桑古巴（Willy Ssengooba）從10年前就在烏干達各地往來，訓練公衛人員使用一種新儀器檢測結核病。烏干達位於非洲東部，每年約有九萬人感染這種致命的疾病，傳統檢測方式是從患者的痰中培養細菌進行分析，需數個月才有結果。新儀器採用快速分子檢測方式只需花幾個小時，因此能夠馬上施予確診患者保住性命的療法。
桑古巴現任職於首都坎帕拉（Kampala）的馬凱雷雷大學健康科學院分枝桿菌研究小組科學主任，協助全國各地診所設置了265台儀器。藉由普及早期診斷，使肺結核相關死亡人數下降，特別是對於兒童與感染人類免疫不全病毒（HIV）的族群。桑古巴認為這項做法相當成功，希望能設置更多儀器，然而主政者卻難以體認醫療科技的力量。而後新冠疫情來了。
2020年3月21日，烏干達出現第一起病例，桑古巴就收到衛生署長官發來的訊息。顯然幾乎所有的新病例將會越過國界入境，桑古巴能篩檢每名入境烏干達的人嗎？全國都要靠他了！烏干達是內陸國家，桑古巴的團隊開始在國界上人們頻繁進出的關哨，給載貨的卡車司機進行鼻腔採檢。有時這些樣本每天多達千件，需送到將近300公里外的坎帕拉進行分析，那裡才有能進行聚合酶連鎖反應（PCR）的實驗室。藉由龐大的儀器把發出螢光的分子探針接到新冠病毒的遺傳序列上，找出樣本中是否有新冠病毒的遺傳物質。
桑古巴的團隊親自運送這些樣本，大約有50名工作人員蒐集樣本，放上小貨車載到實驗室，然後再返回蒐集另一批，許多時間花在熬夜趕路，令人筋疲力竭。隨著疫情加劇，工作人員無法負荷，等待檢測結果的卡車司機在邊境苦候數日，原因之一是在坎帕拉進行的PCR分析有時需72小時才有結果。排隊的卡車綿延數公里，上面有各式各樣貨物，包括家電產品、建築材料或汽車零件。更糟糕的是，烏干達政府已關閉了機場。
危機處理
烏干達政府用盡一切辦法解決邊境阻塞狀況。桑古巴想到全國各地有265台PCR機器，多年來用以診斷結核病，其中有些小型機器只要改變處裡樣本的卡匣，就能用來檢測新冠病毒。桑古巴把這些儀器搬到邊境關哨，調整一下基礎硬體設備（電力系統、安置工作檯的地點），讓這些儀器能運作。在坎帕拉的實驗室裡，多台大型儀器放在數間房間中，需由經驗豐富的技術員製備並處理樣本，但邊境的PCR儀器的型號為基因專家系統（GeneXpert），尺寸如同印表機，能自動操作，應用同樣的PCR技術，只需半小時就能得到結果。
2020年5月鄰近肯亞的烏干達小城馬拉巴啟動新冠病毒檢測系統，原需排隊數天才能進入烏干達的卡車司機，現在只須等半小時。接下來一個星期，另外兩個重要關哨也有了相同檢測設備。疫情最初幾個月，許多國家（包括一些富裕國家）都在全力地毯式搜索，以期找出所有病例，但是桑古巴知道公衛和經濟活動必須維持平衡。他在需要進行檢測的地點設定好基礎設備，避免疾病散播同時維持重要物資進口。蘇格蘭聖安德魯斯大學發展檢測技術的專家沙比提（Wilber Sabiiti）指出，桑古巴的創意讓烏干達有限的檢測資源改變用途，「影響深遠」。 多年來，桑古巴堅持不懈，推廣以PCR檢測結核病，最後努力似乎有了回報。他表示，這場新冠疫情顯示需更廣泛應用PCR檢測所有傳染病，特別是政治界也了解到這點，他們現在把更多經費投注於PCR檢測技術。桑古巴說：「新冠疫情爆發讓我們因禍得福，能夠建立大規模分子檢測設備。」
