科学汇 | 武汉如何在19天里对990万人进行核酸检测?高效的秘密就在“混检”中

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钱江晚报·小时新闻 记者 郑琳

武汉的核酸检测结果令人振奋。

据新华社报道,5月14日0时至6月1日24时,武汉市集中核酸检测9899828人,没有发现确诊病例,检出无症状感染者300名、检出率为0.303/万。

19天时间里,武汉利用核酸混检手段,检测了近990万人,这是如何做到的?

为了回答这个问题,我们特别邀请了疾控中心专家和数学专家,揭开其中的科学奥秘。

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 核酸检测如何进行?

这些步骤缺一不可

看到那么多核酸检测相关的新闻,大家知道核酸检测到底是如何进行的吗?

首先,需要登记核对被采样人的信息,然后进行样本采集。这个过程是每个接受过核酸检测的普通人都会经历的。

采集临床样本的种类是多样的,例如常见的有咽拭子、鼻拭子、血液样本、粪便样本等。选择哪种采集方式,取决于病毒在人体内的分布规律,还要结合临床症状,以及实际操作时候的便捷性。

对于新冠,由于病人通常会有下呼吸道感染的症状,因此拿棉签在咽喉、鼻腔采集样本比较普遍,用专业的话说就是采集咽拭子和鼻拭子。

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像武汉这样大规模的样本采集工作,咽拭子采集在操作便捷性上有很大优势,通过培训,医护人员能够很好地掌握采集方法,快速采集标本。

样本采集完成后,需要放入专门的保存液中保存,并运送到疾控中心、第三方检测机构等地方。

检测人员在接收样本后,在生物安全柜内打开样本存储罐,观察送检样本是否存在溢洒、破裂等情况。然后进行信息核对、样本整理。

这是一个非常繁琐,但很重要的工作流程。因为核酸检测考验的不仅仅是检测人员的技术,还有实验室的管理水平。被检样本姓名、性别、年龄、编号等信息都必须准确无误。

接下来是最“凶险”的步骤:样本灭活。检测人员将样本放在试管架上,放入恒温水浴箱内进行灭活处理,使得病毒失去感染能力。

在通常情况下,样本灭活需要30~40分钟,完成后就可以对样本进行核酸提取,然后加入反应体系上机检测,最后由检测人员判断读出结果。

整个实验区内流程需要3~4小时,检测人员需要和临场接诊新冠病例的医务人员采用相同的防护级别 

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19天检测990万人

武汉如何做到?

在今年4月的时候,武汉的日均检测能力大约是4.6万人次。如果按照这样的速度, 990万人的检测将耗费7个月。

那么,武汉是如何做到在短短19天时间内,完成990万人的核酸检测的?

答案是:混检。

在常规的检测流程中,样本灭活之后增加了“混样”处理,把多个样本均匀混合成一个样本,用一份试剂检测。

假如混合样本的检测结果呈阴性,说明所有的被检者都是阴性,无需再检测。只要有一人核酸阳性,混样的检测结果就会呈阳性。一旦发现阳性,就对这份混样中所有的个体样本重新进行单独检测。这么一来,就不需要挨个检测全部990万份样本了!

但是,这种方法在技术上可靠吗?

疾控专家介绍,把多份样本混样之后,病毒依然存在,并均匀分布在样本保存液中,仅仅是病毒浓度被稀释了。在通常情况下,一毫升样本里有500个病毒就可以被检测出来。而新冠病毒携带者的样本中,每毫升通常有上百万个病毒。因此即便被稀释了,对检测结果影响也很小。

根据专家的论证,混样一般不宜超过30人,可以保证结果的准确性。

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 混检如何提高检测效率?

 这还是个数学问题

核酸混检在技术上是可行的,那么,这种方法是否可以如预期的那样,大大减少检测次数呢?这就是一个数学问题了。

假设采取10人混样,如果990万人中有10%的人携带病毒,需要检测多少次呢?

第一步,先检测混和过的样本。10人混样,就需要检测99万次。

然而10%的感染率是很可怕的,意味着有99万人是核酸阳性。在最不利的情况下,这99万个阳性恰好平均分到了99万个混样里,每个混样里一个,那么此前检测的99万个混样将全部都是阳性!那将导致所有人全部重测,这不仅没有减少检测次数,反而是增加了!

大家可能发现了,混检的效率,跟感染率和混样数量都有密切关系。当感染率很高的时候,混检反而是降低效率的。

那么,如果感染率降到1%的时候会怎样?

还是10人混检,第一步同样需要检测99万个混样。1%的感染率,意味着有9.9万人是核酸阳性的。即便在最坏的情况下,一份混样里刚好只分到了一个阳性,则第一步的检测结果会有9.9万个混样是阳性的,它们需要重新逐个检测,那么重测的次数也是99万次。再加上第一步的99万次,总共检测198万次。

可以看出,感染率为1%的时候,检测次数比挨个检测990万人少了许多!

实际上,新冠感染率是远小于1%的。根据武汉市卫健委资料显示,3月29日至4月10日,该市共筛查复工复产者约14万人,检测阳性率仅为0.08%。

因此,采用混检的方法,能极大地提高检测效率。

根据武汉公布的最后结果,990万人中仅有300名无症状感染者,检出率为0.303/万。

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兴趣小组

为什么测核酸就能确定是否感染病毒?

核酸是地球上所有已知的生命体必不可少的一种组成物质。它主要分为两种:脱氧核糖核酸、核糖核酸。

脱氧核糖核酸,其实就是我们常说的DNA,是地球上几乎所有生物的遗传物质。而许多冠状病毒的遗传物质,则是RNA,也就是核糖核酸。

所以病毒核酸检测,其实就是对病毒的遗传物质RNA进行检测。

为什么选择用核酸检测的方法来检验是否被病毒感染呢?

这是因为,病毒主要由蛋白和核酸组成。相对于蛋白,核酸可以快速建立检测的流程。

如果选择蛋白检测,主要通过能和病毒蛋白特异性结合的信号蛋白,然后通过检测这个信号蛋白的形式进行检测。

可是,首先病毒蛋白的结构不稳定,一旦发生改变可能就不能和信号蛋白结合。其次,人体也同样存在很多蛋白,可能和病毒蛋白有相同的面孔,要找到一个合适的信号蛋白特异性和病毒蛋白的某个特定结构结合十分困难。

而核酸的测序技术已经成熟。人类的基因组已经被测序,相对于人类的基因组,病毒的基因组就简单多了。以现在的科学技术精准检测到病毒基因组中特异性的一段基因序列已经不是什么困难的事了。

思考题

出题老师——杭二中数学老师 李鸽

假设武汉某社区进行新冠病毒核酸检测,全员100人采集样本后,每20个样本为一组,混合起来,这样共得到5个混合样本. 若某个组的混合样本检测为阳性,则对此组的20人再逐一检测。

小学题

问题一:共需要检测多少次?请写出所有可能的次数。

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中学题

问题二:假设武汉各地区感染情况是均匀分布的,总体感染率为p,该社区检测总次数为 X,且各组之间相互独立。

(1)求一个混合样本为阳性的概率 q(用p表示)及其 X 的分布列和期望(用q表示);

(2)类似地,按照这种检测办法(不一定是20个样本为一组),你能估算出武汉最少大概需要多少次检测吗?

据报道,武汉共检测9899828人,总体感染率0.3/万(都是无症状感染者)。

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图据视觉中国


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吴香兰
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金女第
金女第

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139****2642
139****2642

做题,啊啊啊啊啊啊

田畔山人
田畔山人

😂😂

Mary
Mary

涨知识了。

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