24小时响应!走近疫情下的武汉“火眼”实验室丨聚焦科技抗疫一线

2月14日凌晨0:34,武汉“火眼”实验室样本接收组的胡高高接到新洲疾控中心的电话,说很快将有446例样本送过来检测。放下电话,胡高高马上和统筹组的王静反馈,王静立刻安排样本中心、提取组做好相应实验准备……

24小时响应已经成为“火眼”实验室的工作常态。“火眼”实验室由武汉华大医学检验所团队运营,自建成以来,“火眼”实验室为武汉及周边城市提供了充足的检测能力,为发热病人的确诊、高危人群的排查、疑似病例的甄别、隔离阳性感染者、保护阴性健康人群提供精准的判断,成为“雷神山”“火神山”“方舱”等众多抗疫堡垒名副其实的前哨。

2019年,浙江省结构生物学研究重点实验室获批成立,施一公担任实验室主任。

虽然病毒的传播路径还有待更多的证据来证实或证伪,但基因组流行病学初步得出的这一推测,或许能够为综合运用流行病学调查、大数据技术等揭开新发地的病毒源头之谜提供有益的思路。“流调和大数据可能会发现病例之间的关联,有时候却无法判断他们之间到底是谁传染了谁。通过实验室的检测和基因序列分析,我们能够得知它们之间的传播路径。而当我们推测出病毒之间可能存在的传播关系,也能够进一步通过流调等方法去寻找相应的证据。在国家科技重大专项的资助下,病毒病所正在牵头在全国筹建基于病毒全基因组的病毒网络化监测和溯源技术体系,以应对病毒溯源这个关系到国家安全的病毒病预防控制的重大问题。”张勇说。

“在新发地农产品批发市场的环境中检出大范围的阳性标本,确实给我们一些提示:这个病毒已经进来有一段时间了。如果说只是很短的时间,可能不会有这么大的污染范围。当然,这也还需要更多的数据来证实。”病毒病所所长助理张勇说。

6月16日,中国疾控中心主任高福在一次公开发言中推测称:“(新冠病毒)会在一些阴暗潮湿、比较污染、不好的环境潜伏下来,这是大家没有想到的。潜伏下来以后,在一定时间内再突然暴露给好多人。北京这次很可能不是6月初、5月底才出现的病人,很可能要提前推一个月,这里面已经有好多无症状感染或者轻型病人,才使得环境里能有那么多的病毒。”

6月17日晚上8时许,一辆中巴车在位于北京市西城区迎新街100号的中国疾控中心病毒病所南区紧急启动。中国疾控中心生物安全首席专家、病毒病所党委书记武桂珍领着一队人行色匆匆赶到车上,奔赴此次疫情的集中暴发地新发地农产品批发市场。这已是病毒病所第三次进入新发地开展病毒溯源工作。

样品信息录入与核对。

相关研究内容于北京时间2月19日凌晨3点左右在预印版平台bioRxiv上线。这也是西湖大学承担的浙江省新型冠状病毒肺炎防治应急科研攻关任务的重要成果。

“在病毒溯源工作中,对环境样本的采样检测非常关键。”刘军所说的环境,包括鱼虾贝壳、养鱼的水、冰箱里的冻品等等。“不同的阳性样本,指向的结论是不一样的:它可能指向环境以及它内部的动物或物品本身是传染源,也可能指向被新冠病毒感染的人是传染源。比如,如果我们在没有开封的冻品里发现了阳性样本,这就进一步证实了病毒通过冷链运输到市场造成传播的可能性;而如果冻品是开封之后的,这就表明这些冻品可能此前已经被人接触过了,那么得出的结论就不太一样了。”刘军说。

该领域的研究不仅可以解决一系列生命领域重大基础科学问题,还可以帮助科学家根据疾病相关分子的特殊结构设计药物,不断提高人类的生活质量。

为什么能在短时间内采集到这么多阳性样本?这意味着什么?

