作者：汪濤
來源：純科學（ID：chunkexue）
因為在中國核酸檢測、隔離等防疫成本主要都是政府買單的，在2020年初剛疫情剛出現的時候，成本不在考慮范圍，要不惜一切代價把病毒堵住。可是，長期維持下來，這個成本實在太高了，并且動輒一個小區、城市等，全社會的人都要進行核酸檢測，甚至要反復地進行檢測，這個成本長期持續下來是一個非常大的開支。另外，平時很多時候也需要個人支付費用進行核酸檢測，這對很多平時需要核酸檢測的個人也是一個成本的壓力。C3U曹操讀書網
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BNCM磁珠是“生物源性納米晶體磁珠”的英文縮寫。這種磁珠是中國的原創科技產品，其靈敏度極高。采用這種原創的技術，可以呈數量級地減少以上成本開支。C3U曹操讀書網
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為什么BNCM磁珠可以實現接近理想的極高靈敏度？這個道理其實非常簡單。傳統物理法和化學法生產的磁珠，其粒徑很多是1微米到5微米范圍，也有一些做到200多納米到1微米。這些傳統方法要把磁珠做得更小不容易。而BNCM磁珠是通過合成生物學方法研發的原核生物體內生長出來的，它是反過來，粒徑受其生長的生物體尺寸限制，要長大很難。其粒徑一般在30至120納米范圍，再大很不容易。發明BNCM磁珠的北京國科融智生物技術有限公司生產的，用于IVD試劑的磁珠粒徑是在50納米左右。因為粒徑與體積之間的關系是3次方倍，也就是粒徑小10倍的話，體積上會相差10的3次方為1000倍。這樣，相同質量的磁珠，小粒徑對應的磁珠數量，就比大粒徑的多1000倍。磁珠法富集樣品中的病毒，類似于一個在荒野中抓俘虜的過程。假設有100個俘虜均勻分散在10平方公里的草叢里，一方采用100輛坦克，另一方采取數量多1千倍的10萬人。要想抓住俘虜，得直接走到俘虜眼前才能看得到，并抓住它。100輛坦克看起來很威風，但是分散到10平方公里范圍，每平方公里僅10輛坦克，數量太少，每輛坦克要搜索10萬平方米的范圍，坦克之間難免出現太大的空檔，與俘虜碰上的機會就可能很小。而10萬人分散到10平方公里范圍，每1平方公里1萬人，平均每個人僅搜索100平方米范圍，所有俘虜就都很難藏住。磁珠法富集病毒的第一步，是包被在磁珠外層的特異性物質能夠與病毒結合上。這種結合并不是長距作用，而是只能在極短的距離內才會起作用，很大程度上相當于兩者要直接碰撞到一起才能結合上。因此，核酸提取工作原理很簡單，就是把兩者混在一起，不斷地搖晃，好讓包被（或稱修飾）了特異性物質的磁珠盡可能分散在樣品溶液中，增加與病毒的核酸分子相碰撞的機率。很顯然，磁珠的數量越多，與病毒相撞的機率就會越大。磁珠數量多1000倍，無疑相碰撞結合的機率會高得多。通過大量的實際測試，BNCM核酸試劑與市場上其他幾乎所有核酸試劑對比，靈敏度都更高，有些甚至高一個數量級以上。這個測試的方法就是：將被測量的病毒濃度不斷降低，一直降到用其他試劑測試的Ct值在41左右（Ct值再大就完全算陰性了），此時用BNCM試劑測試的Ct值會在36-37范圍，甚至更小。Ct值越小，表明需要更少的PCR反應過程就可以實現有效檢測，也就是最初輸入PCR的病毒核酸的初始數量更多。如果不太嚴格地說，每少1個Ct值，相當于要達到相同病毒數量，可以少放大一倍，這樣對應的初始病毒核酸數量就多一倍。所以，相差4到5個Ct值，對應的病毒核酸初始數量就大約相差16到32倍。
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BNCM磁珠試劑提取的新冠病毒樣本1ab基因擴增曲線（FAM）
在相同樣品中能提取到的病毒核酸數量越多，當然靈敏度就越高。最好是能把樣品中所有病毒核酸都富集到，也就是把10平方公里內的俘虜全抓到——俘獲率、或提取效率接近100%。到這一步，磁珠法在靈敏度提升的能力上也就做到頭了。BNCM磁珠基本上就是能接近100%提取出樣品中的病毒核酸。
