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教科書之外

連鎖反應的威力

2021-09-01 陳文盛
如果我線性地走30步,我達到30。如果我指數般地走30步,我達到10億。 —庫茲維爾(Ray Kurzweil,美國發明家)


曾幾何時,「PCR」這生物技術名詞隨著新冠病毒傳遍全世界,幾乎人人琅琅上口,短短一兩年內快超越「DNA」了。一般人雖然不清楚它的原理,但是都知道它是檢測病毒的法寶。它雖然比免疫檢測法慢且貴,但是它最準確、最靈敏,只要檢體中有絲毫病毒的存在就很難逃過它的偵測。它說了算。


PCR的發展已經有40年歷史。它的全名「聚合 酶連鎖反應」點出它的機制,它用DNA聚合 酶反覆催化DNA複製:每一循環就加倍,把1個DNA分子複製成2個分子;這2個分子在下次循環再複製成4個分子……這樣連鎖放大下去,一直到聚合 酶或反應物質不夠了為止。


新冠病毒的基因體是RNA,進行PCR之前要先把RNA反轉錄為DNA。在理想的情況下,DNA經過10次PCR循環就可以放大約1000(210)倍,再10次循環就放大約100萬(220)倍!這等比級數的放大作用就是連鎖反應的威力,讓樣本中原本難以測得的微量DNA,放大到可以(以靈敏的螢光技術)偵測到。


樣本中的DNA越少,需要進行越多次循環才能達到偵測門檻;DNA越多,需要進行的循環次數就越少。達到偵測門檻所需要進行的循環次數,稱為循環閾值(cycle threshold, Ct)。Ct值越高,樣本中原有的DNA越少。Ct值差1,原有DNA數目差2倍;Ct值差10,原有DNA數目差約1000倍。如果感染新冠病毒的患者檢驗到的Ct值是30,代表病毒的核酸放大了10億(230)倍才偵測到。病毒量降低到如此少,就可以考慮讓患者解除隔離。


病毒在人與人之間的傳遞也是連鎖反應。流行病學把一名患者在一段時間中,造成次級感染的平均數目稱為有效傳染數(effective reproductive number, Rt);也就是說在這段時間內患者的數目以Rt的倍數放大。Rt是疫情擴散嚴重程度的指標。疫情剛爆發的時候,除了首位患者之外,每一個人都是潛在傳播對象,這時候的Rt最高。當疫情發展一段時間,宿主族群有了抗體或者採取有效的預防措施(例如戴口罩或接種疫苗)之後,Rt開始下降。Rt下降到小於1之後,新增病例數少於病程結束的人數,病例總人數會逐漸減少,疫情才算控制住、開始趨緩甚至消失.......


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