2024/12/17 病毒變異株突變檢測技術-以SARS-CoV-2為例
近期COVID-19的情況已經緩解，雖然病毒仍然存在，但其傳播速度和影響力已大幅減少。隨著疫苗接種率的提高和公共衛生措施的持續推行，許多地區的疫情已經得到有效控制。SARS-CoV-2病毒的變異株擁有與原始病毒株不同的基因組突變，這些變異可能會影響病毒的傳播性、致病性以及對現有疫苗和治療方法的敏感性。本文將回顧疫情爆發時經典變異株的特徵、導致突變的原因及檢測變異株的方式。
關於SARS-CoV-2變異株：
美國疾病控制和預防中心(Centers for Disease Control, CDC)對SARS-CoV-2變異株進行了系統分類，分為高度嚴重的 (Variant of High Consequence, VOHC)、引起關注的(Variant of Concern, VOC)和感興趣的(Variant of Interest, VOI)三個類別。疫情爆發時期流行的CoV-2變異株包含英國(Alpha;B.1.1.7)、南非(Beta;B.1.351)、巴西(Gamma; P.1)和印度(Delta; B.1.617.2)的四個主要變異株皆屬於引起關注的變異株，這些SARS-CoV-2變異株具有高度引人關注的突變(圖一，表一)。
(圖一, 四大引起關注的變異株變異位置)
變異株的影響與Spike蛋白：
引起關注的變異株對疫苗的敏感性降低，抗體的中和能力減弱，傳播性增加，並伴隨疾病嚴重程度的增加。其中，德爾塔(Delta; B.1.617.2)變異株在當時引起全球快速傳播，讓大家對COVID-19抗措施的擔憂，包含疫苗、治療和診斷的影響(表一)。
針對SARS-CoV-2病毒的變異株研究變得至關重要。首代疫苗和治療方法是從2020年1月的武漢原始刺突蛋白(Wild Type Spike Protein, WT Spike) 蛋白序列開發的，而不同變異株的出現引發了對其影響的相關研究。
SARS-CoV-2病毒的突變主要集中在其Spike蛋白上，這是病毒進入宿主細胞的關鍵結構。阿爾法、貝塔、伽瑪和德爾塔變異株中常見的Spike突變獨立出現，表示這些變異可能具有進化優勢。突變位置包含N501Y、E484K、L452R等，這些突變影響了Spike蛋白的結構和功能，進而影響了病毒的感染性、傳播性以及對抗體的中和作用。其中，E484K突變被視為對抗體逃避具有特殊挑戰性的突變，且具有高度傳播性。
另外，Spike蛋白的受體結合區域(Receptor Binding Domain, RBD)在病毒進入細胞的過程中發揮關鍵作用。四個主要變異株，阿爾法、貝塔、伽瑪和德爾塔，皆展現出Spike突變，讓它們在病毒進化中占據優勢。這些變異影響疫苗效力、疾病進展、治療反應和傳播能力。
四種經典變異株的傳播力與介紹:
Spike RBD變異株在疫苗和治療中的應用面臨挑戰，因為這些區域已被用於對抗病毒抗體的產生。受體結合區域-血管加壓素轉換酶2(Receptor Binding Domain-Angiotensin Converting Enzyme 2, RBD-ACE2)結合界面是感染必須區域，且其小尺寸容易導致免疫逃逸。四個引起關注的變異株在這一區域均有突變，其中德爾塔變異株在美國引起的新冠病例中占比達86%。另外，引發首例COVID-19的變異株已無法被檢測到。
貝塔變異株的傳播能力未受影響，但其對抗體中和的減弱使疫苗效力降至57%。N501Y RBD突變最初在阿爾法變異株中被發現，後來也出現在貝塔和伽瑪變異株中，增加了RBD對ACE2的結合親和力，使病毒傳播增加。這種變異降低了一些抗體治療的效力，並推動了對抗體混合療法的研究。
以下為四種變異株的簡介:
阿爾法變異株 (B.1.1.7，英國變種)：
主要特徵： 包含N501Y、P681H、69-70del等多個突變，其中N501Y增加了病毒的受體結合親和力。
影響： 提高傳播性，部分影響疫苗效力。
貝塔變異株 (B.1.351，南非變種)：
主要特徵： 包含N501Y、E484K、K417N等多個突變，其中E484K減弱了病毒對抗體的中和作用。
影響： 降低部分疫苗效力，具有免疫逃逸的特徵。
伽瑪變異株 (P.1，巴西變種)：
主要特徵： 包含N501Y、E484K等突變，具有高度傳播性。
影響： 減弱對抗體的中和作用，增加傳播性。
德爾塔變異株 (B.1.617.2，印度變種)：
主要特徵： 包含L452R、E484Q等突變，增加病毒的傳播性和感染性。
影響： 降低疫苗效力，可能導致較嚴重的臨床病程。
多個SARS-CoV-2變異株的出現促使第二和第三代疫苗開發，這些疫苗不與RBD-ACE2交互作用，而先前感染過COVID-19的個體可能對新變異株產生更強的免疫反應。然而，隨著更多變異株的出現，評估它們的單獨和聯合效應非常重要。這一全球性挑戰需要不斷的研究和創新，以應對病毒不斷變異的本質。
