科學人 2月號/2021 第228期

新冠病毒的免疫風暴

全球科學家加快研究腳步，逐一點名造成新冠肺炎重症的發炎分子。 撰文／岩崎明子（Akiko Iwasaki）、黃派克（Patrick Wong）
翻譯／鄧子衿

我們記憶中的21世紀，可能會分成兩部份：新型冠狀病毒（簡稱新冠病毒）出現前，以及出現後。雖然科學家在幾十年前就警告可能會爆發全球流行的致命傳染病，但至今全世界的公衛體系完全沒有能力應付。2019年12月16日，中國武漢一家醫院收治了第一批嚴重特殊傳染性肺炎（簡稱新冠肺炎）患者，其中幾位死亡了。許多美國人認為，即使中國無法把新冠病毒封鎖在國內，廣大的海洋也足以保護美國。這種樂觀的想法完全忽略了過去冠狀病毒疾病爆發的情況，過去冠狀病毒引發的疾病：嚴重急性呼吸道症候群（SARS）和中東呼吸症候群（MERS）都蔓延數洲，而且MERS至今仍未消失。去年初，新冠病毒傳播至美國，公衛部門的反應一片混亂，各州採取的措施不同：有些城市和州政府祭出居家令和戴口罩命令，而有些地區卻只是無所作為。截至今年1月下旬，全世界已經有近200萬人死於新冠肺炎。 

雖然美國政府的應對措施雜亂無章，但醫學專家和科學家在新冠病毒傳播至美國前，就開始傾全力對抗這個新興威脅。不到一年，在全球科學家的合作下，我們對於新冠病毒及它如何感染人體，有了前所未有的了解，現在逐漸明白新冠病毒為何引起的病症有那麼大的輕重差異：有些患者完全沒有症狀，有些患者咳嗽或發燒，最嚴重的是患者會發生足以致死的肺炎，以及急性呼吸窘迫症候群（acute respiratory distress syndrome, ARDS）。研究人員現在知道SARS病毒和MERS病毒會使免疫系統失調造成發炎，可能導致ARDS和其他嚴重症狀。 目前臨床檢驗技術清楚地顯示重症患者血液中的免疫蛋白濃度提高了，例如介白素-6（IL-6）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）和C-反應蛋白（CRP）。在新冠肺炎大流行出現後幾個月，給予重症患者抑制免疫系統的藥物，例如類固醇強體松（prednisone）和迪皮醇（dexamethasone），成效雖然有限，但證實了之前的推測：重症患者的免疫系統進入了過度受刺激而發炎的狀態。我們現在知道有一部份新冠肺炎患者，因為免疫反應失控，引發全身性傷害，產生血塊、心臟損傷，甚至器官衰竭。重症患者需送入加護病房治療，標準類固醇療法並不足以醫治新冠肺炎的嚴重症狀，這些病人需要更精準的療法。我們也急需能夠快速檢驗出組織樣本中生物標記的快篩方法，舉例來說，用於檢測症狀是否會由輕微演變為嚴重的生物標記。 

要找出適合的快篩生物標記與藥物療法，需深入了解新冠病毒和人體各部位細胞的交互作用，以及免疫系統對新冠病毒的反應。去年春天，我們團隊和許多實驗室合作，開始研究新冠肺炎重症患者的免疫失調反應。我們知道免疫系統經過層層精細調控來對抗入侵病原體，如果免疫反應中某些步驟出錯，可能會導致發炎反應過度，傷害到身體組織。 

免疫反應失常 
免疫系統在對抗病毒、細菌、真菌和其他病原體時，能產生快速、緊急的反應，也具備比較慢但是持久的對抗方式。先天免疫系統（innate immune system）最先反應，系統中的特定細胞表面與內部具有受體，能偵測入侵者，並藉由細胞素（cytokine）這種蛋白質，啟動一連串精細的訊號傳遞過程。細胞素會警告鄰近細胞採取防禦措施，使受感染的細胞死亡，或促使其他種類的細胞素釋出以加強警訊。先天免疫系統也會召集某些白血球針對病原體產生更長久的免疫性。一到兩個星期後，適應性免疫系統（adaptive immune system）啟動，針對特定病原體的抗體和T細胞數量增加，最終癱瘓或是消滅入侵的病原體。 

