篩檢結果「弱陽性」是什麼意思?核酸檢測中的 Ct 值又是什麼?——《科學月刊》

  • 林翰佐/銘傳大學生物科技學系副教授,科學月刊總編輯。

一名日籍留學生被檢測出新冠病毒弱陽性,核酸檢測結果的循環閾值(threshold cycle, Ct)僅 37.38。經過推算約略等於 0.04 個拷貝數,透過 PCR 反應擴增 1800 億倍始可被測得。利用 PCR 原理的核酸檢測法具有超高放大的特性,使得該檢測具有相當的靈敏度,但也因此容易受採樣位置、是否汙染等狀況影響結果,因此需要多次檢測綜合判斷。

新型冠狀病毒疫情全球肆虐。不過在臺灣,隨著本土「零確診」的日子持續累進,大家似乎逐漸淡忘了疫情困擾,成為全球少數可以維持正常生活的幸運分子。不過最近的一則新聞又挑動了大家的敏感神經,一位滯留臺灣的日籍留學生在返回日本之後被篩檢為陽性。

大家不禁要問,臺灣的零確診,究竟是真實,抑或是虛幻一場?

疫情之下,人們何去何從呢?圖:GIPHY

在這個案件當中,該名學生檢體在循環閾值(threshold cycle, Ct)僅 37.38,這是什麼意思?為什麼有人說其實這樣的數值,充其量只能算是「弱陽性」,甚至於是「偽陽性」呢?我想可以藉由這樣一個新聞事件,來科普一下聚合酶連鎖反應法用於檢測病毒感染的相關知識。

核酸聚寶盆!PCR 反應快速擴增 DNA 片段

聚合酶連鎖反應法(polymerase chain reaction, PCR)是一種利用酵素將特定 DNA 迅速合成、擴增的一種生物技術。

這個由生化學家穆利斯(Kary Mullis)發明的技術,透過三段溫度控制的方式完成雙股 DNA 的分解(denature),引子黏合(annealing)在解開的單股 DNA 上,開啟延伸合成一股新的互補 DNA 鏈(elongation)的步驟,使 DNA 能在體外(in vitro)複製。不斷重複這樣的過程,就能在數小時之內將特定的 DNA 片段擴增到數百億倍。

聚合酶連鎖反應簡圖。圖:WIKI

PCR 技術有如核酸的「聚寶盆」,只要擁有少許的 DNA 樣品,便可以產出足量的片段作為後續檢驗的基礎。此技術目前應用甚廣,除了生物醫學研究之外,也運用在法醫等鑑識科學之中,像是親子血緣鑑定便是運用少量檢體(頭髮的毛囊、口腔黏膜細胞等)進行 PCR 反應,進而比對親子之間樣本的異同。技術發明者穆利斯也因此於 1993 年成為諾貝爾化學獎得主。

由於 DNA 的半保留複製(semiconservative replication),理想的 PCR 反應會以 2 的 N 次方的方式擴增 DNA 片段。傳統 PCR 技術多半設定進行 30 次反應,理想的狀況可以將原本的 DNA 放大超過 10 億倍。當然 PCR 反應中 DNA 產物無法一直依照完美的指數圖形延續下去,材料一旦產生短缺,產物量便會趨於平緩,達到所謂的「停滯期 (plateau period)」。

qPCR 螢光技術,讓 PCR 產物偵測更靈敏

即時定量聚合酶連鎖反應(quantitative real-time PCR , qPCR)是一種透過螢光偵測技術,檢測 PCR 反應中 DNA 產物含量的一種技術。相對於傳統的 PCR 技術,qPCR 可以解決 PCR 技術當中定量的問題,同時也可以更靈敏的偵測到 DNA 產物,並縮短檢驗時間。

所以目前我們針對新冠病毒檢體的核酸檢測皆以 qPCR 為主,只要設計好新冠病毒專屬的引子,與 DNA 螢光染劑,就能透過 qPCR 去檢測檢體中是否有病毒的核酸,甚至推算出病毒的數量。

文章開頭提到的「循環閾值」的意思,邏輯上可視為「可偵測到預設螢光強度的最少循環數」。所以說,以日本留學生的案例來說,就是指當 qPCR 反應達到 37.38 次循環後儀器可以偵測得到訊號。循環次數 37.38 意味著 DNA 片段被倍增了 2 的 37.38 次方,也就是擴增了 1788.55 億倍。

qPCR 技術的靈敏度又是如何呢?這涉及到 qPCR 儀器的靈敏度以及使用螢光染劑的靈敏度。就實務來說,筆者認為染劑的靈敏度才是 qPCR 技術上的門檻。SYBR green 是 qPCR 技術中最常使用的 DNA 螢光染劑之一,根據廠商提供的資料, SYBR green 的靈敏度大約在 60 pg(皮克,10-12 g)DNA 左右。

在螢光顯微鏡下,用SYBR Green染色的鯡魚精子樣本。圖:WIKI

所以,Ct 值 37.38 的意義,就是說原始樣本經過 1788.55 億倍擴增,達到 60 pg DNA 的水準。就此回推,原本檢體中新冠病毒特定基因片段的量,大約是 60 pg/1788.55 億,經過單位的互換大約在 3.35 x 10-22 g。

循環閾值 37.38 代表甚麼?樣本病毒量是多是少

對於大多數的人來說,我們真正想知道的是,在樣本中有多少病毒?也就是我們常說的拷貝數(copy number)。而前述的  3.35 x 10-22 g 的 DNA 中有多少個擴增片段的拷貝數呢?片段分子量 50925 除以亞佛加厥常數(6.02 x 1024)可以得到一份擴增片段的重量,3.35 x 10-22g 除以上述的一份擴增片段的重量,就可以推估原始樣本當中有多少擴增片段。含量其實相當低,只有約 0.04 個拷貝數,意味著樣本當中可能只有 0.04 隻病毒。

當然這樣的估算還有些其他變因存在。PCR 反應存在著許多的變數,不太可能每次反應結果都會出現完美的 2 的 N 次方。新冠病毒的 RNA 基因體(genome)需要先經過一段稱為反轉錄反應(reverse transcription)的過程,反應效率也會左右最終推算的結果。不過,透過這樣的推算,我們還是可以理解,原始樣本當中病毒的含量仍然是位於相當低的範圍。

基本上,qPCR 核酸檢驗是目前新冠病毒最靈敏的檢驗方式。然高達近 1800 億倍的放大反應中,只要有一些狀況(如樣本的汙染),便有截然不同的檢驗結果。也由於新冠病毒好發於下呼吸道,有時也會因採樣位置的不同而有不同的結果,故利用這些高靈敏的檢驗方式,合併多次檢驗結果來研判結果,是較具公信力的方式。

近日疫情指揮中心亦陸續公告該留學生相關接觸者的核酸檢驗與血液抗體的檢測結果,多數為陰性結果,應無社區感染疑慮,大家可以放心。

延伸閱讀

Gawande, A., The mistrust of science, The New Yorker, 2016/6/10.

 

 

〈本文選自《科學月刊》2020年8月號〉

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