口头疫调会隐瞒但病毒不会!台湾应借镜英国积极分析「病毒基因序列」(叶庭育、黄韵如、郑如韵)

叶庭育/约瀚霍普金斯大学生物系助理研究员,Auxergen Inc. 创办人● 黄韵如/教授,国立台湾大学医学系教授暨防疫科学研究中心国际合作计划主持人● 郑如韵/任职台湾大学防疫科学研究中心

追踪 SARS-CoV2 变异的轨迹 台湾该怎么做?

前言

自从 COIVD-19 疫情全球爆发以来,各个国家始终透过疫调病毒基因定序的方式,抽丝剥茧找出病毒及病例的相关联性。

2021 年 5 月 17 日的指挥中心记者会上,专家咨询小组召集人张上淳教授表示,台湾目前的感染情形属于社区大群聚感染,因此检验实验室资源必须被适当的分配。因此,在这次病例数激增的状况下,除非看到特殊案例有定序需求,才会将资源分配给特殊个案,尔后暂时不会再针对个别案例做基因定序。

在这一篇云论中,我们邀请了来自约翰霍普金斯大学生物系的助理研究员叶庭育医师,想要带大家了解病毒的基因序列是什么?基因定序对于疫情的控制有什么帮助?不做基因定序,又有可能带来什么样的风险?

为何 COVID-19 的病毒会产生变异?

新冠病毒是核糖核酸(RNA)病毒,其基因体的 RNA 分子是由 4 种核苷酸(A,U,G,C)排列组成,而病毒基因体的全长含近三万个核苷酸,而所谓的病毒序列就是组成病毒 RNA 分子的核苷酸的排列次序。

所谓的病毒突变,如在英国发现的变异株 B1.1.7 或印度发现的 B1.617,就是指病毒的序列和以往不同。也就是说,获得并分析病毒的序列,本身就是疫情调查中不可或缺的一部分。也因知道病毒序列,我们才能了解现在哪一个病毒株正在流行,或者该地区有没有产生新的突变肆虐。这并不限于新冠病毒,其他的病毒像流感病毒、爱滋病病毒等等,序列都是非常重要的流行病学资讯和防疫工具。

▲华航诺富特案基因定序关联图。(图/指挥中心提供)

病毒序列要怎么取得?有什么重要性?

病毒序列当然不会凭空而来,采完鼻腔或喉部的检体后,这些检体必须要送到实验室以完成分子定序的工作。这十多年来,定序的实验技术突飞猛进,所需的时间由数月缩短至数天内便能得到结果,和 2003 年时 SARS 不可同日而语。这样快速得到的序列讯息,让全球科学家们可以几乎立即知道新冠病毒基因的全貌,马上投入相关研发。

在过去一年内累积相当大量研究成果,所以我们对于这个病毒的了解,其实已经超过了许多已知的病毒。各国在几个月的时间之内,就可以做出了许多新冠病毒检验试剂。再加上站在 2003 年 SARS 病毒十多年研究的基础上,人类在不到三个月内,便知道新冠病毒棘蛋白(Spike Protein)的结构,了解棘蛋白各种突变,如何影响和细胞受体的结合,以致于改变病毒的致病率有决定性的影响。这当然也大大地帮助了许多疫苗研发的速度,例如中和抗体如何和病毒结合,所以在九个月内,人类就已经有疫苗可以接种。

▲ 分析病毒序列,有助拟定防疫策略。(图/取自免费图库Pixabay)

全球的序列资讯共享平台 让国力政府透明度一览无遗

全球共享数据倡议组织(GISAID)原先为公布并研究流感基因序列的组织,但这个组织在这次新冠病毒疫情中功不可没。他们的网站即时公布所有讯息,目前已经累积了162万个序列。其中美国和英国各占了四分之一强,澳洲三万名的患者中,约六成的患者都有序列的资讯。而英国和法国这些国家,也帮非洲友邦分析并提供序列,以获知当地的疫情。基本上,各国积极提供序列的能力,就是自己国家的国力和政府透明度的展现。