大多數的新冠肺炎患者，先天免疫系統發揮了上述演化出來的功能，讓新冠病毒失去攻擊能力並死亡，但是約有5％患者身體中的反制反應並不如常。那些精細調控的訊號傳遞過程出了差錯，先天免疫細胞製造過多細胞素。新冠肺炎中過量的訊號分子，類似於其他疾病中發生的「細胞素風暴」（cytokine storm），可能是使新冠肺炎症狀加重的因子之一。最近的研究指出，大部份新冠肺炎患者的發炎反應並不屬於細胞素風暴，但依然是一種威脅。發炎反應可能引起ARDS，造成肺部或其他組織的永久損傷；發炎反應可能也會堆積纖維蛋白（fibrin）造成血栓，此外更會讓血管中的液體進入肺臟，引發呼吸衰竭。 病毒會利用細胞中的機具進行複製，先天免疫系統則破壞病毒的複製能力，但是對抗新冠病毒時，這種能力減弱了。最近幾個月，研究人員把注意力放在干擾素（interferon）這類細胞素上。干擾素能夠抑制病毒在細胞中的複製步驟，是對抗病毒的第一道防線。免疫系統產生大量第一型干擾素控制病毒的數量，可有效阻止輕微症狀出現。但是有些研究指出，年長者和大量接觸特定病毒的患者，免疫反應比較慢，使病毒持續複製。之後當干擾素終於製造出來時，可能導致過度反應，刺激各種細胞素大量產生，引發發炎反應和嚴重症狀。 

測量干擾素反應的高低，可預測新冠肺炎患者是否會出現致命症狀，已成為治療的重要線索。免疫學研究仍在進行中，有許多因素可能造成免疫反應失常。舉例來說，病毒或許能夠削減免疫系統製造干擾素的能力；病人可能因為遺傳因子的影響製造的干擾素較少；甚至有可能某些人的免疫反應非常古怪，會製造針對第一型干擾素的抗體。我們團隊和其他科學家研究這些「自體抗體」（autoantibody），它們可能是新冠肺炎症狀久久不癒的因子，這種自體抗體能夠做為生物標記，來判斷患者病情是否會加重。某些病人如果注射了實驗室製造的干擾素，或許可能改善病況，這種療法正在進行臨床試驗，結果還沒有出來。 

發炎反應大混戰 
不論是SARS還是MERS的重症，前幾次冠狀病毒疾病爆發時，細胞素風暴這個詞都登上了新聞頭條。所以當新冠肺炎疫情爆發時，科學家自然會推測類似狀況也會出現。在疫情早期，醫生的確發現病人體內的細胞素增加了，但是這些蛋白質和後續產生的發炎狀態卻和典型的細胞素風暴不同。 

在病人體內騷動的高濃度細胞素，依照接收細胞素的細胞不同，引發各式各樣的後果，其中一些對身體有害。IL-6、TNF-α、IL-1β和IL-12之類的細胞素增強了發炎反應，傷害組織。美國西奈山醫院伊坎醫學院的耳鼻喉科專家戴爾瓦拉（Diane Marie Del Valle）與同事指出，紐約市有將近1500位新冠肺炎患者體內其中一些細胞素的濃度大幅提升。他們從這群患者中發現，IL-6與TNF-α的濃度高得異常，可做為重症與致死的有效生物指標。 

我們團隊追蹤的新冠肺炎患者中也發現同樣的情況。除此之外，我們實驗室和其他實驗室也辨識出有些患者體內增加的細胞素種類和典型細胞素風暴中的不同。我們觀察到高濃度的IL-5和IL-17，這些細胞素通常和對抗病毒的免疫活動無關。這些細胞素引發了錯誤的免疫反應，這種免疫反應常適用於對抗寄生蟲和真菌感染。我們目前還不知道這種免疫反應是否會傷害身體組織，或只是挪用了身體用來對抗病毒的資源。我們在一些患者體內發現，化學素（chemokine）的濃度也增加了。化學素是細胞素中的一類，可指引免疫細胞前往受感染的部位。受感染的部位所釋出的化學素CCL2、 CCL7、CXCL9和IL-8，就像召集免疫大軍的號角。不只細胞素和其他訊息傳遞分子會引起身體組織受損，化學素也從全身召來免疫細胞加入大混戰… 

