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自散播疫苗、無人機與遠端診療:五個領域十五種可用於對抗疫情的新科技

Aaron H._96
・2020/02/22 ・2080字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 617 ・十年級

3D列印的藥物、自散播(self-spreading)疫苗、無人機與機器人,將如何成為人類面對大規模疫情時的新武器。

新型冠狀病毒的全球即時病例數看板。

進入二十一世紀之後,由於全球化的盛行,全球的感染疫情事件也越來越頻繁。SARS、MERS、伊波拉、流感等幾次的重大疫情,都讓全球的公衛體系不斷受到考驗。讓跨領域的多種新科技有機會投入防疫工作,成為現代公共衛生在預警和治療上搶得優勢的重要武器。例如約翰霍普金斯醫學中心的全球維安中心( JHCGS, Johns Hopkins Center for Global Security),就有許多研究人員,正嘗試將其他領域的新科技融入防疫工作。

下方將整理已經有所成果,在不久的未來,就可以大規模應用於五大防疫領域的 15 種新科技。

一、偵測疾病、疫情監控、情境感知(Situation awareness)

由於全基因定序技術 CRISPR 基因編輯技術的價格大幅下降與普及,讓分子生物學家能夠在更短的時間,就掌握大範圍跨度的基因序列資訊,搭配資料視覺化工具,能夠讓跨國研究人員共同合作,加速研究時程。

利用多台無人機組隊所串聯的聯合平台,已經能夠做到半自動化起降、連續執行人群監管或是遠端投送藥物的任務。例如無人機搭配特殊的熱成像(Thermography)、機載成像光譜儀(AIS, Airborne Imaging Spectrometer)或是近紅外線感測儀,配合標準化植被指數(NVDI)與演算法,能讓農夫初步了解植物的健康狀況,掌握疫情發展。

農業新創公司 Gamaya 透過無人機,大規模監控作物的健康狀況。

二、感染性傳染疾病的診斷技術

微機電系統( MEMS, Microelectromechanical systems)技術的進步,奈米等級以下的微機構已經陸續開發使用,例如微閥門或微混合器等等。運用這些技術,能夠組成微流體(Microfluidic)系統,使研究人員只需極少量的樣本和微量的高價試劑,操控微小液珠相互混合和分散,減輕人工與時間的消耗。相關的技術也造就了拋棄式生物晶片的發展,使得床邊的即時檢測(POCT, point of care)裝置更為普及,讓臨床人員能更快得知檢測結果,加速臨床判斷。

以往笨重的質譜儀,現在也有手持式的商業版本,可以即時做出分析;液態切片檢驗(Liquid biopsy),則能偵測細胞外游離的遺傳物質(cfDNA),這項技術不只用在癌症的篩檢,未來也可能用於偵測體內病原體的遺傳物質。

攜帶式氣相層析質譜儀

三、分散式的新型醫藥材製造技術與合成生物學的發展

和傳統由藥廠、研究中心或政府等機構所發動的集中式生產不同,3D 列印技術的進步,降低製造門檻,使得更多單位能夠製造少量、配合個人需求的客製化醫材零件。3D 列印技術甚至能應用於藥品製造,做出更快速溶解的藥物,讓老人和小孩更願意吞服藥錠,也加速藥物作用。

分子生物學的進步,帶動了整合工程邏輯和生物科技的合成生物學 (Synthetic biology) 也有了極大發展。未來的研究者將能夠操控各種細胞、細菌、病毒,透過模組化的 DNA 元件和基因迴路(Gene circuit),串聯成各種邏輯控制單元或是微小工廠,在體內就有可能自行合成疫苗成分等重要的分子結構。

美國通過的第一款3D列印藥物 Spritam® ( levetiracetam)

四、防疫策略、傳播和管理的方式大幅改變

如何快速提升疫苗接種率,一直都是防疫的一大重點。許多疫苗都還需要仰賴醫護人員透過各種管道接種,這對於開發中國家或是偏遠地區的居民,有執行上的困難。微針陣列貼片(Microarray Patches)有體積小、能夠長期在室溫下保存的特色。使用貼片的方式極為簡單直覺,不需要受過特殊醫療訓練也能使用。使用過程沒有任何痛感,使用後微針頭會自行消融,也沒有處理針頭的問題。目前已經有麻疹疫苗的版本,未來也許也能應用到其他疫苗。

另外用在動物領域多年的自散播(self-spreading)疫苗、基因轉殖的細菌、mRNA疫苗 、DNA 疫苗等新型的疫苗設計,也能加速群體免疫力的散佈和疫苗開發時程。

五、遠距照護科技與攜帶式呼吸器

在多種 IoT 裝置和影像設備的普及後,遠距醫療已經是相當常見的臨床情境。1月15日,美國華盛頓州一處專門處理高傳染性疾病的病房中,收治了美國的第一例新型冠狀病毒患者。原本這些病房是針對 2017 年伊波拉病毒疫情使用,因此備有專門應用在隔離室與病人對話溝通的影像機器人,能夠避免醫療人員,因為照護病患受到感染。

另外像是 SARS 或是新型冠狀病毒的重症患者,通常會需要盡早插管,給予呼吸治療。傳統的呼吸器體積龐大且價格高昂,醫院很難在幾天之內,回應大量湧進的重症病患。攜帶式的呼吸器雖然功能較陽春,但價格低廉,方便攜帶,甚至能發配到基層診所或是救護車,讓病人盡早插管的同時,也減輕醫院調度呼吸器的壓力。

攜帶式的呼吸器

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Aaron H._96
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非典型醫學人,既寫作也翻譯,長期沉迷醫療與科技領域。


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人類的遠古好兄弟:認識鯊魚的「適應性免疫系統」——《我們為什麼還沒有死掉?》

麥田出版_96
・2021/10/23 ・1867字 ・閱讀時間約 3 分鐘

• 作者/伊丹.班—巴拉克
• 譯者/傅賀

你可能聽過這個說法:鯊魚不會得癌症。事實上,牠們的免疫系統接近完美,牠們幾乎不會得任何疾病,牠們的免疫系統在過去幾億年裡都沒多大變化。是不是很神奇?

