【物理好好玩 S1EP02】怎麼對付新冠病毒這個折磨人的小東西

文、聲音|張嘉泓 設計|林彥谷

撒辛博士是在2020年1月,讀到期刊上報導武漢出現新奇的疾病。他立刻就感覺,這正是mRNA疫苗能夠大顯身手的時刻,而且也可能拯救無數的生命,因為撒辛覺得,那時的科學家,對這個疾病的傳染性太過低估。

歡迎收聽「物理好好玩」,一起來發現和體驗,科學多麼有趣。而這樣的樂趣,不能只有科學家知道。

「物理好好玩」是由「鏡好聽」製作播出的節目,每個月的第一個週二早上上線,我是主持人張嘉泓。今天這集節目,我要和大家分享的是:〈怎麼對付新冠病毒這個折磨人的小東西〉。

2020年是痛苦又折磨的一年,但到了年底,似乎隧道盡頭開始出現了希望的亮光。十一月九日,美國的輝瑞藥廠Pfizer宣布在第三階段人體試驗中,他們的新冠肺炎疫苗達到95%的功效,當天股市道瓊指數立刻勁揚近一千點。到了十二月初,英國與美國已搶先緊急核准了這個疫苗。十二月九日,英國開始施打,第一位接種的基南女士說:「如果九十歲的我可以打,你一定也可以。」

比較沒有被注意到的是,輝瑞的疫苗是與傳統疫苗不同的一個科學突破,而且來自大家可能沒有聽過的德國小公司BioNTech。它已經有12年歷史,恐怕不能歸類為新創公司了。創辦人是一對夫妻擋:執行長Dr. Sahin撒辛博士及醫學長Dr. Tureci圖瑞奇博士,都是在二戰後大量移民到德國的土耳其人第二代,撒辛的父親是科隆福特車廠的工人,而圖瑞奇的父親則是醫生。兩人的成長歷程,以及學習興趣都非常接近,據說連位置都一直相距不超過150英哩。等到兩人相遇在薩爾的一家醫院,年紀稍長的撒辛是住院醫師,正好是圖瑞奇的上司。據說他們約會都是在討論創新的醫療技術,連結婚當天都挪出時間進實驗室工作。圖瑞奇笑著說:「我們發現彼此的領域互補,就結合了雙方的研究工作,順便我們兩個人也結合了。」

薩辛立刻就感覺,這正是mRNA疫苗能夠大顯身手的時刻

BioNTech專長的技術稱為mRNA疫苗,在1989年被提出後,因為某些技術上的難題,一直被主流所忽視。到了2005年後雖然技術有了突破,但還是不被看好,從沒有在人體疫苗中用過。在商業上幾乎沒有太多亮點,但BioNTech與Moderna等少數公司,卻在這個技術上默默耕耘了十幾年。一旦機會像閃電一樣出現,你卻得同時有經驗與膽識,才能抓住。撒辛是在一月,讀到期刊上報導武漢出現新奇的疾病。他立刻就感覺,這正是mRNA疫苗能夠大顯身手的時刻,而且也可能拯救無數的生命,因為撒辛覺得,那時的科學家,對這個疾病的傳染性太過低估了。幾個禮拜之後,BioNTech已經與輝瑞簽約,由輝瑞負責臨床測試,BioNTech提供技術。

到底這個新技術是怎麼一回事呢?讓我們從頭說起。

新冠肺炎這個疾病的正式名稱是COVID-19,就是CoronaVirus Disease 2019的縮寫。而造成新冠肺炎的,是一種冠狀病毒Coronavirus,稱為SARS-CoV-2。病毒本身並沒有生命,必須侵入並寄生於生物細胞才能繁衍,有人很生動地稱它為基因複製機器。冠狀病毒外型是很小的粒子,直徑只有100奈米,大約是頭髮寬度的千分之一,只能用電子顯微鏡才看得到。而人體細胞雖小,比起病毒來卻是將近100倍的龐然大物,可以說,病毒真的是以小搏大。

