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Mar. 30 2020

如何從冠狀病毒的突變追蹤傳播路徑,同時駁斥陰謀論?

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  • 從美國第一位感染COVID-19的病人體內分離出來的新型冠狀病毒,利用穿透式電子顯微鏡觀察到的影像,可看到球形的病毒顆粒(藍色)的病毒基因組(黑色小點)。IMAGE BY CDC / HANNAH A BULLOCK; AZAIBI TAMIN

病原體的變化幫助科學家不需大幅篩檢就能追蹤病例,並證明這隻病毒不是生化武器。

從美國第一位感染COVID-19的病人體內分離出來的新型冠狀病毒,利用穿透式電子顯微鏡觀察到的影像,可看到球形的病毒顆粒(藍色)的病毒基因組(黑色小點)。IMAGE BY CDC / HANNAH A BULLOCK; AZAIBI TAMIN

從美國第一位感染COVID-19的病人體內分離出來的新型冠狀病毒,利用穿透式電子顯微鏡觀察到的影像,可看到球形的病毒顆粒(藍色)的病毒基因組(黑色小點)。IMAGE BY CDC / HANNAH A BULLOCK; AZAIBI TAMIN

開放資源計畫Nextstrain就像是一座新型冠狀病毒的博物館,全球的實驗室把各自從病人身上蒐集到的病毒基因序列分享到這個平臺,Nextstrain利用這些資料在地圖與病毒系譜樹上畫出流行病如何演化。

到3月26日為止,Nextstrain已經有1500株新型冠狀病毒的基因組,從這些資料可以看出病毒正在突變:當COVID-19(又稱武漢肺炎、新冠肺炎)在全球大流行時,平均每15天就會出現突變。

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不過,發生突變並不代表病毒會變得更具傷害力,相反的,這些病毒遺傳密碼發生細微的變化,有助於研究人員快速找出病毒傳播途徑以及起源之謎。

用突變追蹤病例

Nextstrain的創辦人之一特雷弗.貝德福(Trevor Bedford)認為,這些突變對於揭開病毒如何傳播是非常有用的資訊,貝德福的實驗室位於西雅圖的福瑞德.哈金森癌症研究中心(Fred Hutchinson Cancer Research Center),他在今年2月新型冠狀病毒開始在美國華盛頓州肆虐時就開始利用遺傳學來追蹤病毒,在當時美國公共衛生官員專注於追蹤病患的旅遊史以及病患可能接觸的對象。

同時,貝德福與他的團隊也開始分析24名感染者的鼻腔樣本並解開病毒的遺傳編碼,藉此追蹤病毒在何時改變以及如何改變,他發現SARS-CoV-2從1月21日西雅圖出現第一個感染病例時就悄悄地在社區開始蟄伏好幾個星期,這位35歲的首例病人發病不久前曾經到訪中國武漢。

換句話說,貝德福掌握的科學證據可以指出,人們如果只有輕微症狀並且沒有就醫,或是因傳統調查方法而遺漏了檢測對象,人們都可能在未知自己染病的情況下散播新型冠狀病毒。這個案例在全球引發了瘋狂地封城、隔離、社會距離的建議以企圖減緩疾病擴散。貝德福說:「有一件很清楚的事情就是遺傳學資料能給你更豐富的故事來了解疫情是如何爆發開來。」

加州斯克里普斯研究所的計算生物學家克里斯堤安.安德森(Kristian Anderson)說,Nextstrain的視覺化工具也有助於吸引對冠狀病毒的科學求知若渴的大眾,安德森的實驗室也在Nextstrain提供了超過1000個西尼羅河病毒(West Nile virus)與茲卡病毒(Zika virus)株的基因組。

↑↑↑↑↑101科學教室:遺傳學

「我喜歡這些工具因為長久以來只有像我這樣的書呆子會看這些系譜樹,但現在它在推特上到處都看得到。」安德森說。這個開放平臺也讓全世界的研究者燃起分享基因組的熱情,其中有人送病毒樣本到他的實驗室,也有人連絡他尋求如何定序基因組的專業建議,「他們看著這些資料顯示出來,然後說:我們也有很多病人,我們也想要定序這些病人。」

雖然這樣的圖表和系譜樹對於通盤了解大流行如何爆發很有用,但是安德森提醒有些直接看結果的網頁訪客,他們不會看範圍涵蓋更廣的背景資料。有一個案例是:貝德福必須在推特上回溯他先前指出一名在義大利的德國病人與一名慕尼黑病人的定序資料很相近,這名慕尼黑病人在發病前一個月已經遭到感染,這表示歐洲的疫情爆發源頭是德國。

「我們也許可以從系譜樹看出關聯性,但在傳播鏈上有太多缺失的拼圖,因此對於曾經發生了什麼事可以有太多種解釋。」安德森說。

而且在許多地方篩檢工作以及對確診接觸者的調查工作有限,貝德福說,但遺傳資料能夠持續提供線索,讓我們知道所有的社會距離防疫措施是否有效。「我們將能夠說明我們看到傳播減緩了多少,並回答『疫情何時可以緩和』這個問題。」

它不是生化武器

此外,揭開病毒的演化史有助於研究人員快速揭穿一些陰謀論,像是SARS-CoV-2(新型冠狀病毒)是有人在實驗室祕密製造要用來做為生化武器。

3月17日《自然.醫學》(Nature Medicine)期刊刊載了一篇文章討論陰謀論的可能性,安德森是其中一位作者,方法是比較SARS-CoV-2與其他冠狀病毒的基因特徵,包括SARS、MERS,以及從動物身上分離出來的病毒株,像是蝙蝠與穿山甲。

首先,SARS-CoV-2的基因結構與過去研究過的冠狀病毒完全不同,這隻新型冠狀病毒具備的遺傳特徵也指出它曾經遇到活的免疫系統而不是在培養皿改造的。

此外,一個生化武器的設計者應該會想造成最大的衝擊而可能參考歷史上的案例,但新型冠狀病毒帶有一些細微的缺陷,可以看出是天擇造成的結果,例如,冠狀病毒利用我們所知的棘蛋白來接合細胞上的受體,實驗指出新型冠狀病毒可以強烈接合的受體是人體細胞上ACE2,但這不是最理想的交互作用。

「想要造出完美病毒的人絕對不會做出這樣的選擇。」安德森說。總體而言,他們的分析指出這隻病毒在2019年11月就從某種動物跳到了人身上。

未來,基因定序將成為一個相當重要的工具,在病毒散播前就辨別病毒的爆發是地方性或是區域性的。「例如,有一種潛在病毒在非洲的社區出現,我們現在有能力在實驗室利用樣本做霰彈槍定序法(Shotgun sequencing)。」醫師菲爾.費保(Phil Febbo)說,他也是全世界最大的基因定序儀器製造商Illumina(位於加州聖地牙哥市)的醫學長。霰彈槍定序法也可以讓研究人員可以隨機定序基因鏈,藉此快速辨識病毒,因此公共衛生官員就可以更快速決定適當的防疫措施來遏止病毒傳播。

要建立一個快速反應的全球監控網絡,我們還有很多工作要做:要建置更多實驗室,政府必須加入,還要招募更多工作人員並訓練他們能操作基因定序儀器並且判讀結果。

「這不是科技的極限,」費保說,「而是找到正確的解法。」

 

延伸閱讀:隨著冠狀病毒顛覆大眾的生活,關於動物的假新聞也充斥在社群媒體上 / 10種改變 看懂COVID-19疫情正對能源、氣候變遷造成什麼影響

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