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疫苗為對人體進行主動免疫以預防傳染病最有效的手段。最早使用疫苗的正式記載始於1796年英國醫生金納（Edward Jenner）發現被牛痘（cowpox）感染的人不會被天花（smallpox）感染（二者為相近之病毒），因此他利用從牛痘病人膿苞取出之滲出液注射一個八歲男孩，並發現確實可對天花產生免疫力。至十九世紀時，法國科學家巴斯德（Louis Pasteur）成功地發明了細菌培養及如何減弱炭疽菌與狂犬病毒毒性的技術，並應用這些毒性減弱的病原體作為非活化疫苗（inactivated vaccine）。利用類似的概念，之後也發明了利用不斷傳代（passage）使病原體產生突變而使毒性減低的減毒疫苗（attenuated vaccine）。這些非活化或減毒疫苗的原理都是在體內注入適當的免疫原以刺激免疫系統產生抗體及其他免疫反應，當有相對應的抗原進入體內，預先存在的抗體便可消滅入侵者。目前已長期使用的疫苗包括白喉桿菌、百日咳桿菌、肺結核桿菌、小兒麻痺病毒、麻疹病毒、天花病毒等疫苗，這些疫苗的問世，對預防傳染性疾病作出了不可抹滅的貢獻，並在1980年完全消滅天花。 但這些傳統疫苗的生產過程須倚賴培養這些病毒或細菌，對工作人員健康威脅極大。同時即使以福馬林非活化病原體，或傳代減毒，仍難百分之百保證毒性已減弱至對健康不具威脅的程度，因此時至今日仍偶爾有因使用疫苗而致病的例子。另一重要的限制為並不見得所有病原體都可培養，如C型肝炎病毒至今仍未有有效方法大量生產，即使可大量培養也未必可發展成疫苗，如愛滋病就無法以傳統疫苗預防，因此基因工程疫苗便成了另一選擇。 1-4-1 次單元疫苗 傳統疫苗均是將整個病原體注入體內，但並非每個部份均可誘發免疫反應，次單元疫苗則是將病原體內最易產生抗體的部分（如蛋白質）基因選殖出來，利用製造蛋白質藥物的方法加以生產作為疫苗。此類基因重組疫苗成分已知，同時並不含有病原體的核酸或其他可能引起副作用的成分（如細菌細胞壁上的內毒素），因此安全性上較傳統疫苗好很多，同時也容易大量生產。目前已上市的次單元疫苗有由默克（Merck）與葛藍素-史美克占（Glaxo-Smithkline）分別製造的B型肝炎疫苗。B型肝炎為台灣人的國病，也是全世界廣為流行的傳染病之一，全球帶原者估計多達二億人，長期感染容易造成肝硬化及肝癌的發生。過去須從大量B肝帶原者的血液中萃取肝炎病毒作為B型肝炎疫苗，然而在血液來源，成本及安全性上均是很大的問題。1986年美國核准了Merck的次單元疫苗上市，他們是將B肝病毒表面抗原（HBsAg）的基因放入酵母菌中大量表現，HBsAg可形成22 nm的空殼粒子，且具有相當強的免疫效果，因此為一相當有效的疫苗。國內在1980年代開始推動新生兒全面施打B肝疫苗計劃，成功地將幼兒感染率大幅降低，使目前國內帶原者人數降至三百萬人左右，對國民健康有卓越的貢獻。除此之外，正在研製或已上市的次單元疫苗還包括?疹病毒疫苗、流行性出血熱疫苗、輪狀病毒疫苗、乳頭瘤病毒疫苗及腦膜炎奈賽球菌疫苗等。 1-4-2 多價疫苗 次單元疫苗主要針對單一抗原設計，新的設計則希望能發展多價（multivalent）疫苗（圖1.5），以在一次施打或口服時能同時預防多種疾病或能防治不同細菌或病毒株。如葛藍素-史美克占已發展出同時預防白喉、百日咳、破傷風（tetanus）與B型肝炎的多價疫苗。另外正發展中還有針對愛滋病毒的多價疫苗。此種疫苗可將愛滋病毒上最易誘發免疫反應的抗原決定部位以實驗或生物資訊學方法找出，再將這些部位製成多胜 （polypeptide）後，再將這些抗原與載體結合。所形成之混成載體，同時帶有多個免疫原，因此可望刺激多種抗體產生，而對人體有更廣泛保護效果。 1-4-3 DNA疫苗 相較於次單元疫苗，另一發展中的疫苗為DNA疫苗。此種疫苗主要好處為直接將基因注入體內，若基因能進入細胞表現，則可利用人體為工廠製造出免疫原來直接刺激免疫系統。此方法主要好處為不須在體外大量製造並純化蛋白質，因此可節省成本，並且以人體細胞製造的蛋白質，會更接近天然免疫原。但DNA疫苗缺點在細胞並不易吸收所注入DNA，因此要達到疫苗效果往往需要大量DNA重複注射，且注入後DNA最後的命運是分解或崁入染色體永遠留在體內並不易評估。