檢測突變相關技術:
病毒基因檢測技術-基因序列變異檢測是了解變異株的第一步驟。即使有新型病毒開始流行，依然可以透過檢測技術了解變異，並進行相關研發及防範等。而最常使用的技術包含聚合酶鏈鎖反應 ( Polymerase Chain Reaction, PCR)和即時定量聚合酶鏈鎖反應 (qPCR)等。通過擴增和檢測病毒RNA的特定區域，快速確認樣本中是否存在特定變異病毒，也是最常使用的方式。
此外，以下還有一些常見的檢測方法
次世代基因測序技術(Next-Generation Sequencing, NGS)-次世代基因測序技術在變異株的檢測中非常重要。NGS可以同時檢測數百到數十億的基因區域，提供更全面的基因訊息，並檢測基因中微小變異。這種高通量的方法有助於了解變異株中的特殊基因變異，對科學研究與公共衛生監測非常有幫助。
免疫檢測-常用檢測方法包括酵素免疫吸附法(Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, ELISA)和利用生物感測技術 (Biosensing Technology)做免疫檢測。ELISA利用抗體與Spike蛋白結合，透過酵素產生的訊號來定量蛋白的存在。生物感測技術，如表面等離子共振 (Surface Plasmon Resonance, SPR)，通過Spike蛋白與特定受體的交互作用來檢測結合過程，並有靈敏的檢測結果。
檢測套組-RayBiotech提供了專為檢測Spike蛋白突變體的套組，有PCR，ELISA，Array等不同檢測套組。這些套組包含Spike變異分析套組，可用於篩選多種Spike RBD-ACE2抑制劑。不同的套組針對不同的變異株，提供了高度靈敏的分析與多種選擇。
面對病毒不斷變異的挑戰，全球社會需要共同努力，以不斷的研究和創新技術應對新興變異株可能帶來的風險。面對流行性且高變異病毒，持續監測和評估變異株的特徵，並根據新的科學發現調整防疫策略，是對抗病毒高度變異不可或缺的一部分。
(表一,四種變異株的分類和介紹)
Reference:
1. Wu, F., Zhao, S., Yu, B. et al. A new coronavirus associated with human respiratory disease in China. Nature 579,
2. Zhou et al., 2021, Cell 189, 2348–2361. April 29, 2021 https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.037Starr, T. N. et al. Cell 182,1295–1310 (2020).
3. Liu Y, Liu J, Plante KS, Plante JA, Xie X, Zhang X, Ku Z, An Z, Scharton D, Schindewolf C, Menachery VD, Shi PY, Weaver SC. The N501Y spike substitution enhances SARS-CoV-2 transmission. bioRxiv [Preprint]. 2021 Mar9:2021.03.08.434499. doi: 10.1101/2021.03.08.434499. PMID: 33758836; PMCID: PMC7986995.
4. Wang, R., Chen, J., Gao, K. et al. Analysis of SARS-CoV-2 mutations in the United States suggests presence of four substrains and novel variants. Commun Biol 4, 228 (2021). https://doi.org/10.1038/s42003-021-01754-6
5. Zhang et al. Science 30 Apr 2021: Vol. 372, pp. 525-530 DOI: 10.1126/science.abf2303).
6. Kai Wuet al. bioRxiv 2021.01.25.427948; doi: https://doi.org/10.1101/2021.01.25.427948
7. Gard Nelson et al. bioRxiv 2021.01.13.426558; doi: https://doi.org/10.1101/2021.01.13.426558 Rees-Spear, Chloe et al. Cell reports, Vol 134, issue 12, 23 March 2021.