新冠病毒就是專攻呼吸細胞的

冠狀病毒的組成非常簡單,由一層脂類分子形成圓球膜,包圍病毒的核心,由核酸序列組成的RNA基因庫,而在膜上及RNA四周還有扮演關鍵角色的蛋白質,如此而已。在圓球膜上布滿了荊棘狀突出的蛋白質,稱為棘蛋白。所以病毒整個看來有點像皇冠,這就是它名字的由來。一般生物細胞的核酸基因庫是存於雙鏈的DNA,比較穩定,但冠狀病毒是以單鏈的RNA來儲存,就容易發生變異。RNA上的核酸序列記載的是病毒內蛋白質合成所需的資訊,新冠病毒的基因序列共有三萬個字母,這在病毒中算是多的。最近出現的病毒變種,指的就是序列中有幾個字母出現變異,例如讓大家害怕的英國變種,大約有20個左右的變異,這樣快速的變異速度,在病毒中是很不尋常的。病毒侵入細胞時,就是這條RNA進入了人體的細胞之中,再利用細胞內的資源進行複製,並大量繁衍新的病毒。所以,檢驗是否感染新冠肺炎的核酸檢驗,就是在人體呼吸細胞中,偵測並比對病毒RNA特有的核酸序列,以判斷是否感染。

病毒入侵的過程非常有趣,我覺得好像搶劫銀行的警匪片。首先微小的病毒進入人體的呼吸道內,這時病毒表面突起的棘蛋白,會試圖抓住人體細胞外的突出。這些突出稱為受體蛋白ACE2,原來是細胞與外界溝通的管道,ACE2特別是調控血壓的,現在卻成為入侵者的工具。特定的棘蛋白,會抓住特定的受體,猶如鑰匙與鎖的對應關係,而新冠病毒就是專攻呼吸細胞的。你可以想像當太空船要停靠於太空站時,連接的動作是整個過程中最困難的。病毒表面的棘蛋白一旦抓住細胞後,會收縮將兩者拉近,直到病毒的膜與細胞的膜開始彼此融接,這時兩者建立了互通的開放渠道,病毒的RNA就像太空人,可以堂而皇之地進入細胞之中了。

這些複製版的RNA還得包覆在完整的病毒中

接下來就可以進行自我複製了。已進入細胞的RNA,會利用細胞內原來儲存能量的粒腺體,根據自己的核酸序列,著手製造出像工具一般的非結構性蛋白質,大部分是聚合酶。聚合酶緊接著就開始如影印機,在細胞內大量複製病毒的RNA,當然這又是利用細胞的材料與能量來進行。

但這些複製版的RNA還得包覆在完整的病毒中,並逃離細胞,才算大功告成。這時,複製版的RNA,開始合成病毒的結構性蛋白質,於是棘蛋白就開始出現在細胞內原有的囊泡表面,而囊泡的膜正好是製作病毒膜的上好材料。接著複製版的RNA進入這些囊泡中,並擠壓它的脂類膜,像捏水餃一樣,捏出如病毒大小與形狀的小圓球。球膜的表面有棘蛋白,內部則有複製版的RNA,如此在大囊泡中,許多完整的小病毒就成形了。囊泡原來就是細胞的組成成分,因此在細胞內可以暢行無阻,而且直接能與細胞膜融接而通過。這有點像逃犯,挾持了員警,躲在監獄內的警車上,就可以自由通過監獄的大門。如此就打開一個通道讓新生成的大量病毒釋放到細胞之外。

當然,人的免疫系統也不是省油的燈,以上的逃獄情節,只要有一個環節被摧毀,整個計畫就破局了。這正是撒辛小時候醫學的啟蒙,他說:「人體的免疫系統讓我充滿驚奇,實在又美又複雜。」講到這裡,讀者可能竊笑,怎麼跟上一篇講的物理之簡單的美,正好相反呢?這且按下不表。

棘蛋白可以產生醣分子將自己包覆偽裝起來

被侵入的人體細胞,會發出干擾素求救。免疫系統的B細胞收到訊息,就會試著發出對應的微小抗體,包圍棘蛋白,使其無法再與細胞受體連接。它也可以動員血液中的T細胞,直接攻擊已受感染的人體細胞。這兩種免疫細胞都有記憶,一旦完成工作,會記得敵人的特徵,下次感染時就能發出對應的適當反應。這就是疫苗以無害的感染來教育免疫細胞,使人體取得免疫力的工作原理。在疫情早期,科學家就注意到許多患者的症狀輕微,而且都會痊癒,這使得科學家相信人的免疫系統是有辦法對付新冠病毒的。但T細胞的作用是摧毀充滿病毒的細胞,當太多細胞被殺害後,遺骸就會在肺部堆積,形成積痰,造成呼吸困難。這是患者最危急的時候,一般就需要裝上呼吸器。大部分新冠肺炎致死就是這個原因,如同許多人體的疾病,其實是免疫系統對侵入者的過度反制,導致患者死亡。