不只桑古巴這麼想。美國華盛頓大學醫學中心臨床病毒學實驗室的副主任格雷寧格（Alex Greninger）說，過去自己任職的單位每年通常進行5萬次PCR檢測，主要針對流感或愛滋病毒。而2020年就進行了400萬次，主要針對新冠病毒。和過去所不同的是，檢測結果馬上就會影響接下來的行動：陽性患者要居家隔離或移置醫院特定病區。進行這些行動前需大量檢測，格雷寧格說：「病毒學實驗室在最近22個月中進行的分子檢測量，相當於之前81年的份量。」他認為，就算新冠疫情消退，對於PCR檢測的高需求依然會持續。
他說現在大眾對於病毒警覺性更高，在新冠疫情期間，快速抗原檢測（快篩）已成為生活的一部份，未來檢測潛能會爆發出來，人們尋求PCR檢測做為確診依據。新冠疫情不只增加了疾病檢測的規模，也開啟了每個人對於疾病檢測的需求，同時也推動各方採用更先進的檢測技術。醫院開始購買更小型的PCR儀器，能夠放在醫師診間，樣本毋需送到位於他處的大型集中式實驗室，患者當下就能得到檢測結果，如有必要就馬上隔離，並施用適合的抗病毒藥物或抗生素。
世界各地研究PCR技術的企業和學術研究人員指出，他們的發明越來越受矚目，有可能發展出手持式PCR機器，不論在超市停車場或偏遠村落都可檢測。這些都不只是對病人有好處而已。去年底傳播速度超強的Omicron變異株出現後，大眾檢測量增加，為的是監控新冠疫情變化，以及評估醫療系統（和社會其他層面）的崩潰點。
大規模進行新冠病毒PCR檢測，也讓公衛監控系統開始茁壯，未來能同時監測可能會造成大流行的數十種病原體。耶魯大學公衛學院的生物統計學家湯森（Jeffrey Townsend）指出，PCR是監測疾病的絕佳工具，「有許多人認為未來需要更多PCR檢測。」
奇特的發現之旅
美國一家生物科技公司的化學家穆里斯（Kary Mullis）和同事研究合成遺傳片段；穆里斯在加州大學柏克萊分校取得博士學位，研究合成新化學成份時會服用迷幻藥麥角二乙胺（LSD）。1983年，他開車載著女友前往位於加州北部海邊的小屋，在路上女友睡著了，他想像分子在山路上舞動，就是此時想到了PCR的概念。他在路邊停車，把這個念頭寫下，10年後得到了諾貝爾化學獎。
基本上，PCR是一種複製遺傳序列的技術，現在有幾十種型式，最基礎的是穆里斯發展出來，使用少許DNA經由多次加熱與冷卻循環複製這段DNA。首先加熱DNA打開雙股螺旋成為兩個單股；接下來冷卻循環進入降溫階段，加入特製的引子連接到各股特定的目標序列上，之後稍微加溫樣本，酵素會從引子開始合成新的一股互補序列。這循環會不斷重複，直到合成出大量的目標DNA。
隨後加入特殊螢光染劑，標記出想要探知的複製短序列。應用這種方式，可偵測樣本中是否有病原體存在。舉例來說，患者血液中如果有病原體，PCR儀器 便能複製出大量病原體的遺傳序列，螢光染劑會很明亮，如果沒有病毒就一片黯淡。使用螢光染劑來標記，代表PCR儀器也能反應出人體中的病毒量。如果在複製循環中，螢光比較強而且較早出現，代表病毒量多。
PCR不只能偵測DNA，也能偵測遺傳物質RNA。這項技術打開了檢測大門，因為有許多病毒的遺傳物質是RNA，例如HIV。由於愛滋病蔓延全世界，醫生想知道患者體內有多少HIV，以及治療患者的抗病毒藥物是否能壓低病毒量。PCR終於為醫療人員解答。過去的PCR儀器需要受過專業訓練的技術人員來處理樣本，且需耗費半天以上才能得到結果。美國郵政系統改變了這個狀況，911恐怖攻擊事件後，需要快速檢查寄給美國國會議員和記者的信件是否夾帶致命的炭疽孢子。
