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生长在固体培养基上的菌落
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从免疫学的建立到病原体免疫检测技术
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英文中的“免疫”一词是immune，来源于拉丁文immunis，本义是“免除税收”“免于疫患”。随着十八、十九世纪牛痘疫苗、炭疽疫苗和狂犬疫苗等疫苗的发明，人类对免疫机制的研究越来越深入。
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1883年，俄国生物学家以利·梅切尼科夫（Elie Metchnikoff）发现了白细胞的吞噬作用并据此建立了细胞免疫（Cellular immunity）学说，提出人体内的免疫细胞能消灭入侵的病原体。1890年发现的白喉抗毒素（diphtheria antitoxin）和1894年发现的补体（complement），则成了支持体液免疫（humoral immunity）学说的重要论据。体液免疫学说提出，病原体中的某些物质可作为抗原引发免疫反应，导致B细胞产生抗体，清除体内的抗原。当时的学术界曾为人体免疫力来自细胞免疫还是体液免疫争论不休。后来的研究证明，细胞免疫和体液免疫都是人体免疫的一部分，两者相辅相成。1908年，细胞免疫学说的建立者梅切尼科夫和体液免疫学说的代表人物保罗·埃利希（Paul Ehrlich）共同获得诺贝尔生理学或医学奖。
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基于免疫学中的抗体与抗原特异性结合的原理，多种免疫检测技术相继诞生，包括凝集反应（agglutination test）、免疫沉淀反应（Immunoprecipitation）、放射免疫检测技术（Radio-immunoassay，RIA）、免疫荧光检测技术（Immunofluorescence technique）、酶联免疫检测技术（Enzyme-linked Immunosorbent Assay，ELISA）、固相膜免疫技术（solid phase membrane-based immunoassay）等。在病原体免疫检测中，根据患者体内的病原体能否与特定抗体结合，便可判断病原体的种类。
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酶联免疫检测技术：待检测的抗原能与已有抗体特异性结合，便会发生显色反应
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从DNA双螺旋的发现到病原体核酸检测技术
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1953年DNA双螺旋结构的发现，开启了分子生物学时代，使人类对病原体的研究从形态学层次深入到分子层次。基于分子水平的核酸检测技术渐渐成为病原体检测的主流。它不必预先对病原体进行分离培养便可直接检测，方便快捷，而且灵敏度更高。
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核酸检测技术是基于核酸双链互补配对原则的核酸杂交技术，技术人员合成一段与特定病原体DNA或者RNA互补的单链核酸序列作为探针，并用生物素、放射性同位素、酶等进行标记，让其与待测病原体的核酸进行杂交。如果探针能与待测病原体的核酸互补配对，便能观察到标记物的信号，这样就可以证实待测病原体的种类。20世纪七八十年代发明的northern blot技术、southern blot技术、放射性核素标记（isotope labelling）技术、点杂交（dot blot）技术、限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphism，RFLP）分析技术、荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridi-zation，FISH）技术等，都属于核酸检测技术。这类检测技术的特异度和灵敏度均较高，对感染性疾病的早期诊断有至关重要的意义。
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然而，有时因为患者体内的病原体核酸含量过低，检测时会有一定的难度。20世纪八九十年代，PCR技术的应用使待检测的病原体核酸数量可以成千上万地扩增，大大提高了核酸检测技术的应用性和准确性。
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示意图：探针与病原体核酸互补结合后，探针上的标记物便会显色，通过观察病原体样本是否显色即可确定病原体的种类（绘图：李靖）
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从测序技术的发明到病原体宏基因组检测技术
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测序技术发明后，人类获得了窥探生命遗传本质的能力，自此步入基因组学时代。而20世纪70年代DNA测序技术的发明，为感染性疾病的精准诊断和精准治疗奠定了基础。随着科技的发展，各种病原体检测技术相继问世，为感染性疾病的预防、诊断和治疗提供了极大帮助。
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Sanger测序技术的主要优点为测序读长长、准确性高，但也存在测序成本高、通量低等方面的缺点。这些问题严重影响了该技术的大规模应用。经过不断的技术开发和改进，高通量测序技术诞生了。高通量测序技术不但大大降低了测序成本，还在保持高准确性的同时，大幅度提高了测序效率。
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根据高通量测序技术速度快、相对成本低的特点，哥伦比亚大学的Lipken实验室和华大基因的陈唯军教授发明了基于宏基因组的高通量测序技术，从2012年起率先采用该技术对临床疑难感染性疾病和新发感染性疾病进行病原检测与鉴定。
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近几十年来新发感染性疾病不断增加，其原因包括：现有病原体经过变异形成新的病原体，已被控制的病原体由于产生耐药性或者公共卫生条件的衰退而重新出现，人员流动导致病原体跨国传播，原先未被发现的病原体入侵人类社会等。部分新发感染性疾病如非典、埃博拉、H7N9禽流感等，传播速度快、波及范围广，具有严重的社会危害性。而人类对新发感染性疾病所知不多，在疾病出现之初不但缺乏成熟的防治方法，有时甚至难以诊断其病原体。
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在这种情况下，运用mNGS技术可以帮助医生对新发、疑难感染性疾病进行诊断，快速明确感染病原，及时对患者进行精准治疗。
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2017年6月，一位菲律宾籍船员在唐山港口出现头痛、意识障碍、左半身偏瘫的症状。院方和华大基因采用mNGS技术，仅用了30个小时便从患者脑脊液样本中检出结核杆菌，证明患者感染的是结核性脑膜炎。明确病原之后，院方立即进行了针对性治疗，患者于7月中旬顺利出院回国。
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2017年6月，一位江西的养猪场女工被猪圈污水泼溅入眼后出现头痛、发热等症状。在对患者的眼玻璃体液和脑脊液进行mNGS技术检测后，发现患者眼玻璃体液中含有猪疱疹病毒（SuidHerpesvirus-1，SuHV-1）。这种病毒以猪为自然宿主，虽然发生过个别疑似跨物种感染人类的病例，但之前并没有确诊的病例。为了进一步确认，院方把患者体内的病原体与猪圈中提取的猪疱疹病毒进行DNA比对，发现此病例确实是猪疱疹病毒跨物种感染人类，并对患者进行了精准治疗。
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2019年8月，利奇马台风袭击浙江沿海地区，洪水中含有大量的泥土、腐烂垃圾、细菌、寄生虫，容易造成疾病传播。一位灾区居民在台风后出现高热、呼吸急促等症状，进而发展到大咳血及呼吸困难。mNGS技术检测到患者体内的钩端螺旋体（Leptospira），这可能是患者接触污染水源时感染的病原体。经过及时的针对性治疗，患者病情明显改善。
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从高新仪器的发展到病原体POCT检测技术