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中研院持續追蹤新冠病毒,發現這種突變最可怕!

研之有物│中央研究院_96
・2021/01/27 ・4434字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 600 ・九年級

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。

  • 採訪撰文|林承勳
  • 美術設計|林洵安

追蹤新冠病毒突變

新型冠狀病毒 (SARS-CoV-2) 足跡遍布全球,在傳播過程中一再出現新的突變種,讓防疫工作與研究均困難重重。中央研究院廖俊智院長組織研究團隊,根據全球共享流感數據倡議組織 GISAID 資料,分析三十萬筆以上的病毒基因序列樣本資料,將病毒劃分為六大類型,其中「第六型」佔目前流傳病毒類型的 99%。日前,中研院也成立「病毒變異全球即時監測網」分享資料,讓全世界均能即時追蹤病毒變異。

突變,到底怎麼變?

COVID-19 疫情自 2019 年底爆發,隨著時間流逝,疫情不但沒有趨緩,多國甚至掀起二波感染潮。因為在一年的時間裡,新冠病毒沒有被壓制,突變種還像雨後春筍般現身。日前英國更出現了傳染力更高的新變種病毒。究竟是什麼原因讓新冠病毒變化得如此快速?

新冠病毒在穿透式電子顯微鏡下現形,可見病毒表現突起的棘冠。因新冠病毒是 RNA 病毒,突變速度快。中研院團隊將目前新冠病毒變異分為六大類型,目前全球流傳的幾乎都是第六類型病毒,未來團隊將持續追蹤病毒變異。圖/Wikipedia

生物學中的突變 (mutation) 一詞,指的是細胞核裡的遺傳物質發生改變,可能是 DNA 最基本單位─核苷酸 (nucleotide) 發生一個或好幾個的缺失、重複或插入等變化。造成 DNA 突變的原因很多,像是 DNA 受到化學物質、紫外線、輻射或病毒影響,或僅僅只是細胞分裂、DNA 複製的過程發生失誤。

細胞全年無休,不停複製、分裂,DNA 受損或是複製出錯其實並不少見。但就像人類工廠對於商品會有瑕疵檢測、修復的 SOP,細胞對 DNA 突變也有相對應的修正機制。即使 DNA 序列異動後嚴重到無法修復,如果突變發生在無意義片段,或是單一核苷酸,大多成為沒有帶來任何影響的「中性突變」。

但,如果突變發生在會影響蛋白質製造的核苷酸片段(基因),就可能對生物有所影響。一般來說,這種基因突變的機率約莫是十萬分之一

這次的疫情元凶新冠病毒是 RNA 病毒,比起 DNA 病毒或是一般細菌,更加容易突變。

RNA 病毒突變,比你想得容易!

新冠病毒的遺傳物質是單股的 RNA (ribonucleic acid),RNA 結構不太穩定。」本次研究團隊的楊欣洲研究員幫讀者劃重點。相較於遺傳物質為 DNA 的病毒,RNA 病毒在複製遺傳物質 (RNA) 的過程,更加容易突變,如需要年年選株的流感病毒即為 RNA 病毒。

新冠病毒雖然有校對酶、突變速度比流感病毒稍慢,但突變速度仍高。

面對新冠病毒不斷冒出的變種,中研院研究團隊從最常見的突變——單一核苷酸變異 (single-nucleotide variantion, SNV) 著手研究。研究人員結合病毒變異分析與分類樹分析兩種方法,著手分析從全球共享流感數據倡議組織 (GISAID) 取得的 1932 株病毒基因序列樣本。

病毒變異發生位置與頻率方面,則以中研院統計科學研究所陳君厚所長的統計矩陣視覺化,解析新冠病毒近三萬個核苷酸的 RNA 序列中,各個核苷酸變異之間的關聯;另一方面,使用一種統計分類樹四種親緣關係樹,來瞭解各病毒株之間的距離與親緣關係。「各國上傳的病毒株樣本資料都會附註收樣時間,也多少輔助親緣樹評判定演化前後關係的參考。」楊欣洲補充。

14 個印記,快速分類六大病毒

研究結果顯示,目前世界上的病毒株可以被分成六大型,每一型都有一組自己獨特的單一核苷酸變異 (SNV) 位點,這樣的 SNV 位點印記共有 14 個。研究團隊在六千株、三萬多株以及三十萬株等,幾次擴大樣本數的病毒分析中都能得到重複的驗證。

上圖為新冠病毒六大型的突變位點,每一橫條代表某一型的 RNA 序列,向下的區塊為突變的單一核苷酸變異 (SNV) 位點所座落的基因。目前世界上的病毒株可以被分成六大型,每一型都有一組自己獨特的 SNV 位點,這樣的 SNV 位點印記共有 14 個。圖/楊欣洲

