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醫學

疫情加速檢測科技研發

2022-05-01 卡姆西(Roxanne Khamsi)
40年前研發出來的聚合酶連鎖反應(PCR)檢測技術,正隨全球疫情加速改進周邊設備與應用方式。
▲緊急應變:烏干達科學家桑古巴(Willy Ssengooba)在國界設置了新冠病毒檢測站。(攝影:Esther Ruth Mbabazi)

桑古巴(Willy Ssengooba)從10年前就在烏干達各地往來,訓練公衛人員使用一種新儀器檢測結核病。烏干達位於非洲東部,每年約有九萬人感染這種致命的疾病,傳統檢測方式是從患者的痰中培養細菌進行分析,需數個月才有結果。新儀器採用快速分子檢測方式只需花幾個小時,因此能夠馬上施予確診患者保住性命的療法。

桑古巴現任職於首都坎帕拉(Kampala)的馬凱雷雷大學健康科學院分枝桿菌研究小組科學主任,協助全國各地診所設置了265台儀器。藉由普及早期診斷,使肺結核相關死亡人數下降,特別是對於兒童與感染人類免疫不全病毒(HIV)的族群。桑古巴認為這項做法相當成功,希望能設置更多儀器,然而主政者卻難以體認醫療科技的力量。

而後新冠疫情來了。2020年3月21日,烏干達出現第一起病例,桑古巴就收到衛生署長官發來的訊息。顯然幾乎所有的新病例將會越過國界入境,桑古巴能篩檢每名入境烏干達的人嗎?全國都要靠他了!

烏干達是內陸國家,桑古巴的團隊開始在國界上人們頻繁進出的關哨,給載貨的卡車司機進行鼻腔採檢。有時這些樣本每天多達千件,需送到將近300公里外的坎帕拉進行分析,那裡才有能進行聚合酶連鎖反應(PCR)的實驗室。藉由龐大的儀器把發出螢光的分子探針接到新冠病毒的遺傳序列上,找出樣本中是否有新冠病毒的遺傳物質。桑古巴的團隊親自運送這些樣本,大約有50名工作人員蒐集樣本,放上小貨車載到實驗室,然後再返回蒐集另一批,許多時間花在熬夜趕路,令人筋疲力竭。隨著疫情加劇,工作人員無法負荷,等待檢測結果的卡車司機在邊境苦候數日,原因之一是在坎帕拉進行的PCR分析有時需72小時才有結果。排隊的卡車綿延數公里,上面有各式各樣貨物,包括家電產品、建築材料或汽車零件。更糟糕的是,烏干達政府已關閉了機場。

危機處理

烏干達政府用盡一切辦法解決邊境阻塞狀況。桑古巴想到全國各地有265台PCR機器,多年來用以診斷結核病,其中有些小型機器只要改變處裡樣本的卡匣,就能用來檢測新冠病毒。桑古巴把這些儀器搬到邊境關哨,調整一下基礎硬體設備(電力系統、安置工作檯的地點),讓這些儀器能運作。在坎帕拉的實驗室裡,多台大型儀器放在數間房間中,需由經驗豐富的技術員製備並處理樣本,但邊境的PCR儀器的型號為基因專家系統(GeneXpert),尺寸如同印表機,能自動操作,應用同樣的PCR技術,只需半小時就能得到結果。

2020年5月鄰近肯亞的烏干達小城馬拉巴啟動新冠病毒檢測系統,原需排隊數天才能進入烏干達的卡車司機,現在只須等半小時。接下來一個星期,另外兩個重要關哨也有了相同檢測設備。疫情最初幾個月,許多國家(包括一些富裕國家)都在全力地毯式搜索,以期找出所有病例,但是桑古巴知道公衛和經濟活動必須維持平衡。他在需要進行檢測的地點設定好基礎設備,避免疾病散播同時維持重要物資進口。蘇格蘭聖安德魯斯大學發展檢測技術的專家沙比提(Wilber Sabiiti)指出,桑古巴的創意讓烏干達有限的檢測資源改變用途,「影響深遠」。

多年來,桑古巴堅持不懈,推廣以PCR檢測結核病,最後努力似乎有了回報。他表示,這場新冠疫情顯示需更廣泛應用PCR檢測所有傳染病,特別是政治界也了解到這點,他們現在把更多經費投注於PCR檢測技術。桑古巴說:「新冠疫情爆發讓我們因禍得福,能夠建立大規模分子檢測設備。」不只桑古巴這麼想。美國華盛頓大學醫學中心臨床病毒學實驗室的副主任格雷寧格(Alex Greninger)說,過去自己任職的單位每年通常進行5萬次PCR檢測,主要針對流感或愛滋病毒。而2020年就進行了400萬次,主要針對新冠病毒。

