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COVID-19快篩原理和常見QA

miss9_96
・2021/05/18 ・3632字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 584 ・九年級

本月上旬,台北萬華爆出社區感染,台灣首次啟用抗原快篩站。不到 24 小時,525 名篩檢者,有 62 人陽性,陽性率在驚人的 10% 以上 [註1]。

抗原快篩只需數十分鐘即可知道結果。在我們正面臨社區傳染、須快速地大量篩檢之際,是最靈活的前線檢測工具。

但到底抗原快篩是什麼?跟核酸檢測相比,差異在哪裡?

台北市的抗原快篩站。圖 / 柯文哲粉絲專頁

30秒了解各種篩檢方式!

面對COVID-19(新型冠狀病毒肺炎、武漢肺炎),有三種檢驗的方式,分別是「RT-PCR」、「抗體篩檢(快篩)」以及「抗原篩檢(快篩)」,以下就各種類型逐個說明。

1. RT-PCR:檢測病毒的遺傳物質

  • 目的:找到「正在被病毒感染」的人
  • 優點:靈敏度極高,是確診、解隔離的黃金準則(延伸閱讀:新冠病毒篩檢怎麼做?)。
  • 缺點:需大型儀器、診所無法操作;耗時數小時甚至一天。

2. 抗體篩檢(快篩):檢測人體對抗病毒時,白血球分泌的抗體

  • 目的:找到「曾經被病毒感染」的人
  • 優點:身體的抗體可維持數月以上;可作成快篩,數十分鐘即可知結果,診所就可使用。
  • 缺點:需抽血;在潛伏期、感染前期時,白血球來不及分泌抗體,將無法檢出。準確度、鑑別力較 RT-PCR 低。

3. 抗原篩檢(快篩):檢測體液(如:鼻涕、口水)中的病毒特定蛋白質

  • 目的:找到「正在被病毒感染,且病毒大量繁殖」的人
  • 優點:只要病毒正在大量繁殖,即可偵測;可作成快篩,數十分鐘即知結果,診所、甚至在家就可以用。
  • 缺點:病毒尚未大量複製階段(潛伏期)無法檢出。準確度、鑑別力較 RT-PCR 低。

抗原篩檢(快篩):快速、操作簡單

抗原快篩的技術之一,是「側向流體免疫層析法 (Lateral flow immunochromatographic assay)」。優勢是反應快速(數十分鐘)、操作簡單,甚至一般民眾也能操作 [1]。

抗原快篩檢測的影片。影/亞諾法生技股份有限公司

抗原快篩裝置通常類似驗孕棒的卡匣(如下圖),關鍵是「可辨認病毒特定蛋白質(抗原)的抗體 A」 [2]。操作步驟如下:

快篩結果示意。圖/羅氏藥廠
  • Step 1:在卡匣一側滴入體液,透過毛細現象,和黏有顯色劑的抗體 A 混合。
  • Step 2:黏有顯色劑的抗體 A 辨認、抓住抗原。
  • Step 3:透過毛細現象,液體流經測試區。固定鑲在測試區的抗體 A,也跟著辨認、咬住抗原。已經在抗原身上的「黏有顯色劑的抗體 A」,因此被留在測試區,故可看到測試區出現顏色。
  • Step 4:透過毛細現象,液體流經控制區。固定鑲在測試區的抗體 B,辨認、咬住液體裡「黏有顯色劑的抗體 A」,因此可看到控制區出現顏色。
免疫層析(快篩)示意。圖/參考文獻2

RT-PCR 檢測,須用酵素將 RNA 轉成單股 DNA,再反覆地升溫、降溫、再用酵素合成和放大 DNA。整個過程耗時良久,且須用儀器處理,並且要到指定的實驗室裡操作。

而抗原快篩的優勢顯著,因為原理是「抗體 vs 抗原」、「蛋白質」之間的交互作用,只需十多分鐘內、室溫下即可完成,且只需用肉眼判定是「 2 條線,還是 1 條線」就好。

