0

1
0

文字

分享

0
1
0

你所不知道的核酸:足以取代抗體搜尋功能的「適體」是什麼?有什麼作用?

活躍星系核_96
・2019/05/09 ・3182字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 595 ・九年級

什麼是適體?

提到 DNA 與 RNA,大家腦海裡第一個浮現出來的就是生物課的內容吧:

DNA 以具備 ATCG 四種不同含氮鹼基的核苷酸來記載生物遺傳資訊,而 RNA 負責翻譯這些遺傳資訊,進而製造生物體的一切構築原料。

但是 DNA 和 RNA 就只有像字典和翻譯機的功能嗎?如果你把他們想像的這麼簡單,那可是大錯特錯喔。他們可還有精確搜尋出目標的偵探能力呢!

你腦海中浮現的 DNA 是不是長這樣。圖/ Pennsylvania State University

首先,在你認知中的核酸構型長怎樣呢?所聯想到的大概就是那看起來神秘又唯美的雙股螺旋狀。因為許多影視作品的推廣,在大眾的印象中,DNA 的形象和雙股螺旋已經合而為一了。的確,配對後的 DNA 序列經 X光晶體分析是雙股螺旋狀,這在當時還是轟動世人的重要發現呢!

但那只是 DNA 做為遺傳物質時的一種經典樣貌。事實上,單股核酸在不同序列的組合下也是有千變萬化的構型。就如同人體內的 RNA 就根據不同的功能而有著不同構型,甚至也有些特殊構型具備酵素的相似功能,被稱為核酶(ribozyme)

而不同的核酸序列能產生不同構型,這個特性是不是就跟我們熟知的蛋白質一樣呢?沒錯,蛋白質也透過不同胺基酸組合,產生許多具功能性的構型,並成為所有生物體內生化反應進行的必要推手。於是就有些人想到了,既然如此,我們何不使用核酸的這個特性發展成工具使用呢?

特定構型的適體可以與目標物專一性結合。圖/ Hongguang Sun

在 1990 年,Szostak 及 Gold 實驗團隊便分別發展出了類似的篩選技術,可在體外篩選、分離並放大特定的 RNA 序列片段。這些序列片段構型可以如探針一樣,專一性地辨識目標物。而這些具辨識能力的 RNA 片段就被 Szostak 實驗室命名為 aptamer,取自拉丁文 aptus,有適合的意思。由 Gold 實驗室提出的篩選方式則被命名為 systematic evolution of ligands by exponential enrichment,可譯為配體指數增長系統進化技術,也就是後人泛稱的SELEX

在兩間實驗室發現了 RNA 具備的特殊能力後不久,DNA 也被發現可做為適體的原料。在後續20多年的研究發展更證實了適體在生物檢測與醫療領域上的諸多可能性,也陸續吸引了許多實驗室繼續投入研究。

適體V.S. 抗體

說到適體能專一性辨識目標分子的能力,這聽起來是不是很熟悉?

沒錯,適體跟抗體都能經適當設計後,成為生物檢測的工具。但是抗體的發現早了適體將近百年,無數的研發成果讓抗體早已成為生物檢測市場上的老大哥了。那做為後起之秀的適體,究竟有什麼優勢之處能與抗體一較高下呢?不妨讓我們一同瞧瞧。

  1. 適體對於給定的任何目標特徵都有高度的特異度與親和力,範圍從小分子到較大的蛋白質,甚至連整顆活細胞都在他的守備範圍內。使適體具有發展成廣範圍生物感測工具的潛力。而抗體只能辨識具有免疫活性的分子,泛用度上就有相當大的差距。
  2. 適體被篩選出來後,其後續生產原料來自商業來源,可以固相合成技術在數小時內批量生產,並同時具有高重現度與純度。反觀一般抗體藥物需要由哺乳動物細胞培養,且從生產製造到純化需耗費數天至數月。時間成本上抗體輸了一大截。
  3. 與蛋白質構成的抗體或酵素相比,DNA構成的適體具有高度化學穩定性,不易因酸鹼熱等環境因子而破壞活性。但是未經過適當化學修飾的適體在血液中將面臨核酸酶的破壞,未能如抗體一般穩定存在。
  4. 適體在與目標結合後,構型會有顯著的變化。使它可以被設計成更為靈活的生物檢測器,並有高度的偵測特異度與選擇性。

既便宜又多用途,使適體成為十分有潛力的發展目標。然而適體也有其弱點:雖然有好的化學穩定性,但由於其小分子量使其生物穩定性較差。體內半衰期短限制了適體在臨床應用上的發展。且傳統的 SELEX技術無法預測適體和目標分子結合的位置,與結合後的具體作用功能。因此短時間內,適體還不能動搖已經有穩健根本的抗體檢測市場,但相信假以時日,這些技術層面的障礙也將被孜孜不倦的研發人員們突破。

適體與抗體的各項比較。表/ 修改自DOIT 經濟部技術處

適體的誕生之路—SELEX

介紹完了適體,那麼回頭來看看SELEX。究竟是經過怎樣的流程,能讓一般的核酸分子大翻身變成大家眼中生物檢測界的明日之星呢?

