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用Google預警茲卡病毒疫情?

miss9_96
・2016/04/23 ・3654字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 584 ・九年級

「有證據了!茲卡病毒真的會導致胎兒畸形!」——美國疾管署(2016/04/13) [1]

577px-MICROCEPHALY
感染茲卡病毒的母親生下小頭畸形的嬰兒。圖/By Beth.herlin – Own work, CC BY-SA 4.0, wikipedia

難以預警的疫情

2015 年年初,茲卡病毒在巴西爆發大流行,由於疾病的症狀不嚴重,僅有輕微地紅疹、結膜炎、關節痛等 [2],所以沒有引起太多注意。沒想到數個月後,多名曾感染茲卡病毒的孕婦產下畸形兒,全球的科學家才赫然發現,這個乘著埃及斑蚊而來的病毒,將是人類未曾想像過的殺手……

病徵不顯著,卻有無法承擔的併發症

不明顯的病徵,使得患者可能會忽視病況、選擇在家休息而不去就醫,導致政府無法監控疫情。而蚊蟲更加速了疫情的擴散,南美洲的疫情自 2015 年年初至今,推測已超過 1 百萬人感染 [3, 4]。種種的因素加總,導致南美洲的疫情嚴重度,完全出乎所有人的預料 [5, 6] [註1]。

茲卡紅疹
茲卡病毒引起的紅疹。圖/wikipedia, By FRED – Own work, CC BY-SA 3.0

中國、東南亞等國是觀察重點

巴西即將在 2016 年迎接奧運,大量的國際旅客可能會把病毒帶往全世界。資料科學家利用巴西各大機場的飛航紀錄進行分析,發現從巴西搭機飛往亞洲的旅客,絕大多數人都是前往中國。此發現顯示中國在夏季來臨之時,將面臨茲卡病毒嚴峻的挑戰 [4]。而鄰近的台灣,該如何預警即將襲來的茲卡病毒呢?

用關鍵字搜尋熱門度預測茲卡疫情?

Google 在數年前即發現,當流感爆發之時,民眾鍵入特定關鍵字(如:發燒)的頻率就會增加。以此現象為基礎,Google 公司和美國疾病管制署合作,設計了以關鍵字搜尋熱門度為基礎的預警模型,其成果甚至於發表在知名學術論文 [7] [註2]。(延伸閱讀:台灣流感疫情也可以問問 Google 大神!

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那麼茲卡疫情,能不能也比照辦理呢?以下是本文的分析條件:

表1:2015 年巴西茲卡疫情分析條件

時間範圍:2015/02/18~06/13
搜尋限制:巴西/葡萄牙語
疾病 疑似感染茲卡病毒病例數
資料來源:Emerging Infectious Diseases journal, 21, 2274-6
症狀 發燒、紅疹、頭痛、關節痛和充血性結膜炎
潛伏期 三天~一週
資料來源:中華民國疾病管制署
關鍵字A erupção (紅疹)
關鍵字B artralgia (關節痛)
資料來源:Google趨勢(Google Trend)

下圖是刊登在《新興傳染疾病》期刊(Emerging Infectious Diseases journal)的患者趨勢圖,顯示了巴西薩爾瓦多市的疫情變化。從圖中可以明顯地看到,該市在 2/15 出現疑似病例,而在4月第二週時,人數開始上升,並在 5 月第一週時達到高峰 [3, 5, 8-10]。

疫情走勢
圖二:巴西薩爾瓦多市疑似茲卡病毒患者變化 [10]。

那麼用葡萄牙語的「紅疹」和「關節痛」的搜尋熱門度變化呢?從下圖中可以看出,「紅疹」的熱門度在 4 月第三週時出現明顯的高峰,早於醫院回報病例的高峰時間(5 月第一週),約提早了一週。這項觀察暗示了相較於醫院逐一回報病例的傳統模式,利用民眾在 Google 搜尋的變化量來監控茲卡疫情,有機會讓衛生單位獲得更多的預警時間!更早地評估當地的疫情趨勢。

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而「關節痛」的搜尋熱門度,也相同地出現了顯著的高峰,發生的時間約在 4 月第二週,亦早於醫院回報病例的高峰時間(5 月第一週),約提早了兩週。暗示「關節痛」和「紅疹」關鍵字,都有潛力協助預警、評估巴西茲卡疫情的變化!