「未來不用再看完整病毒基因體,只要針對新樣本檢查這 14 個 SNV 印記,就可以在幾分鐘內將新病毒株分類歸檔。」楊欣洲指出。原本的分析方法是將病毒株樣本的 RNA 全部定序,但各國處理的標準操作程序不一、技術也存在些許落差,即使取得各國定序結果,因為提供的病毒全基因體長度不盡相同,也得再花費一番功夫比對。然而,當病毒基因序列樣本快速增加,病毒分類研究耗時耗力至幾乎難以執行。

但搭配分類樹與矩陣視覺化的新技術,讓病毒分析變得非常簡單方便。研究團隊還進一步開發出病毒株定型的快速演算法,即使有大量病毒株要定型也能在幾分鐘內完成,未來面對其他種類病毒的分型時也可以派上用場。

中研院團隊僅用 14 個 SNV 印記,用一對一序列排比 (Pairwise Alignment) 和文字探勘 (Text Mining) 兩種方法,幾乎只要幾分鐘就能完成分類,且正確率分別是百分之 100 與 98 以上。

第六型病毒大解析

今年四月,研究團隊定義出病毒六大型時,原先是以病毒株發生的地理位置命名,稱作亞洲一、亞洲二、歐洲一、歐洲二、美洲、大洋洲/亞洲型。但隨著病毒株在全世界各地快速交流傳播,很快就不再適用以地理位置區分,最後以Type I ~ VI 命名。

進一步分析發現,第一到第五型的病毒,除了有各自獨特的一組 SNV 位點印記外,在病毒外觀、致病力、傳染力方面還沒有觀察到顯著的差異。但第六型的病毒就不太一樣了。病毒樣本數據資料顯示,六種型的病毒在國際間交流競爭後,目前在世界各地均是由第六型勝出,成為主要的優勢型。

所謂的第六型,是將 SNV 位點分析結果與新型冠狀病毒株的參考序列 (MN908947) 相比,如果在 C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四個核苷酸位點都發生變異,即歸類在第六型。楊欣洲認為,第六型成為全球優勢型,而非僅在少數地區盛行這個現象,透露出這四個 SNV 很可能為病毒株帶來較好的適應能力。

中央研究院根據全球共享流感數據倡議組織(GISAID)資料,分析二十萬筆以上的病毒基因序列樣本資料。發現病毒可歸類為六大類型。其中「第六型」(藍色線段) 自 2020 年 2、3 月開始在各國急速竄升,4 月雄霸一方,佔目前流傳病毒類型的 99%。圖/Tracking SARS-CoV-2 Variation

事實上,今年八月一篇發表在生物權威期刊《細胞》(Cell) 的論文指出,新冠病毒的核苷酸位點 A23403G 變異,導致病毒刺突 S 蛋白上、第 614 位置的胺基酸由原本的天門冬胺酸 (aspartic acid) 變為甘胺酸 (glycine) 後,會強化病毒的感染能力

但楊欣洲表示,單靠一個 A23403G 變異其實無法解釋:為什麼第六型能夠逐漸成為數量最多的一型,而是需要四個突變一齊到位。

四個突變到位,病毒生命力大增

原來在研究過程中,團隊曾經發現隔一段時間偶爾會出現 C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四個核苷酸位點裡,只有其中幾個位點突變的病毒株。但是只要沒有四個同時突變,這些病毒都傳不久。「就算有 A23403G 但缺乏另外三個變異的話,病毒株還是沒有辦法持續傳播。」楊欣洲強調。當四個 SNV 不齊全的時候,突變對病毒沒有實質影響、甚至不利其傳播。

C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四個突變位點齊全後,才會擴充病毒性能,提升第六分型的適應力與傳播力。

此外,其他研究似乎也暗示第六型的四個 SNV 疑似有帶來更多特殊功能。2020 年 11 月,一篇發表在著名學術期刊《科學》(Science) 的論文提到,新冠病毒會經由人傳給水貂,且會再回傳給人類。中研院團隊分析論文中的病毒樣本,發現人傳給水貂的病毒約有 22% 屬於第一型,76% 屬於第六型。但分析水貂回傳人類的十八個病毒株後,發現全部都屬於第六型

「這個結果實在頗耐人尋味。」楊欣洲指出,第六型病毒株適應力與傳播能力增加,很可能與 四個核苷酸變異之間的交互作用有關,背後的生物機制都還有待未來更多的追蹤與研究來解答。

著名學術期刊《科學》(Science) 的論文提到,新冠病毒會經由人傳給水貂,且會再回傳給人類。圖/Wikipedia

當前疫苗可以應付變種病毒嗎?

