「疫開罐」讓病毒無所遁形

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撰文/彭梓涵(環球生技月刊記者)

工研院發表新冠病毒篩檢用的「核酸分子檢測系統」(簡稱「疫開罐」),可在感染初期的0至7天病毒濃度尚低時即可篩檢與確認,精準度高達90%,1小時即可檢測,有利於邊境管理,為防疫把關。
工研院發表新冠病毒篩檢用的「核酸分子檢測系統」(簡稱「疫開罐」),可在感染初期的0至7天病毒濃度尚低時即可篩檢與確認,精準度高達90%,1小時即可檢測,有利於邊境管理,為防疫把關。

快速準確的快篩檢測方法,是切斷傳染鏈、有效防疫的關鍵步驟。疫情爆發初期,各國競相發展病毒檢測工具,期能發揮分流、隔離的功能。工研院開發僅600公克的新冠病毒核酸檢測系統「疫開罐」,潛伏期即可驗出病毒,不僅方便攜帶,且準確率達90%,為防疫增添戰力。

因應新型冠狀病毒肺炎疫情,世界各國分別採取邊境管制及入境後檢疫措施,臺灣在3月20日將全球旅遊疫情升至第三級警告,提醒國人非必要的出國旅遊,同時開始強化邊境管理,進行回溯性擴大篩檢。

中央流行疫情指揮中心公布,國內共有34家指定檢驗機構,平均每日採檢約1,500件,最大量能可達3,800件。檢驗專家認為,以目前檢測量來說尚可應付現況,一旦疫情進入社區傳播階段,檢驗量至少翻倍,因此善用檢驗科技來提升防疫效率,至關重要。

根據美國醫學協會出版期刊《JAMA Internal Medicine》,研究臺灣新冠確診病例,發現傳染者與被傳染者症狀初次出現的時間間隔(Serial Interval)僅4到5天,顯示有提早偵測的必要性;加上流鼻水、鼻塞、有痰這些症狀,又很容易跟一般感冒混淆,若能在病症初期就篩檢出來,就能提早隔離,減少傳染機會,有鑑於此,工研院開發新冠病毒「核酸分子檢測系統」(簡稱「疫開罐」)。

分子檢測+快篩 疫開罐一次到位

工研院精準醫療指引診斷技術組副組長江佩馨表示,早在年初疫情爆發時,研發團隊便開始思索,是否能以2016年開發的「小型化分子診斷系統雛形」為基礎,應用在新冠病毒檢測上。沒想到剛過完年,工研院就接到國家防疫的研發重責,江佩馨立即整頓團隊,快速開發出新冠病毒核酸檢測定性系統「疫開罐」。

之所以命名為「疫開罐」,是因為這套手持式核酸分子快篩系統,體積只有一般易開罐大小,重量僅600克,與目前實驗室最常使用、重量約32公斤的即時聚合酶連鎖反應(Real-Time PCR)檢測儀,足足相差了57倍。

江佩馨解釋,臺灣因特殊氣候與生活習慣,常在特定季節爆發腸病毒、登革熱與流感等區域性傳染病,檢驗單位幾乎沒有淡季可言;加上國內檢測診斷設備往往設置於大醫院,快篩時間至少要30分鐘,準確度也僅約6至7成;而常規核酸檢測精準度雖可達9成,但從核酸萃取到上機需要等待4到6小時才能得到結果,使用上各有優缺點,如何在準確度與速度之間取得平衡,正是工研院技術可突破之處。

江佩馨團隊跳脫傳統大型設備加熱模組方式,改良反應管、萃取試劑、反應酵素、特殊熱對流循環,完成即時聚合酶鏈鎖反應所需套組,讓檢測效果更好;並將傳統檢測時間4到6小時,壓縮成前處理20分鐘、核酸試劑反應40分鐘,1次可檢測6個樣本,整趟流程只需1小時即可得知陽性、陰性結果,實現「分子檢測」加「快篩」的想法,這項創新技術也獲得第15屆國家新創獎的肯定。

兼顧快速與準確 宛如行動實驗室

此次新冠疫情爆發後,研發團隊即持續關注國際公布的新冠病毒序列變化,團隊找尋病毒變異最少、高度保守(Highly Conserved)的病毒基因序列,設計數十組引子(Primer),並委託美國、新加坡合作夥伴合成探針(Probe);在資料收集同時,團隊同步進行疫開罐專用的光學即時偵測模組開發,以及作為驗證的病毒核衣殼(Nucleocapsid)-N基因、病毒胞膜(Envelope)-E基因標準品設計,目前已完成模擬檢體測試,準確率達90%。