紅疹 關節痛
圖三:葡萄牙語「紅疹」和「關節痛」的關鍵字搜尋熱門度變化。圖/本文作者

用群眾行為模式判斷疫情的優勢和缺點

近年來在金融、影視界裡,觀察群眾行為而作出未來趨勢判斷的例子越來越多(如:Netflix 打造熱門影視「紙牌屋」巨量數據預測期貨價格)。而從上文中可以發現到,若以 Google 關鍵字搜尋變化作為本次巴西茲卡疫情的預警、評估系統,比起讓醫院逐一回報病例的方式,利用群眾行為來推測流行病,將有機會能夠盡早評估疫情,使政府擁有更多的防疫時間!

但利用 Google 關鍵字搜尋來判斷疫情會有以下的限制:

1) 其它疾病會影響結果,如:感冒也會引起關節疼痛。

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2) 無症狀的患者無法追蹤。

3) 不使用 Google 的民眾亦無法追蹤。

雖然有上述的限制,但我認為由於 Google 數據的即時性高反應快成本低,未來在台灣的公衛防疫領域上,也許將是一種值得投資的預警模式。

寫在文末:面對茲卡,我們可以怎麼做?

Aedes_aegypti_resting_position_E-A-Goeldi_1905
埃及斑蚊手繪圖。圖/By Detail from the original by Emil August Goeldi (1859 – 1917) – E. A. Goeldi (1905) Os Mosquitos no Pará. Memorias do Museu Goeldi. Pará, Brazil., Public Domain, wikipedia.

對台灣來說,茲卡病毒是極為陌生的疾病,而該病毒的媒介——埃及斑蚊,卻是南台灣熟悉的老對手。面對既陌生又熟悉的敵人,我認為從中央、地方和民眾都有一些工作可以思考:

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【中央】

研發廣效型快篩試劑

目前無法用血清學的方式區分茲卡病毒、登革熱和黃熱病[11],但換言之,若能研發廣效型的抗體,就能廣效性地辨識此群病毒,將十分有利於將疫情阻隔於台灣海關之外。[註3](補充:疾管署已在 4/13 宣佈台灣將進口登革熱、茲卡、屈公熱的三合一快篩試劑。)

促進且推廣正確的知識給一般民眾

未知將引起恐懼。政府應和媒體合作,如公信力高的維基百科、泛科學、科學人等;傳播力強的傳統媒體,如:民視、聯合報、蘋果日報等。政府和媒體協同產出科普性強的資訊,並利用網路傳播來確保流通資訊的正確性,避免錯誤的訊息造成恐慌,甚至阻礙政府的防疫措施。

研究台灣過往的病例

美國曾報導特殊的患者,同時被帶有登革熱和茲卡病毒的蚊子叮咬而共同感染,進而出現了近 40 ℃ 的高燒 [10],和典型的茲卡症狀有很大的差異。上述案例顯示某些患者感染茲卡病毒後,可能產生預料之外的症狀。而台灣民眾有許多獨有的盛行疾病,如:糖尿病、洗腎,若能先從病例中取得資訊,就能達到「多一分準備,少一分害怕」的目標。

研究畸形兒和登革熱之間的關係

由於茲卡病毒能引發畸形兒,而同為黃病毒科的登革熱病毒是否也會引起類似的併發症,將是學界未來可研究的方向。

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【地方】

建置疫情模擬系統

利用氣象局的雨量、濕度資料庫,結合市府的城市發展、地籍資料,對於疫情進行模擬和預測。此概念在國內學界,政府單位皆有先例,如「疾管署科技發展計畫」及「中原大學和氣象局合作研究計畫」等。

【民眾】

孕婦或計畫懷孕的女性,避免前往中南美洲

若從疫區返國後產生症狀,務必告知醫師旅遊史的細節

閱讀公信力高的資訊,避免不必要的擔憂

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我們天生都會對陌生的事物感到恐懼,而在網路時代裡,恐慌 = 對事件的不瞭解 X 事件的嚴重度。所以除了要努力製造「正確的資訊」,也要強化「正確資訊的流通力」,才能讓身在防疫前線的醫學、公衛專家們,好好地保護我們所愛的台灣!

