《未來個人化精準醫療》:COVID-19是全世界規模最大的臨床實驗,人類細胞圖譜計畫讓疫苗得以迅速問世

《未來個人化精準醫療》:COVID-19是全世界規模最大的臨床實驗,人類細胞圖譜計畫讓疫苗得以迅速問世
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我們想讓你知道的是

這本書讓我們透過真實的、正在進行的個人化精準醫療新技術,展望人類未來對於健康、對於個人化醫療的真正定義,即使再罕見的疾病,都能針對「單一病患」提供最精準的治療方式,人類也能活得更長久。

文:詹姆士・坦伯頓(James Temperton)

二○一九年十二月三十一日,中國湖北省武漢市的武漢市衛生健康委員會宣布,該市出現二十七起肺炎案例,起因不明。唯一的線索是販售魚類與活體動物的武漢華南海鮮批發市場。市場於隔日關閉。病患出現各種症狀:發燒、乾咳、呼吸困難,第一批病患當中,有七位出現嚴重症狀。

二○二○年一月九日,確認一種新的冠狀病毒出現,後來命名為SARS-CoV-2,不僅是引發新冠肺炎的病毒,也是這二十七起肺炎案例的起因。一天之後,中國研究團隊完成SARS-CoV-2的基因組定序,並公開發表。一月十一日,一名六十一歲的男子成為死於這種神祕新疾病的第一人。中國當局當時表示,沒有人傳人的證據。二週過後的一月二十三日,整個武漢市連同超過一千一百萬人遭到封鎖。此時已有十七人死亡。

全世界為了對抗一個世代最嚴重的公衛危機,被一分為二。為了遏止新冠肺炎的擴散,幾十億人被迫封鎖,經濟與社會活動全面停擺。這種粗糙的疾病防治方法,可以追溯到十五世紀。當時義大利各城邦強制隔離染上瘟疫的人。在這幾百年間,科技的發展幾乎無法想像,但我們面臨最新爆發的疫情,卻再度啟用中世紀的辦法。

但在其他許多方面,全球對於新冠肺炎疫情的回應,也讓我們看到醫療短期的未來發展。人類細胞圖譜計畫的研究團隊,除了迅速完成新冠病毒的基因組定序之外,也揭露新冠病毒如何攻擊人體的一個個細胞。這兩者的結合,讓治療方法、圍堵策略,以及疫苗得以迅速問世。

阿維芙.瑞格夫是計算生物學家,也是人類細胞圖譜計畫的領導人之一,目前是瑞士製藥巨擘羅氏的生物科技部門的研究與早期發展主管。她說:「你問的第一個問題是:病毒接觸到宿主時會怎麼樣?然後要研究宿主感染病毒的情況。」全球發現新冠病毒僅僅幾週之後,瑞格夫與同僚運用人類細胞圖譜計畫蒐集來的資料,整理出可能感染新冠病毒的細胞清單。

要製作清單,必須參考兩種資料:未感染新冠肺炎病毒者的組織樣本資料,以及已感染新冠肺炎病毒者的組織樣本資料。「一開始是傳染的問題:哪些細胞會先感染?」瑞格夫說:「然後是發病的問題:病毒可能會鎖定身體的哪些部位?接著是流行病學的問題:年長者罹患重症的機率,為何高於年輕人與兒童?然後,一旦感染病毒,受到感染的是某些細胞:某些人的病程發展迅猛得出奇,是不是與這些細胞有關?我們用人類細胞圖譜計畫,一一回答這些問題,也得到不錯的答案。」

為了得到這些答案,研究團隊必須找出新冠病毒用以感染宿主的分子。新冠病毒會與受體分子結合。受體分子附著在人體許多種類的細胞表面,包括心臟、腸,以及肺部的細胞。這種受體分子叫做ACE2,能控制血壓、發炎,以及傷口癒合。但病毒要進入細胞,需要一種叫做輔蛋白酶的分子。人類細胞圖譜計畫顯示,輔蛋白酶有很多種,所以新冠病毒才會如此容易傳播。

