基因編輯一定有風險，評測 CRISPR 工具的脫靶率

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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在 2022 年裡，我們見證了低軌通訊衛星在戰爭中的作用、Omicron 肆虐與次世代疫苗、韋伯太空望遠鏡捕捉系外生命印記、銀河中心黑洞初次現身、人類精準回擊小行星、台灣 CAR-T 首例、特斯拉的平價人形機器人、與超強的 LaMDA 跟 ChatGPT AI 語言模型！

2023 年能更刺激嗎？有哪些值得我們關注的科學大事呢？

我們綜合整理了 Nature、Science、Scientific American、NewScientist、富比世雜誌、經濟學人雜誌，結合泛科學的觀察與期待程度，提出這份「2023 最值得關注十大科學事件」；今年的科學界將會熱鬧非凡，令人目不暇給！

No.10 病原體通緝名單

2022 年 11 月，法國科學家在 bioRxiv 上發表了從西伯利亞永凍土中復活的多種病毒；這些「殭屍病毒」中最古老的已經有 48500 歲，在溫度升高後，這些病毒都復甦了過來……。雖然這批古老病毒只能感染變形蟲，但也暗示著，冰層之下存在更多正在休眠、極可能對哺乳動物或人類造成危險的病毒。

隨著氣溫與海溫升高，這些不定時病毒炸彈正在醞釀著。

世界衛生組織將在今年發布修訂後的「重點病原體清單」，至少 300 位科學家嚴謹審查超過 25 個病毒與細菌家族的各種證據，針對目前還未知、但可能造成全球疫情的未知疾病 Disease X 做出預測，擬出一份優先名單。被列入名單的病原體通緝犯將會被重點研究調查，以利未來開發疫苗、治療與診斷技術。

No.9 新一代 mRNA 疫苗

乘著在 COVID-19 大流行間快速成熟的 mRNA 疫苗研發平台，許多疫苗正蓄勢待發。

BNT 在 2023 年初針對瘧疾、肺結核和生殖器皰疹的 mRNA 疫苗開始了首次人體實驗；也與輝瑞合作，研發能降低帶狀皰疹發病率的疫苗。另一家 mRNA 大廠莫德納，也在研發能預防生殖器皰疹和帶狀皰疹病毒疫苗。

除此之外，莫德納開發的黑色素瘤 mRNA 疫苗與默克的藥物合併療法，在去年底公布中期臨床試驗結果，顯示能降低 44% 的死亡率及復發風險，臨床試驗也將在 2023 年進入最後階段。

這些將在 2023 年揭曉的成果，將拓展人類使用 mRNA 疫苗對抗疾病的手段。

No.8 CRISPR 療法獲批准

由於之前的臨床試驗結果很不錯，CRISPR 基因編輯療法極有可能會在今年首次正式通過批准！

這種 exagamlogene autotemcel（exa-cel）療法，是由美國波士頓的 Vertex Pharmaceuticals 和英國劍橋的 CRISPR Therapeutics 公司共同開發。用超簡化的方式來説，治療方法就是先收集一個人自己的幹細胞，接著用 CRISPR-Cas9 編輯修正幹細胞中有缺陷的基因，最後再把這些細胞輸回人體。

Vertex 公司預計會在 3 月向美國 FDA 申請批准，讓 exa-cel 療法可以用於治療 β-地中海貧血或鐮狀細胞病的患者。

然而，隨著療法上市，相關的討論預期也將甚囂塵上……。

No.7 阿茲海默有藥醫

美國 FDA 將在年初宣布，Eisai 製藥公司和 Biogen 生技公司開發的 lecanemab，是否可以用來治療阿茲海默患者。

該藥物就像一台大腦專用的掃地機器人，為單克隆抗體，可以清除大腦中積累的 β 澱粉樣蛋白；在包含了 1785 名早期阿茲海默患者的臨床試驗中顯示，比起安慰劑，能減緩認知能力下降的速度約 27%。不過，有些科學家認為這效果只能說是還好，也有些擔心藥物不夠安全。

無獨有偶，另一款由美國的 Anavex Life Sciences 開發的阿茲海默藥物 blarcamesine，目前也正在臨床試驗階段；它能啟動一種可提高神經元穩定性及相互連接能力的蛋白質，就像是幫神經元升級了連線速度與品質，估計在今年會持續帶來新消息。

