芯片解决多病原体检测难题

  然而,要在几小时内从多达十到二十种可能的病菌中准确找出真正的致病元凶,这是一件难度极大的挑战,此前国内还没有人能做出来。

  “以核酸扩增检测为代表的分子诊断技术需时较短,但现有产品大多一次只能检测一两种病原,无法很好地满足临床需求。临床上亟须新的病原微生物检验技术及相关设备,一次检测即可对多种病原体及耐药性进行快速鉴定。”邢婉丽说。

  研究团队将目光放在了微流控芯片上。与我们熟知的芯片不同,微流控芯片其实是集成了液体流通管道的薄片,只是这些管道实在是太小,才被称作微流控。

  “微流控芯片同计算机的芯片一样,在微小的器件上进行高度的集成,所以可以在芯片上完成很复杂的工作。”盖伟说。

  那么这个小小的微流控芯片是如何做到快速检测的呢?当医生判断可能是下呼吸道感染时,痰液中就会含有导致感染的病原体。这时,恒温扩增微流控芯片就能发挥它的作用了,它不需要培养痰液细菌,只需将痰液简单处理得到其中的核酸,再将核酸导入芯片就能在核酸分析仪上检测,分析仪上的检测时间为50分钟,检测过程和最终结果在电脑软件中实时呈现。

  也就是说,仅仅需要2小时,就能知道一位病人感染了哪种病原体,这比细菌培养方法耗时短得多,甚至比病人在一家三甲医院挂号然后等待医生诊断的时间还要短。此外,它从很大程度上解决了目前临床下呼吸道感染病原体确诊率低和部分细菌培养难的问题。

  “传统的检测方法太费标本,有的样本是很珍贵的。现在一份标本就可以检测13种细菌或者19种呼吸道病毒。”盖伟告诉记者,与传统检测较为繁琐的流程相比,现在操作很简单,将注入核酸的微流控芯片放入机器里就好了,“就像冲方便面”。

  五秒就制造出一张碟式芯片

  对于商业公司而言,实验室里的研究必须要转化成产品才有意义。

  “我们要把想法变成产品,尤其是工业级的产品,并且达到很高的准确性,帮助解决临床问题。”盖伟坦言,难度很大。

  对研发团队而言,这是一个完全创新性的工程,没有任何经验可以借鉴。

  据了解,微流控芯片上集成有很多粗细只有大约一根头发丝的微流体管道,需要采用具有微米或纳米级精度的高端制造技术,但又要有极低的制造成本和较高的产能,才能满足一次性使用的需求。

  研发团队提出了一条新的微流控芯片制造技术路线,“首先,生物医学团队确定了最终合适的分子诊断检测技术方法;然后,联合工程团队确定微流控芯片的设计和制造工艺,即用微加工技术先做出精密的模具,再采用特种精密注塑技术进行大批量芯片生产;当然,还离不开科学仪器团队打造出高性能的配套仪器设备。”盖伟表示。

  2013年,研发团队经过反复试验摸索,终于研发出了高灵敏度、多指标的呼吸道病原菌碟式芯片及配套仪器系统,并将检测结果报告时间缩短到2小时以内。

  如今的博奥生物凭借独特的制造工艺,最快每五秒就可以制造出一张碟式芯片,目前已量产了几十万片芯片陆续投放市场。

  “这是生物医学和工程制造的配合,最终形成了一个综合的高效检测系统。”邢婉丽说。

  据了解,由于该产品采用恒温扩增技术,利用具有链置换功能的聚合酶在恒温(65℃)条件下进行反应,无需高温变性和低温退火过程,因此不存在时间的耗损,样本DNA(靶核酸)的扩增可以在很短时间内完成,然后利用荧光染料掺入法进行实时荧光检测,扩增阳性的样品会产生“S”形扩增曲线,一步完成对靶基因的扩增和检测,而且整个过程仅需两个小时,比传统培养法快了6—200倍。

  引领临床病原菌检测进入“精准时代”

  由于这种方法具有检测快速、准确性高、灵敏度高等特点,因此成为了感染性疾病快速诊断、精准治疗及应对重大突发公共卫生事件的一种有效的工具。

  盖伟告诉记者,曾有一位59岁的患者,因发热、咳嗽出现呼吸困难的症状,被诊断为重症肺炎,治疗5天后,病情加重。后来从北京昌平转到北大人民医院,采用呼吸道病原菌检测芯片测试得知感染的是嗜肺军团菌后,更换为红霉素治疗,每天花费不到10元,两周后就痊愈出院了。

  微流控芯片核酸分析仪和呼吸道病原菌核酸检测试剂盒已分别于2015年和2016年通过了国家食品药品监督管理总局(CFDA)创新医疗器械特别审批,获三类医疗器械注册证书。CFDA对该产品给予了“国内首创,具有显著的临床应用价值”的评价。

  “这个产品的增长率是公司最快的,今年1—4月的销量就已超过去年全年,而且供不应求,200多家三甲医院都有应用,检测患者已达十几万人次。”邢婉丽说。

  业界评价该系统的推出有望彻底改变临床呼吸道感染诊治领域长期存在的“盲人摸象”和“经验用药”局面,引领临床病原菌检测进入“精准时代”。

  据了解,微流控芯片技术平台还可应用于消化道病原菌检测、伤口感染病原菌检测、呼吸道病毒检测等多个临床检验方向。该平台也可应用于动物疫病相关病原检测、水产品相关病原检测、食品中致病微生物检测、农产品转基因检测等多个领域,具有广阔的应用前景。

(责任编辑:王蔚)

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