  • 本文感謝衛生福利部台東醫院檢驗科張昱維(Yu-Wei Chang)、UDN 聯合報系媒體創新研發中心研究員陸子鈞及病後人生—一站式服務網站長羅佩琪協助。

註釋:

  1. 茲卡病毒和畸形兒的關聯,仍需流行病學的進一步證實。
  2. 利用 Google 做為流行病的分析並非首創,請見〈用大數據畫出伊波拉救命地圖:看Big Data如何做疾病預測〉或〈大數據(Big Data)於疾病研究之應用〉。
  3. 我並不支持研發疫苗,雖然WHO和部分公司正研發疫苗 [11],但我認為要找到願意測試疫苗安全性的孕婦,會有很大的困難。

參考文獻:

  1.  CDC Concludes Zika Causes Microcephaly and Other Birth Defects. 美國疾管署官方網頁
  2. 茲卡病毒感染症。衛生福利部疾病管制署官方網頁。
  3.  Zanluca C, de Melo VC, Mosimann AL, Dos Santos GI, Dos Santos CN, Luz K. (2015) First report of autochthonous transmission of Zika virus in Brazil, Memórias do Instituto Oswaldo Cruz, 110(4), 569-572
  4. Bogoch II, Brady OJ, Kraemer MU, German M, Creatore MI, Kulkarni MA, Brownstein JS, Mekaru SR, Hay SI, Groot E, Watts A, Khan K. (2016) Anticipating the international spread of Zika virus from Brazil, The Lancet, 387(10016), 335-336
  5.  Possible Association Between Zika Virus Infection and Microcephaly — Brazil, 2015. 美國疾病管制署官方網頁。
  6. Zika virus epidemic in the Americas: potential association with microcephaly and Guillain-Barré syndrome. 歐洲疾病管制署官方網頁。
  7.  Jeremy Ginsberg, Matthew H. Mohebbi, Rajan S. Patel, Lynnette Brammer, Mark S. Smolinski & Larry Brilliant (2009) Detecting influenza epidemics using search engine query data. Nature, 457, 1012-1014
  8. Cardoso CW, Paploski IA, Kikuti M, Rodrigues MS, Silva MM, Campos GS, Sardi SI, Kitron U, Reis MG, Ribeiro GS. (2015) Outbreak of Exanthematous Illness Associated with Zika, Chikungunya, and Dengue Viruses, Salvador, Brazil, Emerging Infectious Diseases journal, 21(12), 2274-2276
  9. Zika virus. 世界衛生組織官方網頁。
  10.  Dupont-Rouzeyrol M, O’Connor O, Calvez E, Daurès M, John M, Grangeon JP, Gourinat AC. (2015) Co-infection with Zika and dengue viruses in 2 patients, New Caledonia, 2014, Emerging Infectious Diseases journal, 21(2), 381-382
  11. Bharat Biotech says working on two possible Zika vaccines. REUTURES新聞。
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miss9_96
170 篇文章 ・ 1092 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

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從PD-L1到CD47:癌症免疫療法進入3.5代時代
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/25 ・4544字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文與 TRPMA 台灣研發型生技新藥發展協會合作,泛科學企劃執行

如果把癌細胞比喻成身體裡的頭號通緝犯,那誰來負責逮捕?

許多人第一時間想到的,可能是化療、放療這些外來的「賞金獵人」。但其實,我們體內早就駐紮著一支最強的警察部隊「免疫系統」。

既然「免疫系統」的警力這麼堅強,為什麼癌症還是屢屢得逞?關鍵就在於:癌細胞是偽裝高手。有的會偽造「良民證」,騙過免疫系統的菁英部隊;更厲害的,甚至能直接掛上「免查通行證」,讓負責巡邏的免疫細胞直接視而不見,大搖大擺地溜過。

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過去,免疫檢查點抑制劑的問世,為癌症治療帶來突破性的進展,成功撕下癌細胞的偽裝,也讓不少患者重燃希望。不過,目前在某些癌症中,反應率仍只有兩到三成,顯示這條路還有優化的空間。

今天,我們要來聊的,就是科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?