簡單、easy,任何人都懂!英國政府甚至開放索取,讓民眾在家檢測,以減輕醫護壓力 [1]。

關於快篩的正確性、靈敏度,以及FAQ

捐贈給北市國產飛確抗原快篩為例。該試劑用於定性(無法定量)、針對症狀出現 5 天內之患者,其鼻、口水內是否有新冠病毒的「核衣殼蛋白(nucleocapsid protein)」 做檢測 [註3]。表 1 是用抗原快篩和 RT-PCR,檢測 88 名疑似感染者的結果 [3, 4]。

快篩的陽性預測率(Positive predictive value, PPV):約96.6 %(29/30)。也就是指,若快篩的100名陽性者,其中約有3名健康人是被誤判的偽陽性、需被抓進病房、再捅一次鼻孔,等RT-PCR報告後再出院。

而陰性預測率(Negative Predictive Value, NPV):約94.8 %(55/58)。這裡指的是,若快篩的100名陰性者,其中約有5名感染者是被誤判的偽陰性(即感染者,但快篩陰性,放回社區生活),將返回社區

快篩示意圖。圖/envato elements

也因此可以了解,僅靠篩檢的防疫策略,必然有漏洞,即使快篩陰性,仍須維持嚴格的自我防護,才能保護彼此。


Q:我得流感/普通感冒,會被快篩出偽陽性嗎?

快篩必須要能排除其它病毒的干擾。以飛確快篩為例,試劑裡的抗體,可以分辨、排除其它常見病毒(表2),僅有 2002 年的初代 SARS 會引起偽陽性 [3] [註4]。

表2:飛確快篩可分辨、排除的常見病毒。

Q:我用鼻噴劑/止痛藥,會被快篩出偽陽性嗎?

快篩也必須排除常見藥物的干擾。以飛確快篩為例,已確認阿斯匹靈(Aspirin)、醫鼻易噴鼻液(Oxymetazoline, 鼻塞噴劑)等藥物,不會干擾試劑[3]。

Q:面對新變異株,快篩會沒用嗎?

須看原廠有沒有進行再測試。以飛確快篩為例,已確認對 B.1.1.7(英國變異株)、B.1.351(南非變異株)、P1(巴西變異株)、B.1.427(加州變異株)、B.1.526(紐約變異株),仍有檢出能力。

Q:打了 COVID-19 疫苗,會被快篩出偽陽性嗎?

理論上不會。多數抗原快篩,關鍵抗體都是辨認核衣殼蛋白。而台灣欲購的牛津、莫德納(Moderna)、國產疫苗,標的都是棘蛋白 (spike protein),兩者不同。但若是抗體篩檢,那可能會受到疫苗影響。

Q:為什麼北市呼籲民眾,「有症狀再來篩檢」?

抗原篩檢是檢驗病毒本身,在病毒大量繁殖期間,患者通常有症狀,因此該時間內,檢測會準。在潛伏期,因病毒量少,檢測精準度會不準。

而無症狀感染者雖然可被篩出,但在資源有限、萬華疫情險峻的現實下,市府才會作此呼籲。(2021/5/18)

Q:要不要像英國一樣,每人發抗原快篩在家裡測?

發放抗原快篩,讓大量民眾檢測的方針,有個前提——「測出陽性後,民眾仍可配合自我隔離(或有足夠的病房)、不去上班上學也沒關係」。

此策略需要企業雇主、學校和家長等多面配合,只要某一角色不願或難以配合,或是隔離房間的資源不足,大量發放快篩的手段,可能只會讓現況更為混亂。

英國政府介紹在家自我快篩的影片 (1:37~5:55)。影/ 英國衛生部

保持冷靜,繼續前進。Keep Calm and Carry On.

