口頭疫調會隱瞞但病毒不會!台灣應借鏡英國積極分析「病毒基因序列」(葉庭育、黃韻如、鄭如韻)

我們想讓你知道…新冠病毒的序列隨著時間不斷快速變異,分析病毒的基因序列,在預測疫情和釐清傳播起源和途徑,有無法取代的價值。

● 葉庭育/約瀚霍普金斯大學生物系助理研究員,Auxergen Inc. 創辦人
● 黃韻如/教授,國立台灣大學醫學系教授暨防疫科學研究中心國際合作計畫主持人
● 鄭如韻/任職台灣大學防疫科學研究中心

追蹤 SARS-CoV2 變異的軌跡 台灣該怎麼做?

前言

自從 COIVD-19 疫情在全球爆發以來,各個國家始終透過疫調和病毒基因定序的方式,抽絲剝繭找出病毒及病例的相關聯性。

2021 年 5 月 17 日的指揮中心記者會上,專家諮詢小組召集人張上淳教授表示,台灣目前的感染情形屬於社區大群聚感染,因此檢驗的實驗室資源必須被適當的分配。因此,在這次病例數激增的狀況下,除非看到特殊案例有定序需求,才會將資源分配給特殊個案,爾後暫時不會再針對個別案例做基因定序。

在這一篇雲論中,我們邀請了來自約翰霍普金斯大學生物系的助理研究員葉庭育醫師,想要帶大家了解病毒的基因序列是什麼?基因定序對於疫情的控制有什麼幫助?不做基因定序,又有可能帶來什麼樣的風險?

為何 COVID-19 的病毒會產生變異?

新冠病毒是核糖核酸(RNA)病毒,其基因體的 RNA 分子是由 4 種核苷酸(A,U,G,C)排列組成,而病毒基因體的全長含近三萬個核苷酸,而所謂的病毒序列就是組成病毒 RNA 分子的核苷酸的排列次序。

所謂的病毒突變,如在英國發現的變異株 B1.1.7 或印度發現的 B1.617,就是指病毒的序列和以往不同。也就是説,獲得並分析病毒的序列,本身就是疫情調查中不可或缺的一部分。也因知道病毒序列,我們才能瞭解現在哪一個病毒株正在流行,或者該地區有沒有產生新的突變肆虐。這並不限於新冠病毒,其他的病毒像流感病毒、愛滋病病毒等等,序列都是非常重要的流行病學資訊和防疫工具。

▲華航諾富特案基因定序關聯圖。(圖/指揮中心提供)

病毒序列要怎麼取得?有什麼重要性?

病毒序列當然不會憑空而來,採完鼻腔或喉部的檢體後,這些檢體必須要送到實驗室以完成分子定序的工作。這十多年來,定序的實驗技術突飛猛進,所需的時間由數月縮短至數天內便能得到結果,和 2003 年時 SARS 不可同日而語。這樣快速得到的序列訊息,讓全球科學家們可以幾乎立即知道新冠病毒基因的全貌,馬上投入相關研發。

在過去一年內累積相當大量研究成果,所以我們對於這個病毒的了解,其實已經超過了許多已知的病毒。各國在幾個月的時間之內,就可以做出了許多新冠病毒檢驗試劑。再加上站在 2003 年 SARS 病毒十多年研究的基礎上,人類在不到三個月內,便知道新冠病毒棘蛋白(Spike Protein)的結構,了解棘蛋白各種突變,如何影響和細胞受體的結合,以致於改變病毒的致病率有決定性的影響。這當然也大大地幫助了許多疫苗研發的速度,例如中和抗體如何和病毒結合,所以在九個月內,人類就已經有疫苗可以接種。

▲ 分析病毒序列,有助擬定防疫策略。(圖/取自免費圖庫Pixabay)