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靈敏度更高有什么價值和意義呢？因為一般的核酸檢測只是給出“陰性”“陽性”的定性結果。所以，只要是能準確測出陽性，靈敏度的高低就沒意義了，看不出差別。因為病毒濃度（載量）在受感染的病人體內初期是不斷增長的，因此，只要不斷增加下去，其濃度都會增加到即使市場上最差靈敏度的核酸試劑，最終也都能測得出陽性。C3U曹操讀書網
可是，如果我們進一步分析就會發現，兩者之間對全社會防疫的意義有天壤之別的差異。
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最讓人看得見的還是直接的檢測成本。現在順應整個醫療行業的陽光采購，推行了集采等措施以降低成本。如果僅僅從采購策略上做文章，降成本的作用只是：完全相同的一個產品，通過集采把價格降下來。這是一個純粹的商務策略。通過集采把價格降下來當然可降低使用一方的成本，而另一方的企業和代理商的利益無疑也隨之下降。但是，真正最有效的降成本，是通過科技進步來實現。我們簡單來對比分析一下，看看通過BNCM磁珠法獲得的成本下降，與單純商務策略的成本下降有什么不同。目前在市場上能找到的單拭子采樣管最低集采的價格是每支1.8元（這種價格一定程度上說，是前期囤貨太多，要清倉甩貨的價格。只是為了少虧損，而不是正常商業交易有合理利潤的價格），最初的價格是10元左右。顯然，商務策略的成效是極其顯著的 —— 采樣管價格下降到了原來的五分之一以下，它又是核酸檢測中用量最大的一項。所以，這種幅度的價格下降大家當然拍手稱快。但是，采樣管只是核酸檢測中的一項支出，另外還有核酸試劑，采樣、運輸、PCR等過程的設備折舊、耗材和人工成本。僅僅單拭子采樣管的集采對其他成本不會發生任何影響。當然，也可以通過集采來降低核酸試劑的成本，例如從最初的每人份30元降低到20元。這樣，采樣管和核酸試劑兩項加起來，每人的檢測成本就是21.8元。再加上其他成本，每人的檢測費用可以從最初的80元降到56元。不能說沒有效果，但這個成本下降的幅度僅僅是30%，而且已經是把上游生產廠家壓榨到吐血的地步才能做到這樣。我們再來看看通過創新的BNCM試劑可以將成本下降到多少。我們假設這個方案的所有價格都是市場上曾經出現過的最高價。BNCM可以采用10混的采樣管，就是每10個人的樣本混在一個管子溶液里。因為在大規模測試中，可以說99.999%以上的人都是陰性。需要的是大規模地、成批量地確認這些陰性的人群，把有感染的人從中篩查出來。因此，沒必要每個人單獨測。只有當某10個人混合在一起的樣本測出陽性時，再對這10個人單獨采樣復查即可。這時才使用單拭子的采樣管。因為這個情況出現得特別少，因此單拭子的采樣管多少價格就無所謂了。采樣管的成本主要是管體和其中的溶液，采樣用的拭子（看起來像棉簽的東西）成本極低、是以分來計算。因此，10混的采樣管其成本與單拭子的采樣管差不了多少。我們以市場上最高價的每個10混采樣管18元來計算，平均到每個人的采樣管成本也是1.8元了。最關鍵的是，采用這種方法，后續所有環節的工作完全一樣，但平均到每個人的成本全都直接下降一個數量級。例如，假設核酸試劑的價格是市場上最高價之列的30元，沒有任何降低，但采用10混方案后，平均每個人的核酸試劑成本只有3元。這是任何集采都絕對不可能做到的成本。其他樣品運輸、PCR等環節的效率不僅都直接提升10倍，而且平均到每個人的成本也都直接下降到原來的10分1。因為原來運輸1千支已經采好樣的采樣管，是為1千人檢測。但現在還是運送1千支采樣管，工作過程完全一樣，卻是為1萬人檢測，平均到每個人的成本就是原來的10分之1 。采用這種方法，很容易做到平均每個人的檢測成本不超過5元人民幣，加上其他人工的費用，最終到每個人的檢測費10元左右就足夠了。