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流感疫苗一定要年年打?看穿流感真身的未來疫苗一次搞定

研之有物│中央研究院_96
・2020/11/04 ・4384字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

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、黃曉君;美術編輯|林洵安

2020 年新冠病毒肆虐全球,但與此同時,人類與流感病毒的戰爭也沒有停過,因為傳統疫苗無法對付年年變異的流感病毒。中央研究院基因體研究中心翁啟惠院士和馬徹研究員的研究團隊,成功利用雞蛋製造單醣化的流感疫苗,可對抗異株的流感病毒,保護效果比傳統疫苗高三到四倍,研究成果於 2019 年 2 月獲刊於《美國國家科學院院刊》(PNAS)。

流感病毒知多少?

流感是由病毒引發的傳染病,幾乎每個人都得過流感,但你親眼看過這些磨人的小東西嗎?(喂!)

流感病毒直徑約 80~120 奈米,入侵細胞全靠外套膜上兩種醣蛋白:一種是血凝集素(Hemagglutinin,簡稱 HA),能幫助病毒黏附宿主細胞,一種是神經胺酸酶(Neuraminidase,簡稱 NA),幫助病毒在宿主細胞內繁殖後離開、持續在宿主體內擴散。

流感病毒直徑約 80~120 奈米,因為是 RNA 病毒,非常容易變異。入侵細胞全靠外套膜上兩種醣蛋白:一種是血凝集素(Hemagglutinin,簡稱 HA),能幫助病毒黏附宿主細胞,一種是神經胺酸酶(Neuraminidase,簡稱 NA),幫助病毒在宿主細胞內繁殖後離開、持續在宿主體內擴散。圖│iStock

會感染人類的流感病毒又可分為 A、B、C 三型:

A 型病毒的 HA 共 18 種(H1~H18),NA 共 9 種(N1~N9),不同的 HA 和 NA 可組成不同亞型(subtype),如 H1N1 表示有 HA1 和 NA1 兩種蛋白質,常感染人類的有 H1N1、H3N2 三種。

A 型流感病毒的變異很快,而且可能在人群中迅速傳播而造成嚴重疫情,像 1918 年西班牙 H1N1 流感曾大流行,導致全球至少兩千萬人死亡,宛如中世紀的黑死病!

B 型病毒沒有亞型,也不會快速變異,雖會導致大流行,不會導致嚴重疫情。C 型也沒有亞型,感染後只出現輕微症狀,不會導致大流行。

人類在 1944 年,發明了第一個 A 型流感疫苗,終於有了武器控制流感大流行,但這場人與病毒的戰爭並未真的完結!因為流感疫苗,可是唯一需要年年改換病毒株的人用疫苗。

WHO 年年選株,是在選什麼?

流感病毒在全球傳播後,在不同的地區可能變異成新的病毒株(strain),如 B 型流感有維多利亞株、山形株,A 型流感有 H1N1 加州株、H3N2 維多利亞株等,導致舊的疫苗失效。

為了對抗不斷變化的流感病毒,世界衛生組織(WHO)在各國設有偵測中心,從各處的病患和鳥類身上採樣、蒐集流感病毒資訊,然後每年召開北、南半球的季節性流感疫苗選株會議,預測明年可能流行的兩種 A 型病毒株、兩種 B 型病毒株,通常於來年二月公布北半球的選株結果,以利製作當年流感疫苗,台灣地區則通常於十月開打。

WHO 每年會從 B 型流感病毒、A 型流感病毒第一群、第二群的病毒株中,分別選出可能流行的病毒株,將它們放進雞蛋中培養,再經過純化、去活性、提煉等等步驟,製作成流感疫苗。如果猜對了,人們只要打過疫苗,就能不致染病或減輕病情,但如果猜錯了,疫苗保護力大減,恐將引發大流行。圖│研之有物(資料來源│馬徹)