SELEX可大致分為三個流程:

篩選出可結合目標的配體序列:

目標會與核酸序列庫內各種隨機的單鏈核酸序列作用。藉以找出能與目標物結合的適體。在這個階段,平均可以從 10到 1013 的隨機序列中找到一條能結合上目標物。

分離出有結合到目標物的適體:

在第一個步驟後,將未結合上目標物的核酸分子分離,再將有結合的適體與目標物分離並收集起來。

放大適體數量:

收集完的那些適體分子,再進一步以聚合酶連鎖反應(PCR)的方式放大其數量。

透過重複這三個步驟的流程,並在每一次循環中,調整培養的時間、溶液的性質、目標分子的數量等方式,使篩選條件更加嚴苛。以篩選出真正具高度專一性與親和力的適體分子。

並且,做為保險機制,會在前期的某次循環中進行反向篩選,即以另一種跟目標物有相似處的不同物質進行篩選。而這次篩選出有結合的那些適體分子會被判定不及格,只留下沒結合上的適體分子。這個步驟的目的是要篩去那些雖然有親和力但是專一性不高的適體。

通過了如此層層關卡後篩出來的極少數核酸分子,才是真正符合我們要求的高品質適體。並進一步應用到生物檢測或其他用途。

以SELEX技術篩選適體。圖/ DOIT 經濟部技術處

適體在臨床與科學應用上有著許多抗體所沒有的優勢,雖然目前市場上適體的相關產品較為罕見,一方面因為過去SELEX的技術受到專利的保護,只有少數公司享有開發產品的權利;另一方面,適體要從實驗室跨足到商業應用也仍有許多問題需要克服。

相較已經熟為人知並有成熟體系的抗體,適體的產品仍舊較為弱勢。但期待隨著各項適體相關專利的解禁,更多的實驗室投入適體的改良與開發,未來適體能夠成為臨床與科研領域發展上的強力推手!

參考資料

  1. Shiping Song, Lihua Wang, Jiang Li, Chunhai Fan, Jianlong Zhao (2008). Aptamer-based biosensors. Elsevier. doi: 10.1016/j.trac.2007.12.004
  2. Subash Chandra Bose Gopinath (2007). Methods developed for SELEX. Analytical and Bioanalytical Chemistry.
  3. Regina Stoltenburg, Christine Reinemann, Beate Strehlitz (2007). SELEX—A (r)evolutionary method to generate high-affinity nucleic acid ligands. Elsevier. doi: 10.1016/j.bioeng.2007.06.001
  4. DOIT 經濟部技術處(2017)—產業技術評析 核酸適體(Apatamer)新藥研發商機

 

文章難易度
活躍星系核_96
759 篇文章 ・ 70 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


0

0
0

文字

分享

0
0
0

研究指混打 AZ 與 BNT 疫苗效果拔群!感染率比接種 2 劑 BNT 更低

台灣科技媒體中心_96
・2021/10/22 ・2347字 ・閱讀時間約 4 分鐘

2021 年 10 月 21 日,國際期刊《自然》(Nature)公開一篇法國里昂國際傳染病研究中心(Centre International de Recherche en Infectiologie Lyon, CIRI)的研究,探討混合施打 AZ 與 BNT 兩種不同廠牌的新冠疫苗後,產生細胞免疫的特性與效果。研究觀察 13,121 名護理人員的真實世界數據,發現混打 AZ 與 BNT 疫苗,比起施打兩劑 BNT 疫苗,可更好的預防新冠病毒引起的嚴重急性呼吸系統綜合症。

研究團隊為瞭解混打這兩種疫苗的機制,觀察兩種疫苗不同的施打組合,發現兩種組合都可以引起很強的抗體反應,而混打疫苗的個體,血清中抗體都有更強的中和能力。此增強的效果,與轉化、活化 B 細胞辨認新冠病毒受體結合區域(Receptor Binding Domain, RBD)的頻率上升有關。

比起第一劑的 BNT 疫苗,AZ 疫苗引起的 IgG 反應較弱,但引起 T 細胞的反應更強,作者認為這可解釋兩種疫苗混打後效果較好的原因。研究結論也提到,混打的方式可能特別適合免疫功能較低下的人。

我們對於混打的瞭解有多少?

