财新传媒
位置:博客 > 知识分子 > 进入中国家庭的抗原检测:如何用它指导隔离、维持学校上课

进入中国家庭的抗原检测:如何用它指导隔离、维持学校上课

抗原检测即将进入中国百姓的生活 | 图源:istock.com,ShutterOK

编者按

相比国内民众更为熟悉的 “全民核酸” “持48内核酸检测阴性报告”,新冠抗原检测试剂在国内的获批姗姗来迟。此前知识分子曾介绍,英国、美国等地先后在Delta、Omicron等突变株流行后开始采取抗原检测作为缩短隔离时间的判断标准,但同时,相比核酸检测的金标准,抗原检测的灵敏度更低、存在一定的假阴性概率。

那么,抗原检测与 “金标准” 核酸检测相比有什么优点?国外又是如何应用抗原检测来科学防疫的呢?知识分子专栏作者周叶斌撰文详细介绍。

 

撰文 | 周叶斌

 

3月10日,国务院应对新型冠状病毒肺炎疫情联防联控机制综合组发布了试行的新冠病毒抗原检测应用方案,让抗原检测进入中国大众视野。紧接着3月12日,国家药监局发布通告,批准了五款新冠抗原检测产品的上市申请。

 

抗原检测即将进入中国百姓的生活。两年多的疫情中,国内广泛使用的主要是核酸检测,虽然中国工厂早已大量生产抗原检测试剂,但一直以出口为主,国内对抗原检测反而比较陌生。那么抗原检测的原理是什么?欧美为何利用抗原检测来确诊新冠、又如何根据抗原检测指导隔离策略?

 

抗原检测原理

核酸检测又被称为PCR检测,原理是通过检测样本中是否含有新冠病毒的基因组片段来确认样本中是否存在病毒颗粒。常见的核酸检测位点位于新冠病毒S蛋白基因,N蛋白基因与ORF1ab区域 [1]。目前,核酸检测仍是新冠感染检测的金标准。

 

抗原检测则是检测样本中是否含有新冠病毒的蛋白质,如在新冠病毒表面的N蛋白与S蛋白,国际上批准的抗原检测一般以检测N蛋白为主,因为这个蛋白在病毒颗粒里数量更多,检测更容易 [2,3]。 

图1 新冠抗原检测试剂盒基本原理示意图 | 图源[4]

 

常见的抗原检测大多采用测流免疫反应(lateral flow immunoassay)原理进行设计 [4]。采集的样本会滴在测试卡的一侧(一般会在测试卡上或放入测试卡前混合特定的测试液保证病毒蛋白被充分释放),之后样本液会流经含有被标记过的N蛋白抗体的结合区域(conjugate pad)。一旦样本含有新冠病毒,病毒颗粒上的N蛋白会与N蛋白抗体结合,后者携带有标记(如金、荧光基团等),这相当于把N蛋白标记出来。之后,样本液会继续流到测试线(test line,T线),这一区域含有另一个N蛋白抗体,通过抓取被标记的N蛋白把它们固定在测试区域。此外,在测试线后一般还有一个对照线(control line,C线),这里固定了针对抗体的抗体,从结合区域释放出来的多余带标记抗体会在这里被固定。

 

如果样本中含有新冠病毒,测试线和对照线都会因有被标记过的抗体被固定住而 “显色”。如果没有新冠病毒,或者病毒数量很少,低于检测下限,那么在检测线上,不会有被标记的抗体被固定,无法显色。对照线因为是无差别抓取抗体,无论测试线结果如何仍会显色,表明整个检测有效。如果对照线无显色,那试剂的标记抗体可能有问题,是产品缺陷,无论测试线结果如何都不能采信。

 

抗原与核酸检测的优劣对比
 

对比设计原理可见,核酸检测要对病毒的基因片段做扩增,需专业人员用专门的仪器做相关实验,PCR扩增实验本身耗时需几小时,结果往往以 “天” 为单位。抗原检测除了本身的试剂外,无需其它仪器;操作也非常简单,无需专业培训,与验孕棒原理、操作都是类似的;从检测到出结果,抗原检测一般在30分钟内,不少只需10-15分钟 [5]。

 

简单易用耗时短无疑是抗原对比核酸检测的巨大优势,但核酸在检测的灵敏度上是要远优于抗原的。原因也很容易理解:核酸检测中的PCR是扩增病毒基因片段的过程,即便检测样本中病毒较少,核酸仍可通过扩增放大检测出来。而抗原检测中无法对样本中的病毒蛋白做扩增,完全依赖于样本起始的病毒量。因此,核酸的检测下限要远高于抗原。也就是说当样本中只有少量病毒颗粒时,核酸仍有可能检测出来,而抗原则不行 [3]。