科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?/ 圖片來源:shutterstock

免疫療法登場:從殺敵一千到精準出擊

在回答問題之前,我們先從人類對抗癌症的「治療演變」說起。

最早的「傳統化療」,就像威力強大的「七傷拳」,殺傷力高,但不分敵我,往往是殺敵一千、自損八百,副作用極大。接著出現的「標靶藥物」,則像能精準出招的「一陽指」,能直接點中癌細胞的「穴位」,大幅減少對健康細胞的傷害,副作用也小多了。但麻煩的是,癌細胞很會突變,用藥一段時間就容易產生抗藥性,這套點穴功夫也就漸漸失靈。

直到這個世紀,人類才終於領悟到:最強的武功,是驅動體內的「原力」,也就是「重新喚醒免疫系統」來對付癌症。這場關鍵轉折,也開啟了「癌症免疫療法」的新時代。

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你可能不知道,就算在健康狀態下,平均每天還是會產生數千個癌細胞。而我們之所以安然無恙,全靠體內那套日夜巡邏的「免疫監測 (immunosurveillance)」機制,看到癌細胞就立刻清除。但,癌細胞之所以難纏,就在於它會發展出各種「免疫逃脫」策略。

免疫系統中,有一批受過嚴格訓練的菁英,叫做「T細胞」,他們是執行最終擊殺任務的霹靂小組。狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,這個偽裝的學名,「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, PD-L1) 」,縮寫PD-L1。

當T細胞來盤查時,T細胞身上帶有一個具備煞車功能的「讀卡機」,叫做「程序性細胞死亡蛋白受體-1 (programmed cell death protein 1, PD-1) 」,簡稱 PD-1。當癌細胞的 PD-L1 跟 T細胞的 PD-1 對上時,就等於是在說:「嘿,自己人啦!別查我」,也就是腫瘤癌細胞會表現很多可抑制免疫 T 細胞活性的分子,這些分子能通過免疫 T 細胞的檢查哨,等於是通知免疫系統無需攻擊的訊號,因此 T 細胞就真的會被唬住,轉身離開且放棄攻擊。

這種免疫系統控制的樞紐機制就稱為「免疫檢查點 (immune checkpoints)」。而我們熟知的「免疫檢查點抑制劑」,作用就像是把那張「偽良民證」直接撕掉的藥物。良民證一失效,T細胞就能識破騙局、發現這是大壞蛋,重新發動攻擊!

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狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,也就是「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, 縮寫PD-L1) 」/ 圖片來源:shutterstock

目前免疫療法已成為晚期癌症患者心目中最後一根救命稻草,理由是他們的體能可能無法負荷化療帶來的副作用;標靶藥物雖然有效,不過在用藥一段期間後,終究會出現抗藥性;而「免疫檢查點抑制劑」卻有機會讓癌症獲得長期的控制。

由於免疫檢查點抑制劑是借著免疫系統的刀來殺死腫瘤,所以有著毒性較低並且治療耐受性較佳的優勢。對免疫檢查點抑制劑有治療反應的患者,也能獲得比起化療更長的存活期,以及較好的生活品質。

不過,儘管免疫檢查點抑制劑改寫了治癌戰局,這些年下來,卻仍有些問題。

CD47來救?揭開癌細胞的「免死金牌」機制

「免疫檢查點抑制劑」雖然帶來治療突破,但還是有不少挑戰。

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首先,是藥費昂貴。 雖然在台灣,健保於 2019 年後已有條件給付,但對多數人仍是沉重負擔。 第二,也是最關鍵的,單獨使用時,它的治療反應率並不高。在許多情況下,大約只有 2成到3成的患者有效。

換句話說,仍有七到八成的患者可能看不到預期的效果,而且治療反應又比較慢,必須等 2 至 3 個月才能看出端倪。對患者來說,這種「沒把握、又得等」的療程,心理壓力自然不小。

為什麼會這樣?很簡單,因為這個方法的前提是,癌細胞得用「偽良民證」這一招才有效。但如果癌細胞根本不屑玩這一套呢?

想像一下,整套免疫系統抓壞人的流程,其實是這樣運作的:當癌細胞自然死亡,或被初步攻擊後,會留下些許「屍塊渣渣」——也就是抗原。這時,體內負責巡邏兼清理的「巨噬細胞」就會出動,把這些渣渣撿起來、分析特徵。比方說,它發現犯人都戴著一頂「大草帽」。

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接著,巨噬細胞會把這個特徵,發布成「通緝令」,交給其他免疫細胞,並進一步訓練剛剛提到的菁英霹靂小組─T細胞。T細胞學會辨認「大草帽」,就能出發去精準獵殺所有戴著草帽的癌細胞。

當癌細胞死亡後,會留下「抗原」。體內的「巨噬細胞」會採集並分析這些特徵,並發布「通緝令」給其它免疫細胞,T細胞一旦學會辨識特徵,就能精準出擊,獵殺所有癌細胞。/ 圖片來源:shutterstock

而PD-1/PD-L1 的偽裝術,是發生在最後一步:T 細胞正準備動手時,癌細胞突然高喊:「我是好人啊!」,來騙過 T 細胞。

但問題若出在第一步呢?如果第一關,巡邏的警察「巨噬細胞」就完全沒有察覺這些屍塊有問題,根本沒發通緝令呢?

