新冠肺炎檢測方法介紹—病毒核酸、抗原快篩和血清抗體檢測

新冠病毒與人體的互動
新冠病毒是冠狀病毒的一種,表面上有一根根突起、像皇冠一般的棘蛋白(spike protein)。病毒經由飛沫或接觸到達人體後,會利用棘蛋白上一個稱作「受體結合區(receptor binding domain)」的構造,抓住人體細胞表面的ACE2受體。棘蛋白與ACE2受體結合後,病毒就可以進入細胞。

病毒感染人體細胞後,將人體內的細胞當作工廠,大量製造自己的核酸基因與蛋白,之後組裝成完整的病毒顆粒。人體細胞被裂解後,大量的病毒顆粒就會被釋放出來,感染下一個人體細胞。

(圖片來源:國立成功大學醫學院附設醫院小兒部杜伊芳醫師繪圖)

巡邏中的免疫細胞發現外來的病毒抗原後,便會啟動一系列的免疫反應。B細胞在遇到抗原後1至2個星期,就會產生可以與這些外來抗原結合的專一性抗體,這些抗體也會進入血液中循環。有些抗體專門對抗病毒內部的核殼蛋白(nucleocapsid),有些抗體專門對抗病毒表面的棘蛋白。雖然抗體可以與病毒結合,但並不是所有的抗體都可以阻止病毒感染人體細胞。如果抗體無法阻止病毒感染人體細胞,這些抗體就不是保護性抗體;如果抗體可以藉由黏附住病毒、中和掉病毒感染人體細胞的能力,這類的抗體就稱為「中和抗體(neutralizing antibody)」。中和抗體是人體對抗新冠病毒的重要武器。科學家認為,病毒棘蛋白上的「受體結合區」是中和抗體最主要針對的目標。如果病毒棘蛋白上的「受體結合區」黏附了許多抗體,就無法與人體細胞的ACE2受體結合,也就無法造成感染。

另一方面,部分的B細胞會轉化為記憶細胞,記住外來抗原的形狀,下次若遇到相同的抗原,就可以馬上製造大量相同的抗體。新冠疫苗的原理,就是讓人體免疫系統在遭遇真正的新冠病毒前,就先以疫苗中的棘蛋白抗原作為練兵假想敵,預先產生記憶細胞,一旦真正遇到新冠病毒時,就能很快動員免疫兵團、產生保護性的中和抗體、包圍病毒,阻斷進一步的感染。

如何得知是否被感染?
瞭解了病毒與人體的互動,就可以研發診斷試劑,尋找人體是否有被病毒感染的證據。在急性感染期,病毒大量複製核酸、製造蛋白抗原,因此我們可以檢測呼吸道檢體是否存在病毒核酸或病毒蛋白抗原;在此期間,病毒也保有複製的能力,因此我們也可以利用體外細胞培養皿,培養活病毒。不過,因為新冠病毒具高度危險性,需要在高安全等級的第3級實驗室操作,所以「病毒培養」並不是診斷新冠肺炎的常規檢測方法。在發病幾天後,我們也可以檢驗血清中是否存在可以與新冠病毒抗原結合的專一性抗體。最後,如果要評估感染新冠肺炎或接種疫苗後是否產生了保護性中和抗體,就要以血清中和抗體試驗判斷。

新冠病毒核酸檢測、抗原快篩與血清抗體檢測方法
首先介紹病毒核酸檢測法;病毒PCR核酸檢測是診斷新冠肺炎的標準方法,精確度與敏感度極高。PCR的原理是利用可以辨識病毒特定基因的專一性引子,捉住檢體中的病毒核酸序列,接著經過多次的DNA複製循環,將PCR引子捕捉到的目標基因不斷地放大。病毒內部的核殼蛋白與RNA聚合酶基因都是PCR檢測常用的目標基因。每經過一個DNA複製循環,DNA的量會倍增為二倍。當複製出的DNA量達到儀器可偵測的檢驗閥值時,當時的PCR循環次數就叫做「循環閾值」(英文稱為Cycle of Threshold,簡稱就是我們常聽到的Ct值)。換句話說,每放大DNA二倍,就是一個Ct值;Ct值20代表檢體中的病毒基因需要經過20次的DNA放大循環才能被偵測到。因此,Ct值與原始檢體所含的病毒量成反比。Ct值越小,表示只要幾個循環就可以偵測到病毒核酸,代表患者體內的病毒量是高的,傳染力也比較高;Ct值越大,表示需要更多的循環才能偵測到病毒核酸,代表病毒量是低的,傳染力也比較低。在新冠肺炎感染早期,病毒量較低,隨著病毒積極複製,病毒量逐漸上升,這時的Ct值通常會落在十幾或二十出頭,傳染力較強;幾天後抗體出現,病毒量逐漸下降,疾病也逐漸緩解。這裡特別要提出的是,PCR除了可以偵測活病毒,PCR也抓得到病毒死後殘留的核酸片段。不過,只有活病毒才有傳染力,死病毒並沒有複製能力,因此沒有傳染力。疾病管制署分析國內的資料發現,可培養出活病毒的檢體大部分都是來自個案發病後十天內所取得的檢體;另外,Ct值在27、28以上幾乎無法分離出活病毒,傳染力已大幅降低。因此,台灣疫情指揮中心將檢測Ct值大於30,作為確診患者解除隔離的條件之一。

