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民生備戰守則!科技撐起防疫,如何讓快篩技術再升級?

111/11/30 瀏覽次數 388
圖一

圖一:臨床常言「把握黃金治療期」即是要做到偵察敵情、掌握治療先機,而層流式快篩(Lateral flow strip) 則可助精準篩檢達到目標。(影像來源:unsplash)

2019 年底,新冠病毒的崛起敲響了全世界的警鐘,我們正面臨一場世界大戰,而這次的對手是看不見也摸不著卻要走數百萬人命的——病毒。直到近三年後的現在,大家都仍然心有餘悸。我們總會想,有沒有甚麼辦法可以讓我們預判敵人呢?所謂「知己知彼、百戰不怠」,若能掌握先機,第一時間發現患病即時投藥與隔離,或許許多悲劇就能避免。

不過說到「敵情偵查」,腦海中則會出現新聞上時常看見的快篩、核酸檢驗(PCR)之類的字眼,而快篩技術是什麼?又會如何改變我們的生活呢?

我們如何偵察敵情,掌握疫情先機?

為了及早找出我們的首要敵人:病毒,我們必須先瞭解病毒本身的組成。以 SARS-CoV-2 為例,在其外套膜(envelope)表面上有許多的刺蛋白 (S protein,Spike protein),作為感染宿主細胞的主要途徑。

而其內部也具有許多包裝著自身核酸的核殼蛋白 (N protein, Nucleocapsid protein),是其病毒體非常重要的結構。而檢測的方法,不外乎就是針對敵人的身分特徵進行識別,且根據識別的部位不同,又可以分為「核酸」與「蛋白質」兩類目標。

時常聽見的「qRT-PCR」,主要是透過聚合酶鏈鎖反應 (PCR,Polymerase Chain Reaction) 的方式,用來專一性擴增檢體中病毒基因核酸片段直到能夠判斷出訊號,此時所需的核酸擴增循環次數也就是我們所知的 CT 值(cycle threshold value),一般來說當 CT 值愈高即代表檢體中的病毒核酸濃度愈高,但至於多少 CT 值才算是確診並非定值,會依照各國所訂定的標準為主。

此外,若我們知道病原體的特定核酸序列,qRT-PCR 甚至可用來精準診斷是否感染特定病毒及細菌,但這樣的檢測需仰賴專業技術人員以及儀器判讀,通常是在醫院、醫學中心、研究單位等地方才適合使用,其操作複雜度較高、費用高昂,相當不容易落實社區定點健康照護。

在臨床常言「把握黃金治療期」即是要做到偵察敵情、掌握治療先機,但要確實達成則必須落實社區定點健康照護。因此,簡易操作、親民價格、快速、精準的篩檢工具則著實重要。而目前最常見的層流式快篩則因具備著前三項優勢,才得以在 COVID-19 疫情嚴重當下大放異彩。

不僅協助社區快速進行分流隔離,更大幅減緩臨床檢測 qRT-PCR 人力負擔。然而,目前的層流式快篩卻有著靈敏度不佳的致命缺點,導致無法廣用於洞察許多疾病的先機 (例如癌症或是抗藥性細菌)。

因此,如何讓層流式快篩更精準則成為落實社區定點健康照護、掌握罹患疾病先機的關鍵所在。

以乳癌案例說明,目前乳癌已超越肺癌成為全球最常見癌症,甚至有許多乳癌患者因術後沒有及時察覺復發導致無法救治而死亡的案例,此時,若有精準快篩所建構之社區定點健康照護則可讓乳癌病患在術後可定期定點監測復發風險,著實把握黃金時間治療,可望有效降低乳癌病患因復發死亡人數。

圖二

圖二:自動化 PCR 之流程。(影像來源:BECKMAN COULTER

解析快篩試劑的研發過程!現行流通的快篩試劑為何又會被侷限?

然而,理論與實際總是存在距離,就以病毒傳染病來說,當遭遇新的病毒,開發快篩談何容易。首先必須先取得病毒蛋白質的抗體,以針對 N 蛋白(N,Nucleocapsid)的快篩來說,就得確認可將病毒的外套膜破壞並使 N 蛋白露出,同時抗體也要能夠識別病毒 N 蛋白。

在以上種種條件下才有可能進行快篩的開發,而快篩材料的穩定製程、檢體收案、送審等都是不可或缺的步驟,都需仰賴產業鏈上中下游的合作與政府機關的支持。

不僅如此,在開發階段時,檢測靈敏度也是我們所關心的議題,且這也就是現行流通層流式快篩最大的困難點所在。我們皆知層流式快篩的檢測機制,訊號源上的抗體、目標抗原蛋白與在試片上的捕捉抗體之間的作用時間很短,在抗原蛋白濃度很低時就會導致訊號源無法順利被試片上的抗體捕捉到,而造成了所謂的「偽陰性」,使得某病患已確診而不自知,造成後續的感染擴大。

在這樣的背景下,居家式快速 PCR 儀也因挾帶著可居家使用且較高靈敏度之優勢而誕生,但仍受限於價格為層流式快篩 10 倍以上而無法普及化。

如何做到讓篩檢更快、更精準,且人人能操作?

目前層流式快篩已具備快速篩檢以及人人皆能輕易操作使用等優勢,唯獨 「精準」 是其最大致命傷。

要解決此問題則可從層流試片抗體塗佈(LFA, lateral-flow immunoassay)以及訊號源材料二方面著手。在層流試片抗體塗佈方面則可嘗試將抗體塗佈立體化 (就如同立體停車場),在有限平面空間塗佈更多抗體並同時增加抗體自由度以提升少量抗原捕捉效率。

而在訊號源材料方面則可製備具連鎖反應功能之訊號源,即可放大數十倍甚至數千倍訊號,即便是非常稀少的病原體也可以使之現蹤。

以臺灣優異的技術開發,相信有朝一日定可將層流式快篩推向更精準的層級,以達成篩檢社區化目標。因此,除了要具備優異的技術開發能力,更不能忽視與產業及臨床偕同合作的能力。經歷這次人類與病毒的世界大戰,勢必在未來會有更多優秀的科技進入我們的生活,共同撐起防疫!

資料來源

Hao-Han Pang,Yow-Ling Shiue,Hung-Wei Yang(2021).Development of precision theranostic platform based on modular self-assembly virus-like particles.

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