瑞格夫與同僚研究未感染新冠肺炎者的二十五種不同的組織樣本。她說:「我們研究了他們的腸、肝、肺、鼻道、眼睛、心臟、胰臟、膀胱、睪丸、前列腺、腎臟、大腦、乳腺組織、血液與骨髓、扁桃腺、皮膚、脂肪組織、腹膜組織、骨骼、淋巴結,還有各種腫瘤與卵巢。」僅僅是第一次分析,他們就檢視了七百五十個樣本以及四百萬個細胞。

他們的研究證明,新冠病毒理論上可以寄宿在腸、肝、鼻道、氣道、眼睛、胰臟、膀胱、睪丸、前列腺、腎臟、大腦、胎盤的細胞內。「我們研究得出這些結果的時候,還沒有公開發布的新冠肺炎神經系統症狀,」瑞格夫說,「現在有了。」

瑞格夫的研究結果,一次又一次呼應第一線醫師在病危病患身上所看見的現象。她說:「我們從未以這樣的角度,檢視整個人體,深入每一個細胞,每一個組織。」她與團隊發現,肺臟、心臟等器官的細胞感染新冠病毒,可能與血管有關。醫院裡止血困難,或是有凝血問題的重症病患,也呼應了這項研究結果。這項研究也解開了年齡的謎團。

她說:「三歲以下嬰幼兒肺部的ACE2濃度,尤其在重症爆發的肺部深處,是低到幾乎不存在。年長者的ACE2濃度則是高得多。」所以兒童即使感染新冠肺炎,重症的機率也不高,因為病毒最有可能附著在鼻道與腸的細胞上,卻很難深入肺部深處。

瑞格夫與團隊完成第一階段的研究,接著檢視新冠肺炎病患的樣本,以追蹤病毒在人體內的進程。他們蒐集病患氣道內側的血液與組織樣本,最後也研究驗屍報告裡的血液與組織樣本。他們依據這些樣本,發表了史上第一份新冠肺炎重症患者人體組織的個別細胞分析報告。在這個階段,人類細胞圖譜計畫的資料才開始展現價值。

瑞格夫說:「我們真的看見受到感染的細胞。我們看得見細胞裡面的病毒核糖核酸(RNA),所以可以研究同一個人的兩個細胞,一個有病毒,另一個沒有病毒。我們可以將這兩個細胞拿來比較,就能了解病毒對細胞的影響。這對於想了解病毒感染的醫師與生物學家,還有想開發更好療法的製藥商都有益。」

理解新冠病毒對於個別細胞的影響,是理解哪些療法無效的關鍵。在新冠疫情爆發初期,有人提出以抗瘧疾藥物羥氯奎寧治療新冠肺炎。之所以有這樣的聲音,是因為研究顯示,羥氯奎寧能抑制一種會讓新冠病毒進入肺部細胞的酵素。問題出在哪裡?這項研究所用的細胞,是非洲綠猴的腎臟細胞。科學研究使用所謂的綠猴腎細胞是常有的事,但用來研究新冠病毒,卻會誤導研究人員與政策制訂者。

後來以人體細胞做實驗,才發現羥氯奎寧無法防止病毒進入人體。這條路根本行不通。這個結論還是花了大把時間與金錢,做了臨床實驗與研究得到的結果。僅僅是美國,就儲備了三千一百萬顆羥氯奎寧藥丸,作為治療新冠肺炎之用。結果全都沒用。

瑞格夫與團隊為人類細胞圖譜計畫整理的資料,在不遠的未來,能讓醫治新冠肺炎患者的醫師,做出更好的決策。醫師分析一份血液樣本,就能聚焦在特定的生物標記。「做過這種研究,就會知道我們應該以非常高的精確度來衡量特定基因的狀況。」醫師完成血液分析,就會知道兩位年齡相同、擁有相同風險特性,幾乎完全一樣的病患,一位會復元得非常快,另一位的病情則很快就會嚴重惡化。

