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中研院抗疫大作戰:四大疫苗平台分頭合擊!候選疫苗已製備,即將進入動物實驗

研之有物│中央研究院_96
・2020/04/07 ・3878字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 560 ・八年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯/歐宇甜、美術編輯/林洵安

(最後更新:2020 / 03 / 25)

新型冠狀病毒 (COVID-19) 全球延燒,在疫情爆發當下,最急切的是找到檢驗試劑和有效藥物,但長期來說,疫苗才是完勝新興傳染病的解方。

尤其新冠肺炎 (COVID-19) 可能流感化,疫苗在未來防疫工作上愈形重要。中研院內數間實驗室正分頭並進,與詭詐多變的病毒搶時間。

但,到底還要多久才有疫苗可用呢?

生物醫學科學研究所胡哲銘長聘副研究員說明:中研院內已有候選疫苗,4 月將進入動物實驗,但疫苗研發不可躁進,以免引發嚴重後果。跟著研之有物一起來了解!

新冠肺炎可能流感化

新冠肺炎和 SARS 都是源自冠狀病毒,但不像 SARS 的高致死率、低傳染率。

新冠病毒的「生存策略」為低致死率、高傳染率,可能轉變成如流感般持續存在、周期循環的傳染病,未來防疫非疫苗不可。

新冠病毒為什麼這麼容易傳染?它的外觀與 SARS、MERS 等冠狀病毒類似,外套膜上具有「皇冠」狀突起的棘蛋白 (spike protein),也是攻入宿主細胞的主要武器。

但新冠病毒更狡猾,它的棘蛋白與人體細胞的親和力,比 SARS 病毒高出 10 ~ 30 倍,換句話說,不需要大量病毒即足以入侵人體,雪上加霜的是,當人體遭到感染,可能長時間沒症狀,但帶有傳染力,大大增加防疫的難度。

因此,新冠病毒雖然致死率不高,但因著超強傳染力,令人擔心它會如 1918 年西班牙流感般在全球造成大流行,幾億人被感染、幾千萬人死亡,全面癱瘓各國醫療體系。

果真如此,未來唯有研發出有效疫苗,而且多數人都能施打得到保護,才算徹底控制疫情。

新冠病毒在電子顯微鏡下的影像,表面突起的棘蛋白,是它們進攻細胞的重要武器。 圖/iStock

中研院疫苗團隊,分頭合擊!

中研院數間實驗室正以自身經驗和專長出發,分頭研發不同種類的疫苗,以期及時找到最好的解方。

研究者常以病毒最外層的物質當作抗原,以刺激人體免疫系統,產生相對應的抗體,讓免疫系統「記住」病毒,未來即可辨識、中和與消滅病毒,例如:冠狀病毒表面能侵入細胞的棘蛋白,即是製作疫苗的重點之一。

中研院分子生物研究所的趙裕展研究員致力於「次單元疫苗」,即使用冠狀病毒外圍棘蛋白作為抗原,因為只利用了新冠病毒的部分結構、不需用到整顆病毒,比起活毒或減毒疫苗來說,相對安全的多。

農業生物科技研究中心蕭培文研究員則著手「類病毒顆粒疫苗 (virus-like particle,VLP)」,先將病毒部分基因轉殖到特定細胞中,讓細胞生產類似病毒顆粒的一種「空殼」蛋白質—-如基質蛋白(matrix protein,為病毒外套膜內的一層構造),裝上病毒表面的棘蛋白抗原,製造一顆顆宛如病毒「立體雕像」的空殼粒子,但內部不具遺傳物質的「假病毒」。

分子生物研究所的張雯研究員則另闢蹊徑,研發「減毒牛痘病毒疫苗」,概念是:以基因重組技術製造突變的牛痘病毒,減弱其毒性、傳染力,再讓牛痘病毒去表現棘蛋白,偽裝成新冠病毒。

中研院生醫所的胡哲銘長聘副研究員則研發可模仿冠狀病毒的「奈米疫苗」,以生物性原料製作中空奈米粒子,外面黏上新冠病毒的棘蛋白(次單元抗原),內部裝入可刺激免疫系統反應的佐劑,調整免疫系統對於次單位抗原的反應,減少過敏。