本文感謝衛生福利部台東醫院檢驗科張昱維(Yu-Wei Chang)博士協助

註解

  • 註1:指該社區,可能每 10 人就有 1 人正值急性感染。這是很驚人的數字,若當地活動人潮約 2 萬人,則可能有 2000 名急性感染期患者正在社區中
  • 註2:更精準的說法是「病毒大量繁殖期間」,此時多數患者會有症狀
  • 註3:該蛋白質和病毒 RNA 結合,同時被包裹在病毒顆粒裡
  • 註4:部分高毒性、稀罕的病毒,僅能透過序列解析判斷是否會造成偽陽性。以飛確快篩為例,該試劑比對了 Human coronavirus HKU1( 2005 年於香港分離)、MERS(中東呼吸症候群冠狀病毒)、SARS(2002 年肆虐台灣的那支)後,發現僅有 SARS 會干擾該試劑

參考文獻

  1. Understanding lateral flow antigen testing for people without symptoms. GOV.UK. 2021/04/23
  2. J. M. Abduljalil (2020) Laboratory diagnosis of SARS-CoV-2: available approaches and limitations. New Microbes and New Infections. https://doi.org/10.1016/j.nmni.2020.100713
  3. 飛確 新型冠狀病毒抗原快篩檢驗試劑使用說明書4. 飛確 新型冠狀病毒抗原快速檢驗試劑。Vstrip

快篩 V.S PCR 檢測,到底差在哪?


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蔣維倫。很喜歡貓貓。曾意外地收集到台、清、交三間學校的畢業證書。泛科學作家、科學月刊作家、故事作家、udn鳴人堂作家、前國衛院衛生福利政策研究學者。 商業邀稿:miss9ch@gmail.com 文章作品:http://pansci.asia/archives/author/miss9


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為何新冠病毒突變之後傳染力更強?——關鍵在於變異株的棘蛋白結構

研之有物│中央研究院_96
・2022/01/25 ・5088字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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/寒波
  • 美術設計/林洵安

為何新冠病毒突變之後傳染力更強?

COVID-19 至今仍深深影響全人類,新冠病毒持續演化,例如曾經造成臺灣大規模社區感染的 Alpha 變異株、傳染力更強的 Delta 變異株,近期出現的 Omicron 變異株等,它們逃避免疫系統的能力都不一樣,關鍵就在不同的棘蛋白(spike protein)結構。「研之有物」專訪中央研究院生物化學研究所徐尚德副研究員,他的團隊陸續解析各種新冠病毒變異株的棘蛋白結構,不但能釐清新的突變帶來的威脅,後續也可作為研發人造抗體的指引。

徐尚德手上拿著新冠病毒的棘蛋白模型,顯示棘蛋白與兩種不同抗體結合的情況。圖/研之有物

解析新型冠狀病毒棘蛋白

COVID-19 的病原體是一種冠狀病毒,和 SARS 病毒是近親,正式命名為 SARS-CoV-2,中文常稱作新型冠狀病毒。為了知道病毒如何感染人體細胞,以及如何逃避免疫系統的辨識,我們需要進一步瞭解冠狀病毒表面的棘蛋白結構。

結構為什麼重要?因為結構會影響蛋白質功能。蛋白質是由不同的氨基酸所組成的長鏈,實際作用時會摺疊形成特別立體結構,而冠狀病毒的蛋白質中,又以棘蛋白最為關鍵。

徐尚德強調,棘蛋白是冠狀病毒暴露在表面的蛋白質之一,絕大多數被感染者的免疫系統所產生的抗體都是辨識棘蛋白。因此現今臨床使用的蛋白質次單元疫苗、腺病毒疫苗以及 mRNA 疫苗,都是以棘蛋白為基礎來研發。

Cryo-EM 讓蛋白質結構無所遁形

工欲善其事,必先利其器。解析蛋白質結構的方法很多,早期的 X 光晶體繞射(X-ray diffraction),就像將影片定格截圖,但不一定為蛋白質實際作用的狀態。

再來是核磁共振(Nuclear Magnetic Resonanc,簡稱 NMR),這是徐尚德留學深造時的專業,可以重現蛋白質在水溶液中的結構及動態,更接近實際作用的形態,可惜不適合分子量較大的分子。

目前結構生物學最具潛力的新技術是:冷凍電子顯微鏡(Cryogenic Electron Microscopy,簡稱 Cryo-EM),Cryo-EM 可以拍出原子尺度下高解析度的三維結構,此技術於 2017 年獲得諾貝爾化學獎。中研院則於 2018 年開始添購 Cryo-EM 設備,而 Cryo-EM 正是徐尚德用來解析棘蛋白結構的主要利器!