這種狀況引發了技術競爭，贏家在2002年出現，是西菲義德（Cepheid）的GeneXpert原型機，這家檢測儀器研發公司1990年代末成立於加州矽谷。該原型機使用了試劑卡匣和開關管路，把試劑等液體經由小管路混合，以自動化方式進行過往耗費人工的樣本製備過程，讓結果於幾十分鐘就可獲得，而非耗時數小時。從那時起至今過了20多年，GeneXpert已能應用於檢測諾羅病毒（norovirus）、披衣菌（chlamydia）、結核桿菌和新冠病毒。西菲義德說，現在世界各地共有超過4萬台GeneXpert，2020年時為2萬3000台。（生物醫學巨擘羅氏大藥廠的診斷產品部門也有生產診所用的PCR儀器，大小和咖啡機差不多。）在醫生診間和烏干達邊境關哨等場所，越來越常見到這種小型儀器。
2020年9月，西菲義德得到了美國食品及藥物管理局（FDA）核准，GeneXpert能同時檢測A型流感、B型流感、新冠病毒，以及一種對於兒童特別危險的病原體：呼吸道融合性病毒（respiratory syncytial virus）。檢測結果出爐只需半小時，接下來醫生就能決定施予病患哪種抗病毒藥物，例如流感就給克流感，新冠病毒則給Paxlovid。
新冠疫情期間效率非常重要，因為是否隔離患者，取決於感染哪種病原體。
即時預警系統
大約10年前，科學家才建立了快速追蹤病毒爆發的全球監測系統，當時由個別實驗室檢測病原體， PCR這種分子檢測技術對各實驗室而言，不是太昂貴就是根本沒有。除此之外，針對特定病毒進行PCR檢測，科學家必須先取得能辨認出該病毒遺傳序列的特殊DNA探針，當時缺乏能輕鬆製造出這種探針的工具。
引進PCR有障礙，又缺乏能夠上傳資料的場所，使得追蹤病毒的監測工作總是無法穩定進行。2012年，美國加州公共衛生部收到數件報告，指出有一種類似小兒麻痺症的神秘疾病侵襲兒童。
這種疾病的症狀是四肢肌肉突然無力，有時導致說話不清，眼球難以轉動。病童體內沒有小兒麻痺病毒，有關單位也排除了包括西尼羅河病毒、中風和肉毒桿菌等可能元凶。造成感染的病原體是一種默默無聞的病毒：腸病毒D68（EV-D68），近10年前才確認出來，會造成急性無力脊髓炎（acute flaccid myelitis），雖然有些罹病兒童可能痊癒，不過也會造成永久性麻痺甚至死亡。大約在知道急性無力脊髓炎由腸病毒D68造成的同時，位於猶他州的生技火焰檢測技術公司（BioFire Diagnostics）開始提供泛用型PCR呼吸道檢測法，從患者的一個鼻腔採樣，就能檢測出17種病毒和3種細菌，該公司現在已成為全球檢驗巨擘「生物梅里埃」（bioMérieux）的一個部門。
這種呼吸道檢測系統並沒有專門檢驗腸病毒D68，但能檢測同科病毒。生技火焰檢測技術公司希望發展出及時發現 腸病毒D68流行爆發的方法，警戒醫生和公衛官員，避免患者傳染給他人。該公司和學術界合作夥伴發展出一種演算法並進行測試，期望從過往資料預測腸病毒D68的熱點。實際驗證出現於2018年，演算法警示夏天將會出現腸病毒D68爆發。根據演算法，俄亥俄州哥倫布市的全國兒童醫院將是最早收治這種患者的醫院之一。
研究團隊確認了演算法提出的警告是正確的，該醫院進行了腸病毒D68檢測，及早找出了病患，阻止了病毒的散播。
