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變種病毒是什麼?變異病毒株會影響臺灣和疫苗功效嗎?

PanSci_96
・2020/12/31 ・3571字 ・閱讀時間約 7 分鐘

編按:12 月 27 日自英國返台的發燒少年(案 792)確診,經基因比對後,確定為感染 COVID-19 的變種病毒——病毒變異株(B.1.1.7 病毒株)。而在 2020 年的最後一天,搭乘同班機的 20 多歲男性(案 791),也確診為病毒變異株,衛福部也緊急宣佈從 2021/1/1 開始限制入境。

這隻病毒變異株為何強悍?病毒變異株對疫苗又有何效果影響呢?跟著泛科學一起來看看吧!

SARS-CoV-2 突變體——B.1.1.7 病毒株

2020 年 11 月下旬,謎團正困擾著英國的公衛學者們。新型冠狀病毒疾病(COVID-19)在英國境內快速傳播,政府祭出了嚴格的管制;然而,公衛學者們詫異地發現,儘管在各種管制下,英國境內的肯特郡(Kent),COVID-19 的感染率仍居高不下。

比對基因後,英國科學家才發現了新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)的變異株,被稱為 VOC 202012/01(Variant of Concern 202012/01,直譯為「2020 年 12 月第一個值得關注的突變株」) [1],又稱為「B.1.1.7 病毒株」,同時觀察到此變異株,已快速地傳入了英國的首都倫敦。11 月時,倫敦的新增感染者約有四分之一和此病毒變異株有關;然而到了 12 月,已高達三分之二的新增感染者,皆由此病毒變異株所感染 [2],可見其令人驚駭的強悍傳染力。

改一點胺基酸,感染力更強

值得關注的是,目前已知 B.1.1.7 病毒株有 17 個突變 [3, 4] [註1],而其中 8 個突變發生在病毒表面的棘蛋白(spike protein)。而棘蛋白就是負責和人體細胞受體(ACE2)結合、撬開並感染細胞的關鍵;同時也是輝瑞(Pfizer)和莫納德(Moderna)mRNA疫苗的關鍵蛋白。

棘蛋白是輝瑞(Pfizer)和莫納德(Moderna)mRNA疫苗的關鍵蛋白,棘蛋白的變異有可能影響現行疫苗的效果。圖/Pexels

換言之,倘若棘蛋白的胺基酸變異過大,不僅可能會強化病毒和人體細胞的結合力、進而提升病毒感染力。更有可能導致輝瑞(Pfizer)和莫納德(Moderna)mRNA疫苗失效。

根據倫敦帝國理工學院的沃爾茲(Erik Volz)博士說法,B.1.1.7 病毒株傳播力可提升70% [註2] [2]。其中有兩個突變位置受到關注 [3, 4],分別是:

  • N501Y:在棘蛋白的受體結合域(receptor-binding domain, RBD),也就是病毒棘蛋白與宿主受體接觸的部位,其上的第 501 個胺基酸,從天門冬醯胺(N)變成酪氨酸(Y)。此突變可能會提高感染力、使抗體療法失效:[5]
     
    1. 感染力的提升:增強棘蛋白和人體細胞受體(ACE2)之結合,進而更容易侵入人體細胞。從過往的人工改造棘蛋白的資料顯示,N501Y 的突變,很可能提高棘蛋白和 ACE2 受體的交互作用[6]。同時,科學界認為,和 69-70△ 缺失的突變共同作用下,可能會提高病毒整體的傳染力[6]
       
    2. 抗原性:棘蛋白的受體結合域,是抗體最常辨認、咬住病毒、使其病毒無法侵入人體的地方。因此,受體結合域裡的突變,很可能會導致試驗中的抗體療法失效;換言之,位於受體結合域的 N501Y 突變,很可能會讓未來的抗體療法直接胎死腹中。[6]
       
  • 69-70△:棘蛋白 N 端第 69、70 個胺基酸缺失—科學家利用表面有 ACE2 受器的細胞進行實驗。數據顯示,和現今主流的病毒株棘蛋白相比,缺失了第 69、70 個胺基酸的突變棘蛋白,突變的棘蛋白反而提高了兩倍的感染力[7]

我們該擔心什麼?

雖然細胞實驗證明,棘蛋白突變後,與細胞的受體結合力更強[5]。美國疾病管制與預防中心認為,更緊密的結合不一定等於更嚴重的傳染力[4];但部分科學家認為此變異株應該具有更高的傳染力[3]若治療用的藥物、抗體等,其標的為棘蛋白,那麼突變後的棘蛋白,可能使目前的藥物、抗體失去療效。[4,8]

突變的病毒可能會引起「逃避免疫」[8],指原來可辨認老病毒的抗體,卻再也無法對抗新的變種病毒了。舉例而言,人們施打疫苗後產生抗體,然而此抗體僅能抓出老病毒、卻無法有效辨認新的病毒變異株,因此施打疫苗後,仍然可能會再次受到感染。

疫苗會無效嗎?