不過民眾最關心的,首推目前的疫苗能夠抵抗當前的變種病毒嗎?「跟疫苗研發與疫苗效果直接相關的,是刺突蛋白基因上的變異點:A23403G,也就是突刺 S 蛋白 D614G 突變。」楊欣洲指出,已有初步研究顯示,D614G 變異雖然會提升病毒的適應能力,卻不影響血清抗體對病毒的中和力。而且在這之前科學家們就已經發現這個帶有 A23403G 變異的病毒越來越盛行,各疫苗廠於研發過程中大多也都有將這個 SNV 的變異納入研發考量,因此目前第六型的病毒還不致讓疫苗失去防禦力。

病毒變異株雖互有消長,但尚不致影響防疫策略。

楊欣洲也坦白說,新的變異一直在進行,無法排除任何可能性。況且,研究會受到資料庫樣本的限制。 GISAID 目前約有三十萬筆資料,英國上傳大十四萬筆最多,美國居次;中國則宣稱沒有多少新增病例,即使前陣子北京發生二波感染,也就提供三隻病毒株,沒有資料,就沒辦法全面掌握病毒變化。

「現在病毒是以第六型為主,但隨著各國的邊境管制,各地又開始出現新興的子型病毒。像是北京提供的三個樣本,就是第六型的子型。」楊欣洲提醒。2020 年 12 月 21 日,英格蘭公共衛生署 (Public Health England) 的報告指出,在英國發現新冠病毒變種,並已造成單日新增感染案例暴增。英國立刻通報世界衛生組織此高傳染性的英國變種新冠病毒株,讓世界各國提高警覺,善盡世界公民的職責。

因應病毒的快速變異,中央研究院設置「病毒變異全球即時監測網」,廖俊智院長帶領,統計所研究團隊進行大數據分析,陳伶志資服處長開發網站,中研院病毒與生物化學專家參與討論,即時監測世界各國正在發生的新興病毒變異,發現需要密切注意的變異株時,盡速提供資訊給各個病毒傳播研究與疫苗研發單位,與全球繼續對抗這場世紀大疫。

中研院團隊設立網站,即時監測世界各國正在發生的新興病毒變異,發現需要密切注意的變異株時,盡速提供資訊給各個病毒傳播研究與疫苗研發單位。圖/Tracking SARS-CoV-2 Variation

延伸閱讀

  1. 病毒變異全球即時監測網
  2. Analysis of genomic distributions of SARS-CoV-2 reveals a dominant strain type with strong allelic associations.
  3. 廖俊智個人網站
  4. 陳君厚個人網站
  5. 楊欣洲個人網站
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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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用這劑補好新冠預防保護力!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 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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年歐盟、英、法、澳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,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

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
倍拉維
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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視力模糊、肌肉痙攣,從頭到腳都有事——讓神經短路的多發性硬化症
careonline_96
・2023/01/31 ・2400字 ・閱讀時間約 5 分鐘

20 多歲的陳小姐因為出現視力模糊、複視而到眼科就醫,經過檢查後,發現原來不是眼睛的問題,而是神經出了狀況,轉介至神經免疫科後確診為多發性硬化症。

在接受治療後,症狀有了大幅改善,但是碰巧遇上嚴峻的新冠肺炎疫情,因為擔心到醫院會增加感染風險,所以陳小姐遲遲沒有回診拿藥,中斷治療後她的病情果然就復發了,手腳的活動都有輕微受損,只能趕緊住院治療,幸好在經過積極治療後,狀況恢復的還不錯,終於順利出院。

中國醫藥大學附設醫院神經免疫暨基因疾病科主任郭育呈醫師表示,經歷復發的經驗後,患者便能理解規則治療的重要性,一旦中斷治療,多發性硬化症會影響全身的神經,把病情控制穩定才能避免永久的神經學後遺症!

