次世代定序用於檢測 COVID-19 病毒及防止擴散

新型冠狀病毒 SARS-CoV-2 已引起全球大範圍傳播和持續大流行。當前用於 COVID-19 診斷的測試方法包括抗原快篩、PCR 核酸檢測及次世代定序(Next-Generation Sequencing, NGS),因 COVID-19 病毒的快速變異,NGS 在許多方面發揮著極重要的作用。NGS 可用於探索病毒來源、偵測變種病毒及預測其演化趨勢以阻止大規模傳播,有潛力進一步用於 COVID-19 的新診斷方法和新治療靶點的開發。NGS 的廣泛應用將提供強而有力的支持,以應對未來的突發公共衛生事件。

撰文|陳淵銓

 

來源:MotionElements

 

● COVID-19 病毒檢測的主要方法

目前檢測 COVID-19 病毒感染的方法可分為以下三大類(表一)。

1. 抗原快篩(Rapid antigen screening)

抗原快篩試劑可在一般商店購買到,原理是藉由設計過的專一性抗體與病毒標的蛋白質進行專一性配對結合,優點是取得結果快速(約 20~30 分鐘)、效率高及費用便宜,適用於大量篩檢,可快速篩選出帶原者;缺點是精準度較低,容易出現偽陰性、偽陽性等狀況,可信度僅約 70% 。因此,通常需搭配 PCR 核酸檢測作進一步的確認。

2. 聚合酶連鎖反應核酸檢測(Polymerase Chain Reaction nucleic acid test)

PCR 核酸檢測是目前全世界診斷 COVID-19 最標準的方式,必須由專業人員使用精密的儀器及設備在專門的實驗室內進行,利用專一性的核酸序列作為引子(primer),進行 PCR 以檢測檢體中是否含有病毒的核酸片段,可推算病毒含量(viral load),並以病毒含量作為偵測感染程度的根據,檢測時間約需 4 小時,可信度可達 95% 以上,精確度與敏感性均遠高於抗原快篩。

3. 次世代定序(NGS)

NGS 有別於 PCR 核酸檢測利用病毒的核酸片段,而是檢測病毒的特定基因來偵測有無感染,並進行基因解碼,可分析病毒的所有基因序列,所以具有偵測病毒突變種及追蹤傳播鏈的能力,分析時間較久(約需數天)。優點是不僅可以準確辨認感染者體內的病毒種類,還可藉由大規模比對變種病毒的特性,用於預測病毒的演化趨勢,因而能在新的變種病毒出現之前,便先作好預防的工作。

 

表一:COVID-19 檢測技術的比較 (來源:陳淵銓)

 

● NGS 持續監測病毒演化,可阻止疫情持續延燒

COVID-19 病毒的單股 RNA 由大約 30,000 個核苷酸組成,含有感染、複製及傳播相關的基因密碼,當 RNA 核酸序列產生變化時,病毒的傳染性、檢測及對疫苗的反應都可能隨之改變。在變種病毒肆虐的情況下,PCR 的準確率雖然比較高,亦可用於大規模篩檢,但若要確認感染到何種變種病毒,就需要以基因定序來大規模解碼基因訊息。透過 NGS 技術大量分析病毒的 RNA 基因體序列,可以辨識病毒種類、掌握病毒演變模式、即時檢測傳播情形及確認與感染者間的關聯性。現在已有許多生物科技公司投入使用 NGS 技術監測變種病毒的開發,全球第一個 COVID-19 病毒基因體即是透過 Illumina 平台定序解碼,這項突破顯著推進 PCR 檢測與疫苗研發的速度,並在疫情爆發初期扮演追溯病毒來源、偵測變種病毒及公衛防治的關鍵角色。例如:Illumina 的 COVIDSeq™ Test在 2020 年獲得美國 FDA 的緊急使用授權(EUA),而成為全球第一個用於診斷 COVID-19 病毒的 NGS  檢測方法,可以靈敏地篩檢病毒且精準地辨識變異株,並適用於大規模的基因定序與分析。

來源:MotionElements

 

● 凝聚全球力量,共同防治新冠病毒

以香港為例,港府雖在過去兩年有效控制住  COVID-19 疫情,但自今年(2022)初以來,因傳染性極強的變種病毒 Omicron 自境外移入而導致疫情大爆發,更在近日創下單日確診數 5.5 萬例及死亡率全球最高的紀錄。為控制疫情,香港政府實施了嚴格的防疫措施和疫苗通關制度,敦促更多港人接種疫苗。此外,香港政府計畫透過建立 500 個篩檢中心,對境內人民實施三次的大規模 PCR 核酸檢測。在全民普篩開始之前,香港政府亦曾發放上百萬套抗原快篩試劑給港人,希望透過大規模的篩檢,迅速區分出感染者進行隔離,以達切斷傳播鏈的效果。然而,這些防疫措施是否對於傳染性極強且極難防治的變種病毒有效,仍待進一步進行成效評估才能確認。

面對 COVID-19 變種病毒的肆虐,基於科學證據追溯病毒來源、偵測變種病毒及預測其演化趨勢來制定防治對策已成當務之急。因此,越來越多國家根據病毒基因體學訊息來訂定公共衛生政策,病毒基因定序的需求也更加強烈。NGS 是目前使用最廣泛的 COVID-19 病毒檢測方法之一,與其他檢測方法相較,特點在於利用基因定序資料可以搜尋群聚感染的源頭與關聯,並提前辨識新的病毒變異株及其演變趨勢。面對仍持續進行的防疫作戰,在後疫情時代若能凝聚將公有及私有的力量,聯合全球公共衛生系統共同抗疫,方能幫助人類應對未來的威脅,早日消除 COVID-19 疫情造成的衝擊。

 

參考資料:

1. First NGS-based COVID-19 diagnostic. Nat Biotechnol. 2020 Jul;38(7):777. doi: 10.1038/s41587-020-0608-y.

2. John G, Sahajpal NS, Mondal AK, Ananth S, Williams C, Chaubey A, Rojiani AM, Kolhe R. Next-Generation Sequencing (NGS) in COVID-19: A Tool for SARS-CoV-2 Diagnosis, Monitoring New Strains and Phylodynamic Modeling in Molecular Epidemiology. Curr Issues Mol Biol. 2021 Jul 30;43(2):845-867. doi: 10.3390/cimb43020061.

3. Chen X, Kang Y, Luo J, Pang K, Xu X, Wu J, Li X, Jin S. Next-Generation Sequencing Reveals the Progression of COVID-19. 2021. Front Cell Infect Microbiol. 2021 Mar 11;11:632490. doi: 10.3389/fcimb.2021.632490. 

 

 

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