在 COVID-19 疫情爆發初期(2020 年 1 月),徐尚德就率先啟動新冠病毒的結構分析,當時他的研究團隊剛好已分析過感染貓科動物的冠狀病毒,對於解析棘蛋白結構有一定經驗,可說是贏得先機。

具體來說,如何用 Cryo-EM 解析新冠病毒的棘蛋白結構?

首先要大量培養新冠病毒、再分離、純化得到棘蛋白。接下來,將大量蛋白質樣本鋪成薄薄一層液體,之後以 -190℃ 急速冷凍,讓蛋白質分子保持凍結前的形態,最後用程式重建棘蛋白的三維影像。徐尚德譬喻,就像一匹馬在高速移動時,連續拍攝許多照片,再將照片疊加起來,重建馬的形狀。

棘蛋白的體積已經算大,假如又與其他蛋白質結合,體積將會更大。能解析如此龐大結構為 Cryo-EM 一大優點,但是也會創造很大的資料量。徐尚德強調,用 Cryo-EM 分析蛋白質結構不只做實驗,也要協調資料處理等疑難雜症。

冷凍電子顯微鏡可以紀錄同一時間下、不同狀態的蛋白質三維立體結構。圖/研之有物

關鍵 D614G 突變,讓新冠病毒棘蛋白穩定性大增

儘管已有貓冠狀病毒的經驗,徐尚德研究團隊初期仍經歷一陣摸索,一大困難在於,做實驗時發現不少棘蛋白壞掉,不再保持原本的結構。

這是因為一般取得蛋白質樣本後會置於 4°C 冷藏,但 4°C 其實不適合保存棘蛋白。接著徐尚德細心觀察到,具備 D614G 突變的棘蛋白,保存期限竟然比沒突變的棘蛋白要長,可以從 1 天增加到至少 1 週。

什麼是 D614G 突變呢?武漢爆發 COVID-19 疫情的初版新冠病毒,其棘蛋白全長超過 1200 個胺基酸,D614G 突變的意思就是:第 614 號氨基酸由天門冬胺酸(aspartic acid,縮寫為 D)變成甘胺酸(glycine,縮寫為 G)。

D614G 突變誕生後,存在感持續上升,2020 年 6 月時已經成為全世界的主流,隨後新冠病毒 Alpha、Delta 等變異株,皆建立於 D614G 的基礎上。

儘管序列僅有微小差異,許多證據指出 D614G 突變會增加新冠病毒的傳染力。有趣的是,它也能大幅增加棘蛋白在體外的穩定性。因此在研究用途上,變種病毒的棘蛋白反而容易保存,徐尚德更指出,對抗變種病毒的蛋白質次單元疫苗(subunit vaccine)穩定性也會增加。

圖片為徐尚德實驗室提供的新冠病毒模型與三種不同的棘蛋白模型,棘蛋白的主體為白色,棘蛋白的受器結合區域(receptor binding domain,RBD)為藍綠色。圖/研之有物

新冠病毒棘蛋白的「三隻爪子」:受器結合區域

徐尚德參與的一系列新冠病毒結構研究,除了棘蛋白本身,還包含棘蛋白與細胞受器 ACE2 的結合、棘蛋白和人造抗體的結合。

既然要解析結構,儀器「解析度」能看清楚多小的尺度就很重要!蛋白質結構學的常見單位是 Å(10-10 公尺),原子與原子間的距離約為 2 Å,Cryo-EM 的極限將近 1 Å,不過棘蛋白大約到 3 Å 便足以重建立體結構。

冠狀病毒如何感染宿主細胞,和結構又有什麼關係?棘蛋白位於冠狀病毒的表面,直接接觸宿主細胞受器 ACE2 的部分,稱為受器結合區域(receptor binding domain,簡稱 RBD),結構可能展現「向上」(RBD-up)或是「向下」(RBD-down)的狀態。向下,RBD 便不會接觸宿主細胞的受器,缺乏感染能力,;向上,RBD 方能結合受器,引發後續入侵。