就像所有的警匪片,道高一尺,魔也必有對策,故事還有轉折。新冠病毒非常特別,它竟也有一系列的反制手段,來破壞免疫系統的工作。棘蛋白可以產生醣分子將自己包覆偽裝起來,避免抗體的附著與攻擊。更狠的,病毒的蛋白質會攔截信息,也就是「干擾」報信的干擾素形成,如此細胞失守的消息就根本不會走漏出去,免疫系統也就不會動員。這就是為什麼新冠病毒有這麼多的無症狀傳播者,感染後看來沒有症狀,因此毫無警覺,不久後就可以痊癒,只是損失一些細胞。但在過程中,病毒已經在呼吸系統中偷偷複製,而且大量傳播,這就是為什麼Covid-19很難控制的原因。

傳統的疫苗是把減毒的病毒,打入人體,如同一場彩排

控制疫情最有用的就是疫苗,這一次科學界投入了很大的動員來發展疫苗。傳統的疫苗是把減毒的病毒,打入人體,如同一場彩排,讓身體的免疫系統認識病毒,產生抗體。根據報導,大陸的疫苗就是採取這樣的策略,但病毒的培養是用雞蛋等生物方法,曠日費時。BioNTech與Moderna等公司則開發mRNA疫苗,把病毒的一小段基因(一般都是製作棘蛋白的那一段),以RNA單鏈,包在小脂類球之中,製成疫苗,打入人體。脂類球與細胞膜同質,很容易進入人體細胞。而細胞就用它製造出病毒蛋白質,例如棘蛋白的片段,並向外「呈現」為「抗原」來讓免疫系統產生反應,並形成記憶。如此當新冠病毒真的進入人體時,免疫系統已有記憶,就知道如何對付了。細心的聽眾一定會發現,這其實就是新冠病毒的RNA侵入細胞以自我複製,一樣的手法,所以mRNA疫苗,真可以說是以其人之道,還治其人之身。

在輝瑞宣布95%左右的疫苗功效後不久,Moderna公司也宣佈他們的mRNA疫苗也達到類似的效率,兩個疫苗都利用類似的技術,這麼高的功效出乎所有人的意料之外,例如流感疫苗一般的功效都只能達到60%左右。而兩個獨立發展的疫苗產生類似的結果,也使我們對這個技術更有信心。比較麻煩的是RNA相當不穩定,疫苗必須冷凍在很低的溫度,運輸上將來會是一個大麻煩。另外一種輸入方式也很聰明,牛津大學的團隊,把新冠病毒基因片段置入安全的腺病毒之DNA內,製成疫苗。注入人體後,一般會造成呼吸道感染的腺病毒自然地感染並侵入細胞,此時新冠病毒的基因片段就如木馬裡的軍隊,順勢就進入了人體細胞之內。這樣的方式比較穩定,所以就不需要極低溫的冷凍。只是這個疫苗似乎功效較低,原因好像還不清楚。mRNA疫苗技術有一個很大好處是,一旦病毒出現基因序列變異,科學家很容易地可以把這個變異,放進製作疫苗的RNA片段中,並重新生產,這個過程只要大約六個星期。

他們的故事體現了科學事業最好的一面

在疾病發現的十一個月內就製成有效的疫苗,這是從來沒有過的事,一般疫苗發展花個十年都不奇怪。而第一次以mRNA技術製成人體疫苗,就有90%的功效,令大家都感到意外,無疑地這是科學的一大進展,果然權威雜誌Science,就將新冠疫苗選為2020年科學的年度突破。

家裡沒有電視,也從不看社群媒體,名聲對撒辛夫婦來說真是身外之物,他們忙到根本沒有注意到英國已經開始施打他們的疫苗了,據說他們現在一心只想著投入發展癌症的個人化治療。這樣樸實而專注的精神,的確就是科學家典型的工作模式。英國金融時報把撒辛與圖瑞奇選為年度風雲人物,主編在文章中就寫道:他們的故事體現了科學事業最好的一面,充滿了智慧、持續的毅力、以及大膽的決斷。

當然,更要緊的是,在社會大眾的支持,與科學社群的合作努力下,終於,人類學會了,怎麼對付這個折磨人的小東西。

下一回的【物理好好玩】,我將和大家分享,科學家對黑洞的研究和了解:「當空間變成了時間——淺談神祕的黑洞」,歡迎繼續收聽。

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