文章專區

天然物研究以奈米粒子製作疫苗

新冠肺炎（COVID-19）自2019年底爆發，截至2021年11月為止，全球已有2.6億人感染，超過500萬人死亡。各國的科學家皆傾力投入疫苗研發，期望能以此對抗全球性流行傳染病。中央研究院生物醫學科學研究所胡哲銘副研究員，2019年曾針對另一種冠狀病毒引起的中東呼吸道症候群（MERS），以奈米粒子模仿冠狀病毒，製成「MERS奈米疫苗」。他將過去經驗應用於當前危機，找出「新冠肺炎奈米疫苗」的候選疫苗。

天然的奈米粒子：病毒

這段研發歷程的故事，要從2015年說起⋯⋯

COVID-19、SARS、MERS，都是由冠狀病毒引發的疾病。2015年南韓爆發MERS疫情，台灣政府也憂心忡忡。旅居美國多年的胡哲銘，正好回到台灣中研院，因緣際會下，他和臺大獸醫系及美國德州大學展開跨國合作，以奈米粒子模仿MERS冠狀病毒外型，共同研發MERS疫苗。

病毒和疫苗為何會和奈米粒子扯上關係？因為病毒，其實就是自然界最厲害的奈米粒子！

以冠狀病毒為例，冠狀病毒體型非常微小，只有幾百奈米；外表為薄殼，具有特殊皇冠樣突起；內部中空，裝著密度很高的蛋白質與基因等。病毒藉由宛如超迷你戰艦的構造，將蛋白質、核酸送入人體並綁架細胞。

胡哲銘表示：

「人類的免疫系統經過漫長演化，已經非常發達，卻仍常常逃不過病毒的感染。但從另一個角度來看，免疫系統被訓練了這麼久，對於病毒的構造其實很有反應，也很會辨識。」

因此，人類很早就學會把活病毒減毒，或是將死病毒碎片製成疫苗，用來刺激免疫系統產生抗體與細胞免疫，訓練免疫系統「記住」病毒。

傳統疫苗的局限

然而，傳統的疫苗有許多局限。

以減毒的活病毒製作疫苗，雖然破壞性較小，免疫系統的反應也良好，但畢竟病毒是活的，仍存在些許風險。

將死病毒的碎片製成疫苗雖然安全，但病毒已被大大破壞，只能刺激人體產生抗體免疫，殺手T細胞則不太能辨識出病毒。然而細胞免疫很重要，一旦受到感染，體內遭幾億隻病毒攻擊，即使依靠抗體能消滅99%敵軍，只要有一、兩隻病毒突變形成漏網之魚，抗體就沒辦法辨識，必須依靠殺手T細胞出馬。

冠狀病毒結構

而運用病毒的蛋白質抗原，混合一些刺激免疫因子（稱為佐劑）製成的疫苗，進入體內後，可能因為刺激免疫因子的分子太小，免疫系統尚未認出抗原，分子已經先在全身亂跑，因而引起發炎或發燒反應。

上述這幾種疫苗都有其缺陷。有鑑於此，胡哲銘提出新構想：

如果用奈米粒子「模仿」病毒的外型，並做成中空，裡頭裝入強效佐劑，就有機會成為沒有毒性和副作用，又比傳統疫苗更有效的奈米疫苗。

奈米疫苗：模仿病毒大作戰

理想很豐滿，現實卻很骨感。以往的奈米技術只能製作實心粒子，無法像病毒一樣中空。此外，光是要做出頭髮直徑的萬分之一、大約100奈米大小的實心粒子，其實已經非常困難了。

「我們當時絞盡腦汁，思考該如何做出一顆逼近病毒原樣的中空粒子？」

最後胡哲銘想到一種技術：雙乳化法。

所謂的「雙乳化法」，簡單來說即是應用水、油互不相溶的特性，製作一顆顆中空奈米粒子，讓粒子內部充滿刺激免疫因子，並在表面薄殼黏上蛋白質抗原，模仿冠狀病毒的皇冠樣突起。

