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永利集团生物科技大神Rothberg正着手开发新冠病毒家庭测试套件

生物科技大神Rothberg正着手开发新冠病毒家庭测试套件

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2020年3月18日 17:08:30 永利集团
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理想中,这种套件的使用方式与传统验孕棒类似,只需要半个小时就能得出测试结果。

来源:永利集团 2020年3月18日 17:08:30

关键字:新冠疫情 生物科技 盖茨基金会

生物科技大神Rothberg正着手开发新冠病毒家庭测试套件

图片来源:Shutterstock

这事听起来绝对有吸引力:一款家庭测试套件,允许用户随时随地检测自己是否感染了新冠病毒。理想中,这种套件的使用方式与传统验孕棒类似,只需要半个小时就能得出测试结果。

虽然该套件还未正式推出,但生物科技领域的创业家Jonathan Rothberg正在为此努力。

关注生物科技的朋友们对Rothberg这个名字可能并不陌生。在过去二十年以来,他曾经先后创立多家基因组测序企业,推出各类突破性技术以不断加快基因组测序速度并降低测序成本。(在其中一家企业内,他率先完成了对Jim Watson个人基因的完整测序并声名大噪;期间,他还以3.75亿美金价格卖出了另外一家由他创立的生物科技企业。)2014年,Rothberg推出了名为4Catalyzer的初创加速器项目,致力于发明各类智能医疗设备。最早从该加速器项目中诞生的是Butterfly Network企业,他们主要销售手持式超声工具,能够将结果读数显示在智能手机屏幕之上。

Rothberg在今年3月7日发布的推文中,表达了自己对于新冠病毒测试套件的兴趣。他表示自己进行了初步的“思想实验”,而后将迅速跟进并将其打造成一个真实存在的项目。

Rothberg在接受邮件采访时说明道:“我告诉我的团队,中国人民在十天之内就在武汉建成一家医院;我们当然也应该有能力在十天之内为COVID-19新冠病毒开发出一款真正的家庭测试套件。受到这样的激励,团队正日以继夜地努力推动这一目标。”

Rothberg表示,他目前正与盖茨基金会进行讨论,此前该基金会就已经在为他的多家企业及项目提供支撑。而在此次疫情中,盖茨基金会也一直在努力推动家庭新冠状态测试方面的研究,Rothberg表示双方的方案有望形成互补。

盖茨基金会的套件中包含一种鼻拭棉签,人们可以将自己的体液样本送往实验室,利用“高标准”设备进行分析,并在几天之内得出结果。而Rothberg的套件则支撑在半小时内将结果显示在智能手机上。但正如他在推文中的说明,目前该套件的测试结果还不太准确,偶尔会给出假阳性及假阴性结果。

如果两个项目能够共享数据,Rothberg认为他的团队就能够快速比较结果并更好地了解自己这款套件的准确度。另外,使用Rothberg套件的用户也可以对接盖茨基金会的方案,对结果做出进一步确认。

Rothberg指出,他的团队正与盖茨团队的研究人员“协同努力”,而且已经从沟通当中获得巨大助益。他指出,“盖茨基金会为我们提供了不少关于套件简化的良好建议,同时也帮助我们摸索出了如何引导用户正确理解套件用法。”Rothberg还在采访邮件中补充道,目前双方正在互通互补,“我们知道如何制作试剂盒并放大DNA表达,他们则更熟悉流行病学。”但截至本文撰稿时,我们未能联系到盖茨基金会,因此无法证实双方的合作关系细节。

在Rothberg方面,这项工作主要由Homodeus企业的科学家们主导——这是一家来自4Catalyzer加速器项目的合成生物学企业。

下面来看Homodeus家用套件的基本原理。

首先,用户需要通过棉签从鼻腔或口腔内部提取少数细胞。接下来,用户根据配套应用程序中的说明将棉签浸入三个试管内,各个试管将发生对应的化学反应(后文将具体阐述更多细节)。

是否感染的答案,就藏在第三管液体的颜色当中——如果套件发现用户已经感染,则第三管液体将变色(可能是红色);而如果未被感染,则变成另一种颜色(可能是绿色)。如果测试失败,则试剂不会变色。用户可以使用手机摄像头拍摄照片,则后应用程序会显示检测结果以及更多细节信息。

这项测试的检验对象并非抗体,因为抗体其实是人体与新冠病毒相抗衡的天然防御手段。Rothberg表示,他的团队之所以不采用检测抗体的方法,是因为感染者可能需要几天时间才能生成足以被检测出的抗体数量。他想要的效果,是在用户感染病毒后马上能够检测出结果的工具。另外,他还希翼开发另一种测试,确保感染者在治疗期间能够定期检查,从而确定自己的身体何时已经将病毒彻底清理出去。