 

灵敏度比核酸低导致抗原检测的假阴性风险更高。这也是为什么至今核酸仍是新冠检测的金标准,包括美国在内的不少国家对于推广抗原检测都曾有过犹豫 [6]。

 

这也使得,当病毒量高时,抗原检测与核酸检测的一致性非常高。对比急性感染期内,载毒量的变化与抗原、核酸检测阳性时间范围的变化可以发现:对于核酸检测而言,在症状出现前到感染几周之后都可以检测为阳性,一些研究中甚至有几个月后仍为核酸阳性的案例;但需要注意病毒培养实验显示,在症状出现10-14天后,感染者体内已不法再分离出可继续复制的活病毒了——即有传染性的时间大概为出现症状前两天到有症状后的10-14天内 [5]。

图2 个体感染新冠开始,载毒量的变化与抗原、核酸检测各自能检测的时间轴 | 图源[5]

 

相比之下,抗原检测检测出阳性的时间段在出现症状后的5-12天,与有症状患者的传染期高度吻合,而且载毒量越高(对应传染性越强)抗原检测的表现越好(假阴性可能越低)。

 

因此,我们可以把核酸检测的结果看成是在检测有没有感染新冠,而抗原检测的结果则表明有没有传染性 [6]。

 

如何用抗原检测做新冠确诊
 

目前,美国食品药品监督管理局(FDA)、世界卫生组织(WHO)以及欧盟的监管机构对于抗原检测的上市(紧急使用授权)标准都要求,在核酸检测确认的标准样本中达到80%的灵敏度(100个核酸检测确认阳性的样本中检测出80个阳性)与98%的特异性(100个核酸检测确认阴性的样本中检测出98个阴性)[5]。

 

但如前文所言,抗原检测的灵敏度表现受样品病毒载量影响很大。真实世界的流行病学数据表明,在实际应用中抗原检测在有症状人群中的灵敏度可以达到70-80%,而在无症状中在一些研究中灵敏度仅有40%左右 [7]。

 

考虑到这种 “不稳定” 性,欧美等国在推广抗原检测特别是作为新冠确诊工具时都出台了比较复杂的指导方案 [5],需要考虑到有无症状,是否为密切接触者以及所在环境是否为高传播风险等因素。

 

例如,一旦出现新冠症状,同时抗原检测检测为阳性,那么抗原阳性可以作为确诊依据,并进入隔离、通知密切接触者等流程;如果抗原检测为阴性,考虑到抗原假阴性风险不低,那么仍需要用核酸检测做排除,或者隔两天再重新做抗原检测 [5]。数据表明,对于有症状的人来说,连续的抗原检测整体检测灵敏度与核酸检测接近 [6]。

 

对于与确诊者有过密切接触但无症状的人员,考虑到感染早期特别是在症状出现前体内载毒量往往低于抗原检测的下限,检测时间应在密切接触后5-7天(美国CDC)或2-7天(欧洲疾控中心)[5]。

 

利用抗原检测指导隔离政策

从欧美上述确诊方案可知,如果以确诊新冠感染会目标,抗原检测受灵敏度所限,执行起来更为复杂,并不比核酸检测更具优势。

 

然而,在Omicron暴发后,由于感染病例太多,远超很多国家的核酸检测能力,而居家自测、不占用公共资源的抗原检测发挥了极重要的诊断作用。加上抗原检测高检出率的时间段与感染者传染期吻合度高,实践中欧美国家还利用这一特点来判断病例的传染性,并以此基础扩展出广泛的应用场景。

 

欧洲特别是英国是抗原检测应用的先驱。英国在2020年10月就通过大型研究 [8] 验证了抗原检测在检测传染期新冠患者时灵敏度极高,之后也尝试通过普及抗原检测,让处于传染期的感染者及时隔离、减少病毒进一步传播。

 

英国等欧洲国家还将抗原检测应用的扩展到优化缩减隔离时间。隔离新冠感染者的目的是阻止病毒进一步传播。基于人群的研究 [9] 显示,在确诊后14天后,感染者基本都不再有传染性,这也是大部分国家使用14天隔离期的理论依据;进一步研究显示10天后有传染性的感染者也极少,欧美国家又将隔离期缩短到10天。

 

需要注意的是,上述数字仅是绝大部分感染者不再有传染性的时间,而人与人之前个体差异巨大,一些感染者在更少的天数后就没有传染性了,对他(她)们来说一刀切的10天或14天隔离政策都是过度隔离。

 