PCR技術的挑戰
有一個相關的監測平台利用生技火焰檢測技術公司的PCR檢測系統，蒐集美國和世界其他國家不同地區的呼吸道病毒資料，包括流感病毒、鼻病毒（現在也包括冠狀病毒），以及十幾種消化道病原體。這套監測系統並未採用以往繁重的資料蒐集程序，而是直接從連線的PCR儀器持續蒐集資料，用來監測疾病爆發，包括經由食物傳染的疾病。從許多方面來看，把PCR檢測儀器連接到更廣大的網絡，以找尋樣本中可能的病原體，或許是PCR檢測的未來發展方向。
對於生技火焰檢測技術公司的疾病監測平台，格雷寧格說：「它的儀器會自動回報資料，非常酷。」這樣組建出的廣大網絡，可協助找出預期外發生疾病爆發的地點，新冠疫情的流行更凸顯出檢測病毒的重要性，包括找到無症狀感染者，阻止他們在不自覺的狀況下傳播病原體。
病毒感染有時對PCR是一項挑戰，因為PCR中的引子和探針都是專為某種特定病毒所設計，必須知道病毒的代表性序列，有時病毒的新變異株能逃過檢測，因為那段序列已演化成能逃脫檢測，研發檢測方式的科學家必須隨時更新引子和探針。羅氏大藥廠檢測部門臨床研發與醫療事務主任瓦沙馬奇解釋道：「如果你希望以PCR為基礎的檢測方式能精確而且全球適用， 就需非常了解全球各地人群中新冒出的病毒基因組。」
一旦科學家確認了新的病毒變異株，就可利用PCR檢測追蹤變異株的傳播狀況。Omicron變異株的出現顯示出追蹤變異株有多重要，從PCR檢測所得到的大筆資料，揭露出Omicron的散播有如野火燎原，比之前的Delta變異株快多了，有些國家因此開始更新防疫政策，推動更多追加劑疫苗接種。另外有些人認為要重新思考社交方式，並提高口罩的功效。
有些專家擔心，就算PCR檢測量能增加，這類監測系統的涵蓋範圍擴大，但醫療保險公司可能不願意支付無症狀感染者的檢測費用，或是猶豫是否要支付尚無醫療方式的病原體檢測項目，這些都會阻礙監測系統的發展。
比爾蓋茲夫婦基金會創新科技解決方案團隊主任瓦騰朵夫（Dan Wattendorf）說，針對大部份狀況，醫療保險公司會「以個人的利益為準，支付疫苗和診斷費用。但是對於找尋社區中傳染途徑所花的錢，並沒有支付計畫或是給予賠償或補貼。」 新冠疫情期間，由誰來支付檢測費，一直都是爭執點。美國政府規定醫療保險業者需支付新冠病毒PCR檢測費用，但是不論是否有保險補貼，患者看到那數千美元的帳單都會嚇一跳。
對於疾病檢測來說，PCR的功效十分強大，這點毫無疑問，但誰要支付檢測費用依然沒有定論。
周邊配備的改進
新冠疫情的流行使各處都需更多PCR檢測，這時也暴露出PCR技術依賴昂貴的酵素，檢測過程還會產生一次性塑膠用品。2020年春天，在烏干達邊哨成功設置快速運作的GeneXpert儀器後，很快就耗盡儀器所需的卡匣與試劑。在新冠疫情流行的頭幾個月，烏干達向西菲義德訂購了50萬個卡匣，但是公司只寄來3萬個。桑古巴回憶道，製造商說限制出口，不能把更多卡匣送出美國，「2020年一整年都無法取得更多卡匣。」 現代PCR儀器使用的塑膠碟上，通常有96~384個小凹槽用來裝盛樣本。英國LGC公司為了避免使用 試管與蓋子等昂貴的塑膠消耗品，以柔軟的膠帶取代塑膠碟。膠帶厚度只有0.3毫米，拉開來長40公尺，可容納10萬6368個凹槽。瓦騰朵夫說：「這台儀器一天可進行10萬~15萬次檢測，是目前儀器的10倍，成本只有1/10。」他補充道，比爾蓋茲基金會和LGC以及美國紐約州最大的醫療系統「北岸」（Northwell Health）結盟，嘗試以膠帶法檢測新冠病毒。