如果猜對了,打疫苗約有 70% 保護力。但預測常趕不上病毒的變化!一旦猜錯,只剩 20~30% 保護力,恐導致全球大流行。因此全球科學家一直希望找出廣效性流感疫苗,可以對抗流感所有的病毒株。

這件事異常困難,因為病毒的 HA 和 NA 太常發生突變,同一亞型、不同株的變異程度只要有 5% 到 20%,即可能讓疫苗保護力失效。如何解決病毒一直變異、疫苗無法有效保護的問題?翁啟惠與馬徹的研究團隊發現,可從破解 HA 的構造開始。

戴著醣面具的流感病毒

仔細觀察,HA 的外型像蘑菇,分為膨大的「頂部」和固定在外套膜上的較細「莖部」,通常免疫系統只能辨識 HA 頂部,目前的流感疫苗多半也是利用 HA 頂部作為抗原、誘發免疫系統生產抗體。但 HA 頂部非常容易發生突變,所以選株才會這麼困難。馬徹團隊則另闢蹊徑,從 HA 不容易變異的莖部下手!

原來流感病毒很狡猾,會奴役宿主細胞幫忙做出一顆顆醣,黏在自己的 HA 上,通常莖部的醣分子比頂部更多。病毒利用這些醣分子當成偽裝,好像在臉上戴上醣面具,讓免疫系統誤以為病毒是「自己人」。

HA 醣蛋白結構,藍色部分即為醣面具,左圖為原本布滿醣分子的結構,右圖為研究員拿掉絕大多數醣分子後、還原 HA 的真面目。圖│研之有物(資料來源│馬徹實驗室)

「病毒在傳播時,HA 莖部有許多醣蓋住,形成一種保護,不易被宿主偵測,因此這些部位變異的壓力小,胺基酸序列的變異也比較小。」馬徹點出關鍵:「換句話說,不同病毒株的 HA 莖部變異應該不大。」

馬徹團隊進一步發現,如果將流感病毒 HA 莖部附近的醣拿掉、將這部分片段製成疫苗,如同揭去病毒的「面具」(醣),讓宿主的免疫系統辨識病毒的「臉」(HA 的莖部)。

這麼一來,即使病毒換幾頂新款式的帽子(HA 的頂部變異)也無妨,免疫系統依然能認出病毒的臉(HA 的莖部)。

全醣、微醣,還是半醣?

他與研究團隊隨即展開新型流感疫苗的研發,選擇一般流感疫苗的製程——以雞蛋培養病毒,只在其中修改了兩個步驟:在雞蛋裡加入抑制劑,打斷病毒製醣過程、做到一半就停止,再加入像剪刀的酵素,剪去多餘的醣,使 HA 只剩一顆單醣。經過不斷嘗試,終於成功研發出單醣化的流感疫苗。

圖│研之有物(資料來源│馬徹)

細心的讀者可能會發現:既然要除去病毒的偽裝,為何不乾脆把全部的醣分子去掉,仍然留下一顆「單醣」呢?翁啟惠院士在醣分子研究曾發現,細胞不是做完蛋白質才開始裝醣分子,而是一邊做、一邊裝,第一顆醣分子對醣蛋白的摺疊過程很重要,能決定醣蛋白結構。馬徹也發現如果把醣全部切掉,HA 穩定度不好,所以決定讓病毒先製作醣、HA 摺疊正確,再加入抑制劑和酵素,剪去多餘的醣、只留下一顆。

他們將單醣流感疫苗打到小鼠、雪貂身上,證實誘發的免疫反應變好,不但抗莖部抗體(anti-stem antibodies)變多,抗體媒介細胞毒殺作用 (Antibody-dependent cellular cytotoxicity,簡稱 ADCC,指抗體能和巨噬細胞、殺手細胞結合,把被病毒感染的細胞清除)的效果也提高。

馬徹表示,「雖然只把現有疫苗做小修改,卻能獲得更大保護力。同一亞型但不同病毒株的莖部變異較小,單醣流感疫苗對於同一亞型可以通用,未來如果把流感疫苗的四價(四種病毒株)都開發單醣化,就不用每年改成分,只要等病毒變化很大再更新即可。 」研究成果於 2019 年 2 月獲刊於《美國國家科學院院刊》。

