COVID-19 台灣疫情大爆發，如何快速地提升篩檢量，成了迫在眉睫的議題。

美國去年傾國之力設計出各種超簡單、大規模的 PCR 篩檢運作方式。不論是儀器、制度等面向，或許我們都可以參考看看美國的做法，是否有適用於現在的台灣。

鼻咽採樣可以用吐口水取代？

現行在台灣 COVID-19 的篩檢，不論是 PCR 或是抗原快篩，多是由鼻咽採樣──棉籤插進鼻孔、深入鼻腔後，接觸鼻咽黏膜、旋轉摩擦黏膜數次，確認沾附黏膜細胞後再移出棉籤。

由於是侵入式篩檢，對某些受測者會極不舒服、疼痛，而明顯的不適感，將會降低受測意願（某些族群可能需一週 2~3 次接受採檢），且「捅鼻孔」必須由另一人協助操作，難以簡化人力。

因鼻咽採樣可能會很不舒服、甚至誘發打噴嚏等容易傳播病毒的反射動作，因此科學家開發了「吐口水」就可檢測的方式。該方法消除了不舒服感，也減少了檢驗人員的壓力和負擔。而且非常簡單，甚至連小孩子也能自行採樣。

那唾液採樣夠準嗎？去（2020）年 9 月，美國耶魯大學團隊在頂級醫學雜誌《新英格蘭醫學期刊》（New England Journal of Medicine）發表以鼻咽和唾液採樣，進行 RT-PCR 篩檢結果比較 [1]。

結果發現，唾液裡的病毒 RNA 濃度，甚至比鼻咽的還要高——即出現症狀首日，檢測唾液的靈敏度，可能比鼻咽採樣的更加靈敏（P<0.001）（表1、圖1）；換言之，兩種採樣方式的檢體，用 RT-PCR 上機後，唾液採樣抓出確診者的能力，至少相同，或強於鼻咽採樣。

而在病程進展裡，兩方式的病毒量變化，也相當接近（圖1），顯示就 RT-PCR 而言，吐口水採樣的精準、可靠性，至少和捅鼻孔採樣幾乎相同，甚至可能更靈敏。

而對現在台灣更重要的是，該研究邀請 495 名自認健康、無病徵的受試者，自願做唾液篩檢。其中 13 人檢出病毒 RNA，隨後由認證實驗室確診為無症狀感染者 [1]。

也就是說，唾液採樣的 RT-PCR，的確能揪出無症狀感染者！若台灣未來有需要在重點機構（如：醫院、學校等）裡進行定期篩檢，這樣的採檢能力、再加上非侵入式的優勢，對於維繫社會運作，將有極大的助益。

高通量儀器加上法規鬆綁，大規模提高篩檢量

事實上，唾液 PCR 篩檢在美國非常便利。去年中，NBA 職籃和耶魯大學合作，開發唾液 PCR 篩檢，並實際用在聯盟球員、員工身上（耶魯醫學院、ESPN、CBS）。

相較於鼻咽採檢，唾液採檢無痛、技術門檻低、價格低等優勢，讓人更願意接受高頻率的定期測試，可應用在重要社會運作設施，如：醫院、安養院、警消；重大社會活動，如：開學迎接學生返校；和關鍵娛樂活動，如：職籃、餐廳。甚至部分美國學校，要求所有入校人員一週至少篩檢1次，以維繫正常校園運作。

而美國除了降低採樣困難度、節約人力外，似乎也在迅速提升篩檢量層面下了功夫。以加州（人口約 3953 萬）為例，疫情高峰期的每日篩檢量達 30、甚至 40 多萬（台灣每日篩檢量約 1.6 萬） [2]。這可能和較寬鬆的法規規定，以及高通量的儀器有關。

在儀器方面，美國食品藥品監督管理局（FDA, U.S. Food and Drug Administration）快速地通過高性能、高通量的篩檢儀器。舉例來說，美國 Fluidigm 公司發展出的 Advanta Dx SARS-CoV-2 RT-PCR Assay，就可採用唾液檢體（體積需求少於0.1mL），並且無須再人工萃取 RNA，每日每台儀器可最多可達 6,000 個檢體（每 30 分鐘 192 個檢體）。這類高速、高通量的篩檢儀器，替美國檢驗單位提供了無後顧之憂的能量。

而在法規方面，在美國，能網購居家採樣的唾液 RT-PCR 試劑，甚至較侵入式的鼻腔採樣篩檢套件也能購得；因此在美國，若懷疑自己生病，取得檢體似乎沒有法規限制的綑綁。

然而現行在台灣，依據《傳染病防治法》第 46 條規定：「（含疑似）傳染病檢體，由醫師採檢為原則；接觸者檢體，由醫師或其他醫事人員採檢⋯⋯採檢之實施，醫事機構負責人應負督導之責⋯⋯」，換言之，即使懷疑自己染病，不論是吐口水或鼻咽採檢，都必須由醫師採樣。

此法內容之目的，雖然確保病人的權益，但在病毒重擊台灣當下，此規定無疑加重了醫療人員的負擔，也困住了台灣對 COVID-19 疫情的篩檢能量。

立法之初衷在於保護人民。然而，疫情發展至此，冀盼政府能審視資源、鬆綁法規，讓科學檢驗能騰出手腳，解救我們的家鄉。

保持冷靜，繼續前進。Keep Calm and Carry On.

備註：鼻咽採樣和唾液採樣之套件 (Kit)

鼻咽和唾液採樣的套件（kit）主體都是「無菌、無汙染的檢體承載器皿」。

簡單來說，唾液採樣套件會有「無菌、無汙染，可裝口水的有蓋管子」，其他尚有類似漏斗、協助導流口水的配件。而鼻咽採樣套件會有「無菌、無汙染，前端可沾附鼻咽黏膜細胞的棉花棒」，其他尚有可保護「採樣後棉花棒的」的塑膠管。

參考文獻

1. Anne L Wyllie, John Fournier, Arnau Casanovas-Massana, et al. (2020) Saliva or Nasopharyngeal Swab Specimens for Detection of SARS-CoV-2. New England Journal of Medicine. DOI: 10.1056/NEJMc2016359
2. The COVID Tracking Project. California

抗原快篩和 PCR 檢測的差別，看影片就知道囉！

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。