這正是更高竿的癌細胞採用的策略:它們在細胞表面大量表現一種叫做「 CD47 」的蛋白質。這個 CD47 分子,就像一張寫著「自己人,別吃我!」的免死金牌,它會跟巨噬細胞上的接收器─訊號調節蛋白α (Signal regulatory protein α,SIRPα) 結合。當巨噬細胞一看到這訊號,大腦就會自動判斷:「喔,這是正常細胞,跳過。」

結果會怎樣?巨噬細胞從頭到尾毫無動作,癌細胞就大搖大擺地走過警察面前,連罪犯「戴草帽」的通緝令都沒被發布,T 細胞自然也就毫無頭緒要出動!

這就是為什麼只阻斷 PD-L1 的藥物反應率有限。因為在許多案例中,癌細胞連進到「被追殺」的階段都沒有!

為了解決這個問題,科學家把目標轉向了這面「免死金牌」,開始開發能阻斷 CD47 的生物藥。但開發 CD47 藥物的這條路,可說是一波三折。

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不只精準殺敵,更不能誤傷友軍

研發抗癌新藥,就像打造一把神兵利器,太強、太弱都不行!

第一代 CD47 藥物,就是威力太強的例子。第一代藥物是強效的「單株抗體」,你可以想像是超強力膠帶,直接把癌細胞表面的「免死金牌」CD47 封死。同時,這個膠帶尾端還有一段蛋白質IgG-Fc,這段蛋白質可以和免疫細胞上的Fc受體結合。就像插上一面「快來吃我」的小旗子,吸引巨噬細胞前來吞噬。

問題來了!CD47 不只存在於癌細胞,全身上下的正常細胞,尤其是紅血球,也有 CD47 作為自我保護的訊號。結果,第一代藥物這種「見 CD47 就封」的策略,完全不分敵我,導致巨噬細胞連紅血球也一起攻擊,造成嚴重的貧血問題。

這問題影響可不小,導致一些備受矚目的藥物,例如美國製藥公司吉立亞醫藥(Gilead)的明星藥物 magrolimab,在2024年2月宣布停止開發。它原本是預期用來治療急性骨髓性白血病(AML)的單株抗體藥物。

太猛不行,那第二代藥物就改弱一點。科學家不再用強效抗體,而是改用「融合蛋白」,也就是巨噬細胞身上接收器 SIRPα 的一部分。它一樣會去佔住 CD47 的位置,但結合力比較弱,特別是跟紅血球的 CD47 結合力,只有 1% 左右,安全性明顯提升。

像是輝瑞在 2021 年就砸下 22.6 億美元,收購生技公司 Trillium Therapeutics 來開發這類藥物。Trillium 使用的是名為 TTI-621 和 TTI-622 的兩種融合蛋白,可以阻斷 CD47 的反應位置。但在輝瑞2025年4月29號公布最新的研發進度報告上,TTI-621 已經悄悄消失。已經進到二期研究的TTI-622,則是在6月29號,研究狀態被改為「已終止」。原因是「無法招募到計畫數量的受試者」。

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但第二代也有個弱點:為了安全,它對癌細胞 CD47 的結合力,也跟著變弱了,導致藥效不如預期。

於是,第三代藥物的目標誕生了:能不能打造一個只對癌細胞有超強結合力,但對紅血球幾乎沒反應的「完美武器」?

為了找出這種神兵利器,科學家們搬出了超炫的篩選工具:噬菌體(Phage),一種專門感染細菌的病毒。別緊張,不是要把病毒打進體內!而是把它當成一個龐大的「鑰匙資料庫」。

科學家可以透過基因改造,再加上AI的協助,就可以快速製造出數億、數十億種表面蛋白質結構都略有不同的噬菌體模型。然後,就開始配對流程:

  1. 先把這些長像各異的「鑰匙」全部拿去試開「紅血球」這把鎖,能打開的通通淘汰!
  2. 剩下的再去試開「癌細胞」的鎖,從中挑出結合最強、最精準的那一把「神鑰」!