若會崁入染色體，則應注意是否會打斷正常基因的表現而產生不可預期的副作用。 1-4-4 腫瘤疫苗 在抗體的應用上，我們希望逃避免疫反應的作用，但近二十年來發展迅速的免疫療法則反其道而行，希望喚醒沉睡的免疫系統來對抗體內一些異常的發展， 所衍生的一個重要應用便是腫瘤疫苗。先前的疫苗著重的是預防，而腫瘤疫苗則用於治療，例如用於消除腫瘤手術後的轉移、復發等，其主要原理在增強免疫系統對腫瘤細胞的辨視與作用。通常腫瘤細胞表面會有一些標記蛋白質，亦即它是此腫瘤表現而正常細胞並不表現的，如肝癌細胞表現的甲胎蛋白（α-fetal protein），黑色素瘤表現的MAGEI等。這些標記蛋白質可讓免疫系統辨認為腫瘤細胞，因而啟動體內的免疫細胞來消滅腫瘤。但此類免疫反應通常太弱而無法發揮作用。因此目前發展中的一種癌症疫苗就是利用基因工程的方式製造出這些標記蛋白質的片段，再將它與樹突細胞（dendritic cell）結合注入體內。這些樹突細胞為免疫細胞的一種，專門負責將標記蛋白質展現在表面，並開始敲鑼打鼓告訴週遭的免疫系統有癌症細胞在體內發展。另一發展為在細胞內表現B7基因，它的產物為共刺激分子（co-stimulatory factor），也可促進免疫細胞對腫瘤標記的識別，進而增加免疫細胞的產生以幫助消滅腫瘤。 1-5 疾病診斷 傳統的疾病診斷需要根據臨床症狀加上生化檢驗判斷，但若臨床症狀或生化檢驗出現病徵時往往為時已晚。對於傳染病則常需自檢體中取樣本作細菌或病毒培養，再作各項生化分析，這種方法往往耗時良久，效率不佳也可能有污染情形發生，況且有些病毒或衣原體類的病原體至今仍無法有效作體外培養，因此往往對病情的改善或防止疫情擴散幫助不大。現代生物技術的進展則提供了更快速、簡便也更靈敏的檢測方法，這些檢驗方法的基本原理均是根據生物分子間的特定作用力，可分類如下： 1-5-1 蛋白質類 •以單株抗體檢驗檢體中特定的抗原。 •以基因重組蛋白質作為抗原，檢驗檢體中特定的抗體。 利用抗原或抗體作為檢驗標的，最常使用的便是酵素連結免疫吸附法（enzyme-linked immuno-sorbant assay, ELISA）。 •ELISA用於檢驗抗體 免疫原（如細菌或病毒）進入體內可誘發特定抗體的產生，因此這些抗體可作為檢驗體內是否有這些免疫原的標誌物（圖1.6）。首先將抗原（多為免疫原上的特定蛋白質，可用基因工程大量製造）固定在96孔盤上，經洗滌後加入待檢樣本，若內含病原體誘發的第一抗體（primary antibody），則經反應後可連結固定在盤上。理論上由於抗原與抗體的特異性，只有相對應的第一抗體會被固定在盤上，其他不會與抗原結合的雜質可經洗滌移除，之後加入可與第一抗體結合的第二抗體（secondary antibody）。此第二抗體通常與第一抗體的Fc（抗體上胺基酸序列變化較少區域）部位結合，且已與酵素接合，在反應後酵素被固定在此複合物上，即可加入無色底物（substrate）使其反應變色並測量反應時所產生的顏色變化。此顏色改變的程度在一定範圍內可呈線性，檢測時會同時作一標準檢量線（standard curve），因此可用來作定性與定量分析。目前常用的酵素有鹼性磷酸酯?（alkaline phosphatase）與辣根過氧化物?（horseradish peroxidase），對應之底物則分別可用對硝基苯酚磷酸鹽（pNPP）與四甲基聯苯胺（tetramethylbenzidine, TMB）。 •ELISA用於檢驗抗原 若用於檢測抗原，可將此免疫原（如愛滋病毒上的蛋白質）注射入動物體內（如老鼠或兔子）以得到第一抗體，將此抗體固定在96孔盤上，經過洗滌後加入樣本（如病人血液），若內含愛滋病毒則其抗原會與抗體結合，之後加入第二抗體（用同種抗原免疫另一種動物所產生抗體）使其與抗原結合，再加入另一抗體-酵素複合物與第二抗體結合，最後加入酵素的底物與之反應經顏色變化判讀結果。除傳染性疾病外，其他疾病如癌症發生時也往往產生特定的抗原或抗體，也可藉由ELISA判斷。 1-5-2 核酸類：如核酸探針（寡核苷酸） 以核酸探針作為分析工具，主要是利用核酸與其互補（complementary）核酸間會產生特異性結合的特性。最早源起於南方點墨法（Southern Blot）以DNA探針檢驗特定DNA，之後有北方點墨法（Northern blot）檢驗RNA。