2

14
1

文字

分享

2
14
1

「快篩陰性」不代表沒感染!關於大規模篩檢,該注意哪些事項?

miss9_96
・2021/05/19 ・2706字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

「快篩陰性」不等於沒被感染,不要急著脫掉口罩出去玩!

5月上旬,台灣本土疫情猛烈劇增。雙北開立快篩站,廣邀民眾篩檢。究竟大規模篩檢可以告訴我們什麼?又會有哪些風險呢?

臺灣爆發社區感染,目前雙北接設立了篩檢站供民眾快篩。圖 / 柯文哲臉書粉絲專頁

讓我們向確診數突破445萬(2021/5/19)的英國借鑒,看看他們經歷大量感染與大規模篩檢之後,可以提供給現在的臺灣怎樣的建議。

社區感染爆發,抗原快篩的優勢與缺點

以往台灣檢驗是否染疫,是以核酸檢測 RT-PCR 為主,此方法是檢測病毒基因,優點是精準。但它耗時較長,需要數小時至數日,染病者在獲得陽性結果前,有時間傳染給他人。且RT-PCR僅特定實驗室可操作,在有需要大規模篩檢時,緩不濟急。

快篩不需經實驗室操作,用肉眼就能判讀,僅需15分鐘就能識別,面對數以萬計的待檢者時,是最恰當的第一線檢測方式。圖/envato elements

在現階段,已經有未知、複數的帶有病毒的人生活在社區中。策略上就必須縮短「篩檢→陽性」時間,避免進一步感染他人,抗原快篩成了最靈活的策略 [1]。快篩不需經實驗室操作,用肉眼就能判讀,幾乎是瞬間就能知道結果,僅需15分鐘就能識別、隔離出具有高風險的人,避免再傳染給他人。且抗原快篩高效、簡單,面對數以萬計的待檢者時,是最恰當的第一線檢測方式。

但是,抗原快篩也有一定的缺點。任何檢測都一定會出現偽陰性(感染者,但篩檢顯示陰性),和偽陽性(健康人,但篩檢顯示陽性)。

相較於核酸檢測,抗原快篩出現偽陰 / 偽陽的機率較高。

因此必須採取「快篩陽性→RT-PCR陽性,才算確診」的策略,先將快篩顯示陽性者進行區隔後再以核酸檢測確診。

這樣的雙重組合之下,偽陽性不足為懼,民眾最多被隔離病房幾天、捅一次鼻孔就好。但偽陰性卻相對麻煩,它可能會讓感染者產生錯誤的安全感;返回社區時,反而會卸下防護措施、感染他人 [1]。

篩檢後最大的防疫漏洞:人性

在需要所有人都滴水不漏的情況下,使用快篩在防疫上最大的風險,是人性。

英國利物浦曾向市民調查,詢問篩檢後的行為改變。結果發現,若篩檢陽性,約 95%民眾會立即自我隔離和通知接觸者,顯示多數人對檢測陽性後,應採取的行為有良好的認知 [2]。

但,危險的是,若篩檢顯示陰性,近兩成(17 %)的民眾將外出購物,約一成(9 %)民眾,將外出拜訪親友 [2]。顯示陰性結果,可能會給人們「虛假的自信」。而潛藏的偽陰性感染者,因此出現錯誤的行為,感染更多人。

以英國人的調查為借鏡,台灣未來若進一步擴大篩檢,台灣人能否嚴守「即使陰性,每個人都能緊戴口罩、洗手,自我隔離」的防疫措施呢?

若檢測陰性,民眾可能會採取的行程。圖/參考文獻 2

廣篩該怎麼做?從英國的「聰明篩」談起

中國和冰島都曾做過大規模、不限族群的普篩。然而,英國學者認為,普篩對醫療後勤、道德文化等是嚴苛的考驗,加上肯定有民眾不遵守規範(樹大有枯枝)、或偽陰性者脫掉口罩到處拜訪親友,因此普篩有相當的風險。

讓我們看看另一種形式的篩檢。英國利物浦的 SMART 篩檢(systematic meaningful asymptomatic repeated testing):系統性、有意義、以抓出無症狀者為目標的重複性篩檢。

當時利物浦已因封城造成巨大的經濟損失、心理創傷,他們試圖用SMART策略來突破困境。所有利物浦市民都可自願接受快篩。市府選定在工作場所進行快篩,以維持社會運作,且避免重要維生服務設施(如:超市)內出現傳播。

SMART 篩檢宗旨是保護關鍵服務、維繫社會運作。希望提前斬斷潛在傳播,以逐步達到:

  1. 保護弱勢人群(Test to Protect):如住在養老院的長者。
  2. 關鍵人員盡早解隔離(Test to Release):如醫護警消。
  3. 休閒娛樂能重新啟用(Test to enable):如拜訪養老院,或參加體育賽事。

最終的篩檢結果,約20萬(205,836)市民進行近36萬(359,606)次快篩中,揪出、隔離超過4千名感染者(4,421),等於打斷了數千條可能的傳播鏈。可將 SMART 篩檢視為可參考的防疫策略施行。

而在此經驗中也發現到,資訊傳遞是最大的推行障礙。而經濟似乎也是重要因素,貧困區域的自願快篩量,僅有最富裕區域的一半;但貧困區域的陽性率,卻是最富裕區域的兩倍。

SMART的成功要素。圖/參考文獻1

目前雙北的快篩政策,已接近英國利物浦 SMART 策略。英國的經驗告訴我們,在相關的資訊上,應該要注意強化:

  • 清晰的資訊:
    • 說明篩檢目的、策略、配套措施。
    • 在那裡?要花多久?是否會痛?能否提供多四國語言的說明?
    • 在測出陽性或陰性後,民眾該做的事。設立明確目標,提供希望。
  • 正確的觀念:一定有偽陰性染病者回到社區,因此就算篩檢陰性,也不可出現「虛假的自信」。
  • 社會的支持:強化陽性者、被隔離者,以及社會弱勢族群的維生資源、社福支持;反汙名化。

英國利物浦的經驗,值得我們的參考。另外,在此希望特別指出英國利物浦的一個心理狀態,調查發現,市民對大規模地自願篩檢有超高認同感,超過八成認為「這是正確的事」,且篩檢是「幫助利物浦戰勝病毒」。雖然雙北目前陷於疫情中,但我們也應對台灣人有信心、支持每個人「作正確的事」,幫助雙北、幫助台灣,戰勝病毒。

保持冷靜,繼續前進。Keep Calm and Carry On.

圖/Giphy

本文感謝美國Duke University/杜克大學的Yu-Hsiu (Tina) Chen PhD student協助

參考文獻

1. Alex Crozier, Selina Rajan, Iain Buchan, Martin McKee (2021) Put to the test: use of rapid testing technologies for covid-19. BMJ. DOI: https://doi.org/10.1136/bmj.n2082. Liverpool covid-19 community testing pilot—interim evaluation report. 2020.

進行大規模篩檢,到底該注意哪些事呢?快看影片一起討論吧!


數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
所有討論 2
miss9_96
169 篇文章 ・ 566 位粉絲
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


2

2
4

文字

分享

2
2
4

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。


數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
所有討論 2
研之有物│中央研究院_96
20 篇文章 ・ 8 位粉絲
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