由香港大學李嘉誠醫學院（港大醫學院）及工程學院研究人員組成的跨學科團隊近日成功研發一個創新的篩選技術平台，可快速評估新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）變異對疾病嚴重程度的影響。研究成果早前已於知名期刊《自然生物醫學工程》（Nature Biomedical Engineering）中發表，新技術與傳統方法相比，篩選速度提高達 39 倍，意味著科學家可以更快識別出有可能對公共衛生構成重大潛在威脅的新興變異株，從而及早介入限制病毒傳播。
國際醫療健康周圓滿舉行，展現香港生醫產業新優勢（基因線上國際版）新冠變異株危險程度各異，刺突蛋白突變乃關鍵所在
新冠病毒是過去數年全球 COVID-19 大流行的罪魁禍首。病毒自最初被發現以來，一直不斷突變和演化，從早期的 Alpha 和 Gamma 變異株，到後來造成全球大爆發的 Delta 和 Omicron 系列，加上其他數千種未有構成重大威脅的已知突變，病毒的演化至今仍然持續發生。在芸芸眾多的突變之中，以刺突蛋白（Spike protein，又稱為棘蛋白）的突變對病毒的傳播能力和致命程度尤為重要。
在病毒感染過程中，新冠病毒的刺突蛋白與人類血管張力素轉換酶 2（ACE2 受體）結合，使病毒可以進入受感染的細胞，並與鄰近未受感染的細胞融合，形成一種名為合胞體（Syncytium）的多核巨細胞。科學家發現，合胞體的形成會促使病毒基因組轉移到鄰近細胞，加劇病毒傳播和令重症機率增加。過去的研究結果也顯示，COVID-19 重症患者的肺部經常出現合胞體細胞，對肺部組織造成破壞，印證刺突蛋白引起的細胞融合與病毒感染的嚴重程度相關。換句話說，如果刺突蛋白的突變使其更容易與 ACE2 受體結合，該變異株觸發細胞融合的機率也會隨之而增加，病毒的危險程度也會相應提升。
港大兩學院跨領域合作，革新變種病毒篩選技術
要藉由大規模篩選以評估細胞間融合的程度與狀況，現有的做法是構建和監測個別刺突蛋白變體，以評估其形成合胞體的潛力。可是此技術難度甚高、成本昂貴、且篩選速度和效率仍然有待改進。在此次研究中，港大團隊改用新的篩選方法和先進的基因技術，識別促進合胞體形成的特定基因和細胞蛋白，使整個過程的成本效益顯著提升。
研究人員採用了分裂綠色螢光蛋白（split green fluorescent protein）系統，當發生細胞融合時就會產生可檢測的螢光信號，搭配微流控（Microfluidics）技術和深度突變掃描系統，成功建立一個高通量快速篩選平台，能夠以前所未有的速度分析大量刺突蛋白變體及其誘發細胞融合的能力，處理速度比舊方法快達 39 倍。另外為提高篩選效率，團隊開發了一種根據細胞大小篩選的策略，從而更快地分辨已融合和未融合的細胞。與傳統方法比較，新方法精確度超過 80%。
通過研究新冠病毒刺突蛋白及其突變，研究人員發現與病毒原始株相比，某些變異株（例如 Delta）會形成較大的合胞體，意味著其傳染性和危險性可能更高。值得注意的是，團隊也留意到單個 K854H 突變可以將 Omicron 變異株轉變為具有更高融合能力的變異株。
除了借助細胞大小的差異辨識已融合的細胞、以及對突變進行定位之外，港大團隊還進行了全基因組 CRISPR 篩選，發現除了 ACE2 受體外，另有兩種與細胞內吞作用（Endocytosis）有關的蛋白 AP2M1 和 FCHO2 會促使合胞體形成。
研究人員隨後以細胞內吞作用作為靶點，嘗試以兩款獲 FDA 核准的精神科藥物 — 氯丙嗪（Chlorpromazine，一種抗精神病藥物）和氟伏沙明（Fluvoxamine，一種抗憂鬱藥物）對患病的倉鼠提供治療。過往有研究顯示，前者具有抗病毒作用，而後者則能有效降低新冠病人重症住院與死亡風險。港大團隊此次在倉鼠模型實驗中發現，這些藥物可以抑制由刺突蛋白誘導的合胞體形成，並有潛力緩解病情。
跳脫新冠病毒防治領域，新技術具多元應用潛力
這項研究的意義在於其跨學科性質，結合高通量基因篩選、大規模誘變、液滴微流控技術和病毒學方法，有助科學家進一步了解由細胞融合所導致的生理和病理學後果。研究論文中提到，借助配對細胞分析系統（paired-cell profiling systems），不僅能研究新冠病毒，也可以延伸至其他能夠誘導合胞體形成的病毒，包括人類免疫缺乏病毒（HIV）、呼吸道融合病毒（RSV）、皰疹病毒和其他冠狀病毒。
帶領研究團隊的港大醫學院生物醫學學院副教授黃兆麟博士表示：「這些創新系統不僅助我們快速追蹤新型冠狀病毒變異並找出治療方案，還可以廣泛應用於各種與細胞融合相關的生物醫學研究，包括癌症免疫療法。」展望未來，黃教授也指出，從此次研究中收集到的重要資料以及過程中建立的嶄新方法將有助促進公共衞生工作，並為治療新冠肺炎和其他涉及細胞融合的疾病提供新策略。
延伸閱讀：香港癌症研究新突破，兩大醫學院新研究榮登國際期刊參考資料：
1. https://www.nature.com/articles/s41551-023-01140-z#Abs1
2. https://www.med.hku.hk/en/news/press/20240404-HKUMed-innovative-platforms-rapidly-track-SARS-CoV-2-mutational-impact
3. https://www.nature.com/articles/s41418-021-00795-y
4. https://www.frontiersin.org/journals/psychiatry/articles/10.3389/fpsyt.2020.612347/full
5. https://www.thelancet.com/journals/langlo/article/PIIS2214-109X(21)00448-4/fulltext
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