現在領先的輝瑞(Pfizer)、莫納德(Moderna)的 COVID-19 疫苗,皆是 mRNA 疫苗。其原理是將設計過的 mRNA 注射、餵食給人體細胞。吃了疫苗的細胞接受 mRNA 的指令,產生目標的病毒蛋白。而人體的免疫細胞發現此病毒蛋白,開始進行學習、訓練,進而產生免疫力[9]而這兩家廠商皆不約而同地選用了棘蛋白來設計疫苗的 mRNA,也因此「面對來自英國的病毒變異株,mRNA 疫苗是否仍有效?」,成了大家擔心的議題[9]

理論上,針對小幅度的突變,疫苗仍應有效。免疫細胞會辨認目標蛋白的多個位置,因此少許的突變,人體內仍有足量的免疫細胞能辨認出入侵者[2]。而和輝瑞共同製造出全球第一支針對 COVID-19 的 mRNA 疫苗廠商——BioNTech 執行長 Uğur Şahin 表示,他們的 mRNA 疫苗設計,訓練免疫細胞的病毒棘蛋白全長超過 1,270 個胺基酸,而此病毒變異株只有 9 個胺基酸和 mRNA 疫苗設計不同,因此在學理上,輝瑞疫苗應仍有效對抗病毒變異株[3]。同時他們也正著手進行實驗,預計在 2021 年的第一週就能知道,輝瑞疫苗能否對抗變種病毒了[3]

輝瑞疫苗理論上能對抗病毒變異株,但還需要實驗驗證。圖/Pexels

然而,出現在英國的病毒變異株,也讓我們看到未來數十年間,人類生活的新面貌。 SARS-CoV-2 的快速突變、累積下來的變化量,非常有可能讓舊式的疫苗失效、使新種病毒脫離疫苗的克制,導致疫苗逃逸(vaccine escape)效應[10]

可以想像,COVID-19 疫苗很可能需要每年更新,猶如現今的秋冬流感疫苗一般;我們也可能得要過著每年都得挨上一針的生活了。

慶幸的是,以 mRNA 疫苗技術而言,更新疫苗設計非常迅速[11];單以莫納德(Moderna)開發的 COVID-19 第一批 mRNA 疫苗而言,該公司僅花了 25 天就製造出了疫苗,可謂神速[9]

面對病毒變異株,我們應該做什麼?

雖是老生常談,但保持社交距離、戴口罩仍是你我應該要做到的,而在病毒變異株尚未廣泛傳播的現在,限制人員流動顯得更為迫切。另外,加速疫苗接種也有助於限制病毒變異株的傳播,並能有效防止病毒進一步變異。[5]

延伸閱讀:封城真的有效遏止疫情延燒嗎?由剛解封的武漢談起

保持冷靜,繼續前進。Keep Calm and Carry On.

註解

  • 註1:突變的位置和數量,美國疾病管制與預防中心(US CDC, 參考文獻 4)說法和《Science》(參考文獻 3)不太一樣,本文參考《Science
  • 註2:僅有新聞報導提及,尚未有經同儕審查論文,或政府官方的資料佐證傳染力提升70% 

參考文獻

  1. 2020/12/20. COVID-19 (SARS-CoV-2): information about the new virus variant. 英國政府
  2. 2020/12/22. 新冠病毒變種:對引發擔憂的英國病毒突變我們知道什麼。BBC中文
  3. Kai Kupferschmidt (2020) Mutant coronavirus in the United Kingdom sets off alarms, but its importance remains unclear. Science. DOI: 10.1126/science.abg2626
  4. 2020/12/22. Implications of the Emerging SARS-CoV-2 Variant VOC 202012/01. US CDC
  5. SA Kemp, WT Harvey, RP Datir, DA Collier, IATM Ferreira, AM Carabelli, DL Robertson, RK Gupta (2020) Recurrent emergence and transmission of a SARS-CoV-2 Spike deletion ΔH69/V70. bioRxiv
  6. Investigation of novel SARS-COV-2 variant 
  7. McCarthy, K. R., Rennick, L. J., Nambulli, S., Robinson-McCarthy, L. R., Bain, W. G., Haidar, G., & Duprex, W. P. (2020). Natural deletions in the SARS-CoV-2 spike glycoprotein drive antibody escapebioRxiv.
  8. 疫情顯微鏡:新冠病毒變異的5種潛在後果(黃麗華) | 蘋果新聞網 | 蘋果日報
  9. 讓免疫系統再次偉大!mRNA疫苗會是COVID-19的救世主嗎? – 科學月刊Science Monthly
  10. Dumonteil, E., & Herrera, C. (2020). Polymorphism and selection pressure of SARS-CoV-2 vaccine and diagnostic antigens: implications for immune evasion and serologic diagnostic performance. Pathogens9(7), 584.
  11. COVID-19 (SARS-CoV-2): information about the new virus variant – GOV.UK

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