目前已經找到候選疫苗,打在老鼠身上可產生抗體,即將進入下一步動物實驗階段。

(關於冠狀病毒奈米疫苗請見:新冠肺炎疫苗研發大直擊!假扮冠狀病毒的奈米疫苗-專訪胡哲銘

資料來源/胡哲銘
圖說設計/黃曉君、林洵安

製備出候選疫苗,接下來的關鍵是細胞及動物試驗的建立。

新冠病毒可以感染人體,卻不容易感染一般實驗動物,所以必須備製可模擬新冠病毒感染的動物模式。

目前,生醫所陶秘華研究員正緊鑼密鼓修改實驗小鼠的基因,生產可被新冠病毒感染的基改老鼠,提供其他研究員測試候選疫苗的安全性和保護力。

生醫所林宜玲研究員也積極建立病毒培養及測試平台,以提供病毒來源……疫苗研發的每個環節,需要不同的專業實驗室互相支援、合作,團體作戰!

疫苗研發為什麼快不了?

那麼,到底還要多久才有疫苗可用?胡哲銘表示:

預防性的疫苗是打在健康的人體,必須嚴格要求安全性和保護力,每個步驟都不可倉促行事,正常情況下從數年到數十年都有可能!

目前宣布已找到疫苗的新聞,皆只是找到疫苗「候選人」,還不是真正的「當選人」,仍需要漫長的測試。

儘管因為疫情嚴峻,3 月 17 日美國食品藥品監督管理局 (Food and Drug Administration,簡稱為 FDA) 特許一種 mRNA 疫苗「候選人」跳過動物實驗,進入人體臨床測試,但是否能產生有效抗體、安不安全,也還需要數月觀察。

不過,以疫苗研發的經驗來說,此等速度已是前所未見。

以一般候選疫苗來說,必須先在小型動物(像老鼠)身上測試證明安全、達到一定保護性,然後進入大型動物 (像猴子)實驗,確定安全、有效,才能進入三階段人體臨床實驗。

除非候選疫苗的劑型和過去疫苗很像、只稍微改變,才有可能跳過動物實驗,直接進入人體臨床測試。人體臨床測試又分為三期:

  1. 臨床一期:有些人打疫苗後可能出現發燒或更嚴重的副作用,需要確認施打的安全劑量和劑型,在人體上不會產生副作用或在可接受範圍內。
  2. 臨床二期:進行小規模測試,也是最困難階段,要找到兩組,每組 50~100 人,一組施打,一組不施打,持續追蹤一到兩年時間,確認疫苗具保護力。
  3. 臨床三期:進行大規模測試,多達 250~1000 病人。當一、二、三期測試都完成,才會進入生產階段。研發時間短的可能半年、一年,長的需要幾十年,甚至未必會成功,如愛滋病疫苗已經研究 20 年以上,革命仍未成功。
資料來源/Vaccines research development cycle (industry average)
圖說重製/林洵安

嚴謹的流程對於疫苗的安全性非常重要,否則輕者無效,導致對於疫情的誤判;重者反而幫助病毒感染人體,甚至引發致命的過敏反應。

因此,雖然美國 mRNA 疫苗直接跳過動物實驗,進入臨床第一期的人體安全性測驗,以加速疫苗的開發。但在進入第二期的臨床試驗前,仍需要動物實驗的比對。

近期國際抗疫單位 CEPI (Coalition for Epidemic Preparedness Innovation) 便針對當前新冠病毒的疫苗審核提出規範。

需要注意什麼?過去針對 SARS 與 MERS 的疫苗研發,在動物模式的測試中發現:如果使用的抗原不夠精準,產生的抗體可能無法中和病毒,甚至讓病毒更快速的感染細胞。

其次,疫苗需要活化 T 細胞,但 T 細胞分為 TH1 型與 TH2 型細胞,如果疫苗傾向引發 TH2 型細胞產生抗體,當小鼠遇上病毒,反而會造成免疫系統的副作用。

因此,新冠疫苗的臨床第一期必須特別針對以上免疫反應進行觀察,臨床第二期實驗前也需要搭配動物模式的印證,才能確保疫苗的安全性。

新冠疫苗可望明年推出,但不可倉促行事!