Omicron疫情暴发后,由于这个突变株的传播速度远超以往病毒株,欧美等国突然要面对大量感染者、密切接触者需要隔离的情况。如果仍将感染者一律隔离14天,大量从事必要工作的人将长时间无法工作,社会基本运作受到影响。基于这一现实,英国决定利用抗原检测结果与传染性的高度相关性来进一步优化压缩隔离时间。

 

具体策略如下:如果感染者在隔离期第6天起,每间隔24小时做一个检测,连续两次抗原检测阴性,那么可以解除隔离,这理论上使得感染者最早7天结束隔离。

 

为什么可以这么做?原因是抗原检测在载毒量较高、也就是传染性强的时候准确度比较高,刚好可以帮助排除、防止传染者在传染期内扩散病毒,这也是隔离感染者的初衷。考虑到抗原检测的灵敏度比PCR差很多,一次检测仍然存在较高的假阴性概率;采取每隔24小时做两次检测,如果连续两次都是阴性,两次测试都是假阴性 的可能性就极低了。

 

英国公卫部门一篇关于不同隔离政策模拟预测的预印版论文 [10] 显示,感染者隔离期为10天时,结束隔离时可能有5.1%的人还有传染性,直接缩短为7天,这一比例上升到15.8%。但如果加上连续两个快筛阴性的要求,比例则减少为6.2%,与10天隔离的数字差异不大;与此同时带来的好处是,平均每人多余的隔离时间(对个人来说实际不需要隔离但仍被隔离的时间),会从141.6小时减少到81.6小时。

 

在不增加公共健康威胁的前提下,以科学为基础,减少隔离者的牺牲,这是正确的走向。

 

通过检测维持在校上课

相比欧洲,美国顾忌抗原检测灵敏度低,实施的时机更为滞后。但在Delta、Omicron连续两轮疫情导致美国感染病例长期居高不下时,美国政府、公卫专家与民众都认识到了抗原检测便捷性带来的优势,此后大幅增加了相关应用。

 

一个值得参考的应用是 “test and stay”,即通过在学校进行抗原检测,在高传染环境中减少学生不必要的隔离,维持在校上课。

 

疫情暴发阶段,人群中的感染风险会非常高,学校教育会处于两难境地。如果放弃密切接触者的隔离,那学校可能会暴发超级传播事件,即便孩童并非高危人群,但家长及学校教职工的风险也不容忽视;但如果坚持隔离,学校正常教学无法维系,不仅是学生的学业,身心发展也受到威胁。特别要注意,在一些极端情况下,有些学生可能自己从来没感染过,却因同学陆续感染不断被要求隔离,长期上不了课。

 

美国CDC推荐的 “test and stay” 原则是按照学生从发生密切接触起,在原来的隔离期(美国为10天)频繁进行抗原检测(检测频率各学校不同,从每两天一次到每周两次均有),只要测试结果为阴性就让学生继续正常在校学习,只有检出阳性才转入居家隔离 [11]。虽然抗原检测不像核酸那样灵敏,抓得住一切感染者,但阴性结果至少证明此时该学生不太可能处于传染期,让他(她)继续在校上课对周围的人是安全的。

 

一项追踪2021年8月初到10月底数据的研究 [12] 中,CDC发现美国伊利诺伊州同一学区中采用 “test to stay” 政策的学校与维持传统隔离政策的学校相比,学校中的新冠传染数量并未增加,却为超过1000多名密切接触学生保留了总计超过8000天的在校学习时间。

 

最近,因为局部疫情暴发,多地将中小学课程从线下改为网课。但从国外疫情的经验来看,在线上课并不能完全取代在校学习的体验。长期网课对学生的学业发展、身心健康都有负面影响 [11],“test to stay” 政策具有一定的参考价值。

 

抗原检测并非完美无瑕

上文中我们可以看到,利用抗原检测尝试对隔离时间的优化、维系学生正常的在校学习都具有借鉴意义。除此之外,个人层面上,在参与人数较多的聚会活动前,一些欧美民众会通过抗原检测确认自己没有“传播”病毒的危险,是疫情中维持正常生活的一种方式。

 

但不可忽视的是,抗原检测在应用中也会遇到各种挑战。第一,如何保证抗原检测的可及性。任何新冠检测的需求随疫情起伏都有着很大的波动,抗原检测也不例外。当疫情在低谷时,很少有人会有做检测的需求,此时厂家若维持检测试剂的大量生产,将存在库存挤压过多导致亏损的可能性;一旦疫情暴发,大量民众都会需要做检测,此时又会发生试剂盒不够的情况。

 

美国的教训就非常值得深思。由于顾忌抗原检测灵敏度不如核酸检测,FDA虽然在2020年8月就批准了第一批三个抗原检测产品的上市,但此后其他生产商的审批进程非常缓慢,美国也未大规模推广抗原检测 [4,6]。这导致美国市场上一度出现抗原检测厂家竞争很少,价格也偏高。