为保证“火眼”24小时响应,实验检测班组实行三班倒,保证随时有人。这也意味着,检测人员穿上防护服之后,会在实验室里待上近8小时,这期间不能吃、不能喝,也不能上厕所。

“核酸检测过程中,分装和核酸提取环节危险性最大,样本中除了咽拭子、鼻拭子,还有相当一部分是痰液,这是传染风险最高的一种样本。痰液黏稠,如果带有病毒,也会比其他样本含量更高。”朱师达说,因为要直面样本,因此检测工作属于高危操作,检测人员需要和进入红区的医护人员一样,进行高等级的个人防护。

截至2月15日6点,武汉华大医学检验所团队及其运营的“火眼”实验室已累计接收包括武汉在内的湖北其他地区超2.4万人份的检测样本。其中,“火眼”实验室目前已火力全开,从2月5日试运行以来检测近2万例。

“火眼”实验室工作人员在二级生物安全柜进行测试。

“火眼”实验室建筑总面积近2000平方米,其中,核心实验区总面积达1000平方米,严格按照P2(生物安全二级)实验室设计。这么大面积、高规格的实验室仅用了5天时间就建成了。由于时间紧迫,建设工期短,实验室的设施也分出了“三六九等”,即优先保证实验室里与检测相关设施的完善,很多非检测必须设施还都没有到位。

“会有一些检测结果的Ct值(PCR结果指标)在38-40之间,我们称之为‘灰区’,不能直接判定是阴性还是阳性,‘灰区’结果样本就要重测,第二次再看它的结果,如果两次测试没有确定结果,说明这个样本可能存在一定问题,需要重采样。”朱师达解释说,PCR的反应原理就是通过多次循环扩增,让特殊核酸序列呈几何倍数的增加,40个循环是检测的标准,确定的时间是一个半小时。很多低病毒载量样本,一般要30个循环才能被检测到,达到最基本的检测线,循环数和时间是要有基本保障的。“火眼”实验室尽管面对巨大量的检测样本,仍然严格对每一个样本负责。

自从疫情爆发以来,实验室的检测人员度过了很多不眠之夜,他们在深夜热火朝天地忙碌着,只为迎着黎明的朝阳,把样本的检测结果尽快送到医生的手中。

新发地聚集性疫情发生以来,目前北京市累计确诊病例已经超百例,达到158例。为什么疫情会在批发市场集中暴发,并在短时间内出现大量病例?

“总体而言,ACE2全长结构的解析,将有助于理解冠状病毒进入靶细胞的结构基础和功能特征,对发现和优化阻断进入细胞的抑制剂有重要作用”,清华大学全球健康与传染病研究中心主任张林琦教授说。

据了解,第一次病毒病所专家一共采了200多份样本,其中检出了不少新冠病毒核酸阳性样本。第二次,他们顺藤摸瓜,在其他区域又采集了200多份样本,其中又有不少是阳性的。第三次,专门对市场上水、鱼养殖保存水、水渠、地下水等水体系统进行了科学采集和检测,同时还采集了空气样本以确定气溶胶传播风险,目前样本正在检测中。

新发地检出的新冠病毒比欧洲现在流行的病毒要老

“样本通常集中在晚上送到,不少会到凌晨才送来,有时凌晨三四点钟还有送样。”华大华中地区负责人朱师达说,每当夜深人静别人都在休息的时候,却是“火眼”实验室里最忙碌的时刻。从样本接收,录入系统,到交付结果,平均需要六至七个小时。“我们基本能做到,早晨八点之前交付前一天所有样本的检测结果。”

此前,曾有研究解析出ACE2的一个胞外结构域与SARS病毒S蛋白形成的复合物的三维结构。

“从流程上讲,有三个技术环节比较限速。”朱师达介绍,“一是样本的核对和信息录入阶段,各地医院和社区取样时,很多信息不全或不清楚,核对信息会花费我们很多时间。因此,我们的工作人员想到为前端取样提供条码,加强对样本的信息化管理。虽然这样会增加我们工作人员的工作量,但是可以大大加快信息核对时间,缩短检测流程一个小时甚至更长。”

近日,西湖大学周强实验室利用冷冻电镜技术成功解析此次新冠病毒的受体——ACE2的全长结构。这是世界上首次解析出ACE2的全长结构。

ACE2-B0AT1复合物的冷冻电镜密度图

“‘火眼’实验室,起名之初就是希望实验室能用它的‘火眼金睛’,‘保阴’(保障阴性人群正常生活)、‘隔阳’(隔离阳性患者,让疑似人群尽早确诊),与‘火神山’‘雷神山’一起,组成坚强的抗疫堡垒,保一方百姓平安。”田志坚的语气中透着坚定。

推迟婚期,来到办公室加班的谢燕霞

“说起检测时间,可能大多数人都会有这样的疑问,检测一个样本,不是两三个小时就能出结果吗?”朱师达解释,这是检测单个样本的理论时间,就像在火车站买票,一个人买一张票只要半分钟时间,但是一万人在一个窗口买票,花的时间就会很长,为提高速度就必须有更多窗口来处理。规模化检测和单个检测实验不一样,里面涉及很多流程。

实验室里乐观的“大白”们

此文的第一作者为西湖大学生命科学学院博士后鄢仁鸿,通讯作者为西湖大学生命科学学院研究员周强。第一单位和通讯单位均为西湖大学浙江省结构生物学研究重点实验室。本项工作得到了西湖大学冷冻电镜平台和超算中心的大力支持。

为了保护检测人员,高危环节放进了P2负压实验室进行,整个提取操作也是在生物安全柜内完成。“操作空间比较小,穿着厚厚的防护服再对小试管进行操作,真的是个‘技术活’。”检验员郝莺歌说。

6月14日和15日、17日,病毒病所专家先后3次进入新发地农产品批发市场。

什么是“结构生物学”?