徐尚德團隊透過冷凍電子顯微鏡,拍攝新冠病毒 Alpha 株的棘蛋白結構,其中有三類棘蛋白的 RBD 為 1 個向上(佔 73%),有一類(類別3)的棘蛋白 RBD 則是 2 個向上(佔 27%)。圖/Nature Structural & Molecular Biology

新冠病毒表面的棘蛋白有「三隻爪子」(3 RBD),RBD 有可能同時向上(3 RBD-up),也可能只有 1~2 個向上,結構會影響病毒的感染能力。更詳細地說,棘蛋白某些胺基酸位置的差異,會影響結構的開放與封閉程度。

棘蛋白向上或向下是動態的,假如能保持穩定性,延長向上的時間,也有助於新冠病毒的感染。這正是徐尚德一系列研究下來,實際觀察到不同品系的變化。

截至 2022 年 01 月 18 日的新冠病毒品系發展歷史,其中 Delta 變異株擁有最多品系,而 Omicron 變異株則開始興起。雖然 Omicron 的品系並不多,但已逐漸成為主流。圖/Nextstrain; GISAID

一網打盡所有高關注變異株的結構變化

和武漢最初的新冠病毒相比,D614G 突變帶來什麼改變呢?簡單說:棘蛋白向上的比例增加了,導致整個結構變得更加開放,增加新冠病毒對宿主受器的親合力(affinity)。

以 D614G 為基礎,接下來又獨立衍生出數款品系,皆具備多個突變,傳染力、抵抗力更強 。影響最大的是首先於英國現身的 Alpha(B.1.1.7)、南非的 Beta(B.1.351)、巴西的 Gamma(P.1),以及更晚幾個月後,於印度誕生的 Kappa(B.167.1)與 Delta(B.167.2)。Alpha 一度於世界廣傳,導致包括臺灣在內的嚴重疫情,不過隨後不敵優勢更大的 Delta。

對於上述品系,徐尚德率隊一網打盡。 Alpha 的棘蛋白結構解析已經發表於 《自然-結構與分子生物學》(Nature Structural & Molecular Biology)期刊,其餘新冠病毒變異株的論文仍在等待審查,目前能在預印網站 bioRxiv 看到,該研究一次報告 38 個 Cryo-EM 結構,刷新紀錄。

圖 a 顯示新冠病毒 Alpha 變異株棘蛋白的突變氨基酸序列,一共有 9 處突變, D614G 突變以紫色表示。
圖 b 顯示突變的氨基酸在立體結構中的位置。
圖/Nature Structural & Molecular Biology

Alpha 變異株的 RBD 向上結構穩定

一度入侵台灣造成社區大規模感染的 Alpha 株有何優勢?其棘蛋白除了 D614G,還多出 8 處胺基酸突變,徐尚德發現 N501Y(天門冬酰胺變成酪胺酸)、A570D(丙胺酸變成天門冬胺酸)的影響相當關鍵。

直覺地想,棘蛋白的外層結構才會與受器接觸影響傳染力,立體結構中第 570 號胺基酸的位置比較裡面,乍看並不要緊。但是徐尚德敏銳地捕捉到,A570D 突變會改變局部的空間關係,令「RBD 向上」的結構更加穩定。徐尚德形容為「腳踏板」(pedal-bin)── A570D 突變的效果就像踩著垃圾桶的腳踏板,讓桶蓋(也就是 RBD)穩定保持開啟。

事實上,棘蛋白總體向上的比例,Alpha 還比單純的 D614G 突變株更少,不過 A570D 增進的穩定性似乎優勢更大。研究團隊製作缺乏 A570D 突變的人造模擬病毒,嘗試體外感染人類細胞,發現感染力明顯減少,證實 A570D 突變頗有貢獻。

新冠病毒 Alpha 株棘蛋白的「A570D 突變」,會改變棘蛋白內部的空間,讓「RBD 向上」的結構更加穩定,就像踩著垃圾桶的腳踏板,讓桶蓋保持開啟。圖/研之有物(資料來源/徐尚德、Nature Structural & Molecular Biology

Alpha 變異株的棘蛋白親近宿主細胞,干擾抗體作用

另一個重要突變是 N501Y,不只 Alpha 有,Beta 等許多品系也有,Delta 則無。N501Y 在眾多品系獨立誕生,似乎為趨同演化所致。N501Y 能為病毒帶來哪些優勢?