這與最初80元的成本是接近數量級的下降。問題在于：10混的方案市場上早就有了，為什么沒有全面普及呢？因為這要有一個很重要的技術前提條件，就是采用10混方案不能導致檢測的靈敏度明顯降低。本來很多市場上的試劑靈敏度就不高，采用10混方案后又明顯降低的話，測試結果就更不可靠了。采用“10混采樣管+BNCM磁珠試劑+大板試劑盒（1.5mL）”的方案，可以保證最高的靈敏度和檢測可靠性，比原來單拭子的采樣管方案靈敏度更高。為什么能做到這一點，后面會專門談到。即使與把上游各個廠家全都壓榨到吐血虧損的集采方案相比，其成本也低5倍左右。更先進的技術和科技創新帶來的成本優勢，在這里就極為充分體現出來了。
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人們在比較成本時，往往只是單純地看不同方案的檢測成本各是多少。但是，最高效率的降成本是索性不需要檢測，把這一項的成本直接降到零。這如何做到呢？就是盡可能早地發現疫情并控制住，盡量不要出現傳染，從而根本就不需要檢測。每早一天發現疫情，受感染的人造成的密接者和次密接者都會數量級地下降。一個小區出現一個密接者，整個小區的人就有次密接者的嫌疑，就全都得檢測。如何實現早發現？就是要提高檢測的靈敏度，在受感染者初期體內病毒載量很低的時候就有效發現并將其隔離。最近出現很多疫情爆發，明顯表現出的是檢測靈敏度不足造成的問題。例如，2021年9月份福建莆田市仙游縣鋪頭小學某學生家長林某杰。從官方公布的流調信息看，林某杰于8月4日由新加坡入境廈門，先后在廈門、莆田仙游兩地進行了“14+7”共21天的集中隔離，于8月26日起居家健康監測，居家健康監測結束自由活動后，于9月10日確診。但因已經有幾天的自由活動時間，造成了大面積傳播，引發一輪疫情。當然，由此也帶來了巨量的核酸檢測成本。這個遠超出21天隔離期的時間被稱作“超長潛伏期”。但是，所謂“超長潛伏期”，從另一個角度說就是檢測的靈敏度不夠，其實林某杰采樣的樣本中早就已經有病毒了，只是技術水平不高的核酸試劑測不出來，造成假陰性。還有很多檢測了8次、9次才測出來陽性，最近從內蒙額濟納旗為源頭傳出的疫情，在全國散布非常廣，并且持續性很強，總也控制不住，也有核酸檢測靈敏度不足的很大嫌疑。如果靈敏度足夠高，在隔離期間檢測出來，就不會造成大面積傳播，也不會有那么多核酸檢測的需要了。即使用價格再貴的高靈敏度檢測手段，其成本也遠遠低于現在的技術手段幾個數量級，因為它直接消滅了大量的核酸檢測需要。
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更早發現疫情，不僅會帶來直接與間接檢測成本的巨幅降低，更重要的是帶來大量社會成本的降低。一旦疫情發生，不僅整個小區甚至城區被封，而且相應區域的飯店、商場等大量服務和營業網點全都得停業，給整個社會帶來巨大的成本壓力和痛苦。雖然中國社會非常理解這些措施伴隨的成本和痛苦，但如果能通過科技進步盡可能減少它們、又大幅減少政府和各個環節成本的話，為什么不這么做呢？三、為什么10混BNCM試劑方案靈敏度更高、高靈敏度的價值C3U曹操讀書網
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10混的方案和大板深孔的方案原來也有，為什么只有10混采樣管+BNCM試劑+1.5mL大板才是非常可靠的？10混的采樣管需要6mL的溶液，而單拭子采樣管是3mL。溶液變成6 mL后有什么潛在問題？就是病毒的濃度會成倍下降。每個拭子采樣里病毒載量有多少，只與被測的人體內病毒濃度和采樣方法有關，與采樣管拭子數量是無關的。這樣，6mL溶液與3mL相比，每個拭子采樣里的病毒數量就會被稀釋一倍，這對后續處理的靈敏度就提出了更高的要求。一個簡單的解決方法是：核酸提取的時候從采樣溶液中提取更多的樣本。由此樣本中的病毒就更多，不是就有可能提取更多病毒了嗎？