PCR檢測還有另一個瓶頸。范德比爾特大學生物醫學工程學家亞當斯（Nicholas Adams）說，在進行檢測前，「樣本要純化得非常乾淨。」設定好PCR儀器在特定溫度進行反應，樣本中的鹽份、蛋白質等物質，以及另外添加的防腐劑，都會讓結果出現誤差。去除雜質的過程並不簡單，亞當斯和同事哈瑟爾頓（Frederick Haselton）思考是否能夠省掉這一步。
他們的方法是在PCR檢測樣本中，加入目標遺傳序列的「鏡像」版本。天然DNA的旋轉方向是右旋，鏡像版本是左旋，也就是旋轉方向相反。加入特定份量的左旋DNA，亞當斯能夠追蹤出這種DNA的複製量，用來做為基準，調整並確認PCR儀器的運作正常，不需擔心有許多雜質。亞當斯說，左旋DNA能免除純化手續（佔了檢測費用的11%），便能節省可觀的人力和材料成本。
新冠疫情流行對於攜帶式PCR的需求也大增。阿夫雷奧生物技術（Alveo Technologies）設計出一種 持式分子檢測儀器，只需30分鐘就能得到結果。維斯比醫療公司（Visby Medical）設計了另一款手持式檢測儀器，原本應用於檢測性病，例如披衣菌和淋病菌（已取得美國FDA許可），現在新增了檢測新冠病毒的功能。阿納瓦希檢測公司（Anavasi Diagnostics）設計的平台AscencioDx在新冠疫情流行前，應用於檢測愛滋病毒和流感病毒，現在正試驗應用於快速檢測新冠病毒。去年11月，美國國家衛生研究院資助阿納瓦希檢測公司1490萬美元，支持這項創新計畫。
攜帶式願景
各國檢測技術研發人員持續改造PCR。德國太陽能亭工程公司（Solarkiosk Solutions）正研發一種靠太陽能運作的PCR機型，目標是在印尼蘇門答臘的偏遠地區也能進行檢測，當地許多居民缺乏電力與檢測。
學術研究團隊以及位於美國的猛獁象生物科學（Mammoth Biosciences）這類新創公司，結合了傳統PCR與CRISPR基因剪輯技術，提高檢測特定病原體基因的效率。在烏干達邊界的關哨上，桑古巴說目前的檢測狀況非常順暢。PCR這項概念出現40年後，才因新冠肺炎疫情而快速進展。
桑古巴有一個遠大的夢想，急切希望能試用手持式檢測機型。傳統PCR儀器，包括應用於邊境、印表機大小的機型，依然需要電線，旁邊也需各種處理樣本的空間。攜帶式PCR儀器能夠擺脫這些需求，在偏遠地區也能快速檢測，印度的檢測列兵生技公司（Molbio Diagnostics）也在發展類似機型。
在取得患者樣本和送回結果給患者往往間隔數小時到數天，這段時間患者會離開診所回到平常生活，和其他人接觸，或是較晚才得到確診報告，錯失早期階段就開始治療、效果更好的時機，這些狀況都有礙公共衛生。新冠疫情特別是傳染力超強的Omicron變異株，點出了這種時間差，對於個人健康、社區傳播、醫療系統過載、人力短缺等許多方面造成的後果。桑古巴認為縮短時間差的急迫性不會中斷，想像未來處處可見攜帶式PCR儀器，即時現地得到檢測結果，他說：「所有的障礙都將會排除。」
本文授權轉載自：科學人
責任編輯：傅珮晴、侯品如
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