新冠肺炎（COVID-19）疫情蔓延全球，慢性病患者及老年人是高風險族群，然而不僅於此，各國傳出部分青壯年患者染病過世，起因於患病後引起體內的細胞激素風暴（cytokine storm）進而導致死亡。什麼是細胞激素風暴？對此，國家衛生研究院免疫醫學研究中心譚澤華特聘研究員兼主任娓娓道出：「新型冠狀病毒（SARS-CoV-2，新冠病毒）引起人體過度的發炎反應，活化免疫細胞並產生大量細胞激素，進一步造成器官的損傷及衰竭，嚴重時會導致休克進而死亡。」
面對病毒的挑戰，目前世界各國皆未能提出真正有效的因應措施及療法，疫苗和新藥的開發都必須經過許多學理面的驗證，以及需有嚴謹、系統化、科學化的證據支持。然而，目前除了透過人類檢體和影像分析，觀察新冠病毒攻擊的細胞種類以外，體內的細胞激素變化，更需要人源化動物模型（humanized animal model）作為研究基礎，才能獲得更貼近真實的實驗數據，在進行完整的動物實驗之後，才能繼續進行人體試驗。
國家衛生研究院免疫醫學研究中心 譚澤華 特聘研究員兼主任
基因轉殖和 CRISPR 基因編輯建立人源化 ACE2 病毒受體模型
目前科學界以基因轉殖和 CRISPR 基因編輯二種基因工程方法來建立人源化動物模型。以人源化 ACE2 小鼠模型為例，基因轉殖是將人類 ACE2 cDNA 轉殖至小鼠內，建立人源化動物模型。事實上，將人類 ACE2 基因片段插入小鼠染色體中，是隨機無法控制其位置，而造成該基因表現量的差異，因此建立符合實驗需求的擬人化 ACE2 基因轉殖小鼠模型深具挑戰性。基因轉殖小鼠模型依照不同的轉錄啟動子（promoter）可分為組織特異性和全身性等 2 種，組織特異性基因轉殖模型可因實驗需求不同，其設計而有所調整。例如，想要觀察新冠病毒入侵肺部機制，可建立肺部特異性的基因轉殖小鼠；若要研究細胞激素風暴的話，可同時建立肺部特異性和免疫細胞特異性的轉殖基因小鼠。而全身性基因轉殖小鼠模型，是在每個組織都會表現 ACE2，另也可用小鼠原生性的 ACE2 啟動子來啟動人類 ACE2 表現，此模型能幫助科學家進一步觀察新冠病毒如何影響多重器官。
CRISPR/Cas 基因編輯技術則是可將老鼠與人類不同的基因互相置換，包含 Indel 基因破壞、特定點突變、小片段 (< 4Kb) 基因敲入（knock-in）、大片段(4Kb-20Kb) 基因改造。因此，可置換人類 ACE2 基因至小鼠基因中，以創建人源化 ACE2 病毒受體小鼠模型。
基因轉殖小鼠
細胞激素風暴小鼠模型建立難度高
「相較於疫苗和藥物的動物模型，以 ACE2 小鼠模型模擬人類細胞激素風暴更顯得是一項難題。」譚主任說到。
以疫苗開發來看，動物模型主要進行安全性測試，並測試各類疫苗試驗品，其誘導產生之抗體與細胞免疫反應，是否能保護小鼠對抗病毒感染。新藥開發方面，則是用來測試不同藥物抑制新冠病毒的效果和安全性，這二種擬人化 ACE2 小鼠模型開發門檻相對較低。
然而，免疫發炎反應太過激烈導致的細胞激素風暴，無法被即時關掉。加上許多免疫細胞參與其中，如 T 細胞、B 細胞、巨噬細胞等，並且釋放出多種促發炎細胞激素，例如 IFN-γ、IL-1、IL-6、IL-12 和 IL-17、TNF-α 等。甚至發炎調控轉錄因子 NF-κB 也被發現參與其中，如此錯綜複雜的體內免疫反應，使得建立該類型的小鼠模型成為一件困難的事。
至今，新冠肺炎之細胞激素風暴小鼠模型仍尚未建立成功。 因此需要免疫學和病毒學專家一起集思廣益共同研究，擬定各種假說、建立適當動物模型，方可釐清細胞激素風暴的真面目。
延伸閱讀：風溼藥治療重症 COVID-19？ IL-6 抗體獲核准進行臨床試驗延伸閱讀：這 3 種類型細胞最容易被新冠病毒攻擊！干擾素反讓 COVID-19 病情更嚴重？
開發時程和資源受限
譚主任表示，基因轉殖小鼠模型的建立需耗時 3 至 6 個月；CRISPR 基因編輯小鼠模型則因成功率不高而更加費時，一般而言，需 6 個月至 1 年才能建置完成。 另外，在疫情期間，實驗需求大增，在P3設備、人力等資源有限情況下，若要獲得合適的小鼠模型，仍需排隊等候 6 個月至 1 年以上，因此不是每個實驗室想做動物實驗就可立即實行。這種僧多粥少的難題，與各國醫療院所醫護人員、防護設備、呼吸器缺乏的狀況相似。
延伸閱讀：台灣首台醫療呼吸器原型機誕生！專家：未來應連結 IoT 和 5G 技術開發出新機其他基因轉殖小鼠模型的建立
除了 ACE2 基因轉殖小鼠模型之外，譚主任亦提到 ACE2 的輔助受體（co-receptor）也可能是未來動物模型的選擇標的。現已有研究指出包含 TMPRSS2、CD147、AT1R、ADAM17 等輔助受體及類鐸受體（toll-like receptor）可能皆與細胞激素風暴有關。因此，如果在單一基因轉殖小鼠模型上，觀察不到預期的效果，下一步則該考慮使用雙重（Double）或三重（Triple）基因轉殖小鼠來試驗，例如 ACE2 合併 TMPRSS2 或者 ACE2 合併 TMPRSS2 加上 CD147 基因轉殖小鼠來檢測 。
延伸閱讀：2 種關鍵蛋白被揪出！協助武漢肺炎病毒入侵人體謹慎評估，多領域合作努力
最後，譚主任表示，基因轉殖小鼠的實驗數據，仍需以謹慎的角度來看待，即使在動物模型中能夠模擬細胞激素風暴，但未來在人體試驗也未必能獲得相同的結果，這點是所有研究人員須要特別留意的地方。另外，無論是動物模型、人類檢體或人體試驗，任何實驗當中的小突破或失敗數據都別具意義，留意數據中的細節將能節省資源和時間的消耗。因此，應當彙整多領域的研究結果相輔相成，共同努力一起解決細胞激素風暴的難題，以期對抗新冠肺炎疫情。
譚澤華主任實驗室團隊
採訪：Thomas Huang, Parker Yang
撰稿：Parker Yang
審稿：Alma Wu
©www.geneonline.news. All rights reserved. 基因線上版權所有 未經授權不得轉載。合作請聯繫：[email protected]