另一個疫苗研發的難題是疫情瞬息萬變,疫苗研發耗時往往趕不上疫情。如 2003 年爆發 SARS 疫情,研究者花費許多時間研發疫苗,終於進入臨床二期,疫情在 2006 年結束,找不到病患測試,疫苗研發也無疾而終。

因此真正有資金、技術的國際大廠對疫苗研發往往卻步,畢竟前期要投資大筆資金,最後可能血本無歸。然而,胡哲銘強調:

最好的防疫策略仍是持續研發疫苗的工作,過去 SARS 和 MERS 疫苗研發工作雖暫時中斷,但寶貴經驗有助於縮短新冠病毒疫苗的研發時間。

那麼,新冠病毒是否可能如 SARS 或 MERS 一樣自然消失呢?胡哲銘認為,以這隻病毒如此高的傳染率來看,自然消失的可能性較低,流感化可能性大,可能演變為在六、七月天氣熱時活性、傳染力下降,等到冬天又流行起來。

再加上冠狀病毒與流感都是 RNA 病毒,變異速度比一般 DNA 病毒快,甚至可能每年流行某種亞型。果真如此,科學家研發疫苗就要更全面、精細、完善的思維,不但可能如流感年年選株,甚至找出病毒不易變異的部位,發展廣效性疫苗,如中研院翁啟惠與馬徹團隊去年曾經發表可抗異株流感病毒的單醣流感疫苗。

「全世界相關領域的研究者都在研發新冠病毒疫苗,集合這麼多人的智慧,相信一定會找到有效疫苗,甚至加快流程,明年 (2021年) 就有機會出現可用疫苗。」但胡哲銘語重心長地說:

現在大眾急於看到結果,讓研究者背負很大壓力。

如果疫苗沒有經嚴謹測試即搶先推出,安全性和有效性都可能出狀況。疫苗的開發需要積極,但不能著急!

在疫情日益嚴峻的今天,多一分冷靜、少一分口水,相信日以繼夜的科學家們,很快就會為全人類帶來黎明前的曙光。

延伸閱讀:

  1. 新冠肺炎疫苗研發大直擊!假扮冠狀病毒的奈米疫苗–專訪胡哲銘
  2. 趙裕展個人網頁
  3. 蕭培文個人網頁
  4. 張雯個人網頁
  5. 胡哲銘個人網頁
  6. 陶秘華個人網頁
  7. 林宜玲個人網頁

蛋白質疫苗是什麼?看影片就知道啦!

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研之有物│中央研究院_96
255 篇文章 ・ 2340 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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用這劑補好新冠預防保護力!免疫功能低下病患防疫新解方—長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022 年美、法、英、澳及歐盟等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示該藥品針對 Omicron、BA.4、BA.5 等變異株具療效。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
帕克斯洛維德
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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破解迷思!孕婦安心接種流感、百日咳疫苗,保護媽媽與寶寶
careonline_96
・2023/01/05 ・2207字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

「醫師,孕婦能不能打流感疫苗?」

「打疫苗會不會影響胎兒發育?」

接種疫苗能夠有效預防傳染性疾病,但是孕婦對於施打疫苗常有一些迷思,高雄醫學大學附設中和紀念醫院婦產部詹德富教授說,孕婦可能會擔心疫苗影響胎兒的健康,或影響胎兒的發育。不過,目前會建議孕婦施打的疫苗,都經過安全性檢驗,且有助於預防疾病,對胎兒有好處。

在懷孕期間,媽媽的免疫力會下降,較容易遭到病毒、細菌的感染。詹德富醫師說,另外,在懷孕的過程中,媽媽的心臟負擔增加,而且在胸腔受到壓迫的狀況下,呼吸會比較淺,如果出現上呼吸道感染,病情較容易惡化,可能需要住院治療。

孕婦施打疫苗後,可以讓身體產生抗體,預先準備。詹德富醫師解釋,當有病毒或細菌入侵的時候,身體才能夠及早做出反應,像是流感的傳染力很強,其實沒有辦法完全不受感染,但是在感染以後,能使疾病的過程比較輕微,恢復得比較快。

「有健康的媽媽,才會有健康的寶寶!」詹德富醫師說,肚子裡的胎兒完全仰賴母體供應,施打疫苗可保護媽媽,讓症狀比較輕微,對寶寶也有好處。此外,媽媽產生的抗體會經過胎盤,傳遞給胎兒,所以寶寶在出生之後,也能受到這些抗體的保護。

孕婦接種流感疫苗,呵護媽咪與寶寶!