接著,就是把這把「神鑰」的結構複製下來,大量生產。可能會從噬菌體上切下來,或是定序入選噬菌體的基因,找出最佳序列。再將這段序列,放入其他表達載體中,例如細菌或是哺乳動物細胞中來生產蛋白質。最後再接上一段能號召免疫系統來攻擊的「標籤蛋白 IgG-Fc」,就大功告成了!

目前這領域的領頭羊之一,是美國的 ALX Oncology,他們的產品 Evorpacept 已完成二期臨床試驗。但他們的標籤蛋白使用的是 IgG1,對巨噬細胞的吸引力較弱,需要搭配其他藥物聯合使用。

而另一個值得關注的,是總部在台北的漢康生技。他們利用噬菌體平台,從上億個可能性中,篩選出了理想的融合蛋白 HCB101。同時,他們選擇的標籤蛋白 IgG4,是巨噬細胞比較「感興趣」的類型,理論上能更有效地觸發吞噬作用。在臨床一期試驗中,就展現了單獨用藥也能讓腫瘤顯著縮小的效果以及高劑量對腫瘤產生腫瘤顯著部分縮小效果。因為它結合了前幾代藥物的優點,有人稱之為「第 3.5 代」藥物。

除此之外,還有漢康生技的FBDB平台技術,這項技術可以將多個融合蛋白「串」在一起。例如,把能攻擊 CD47、PD-L1、甚至能調整腫瘤微環境、活化巨噬細胞與T細胞的融合蛋白接在一起。讓這些武器達成 1+1+1 遠大於 3 的超倍攻擊效果,多管齊下攻擊腫瘤細胞。

結語

從撕掉「偽良民證」的 PD-L1 抑制劑,到破解「免死金牌」的 CD47 藥物,再到利用 AI 和噬菌體平台,設計出越來越精準的千里追魂香。 

對我們來說,最棒的好消息,莫過於這些免疫療法,從沒有停下改進的腳步。科學家們正一步步克服反應率不足、副作用等等的缺點。這些努力,都為癌症的「長期控制」甚至「治癒」,帶來了更多的希望。

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量子革命來襲!一分鐘搞定傳統電腦要花數千萬年的難題!你的電腦是否即將被淘汰?
PanSci_96
・2024/10/17 ・2050字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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量子電腦:解碼顛覆未來科技的關鍵

2023 年,Google 發表了一項引人注目的研究成果,顯示人類現有最強大的超級電腦 Frontier 需要花費 47 年才能完成的計算任務,Google 所研發的量子電腦 Sycamore 只需幾秒鐘便能完成。這項消息震驚了科技界,也再次引發了量子電腦的討論。

那麼,量子電腦為什麼如此強大?它能否徹底改變我們對計算技術的認知?

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量子電腦是什麼?

量子電腦是一種基於量子力學運作的新型計算機,它與我們熟悉的傳統電腦截然不同。傳統電腦的運算是建立在「位元」(bits)的基礎上,每個位元可以是 0 或 1,這種二進位制運作方式使得計算過程變得線性且單向。然而,量子電腦使用的是「量子位元」(qubits),其運算邏輯則是基於量子力學中的「疊加」與「糾纏」等現象,這使得量子位元能同時處於 0 和 1 的疊加狀態。

這意味著,量子電腦能夠在同一時間進行多個計算,從而大幅提高運算效率。對於某些非常複雜的問題,例如氣候模型、金融分析,甚至質因數分解,傳統電腦可能需要數千年才能完成的運算任務,量子電腦只需數分鐘甚至更短時間便可完成。

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Google、IBM 和量子競賽

Google 和 IBM 是目前在量子計算領域中競爭最為激烈的兩大科技公司。Google 的 Sycamore 量子電腦已經展示出極高的計算速度,令傳統超級電腦相形見絀。IBM 則持續投入量子電腦的研究,並推出了超過 1000 個量子位元的系統,預計到 2025 年,IBM 的量子電腦將擁有超過 4000 個量子位元。

除此之外,世界各國和企業都爭相投入這場「量子霸權」的競賽,台灣的量子國家隊也不例外,積極尋求量子計算方面的突破。這場量子競賽,將決定未來的計算技術格局。

量子電腦的核心原理

量子電腦之所以能如此快速,是因為它利用了量子力學中的「疊加態」和「糾纏態」。簡單來說,傳統電腦的位元只能是 0 或 1 兩種狀態,而量子位元則可以同時處於 0 和 1 兩種狀態的疊加,這使得量子電腦可以在同一時間內同時進行多次計算。