抗原檢測
新冠病毒抗原快篩原理與常用的流感快篩試劑相同。檢體中若含有新冠病毒的核殼蛋白或棘蛋白抗原,就會被試劑中的專一性抗體捕捉,呈現陽性反應。抗原快篩操作方便,過程通常只需要十幾分鐘,因此常用在疫情流行區的大量篩檢,有助於快速找出潛在的感染者。不過抗原快篩的缺點是無法放大病毒蛋白抗原的訊號,檢驗敏感度比病毒PCR核酸檢測法稍微低一些。在感染初期,可能因為病毒蛋白抗原量仍偏低而產生偽陰性的結果。此外,如果快篩試劑專一性不高,也有可能與非新冠病毒的其它蛋白交互反應而出現偽陽性的結果。因此若遇快篩結果為陽性,或是高度懷疑新冠肺炎但抗原快篩為陰性者,都需要進一步以病毒PCR核酸檢測法確認檢驗結果。

血清抗體檢測
血清抗體檢測主要偵測的是血清中是否存在可以與試劑中合成的新冠病毒核殼蛋白或棘蛋白專一性結合的IgM與IgG抗體。不過,血清抗體通常在感染後1至2個星期才會出現,因此不適合作為剛發病時的診斷工具。IgM是人體接觸病毒抗原時最早出現的抗體,IgG通常會晚幾天出現。IgM與IgG二者都可維持一段時間,不過IgM會消失的比較快,IgG維持的時間則比較久。所以如果抗體檢測結果只出現IgM陽性,但IgG為陰性,表示患者正處在感染初期;如果IgM與IgG都為陽性,表示在感染中期;如果只出現IgG陽性,但IgM為陰性,表示在感染的後期,或是已經感染一段時間了。所以我們可以依據血清抗體的檢測結果,判斷個案是否曾經感染或是多久前感染,是疫情調查、追溯感染源的有利工具。

不過要注意的是,這些以合成的病毒抗原捕捉到的血清抗體,不一定是保護性抗體。如果要瞭解感染新冠肺炎或施打疫苗後是否產生了保護性抗體,就需要進行「血清中和抗體試驗」。傳統的「血清中和抗體試驗」是將個案血清與新冠病毒二者混合,之後將血清與病毒的混合液加入細胞培養皿與細胞共同培養,觀察個案血清是否可以中和掉病毒感染細胞的能力。如果細胞存活,代表血清已經產生具有保護力的中和抗體;相反的,如果細胞死亡,代表血清並未產生中和抗體。不過血清中和抗體試驗需要用到活的新冠病毒,因此要在第3級實驗室操作,執行上有相當的困難度。因此,科學家想出了用危險性低的「假病毒」取代真病毒的替代方法。「假病毒」的做法是將危險性低的水泡性口炎病毒或慢病毒的表面蛋白置換成新冠病毒的棘蛋白,形成表面是新冠病毒棘蛋白,但本體是低風險的「假病毒(pseudovirus)」。假病毒危險性比較低,因此可以在一般的第2級實驗室操作,加快中和抗體試驗的速度。假病毒血清中和抗體試驗,也是目前常用來評估接種疫苗後是否產生保護性中和抗體的實驗室方法。不過,疫苗保護力的評估,最後還是要回歸到真實世界所觀察到的保護力數據。

總結

  1. 病毒PCR核酸檢測是新冠肺炎急性感染期的標準診斷方法。Ct值越低,代表病毒量越高,傳染力也越高;Ct值越高,代表病毒量越低,傳染力也越低。
  2. 病毒抗原快篩檢測快速、方便操作,不過要小心偽陰性與偽陽性的可能。
  3. 血清抗體檢測可作為發病幾天後的輔助診斷方法,或是用來追溯感染源。
  4. 血清中和抗體試驗是常用來評估新冠肺炎感染或施打疫苗後是否產生保護性中和抗體的實驗室方法。

文:感染症與疫苗研究所吳綺容副研究員級主治醫師;圖:國立成功大學醫學院附設醫院小兒部杜伊芳醫師

 

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