流行性感冒是由流感病毒造成的傳染病,常見症狀有咳嗽、流鼻水、頭痛、發高燒、肌肉痠痛等,會比一般感冒嚴重許多。詹德富醫師說,慢性病患者、抵抗力較差的患者,可能出現嚴重併發症,例如肺炎、腦炎、心肌炎等,可能危及性命,也會對胎兒造成威脅。

新生兒的免疫力較弱,若感染流感病毒,較容易併發重症。詹德富醫師說,目前沒有可供 6 個月以下嬰兒接種的流感疫苗,而且嬰兒也不適合使用抗病毒藥物,僅能給予支持性療法。想要保護 6 個月以下的嬰兒,最好的方式是讓媽媽在懷孕期間接種流感疫苗,媽媽產生的抗體會經由胎盤傳給胎兒,讓出生後的寶寶獲得保護力。

懷孕婦女施打流感疫苗,自身罹患呼吸道疾病的情形至少降低 36%,寶寶出生後六個月內感染流感病毒的狀況也減少 63% 。

已有很多研究證實流感疫苗對於孕婦與胎兒的安全性,詹德富醫師說,任何週數都可以施打,只要進入流行季節,就應該盡快接種流感疫苗。

孕婦接種百日咳疫苗,呵護媽咪與寶寶!

百日咳是透過飛沫傳染,由百日咳桿菌引起的疾病,屬於第三類法定傳染病。詹德富醫師說,百日咳的症狀類似感冒,但是咳嗽會很厲害,且持續 1 至 2 個月以上。

百日咳沒有季節性,任何時候都有可能感染。嬰幼兒會被傳染百日咳,通常是因為父母或兄弟姊妹將病菌帶回家,詹德富醫師說,嬰幼兒得到百日咳時,病情會比成年人嚴重許多,較容易併發肺炎、中耳炎、抽搐、呼吸暫停等,嚴重可能導致死亡;發病的年紀越小,預後越差。

目前疾管署建議,在懷孕 28 週至 36 週之間接種百日咳疫苗。詹德富醫師說,孕婦施打疫苗,除了可以提升母體對於百日咳的保護力之外,我們也希望孕婦產生的抗體能夠經過胎盤,傳給小朋友。若在懷孕 32 週前接種百日咳疫苗,母體能有較充裕的時間產生抗體傳給胎兒,讓寶寶在出生後也能獲得保護力。

由於家庭成員都有可能將百日咳桿菌帶回家,再傳染給小朋友,所以可以使用「包覆策略」來保護嬰幼兒。詹德富醫師說,所謂的「包覆策略」就是替所有會接觸新生兒的家庭成員接種百日咳疫苗,給嬰幼兒更安全的環境。

雖然多數人小時候都接種過百日咳疫苗,但是經過 10 年後,百日咳疫苗的保護力會漸漸消失,所以替家庭成員接種百日咳疫苗,有助提升保護力。

「如果懷第一胎時已經接種過百日咳疫苗,當懷第二胎時需要再次接種百日咳疫苗嗎?」詹德富醫師解答,「懷第二胎時,建議再次接種百日咳疫苗,這樣母親才能產生較高濃度的抗體,保護嬰幼兒。」

貼心小提醒

流感、百日咳都會經由飛沫傳染,並對孕婦、嬰幼兒造成威脅。詹德富醫師提醒,請盡量戴口罩、勤洗手、避開人群,減少遭到感染的機會,並且藉由疫苗的協助,提高保護力。

孕婦接種疫苗能夠保護自己、保護胎兒,還能保護家人,詹德富醫師說,懷孕 28 週至 36 週間,可接種百日咳疫苗,至於流感疫苗,無論懷孕週數,都可以接種。家庭成員也可以接種疫苗,利用包覆策略來保護嬰幼兒!