舉例來說,如果一台電腦需要處理一個要花 330 年才能解決的問題,量子電腦只需 10 分鐘便可解決。如果問題變得更複雜,傳統電腦需要 3300 年才能解決,量子電腦只需再多花一分鐘便能完成。

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此外,量子電腦中使用的量子閘(quantum gates)類似於傳統電腦中的邏輯閘,但它能進行更複雜的運算。量子閘可以改變量子位元的量子態,進而完成計算過程。例如,Hadamard 閘能將量子位元轉變為疊加態,使其進行平行計算。

量子電腦能大幅縮短複雜問題的計算時間,利用量子閘進行平行運算。圖/envato

計算的效率

除了硬體技術的進步,量子電腦的強大運算能力也依賴於量子演算法。當前,最著名的兩種量子演算法分別是 Grover 演算法與 Shor 演算法。

Grover 演算法主要用於搜尋無序資料庫,它能將運算時間從傳統電腦的 N 遞減至 √N,這使得資料搜索的效率大幅提升。舉例來說,傳統電腦需要花費一小時才能完成的搜索,量子電腦只需幾分鐘甚至更短時間便能找到目標資料。

Shor 演算法則專注於質因數分解。這對於現代加密技術至關重要,因為目前網路上使用的 RSA 加密技術正是基於質因數分解的困難性。傳統電腦需要數千萬年才能破解的加密,量子電腦只需幾秒鐘便可破解。這也引發了全球對後量子密碼學(PQC)的研究,因為一旦量子電腦大規模應用,現有的加密系統將面臨極大的威脅。

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量子電腦的挑戰:退相干與材料限制

儘管量子電腦具有顛覆性的運算能力,但其技術發展仍面臨諸多挑戰。量子位元必須保持在「疊加態」才能進行運算,但量子態非常脆弱,容易因環境中的微小干擾而坍縮成 0 或 1,這種現象被稱為「量子退相干」。量子退相干導致量子計算無法穩定進行,因此,如何保持量子位元穩定是量子電腦發展的一大難題。

目前,科學家們正在探索多種材料和技術來解決這一問題,例如超導體和半導體技術,並嘗試研發更穩定且易於量產的量子電腦硬體。然而,要實現大規模的量子計算應用,仍需克服諸多技術瓶頸。

量子電腦對未來生活的影響

量子電腦的快速發展將為未來帶來深遠的影響。它不僅將推動科學研究的進步,例如藥物設計、材料科學和天文物理等領域,還可能徹底改變我們的日常生活。例如,交通運輸、物流優化、金融風險管理,甚至氣候變遷預測,都有望因量子計算的應用而變得更加精確和高效。

然而,量子計算的發展也帶來了一些潛在的風險。隨著量子電腦逐漸成熟,現有的加密技術可能會被徹底摧毀,全球的資訊安全體系將面臨巨大挑戰。因此,各國政府和企業已經開始研究新的加密方法,以應對量子時代的來臨。

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從離子阱到拓樸量子位元:量子計算的未來還有多少可能?
PanSci_96
・2024/10/13 ・2069字 ・閱讀時間約 4 分鐘

量子電腦的新戰場:Atom Computing 的崛起

量子電腦的發展一直以來被視為科技的終極挑戰,從 Google 的量子霸權,到 IBM 不斷推進的Condor 超導電腦,業界翹首以待。然而,截至 2024 年,量子計算領域出現了一個新的變數。Atom Computing 一家美國新興公司,推出了擁有 1,180 個量子位元的量子電腦,不僅超越了IBM神鷹量子電腦的 1,121 個量子位元,甚至德國達姆施塔特工業大學也宣布開發出 1,305 個量子位元的超級電腦。

這些新興勢力的出現,不僅在位元數量上超越了 Google 與 IBM 的現有設備,更顛覆了量子電腦技術路線的既有認知。與以往依賴超導技術的量子電腦不同,Atom Computing 與達姆施塔特大學採用了「離子阱」( Ion Traps ) 技術,利用雷射與電場操控離子,形成穩定且壽命較長的量子位元。這是否意味著,超導量子電腦將不再是量子計算的唯一未來?

