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新型冠状病毒大爆发的防控:早期诊断、药物治疗及全球协同合作抗疫|新加坡国立大学刘小钢教授团队国际合作重磅综述

作者: Research编辑部

时间: 2020-07-08 14:22

新加坡国立大学刘小钢教授课题组、西北工业大学黄维院士课题组、清华大学张洪杰院士课题组、解放军总医院第四医学中心李晓松教授课题组及南昌大学第二附属医院陶军教授课题组对新型冠状肺炎的诊断、治疗及防控进行全面系统的总结。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

论文地址:

https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/6925296/

研究背景

截止2020年7月1日,2019-新型冠状病毒(图1)大爆发已经导致全球超过一千万人感染,其中超过50万人死亡。新冠状病毒具有高度人传人的特性,潜伏期一般10-14天,且潜伏期内仍具有传染性,导致其一旦发生社区感染,其传染速度极快,防控难度极大。由新冠病毒引发的新冠肺炎是一种下呼吸道疾病,常伴有干咳、发烧、失去嗅觉的症状,严重的患者伴有呼吸困难等现象。截止目前,仍没有有效的针对新冠病毒的疫苗或者特效药物,患者主要依靠自身的免疫系统清除病毒,达到治愈的目的;因此,如何有效的尽早筛查感染者并进行有效的隔离,成为预防和控制新冠病毒蔓延最重要的手段;对于确诊的患者,筛选现有的抗病毒、抗菌药物进行辅助治疗也是临床常用手段之一。因此,掌握不同的病毒检测手段及现有的药物治疗进的进展,对于新冠肺炎的预防和治疗意义重大

图1  新型冠状病毒的模式图及基因结构图

研究进展

文章详细、系统比较了现有的新冠病毒的检测手段,根据检测的靶向分子不同,主要包含:检测病毒的核酸、检测病毒的抗原或针对病毒的抗体、辅助检测手段。检测病毒的核酸的检测技术:高通量基因组测序,荧光定量RT-PCR,基于逆转录等温核酸扩增的检测技术,基于核酸的基因编辑体系的检测技术,基于核酸的微流控的检测技术;检测体内病毒抗原、抗体的检测技术:酶联免疫吸附测定(ELISA),IgG/IgM-胶体金法;辅助手段:电子计算机断层扫描(CT)。01高通量基因组测序及荧光定量RT-PCR检测技术高通量基因组测序通常是对病毒的全RNA做基因组测序,与其他已知病毒基因组做比对分析,找到基因突变位点,该技术通常用于新型病毒的发现及鉴定。由于耗时较长且费用昂贵,很少应用于传染性病毒的快速筛查。荧光定量RT-PCR技术是世界各国疾病控制中心(CDC)采用的金标准(图2)。通常使用RT-PCR技术体外扩增病毒的RNA的两个片段,其中一个是编码核衣壳(N蛋白)的基因,另外一个编码S蛋白/M蛋白/E蛋白/1ab蛋白的基因。虽然RT-PCR是世界各国公认检测病毒的金标准,但是,由于其准确率约为70%、耗时较长(4~6小时),且需要完备的、精密的实验室设备和操作熟练的技术员,导致该技术在落后的地区或者国家无法大规模的采用。所以,研发耗时更短、操作更简单、价格低廉的检测手段是十分迫切的。

图2  高通量测序及RT-PCR技术的主要步骤

02基于逆转录等温扩增技术的检测技术等温扩增是在恒定温下(42℃或65℃)借助特定的引物,对病毒核酸片段实现体外扩增。该扩增过程中不需要高精密的PCR仪,普通的水浴锅就可以完成;因此,该技术为实现病毒的家庭检测提供可能。用于新冠病毒检测的等温扩增技术通常包含环介导的等温扩增(LAMP)和重组聚合酶扩增(RPA)。由于新冠病毒是单链RNA病毒,使用等温扩增技术之前,通常需要将RNA逆转录成DNA,因此,称之为逆转录等温扩增(图3)。LAMP是一种具有高度特异性、敏感性的、快速的一步法扩增技术,通常扩增温度是65℃,需要3对扩增引物。RPA通常借助特定的重组酶和蛋白在体外等温快速扩增目的基因片段,工作温度通常的是25~42℃,反应时间为30分钟。逆转录等温扩增后的目的基因,可以通过凝胶电泳,或紫外灯照射,或胶体金试纸条等读取。尽管该技术的准确性已经在实验室范围得到验证,但是,该技术仍需要临床上进一步验证。