No.6 迷幻療法

2023 年，也極可能立下迷幻藥被用於醫療用途的里程碑。

多個相關臨床研究都進展到第三期，例如為 PTSD 創傷後症候群設計的新療法，結合了心理治療與 MDMA 亞甲二氧甲基苯丙胺，也就是所謂的搖頭丸，在臨床三期中，67% 的患者不再被診斷有 PTSD。

而來自迷幻蘑菇的裸蓋菇素，則被用來治療難治型憂鬱症，其臨床二期結果令人鼓舞。233 名難治型憂鬱症患者分成三組，在服用不同劑量裸蓋菇素後，每一組的憂鬱症量表分數都降低；而劑量最重的那組，其降幅最顯著。

最後是 K 他命，竟然成為對抗酒精使用障礙的療法！酒精使用障礙包括酗酒、酒精依賴、成癮等，86% 的臨床試驗病人，在接受新療法後六個月，持續戒除酒精。

然而，也有科學家警告這些樂觀訊息中有炒作成份，就讓我們持續關注吧！

看到這你可能會想，第六到十名怎麼都是跟醫療健康有關的大事件呢？別急！在下一篇中，我們接著介紹更精采的第五到第一名！

也歡迎大家跟我們分享，你知道的、即將在 2023 年發生的科學大事件！

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• 本文與台灣科技媒體中心合作，內文經泛科學改寫。
• 本文轉載整合自台灣科技媒體中心《英國基因編輯技術 ( 精準育種 ) 法案 新聞稿》
• 資料更新至 2022 年 6 月 24 日，完整文章請見上方連結

英國環境食品與鄉村事務部（DEFRA）於今（2022）年 5 月 25 日提出的《基因技術（精準育種）法案》（Genetic Technology (Precision Breeding) Bill），6 月 15 日已過二讀討論，6 月 28 日將進入下一個審議階段。該法案針對精準育種的動植物，以及由這些動植物生產出的食品與飼料，提供開放銷售相關的風險評估。

台灣科技媒體中心邀請專家說明目前的研究與技術，4 位專家皆解釋精準育種技術更能縮短育種作物的時程，並指出該法案可供臺灣參考的面向。

法案修訂，提升糧食生產策略的重要性

臺灣大學生物科技研究所教授 兼 生物資源暨農學院副院長 劉嚞睿 表示，目前各國用基因編輯技術，做為基礎開發的新興精準育種技術產品，管理方式並不一致。所以目前國際上，是否以基因改造生物的規範來管理新興的精準育種技術產品，仍未達成共識，會影響新興精準育種技術產品的開發。

成功大學生物科技與產業科學系副教授 郭瑋君 指出，過去，美國對科技作物相對開放，而多年來歐盟強力反對。英國作為歐洲的三大強權之一，提出此修訂案，開放精準育種作物的產業研發及銷售，反應出此技術不再只是美國自身的國際貿易考量，而是提升未來糧食生產的重要策略。

郭瑋君認為，這對全球有顯著的指標作用，相信此舉也會帶動歐盟未來思量修改相關法案。但郭瑋君也指出，該法案所提的專一基因編輯，在臺灣的精準育種技術只在研究單位進行，以分析作物的基因功能為主，目前仍未發展於產業育種。

郭瑋君表示，精準育種技術可以直接修改植物的基因，因此最大的潛力是可以去除造成植物生長弱勢的基因，而提高生長能力及永續栽培方法的應用。她說，精準育種技術可以顯著縮短育種時程，從 10 年縮短到 1 年半，這在因應氣候變遷造成每年極端氣候，加快培育有抗性的作物品種，有極大的助益。

郭瑋君舉例，自精準育種技術於 2013 年成功改變植物基因後，2017 年美國食品藥物管理局（FDA）即已核準了精準育種可抗旱的大豆、増加含油量的亞麻，及不會變黑的蘑菇上市。

臺灣大學農藝學系副教授 蔡育彰 表示，英國提出修訂精準育種法案，是繼美國、澳洲、日本等國之後，將基因編輯作物與基因改造作物做出區別。

目前已訂定法規中允許的精準育種作物，主要是影響作物本身特定的基因表現。

蔡育彰認為，這種改變原本特定基因表現的作物，與現行一般育種方法所育成的作物相似，若再輔以目前成熟的全基因組定序分析技術，可完整的比對出精準育種作物與對照品種的基因組序列差異，後續相關安全性評估可與過去一般品種育成的流程相似。