可惜,這都是無稽之談。沒錯,鯊魚的免疫系統非常驚人,全身分布有許多有趣而且有效的抗菌和抗病毒分子,牠們患癌症的概率也的確比人們通常預計的更低,但是鯊魚仍然會患上各種疾病,包括腫瘤。除此之外,數百萬隻鯊魚每年死於愚蠢。不是牠們自己的愚蠢(就智力而言,鯊魚還行),而是人類的愚蠢,特別是那些認為鯊魚軟骨產品可以「提高免疫力」、抗發炎甚至抗癌的江湖郎中。那種認為「鯊魚有完美的免疫系統」的觀念是由那些想透過賣軟骨藥而大賺一筆的藥商推動的,這背後的研究也不可靠。真正的科學研究已經揭穿了這些騙人的鬼把戲,但是依然有人在獵殺鯊魚,依然把它們的骨骼碾碎,當成「神奇的藥方」。

所謂「鯊魚的免疫系統從未改變過」的說法也經不起推敲。根據化石證據,我們的確發現今天的鯊魚跟牠們幾億年前的祖先「看起來 」 沒什麼差別,顯然,這讓一些人認為,鯊魚在其他方面也沒有任何變化。但這裡有一個重要區別:鯊魚的體型解決的是在水中穿行的問題;鯊魚的免疫系統解決的則是對抗病原體的問題。水沒有發生演化,但是病原體卻一直在演化。想必你明白我的意思了。

模樣特別古老的皺腮鯊(Chlamydoselachus anguineus)。圖/WIKIPEDIA by Citron

鯊魚有適應性免疫系統,也有完整可辨認的 T 細胞、B 細胞、抗體,以及各種其他組成。鯊魚跟人類的適應性免疫系統有許多差異,畢竟,我們分開的時間已經很久了。不過,牠們在許多基本的細節上跟我們類似,我們可以自信地說,某種類似的適應性免疫系統在四億年前(我們分開的時候)就已經出現並且發揮功能了。

牠們選擇留在水裡,發育出可以替換的鋒利牙齒,追逐魚類,而我們(更準確地說,是那些不再是硬骨魚的我們)則爬到岸上,失去了鰓,發育出了四肢,又過了許多年,我們回到海裡,拍攝了多部關於鯊魚及其鋒利牙齒的驚悚電影。儘管如此,我們的免疫系統提醒我們,在不同的外表之下,鯊魚和我們其實是失散多年的兄弟

但是,讓我們沿著演化史再往回走一步,來到所有的脊椎動物分成兩類—有頜與無頜脊椎動物—的時間點。你也許沒聽說過還有無頜脊椎動物;老實說,這一類生物後來活得不太好,只有兩個科的動物避免了滅絕的厄運,活到了今天:七鰓鰻和盲鰻。這兩種動物長得都比較搞笑,牠們看起來像是努力要長成魚,但是好像不太合格,直到最近,人們一直都認為牠們並沒有適應性免疫系統

屬於無頷類的盲鰻,是韓國炒魚菜的原料。圖/WIKIPEDIA

也許牠們不需要:第一批有頜脊椎動物可能是掠食者,而掠食者往往會活得更久,後代更少,而且一般更注重質而不是量。同樣可以推斷,牠們在演化過程中對感染的抵抗力更強。鯊魚、人類、其他魚類以及所有有頜脊椎動物都有一個胸腺和脾臟,而且在各個物種裡無論是形狀還是功能看起來都比較類似,但是七鰓鰻和盲鰻就沒有。研究人員仔細檢查了無頜脊椎動物的基因組,發現牠們也沒有 T 細胞、B 細胞或者抗原受體的重組基因。但是問題在於,牠們實際上是有適應性免疫系統的—只是跟我們的不一樣而已。

這一點其實意義重大。我們以為我們的適應性免疫系統相當特殊,但是我們現在看到,適應性免疫系統在脊椎動物中似乎出現了兩次,而且是獨立演化出來的。

這也許是一種經典的趨同演化(convergent evolution):正如鳥類和蝙蝠各自以不同的方式演化出了翅膀,無頜脊椎動物使用一種和我們一樣的隨機重排機制,來增加抗原受體基因的多樣性,但是牠們使用的是跟我們這些有頜脊椎動物完全不同的一套基因,這種重排機制使用的是不同的酶,做著完全不同的事情。同樣地,牠們的淋巴球類型跟我們的也不一樣。不過,牠們的免疫系統看起來跟我們的一樣有效。

——本文摘自《我們為什麼還沒有死掉?》,2020 年 9 月,麥田出版

麥田出版_96
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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。
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