破壞神經,從頭到腳都有事的多發性硬化症

多發性硬化症(Multiple Sclerosis,簡稱為 MS)是因為環境、基因、個人體質等因素誘發體內異常的免疫反應,使淋巴球及細胞激素去攻擊中樞神經系統,引起後續的發炎反應,進而導致神經去髓鞘的病變,嚴重會造成神經退化,中樞神經系統功能受損,不易復原,而留下永久的神經學後遺症。

郭育呈醫師指出,多發性硬化症的症狀表現千變萬化,端看有哪些神經系統遭受攻擊,最常見的是視力模糊、色覺異常,例如眼睛對紅、黃、藍等顏色的辨識度減退,嚴重的時候會出現視野缺損,甚至失明,這些都是視神經發炎的症狀。

另外一個比較常見的是脊髓發炎,脊髓發炎會造成雙下肢麻木、無力,嚴重的時候會合併解尿、排便的異常。其他症狀還有複視、口齒不清、吞嚥困難,甚至是持續性的眩暈及行動不穩等,如果影響到大腦,就會引起單側肢體無力,類似腦血管病變、中風的表現,這時可能會錯估疾病的診斷跟延誤治療的時機。

及早治療多發性硬化症,維持神經功能

確立多發性硬化症的診斷後,一定要及早治療才可以避免病情惡化、降低復發的機會,也減少大腦萎縮、記憶力、智力退化的風險。郭育呈醫師解釋,治療方式分兩個部份,急性發作的治療和改善病程進展的治療。

急性發作時通常是接受高劑量類固醇,就是所謂的脈衝治療,一般需要住院注射三至五天的高劑量類固醇,如果病情較嚴重,則會評估使用免疫球蛋白或血漿置換,讓復原的速度、程度改善;在症狀緩解、病情穩定的時期,便需要長期接受改善病程進展的治療,目前的治療包括干擾素、標靶藥物、免疫調節藥物等,有口服、皮下或肌肉注射、以及靜脈注射等方式,臨床上會依照患者的症狀、嚴重程度,來選擇合適的藥物。

無論是口服、皮下注射、還是靜脈注射藥物,都有助於穩定病情、降低惡化程度、減少復發頻率,郭育呈醫師說,多發性硬化症無法完全治癒,即使症狀改善也要規則治療,避免出現永久性神經學後遺症,盡量維持神經功能。

COVID-19 疫情不影響治療,應盡早接種疫苗

因為新冠肺炎 COVID-19 疫情的關係,大家到公眾場所的機會大幅下降,病毒感染的機會下降,也可能讓多發性硬化症復發的風險降低。不過部分患者因為新冠肺炎疫情而沒有規則回診,若中斷治療,可能導致復發或使病情惡化的風險增加。

「根據台灣和世界的經驗,注射疫苗不會增加多發性硬化症復發的風險,也不會讓病情變嚴重」,郭育呈醫師提醒,「反倒在罹患新冠肺炎 COVID-19 後,會讓原本多發性硬化症的治療及病情控制變得更複雜。所以一般還是建議多發性硬化症患者,如果身體狀況許可,要盡早注射疫苗,降低感染新冠肺炎的風險。」

多發性硬化症日常保養重點

多發性硬化症是自體免疫疾病,日常保養對患者而言相當重要,除了戒菸及避免過度飲酒,生活作息要保持正常、睡眠充足、飲食均衡,並減少刺激性的食物,也不要隨意以中藥進補,以免造成免疫反應過於活躍,導致疾病發作。

有些患者是因為感染、感冒,導致整體的免疫反應活化,而造成多發性硬化症突然的復發,通常在短短幾天內病況就急速惡化而讓人措手不及,郭育呈醫師也提醒患者,只要出現輕微症狀,或是感覺最近幾天跟平日的狀況不一樣,就要特別注意。

在運動方面,郭育呈醫師也建議多發性硬化症患者平常可以做瑜珈、伸展等靜態運動,因為太激烈的運動可能導致肌肉受損,或讓患者過於疲累。而在大太陽下運動,或處在悶熱的環境,如泡溫泉、泡熱水澡,都可能造成疾病復發、惡化,一定要避免。

多發性硬化症是一個慢性病,除了配合醫師作積極的藥物治療,降低復發或新病灶的產生,日常也應管理飲食及適當運動,學會與疾病共處才能穩定控制病情,改善生活品質!

  • 以上衛教資訊由台灣諾華協助提供

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物理學家說,公車的窗戶開這幾扇才通風
胡中行_96
・2023/01/09 ・1774字 ・閱讀時間約 3 分鐘

在流感盛行的嚴冬,您可曾為了開窗與否,天人交戰?還是在搭公車的時候,選擇開走道對面的窗戶,凍死別人,造福自己?通風能降低感染空氣傳播疾病的風險,但交通工具的窗戶到底要怎麼開,才能達到最佳效果?墨西哥物理學團隊發揮所長,在 2022 年 12 月的《科學報告》(Scientific Reports)期刊上,推薦開公車窗戶的方法。[1]