2020 年 7 月,團隊再傳捷報!博士後研究員廖心瑜將來自兩種不同病毒株(H5 和 H1)的蛋白質,結合成一個頭部含有共通 H5 序列、莖部含有共通 H1 序列的嵌合蛋白,再輔以上述的單醣化技術,研發出「單醣化嵌合血凝集素蛋白疫苗」,可預防各種異株和亞型的 A 型流感病毒感染人體,同樣獲登《美國國家科學院院刊》。 相信未來翁啟惠和馬徹團隊還有更多的好消息,逐步實現廣效性流感疫苗的夢想!

博士後研究員廖心瑜將來自兩種不同病毒株(H5 和 H1)的蛋白質,結合成一個頭部含有共通 H5 序列、枝幹含有共通 H1 序列的嵌合蛋白,再輔以上述的單醣化技術(藍色為醣類),研發出「單醣化嵌合血凝集素蛋白疫苗」,可預防各種異株和亞型的 A 型流感病毒感染人體。圖│研之有物(資料來源│廖心瑜)

意外的發現 + 科學家的洞見

回首這些突破性研究的靈感來源,馬徹微笑「老實說」:「其實一開始,我壓根沒想到這個可以開發出流感疫苗。」

馬徹在博士班的研究領域為蛋白質結構學,對於流感病毒並不熟悉。2004 年他進入中研院,那時基因體研究中心剛成立,時任主任的翁啟惠召集各實驗室研究流感、抗藥性細菌感染和癌症,馬徹才開始接觸流感病毒,並負責研究蛋白質結構。

在一次偶然的發現中,他注意到 HA 這種醣蛋白很怪異:「HA 會跟宿主的醣分子結合,但自己的表面又有一堆醣,這些醣是要做什麼用?對 HA 的功能有什麼影響嗎?」出自好奇心的驅使,他把 HA 上的醣從外面依序越切越短,有的切到只剩下一顆醣,觀察帶有不同數量醣分子的 HA 跟細胞結合的狀況。

結果發現,當 HA 的醣越少,跟細胞結合力越好。這個結果引起他更大疑惑:「既然如此,HA 幹嘛要裝上那麼多醣呢?」繼續研究後發現:HA 的醣分子能形成偽裝、躲避免疫系統攻擊。於是他嘗試在實驗室製造兩種 HA,一個帶有醣,一個不帶醣,送去生產抗體試劑,再進行簡單的測試,果然發現不帶醣的 HA 抗體反應性很高。

當馬徹在會議上報告完這項「有趣的」實驗發現,翁啟惠立刻說:「這會是一個好疫苗!」

「那次翁老師說完後,現場二、三十個人包括我,根本不知道他在講什麼,全場都傻眼。」但馬徹想了一下,終於恍然大悟:病毒利用醣分子偽裝自己,如果去掉這些醣分子,應該能誘發更好的免疫反應。馬徹回憶:

那次經歷讓我真正感受到科學家見微知著的能力 ,翁啟惠老師只看到一點點線索,就能跳躍好幾步思考。

「中研院最重要的角色就是做基礎研究,但所有的應用起初都從基礎研究來的。有時並不是計劃或預期的發現,卻可能有很棒的應用。」馬徹總結:「我覺得當科學家很幸運、好玩,即使研究流感已十幾年,仍有許多未知等待被發現。」

正是馬徹永無止盡的好奇心、翁啟惠專業知識累積來的深刻洞見,共同催生這一場流感疫苗的大革命。

馬徹,中研院基因體研究中心研究員暨化學生物學組執行長,為翁啟惠院士領導研究團隊重要成員,致力於開發廣效性流感疫苗。圖│研之有物

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為《未來流感疫苗不用年年打?可對抗異株病毒的單醣化疫苗》,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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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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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》