中国大陆在去年 1 月 10 日发表了第一个新冠病毒的序列,截至目前发布了 1233 个,占了官方公布罹病人数的 1.3%。台湾疾管署在去年的 1 月 23 日收到高雄市立联合医院患者(曾到高雄金芭黎舞厅消费的五十多岁台商,全台第三例)的检体,在 1 月 27 日病毒的完整序列便已经公开在 GISAID 网站上,供各国科学家在第一时间内可以得知病毒的讯息。这是全球第 43 个公开的病毒序列。台湾在这次五月份疫情爆发前,已经公开了 179 个序列(占罹病总人数中的15.6%)。在序列资讯上,台湾无论在速度或是透明度上都是名列世界各国前茅。

由于序列本身的特性,在没有意外状况下,即使在不同的实验室中进行定序,也应该得到相同的结果,所以这样的资讯相当可靠。利用这样的资讯,我们可以得知病毒是在何时何处开始产生新的突变,以及这个新突变跟着病人去了什么地方。所以研究病毒序列,可以让我们很淸楚地追踪病毒散播,以及演化的途径,这也是为什么序列本身在疫调不可或缺的原因。

▲ 新冠病毒在半封闭空间传播力强。(图/路透社)

高雄、澳洲、钻石公主号三地的病毒基因序列分析

追踪高雄,澳洲,以及钻石公主号三个不同地点的新冠病毒,在序列分析上均有许多的发现。

当时高雄金芭黎舞厅的病人带着 G26144 的点突变,和武汉第一批病毒序列(国际上叫 WIV04)不同。这个新的点突变在去年一月时,只有另一位美国加州第二个病人也有这个突变。后来这个点突变却散播到全球(义大利、瑞典等等),甚至成为美国东岸地区去年病毒株的主流,一度多达纽约地区的八成。

台湾在第一波全球疫情中看似幸运,当时新闻虽然闹得沸沸扬扬,病毒却没有在高雄扩散,其实必须归功于联合医院即早分流,与医护人员的高度警觉心,在七分钟之内就把病人送往负压隔离病房,这些作为成功地让高雄不至于成为纽约这样的重灾区

▲ 学者分析,高雄去年没沦为重灾区,归功联合医院即早分流。(图/记者吴奕靖摄)

澳洲政府很积极,在第一时间内就很努力地发布序列讯息。它们病毒突变的位置 G28742 非常特别,尤其是 G28742U 这个突变都和伊朗旅游史有关。由于当时世界上完全不知伊朗有疫情,在去年二月底投稿时,特别请期刊主编通知澳州政府和 WHO 提高警觉。果然,后来在纽西兰和美国也找到伊朗移民得到相同的病毒突变。

去年二月份,由于被封锁在日本的港口近一个月,所以整艘钻石公主号非常不幸地变成近乎实验室等级的大型病毒培养所。但是钻石公主号的案例,因为没有新的传染源进入,成为研究病毒突变过程以及在半密闭空间感染传播的分子流行病学最佳机会。而 3711 名旅客中,就有 712 人感染。其中 311 人(46%)没有症状,37 人进了加护病房,而 9 人(1.3%)死亡。

研究同时也显示了新冠病毒的传染力,在船上这样的半密闭空间上非常强(R0 值 5.7,也就是平均一人传染 5.7人)。虽然没有证据显示病毒是由空调系统传播,但在哈佛公卫学院的数学模型研究下,才发现在钻石公主号上应该至少五成是由更微小的气溶胶传播病毒,而非原先认为的飞沫传播 [1]。

28 人的序列分析则显示出在短短三周之内,病毒在船上已经累积了 24 个新的点突变,代表这是一个变化很快的病毒,待得越久、突变越多。除了随机性的点突变之外,新冠病毒是冠状病毒,冠状病毒有名的就是它的基因体 RNA 片段会频繁重组交换(RNA recombination),就是两个基因相似但不完全相同的病毒突变株,感染在同一个病人身上,会有机会变出一个拼装版本的病毒出来,净结果为病毒以高效率得到对它有利的突变。

但是去年二月分,这样的机制还不知道是否也会发生在新冠病毒这个新的病毒上?由病毒序列的分析来看,可以很清楚地看到某些病人传播的过程。船上应该有两个原发病例,一位是带有 WIV04,另一位则是含有一个 G11083 突变。而有四个病毒序列借由 RNA 重组的方式,快速地得到了 G11083 这个突变。这是第一次新冠病毒的 RNA 重组被「现场抓到」,而且是发生在人类身上。其中有一位病人身上的病毒,在三周内已经累积了 6 个突变之多。比起一般来说一个月病毒只会有 1 到 2 个突变,相当不寻常 [2]。