公車模型

COVID-19 疫情期間,防疫資訊滿天飛。因為事關人命,「♪ 雖然我曾經這樣以為/♪ 我真的這樣認為」,並不能做為給予建議的理由。許多公衛措施的效益,例如:戴口罩和保持社交距離等,都被嚴厲地以科學的方法檢視。這群墨西哥物理學家著眼於通風的機制,想瞭解到底挑哪個位置的窗戶,打開多少扇,對公車內的空氣品質最好。當然,他們並未唱著林憶蓮的〈為你我受冷風吹〉,親自搭車實測,被風吹到掉眼淚;而是打造了一台小模型來實驗,再以電腦模擬運算。[1, 2]

公車模型:A 是風速計;S 為二氧化碳偵測器;窗戶被黑虛線框出;二氧化碳則由中央車底灌入。圖/編輯自參考資料 1,Figure 1b、8a和8b。CC BY 4.0)

他們參考一輛 9.92 x 2.5 x 2.2 公尺,地板內側離路面 0.4 公尺的實體公車,打造出約 1/10 大的壓克力模型。如圖所示,車體透明,僅窗戶用黑色虛線框出,方便觀察;裡面有二氧化碳偵測器(CO2 sensor)、風速計(anemometer);以及可裝卸的 3D 列印乘客,方便創造空車和滿載等狀態。由於假人不會呼吸,所以得從模型的中央車底灌入二氧化碳,代替真實的吐氣。測試氣流時的車速,則主要設定在每小時 50 公里。[1]

實驗項目

這個實驗從下列兩個角度,來探討通風效果:

  1. 開啟的窗戶數目:從不開窗、開 2 扇或 4 扇,到全部開啟等,都嘗試一輪。[1]
  2. 窗戶的位置:一般常見的公車,窗戶都是開在車體兩側,也就是乘客座位的旁邊。不過,科學家在模型的車頭,挖了 2 個長方形的氣窗,看看這種設計的效果又是如何。[1]

實驗結果

研究團隊發現,在一般擁有左右兩排窗戶的公車上,氣膠(aerosols,又稱「氣溶膠」或「懸浮微粒」)的擴散與排出,均受車內負壓造成的吸力驅動。打開 4 扇,也就是左右各 2 扇窗戶最通風;全開也不會加快氣膠排散,或減少累積。氣流促使氣膠向車頭聚集;有些從前面離開的氣膠,會由後面的窗戶回流;而氣膠在車裡停留的時間,平均為 6 分鐘。不過,當科學家拿出他們改造的新型公車,馬上就超越了傳統公車開 4 扇窗的成效。[1]

有別於市面上常見的款式,這種新型公車的前方擋風玻璃,靠近車頂處,多了兩個氣窗。如下圖所示,公車移動時,前方氣窗會進氣,產生一股推力帶動通風,而不再仰賴車內負壓的吸力。空氣從前方灌入,通過座位區域,再由車尾原本就設在兩側的窗戶出去;不像開 4 扇的,氣流無法完全貫穿車體。[1]

左:一般有兩排窗戶的公車;右:車頭設氣窗的新款公車。圖/參考資料 1,Figure 1c(CC BY 4.0)

以公車滿載 50 人的狀況為例,車速每小時 50 公里時,新款公車內的通風換氣速率,為每人每秒 100 公升;遠高於英國急難科學顧問團(Scientific Advisory Group of Emergencies,簡稱SAGE),在 COVID-19 疫情期間建議的 8 至 10 公升。就算行車速度只有每小時 9 公里,也還能符合 SAGE 的標準。同時,車內氣膠的總量減少,在車速每小時 50 公里的狀態下,滯留的時間降至 50 秒。[1]

公車向左行駛時,開不同窗戶的通風情形。影/參考資料 1,Supplementary Information 2(CC BY 4.0)

尚待研究的變因

既然新款公車這麼通風,何不趕快上市?上述實驗未涵蓋的數個變因,其實仍有待探究。比方說,3D 列印的假人沒有體溫,真實的公車坐滿活人乘客時,車內的溫度可能較高。如果再考量各地天候,造成的車外氣溫差異,這裡關於氣體流動的結論,便不見得適用。[1]更何況在空氣污染嚴重的市區,開窗搞不好會弄得灰頭土臉,大概也無益於呼吸功能。假如將來臺灣除了密閉且附空調的公車,也有這種墨西哥的新式車款,身為乘客的您,會想搭哪一種?

  

參考資料

  1. Alexei Pichardo-Orta F, Luna OAP, Cordero JRV. (2022) ‘A frontal air intake may improve the natural ventilation in urban buses’. Scientific Reports, 12, 21256.
  2. 滾石唱片ROCK RECORDS(01 JUN 2012)「林憶蓮Sandy Lam【為你我受冷風吹 Suffer for you】Official Music Video」YouTube.
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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。