对于这种即时检测,测试工具必须能够识别出病毒的遗传物质。当前肆虐新冠病毒的正式名称为SARS-CoV-2,且由单链RNA构成。

下面来看几支试管中发生的奇妙化学反应。

在试剂盒的第一支试管中,棉签上的细胞会被打碎,保证其中的遗传物质被暴露在外。在第二支试管内,一种名为引物的分子负责寻找病毒RNA的唯一编码。如果引物发现了新冠病毒的RNA,则激活下一过程,向该RNA中添加一条补充性DNA链,从而构成双链分子。这种反应的最大优点在于,DNA分子的稳定性要远高于RNA,因此能够更轻松地完成多次复制。

接下来,棉签进入第三支试管,其中包含的专用酶会将上支试管中制造的DNA分子进行大量复制,借此降低检测难度。第三支试管中的另一组酶则负责实现颜色变化:如果病毒的遗传物质激活一系列特定反应,则表现为某种颜色;如果未能激活任何反应,则表现为另一种颜色;

Rothberg说明道,在新冠病毒爆发之前,Homodeus企业的科学家们就在对酶进行工程改造,希翼借此修复基因并开发食品级塑料。而他们目前正在开发设计师使用的新型酶,能够“完成以往实验室技术人员通过专用设备进行的完整测试。但现在,不需要实验室、不需要技术人员、也不需要昂贵的设备。酶本身就足以完成所有工作。”

与这款套件匹配的手机应用不仅会引导用户完成测试过程,同时也会将结果自动提交给公共卫生部门。负责开发该应用的4Catalyzer工程师Eric Kabrams表示,数据的共享方式必须符合医疗数据领域严格的隐私管理规则。他在一封采访邮件中指出,“幸运的是,现代加密技术与数据隐私最佳实践,使我们这套解决方案能够在遏制病毒传播与保护敏感信息这两大目标之间取得平衡点。”

如果Rothberg的团队成功开发出这款测试套件,那么下一步自然是将其送至学术实验室接受验证。Rothberg预计,再有几周原型设计就能够交付实验室。“我们已经与宾夕法尼亚大学及耶鲁大学开展讨论,希翼尽快通过他们的医院及临床环境验证测试结果。”

同样的,在发稿之前,我们也未能联系到Rothberg提到的宾夕法尼亚大学及耶鲁大学医学院研究人员。

除了盖茨基金会和Rothberg的研究团队,普渡大学生物医学工程助理教授Jacqueline Linnes也开发出了一款手持纸质设备,可以用于检测包括新冠病毒在内的多种病毒。她表示,Rothberg提出的反应基本符合标准流程,与实验室内的受控实验环境区别不大。

Linnes在接受邮件采访时指出,“一般来说,要想保证测试正常进行并取得可靠的结果,往往需要考虑到大量影响因素;但无论如何,能够在家庭环境中完成自我检测确实是个很好的想法。也正因为这种普适性,测试本身必须高度可靠。允许在实验室外进行的测试往往需要具备极高的鲁棒性。”Linnes还补充道,这种双色检测系统对于焦虑的普通用户将非常实用,他们能够借此快速获取阳性、阴性与失败三种检测结果。

至于影响因素,她也稍稍列举了几点:如果试管未能密封,则样品可能遭到污染,并导致结果变化。她还指出,使用者也需要注意时间安排:“这些酶的活性很强,所以有时候会导致DNA的非特异性扩增。因此,如果反应时间过长,阴性样品也有可能带来阳性结果。”最后,她提醒验证机构必须保证该测试足够敏感以复查普通大众——如果它只能检测到住院患者这类高浓度病毒病例,则将毫无意义。

Rothberg承认,他的团队目前面临着巨大的技术挑战:“我们想尽一切办法让整个测试过程简单易行,只有这样才能让套件真正为大众服务。”此外,一旦获得成功并通过专家审查,那么接下来的问题就是如何进行检测套件的批量生产。Rothberg指出,他正在与那些有能力迅速提高产量的制造商洽谈,同时联系分销渠道商以帮助他们快速推广这种工具。他说明道,自己的目标是“让这种测试方案在全球范围内广泛可用。在被问及预期价格时,他表示在赞助组织的支撑下,他希翼尽量免费为低收入人群提供该产品。

除了套件的开发、验证与生产之外,Rothberg的团队还需要考虑到法律法规的要求。他发布推文指出,他打算申请将这种测试套件作为“风险评估”工具,而非需要美国食品药监局审核的医疗器械类诊断工具。他在采访中说明道,考虑到当前疫情的严重性,他希翼食品药监能与他积极合作。“我觉得其中应该不存在什么无法克服的监管障碍,因为我们将在未来几周内通过大学进行验证,并保证使用符合并通过监管要求审查的制造商。”

那么,我们什么时候才能在家中用到这款测试套件?

Rothberg的回应是,“如果我们能够获得技术突破,那么再过几个月甚至是几周,就有可能得出比较明确的答案。就在这个周末,将有更多分子生物学志愿专家为到我们这里提供帮助。”他还慷慨地向所有勇于走出隔离区的志愿者们宣传道,“我们这里包吃包住!”

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