Small Science:快速抗原诊断技术在新冠大流行中的应用

自2019年12月爆发至今,新冠疫情伴随着数次病毒变异,已经给全世界带来了沉重的灾难和伤害。除了常见的肺部损伤之外,新冠病毒的后遗症还牵涉到全身的重要脏器和心理应激创伤。因此,在疫情传播的早期及时进行精准和快速的诊断具有重要的意义。抗原检测由于其低成本、易操作性和良好的灵敏度的优势在本次新冠大流行中发挥了至关重要的作用。

鉴于此,哈佛医学院徐江、天津大学张雁、南京鼓楼医院陈雨欣综述了抗原检测方法的最新进展和新冠病毒检测中的应用,并对不同的快速抗原检测原理的在检测极限、灵敏度、成本、操作简便性等方面进行了综合对比。本篇Perspective还特别针对全球主要市场的商业化抗原检测产品进行了总结和展望,并为未来的抗原检测技术的发展和应用场景提出了建议和讨论。

【论文内容】

1. 常见的新冠抗原检测技术的比较

新冠抗原检测技术根据原理不同,可大致分类为:层流分析技术(LFA),酶联免疫吸附测定分析技术(ELISA),电化学分析技术(EC),化学发光分析技术(CLIA)和表面表面等离子体共振分析技术(SPR)(见图1)。

图1. 常见的新冠病毒抗原检测方法:层流分析技术(LFA),酶联免疫吸附测定分析技术(ELISA),电化学分析技术(EC),化学发光分析技术(CLIA),表面表面等离子体共振分析技术(SPR)。

2. 商业抗原检测试剂盒的发展

截止至2022年4月6日,美国市场已经有来自28家制造商的48款快速抗原检测试剂盒得到了FDA的EUA(紧急使用授权),包括32款传统的LFA产品、10款荧光LFA产品、4款CLIA试剂盒、1款EC试剂盒和1款SPR试剂盒 。其中,LFA技术在有效时间、成本和可操作性方面明显优于所有其他测试方法,但LoD和灵敏度相对较低;ELISA和CLIA技术尽管因为需要相对较长的分析时间而导致在家庭自检和POCT场景中不太受欢迎,但它们均显示出可接受的LoD、敏感性、成本和可操作性,从而成为了研发实验室所优先采用的标准方法。EC和SPR分析具有良好的LoD和灵敏度,但其成本高、反应时间长和操作复杂,导致其商业竞争力降低(见图2)。另外,商业检测试剂盒的LoD和灵敏度不一定成正相关的关系。一种可能的解释是,试剂盒的LoD是用商品化的灭活病毒标定的,而灵敏度是用真实的临床标本测量的,不同的灭活病毒制造商和真实临床标本的区别导致了LoD和灵敏度的偏离。

图2. 美国市场上的抗原检测试剂盒在检测极限(LoD)、灵敏度(sensitivity)、检测时间(effective time)、成本(cost)、操作便捷性(operability)的综合对比。

相比美国市场,欧洲市场的抗原检测产品要蓬勃发展得多。截止至2022年4月6日,欧洲议会已经批准1028款抗原试剂盒上市,其中包括616款快速检测产品,获得自检授权的试剂盒产品数量也有81款(40款快速检测产品)。这一系列的数字差距应主要归因于双方医疗体系、医保规则和政府政策导向的巨大差异。简而言之,美国政府在疫情中更加倡导核酸检测,而欧洲政府(如英国、德国等)从疫情起始就将抗原检测作为了常规检测手段,并承认了抗原检测结果在出入境、公共场所出入等场景中的有效性。与美国类似,LFA产品也是欧洲市场上的主力军。另外值得注意的是,欧洲抗原试剂盒的上市时间普遍较美国同类为早,这一方面体现了抗原检测方法可以及时有效地应对突发性传染病,一方面也体现了欧洲对于抗原检测产品的倾向性政策支持。

图3. 截至到2022年4月欧洲抗原检测试剂盒的商业化发展情况(a)快速检测试剂盒产品数量vs普通检测试剂盒产品数量,(b)快速自检试剂盒产品数量vs普通自检试剂盒产品数量,(c)LFA, ELISA, CLIA, EC, SPR试剂盒的产品数量统计,(d)针对不同抗原靶点的试剂盒数量统计,(e)采用不同样本的试剂盒数量统计,(f)针对不同操作方式的试剂盒数量统计