全球的序列資訊共享平台 讓國力及政府透明度一覽無遺

全球共享數據倡議組織(GISAID)原先為公布並研究流感基因序列的組織,但這個組織在這次新冠病毒疫情中功不可沒。他們的網站即時公佈所有訊息,目前已經累積了162萬個序列。其中美國和英國各佔了四分之一強,澳洲三萬名的患者中,約六成的患者都有序列的資訊。而英國和法國這些國家,也幫非洲友邦分析並提供序列,以獲知當地的疫情。基本上,各國積極提供序列的能力,就是自己國家的國力和政府透明度的展現。

中國大陸在去年 1 月 10 日發表了第一個新冠病毒的序列,截至目前發佈了 1233 個,佔了官方公佈罹病人數的 1.3%。台灣疾管署在去年的 1 月 23 日收到高雄市立聯合醫院患者(曾到高雄金芭黎舞廳消費的五十多歲台商,全台第三例)的檢體,在 1 月 27 日病毒的完整序列便已經公開在 GISAID 網站上,供各國科學家在第一時間內可以得知病毒的訊息。這是全球第 43 個公開的病毒序列。台灣在這次五月份疫情爆發前,已經公開了 179 個序列(佔罹病總人數中的15.6%)。在序列資訊上,台灣無論在速度或是透明度上都是名列世界各國前茅。

由於序列本身的特性,在沒有意外狀況下,即使在不同的實驗室中進行定序,也應該得到相同的結果,所以這樣的資訊相當可靠。利用這樣的資訊,我們可以得知病毒是在何時何處開始產生新的突變,以及這個新突變跟著病人去了什麼地方。所以研究病毒序列,可以讓我們很淸楚地追蹤病毒散播,以及演化的途徑,這也是為什麼序列本身在疫調不可或缺的原因。

▲ 新冠病毒在半封閉空間傳播力強。(圖/路透社)

高雄、澳洲、鑽石公主號三地的病毒基因序列分析

追蹤高雄,澳洲,以及鑽石公主號三個不同地點的新冠病毒,在序列分析上均有許多的發現。

當時高雄金芭黎舞廳的病人帶著 G26144 的點突變,和武漢第一批病毒序列(國際上叫 WIV04)不同。這個新的點突變在去年一月時,只有另一位美國加州第二個病人也有這個突變。後來這個點突變卻散播到全球(義大利、瑞典等等),甚至成為美國東岸地區去年病毒株的主流,一度多達紐約地區的八成。

台灣在第一波全球疫情中看似幸運,當時新聞雖然鬧得沸沸揚揚,病毒卻沒有在高雄擴散,其實必須歸功於聯合醫院即早分流,與醫護人員的高度警覺心,在七分鐘之內就把病人送往負壓隔離病房,這些作為成功地讓高雄不至於成為紐約這樣的重災區。

 

▲ 學者分析,高雄去年沒淪為重災區,歸功聯合醫院即早分流。(圖/記者吳奕靖攝)

澳洲政府很積極,在第一時間內就很努力地發布序列訊息。它們病毒突變的位置 G28742 非常特別,尤其是 G28742U 這個突變都和伊朗旅遊史有關。由於當時世界上完全不知伊朗有疫情,在去年二月底投稿時,特別請期刊主編通知澳州政府和 WHO 提高警覺。果然,後來在紐西蘭和美國也找到伊朗移民得到相同的病毒突變。

去年二月份,由於被封鎖在日本的港口近一個月,所以整艘鑽石公主號非常不幸地變成近乎實驗室等級的大型病毒培養所。但是鑽石公主號的案例,因為沒有新的傳染源進入,成為研究病毒突變過程以及在半密閉空間感染傳播的分子流行病學最佳機會。而 3711 名旅客中,就有 712 人感染。其中 311 人(46%)沒有症狀,37 人進了加護病房,而 9 人(1.3%)死亡。

研究同時也顯示了新冠病毒的傳染力,在船上這樣的半密閉空間上非常強(R0 值 5.7,也就是平均一人傳染 5.7人)。雖然沒有證據顯示病毒是由空調系統傳播,但在哈佛公衛學院的數學模型研究下,才發現在鑽石公主號上應該至少五成是由更微小的氣溶膠傳播病毒,而非原先認為的飛沫傳播 [1]。