比如,ACE2的二聚体与新冠病毒S蛋白的三聚体是否可以发生更高层级的交联,从而促进病毒与宿主细胞膜的融合或者内吞?之前有研究表明ACE2的胞外区如果被切割,将会更有效地促进冠状病毒的侵染,但是ACE2与B0AT1的复合物结构显示B0AT1的存在有可能阻碍蛋白酶靠近这个切割位点,这是否解释了病毒侵染症状主要发生在没有B0AT1的肺部?

“比如目前检测实验室里还没有安装暖风空调,但还必须按要求进行通风换气,因此实验室里冷风嗖嗖地吹。很多检测人员为了御寒,就把羽绒服穿在防护服里面。这样一来,非常臃肿,也在一定程度上增加了检测的操作难度。”田志坚说,“不过大家都很乐观,还互相调侃,我们看起来都像卡通人‘大白’了。一家爱心企业听说后,还给我们的检测人员捐赠了200件羽绒服,我们非常感谢他们。”

周强实验室针对这个问题进行了攻坚。

一种在欧洲流行的老病毒,究竟是如何被带到北京新发地农产品批发市场的?科学家们还在日夜兼程地不懈探索。

海鲜市场湿冷封闭容易导致病毒急速扩散

新型冠状病毒感染引发的肺炎疫情爆发后,武汉病毒研究所的科学家发现,新型冠状病毒和2003年的SARS病毒一样,也是通过识别ACE2蛋白进入人体细胞的,ACE2是“新冠病毒”侵入人体的关键。研究发现,在SARS病毒和“新冠病毒”侵入人体的过程中,ACE2就像是“门把手”,病毒抓住它,从而打开了进入细胞的大门。

6月11日,北京在连续57天无新增本地确诊病例后,再次出现本地病例。突如其来的新冠病毒究竟来自何方,受到各方关注。三进新发地,中国疾控中心病毒病所发现了什么?病毒溯源工作有何最新进展?中央纪委国家监委网站记者采访了病毒病所相关专家。

确定病毒流行时间的早晚,目前主要采取的是基因组流行病学的方法。“首先对病毒的全基因组进行测序,测序后运用生物信息学的分析方法,把不同的病毒放在一起,看哪个病毒突变的更多,变化更多的一般是进化更新后的病毒,突变少的更接近原始的病毒,它流行的时间也就更早,年龄也就更老。当然,这都是些通俗的说法。此外还有一些具体的算法是通过数学模型来推算。”刘军介绍说。

涉药央企正进行新冠疫苗研发 灭活疫苗正在病毒培养 国务院联防联控机制2月18日举行新闻发布会。记者从发布会上获悉,涉药央企正在北京、武汉进行疫苗研发,目前灭活疫苗研发正在进行病毒培养,重组基因工程疫苗研发已完成基因序列核查。

第一步,他们要获取ACE2蛋白全长蛋白,但作为膜蛋白的ACE2本身很难在体外稳定获得。周强及博士后鄢仁鸿在文献中发现ACE2与肠道内的一个氨基酸转运蛋白B0AT1能够形成复合物。根据他们过去的研究经验,这个复合物极有可能稳定住ACE2。

这一研究发现为进一步解析全长ACE2和新冠病毒的S蛋白复合物的三维结构奠定了基础。而这个工作本身为理解新冠病毒侵染细胞提供了很多有趣的线索。

这一系列通过结构研究揭示的问题有待未来多学科探索。

实验室团队奋战,舍小家为大家保一方平安

“另一方面,我们检测到这么多阳性样本也说明整个环境被病毒污染的情况还是比较严重的。”据武桂珍研究员透露,第一次进入新发地,他们在地下一层的海鲜店检出了一些阳性样本,包括一整条三文鱼的口腔拭子,以及旁边的水沟;第二次,在离水产交易市场两公里以外的地方,同样采集到了阳性样本。