3. 结论和展望

抗原检测技术具有快速、低成本、非侵入和操作便捷的优点,在商业竞争中还具有研发周期短、产品迭代速度快、适应范围广等优势,非常适合POCT和家庭自检使用。但是产品上样量小、上样量不固定、检测结果难以放大、受样本质量和环境因素干扰大依然是当前抗原检测技术发展的瓶颈。我们认为微流控技术与传统抗原检测方法的结合有望克服这些困难(Xu et al., Small 2021, 2104009)。

我们对新冠抗原检测技术也提出了如下的展望: (1)利用人工智能和高通量筛选技术加速靶点抗原的筛选和抗体的设计 ,(2) 开发多重检测平台,实现对于不同新冠变种病毒的一站全包式检测, (3) 深度结合微流控、大数据和云端技术来增强数据收集和减少结果误读,(4) 提高产品(尤其层析试纸条)的质量控制来减少假阳性情况,(5) 个性化的抗原检测产品定制,以及面向色盲人群、行动障碍人群和医疗不发达地区的抗原检测产品。

【通讯作者介绍】

徐江:哈佛大学医学院系统生物学系博士后研究员(现为加拿大复诺健公司高级科学家),于2016年获得加拿大滑铁卢大学化学工程博士和法国波尔多大学物理化学博士。曾参与美国国防部高等计划研究署(DARPA)、比尔梅琳达盖茨基金、加拿大自然与工程基金委(NSERC)、欧盟地平线计划(H2020)等资助的前沿国际研究项目共11项,并以PI身份获得2项NIH RADx新冠病毒快速检测基金资助(rate<1%)。以第一作者/通讯作者身份在Small (x2), Phys Rev Fluids, Sci Rep (Top 100 Chemistry in 2017), Food Hydrocoll.等期刊发表论文。申请美国专利1项,中国发明专利10项(已授权3项)。近10年来一直从事于微流控工作与生物医学工程的前沿交叉研究工作,曾获欧洲议会Erasmus Mundus Ph.D. Fellowship, 2021年中国生物公司“特别奉献奖”。

张雁:天津大学药学院讲席教授、博士生导师,2006年在美国宾夕法尼亚大学获得遗传学博士学位,后在麻省理工学院化学系从事博士后工作。2015年入选天津市青年千人,2019年入选天津市中青年科技创新领军人才,2021年获国家杰出青年科学基金。主持科技部重点研发课题1项、国家自然基金面上项目2项。发表论文44篇,其中通讯、第一作者论文包括Science 1篇、Annual Rev Biochem 1 篇、Nat Comm 2篇、Proc Natl Acad Sci USA 2篇、JACS 1篇,ACS Catalysis 3 篇、Small 1 篇、J Biol Chem 5篇;被引用1166次(Research gate),被Faculty 1000评述1篇,被Nature亮点报道1篇,被美国生物化学和分子生物学会(ASBMB)主页报道2次,被美国化学会新闻发布会(ACS Press)向全球媒体推送1次。接受美国化学会化学工程新闻期刊(C&EN)专访3次;任Frontiers in Life Science副主编、中国生物物理学会微量元素分会副秘书长、中国微生物学会普通微生物分会委员、中国微生物学会酶工程分会委员、美国化学会、微生物学会员、28家国际学术期刊审稿人。法国科学署、中国国家自然科学基金委、中国教育部、中国科学院评审专家。在微生物学会全国年会、国际生物铁大会、全国酶学学术讨论会作大会报告;中国生物物理大会作专题报告。

陈雨欣:南京大学医学院附属鼓楼医院检验科副主任技师,行政副主任,硕士生导师,美国马萨诸塞州州立大学医学院免疫和微生物学专业博士,江苏省第六期“333工程”培养对象。主要从事病毒感染诱导的免疫应答及病原体快速检测技术开发。以第一作者和/或通讯作者在Lancet Infect Diseases, J Allergy Clin Immunol, Aliment Pharmacol Ther, Plos Pathog, Clin Microbiol Infect, J Virol 等期刊上发表近30篇文章,获专利授权2项。获江苏省医学科技进步奖二等奖2次,江苏省新技术引进奖二等奖1次,第十五届“江苏青年五四奖章”(集体)。

论文信息

Rapid Antigen Diagnostics as Frontline Testing in the COVID-19 Pandemic

Jiang Xu*, Liam Kerr, Yue Jiang, Wenhao Suo, Lei Zhang, Taotao Lao, Yuxin Chen*, Yan Zhang*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202200009

https://doi.org/10.1002/smsc.202200009