雙乳化法不是新技術，人們常常用它製作中空、可包裹東西的微小粒子，例如藥物、食品或化妝品等，但過去造出的粒子直徑大約有10微米，比病毒粒子大上百倍。請別輕看這縮小100倍的差距，它可會讓製作難度直線攀升。

試想，在正常的尺度下，將一點水倒入一杯油裡，用力搖一搖，就能產生許多在油中懸浮的小水珠。但水珠越小，表面張力越大，狀態越不穩定，很快就會聚集成為更大的水珠。

「更別說這些100奈米的水珠，表面張力大到不可思議。弄不好就會讓水全部聚在一起，油也全部聚在一起，最後根本做不出任何東西。」胡哲銘解釋。

不論是施加的能量、溶劑濃度和分子大小等環節，胡哲銘都花費巨大的精力仔細調整與改良。歷經3年奮戰，研究團隊終於成功製造出足以模仿MERS病毒的「薄殼中空奈米粒子」，粒子內部裝入強效佐劑，並模仿冠狀病毒表面的皇冠樣突起，在粒子的表面覆上「蛋白質冠」，製成「MERS奈米疫苗」。

「這種疫苗製作的難度非常高，操作熟練的人只要花半天就能做出成品，但剛來的人要訓練4、5個月才能上手。」他補充道。

MERS疫苗成功誘導免疫系統攻擊病毒

胡哲銘將製作成功的MERS奈米疫苗注入小鼠，結果發現，小鼠體內可產生活性長達300天的抗體，也會強化殺手T細胞的辨識能力。當殺手T細胞將奈米疫苗視為病毒吞噬，會被裡面的刺激免疫因子刺激，認得這些「病毒」，下次再受到感染就能快速發動攻擊，有效殺滅病毒，達到100%的動物存活率。這項重要的研究成果於2019年刊登在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊，並已申請多國專利。運用相同的技術，胡哲銘和中研院內外各單位合作，研發流感、B肝和癌症奈米疫苗（將藥物裝入奈米粒子裡，使其輸送到癌細胞所在處投藥）。面對來勢洶洶的新冠病毒，這些寶貴經驗皆有助於破解當前難題。

冠狀病毒奈米疫苗，便是比照病毒，將抗原做成奈米大小，並模仿冠狀病毒表面的皇冠樣突起，在薄殼奈米粒子的表面，覆上「蛋白質冠」，進而讓搭載於粒子內部的奈米級強效佐劑，得以一起傳遞給免疫細胞。經過實驗，MERS 奈米疫苗可在小鼠體內產生抗體長達300 天，也能強化殺手T 細胞，達到100% 的動物存活率。

從SARS、MERS到新冠肺炎

新冠肺炎、SARS和MERS源於不同的冠狀病毒，三者抗原不會完全一樣，疫苗當然必須按照新冠病毒的RNA序列重新設計，細胞檢測、小鼠實驗也要打掉重練。

但三者均是冠狀病毒，既然是「表親」，過去研發MERS或SARS疫苗時發生的現象，也可能出現在新冠疫苗上。例如過去在動物模式的測試中發現，如果使用的抗原不夠精準，產生的抗體可能無法中和病毒，甚至讓病毒更快速地感染細胞。胡哲銘研發的奈米疫苗，即在避免此種免疫不完全的情況。

其次，T細胞在對抗病毒的過程中，往往一分為二，分為TH1型與TH2型細胞，如果疫苗傾向引發TH2型細胞產生抗體，當小鼠遇上病毒，即可能產生過敏反應。當前疫苗的研究，必須想辦法讓兩種T細胞的反應處於平衡狀態，減少副作用。

憑藉冠狀病毒疫苗研究的經驗，2020年初，新冠肺炎疫情爆發時，胡哲銘便以中研院「跨部會疫苗合作平台」召集人的身分，積極投入疫苗研發工作，也在感染新冠病毒的小鼠模型中證明奈米疫苗的保護力，隨著疫情及國際情勢的演變，胡哲銘團隊也與國內外的研究機構積極製備搭載SARS-CoV2保守性高的T細胞抗原疫苗，藉由激活多價的T細胞以應對冠狀病毒詭變的特性，進而
研發廣效的冠狀病毒疫苗。