和過去所不同的是,檢測結果馬上就會影響接下來的行動:陽性患者要居家隔離或移置醫院特定病區。進行這些行動前需大量檢測,格雷寧格說:「病毒學實驗室在最近22個月中進行的分子檢測量,相當於之前81年的份量。」他認為,就算新冠疫情消退,對於PCR檢測的高需求依然會持續。他說現在大眾對於病毒警覺性更高,在新冠疫情期間,快速抗原檢測(快篩)已成為生活的一部份,未來檢測潛能會爆發出來,人們尋求PCR檢測做為確診依據。

新冠疫情不只增加了疾病檢測的規模,也開啟了每個人對於疾病檢測的需求,同時也推動各方採用更先進的檢測技術。醫院開始購買更小型的PCR儀器,能夠放在醫師診間,樣本毋需送到位於他處的大型集中式實驗室,患者當下就能得到檢測結果,如有必要就馬上隔離,並施用適合的抗病毒藥物或抗生素。世界各地研究PCR技術的企業和學術研究人員指出,他們的發明越來越受矚目,有可能發展出手持式PCR機器,不論在超市停車場或偏遠村落都可檢測。

這些都不只是對病人有好處而已。去年底傳播速度超強的Omicron變異株出現後,大眾檢測量增加,為的是監控新冠疫情變化,以及評估醫療系統(和社會其他層面)的崩潰點。大規模進行新冠病毒PCR檢測,也讓公衛監控系統開始茁壯,未來能同時監測可能會造成大流行的數十種病原體。耶魯大學公衛學院的生物統計學家湯森(Jeffrey Townsend)指出,PCR是監測疾病的絕佳工具,「有許多人認為未來需要更多PCR檢測。」

奇特的發現之旅

美國一家生物科技公司的化學家穆里斯(Kary Mullis)和同事研究合成遺傳片段;穆里斯在加州大學柏克萊分校取得博士學位,研究合成新化學成份時會服用迷幻藥麥角二乙胺(LSD)。1983年,他開車載著女友前往位於加州北部海邊的小屋,在路上女友睡著了,他想像分子在山路上舞動,就是此時想到了PCR的概念。他在路邊停車,把這個念頭寫下,10年後得到了諾貝爾化學獎。

基本上,PCR是一種複製遺傳序列的技術,現在有幾十種型式,最基礎的是穆里斯發展出來,使用少許DNA經由多次加熱與冷卻循環複製這段DNA。首先加熱DNA打開雙股螺旋成為兩個單股;接下來冷卻循環進入降溫階段,加入特製的引子連接到各股特定的目標序列上,之後稍微加溫樣本,酵素會從引子開始合成新的一股互補序列。這循環會不斷重複,直到合成出大量的目標DNA。隨後加入特殊螢光染劑,標記出想要探知的複製短序列。

應用這種方式,可偵測樣本中是否有病原體存在。舉例來說,患者血液中如果有病原體,PCR儀器便能複製出大量病原體的遺傳序列,螢光染劑會很明亮,如果沒有病毒就一片黯淡。使用螢光染劑來標記,代表PCR儀器也能反應出人體中的病毒量。如果在複製循環中,螢光比較強而且較早出現,代表病毒量多。PCR不只能偵測DNA,也能偵測遺傳物質RNA。這項技術打開了檢測大門,因為有許多病毒的遺傳物質是RNA,例如HIV。由於愛滋病蔓延全世界,醫生想知道患者體內有多少HIV,以及治療患者的抗病毒藥物是否能壓低病毒量。PCR終於為醫療人員解答。

過去的PCR儀器需要受過專業訓練的技術人員來處理樣本,且需耗費半天以上才能得到結果。美國郵政系統改變了這個狀況,911恐怖攻擊事件後,需要快速檢查寄給美國國會議員和記者的信件是否夾帶致命的炭疽孢子。這種狀況引發了技術競爭,贏家在2002年出現,是西菲義德(Cepheid)的GeneXpert原型機,這家檢測儀器研發公司1990年代末成立於加州矽谷。該原型機使用了試劑卡匣和開關管路,把試劑等液體經由小管路混合,以自動化方式進行過往耗費人工的樣本製備過程,讓結果於幾十分鐘就可獲得,而非耗時數小時。

從那時起至今過了20多年,GeneXpert已能應用於檢測諾羅病毒(norovirus)、披衣菌(chlamydia)、結核桿菌和新冠病毒。西菲義德說,現在世界各地共有超過4萬台GeneXpert,2020年時為2萬3000台。(生物醫學巨擘羅氏大藥廠的診斷產品部門也有生產診所用的PCR儀器,大小和咖啡機差不多。)在醫生診間和烏干達邊境關哨等場所,越來越常見到這種小型儀器。2020年9月,西菲義德得到了美國食品及藥物管理局(FDA)核准,GeneXpert能同時檢測A型流感、B型流感、新冠病毒,以及一種對於兒童特別危險的病原體:呼吸道融合性病毒(respiratory syncytial virus)。檢測結果出爐只需半小時,接下來醫生就能決定施予病患哪種抗病毒藥物,例如流感就給克流感,新冠病毒則給Paxlovid。新冠疫情期間效率非常重要,因為是否隔離患者,取決於感染哪種病原體......


# 關鍵字:醫學PCR
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