臺灣海洋大學水產養殖學系副教授／前系主任 龔紘毅，同時也是執行科技部、農委會與多項產學合作的計畫主持人。龔紘毅指出，精準育種技術幫助我們減少對農藥及抗生素的依賴，減少對環境的影響並改善動物福利，增加動植物的營養價值，從而提高糧食系統的生產力、復原力及可持續性。

龔紘毅說明，臺灣現在發展的精準育種技術有「基因體選育」（Genome selection）與「基因體編輯技術」，前者需要有明顯不同性狀的族群樣品並選育物種，但相對也會投入很高的成本，較適合少數高產量與高經濟規模的物種。

龔紘毅表示，臺灣在農業基因體學和遺傳技術有豐沛的能量及基礎研究，可借鏡英國法規，制定輕度監管的方式，釋放研發及促進農業產業發展的能量，且制定符合台灣最大效益的規則。龔紘毅提到，日本專家及政府在制訂精準育種法規的前瞻性、推廣經驗與鼓勵新創，也值得臺灣加以借鏡學習。

他指出，日本與臺灣均為水產消費大國，日本雖然在基因改造生物（GMO）法規上嚴格管理，但學界與政府認為基因編輯技術在精準育種具有龐大的發展潛力，因此在基因編輯法規超前部署，制定明確且兼顧產業發展與生物安全的法規制度。同時在科學教育及注重新興技術與民眾溝通、宣導和知的權利。

精準育種，相對縮短培育時程

劉嚞睿說明，依臺灣「食品安全衛生管理法」定義，基因改造是指使用基因工程或分子生物技術，將遺傳物質轉移或轉殖到活細胞或生物體，產生基因重組現象。基因改造技術食品含有外源基因，對人體健康與環境生態可能有影響。

不過他舉例，三種基因編輯技術中，其中兩種技術的衍生產品，不含有外源基因。所以除了歐盟仍以基因改造生物的規範進行管理以外，大多數國家認定風險與安全性應與傳統育種無異，故認為不屬於基因改造產品。

劉嚞睿指出，基因編輯技術可在不含外源基因的情況下，精準快速的改變生物體內特定的基因序列，大幅縮短育種時間，帶動新興精準育種技術的發展。但此精準育種技術，透過人為的操控物種基因體，甚至影響物種的基因多樣性，仍引起諸多道德倫理與社會價值的矛盾與衝突。

蔡育彰說明，精準育種使用的基因編輯技術，與傳統基因改造不同，傳統基因改造是經由外加的基因。他指出，實際應用的困難在於，精準育種此技術應用在不同作物、品種和品系上，效率也都不同。由於目前法規允許的精準育種技術有限制 DNA 序列的變異型式，應用於許多現行栽培的作物種類上可能預期效果較有限。蔡育彰也提醒，精準育種技術的應用也需要對目標作物的基因組序列有完整的了解。

郭瑋君指出，基因改造主要技術核心是，永久放置「非植物」的基因片段於農作物體內，如抗病或抗蟲或抗農藥基因，可能來源是昆蟲或細菌，以提高基因改造作物的產量。因此這些外來基因在作物內會產生外來的蛋白質，可能栽種時造成其它生物如昆蟲的生長或演化上的變異，在食用時可能成為人類食物的過敏源。

郭瑋君解釋，精準育種技術是直接去除或變異「植物」本身的基因片段，最終的育種作物不會有外來的基因或蛋白質。

龔紘毅解釋，精準育種中的基因編輯技術，讓科學家能幫助農民和生產者開發出有益處的植物和動物品種，這些也能通過傳統育種和自然過程發生，但基因編輯可以更有效和更精準的大幅縮短選育新品種所需的時間。

台灣科技媒體中心表示，目前英國的精準育種技術仍屬於基因改造生物（GMO）法規的監管下，若此法案通過，將有利於精準育種技術與產業發展，但是，使用精準育種技術的作物是否納入或獨立於「基改作物」的法規規範，仍待持續關注與討論。雖然英國、紐西蘭、澳洲等都有專家長年持續的討論基因改造作物與基因編輯作物的技術，但在臺灣仍十分缺少對此科學議題的專業看法與討論。

台灣科技媒體中心總結，透過科學家說明目前的研究與技術，能幫助在科學技術被誤解之前，提供正確的資訊以利討論。雖然這次是在英國提出的精準育種法案，但未來臺灣若有相關發展，也可以做為參考的資料。