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2022 年《Science》年度十大科學突破(上):持續進化的 AI 與韋伯太空望遠鏡
PanSci_96
・2022/12/30 ・3733字 ・閱讀時間約 7 分鐘

回顧 2022 年,有沒有讓你印象特別深刻的科學新聞呢?約莫兩星期前,《Science》雜誌公布了今年的十大科學突破,從農業到藝術、從細菌到宇宙、從百萬年前的生態到人類的未來,每一項突破都和我們的日常生活息息相關。

好啦,廢話不多說,現在就來揭曉答案吧!

十大突破之首——遙望宇宙的韋伯太空望遠鏡

今年,韋伯太空望遠鏡(JWST)帶來的震撼,相信你我都印象深刻。

韋伯發布的第一批照片拍到了 SMACS 0723 星系團。圖/Science

早在 1990 年,哈伯太空望遠鏡發射升空後,科學家就開始規劃下一步。他們不只想看見更遙遠的宇宙,也想透過不同的波長,分析地外生命存在的可能性。

哈伯望遠鏡的觀測波段以可見光為主。確實,紫外線和可見光波長最有利於觀測誕生不久的新星,但隨著數十億年過去,這些新星發出的光,穿過不斷膨脹的宇宙,來到地球,被拉伸到更長的紅外線波長後,哈伯就沒輒了⋯⋯

韋伯望遠鏡可以清楚看見狼蛛星雲的塵埃、氣體雲和碳氫化合物。圖/Science

那麼,要怎麼看見更遙遠的宇宙呢?去年底,歷時 20 年建造、造價 100 億美元的「韋伯太空望遠鏡」順利升空,開啟 150 萬公里的長征。韋伯搭載的科學儀器可以觀測紅外線波段,包括來自宇宙第一批恆星和星系發出的光。

韋伯利用四種不同的紅外線波段觀測系外行星 HIP 65426 b。圖/Science

今年 6 月底,韋伯開始收集數據,三星期後就傳回了第一批深空照片,讓科學家看見了更遙遠、更古老的新星系,徹底改寫我們對宇宙的認識。對於天文學界來說,這是一個充滿奇蹟的時代,韋伯望遠鏡也因此榮登 2022 年最重要的科學突破。

2022 年十大科學突破之首:韋伯太空望遠鏡。影/Science

研發多年生水稻 PR23,減輕農民耕作負擔

盤點世界上最主要的糧食作物,水稻肯定有一席之地!現今,大部分水稻都是一年二至三穫,每年收穫後都得重新種植,對農民來說是非常耗時、費力的工作。

今年 11 月,中國雲南大學農學院的研究團隊在《Nature Sustainability》發表他們十餘年來嘔心瀝血的研究成果——多年生水稻「PR23」。這是長雄野生稻和 RD23 栽培稻的雜交種,不但可以達到和傳統水稻相仿的產量,還可以省下農民的大把時間、精力與成本。

PR23 第一年的稻作成本與傳統水稻差不多,但從第二年開始,農民就可以跳過育秧、犁田、移栽幼苗的步驟,降低約 50% 的人力成本,到了第五年才需要重新種植。

在中國,PR23 的種植面積超過了 15,000 公頃,平均產量則是每公頃 6.8 噸,略高於傳統水稻。根據非洲和東南亞的試驗數據,PR23 還可以改善土壤結構、增加有機質含量、減少梯田和高地的水土流失。

與此同時,科學家也正在觀察兩個潛在問題:一、雜草和病原體是否會積累在田地中,導致 PR23 需要更多除草劑,二、是否會排放更多的一氧化二氮,加劇溫室效應。但目前不可否認的是,多年生水稻有助於降低成本、提高收益,確實是一項重要的突破。

有了多年生水稻,農民每年都能省下好幾週的工作量。圖/Science

誰說 AI 沒創意?AI 的創造力可是超乎想像呢!