化石裡的無限想像

撰文／李家維
喜得一方滄龍頭化石，包埋在石膏中由北非的摩洛哥運來。我細細挖開磷質圍岩，逐漸顯露出那歷經7000萬年幾近完整的幸運埋藏。磷是生命的必要元素，農田施肥少不了它，更需添加到動物飼料裡，因為脊椎動物牙齒和骨骼的主要成份就是磷酸鈣。摩洛哥有全球75%的磷礦蘊藏，隨著國際磷價飆升，這裡的開採當然興盛，也附帶挖掘出5000萬到7500萬年前的海洋動物化石。鯊魚和滄龍終生不停長牙，因此磷礦中最大宗的化石就是零散的鯊魚牙和滄龍牙，而如此完整的滄龍頭顱當是珍品了。
2億5000萬年前，西伯利亞的火山群大爆發，導致了最慘烈的生物大滅絕，只有極少數物種及個體倖存。浩劫後，爬行動物取得先機，翼龍雄踞天空、恐龍霸主陸地，而浩瀚的海洋則由魚龍、蛇頸龍和滄龍接續稱王。滄龍可能源自9000萬年前的入海蜥蜴類，演化出至少40個屬，體長由不及1公尺到雄偉的17公尺，頭大、身子細長、恆溫、爆發力十足。滄龍滿口利齒，嘴可以張得很大，其內又有兩排幫助大口吞嚥的翼骨齒，牠們是中生代白堊紀最後2000萬年的海洋頂級殺手。再怎麼凶猛也可能互咬受傷，我在清修這滄龍頭時，發現牠有幾個被狠咬的穿骨傷口，有些已見骨質癒合增生，顯然牠活過了打鬥劫難。
30年前遺傳工程展露頭角，偉大的科幻作家克萊頓（Michael Crichton）推出了風靡全球的《侏羅紀公園》小說，接著一系列的電影屢奪賣座冠軍。恐龍和翼龍當然是劇中主角，直到「侏羅紀世界」滄龍登場。最震撼觀眾的場景之一，是餵食秀由池中飛躍出的巨型滄龍，牠一口吞咬下懸空的整條鯊魚餌。如此巨大的體型和凌空行為都遠超出古生物學者的認知，必然引起學界的熱議。電影寓教於樂，誇大的情節無可厚非，但細究其中事實更是另一層次的科學樂趣，〈還原電影改編的雙冠龍〉就是侏羅紀系列影迷必讀之作。
近日全球媒體都出現了個醒目標題：恐龍比人類更早登月！原來是有位熱門的部落客，在推文中摘錄了2017年《世界的盡頭》（The End of the World）書中的一段話，說在6600萬年前終結中生代的小行星撞擊，可能把恐龍的肉體殘骸飛濺到月球上。若真如此，滄龍也可能登月了！

目錄
第228期
2021年2月號
【關於封面】狡猾的新冠病毒擅長於欺騙人體的免疫系統，運用的閃避策略會引起強烈發炎反應，進而傷害人體全身組織。科學家深入追查新冠肺炎重症患者的肺部，釐清發炎反應的觸發過程，以發展快篩法與治療方式，搶救人命。
 
免疫學
30 新冠病毒的免疫風暴
文／岩崎明子（Akiko Iwasaki）、黃派克（Patrick Wong）
全球科學家加快研究腳步，逐一點名造成新冠肺炎重症的發炎分子。

醫學
38 有疫苗就能防疫嗎？
文／楊志良
新冠肺炎疫苗雖已問世，效力仍有待時間驗證。戴口罩、勤洗手、保持社交距離等個人健康防護方式必須力行下去。

天文學
42 恆星自爆前一刻
文／何安娜（Anna Y. Q. Ho）
天文學家已經知道眾多恆星的死亡方式，但近年發現許多不尋常的超新星，因此描述恆星死亡過程的理論可能需要修正。