工研院生醫與醫材研究所所長林啟萬指出,「疫開罐」具備「四高」特色:高精準,精準度達90%以上;高靈敏,能在感染初期、病毒濃度尚低的0至7天內可揪出病毒;高輕巧,僅600公克的重量,方便前線醫護人員隨時帶著走檢測;高效率,檢驗時間僅1小時,是現行檢測時間的四分之一,可降低醫護人力物力負擔。未來可用於入境機場、港口、醫療院所等高風險特定族群聚集地,進行快速即時篩檢。

為加速量產,工研院已與產業界、政府單位、研究單位及醫療院所,包括與國防部國防醫學院預醫所及4家廠商合作,預計於6月底運用工研院GMP的場域,完成1萬套恆溫核酸擴增探針試劑套組,希望廠商加入後,7月底完成技轉、達到量產準備。

檢測技術差異。
檢測技術差異。
新冠病毒結構大解析。
新冠病毒結構大解析。

病毒三大檢測法

傳統的病毒檢測倚賴組織或細胞培養技術,不僅價格高昂且耗時費力,隨著技術進展,現今病毒檢測也發展至新的快速診斷技術,方法包括「病毒核酸」、「病毒抗原鑑定」及「血清特異性抗體」。這3種檢驗法各有其醫學意義及應用,在不同時機搭配使用,除可大幅減少檢驗費用並縮短隔離檢疫時間,也可作為作為住院確診病例出院指標,以及無症狀確診病例解除隔離指標。

1. 病毒核酸檢測法

這項檢測法是對病毒的核醣核酸(RNA)進行檢測。透過提取病毒RNA進行反轉錄(Reverse Transcriptase),得到病毒的DNA,再以專一性引子和特定螢光探針進行Real-time PCR,讓DNA在升溫、降溫過程中完成擴增反應中加入特定螢光探針,每個循環結束時,透過偵測螢光強弱,推算產物總量,可以最直接、準確證明病毒是否存在。此方法需搭配PCR儀器,平均耗時2至4小時。其檢測靈敏度雖高,但易受採檢技術影響,因此必須由檢驗室醫檢師操作,故所需檢測時間較長。

核酸檢測適合用於疫情剛爆發初期,可採取未有症狀、潛伏期與初期感染患者樣本檢體,包括上呼吸道,鼻拭子、咽拭子樣本;下呼吸道,痰液、呼吸道吸取物等;以及糞便樣本、血液樣本。

2. 病毒抗原檢測

即為大眾所熟悉的試紙檢測,大多是以抗原抗體特異性結合原理為基礎,例如新冠病毒表面帶有多種結構蛋白,不同蛋白有不同抗原決定位(Antigenic Epitope),可以透過抗原檢測法,間接證明樣品中是否含有新冠病毒。

目前常用的抗原檢測方法可分為免疫色層分析(Immunochromatographic Test;ICT)、酵素免疫分析法(Enzyme-Linked Immunosorbent Assay;ELISA)兩種方法,兩者的技術門檻皆是專一性單株抗體的篩選和量產。

免疫色層分析是專門針對病毒做迅速色層分析,不限制檢體採集方式,可在15分鐘內直接偵測,並定性檢體中病毒抗原的存在。此法可製作成快篩試片,採集檢體後立即偵測,使用簡單易判讀。國衛院、中研院開發的新冠快篩法即採此法。

而常見的酵素免疫分析作法,是將特異性抗體(一抗)覆蓋到96孔盤中,藉以捕捉檢體中相對應的抗原,然後加入第二個特異性抗體,目標抗原會被夾在2個特異性抗體中間,接著再使用酵素標記二抗與受質反應,反應後的顏色深淺程度直接反映檢體的病毒量。因為操作步驟較繁瑣,所需時間約1.5小時。

由於抗原檢測,靈敏度約6到7成,準確率不比核酸檢測高,僅能監測感染期,適用大規模感染時的初篩、病患分流上,檢測結果易受到採檢部位、採檢技術及病毒量影響。

3. 血清特異性抗體檢測

該檢測法為檢測患者血液中被病毒刺激產生的抗體。以身體免疫反應來說,感染病毒後通常會誘發人體產生針對病毒一種或多種抗原的免疫反應,此時特異性抗體效價升高,免疫球蛋白M(Immunoglobulin M;IgM)、免疫球蛋白G(Immunoglobulin G;IgG)抗體會陸續出現。

IgM抗體產生時間較早,人體一經感染便會快速產生,但維持時間短,消失速度較快,在血液中檢測陽性的話,可作為早期感染的指標。而IgG抗體產生時間較晚,維持時間長,消失的速度較慢,一旦在血液中檢測陽性,便可作為感染和曾感染的指標。

血清特異性抗體檢測無需特殊儀器,但目前靈敏度和特異性有限,僅能檢測發病後或是在發病恢復期間的病人,無法檢測潛伏期和感染初期,一般不能作為新冠肺炎確診和排除的唯一依據。