第 501 號胺基酸位於棘蛋白表面,會直接與宿主受器 ACE2 結合。此一位置變成酪胺酸(tyrosine,縮寫為 Y)後,和受器的 Y41 兩個酪胺酸之間,容易形成苯環和苯環的「π–π stacking」鍵結,從而大幅提升棘蛋白對細胞的親合力。

新冠病毒 Alpha 株棘蛋白的「N501Y 突變」,讓 RBD 的胺基酸與宿主細胞受器 ACE2 形成「π–π stacking」鍵結,大幅提升棘蛋白對宿主細胞的親合力。圖/Nature Structural & Molecular Biology

另一方面,N501Y 突變也會干擾抗體的作用。中研院細胞與個體生物學研究所的吳漢忠特聘研究員,率隊研發一批針對棘蛋白的人造抗體,測試發現有一款抗體 chAb25 對 D614G 突變株相當有效,但是對 Alpha 株無能為力。徐尚德由結構分析發現:N501Y 改變了棘蛋白表面的形狀,讓抗體 chAb25 無法附著。

好消息是,另外有兩款抗體 chAb15、chAb45,依然能有效對抗 Alpha 病毒,不受 N501Y 影響。這兩款抗體會附著在棘蛋白 RBD 的邊緣,避免棘蛋白和宿主細胞接觸。而且抗體 chAb15、chAb45 會各占一方,可以同時使用,多面協同打擊病毒。

雖然新冠病毒 Alpha 株的棘蛋白表面讓某些抗體難以附著,還好仍有兩款抗體 chAb15(綠色)、chAb45(黃色)能有效「卡住」棘蛋白,干擾棘蛋白與宿主細胞結合。抗體 chAb15、chAb45 附著的位置,正好就是棘蛋白與宿主細胞結合的地方。圖/Nature Structural & Molecular Biology

棘蛋白結構不只胺基酸,還要注意表面的醣

有了 Alpha 的經驗,接下來分析 Beta、Gamma、Kappa、Delta 便順手很多。這批新冠病毒的棘蛋白變化多端,但是「RBD 向上」的整體比例皆超過 Alpha 和 D614G 突變株,可見適應上各有巧妙。徐尚德也發現,要釐清棘蛋白的結構,不能只關心蛋白質,還要考慮棘蛋白表面的醣基化(glycosylation)修飾。

蛋白質在完工後,某些胺基酸還能加上各種醣基。病毒蛋白質表面的醣基可以作為防護罩,干擾抗體和免疫系統的辨識。醣基化修飾就像替病毒訂作一套迷彩外衣,不同變異株的情況都不一樣,假如醣基化的位置和數量,由於突變而改變,便有可能影響立體結構,有助於它們閃躲抗體。例如和武漢原版新冠病毒相比,Delta 株棘蛋白少了一個醣化修飾,Gamma 株棘蛋白則多了兩處醣化。

還好從結構看來,並沒有任何突變組合能完美逃避抗體。例如由美國的雷傑納榮製藥公司(Regeneron)製作並通過緊急使用授權的抗體;以及中研院吳漢忠率隊研發,有望投入實用的多款人造抗體,對變異品系依然有效。這場人類與病毒的長期抗戰中,同時使用多款抗體的「雞尾酒」療法,仍然是可行的醫療方案。

回顧將近兩年來的研究之路,徐尚德表示:時間壓力真的非常大!COVID-19 疫情爆發後,全世界投入相關研究的專家眾多,只要稍有遲疑,便會落在競爭者後頭。但是即使跑在最前端的研究者,也只能苦苦追趕病毒演化的速度,一篇論文還在審查時,現實世界的疫情已經邁向全新局面。

人類要贏得勝利,必需全方面認識病毒,而結構無疑是相當重要的一環。


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