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做出正確病毒模型 登革熱防疫有突破

childsci_96
・2014/06/11 ・2011字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 586 ・九年級

登革熱圖1

文/彭貴春(成大醫學院微生物及免疫學研究所/傳染性疾病及訊息研究中心副教授)
圖/樹下繪本

衛福部疾管署公布登革熱疫情,上週新增六例本土病例,和之前七例同樣集中在高雄市前鎮區,其中三例為首例群聚的接觸者,顯示群聚感染擴大。

登革熱是對人類健康最有威脅的蚊蟲傳染病,不但沒有有效藥物,也沒有疫苗。幸好成大研究團隊,成功分析出人體內的登革熱病毒與體外培養的病毒的差別,將有助於研發有效治療方式!

四月底時,比爾蓋玆引用世界衛生組織、國際糧農組織等資料統計,表示一年有七十二萬人因蚊子而死亡,蚊子可以說是對人類最致命的動物!而根據世界衛生組織的統計,病媒傳染病中,又以登革熱的傳播速度最快,威脅到全世界四成以上人口的健康。可見我們必須對這個疾病有更多的了解才行。幸好國內研究團隊在病毒研究上有了新發現!

科學家很早就開始製作登革熱疫苗,可惜預防效果不如預期。最近的醫學研究中,發現病人身上找到的登革熱病毒,和實驗室內體外培養的登革熱病毒有很大的差異。病人身上的病毒沒有殼膜,但具有一層軟質膜,實驗室培養的病毒,則含有一層殼膜但沒有軟質膜。這些小小的差異會大大改變病毒的外觀,可能是疫苗無法發揮效用的原因之一。

成功大學微免所、生物資訊與訊息傳遞所結構生物學家,及國際巨分子和奈米醫學創新研發中心正進行合作,利用X-光結晶學技術、冷凍電子顯微鏡及立體結構的重組技術,做出體內病毒的3D立體結構模型。有了正確的病毒模型,科學家就能更了解登革熱病毒的樣貌,將來無論是是探討病毒感染的機制、致病的機轉,還是治療方式及疫苗研發,都會有很大的幫助。就像警察要抓壞人,先知道壞人的長相,就比較容易抓到。

登革熱 是跟時間賽跑的疾病

登革熱是由蚊子(埃及斑蚊及白線斑蚊)傳播給人類的疾病,得病後,會嚴重高燒、肌肉疼痛,還會感染骨髓細胞,病人痛起來就像骨頭要裂開那樣,所以又被稱為「斷骨熱」。

登革熱分為典型登革熱及出血性登革熱,出血性登革熱比較危險,可能造成全身大出血而引起心肺衰竭,甚至休克死亡。
大部分的人都是不知不覺被蚊子叮到,剛開始時,症狀不明顯或是跟感冒很像,所以常被忽視。可怕的是,退燒期時病情反而加重,但這時可能就來不及就醫了!

不過,要是能即時診斷並做適當治療,病人恢復的機率很大。所以要是覺得發燒後皮膚溼冷、四肢冰涼,覺得坐立不安,就該提高警覺,立刻到大醫院做檢查。

【QA時間】

Q:登革熱在臺灣的好發季節和地點?
A:登革熱發生的區域大多在熱帶及亞熱帶(包括臺灣)。不過因為交通四通八達,登革熱在這幾年已經傳播到世界各個角落。
在熱帶及亞熱帶的疫區國家,主要是小孩比較容易受感染;在非疫區國家如臺灣,則是成年人感染率較高。可能的原因是:臺灣成年人的戶外活動頻率較小孩高;有糖尿病或高血壓病史者也比較容易感染,而這些人大多是成年人。
臺灣因為位在溼熱的亞熱帶地區,是蚊子最喜歡的生長環境,只要稍不注意,容易成為登革熱流行地區。通常夏秋之際是最流行的時候,但隨著全球暖化,登革熱病毒在臺灣的流行季節會持續到冬天。
雖然疫情的流行區主要是高屏、臺南地區,不過因為南北交通頻繁,登革熱的流行並不會只限於南臺灣。

Q:什麼是境外移入?什麼又是本土的登革熱案例?
A:境外移入,表示病患是在國外被病媒蚊叮咬,到臺灣後病情才發作。如果小美出現發燒、頭痛症狀,又經醫生診斷是登革熱;但她在發燒前兩星期並沒有出國玩,就表示是在臺灣被傳染的。

Q:登革熱除了經由蚊子傳染,還有其它傳染方式嗎?
A:有些被登革熱病毒感染的人雖然看似健康,卻可能成為帶原者。如果帶原者去捐血,而目前捐血時並沒有篩選登革熱病毒,就可能成為另類登革熱傳染的途徑。

Q:既然登革熱是要跟時間賽跑的疾病,可以很快檢查出來嗎?
A:登革熱的臨床病症和其他常見的發燒疾病很相似,為了能確切診斷,會同時在實驗室確認,不過實驗診斷技術及方法很複雜又很費時。真正能幫助臨床診斷的是快速篩檢試劑,因為快,準確度就沒那麼高。所以現在最重要的,是發展精準又快速的臨床檢測試劑。

Q:沒有有效治療的藥物該怎麼辦?
A:只能做輔助性治療,像是密切觀察。因為要設計出抗病毒的藥物,必須對病毒的生物特性和結構有所了解。
目前的研究發現,人類骨髓造血幹細胞很容易被登革熱病毒感染,如果能針對這部分做深入研究,了解病毒感染人體的狀況,就能對病毒的生物特性有更多了解,設計出具療效的抗登革熱病毒藥物。

Q:要怎樣預防登革熱?
A:有些科學家想藉由改變蚊子的基因,來讓牠們無法傳播,以減緩疾病的擴散,但成果並不明顯。目前最好的防護措施,還是清除蚊蟲的溫床,避免蚊子叮咬。
要怎麼樣杜絕蚊子繁殖呢?蚊子幼蟲會生長在不流動的清水,如盆栽底部或廢輪胎的積水中,最好能隨時清理;政府也應該定期進行消毒。
前往登革熱高風險地區旅遊、探親,一定要做好防蚊措施,在身體裸露的地方使用經衛福部核可的防蚊藥劑,穿著淺色長袖衣褲也有效呵!

相關標籤: 登革熱
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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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