28 人的序列分析則顯示出在短短三週之內,病毒在船上已經累積了 24 個新的點突變,代表這是一個變化很快的病毒,待得越久、突變越多。除了隨機性的點突變之外,新冠病毒是冠狀病毒,冠狀病毒有名的就是它的基因體 RNA 片段會頻繁重組交換(RNA recombination),就是兩個基因相似但不完全相同的病毒突變株,感染在同一個病人身上,會有機會變出一個拼裝版本的病毒出來,淨結果為病毒以高效率得到對它有利的突變。

但是去年二月分,這樣的機制還不知道是否也會發生在新冠病毒這個新的病毒上?由病毒序列的分析來看,可以很清楚地看到某些病人傳播的過程。船上應該有兩個原發病例,一位是帶有 WIV04,另一位則是含有一個 G11083 突變。而有四個病毒序列藉由 RNA 重組的方式,快速地得到了 G11083 這個突變。這是第一次新冠病毒的 RNA 重組被「現場抓到」,而且是發生在人類身上。其中有一位病人身上的病毒,在三週內已經累積了 6 個突變之多。比起一般來說一個月病毒只會有 1 到 2 個突變,相當不尋常 [2]。

▲ 研究顯示,若把病人集中在擁擠的環境,恐怕會累積不少突變。(圖/路透)

優勢的突變累積來自強大的演化壓力

和一開始病毒(比方說在去年美國一月至三月)無拘無束沒有管制下的序列做比較,用演化數學模式分析序列的結果讓我們得知,病毒顯然在鑽石公主號上承受了極大的演化壓力(註:演化壓力又稱選擇壓力,可以理解為外界因素讓病毒有演化過程的壓力)。在鑽石公主號上的演化壓力,很可能來自於病人被隔離,所以病毒在進入船後第 14 天,就開始在人類的身體上被篩選。

類似的演化壓力,也會來自在各國政府為了控制疫情,在很短的強制干預(戴口罩、隔離檢疫)措施,感染力弱的病毒會被快速地被淘汰,現在勝出的病毒自然是向著感染力強的方向去演化。結論是若把病人集中在擁擠(監獄、學校、移工宿舍、船隻潛艇)的環境之中,若隔離不完全,病毒在空氣中傳播,三週內就可以在感染的人群累積出不少的突變。再加上強大的人擇篩選演化壓力,優勢的病毒很有可能立刻脫穎而出並開始散播。

得知此訊息後,筆者(葉庭育醫師)在三月中旬立刻向 WHO 提出警告,並建議未來船上有病人,不應該無休止地封鎖船隻讓所有人都留在船上,而是要把病人儘快地從船上移出分散。後來的研究並顯示,雖然日本政府當時的干預有一定的成效,若在船上隔離後有立即搭配全員的快篩及分流,整體的感染人數可以降低 6 到 7 成 [3]。後來伊利諾大學的研究也證實了原來的演化預測。他們發現 G11083 的突變,也的確在日後曾經變成優勢突變之一 [4]。

▲不同新冠病毒演化枝佔全體病毒百分比的時程圖(2019年12月至2021年5月)(圖/GISAID;原始資料來源:新加坡BII/GIS, A*STAR)

說明:出現在高雄金笆黎舞廳病人中的新冠病毒 G26144 突變(淺灰色,L 演化枝)曾經變成全球主要的流行株。而鑽石公主上出現的 G10083 突變後來也變成 V 演化枝(粉紅色),曾經佔全體感染序列的一成左右。而這兩株後來皆被著名的棘蛋白突變 D614G 取代。而 B1.1.7 的出現(淺黃色,GRY 分枝群),在短時間內就變成強勢的病毒株,佔了目前發現病毒的多數。值得一提的是,出現在印度的 B1.617 變異株的比例也越來越高。這張圖説明了病毒的序列隨著時間不斷快速的變異,而它的流行和演化過程習習相關。

病毒基因定序為防疫的必要手段

這些研究證明了分析新冠病毒的基因序列,在預測疫情和釐清傳播起源和途徑,有無法取代的價值。病毒的基因序列分析,若加上醫師的診斷紀錄,我們可以知道變異株是否對病人的臨床症狀有所改變。