說到 AI,有沒有讓你想起去年的十大科學突破呢?沒錯,去年的十大突破之首就是預測蛋白質 3D 結構的 DeepMind 團隊,而在今年,他們著手設計全新的蛋白質,用來開發疫苗、建築材料和奈米機器。

與此同時,DeepMind 發布了 AlphaTensor,用來找出更有效率的矩陣乘法演算法。高中就學過的矩陣是代數中最簡單的運算之一,可以用來壓縮網路資料、辨識語音指令、模擬與預測天氣、生成電腦遊戲圖形等。

另外,DeepMind 還發布了可以自主編寫程式、解決問題的 AlphaCode。在程式解題競賽網站 Codeforces 定期舉辦的比賽中,AlphaCode 甚至打敗了過半的參賽者,取得排名前 54% 的成績,跌破創辦人的眼鏡。

除了科學、數學、程式設計之外,AI 在藝術領域更是大放異彩。

繼 OpenAI 去年發布繪圖軟體 DALL-E 後,今年 4 月發布了進化版的 DALL-E 2,只要輸入幾個字詞,AI 模型就能自動生成圖像。在 9 月,有一位藝術家利用類似的 AI 繪圖工具 Midjourney 奪下美國科羅拉多州博覽會首獎。

此舉在藝術界掀起一股旋風,卻也引來了哲學辯論和道德抨擊,但毫無疑問的是,人類可以借助逐年進化的 AI 拓展創造力,開發出更多、更好的工具。

使用 Midjourney 創作的科羅拉多州博覽會首獎作品。圖/Science

超級華麗的大~大~大細菌!

在你的印象中,細菌是不是都很小、不用顯微鏡就看不見呢?今年 2 月,科學家在法屬西印度群島發現一種肉眼可見的巨無霸細菌——華麗硫珠菌(Thiomargarita magnifica),震驚了生物學界。

一般來說,細菌沒有細胞核和膜狀胞器,遺傳物質都在細胞中自由漂浮,但華麗硫珠菌真的很華麗,不只可以長到 2 公分,比多數細菌大上 5000 倍,而且還有隔間可以容納 1200 萬個基因組——這大概是多數細菌基因總量的 3 倍。

身為一種不應該有膜的原核生物,華麗硫珠菌的結構或許即將改寫原核生物和真核生物的定義,甚至有機會成為一塊拼圖,補足細胞進化過程中缺失的環節。

華麗硫珠菌挑戰了「細菌」的傳統定義。圖/Science

開發新疫苗,呼吸道合胞病毒治療現曙光

在這 COVID-19 肆虐之年,美國感染呼吸道合胞病毒(RSV)的病例數也急遽上升。呼吸道合胞病毒傳染性極強,通常只會引起類似感冒的輕微症狀,但在嬰幼兒身上,這種病毒會使肺部發炎,而在老年人身上,會使既有的心肺疾病惡化。

早在 50 多年前,就有科學家試圖開發呼吸道合胞病毒的疫苗,但在臨床試驗導致 80% 的接種者住院、2 名兒童死亡後,開發就此中斷。後來,科學家發現敗筆在於這種殺死病毒後製成的「滅活疫苗」所引發的抗體較弱,不只殺不掉活生生的病毒,還能反過來幫助病毒破壞氣管。

如今,莫爾豪斯醫學院(Morehouse School of Medicine)開發了能夠引發強效抗體的新疫苗。在輝瑞(Pfizer)和葛蘭素史克藥廠(GSK)進行臨床試驗後,證實這兩種新疫苗可以保護嬰兒和老年人,不會引起嚴重副作用,而在孕婦注射後,也能將抗體傳給胎兒。

雖然過往的失敗讓開發團隊心存疑慮,但目前沒有任何數據顯示疫苗不安全,其中幾種候選疫苗也可能將在明年獲得監管機構批准上市。

RSV 疫苗證實能有效保護易受感染的嬰幼兒和老年人。圖/Science

好啦~這篇到這裡,先介紹前五項突破就好!因為《Science》今年提供的內容實在是太精彩了,為了避免讀者一次閱讀太多字很累,只好拆成上下兩篇⋯⋯看完這篇後,如果你好奇另外五項突破是何方神聖,就來看第二篇吧!

接續下篇:2022 年《Science》年度十大科學突破(下):EBV 病毒與發燒的地球

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