 

但到Omicron暴发,核酸检测完全无法满足突增的检测需求,抗原检测成了非常重要的检测手段。在2021年12月到2022年1月美国Omicron疫情高峰时期,抗原检测在美国零售价格在单次检测10-20美元之间,还经常断货,对防疫的影响极为负面 [13]。

 

相比之下,欧洲批准了大量不同厂家的抗原检测产品,通过竞争保证了价格相对便宜,一些国家的零售价格在1美元甚至更低。英国更是在疫情期间通过政府采购方式长期全民免费发放抗原检测试剂。即便如此,实际检测的需求还是可能超出我们的预计,在2021年底Omicron高峰期,欧洲也遇到了抗原检测紧缺的情况 [14]。

 

即便是国家采购免费发放,对政府财政的负担也不容小觑。2022年2月以来,英国决定逐步恢复正常,解除新冠公共防疫措施,其中一条措施就决定从4月1日起不再为所有国民提供免费抗原检测 [15]。

 

除了可及性外,如何让非专业的普通民众合理解读抗原检测结果也是挑战。由于灵敏度不如核酸检测,抗原的阴性结果解读必须要谨慎,像有症状这些高感染可能的情况必须要考虑多次连续检测或用核酸确认。

 

一方面,对于普通民众而言,不能排除实际是假阴性,却获得虚假安全感的可能性;另一方面,对于感染率低的地方,如果实际使用采取不分个人感染风险的大规模筛查,那阳性结果中假阳性占比会较高(即阳性预测价值低),这对于非专业的普通民众,容易引起不必要的恐慌。

 

为了保障供应量,监管部门可能批准多家产品,如何追踪保障不同抗原检测上市后的质量会是极大的挑战。截至2021年12月,美国FDA紧急使用授权的快速检测(绝大部分为抗原检测)达28种,欧洲更是批准了160多家企业的产品 [5]。随着突变株的不断出现,及时跟踪这些上市检测试剂的实际表现,下降灵敏度特异性不足的试剂对监管部门而言是极大的压力。甚至,还有一些未经审核的产品偷偷上市的问题,一旦泛滥很可能引起误导。FDA最近陆续下架一些问题试剂,但由于抗原试剂种类繁多,及时追踪考验监管部门能力 [16]。

 

最后,个人自测的抗原检测结果如何汇总也值得思考。核酸检测通过专业实验室完成,公卫部门可以直接汇总结果,很容易获得阳性检出率,感染病例数等重要数据,这些数据可以帮助我们判断疫情现状与走向。

 

Omicron爆发时,美国出现大量民众抗原检测的结果无法通过有效渠道上报汇总的情况,CDC以及各地公卫部门统计的感染病例几乎全是核酸检测确诊,因此存在感染病例的严重低估。对于国内的卫生部门来说,如何让抗原检测不仅是方便个人做检测,也让个人可以便捷、安心地将检测结果提供给公卫部门,是在推广时需要考虑的。

 

参考文献:

1.https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/lab/naats.html2.https://www.fda.gov/medical-devices/coronavirus-disease-2019-covid-19-emergency-use-authorizations-medical-devices/in-vitro-diagnostics-euas-antigen-diagnostic-tests-sars-cov-23.https://www.idsociety.org/covid-19-real-time-learning-network/diagnostics/rapid-testing/4.https://asm.org/Articles/2020/August/How-the-SARS-CoV-2-EUA-Antigen-Tests-Work5.https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMcp21171156.https://www.npr.org/sections/coronavirus-live-updates/2021/09/14/1037077480/an-epidemiologist-says-at-home-testing-is-key-to-stopping-covid7.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33846714/8.https://www.ox.ac.uk/news/2020-11-11-oxford-university-and-phe-confirm-lateral-flow-tests-show-high-specificity-and-are9.https://idpjournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40249-021-00901-910.https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2021.12.23.21268326v111.https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/science/science-briefs/transmission_k_12_schools.html12.https://www.cdc.gov/mmwr/volumes/70/wr/mm705152e2.htm?s_cid=mm705152e2_w13https://www.propublica.org/article/heres-why-rapid-covid-tests-are-so-expensive-and-hard-to-find14.https://www.euronews.com/2021/12/30/demand-for-covid-19-self-test-kits-skyrocket-in-europe-amid-omicron-surge15.https://www.bbc.com/news/uk-6046718316.https://www.fda.gov/medical-devices/safety-communications/do-not-use-certain-acon-flowflex-covid-19-tests-fda-safety-communication#:~:text=The%20U.S.%20Food%20and%20Drug,box%20(see%20images%20below).

 



推荐 1