▲常見新冠病毒突變株演化樹。(圖/鄭如韻製)

說明: 這幾個造成流行的病毒株,都因為他們棘蛋白不同的點突變,而增加了對人類的感染率。而許多報導或文獻為了稱呼上的方便,會以發現的地點為突變株命名,像英國(U.K.)、巴西(BRA)、南非(S.A.)、或加州(CAL.20C)。這些突變株,彼此都有演化的親緣關係。

即使是在疫情的高峰期,英國都不曾放棄提供最新的序列資訊,至今累計了 48 萬筆定序資料。這樣的決心不只令人欽佩,也對全球的疫調產生深遠的影響。

去年九月英國發現在肯特 (Kent)地區有特別高的群聚感染,正因有系統性的常規定序,英國才能即時偵測到 B1.1.7 這個突變株,在十二月中就能即時發佈警報,讓各國提高警覺。這個突變株在短時間就橫掃全球,並取代了多數的變異株成為主流,目前許多國家高達近九成的病毒都和 B1.1.7 變異株有關,也是造成目前台灣疫情的主要變異株。

▲英國因有做病毒定序,才能及早偵測英國變種病毒。(圖/路透)

而現今世界最擔心的,是從去年十月開始在印度被發現的另一個變易株 B1.617,目前已經在44個國家被發現,也被歸類於需要高度擔憂的變易株(variant of concern),目前印度的疫情就是由 B1.617 這個變異株所造成的。

跟 B1.1.7 相比, B1.617 的傳染力更強,傳染力大約高過50%。而英國的真實世界證據顯示,Pfizer/BNT 以及 AZ 的疫苗在完成 2 劑的注射之後,對於 B1.1.7 的保護效力各是 93% 以及 66%, 對於 B1.617 的保護效力,分別是 88% 以及 60%,相較於B1.1.7,這兩種疫苗對於 B1.617 變易株的效力,並沒有巨大差異 [5]。

▲ 印度變種病毒在44國流傳。(圖/路透)

結語

B1.1.7 的感染率和致死率,都比原先的 WIV04 來的強。原來的 WIV04 早就不再流行,這是新的也是更可怕的變異株。所有人不應該再用 2020 年的思惟,來面對 2021 年 B1.1.7 造成的新挑戰。2021年還有著另一個更棘手的 B1.617 變異株,防疫的策略必須更加謹慎。

日前在新加坡樟宜機場的群聚事件中,已經發現 19 個員工已經打了 Pfizer/BNT 或 Moderna 疫苗,仍得到 B1.617 突變株的 例子,但有幸的是,這些已接種疫苗的感染者都是輕症,不需要進入重症加護病房。

B1.617 的特點之一是對於兒童有高傳染力,因此目前擔心的是,活動力高的兒童變成此變異株的無症狀感染者,而成為新的防疫破口。也因此,目前的疫苗臨床試驗已經擴展到青少年以及兒童族群,Pfizer/BNT 的疫苗已經被美國 FDA 核准用在12歲以上的青少年,12歲以下兒童的適應症也將是指日可待。

這告訴我們,系統性地對病毒序列做社區監測、快速取得有實證效果的疫苗與大規模施打,對於控制疫情以及保存醫療量能有多麼重要。

▲ 印度變種病毒對兒童有高傳染力,學者擔憂活動力高的兒童變成新的防疫破口。(圖/達志影像/美聯社)

台灣的特別之處,是在先前沒有太多新冠病毒的案例下,成為全球第一個由強勢病毒 B1.1.7 登陸的國家。病毒遇到強大的人為干預,是否有機會篩選出更強大的突變,未來其實不無可能。

另外,B1.617 變異株已從境外移入的案例中在台灣被發現,在台灣同時要對於這一波 B1.1.7 疫情減災的時候,也要同時防堵 B1.617趁虛而入,對於邊境管控的壓力以及社區疫情的撲滅, 都帶來絕大的壓力。

因此,有系統性地做病毒基因定序,將會在防疫上幫助台灣了解:

(1)現在面對是什麼病毒株流行;
(2)感染的源頭是否專一,或者是多個;
(3)是否產生了本土的新變異株;
(4)不同的變異株感染不同的族群(例如兒童)、感染率、重症率和死亡率有何不同;
(5)不同的疫苗在台灣人身上,對不同病毒株的保護力有無不同。

但台灣的挑戰是,目前病毒基因定序的量能無法快速擴充,過去一年幾個核心實驗室背負著服務與研究的雙頭使命,在資源有限的狀況下,已經為台灣貢獻了先期的定序成果。

但在社區疫情爆發的此時,在量能以及資源配置上,已無法再承擔即時提供社區監測與疫調的公衛任務。這對於台灣目前的防疫戰來說,等同於暴露在不知敵人是誰身在何處的險境。

▲ 若台灣不做病毒定序,等於暴露在不知道敵人是誰的風險中。(圖/記者李毓康攝)

我們建議,台灣政府應該借鏡於英國的經驗,加強快速分析病毒基因序列的量能。在一些核心實驗室繼續採用標準方式分離出病毒粒子之後再送定序的作法之外,同時擴充其他實驗室直接就抽取出來的病毒 RNA 做定序,雙軌進行對於新冠病毒試劑藥物測試研究,以及疫情即時社區監控以及疫調。

中央此時應號召台灣的各大基因體定序核心,共同投入這場防疫戰的病毒情報蒐集工作,這將會讓台灣能隨時偵測新的病毒株的出現(境外移入或本土產生),如此才能在未來做決策時(比方説採購疫苗的選擇,以及施打疫苗之後的監測),對不斷變動的疫情做出即時的反應。

這些重要而且攸關全球千萬人命的資訊,若沒有確定的病毒序列這個必要的工具,將會在真相的釐清和決策的過程,浪費許多時間而並且引起不必要的猜想。台灣,也無法自處於外。

科學防疫最需要的就是即時的真相,口頭疫調有時會隱瞞,但序列不會。要打贏這場防疫戰,台灣需要拋棄行政防疫至上的迷思,全面擁抱科學防疫新思維。

參考資料

[1] Azimi, P., Keshavarz, Z., Cedeno Laurent, J. G., Stephens, B., & Allen, J. G. (2021). Mechanistic transmission modeling of COVID-19 on the Diamond Princess cruise ship demonstrates the importance of aerosol transmission. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(8), e2015482118. https://doi.org/10.1073/pnas.2015482118.

[2] Yeh TY & Contreras GP. Faster de novo mutation of SARS-CoV-2 in shipboard quarantine. [Preprint]. Bull World Health Organ. E-pub: 6 April 2020. doi: http://dx.doi.org/10.2471/BLT.20.255752.

[3] Zhang J, Sun G-Q, Li M, Gao R, Ren H, Pei X and Jin Z (2020) COVID-19 Reverse Prediction and Assessment on the Diamond Princess Cruise Ship. Front. Phys. 8:353. doi: 10.3389/fphy.2020.00353.

[4] Wang et al, Decoding Asymptomatic COVID-19 Infection and Transmission.
J Phys Chem Lett. 2020 Dec 3;11(23):10007–10015. DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c02765.

[5] Lopez Bernal, J., Andrews, N., Gower, C., Gallagher, E., Simmons, R., Thelwall, S., Tessier, E., Groves, N., Dabrera, G., Myers, R., Campbell, C., Amirthalingam, G., Edmunds, M., Zambon, M., Brown, K., Hopkins, S., Chand, M., & Ramsay, M. (2021). Effectiveness of COVID-19 vaccines against the B.1.617.2 variant. medRxiv, 2021.2005.2022.21257658. https://doi.org/10.1101/2021.05.22.21257658.

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黃韻如專欄

黃韻如專欄 黃韻如

長年旅居新加坡,現為台灣大學醫學系教授、防疫科學研究中心國際合作主持人、創新設計學院社會創新教育組組長。為一名醫師科學家,長期關注生物系統可塑性,相信開啟科學與人文的對話,終能創造轉化契機。

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