所有疫苗研發皆是漫長艱辛的抗戰。由於流行病瞬息萬變，耗時的研發歷程往往趕不上疫情變化。如2003年爆發SARS疫情後，研究者花費許多時間研發，終於進入臨床二期試驗，但疫情在2006年結束，因為找不到病患測試，疫苗研發也無疾而終。這類難題讓真正有資金、技術的國際大廠，對投入疫苗研發卻步。然而，胡哲銘強調：

「最好的防疫策略仍是持續研發疫苗的工作，過去SARS和MERS疫苗研發工作雖暫時中斷，但也因為當時的寶貴經驗，才有助後續新冠病毒疫苗的研發。」

奈米粒子的科學路──專訪胡哲銘

胡哲銘看著自己發明的冠狀病毒奈米疫苗，小小的容器裡充滿了10,000,000,000,000個薄殼中空奈米粒子。

Q.為什麼會想到利用奈米粒子模仿冠狀病毒？

這是我之前在美國的研究延伸。我13歲到美國念書，大學讀生物工程，開始接觸生物醫學與奈米醫學。

許多人可能不了解奈米和醫學有什麼關係，事實上在我們身體裡就有各式各樣的奈米粒子，負責傳遞訊息或養分，像細胞與細胞之間是用約100奈米的粒子溝通；有些不溶於水的分子，如油脂、膽固醇等等，在身體裡也是奈米粒子。

奈米醫學就是運用「極微小的載體」，幫助藥物傳導或作為其他醫療用途。過去常用的材料有金、矽、玻璃或碳等，現在的主流是生物相容性材料，像質體、微質體或蛋白質、聚合物等。

我在博士後時，開始研究一個特別的生技平台：用細胞膜包覆奈米粒子，使它產生類似細胞的特性。像是在奈米粒子外面包覆紅血球細胞膜，如同讓它穿上迷彩服，這樣就不容易被免疫細胞發現與消滅，可以延長它待在動物體內的時間。還有將血小板的細胞膜包覆在奈米粒子上，再讓奈米粒子把藥物運到心臟損傷的部位。

Q.一開始如何想到以「仿生」的概念製作奈米粒子？

其實是因為⋯⋯沒錢。

一般人的想像中，美國實驗室應該資金充裕、設備新穎，但當時我們的實驗室經費不多，只能用些便宜或老舊的機器。有一陣子，許多研究者會嘗試在奈米粒子外層，黏上類似抗體的特殊材料，我也去詢問這些特殊材料的價格，結果廠商報價三千美金──我們根本買不起！

經費不足、無法進行最新的研究，讓我只能被迫思考其他辦法。有天靈機一動，想到可以把動物細胞膜黏到奈米粒子上，我趕緊找隔壁的實驗室商量，請他們把犧牲的死老鼠留給我抽取血液細胞。

結果當隔壁實驗室聯繫我去拿老鼠的時候，牠們的血液已經凝固了，我只好再拜託對方下次早點通知。這樣曲曲折折，最後我總算取出老鼠血液細胞、取下細胞膜，黏在奈米粒子上，所耗用的材料費幾乎是零。

Q.真是窮則變、變則通！雖然經費不足，但這個困境也激發了創意。

但是當我拿這個生技平台去發表論文時，卻被人取笑：

「怎麼會把細胞膜黏到奈米粒子上？真是笨點子！」

我沒有理會這些批評，還是繼續前進，最終發現這個平台的應用性很強，研究成果獲登《自然》期刊。總之，那時的研究經歷給了我嶄新的思維：製作奈米粒子時，其實不需要執著用什麼材質，而是想辦法讓它更接近人體內的奈米粒子。回到台灣後，我才會想到模仿病毒製作奈米疫苗。

