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把疾病检测实验室,装进小盒子

当你生病了就近去到诊所,被医生怀疑是某种传染病,但限于医疗条件做不了检测。只能辗转来到大医院,却发现仍然要等1~2天才能出结果。等真拿到结果,至少三五天过去了。不仅延误了病情,如果得了严重的传染病,还可能造成更大范围的传播。

这不是编造的故事,而是许多医疗资源匮乏地区的现实。

 

疾病检测难?因为中心化

哪怕生活在大城市,陈翀也经历过类似场景。“有时候小孩子半夜发烧,我们带去急诊,医院开完检测,但结果要一两天才出来。如果白天去医院,家长还得请假,如果无法当场得到确诊,还要等第二轮。”

之所以这么慢,主要是因为疾病检测的“中心化”。

比如结核病诊断,世界卫生组织(WHO)推荐使用快速分子检测技术作为初始诊断方法。但传统的核酸检测仪器比较昂贵、复杂,一台要几十万甚至上百万,而且对使用场地、人员的专业程度都要求很高。因此,往往只有大型医院才具备能做检测的中心试验室,没有条件的医院就得把样本送去外检,一来一回出结果自然更慢。

即使在有中心实验室的大医院,检测也并不快。因为传统核酸检测仪不仅复杂,体积也大,这意味着对实验室来说,并不是一个样本来了就开始检测,而是要等凑足了样本,再一起检测,也得花上一两天时间。

检测“中心化”的结果就是,哪怕生活在大城市,也无法快速得到诊断,更遑论医疗资源匮乏的地区了,不仅难以负担昂贵的设备,更不具备能进行复杂操作的专业人员。

不难看出,“中心化”的关键症结在于核酸检测仪器,它昂贵又复杂。

如果核酸检测仪可以做得更便宜、操作更简单呢?是否就不需要中心实验室了?

 

修炼“内功”,从酶开始

这就是陈翀和团队的设想——做一个成本低廉、方便使用的核酸检测仪。

想法虽好,但实现起来非常难,尤其是在准确性不变的大前提下,还得兼顾便宜和简单。

陈翀用了一个武侠小说来比喻:“这就像两个人比武,传统的核酸检测仪,就像人拿着倚天剑、屠龙刀,装备精良,我们想设计的新仪器就像一根树枝,怎么能打赢呢?就得靠修炼内功。”

对核酸检测来说,“内功”的修炼主要指核酸扩增技术。

当病人罹患传染病时,其痰液、唾液或鼻腔里很可能含有病毒或者细菌的基因,也就是核酸。但是,在传染病发生初期,由于病原含量较低,采样后的鼻拭子或者痰液样品中核酸含量其实很少,仪器难以直接检测到,核酸扩增技术是将这些核酸进行体外扩增,放大到仪器可以检测的水平。

在核酸扩增过程中,“酶”起到了关键性的作用,它就像检测反应里面的“总指挥”。传统的大仪器检测时,需要先对采集的样本进行纯化,把其中的杂质都去掉,剩下足够纯净的东西,这样“酶”这个“总指挥”才能识别并结合核酸,再进行后续的复制、扩增的步骤。

为了简化这个流程,陈翀和团队决定对“酶”进行优化。

他们利用人工设计和AI设计两种方法,改造、筛选了大约上百种酶,最终选出来了两三种酶。这些经过改造的“酶”,变得更加强壮,工作的速度更快,而且不受杂质的干扰,所以它可以在采到样本之后跳过纯化的步骤,直接进行检测。

这样一来,检测的设备和流程,都可以变得更简单、更快,也就节约了成本。

 

给恒温扩增,加一个信号放大器

修炼“内功”的第二步,是对核酸扩增技术方法学的优化。

传统的核酸扩增技术在扩增时,需要变性、退火、延伸,即需要反复进行高温-低温-中温的热循环,才能完成核酸的扩增。而如果采取恒温扩增技术,仪器就可以设计得比较简单,降低成本。

当时,常见的恒温扩增技术有十多种,陈翀和团队把每一种都试了一遍,并在摸清楚了核心的酶和反应体系的基础上进行了调整和优化。

2020年前后,他们挑出了最有希望的版本,设计成了一个核酸检测仪,在实验室中,它表现得还不错。但拿去测试真实的临床样本,却发现效果还是不尽如人意。“跟传统的核酸检测仪相比,准确度可能还差个10倍。”

大量的时间和成本投入了,新的仪器也小巧、方便,但性能不够好。

现有的路,似乎已经走到了头。陈翀和团队做了一个决定——推翻过去的尝试,自主研发一条新路线。

这是一个困难的决定,意味着更多的投入、更漫长的摸索。“但我们还是想做一个有意义的东西,能真正改变什么的东西,而不是马马虎虎60分的,这个时候就不能考虑太多,万一做不成怎么办?这些杂念想多了没有帮助。”

他们总结原因:之前的恒温扩增方法,之所以效果不佳,其实是因为灵敏度不够高,有些低浓度的核酸,可能会被仪器漏检掉。

想要解决这个问题,就得想办法让低浓度的核酸,也能被检测到。

于是,团队创新性地引入了一种“荧光探针”,它就像一个信号放大器。探针对特定序列进行识别并特异性结合后,被酶切发出信号,仪器检测特异性探针信号并自动分析,报告阴阳性结果。

这样就既降低了成本,又保障了检测的灵敏度。

 

可乐罐大小的核酸检测仪

有了更“强壮的酶”和更“灵敏的核酸扩增方法”,陈翀和团队所设想的核酸检测仪,也就有了强大的内核。

但研发并不是就此结束了,要在真实世界中应用,需要考虑的纬度还有很多。

“它好不好用?耐不耐用?生产的时候容易吗?成本低不低?”此外,还要根据使用者的不同区域,做出不同的设计:“比如,在高温、高湿度的地区应用,那仪器就得能在四五十度工作,再考虑到有些偏远的地方电力不稳定,仪器就需要电池驱动。”

把使用者的需求琢磨透了,才能做出有意义、能带来改变的产品。

最终,在考虑各方面的因素后,他们设计出了一款新的核酸检测仪。

它只有可乐罐那么大,价格不到传统设备的1%。而且它操作很简单,1~2分钟就能完成,偏远地区的医务人员经过简单培训就能完成。检测结果30分钟就能拿到,准确性还不低于传统的核酸检测。

经过不断地更新、迭代,目前这台核酸检测仪,已经可以检测30多种病原。不少医疗资源匮乏地区的初级诊疗单位,已经开始用它检测结核等重大传染病。

这个小小的“可乐罐”,已经应用在了一个距离大陆近3000公里的岛屿。岛上的居民有几百人,只有一个卫生所,就一个医务工作者,有了这个新的核酸检测仪后,岛民们不再用乘船、乘飞机,去到3000公里外的中心实验室检测,在岛上就能得到准确的诊断。

将复杂技术集成于方寸之间,让最边缘的人群也能及时、准确地得到检测,这才是了不起的创新。

The End

发布于2024-10-10, 本文版权属于(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系

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