图3  逆转录等温扩增技术主要步骤03基于基因编辑体系的检测技术

基因编辑(CRISPR)技术是近年来发明的可以实现对靶基因高精度的修饰,进而达到调控基因型疾病的目的,该技术已经在动物水平得到验证。基于Cas蛋白的不同,现有两种主要的CRISPR/Cas 体系被用于新冠病毒的检测:CRISPR/Cas13a 和CRISPR/12a。CRISPR/Cas13a 检测体系又称之为“SHERLOCK”,借助于Case13a识别并剪切特定的单链RNA的片段,该技术已经成功应用于临床上其他类型病毒的快速检测。同时,该技术也在新冠病毒检测在实验室里得到验证。CRISPR/12a 是一类借助Cas12a蛋白识别并剪切双链DNA的检测技术,又称之为“DETECTR”。基于基因编辑(CRISPR)技术的检测手段已经得到少量的临床样本的验证,显示其快速、准确、便捷等特征(图4)。使用基因编辑技术前通常需要对样本进行等温扩增,同时使用完该技术后,通常也需要借助胶体金试纸条等技术读取结果,并且,该技术的准确性仍待更多的临床样本进行验证。

图4  基于基因编辑体系的新冠病毒检测技术04针对抗新冠病毒的抗体检测技术

酶联免疫吸附分析法(ELISA)已经成为实验室鉴定病毒的手段之一,特别是在没有RT-PCR实验条件的地区。它主要是通过测定提取液中病毒的核蛋白(N蛋白)的含量进而鉴别是否别感染,这一方法已经在筛查SARS病毒中得到验证。因此,ELISA同样也可以用于筛查新冠肺炎感染者。另外,ELISA可以准确测定anti-2019-nCoV 抗体的含量,进一步可以推测患者感染日期。但是,标准的ELISA操作步骤繁琐、耗时较长,因此,该方法不适合于临床上的快速筛查。近来,基于IgG/IgM-胶体金法的快速筛查技术已经广泛应用各种病毒的快速筛查,例如SARS 和MERS等。IgG/IgM-胶体金法已经成为世界各国的快速检测手段之一,但是,该技术准确度较低,而且,对于不同感染阶段的样品反应的敏感度不一样(图5)。因此,该技术通常和RT-PCR技术联合用于新冠肺炎患者的大规模快速筛查。

图5  IgG/IgM-胶体金法的原理及实例图05新冠肺炎的化学药物治疗

尽管新冠病毒与之前的爆发SARS病毒和MERS病毒不同,但是,基因组分析表明,2019-nCoV与SARS-CoV具有80%的同源性,与SARS-like-CoV (ZC45和ZXC21)具有89%的同源性。所以,筛选现有的抗病毒的药物用于治疗新冠肺炎是现有治疗策略之一。其次,可以针对特有点靶点,筛选现有化学药物库的化学药物,用于治疗新冠肺炎。第三,基于新冠病毒的基因组和生物生理学的最新发现,针对特定的靶点进行重新设计、筛选新的化学药物。基于新冠病毒侵入细胞的可能的机制,化学药物主要分为三类:入胞抑制剂(例如:氯喹、羟氯喹);蛋白酶抑制剂(例如:洛匹那韦、达芦那韦);病毒复制抑制剂(例如:瑞德西韦)(图6)。

图6  新冠病毒感染细胞的可能机制及3种不同类型化学药物治疗型新冠肺炎的路径06新冠肺炎的传统中药治疗

中药作为一种传统的治疗疾病的手段,对新冠肺炎的疗效显著,根据早期临床研究表明,中医药治疗新冠肺炎的总体有效率可达90%以上。新冠肺炎的中药治疗,是根据患者的体质、病情等进行的。根据中国卫健委发布的《新冠肺炎诊疗方案(试行第七版)》,对于处于不同时期的患者:医学观察期的患者、轻型患者、普通患者、重症患者、危重症患者、恢复期患者,都有推荐与之对应的中药或中药配方。经过大量的临床筛选和研究,“三药三方”被认为对于治疗新冠肺炎最为有效:金花清感颗粒、莲花清瘟胶囊、血必净注射液、清肺排毒汤、宣肺败毒方、化湿败毒方。

未来展望

2003年SARS和2012年MERS冠状病毒的大爆发,为人类诊断和治疗新冠肺炎提供了重要的经验和伦理基础。针对新型冠状肺炎的大爆发,全球应该互相分享疫情信息,互相合作共同抗疫。由于新冠肺炎具有高度传染性,特别是处于潜伏期的患者都具有传染性;所以,尽早筛选出感染者并进行隔离,对控制新冠病毒的传播具有十分重要意义。鉴于此,开发出可以大规模的快速鉴定病毒核酸的技术是十分亟需的;同时,提高血清快速筛查技术的准确率也十分重要
疫苗是被全球公认的最有有效的、特异性的能够控制这场全球大爆发的药物。截止6月10号,全球有超过160 种新冠疫苗处于研发不同的研发阶段:处于临床三期的有2种疫苗;临床二期的有8种疫苗,临床一期的有5种疫苗,其他的疫苗均处于临床前动物实验中。2020年4月13日,由全球120名科学家、医生、资助人和生产商组成的专家组公开发表新冠疫苗宣言,承诺在世界卫生组织的协作下,共同努力加快新冠疫苗的研发,同时,他们承诺继续加强全球协作、合作和数据共享,提高向所有人提供一种或多种安全有效的疫苗的可能性。这一宣言的发表,预示在全球共同的努力下,新冠病毒疫苗将会在防控疫情中发挥重要的作用。