▲ 研究显示,若把病人集中在拥挤的环境,恐怕会累积不少突变。(图/路透)

优势的突变累积来自强大的演化压力

和一开始病毒(比方说在去年美国一月至三月)无拘无束没有管制下的序列做比较,用演化数学模式分析序列的结果让我们得知,病毒显然在钻石公主号上承受了极大的演化压力(注:演化压力又称选择压力,可以理解为外界因素让病毒有演化过程的压力)。在钻石公主号上的演化压力,很可能来自于病人被隔离,所以病毒在进入船后第 14 天,就开始在人类的身体上被筛选。

类似的演化压力,也会来自在各国政府为了控制疫情,在很短的强制干预(戴口罩、隔离检疫)措施,感染力弱的病毒会被快速地被淘汰,现在胜出的病毒自然是向着感染力强的方向去演化。结论是若把病人集中在拥挤(监狱、学校、移工宿舍、船只潜艇)的环境之中,若隔离不完全,病毒在空气中传播,三周内就可以在感染的人群累积出不少的突变。再加上强大的人择筛选演化压力,优势的病毒很有可能立刻脱颖而出并开始散播。

得知此讯息后,笔者(叶庭育医师)在三月中旬立刻向 WHO 提出警告,并建议未来船上有病人,不应该无休止地封锁船只让所有人都留在船上,而是要把病人尽快地从船上移出分散。后来的研究并显示,虽然日本政府当时的干预有一定的成效,若在船上隔离后有立即搭配全员的快筛及分流,整体的感染人数可以降低 6 到 7 成 [3]。后来伊利诺大学的研究也证实了原来的演化预测。他们发现 G11083 的突变,也的确在日后曾经变成优势突变之一 [4]。

▲不同新冠病毒演化枝占全体病毒百分比的时程图(2019年12月至2021年5月)(图/GISAID;原始资料来源:新加坡BII/GIS, A*STAR)

说明:出现在高雄金笆黎舞厅病人中的新冠病毒 G26144 突变(浅灰色,L 演化枝)曾经变成全球主要的流行株。而钻石公主上出现的 G10083 突变后来也变成 V 演化枝(粉红色),曾经占全体感染序列的一成左右。而这两株后来皆被著名的棘蛋白突变 D614G 取代。而 B1.1.7 的出现(浅黄色,GRY 分枝群),在短时间内就变成强势的病毒株,占了目前发现病毒的多数。值得一提的是,出现在印度的 B1.617 变异株的比例也越来越高。这张图说明了病毒的序列随着时间不断快速的变异,而它的流行和演化过程习习相关。

病毒基因定序为防疫的必要手段

这些研究证明了分析新冠病毒的基因序列,在预测疫情和厘清传播起源和途径,有无法取代的价值。病毒的基因序列分析,若加上医师的诊断纪录,我们可以知道变异株是否对病人的临床症状有所改变。

▲常见新冠病毒突变株演化树。(图/郑如韵制)

说明: 这几个造成流行的病毒株,都因为他们棘蛋白不同的点突变,而增加了对人类的感染率。而许多报导或文献为了称呼上的方便,会以发现的地点为突变株命名,像英国(U.K.)、巴西(BRA)、南非(S.A.)、或加州(CAL.20C)。这些突变株,彼此都有演化的亲缘关系。

即使是在疫情的高峰期,英国都不曾放弃提供最新的序列资讯,至今累计了 48 万笔定序资料。这样的决心不只令人钦佩,也对全球的疫调产生深远的影响。

去年九月英国发现在肯特 (Kent)地区有特别高的群聚感染,正因有系统性的常规定序,英国才能即时侦测到 B1.1.7 这个突变株,在十二月中就能即时发布警报,让各国提高警觉。这个突变株在短时间就横扫全球,并取代了多数的变异株成为主流,目前许多国家高达近九成的病毒都和 B1.1.7 变异株有关,也是造成目前台湾疫情的主要变异株。

▲英国因有做病毒定序,才能及早侦测英国变种病毒。(图/路透)

而现今世界最担心的,是从去年十月开始在印度被发现的另一个变易株 B1.617,目前已经在44个国家被发现,也被归类于需要高度担忧的变易株(variant of concern),目前印度的疫情就是由 B1.617 这个变异株所造成的。