國家衛生研究院感染症與疫苗研究所副研究員級主治醫師齊嘉鈺表示,先前許多針對疫苗混打的研究規模比較小,參與人數大多僅數十人到數百人;研究方向著重在免疫反應的差異,而非真實世界的保護力;實驗方法也有限制,例如,分析中和抗體時所用的是替代指標或是人工假病毒中和試驗,而非活的新冠病毒,因此對預測真實臨床病毒的中和能力仍然會有一些疑慮。

最近有另一篇剛剛發表刊登在 Lancet 的報告,是來自瑞典全國性大規模的疫苗混打研究結果,該研究總計納入超過 10 萬名接受 ChAd(腺病毒載體)/mRNA 疫苗混打者與 43 萬名完成兩劑都是接種 ChAd 疫苗者進行保護力的分析。結果發現,疫苗混打組確實對有症狀感染具有更高的保護效果,但是並未深入剖析相關的免疫機制。

齊嘉鈺指出,本文是來自法國的研究,對象是 1 萬 3 千多名醫護人員,其中 2,500 多名接受混打(ChAd/BNT),另外 1 萬多名兩劑皆施打輝瑞 BNT162b2 疫苗。相較於其它文獻,這一篇研究除了分析對感染的保護力差異外,更清楚探討混打疫苗所誘發的免疫機制。

感染率比較:混打組 0.42% < 0.71% 兩劑BNT

台灣兒童感染症醫學會理事長邱南昌指出,研究比較 10,609 名間隔四週施打兩劑 BNT 疫苗,和 2,512 名第一劑施打 AZ 疫苗 12 週後第二劑改用 BNT 疫苗者,發生 COVID-19 感染的情形,以及免疫系統的反應情形。兩劑都打 BNT 疫苗組感染的發生率是混打組的兩倍(0.71% 比 0.42%)。作者還檢驗了多種免疫反應,只打完第一劑後,AZ 疫苗產生的抗體濃度較 BNT 疫苗低;但施打完兩劑後,有些抗體濃度就相似,有些則是混打組較高;在記憶細胞方面,混打組也產生較多。

邱南昌表示,這些免疫反應,可以解釋為何混打的人,能夠降低更多的感染風險。對於變種病毒也是混打組有較好的免疫反應。與過去只是驗抗體濃度,此篇有現實世界的資料,也較之前研究做了更深入的免疫反應檢驗,證實第一劑 AZ 疫苗第二劑 BNT 疫苗,可以得到比兩劑都打 BNT 疫苗更好的效果。

輝瑞 BNT 疫苗。圖/Wikipedia

混打後的免疫反應能維持多久?仍未有結論

邱南昌也說,此篇沒混打組的兩劑 BNT 疫苗是間隔四週,但混打組兩劑間是間隔 12 週。之前的資料就顯示第二劑間隔較久才施打,產生的抗體濃度較高。但由此研究檢驗多種免疫反應的結果看來,時間間隔應不是唯一理由,還有其他可顯示有混打對免疫反應增強的理由。此外,不同地區不同的流行狀況,會影響保護力的研究結果,但免疫反應應是差不多。

齊嘉鈺則補充,研究對象都是醫護人員,因此結果要外推到其他一般大眾,包括更廣的年齡層、潛在疾病等,還需要更多的證據;工作性質不一樣的醫護人員之間暴露於病毒的風險也不同,也可能影響兩組疫苗保護力的結果;免疫機制的實驗僅追蹤至施打完第二劑後 4 週,所以,混打後的免疫反應能維持多久、何時會降低、需不需要再追加第三劑,也還沒有結論。

若開放混打,我該衝一波嗎?

本文有幾項重要結論:

  1. 兩劑間隔 12 週,有順序的混打(ChAd/BNT)疫苗確實比間隔 4 週施打兩劑 BNT 疫苗對降低感染提供更好的保護力。
  2. 兩種組合都刺激了很強的抗棘蛋白抗體反應,但混打可以誘發更強的中和抗體,即使是針對不同的 SARS-CoV-2 變種病毒。這種增強的中和抗體反應與可以辨識受體結合區域(RBD)的記憶 B 細胞持續的成熟及活化有關。
  3. 第一劑施打 ChAd 疫苗後比 BNT162b2 疫苗誘發的抗體反應弱,但卻有更強的 T 細胞反應,可以解釋兩種疫苗混打使用時的互補性。

這個結果再一次為混打疫苗的保護力提出更多的科學證據,同時也特別對一些免疫功能低下,如器官移植的患者,提供更好的疫苗接種選擇建議。

COVID-19 有多種疫苗,陸續有研究顯示混打可能誘發不同免疫反應,得到比單一疫苗更好的保護力。但是疫苗種類繁多,混打方式的排列組合更多樣,目前只有少數方式有確切數據可驗證。

我國根據我們各種疫苗的供應量和已經發表的研究資料,有可能會逐漸開放准許混打的種類。但是就本研究的資料看來,即使不混打也仍得到相當不錯的保護力。所以其實也不必執著於是否要混打,有什麼疫苗能打就打什麼,反而是最簡單的選擇。

研究文獻

※為了盡快了解研究的重大發現,此為 Nature 期刊提供的未經編輯文章,在最終發布完稿之前,研究者還可能修正文章內容。

台灣科技媒體中心_96
1 篇文章 ・ 3 位粉絲
台灣科技媒體中心希望架構一個具跨領域溝通性質的科學新聞平台,提供正確的科學新聞素材與科學新聞專題探討。
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策