与实验室核心区域的“高大上”形成鲜明对比的是,实验室的休息区和办公室都非常简陋。“为了保证检测人员能有充沛的精力进行检测工作,我们每天都会保证他们有充分的休息时间。但是其他的工作人员就没有这个待遇了。因为我们还有很多员工分散在外地,因此人手非常紧张。”朱师达说,大家基本上都吃住在实验室的办公室里,座位不够,就蹲着或站着吃盒饭,困了,就找个椅子闭眼休息一会。

刘军也认为,新发地的病毒,有可能是被污染的海产品或肉食品通过冷链运输到市场造成传播,也有可能是进入市场的感染者造成了传播。“不同的可能性都有,但这次疫情来源于野生动物的可能性很小。”

ACE2-B0AT1复合物和之前解析复合物(SARS-CoV的S蛋白与ACE2的PD结构域的复合物)的比较,两种复合物通过PD结构域锚定在一起。

“爸妈和我视频的时候,我爸对我说‘想留下就留下,但一定要保护好自己,不管发生任何事,给我打电话,我马上过去接你’,我听见爸爸的声音哽咽了,我看见妈妈的眼圈红了。”郝莺歌说着,眼圈也有点红,但是她的眼神中也透露出无比的坚定。

果然,他们通过共表达的方法获得了ACE2与B0AT1优质稳定的复合物,并利用西湖大学的冷冻电镜平台成功解析了其三维结构,分辨率达到2.9埃,对于病毒识别至关重要的胞外结构域分辨率为2.7埃。

二是在提取阶段。核酸提取是检测的关键步骤,把里面的RNA提取出来,这一步小型实验室主要靠手工方法进行提取,步骤繁琐,还会受人为影响。“‘火眼’实验室用到了华大智造MGISP自动化样本制备系统进行核酸提取,能大大加快提取阶段的通量速度,一次能处理几百上千个样本,上机后完全无人工干预,自动化提取环节仅耗时一小时,可大大加快规模化样本检测速度。”朱师达介绍。

为了能让先进技术早日应用,来自华大智造团队的谢燕霞,推迟了自己的婚礼。每天上百个微信电话,她嗓子沙哑,却顾不上喝口水。“测序系统产品要申请紧急审批程序,没办法,一个原本预计在今年年底完成的工作,压缩到了一个春节。不过我觉得,比起一线的医护人员,我真的不算辛苦。”谢燕霞真诚地说。

高强度工作,只为检测结果能更快交到医生手中

“这三部分通过应用科技手段,极大缩短了整个检测交付周期流程,让我们‘快工也能出细活’。”田志坚欣慰地说。

海鲜市场的湿冷封闭,有利于病毒的存活与扩散,这有助于解释为什么短时间内会在这里出现大量病例。然而,这并不意味着海鲜市场本身就是病毒的源头。

最近美国得克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队又展示了新冠病毒的S蛋白结构。然而,ACE2到底在细胞膜上是以什么状态存在?新冠病毒对比SARS病毒与ACE2结合有何异同?获取ACE2的全长蛋白及其与S蛋白的复合物结构,将大大有助于解答上述疑问。

“两个市场我都进去过,因为是海鲜市场,我们可以看到,它们的环境比较湿冷。而微生物包括病毒它就是怕热不怕冷,在这样的环境下能存活很久。而且这里不光是湿冷,它们还封闭,通风状况不好,这也会对病毒的传播起到推波助澜的作用。比如一个新冠病毒感染者打了一个喷嚏,它很难扩散出去,飞沫可能会沉降到地面,经过冲水扫地后污染其他地方。”刘军说。

周强(右)和鄢仁鸿(左)

“早晨出结果也是考虑到临床的需要,让医生和患者尽早得到消息。为了提高效率,我们最大限度优化、压缩自己内部的流程和时间,但是前提是保证质量。”朱师达说。

通过分析ACE2的全长蛋白结构,周强实验室发现ACE2以二聚体形式存在,同时具有开放和关闭两种构象变化,但两种构象均含有与冠状病毒的相互识别界面。

所谓“眼见为实”,结构生物学将构成我们身体、支持我们生命活动的生物大分子(蛋白质、核酸)从结构角度揭示出来,搞清楚它们如何正常工作,而它们的异常又是如何导致病变的。