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離子阱技術:量子計算的新契機?

為了理解這一新興技術的潛力,我們首先需要認識量子位元的製作原理。超導量子電腦運用電子在超低溫下的行為,來實現穩定的量子狀態。然而,隨著量子位元數量增加,超導系統面臨物理尺寸與能耗的挑戰。這也是為何離子阱技術逐漸受到重視。

離子阱技術是透過電場陷阱將帶電的離子懸浮在空中,並利用雷射操控其量子態。這種技術擁有更高的穩定性,且能在更長時間內維持量子位元的疊加態。然而,由於需要超低溫、精確的電場控制以及真空環境,離子阱技術在商業應用中的成本仍然偏高,但它的潛力不容忽視。

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中性原子與光學魔法:更進一步的量子技術

除了離子阱技術,Atom Computing 與德國團隊則採用另一種不同的策略——使用中性原子來取代離子。中性原子不帶電,這意味著無法直接依賴電場控制,那它們如何操控?答案在於光學技術。他們運用光鑷(光學鑷子)和雷射致冷技術,用光來束縛和操控中性原子。光鑷是 2018 年諾貝爾物理學獎的技術,利用雷射的動量來推動和控制微小的粒子。

在這種方法下,雷射不僅能束縛原子,還能通過致冷技術將原子的運動降到極低,使得量子態更穩定。這種新興技術雖然仍處於實驗階段,但已顯示出其在量子計算中的巨大潛力。

量子點與鑽石空缺:人造原子的力量

另一個在量子計算領域獲得關注的技術是「量子點」( Quantum Dots )。量子點被視為人造原子,科學家透過在矽晶體等半導體材料中束縛電子,並利用微波來控制其自旋狀態。這項技術的最大優勢是半導體產業已經相當成熟,因此如果量子點技術能成功商業化,其普及速度將非常快速。即便如此,量子點技術仍需要在低溫環境下運作,且面臨如何克服材料內部雜訊干擾的挑戰。

與此類似的技術還包括「鑽石空缺」( Diamond Vacancies ),它透過在人造鑽石中替換部分碳原子,以氮原子取代,並使用雷射來激發這些空缺結構。鑽石空缺技術的最大優點是它不需要極低溫,能在室溫下運作,這使得它在未來的量子計算應用中具有很大的潛力。

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量子電腦模擬的原子核 。圖/wikimedia

二維世界的探索:拓樸量子位元

隨著三維物理的極限逐漸顯現,科學家們將目光投向了二維世界,探索其中的量子計算可能性。微軟與貝爾實驗室都在研究的「拓樸量子位元」( Topological Qubits ) 便是一個例子。拓樸量子位元基於一種稱為「任意子」( Anyon ) 的準粒子運作,這種粒子只存在於二維空間中,並且擁有無視傳統量子力學法則的特性。

拓樸量子位元透過操控粒子的空間幾何軌跡來實現運算,這種軌跡在二維空間中表現出穩定且高度容錯的特性。因此,與其他量子位元相比,拓樸量子位元的穩定性與耐久性更佳。然而,這項技術仍處於實驗階段,距離實際應用還有一段路要走。

量子電腦的未來:量子糾錯與穩定性挑戰

儘管量子電腦擁有極大的潛力,但其目前仍面臨著許多挑戰,最重要的便是量子位元之間的「保真度」( Fidelity ) 與「量子糾錯」( Quantum Error Correction ) 技術。現代的量子電腦對外界干擾極為敏感,甚至微小的環境變化都可能導致計算結果的錯誤。因此,提升量子位元的精確率,並開發有效的糾錯技術,是量子計算未來必須跨越的關鍵。

以 Google 為例,他們在 2023 年發布的研究顯示,通過增加量子位元數量並使用「表面碼」( Surface Code ) 技術,他們成功降低了量子計算中的錯誤率。這項進展意味著量子糾錯技術正逐步成為現實,然而,大規模商業化的量子電腦仍需更多時間才能問世。

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誰將引領量子計算的未來?

量子電腦的發展方向多樣,從超導量子電腦、離子阱、中性原子、量子點、鑽石空缺,到拓樸量子位元,每一種技術都有其獨特的優勢與挑戰。誰能成為量子計算的最終霸主,仍然是未解之謎。或許在不遠的將來,量子電腦將以我們無法想像的速度改變世界,重新定義我們對計算、數據與科技的理解。

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