作者简介

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刘小钢,博士,新加坡国立大学化学系教授。2004年获得美国西北大学博士学位,2006年加入新加坡国立大学化学系。刘小钢教授的研究领域包括纳米材料制备和组装,生物无机化学和超分子化学,稀土离子掺杂上转换发光纳米材料性能的研发及其在3D显示,生物成像、生物治疗、分子检测和光学防伪等应用。刘小钢教授目前兼任Nanoscale, Research, Journal of Luminescence杂志的副主编;兼任Journal of Physical Chemistry Letters, Advanced Optical Materials, Nanoscale Horizon, Analysis & Sensing, Journal of the Chinese Chemical Society 等杂志的编委。

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李晓松,医学博士,解放军总医院第四医学中心肿瘤二科副主任、副主任医师、副教授。李晓松教授多年从事恶性肿瘤的规范化诊疗临床工作,注重多学科交叉融合,致力于激光、纳米材料及生物免疫新技术的医学应用。以项目负责人主持国家重点研发计划重点专项1项、国家自然科学基金3项、省部级课题4项。第一/通讯作者发表论文34篇,其中SCI/EI收录24篇;主编专著1部,参编专著3部。参与了国家卫计委2项肿瘤诊疗规范的撰写工作,开展多项新技术的临床应用示范,相关成果获得军队医疗成果二等奖,并被国际临床肿瘤学核心期刊、美国NCCN指南等引用。先后入选北京市科技新星、国家公派访问学者、首都优秀青年医生。目前兼任中国光学学会理事、中华医学会激光医学分会委员兼副秘书长等。

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张洪杰,博士,清华大学化学系教授,中国科学院院士。1978年毕业于北京大学化学系,1985年在中国科学院长春应用化学研究所获硕士学位,1993年在法国波尔多第一大学获博士学位。张洪杰研究员长期从事稀土功能材料的研究,以材料的结构与功能关系为研究重点,致力于解决影响学科发展的关键科学问题,发展了系列材料制备的新方法和技术,并将基础、高技术及应用研究有机结合,研制出的稀土新材料已成功应用于汽车、照明、航天航空和国防军工等领域,满足了国家的重大战略需求,取得了一系列创新性研究成果。近年来,以第一作者或通讯作者及共同通讯作者发表SCI收录论文500余篇,发表论文被他人正面引用36000余次;主办国内外学术会议12次,国内外大会和邀请报告80余次;10种国内外权威期刊的主编、副主编、编委或顾问编委;已授权发明专利近80余项;以第一完成人获2010年国家自然科学二等奖、2007年吉林省科技进步一等奖、2013年吉林省技术发明一等奖、2015年吉林科学技术特殊贡献奖以及2015年中国科学院杰出科技成就集体奖各1项。张洪杰研究员现任中国稀土行业协会会长,973首席科学家,英国皇家化学会士,是中科院长春应化所无机化学学科带头人。1997年获国家杰出青年基金,1998年获香港求是基金会杰出青年学者奖,2001年入选中科院百人计划,2010年入选国家基金委创新群体学术带头人,2013年获吉林省政府创新创业人才奖。由于学术成就突出,并且在学科发展、人才凝聚及国家重点实验室建设等方面做出了重要的贡献,2013年当选中国科学院院士,2015年当选为发展中国家科学院院士。

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黄维,博士,西北工业大学常务副校长,中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院外籍院士。“长江学者”特聘教授,国家“杰出青年科学基金”获得者,“973”项目首席科学家,Research主编(中国)。长期从事聚合物发光二极管显示研究并长期活跃在有机光电子学、柔性电子学领域。从九十年代初开始致力于跨物理、化学、材料、电子、信息、生命和医学等多个学科、交叉融合发展起来的有机(光)电子学、塑料电子学、印刷电子学和柔性(光)电子学等国际前沿学科研究,在构建有机光电子学科的理论体系框架、实现有机半导体的高性能化与多功能化、推进科技成果转化与产业化方面做了大量富有开拓性、创新性和系统性的研究工作,是中国有机(光)电子学科和柔性(光)电子学科的奠基人与开拓者。以第一或通讯作者身份在NatureNature Materials, Nature Photonics, Nature Nanotechnology, Nature Electronics, Nature Communications等顶级学术期刊发表研究论文760余篇,h因子为131,国际同行引用逾80000次,是材料科学与化学领域全球高被引学者,在SciVal(全球顶级科技论文数据库)材料学科以及OLED、SolarCell和Conjugated Polymer领域论文发表方面排名全球第一,获授权美国、新加坡和中国等国发明专利360余项,出版了《有机电子学》《生物光电子学》《有机薄膜晶体管材料器件和应用》《有机光电子材料在生物医学中的应用》《OLED显示技术》等学术专著。

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