“病毒的源头到底在哪里,以及疫情为什么在海鲜市场集中暴发,这是两个不同层面的问题。不能因为病毒在海鲜市场集中暴发,就下结论说病毒一定源自这里。”刘军说。

流程不断优化,科技的力量缩短交付周期

朱师达(左)和田志坚(右)在实验室外吃盒饭。

作为病毒病所赴武汉开展病毒溯源工作的溯源组组长,刘军此前先后20次进入武汉华南海鲜市场,此次又3次进入新发地农产品批发市场。

实验室的工作人员连续高强度工作,克服了非常多困难。吴昊负责实验室的统筹协调工作,此时的他,已经将近70个小时没睡一个整觉了。尽管开车5分钟就能回家,但他也没回去看看不满一岁的孩子和老人。“我妻子是武汉第六医院的医生,这次也在一线工作,由于我们都回不去家,因此就狠狠心给孩子断了母乳。”吴昊说起对家人的牵挂,一连串说了8个“特别”担心,“我希望通过我们的努力,能让春天早点到来,让我儿子也能早点看到妈妈。”

目前,病毒病所对几十份阳性标本的全基因测序还在紧张有序进行之中。

“过去我们在做病毒溯源时一直在寻找中间宿主,现在或许是时候重新审视一下,病毒到底是不是来自于野生动物。”武桂珍介绍说:“这次疫情在北京反弹,也是在批发市场集中暴发,但不同于武汉华南海鲜市场,北京出现野生动物导致疫情的可能性很小。这就留给我们一个很重要的提示:是不是有可能源头就是一个感染者或者被污染的食品,而海鲜市场的环境给它造就了快速传播的机会。”武桂珍说。

“很多实验员舍小家为大家,即使家住武汉,也不回去,就近住宿舍。大家最奢侈的愿望就是什么时候能理个发?”朱师达笑着说,最后大家自力更生,用宝宝剃发器自己修剪发型,虽然手艺不过硬,不过也算是解了燃眉之急。

“我们已做好充分准备,根据武汉及湖北其他地区疫情防控需求高效运转,确保万人份/天的检测能力,甚至更高。”华大基因武汉实验室负责人、“火眼”实验室主任田志坚介绍,核酸检测排查,是确保防疫工作者健康、防疫部署顺利开展的重要前提。“火眼”实验室还能够进一步承担规模更大的复产复工人员的科学排查工作。

“所以通风且干燥的环境对于病毒的传播是不利的,而湿冷且封闭的环境则相对容易导致病毒的急速扩散。”刘军总结说。

“从基因组流行病学的初步研究结果看,这个病毒是从欧洲来的,但是它跟欧洲当下流行的病毒又有一定差别,它比现在欧洲流行的病毒要老。”至于病毒究竟是怎么进来的?张勇分析说:“这其中涉及到好几种可能性。比如病毒潜伏在了进口的冷冻食品当中,在从境外到境内的整个存储、运输的期间,病毒由于被冷冻没有发生进化,所以它不会发生变异;也有可能病毒是在新发地农产品批发市场等阴暗潮湿的环境里潜伏下来,没有被消毒、灭菌,在一定时间内突然暴露感染人,导致进化速度变慢,最终我们看到的就是这些毒株更接近于欧洲老病毒。”

延伸阅读 钟南山:血浆治疗对重症病人很有效 不适合垂危病人 疫情走势怎样?怎样停止人传人?钟南山有7个新判断 钟南山谈武汉医务人员感染:现在好很多 防护做得好

目前还在读大四的郝莺歌,是武汉华大医学检验所有限公司的实习生。作为非正式员工,疫情之下她本可以一走了之,但是这位姑娘和其他三位来实习的男生都选择了留下参加战“疫”。今年春节是郝莺歌第一次没回家过年,怕爸妈担心,她只和爸妈轻描淡写地说了句加班。

在新发地农产品批发市场检出不少新冠病毒核酸阳性标本

“我们不少人此前在武汉参加过溯源工作,还是有一定经验的。”作为在武汉的溯源组组长,病毒病所所长助理、国家流感中心副主任刘军研究员解释说:“病毒是怎么来的,目前有这样一些推测:被污染的海产品或肉食品通过冷链运输到市场造成传播,或者感染者进入市场造成了传播。针对这两种可能的来源,我们推测了病毒可能会污染的一些环境位置,以及物品食品等等。比如我们首先对鱼虾等冻品以及可能大量接触这些冻品的砧板、柜台、案板进行了检测,它们被病毒污染的可能性是非常高的。另外我们也想到,新冠病毒的感染者在市场里边排毒后,可能会污染哪些地方?比如他打一个喷嚏会不会打到墙面或冰箱的表面,会不会污染地面,是否会污染周围的鱼缸和水沟等等,这些都是我们要重点取样的。”

三是在最后结果的审核和报告生成阶段,强大的IT团队在后台做支持,一方面基于已经很完善的信息系统,同时也针对这次应急检测的需求,增设服务器,优化整个IT系统和流程。