跟 B1.1.7 相比, B1.617 的传染力更强,传染力大约高过50%。而英国的真实世界证据显示,Pfizer/BNT 以及 AZ 的疫苗在完成 2 剂的注射之后,对于 B1.1.7 的保护效力各是 93% 以及 66%, 对于 B1.617 的保护效力,分别是 88% 以及 60%,相较于B1.1.7,这两种疫苗对于 B1.617 变易株的效力,并没有巨大差异 [5]。

▲ 印度变种病毒在44国流传。(图/路透)

结语

B1.1.7 的感染率和致死率,都比原先的 WIV04 来的强。原来的 WIV04 早就不再流行,这是新的也是更可怕的变异株。所有人不应该再用 2020 年的思惟,来面对 2021 年 B1.1.7 造成的新挑战。2021年还有着另一个更棘手的 B1.617 变异株,防疫的策略必须更加谨慎。

日前在新加坡樟宜机场的群聚事件中,已经发现 19 个员工已经打了 Pfizer/BNT 或 Moderna 疫苗,仍得到 B1.617 突变株的 例子,但有幸的是,这些已接种疫苗的感染者都是轻症,不需要进入重症加护病房。

B1.617 的特点之一是对于儿童有高传染力,因此目前担心的是,活动力高的儿童变成此变异株的无症状感染者,而成为新的防疫破口。也因此,目前的疫苗临床试验已经扩展到青少年以及儿童族群,Pfizer/BNT 的疫苗已经被美国 FDA 核准用在12岁以上的青少年,12岁以下儿童的适应症也将是指日可待。

这告诉我们,系统性地对病毒序列做社区监测、快速取得有实证效果的疫苗与大规模施打,对于控制疫情以及保存医疗量能有多么重要。

▲ 印度变种病毒对儿童有高传染力,学者担忧活动力高的儿童变成新的防疫破口。(图/达志影像/美联社)

台湾的特别之处,是在先前没有太多新冠病毒的案例下,成为全球第一个由强势病毒 B1.1.7 登陆的国家。病毒遇到强大的人为干预,是否有机会筛选出更强大的突变,未来其实不无可能。

另外,B1.617 变异株已从境外移入的案例中在台湾被发现,在台湾同时要对于这一波 B1.1.7 疫情减灾的时候,也要同时防堵 B1.617趁虚而入,对于边境管控的压力以及社区疫情的扑灭, 都带来绝大的压力。

因此,有系统性地做病毒基因定序,将会在防疫上帮助台湾了解:(1)现在面对是什么病毒株流行;(2)感染的源头是否专一,或者是多个;(3)是否产生了本土的新变异株;(4)不同的变异株感染不同的族群(例如儿童)、感染率、重症率和死亡率有何不同;(5)不同的疫苗在台湾人身上,对不同病毒株的保护力有无不同。

但台湾的挑战是,目前病毒基因定序的量能无法快速扩充,过去一年几个核心实验室背负着服务与研究的双头使命,在资源有限的状况下,已经为台湾贡献了先期的定序成果。

但在社区疫情爆发的此时,在量能以及资源配置上,已无法再承担即时提供社区监测与疫调的公卫任务。这对于台湾目前的防疫战来说,等同于暴露在不知敌人是谁身在何处的险境。

▲ 若台湾不做病毒定序,等于暴露在不知道敌人是谁的风险中。(图/记者李毓康摄)

我们建议,台湾政府应该借镜于英国的经验,加强快速分析病毒基因序列的量能。在一些核心实验室继续采用标准方式分离出病毒粒子之后再送定序的作法之外,同时扩充其他实验室直接就抽取出来的病毒 RNA 做定序,双轨进行对于新冠病毒试剂药物测试研究,以及疫情即时社区监控以及疫调。

中央此时应号召台湾的各大基因体定序核心,共同投入这场防疫战的病毒情报搜集工作,这将会让台湾能随时侦测新的病毒株的出现(境外移入或本土产生),如此才能在未来做决策时(比方说采购疫苗的选择,以及施打疫苗之后的监测),对不断变动的疫情做出即时的反应。

这些重要而且攸关全球千万人命的资讯,若没有确定的病毒序列这个必要的工具,将会在真相的厘清和决策的过程,浪费许多时间而并且引起不必要的猜想。台湾,也无法自处于外。

科学防疫最需要的就是即时的真相,口头疫调有时会隐瞒,但序列不会。要打赢这场防疫战,台湾需要抛弃行政防疫至上的迷思,全面拥抱科学防疫新思维。

参考资料

[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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