1978年DNA的限制性片段長度多型性（RFLP）被用於鐮刀型細胞貧血症的產前診斷後，利用DNA診斷的技術便飛快進步。1983年發明的聚合 酶連鎖反應（PCR）進一步地加快檢驗的速度與精確度，而近年快速發展的基因晶片技術更可望提供快速且精確的診斷。而這些檢驗技術的應用也從傳染性疾病、法醫鑑定、親子診斷延伸到遺傳疾病、癌症等方面。 •聚合酶連鎖反應（PCR）為慕里斯（Karry Mullis）在1983年發明，主要是利用兩段會與待檢測DNA結合的寡核苷酸引子（primer）與DNA結合後，利用DNA聚合 酶（DNA polymerase）催化此段DNA的複製。PCR主要步驟包括： •昇溫（如95℃）使雙股DNA分開（denaturation） •降溫（如55℃）使引子結合至DNA上（annealing） •昇溫（如75℃）使聚合酶作用開始DNA的複製（extension） 此三步驟持續30個循環後理論上可由1個DNA分子複製出228個由二段引子所夾集的DNA區域（但實際上由於昇溫降溫過程造成聚合 酶活性減弱或原料不足，往往只得到105-106個分子）。此二段引子決定了待測DNA上被放大的區域，因此必須與待檢物DNA上具有相當特異性的區域結合。譬如欲檢測B型肝炎病毒，可先製備出與B肝病毒DNA上特定區域相結合的引子，之後以PCR將DNA的分子數目複製到一定量後，以凝膠電泳或其他方法偵測此段放大的DNA。若能得到放大的DNA分子，表示檢體中帶有病毒，PCR無法放大則表示檢體中沒有B肝病毒。此方法可在幾小時內得到檢驗結果，且可利用少量的檢體（如一滴血或唾液）即可檢測，因此非常靈敏，也正逐步取代傳統方法。 目前生物醫學的進步與人類基因組計劃的完成，揭露出更多基因資訊，也讓我們可從中找出更多與疾病相關的特定部位，因而能利用PCR方式檢驗。例如鐮刀型細胞貧血症是由於血紅蛋白基因的第六個密碼子發生突變（由CCTGAGG 變成CCTGTGG），使其所轉譯的胺基酸由纈胺酸變成麩胺酸，此突變使血紅蛋白失去攜氧的能力因而致病，也使一限制內切酶（CvnI）的切位消失。 利用PCR檢驗時可以二個在CvnI切位外的引子（引子1與2）放大此DNA區域，然後以CvnI 酵素切割放大後DNA片段，再以凝膠電泳分析。若此DNA區域為正常基因，則會有三個CvnI切位，以CvnI切割會產生四個DNA片段（如圖1.7）。但若有突變產生會僅有二個CvnI切位，相同切法將只會產生三個片段，因此以凝膠電泳可容易的分辨是否有突變產生。 •生物晶片（Biochips） 生物晶片包括基因晶片、蛋白質晶片與實驗室晶片。前二者原理與前述ELISA與南方點墨法相似，均是利用特定核酸探針或抗原（抗體）與檢體反應，視反應與否可得知病源是否存在。主要差別在於生物晶片可將多個（數十至數萬）DNA或蛋白質片段固定在小型的晶片上（如玻璃或高分子膜），因此同一檢體可同時與多個標誌物反應而達多重檢測目的。例如，與多種癌症相關的基因可一併放在基因晶片上，只要一點細胞便可用PCR將細胞內的相關訊息RNA放大轉換成互補DNA（cDNA）並以螢光染料標定，然後與晶片上的基因反應，透過適當的清洗與儀器判讀，藉顏色變化或激發之螢光值便可以得知細胞內是否帶有癌症相關的突變或基因表現。生物晶片也可應用於傳染病的檢測，目前國內已有腸病毒晶片問市，上面包含數種腸病毒DNA探針，因此可快速檢驗出幼童是否被病毒感染及被何種腸病毒感染。 基因晶片更是生物醫學研究的重要利器，譬如可將細胞內與代謝相關的基因放在晶片上，在追蹤代謝相關疾病時，可藉細胞內基因與晶片上固定之DNA反應程度得知細胞中相對應基因之含量，而同時觀察這些基因在細胞內的表現情況。藉由這些數據，可分析比較疾病發生時與正常細胞內基因表現模式的異同，並進而找出與此疾病相關的基因。 實驗室晶片則是利用微機電技術將實驗室進行的生化分析或反應微縮至小型晶片中進行，如目前發展中的PCR晶片便是將PCR所需進行的昇溫、降溫、 反應等動作在微蝕刻的管路（channel）中進行，因微管路中表面積與體積比大，容易散熱，因此影響PCR速率主要因素的升降溫可更快速進行。30個循環甚至可在十分鐘內完成，而達到更快速精確的目標。
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