原來一般方法是從3mL采樣的溶液中抽取200微升進行核酸提取。假設采樣后的病毒會均勻分散到3mL溶液中，那么200微升里的病毒數量就是拭子采集到的病毒數量的200/3000=1/15。如果采用10混的6mL溶液，200微升樣本中的病毒數量就變成200/6000=1/30。我們很簡單可以想到的是，如果提取400微升樣本，其中的病毒數量不就變成400/6000=1/15，與原來一樣了嗎？更進一步，如果采用更大容量的樣本，例如1.5mL大板，可以提取1mL的樣本，由此樣本中的病毒數量就成拭子采集到數量的1000/6000=1/6，這是10混小板病毒數量的5倍，是原來單拭子方案的15/6=2.5倍。問題在于，樣本量更大，病毒核酸數量更多，是不是一定就可以提取出更多病毒核酸呢？這就是一個比較復雜的事情了。它涉及到概率論在數字上的一些非常奇妙的特點。為了便于闡述和理解，我們就只以數量級的變化來舉例。當提取的成功率極高，非常接近100%的情況下，如果樣本量擴大10倍，試劑被稀釋10倍，結果會是什么？假設原來因為BNCM磁珠數量極大，提取病毒的成功率為99.99%。此時將樣本量擴大10倍，就是說從200微升增加到2000微升（2mL）。因為試劑被稀釋了10倍，其提取病毒的成功率大約就是下降10倍，結果是什么呢？是病毒與磁珠結合的成功率從99.99%下降為99.9%，少了一個9。這個計算過程是這樣的：成功率下降10倍，等價于失敗率提升10倍。原來失敗率為0.01%。成功率就是1-0.01%=99.99%。失敗率提升10倍，就近似變成0.01%×10=0.1%,所以，提取成功率就是1-0.1%=99.9%。但99.9%的成功率，還是非常接近100%，提取成功概率的絕對值變化是極小的。最終提取出的病毒數量大約還是增加近10倍，從而靈敏度提升了10倍。但是，如果原來試劑提取的成功概率已經開始偏離100%，趨向0%，比如90%。此時因樣本量增加10倍，試劑被稀釋10倍后，提取成功率下降10倍的結果是什么呢？就是大約從90%下降到9%了。雖然病毒總量增加了10倍，但因提取的成功率絕對值也同步下降了10倍，所以最后提取出的病毒數量居然還是和原來差不多一樣的！在實際的實驗中，的確展現出的就是類似的效果。因此，只有當核酸試劑在稀釋之前和之后的提取效率都非常接近100%（如99%以上）時，加大樣本量才有可能提升靈敏度。如果在稀釋前，提取效率已經開始顯著偏離100%，稀釋后的提取效率顯著降低，那么加大樣本量就不會對提升靈敏度有什么幫助。因為BNCM試劑中磁珠數量相對現有市場上主流磁珠成千上萬倍的提升，目前市場上幾乎只有BNCM磁珠可以確保“10混+1.5mL大板”是完全有效的。如果不是BNCM磁珠制作的試劑，采用10混方案進行檢測的可靠性是難以保證的，其靈敏度會比較低。當然不是說它一定不能檢測出陽性，但可能檢出者已經密接其他很多人了。以上概率論的數學規律是非常重要的，因為分子生物學的實驗中，往往就涉及數量極為龐大的有機分子或微生物，因此其實驗中很多時候就是會展現出這種表面看起來很迷幻的結果。有讀者可能會問，既然主要是一個磁珠數量問題，那采用500納米磁珠的試劑增加磁珠數量，與50納米的BNCM磁珠數量一樣，效率不就一樣了嗎？有可能是這樣，但想過沒有，相差1000倍的數量，只有增加1000倍的磁珠質量才能使數量一樣。那么原來一人份使用1mg的磁珠，就得變成一人份1mg×1000=1g的磁珠。每克磁珠的價格比同質量的黃金還要貴得多，能拿幾克黃金去做成一人份試劑進行核酸檢測嗎？那一個人檢測的價格就不是80，而可能變成8000了！這哪兒受得了！從上面分析也可看出，采用“10混+BNCM試劑+ 1.5mL大板”的方案，帶來的結果是比“單拭子的普通采樣管+普通磁珠試劑”的方案靈敏度還要高得多。從上面分析中還可解讀出一個重要的信息：如果把10混的6mL溶液全抽出來做樣本，BNCM磁珠試劑是有潛力把其中所有病毒接近全提取出來，從而更進一步成倍地增加靈敏度。正因為有如此卓越的性能，目前很多機構紛紛將BNCM磁珠用作科研目的。