瑞格夫說:「擁有高解析度資料,就能做到這些。即使遇到以臨床標準來說,非常類似的兩名病患,你也能更準確預測未來病情的走向。」製藥業也能詳細了解療法與疫苗要對付的對象,從個別細胞的角度,理解該如何指揮我們的免疫系統擊敗病毒。疫苗研發通常需要至少十年的時間。各廠牌的新冠肺炎疫苗,則是僅需不到一年就開始生產。

將這個過程擴大到新冠病毒之外,就不難看出個別細胞資料在未來的醫療體系,扮演的角色有多重要。瑞格夫說:「你的基因組是固定不變的,細胞卻是一直在改變。」即使是現在,我們就診可能都會採集唾液、尿液或血液樣本。單一細胞的資料,可以改變醫師從這些樣本中得到的資訊。

泰希曼說:「我們現在使用的技術,包括單一細胞基因組學,還有製作組織切片圖譜的空間法,在十年後,二十年後,將會用於診斷。所以以後醫生採集你的血液樣本,要做的並非血球計數,而是血液的單一細胞基因組研究。」例行的健康檢查,將成為蒐集大量應採取醫療行動的病患資料的機會,進而及早發現疾病徵兆,並依據個人需求,而非以群體為根據的推斷,規畫更適切的治療方式。

瑞格夫說:「我們的細胞不只蘊含我們的基因組的影響,也包括我們所經歷的一切的影響。從細胞可以看出我們目前經歷的一切,也許還能預測我們以後會發生的事情。在未來,細胞資料會變得跟我們的基因組資料一樣重要,在某些情況甚至更重要。」

新冠肺炎雖然重創全球醫療體系與經濟體,卻也為世人指出未來的道路,凸顯出我們迫切需要更為個人化的醫療。瑞格夫說:「我們看見人類與一項變數互動的變化程度。」新冠病毒在全球擴散的過程中,基因的變化微乎其微。但新冠病毒感染各年齡、各種族的人,也凸顯了人與人之間的差異,暴露出不分對象、一體通用的醫療方式的缺陷。

瑞格夫說:「這是全世界規模最大,也最悲哀的臨床實驗。但我們能運用疫情做的,就是竭盡全力改善現況,打造更好的未來。新冠肺炎在不同的人身上呈現截然不同的病程。我們必須了解原因,才能控制疫情。」

書籍介紹

本文摘錄自《未來個人化精準醫療:運用單一個人的健康數據和DNA,打造專屬的治療方式和藥物》,真文化出版

作者:詹姆士・坦伯頓(James Temperton)
譯者:龐元媛

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只有一個病患的極罕見疾病也能治療
本世紀末,人人都能活到100歲

目前的醫療,都以統計的平均值來預測、判定人體的健康參數,即使運用大數據,也無法精確掌握單一個人的健康狀況,因為每個人的基因不同,身體的變化、所需藥物的成份,就不可能一模一樣。而正在發展中的個人化精準醫療,將會是針對「單一病患」的治療。

本書以生動的真實故事,讓我們看到未來個人化精準醫療的樣貌:

  • 未來的精準醫療,可以幫助每個因基因出現問題的孩童,仔細找到出問題的基因序列,並針對它的缺陷,製造可以彌補生理化學反應的藥物。
  • 每個人因為基因不同,體溫、血糖、血壓等參數皆不同,未來精準醫療記錄了你個人最健康的生理數據,並隨時監測,而非等到病痛出現時才給予治療。
  • 人體不同部位不同器官,是由不同類型的細胞所組成的,全球醫療團隊正在完善的「人體細胞地圖」,可以了解各部位細胞的特性和病變反應,例如推測COVID-19形成的副作用,就應用到這項技術。
  • 大腦病變是最難研究的,因為活著的人不可能剖開其大腦,未來的精準醫療,可以應用病患的幹細胞,培養出其腦部特定部位的組織,觀察其中的病變並給予適當的治療。

這本書讓我們透過真實的、正在進行的個人化精準醫療新技術,展望人類未來對於健康、對於個人化醫療的真正定義,即使再罕見的疾病,都能針對「單一病患」提供最精準的治療方式,人類也能活得更長久。

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Photo Credit: 真文化出版

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責任編輯:翁世航
核稿編輯:王祖鵬