古生物學
50 還原電影改編的雙冠龍
文／布朗（Matthew A. Brown）、馬許（Adam D. Marsh）
電影「侏羅紀公園」中會噴射毒液、貌似傘蜥蜴的小型恐龍，其實體型龐大、活動敏捷。經過科學家數十年深入研究後發現，牠活脫是頂尖掠食者！

公共衛生
58 一出生就不平等
文／居禮（Janet Currie） 
新冠肺炎疫情仍持續燃燒，當此之際，促進黑人新生兒健康，更顯重要！

國防科技
66 及早防止太空大戰
文／芬克拜納（Ann Finkbeiner）
許多國家積極發射衛星，若衛星遭受襲擊，在缺乏國際法約束的太空中，各國只能憑藉軍事和外交來平息爭端嗎？

心理學
76 團體活動的幸福效應
文／札拉斯卡（Marta Zaraska）
團體練武、划船、舞蹈等同步活動增強社會連結的效應驚人，這與大腦釋出的神經化學物質有關。

物理學
82 核融合發電，動工 ！
文／莫斯柯維茨（Clara Moskowitz）
國際熱核實驗反應爐（ITER）終於在去年7月開始組裝，由歐盟與六大國聯手執行。一旦啟用，潔淨能源將源源不絕。

科學人觀點
6 Are you lonesome tonight? 文／曾志朗 

總編輯的話
8 化石裡的無限想像 文／李家維
 
10 讀者論壇
   
12 科學人新聞
小蟹大軍削減沼澤地｜女王蜂失能｜雷射測定紅杉體型｜小晶粒累積大爆發｜犀牛足跡辨識軟體｜改變吃素吃葷的倫理課｜一覽世界科技進展｜聖嬰現象灌溉古農業｜挖掘環境DNA｜恐龍血中的寄生蟲

形上集
24 老派物理學家 文／高涌泉 

教科書之外
26 信使奇兵 文／陳文盛 

專家看新聞
94 疫情點燃環境惡化 文／薩拉馬（Jordan Salama） 

科學佐以詩文
96 寫給2050的信 文／戴明（Alison Hawthorne Deming） 

健康與科學
98 現在70歲真的像從前的60歲嗎？ 文／華立斯（Claudia Wallis） 

科學焦點
100 探索太空能凝聚人心？ 文／歐瑞斯克斯（Naomi Oreskes） 

科學人書摘
102 人際關係就像化學鍵 文／摘自《人類使用說明書》 

圖表會說話
106 高膽固醇換地方流行 文／菲謝蒂（Mark Fischetti）、圖表／克利斯提安森（Jen Christiansen）

《科學人》雜誌－全球科普雜誌第一品牌

自2002年創刊以來共11年榮獲出版界最高榮譽雜誌出版金鼎獎！身為全球科普雜誌的第一品牌，《科學人》一直領先報導全球最先進的科學脈動與產業趨勢，除生命演化及天文奧秘的探索外，也包括成就未來經濟創新的各種工具：「NBIC，Nano-Bio-Info-Cogno（奈米科技、生物科技、資訊科技與神經科技）」，及其聚合衍生的「長壽醫學」、「未來能源」、「淨化科技」、「即時通訊」、「人工智慧」及「前進太空」等產業趨勢內容。除了原Scientific American文章精確編譯外，台灣延伸企劃採訪篇章更佔40%以上，藉由淺顯易懂的編輯呈現方式，帶給產業精英、知識家庭、高中及大專院校師生最具未來性的知識力。

《科學人》雜誌即將於2017年2月滿15週年！15年來，在「廣」的方面，《科學人》月月帶給台灣讀者科學新知、科學新聞、重要科學研究；而在「精」的方面，《科學人》推出15週年特別獻禮：「博學誌」系列文集，滿足您在單一領域更深入、更全方位的知識渴望。

「博學誌」系列文集

問，時間為何物？（2016/9/20全新出版） 台灣大學物理系教授 高涌泉 專文導讀

窺探大腦（2016/10/20修訂版）  中央研究院院士 曾志朗 專文導讀

發現天文之美（2016/11/20修訂版） 國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

掌握數位生活（2016/12/20全新出版） 台灣大學資工系教授 林守德專文導讀 活靈活現動物行為（2017/1/20全新出版）金鼎獎科普作家 張東君 專文導讀