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當然，有人可能又會提出另一個問題：既然磁珠數量多了有助于靈敏度提升，那現在市場上也有一些10納米甚至幾個納米的磁珠，采用這種磁珠不是比50納米的BNCM磁珠數量更多，靈敏度可能會更好嗎？這個問題就更為復雜了。核酸測量中一般采用的采樣管是滅活型的。就是病毒已經不再有活性，只留下可以進行檢測的核酸。COVID-19病毒是球型的，其直徑一般在130納米左右。滅活后的病毒核酸只是一段RNA片段，形狀不規則，大小約在幾十納米到150納米。磁珠之所以能與病毒核酸結合并不是整體上都可結合，而是選擇了病毒核酸中有特征的某一段基因作為靶標基因。在核酸檢測中，一般是在兩個靶標基因中選擇一個進行，一個是1ab基因，另一個是N基因。C3U曹操讀書網
前面我們討論時只是提到磁珠與病毒核酸相碰撞就會結合，這其實潛藏了一個前提假設：就是相碰撞后的結合率為接近100%。其原因在于磁珠表面是遍布了對病毒核酸特異性物質，這樣只要與病毒相碰撞，一般就肯定會造成特異性物質與靶標基因的碰撞，從而有效結合。C3U曹操讀書網
但是，如果磁珠尺寸繼續減小，變得遠小于病毒核酸，那么它們相碰撞后，就不一定是特異性物質與靶標基因相碰撞了。這就不一定會帶來雙方的結合。從而就存在相碰撞后的結合率顯著小于100%的問題。磁珠越小，這個結合率就也可能會越小。這樣，磁珠越小，磁珠與病毒核酸碰撞的機率可能會繼續增大，但碰撞后的結合率又會降低。這兩個相反的效應結合起來，最終靈敏度向什么方向變化就不好說了。C3U曹操讀書網
因此，50納米的BNCM磁珠大小與病毒核酸正好是很接近的，結合率接近100%，碰撞機率又可極大化。因此，相對來說，這種磁珠至少是一種接近最佳的方案。C3U曹操讀書網
另外，以上主要是一個粗略的介紹，最終靈敏度還要取決于洗脫液的多少，PCR的靈敏度等等多種因素的綜合作用。但磁珠的確是一個最重要的因素之一。目前公司內部實驗室測試、大量第三方公司和研究單位測試、尤其是實際防疫實踐中的測試結果都充分證明了這一點。例如，前不久華北地區的一次疫情中，在其他試劑測過的結果是陰性的樣本里，采用BNCM試劑居然發現了32例陽性樣本，最終確認都是屬于無癥狀感染者。如果讓這么多無癥狀感染者在生活中多延誤一天，就會多增加成千上萬密接者和次密接者。目前全社會只是在關注因芯片斷供等給中國很多企業造成的問題。事實上，目前在IVD領域是存在類似潛在問題的。磁珠雖然用量很少，卻是核酸試劑等產品的核心原材料。目前國產只是低端的磁珠，由此生產的試劑靈敏度大多比較低，不是不能用，都是到感染者快發燒了才能測得出來。相對較高靈敏度的高端磁珠基本都掌握在國外公司手里，例如美國賽默飛公司等。如果在這個領域國外公司斷供，中國絕大多數核酸試劑就生產不出來了，能生產的只是低端產品。這與芯片相關領域也是非常類似的。28納米的芯片中國可以生產，可是7納米以下的生產工藝，尤其EUV光刻機就完全受國外控制。可是，現在磁珠領域卻出現了完全顛倒過來的局面：當前世界上技術最尖端的BNCM磁珠規模化生產工藝，目前只有中國的國科融智公司掌握，國外還沒有。BNCM就相當于磁珠領域的“7納米以下芯片”，在這個領域，只有中國掌握了商業化的“EUV光刻機”。對今天的中國來說，能扛住別人的斷供和制裁并不算什么，得有能力對別人斷供和制裁。雖然中國社會不斷地在呼吁掌握自主知識產權和自主創新，可是真當中國出現原創技術后卻又看不到、理解不了，一定要等到別人卡脖子的時候才發現問題，這怎么行呢？那就屬于是葉公好龍了。可喜的是：目前，海關系統、國家疾控系統、大型醫療等很多相關單位已經逐步理解并開始批量采用BNCM磁珠相關產品和設備。期待中國的原創科技能更快更好地服務于全社會。 