Q.除了研發過程耗費心力，還曾遇到印象深刻的事嗎？

很慶幸有很棒的研究環境。這次的點子能夠實現，其實要歸功於中研院先進的設備與儀器。

舉例來說，研究奈米粒子的重要器材之一是「冷凍電子顯微鏡」（Cryo-electron microscopy，簡稱冷凍電鏡），可用低溫觀察奈米粒子樣本並拍照。一般儀器只能看到粒子外觀，無法分辨粒子內是實心或空心，因此一定要使用冷凍電鏡。

我在美國讀博士和博士後時，7年間不斷向學校請求使用冷凍電鏡，卻總是遭到拒絕。好不容易爭取到使用機會，不料負責人操作錯誤，拍出模糊的照片，竟仍向我收費一千美金。

但在中研院，冷凍電鏡設備及服務皆非常完善周全，在專業的技師協助下，每次都能拍攝出高畫質的奈米粒子照片，讓我們能清楚觀察到奈米粒子極細微的差異，反覆優化製程，才能順利研發成功。

Q.您從小在美國受教育，對台灣的科學教育有哪些看法？

台灣的學術硬體資源、環境以及人才，絕對是世界級，但在自我表達及溝通上仍有進步的空間。

台灣教育重視儒家思想、尊師重道，長輩習慣只講缺點、不談優點。雖然謙虛是美德，但久了學生常缺乏自信，面對師長不太敢表達自己的想法，以致科學討論的風氣不盛。

在美國時，我身邊的夥伴雖然來自不同國家、背景和語系，但在這種多元的環境下，反而沒有階級的包袱，我們會花許多時間溝通，一起把事情做好。反觀在台灣，雖然彼此講相同語言，也有相似的背景，卻很忌諱溝通。很多時候大家會怕講錯話、怕違逆師長，或怕自己的想法被批評，這些顧慮是學習與科學交流上最大的阻礙，也很難激發對科研的熱情。

所以我很鼓勵學生自我鍛鍊，不要怕表達、不怕問問題，多討論才能激發創意；同時也鼓勵老師們多給學生對話討論、培養自信的機會。

在科學裡，平等的對話與討論是必要的，每個人的意見、點子都值得受尊重。就算不完整，我也想聽你的想法，我們可以共同找出一個更好的答案！

延伸閱讀
Lin, L. C., Huang, C., Yao, B., Lin, J., Agrawal, A., Algaissi, A., Peng, B., Liu,Y., Huang, P., Juang, R., Chang, Y., Tseng, C., Chen, H., & Hu, C. J. (2019).
Viromimetic STING Agonist‐Loaded Hollow Polymeric Nanoparticles for Safe and Effective Vaccination against Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus. Advanced Functional Materials, 29(28), 1807616.

書　名｜《研之有物：見微知著！中研院的21 堂生命科學課》
作　者｜中央研究院研之有物編輯群
出版社｜時報出版
出版日期｜ 2021 年12 月17 日

台灣如何因應全球大流行的COVID-19？
•改造細菌基因，可以把二氧化碳變燃料？
•觀察真菌獵殺線蟲，竟能為寄生蟲防治提供解方？
•人類的斷肢有可能像斑馬魚一樣再生嗎？
•解析大腦神經為什麼會退化，看見治癒失智症的曙光？
•RNA剪接、CRISPR基因編輯，預約醫療大未來？
與中研院院長廖俊智、院士陳建仁等21位生命科學家，
一同打開好奇心、激發想像力，體驗機智的生命科學大發現！
中央研究院生命科學組匯集台灣頂尖科學家，研究範圍涵蓋植物、生醫、農業、生化、基因等領域，是世界級的生命科學研究重鎮。
透過《研之有物：見微知著！中研院的21堂生命科學課》，中研院研之有物團隊以21位科學家的研究成果為藍本，帶領我們參訪台灣最高學術殿堂，將艱深的學術論文轉譯為淺顯易懂的科普知識，一窺中研院在生命科學領域的重大突破與創見。