113 年 國立成功大學微生物及免疫學研究所丙組在職生《微生物學》

此題考驗對噬菌體療法（Bacteriophage therapy）的了解，包含其發展步驟與關鍵考量。噬菌體療法是利用病毒（噬菌體）來感染並殺死細菌的一種方法，對於抗生素抗藥性細菌的問題具有潛在的應用價值。

發展噬菌體療法的步驟與考量如下：

1. 確定目標致病菌 (Identify the target pathogenic bacterium)：

   • 首先需要明確目標細菌的種類，例如金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa）等。
   • 了解該細菌的致病機制、臨床表現以及現有的治療方法（包括抗生素的有效性與抗藥性情況）。

2. 篩選與分離噬菌體 (Screening and isolation of bacteriophages)：

   • 從自然環境（如污水、土壤、受感染的動物糞便等）中分離出能夠感染目標細菌的噬菌體。
   • 這個過程通常涉及將環境樣本與目標細菌混合培養，然後利用噬菌體對細菌的裂解作用（plaque formation）來進行篩選。
   • 對分離到的噬菌體進行初步鑑定，例如觀察其形態、宿主範圍等。

3. 噬菌體鑑定與特性分析 (Phage characterization and analysis)：

   • 宿主範圍 (Host range)： 確定該噬菌體能夠感染哪些菌株，以及其專一性有多高。理想的噬菌體療法應具備足夠廣泛的宿主範圍以涵蓋大部分致病菌株，但又不過於廣泛以避免影響正常菌群。
   • 複製動力學 (Replication kinetics)： 研究噬菌體在目標細菌中的複製速度和效率。
   • 裂解效能 (Lytic efficiency)： 評估噬菌體殺死細菌的能力，包括所需的感染劑量和作用時間。

此題考驗對細菌分類方法的掌握。細菌的分類是微生物學的基礎之一，科學家們利用各種不同的標準來對細菌進行分類，以便於研究和識別。

細菌分類的五種方式及其簡略說明如下：

1. 形態學分類 (Morphological classification)：

   • 說明： 根據細菌細胞的形狀、大小、排列方式進行分類。
   • 範例： 球菌（cocci，如葡萄球菌）、桿菌（bacilli，如大腸桿菌）、螺旋菌（spirilla）。球菌可單獨存在，也可成對（diplococci）、鏈狀（streptococci）或簇狀（staphylococci）排列。

2. 染色學分類 (Staining characteristics classification)：

   • 說明： 根據細菌細胞壁對特定染料（如革蘭氏染色法）的反應進行分類。這是最常用且重要的分類方法之一。
   • 範例： 革蘭氏陽性菌（Gram-positive bacteria，細胞壁肽聚醣層厚，染成藍紫色）和革蘭氏陰性菌（Gram-negative bacteria，細胞壁外有脂多醣層，染成紅色）。

3. 生理生化特性分類 (Physiological and biochemical characteristics classification)：

   • 說明： 根據細菌的代謝途徑、營養需求、能量產生方式、產物（如氣體、酸、酶）以及對特定化學物質的反應等進行分類。
   • 範例： 根據是否產氣、產酸、分解乳糖、利用檸檬酸、進行光合作用、固氮作用、厭氧或需氧等。例如，大腸桿菌（Escherichia coli）能發酵乳糖產酸產氣。

此題考驗對梭狀芽孢桿菌屬（Clostridium）重要致病菌及其毒素的了解。梭狀芽孢桿菌屬是革蘭氏陽性、專性厭氧的桿菌，其中包含多種重要的致病菌，牠們的致病性主要來自於產生的強大外毒素。

以下列出三種梭狀芽孢桿菌屬的致病菌、其產生的毒素以及毒素的作用方式：

1. 產氣莢膜梭菌 ( Clostridium perfringens )

   • 毒素： α-毒素 (alpha-toxin, 磷脂酶 C, Phospholipase C)
   • 作用方式： α-毒素是一種磷脂酶 C，能水解細胞膜上的磷脂（特別是磷脂醯膽鹼和鞘磷脂），破壞細胞膜的結構完整性，導致細胞溶解。它也是一種溶血素，能裂解紅血球。在組織感染中，α-毒素會破壞細胞膜，引起組織損傷、壞死，並促進細菌在組織中擴散，是引起氣性壞疽（gas gangrene）的主要毒素之一。
   • 補充： C. perfringens 還能產生 β-毒素（腸毒素，引起壞死性腸炎）、ε-毒素（腸毒素，增加腸壁通透性）和 ι-毒素（一種酶，能改變細胞骨架）等，不同亞型（Type A-E）產生不同組合的毒素。

2. 破傷風梭菌 ( Clostridium tetani )

   • 毒素： 破傷風痙攣毒素 (Tetanospasmin, Tetanus toxin)
   • 作用方式： Tetanospasmin 是一種神經毒素，屬於 A-B 型毒素。它首先結合到神經肌肉接頭的受體上，然後被內吞。

此題考驗對細菌（Bacteria）和古菌（Archaea）之間差異的理解。儘管兩者在形態上常有相似之處，且都是原核生物，但在細胞結構、生化代謝、遺傳物質等方面存在顯著差異，這也是將它們區分為兩個獨立域（Domain）的主要依據。

細菌與古菌的兩項差異如下：

1. 細胞壁組成 (Cell wall composition)：

   • 說明： 大多數細菌的細胞壁含有肽聚醣（peptidoglycan），這是一種獨特的聚合物，由 N-乙醯葡糖胺 (NAG) 和 N-乙醯胞壁酸 (NAM) 通過 β-(1→4) 糖苷鍵連接，並交聯有肽鏈。肽聚醣是細菌細胞壁的主要結構成分，對維持細胞形態和抵抗滲透壓至關重要，也是革蘭氏染色反應的基礎。
   • 古菌： 古菌的細胞壁不含肽聚醣。雖然有些古菌有細胞壁，但其組成多樣，常見的有假肽聚醣（pseudopeptidoglycan，結構類似肽聚醣，但 NAM 被 N-乙醯葡萄糖胺取代，NAM 被 N-乙醯葡萄糖胺取代，且糖苷鍵為 β-(1→3)）、蛋白質層（S-layer，由蛋白質或醣蛋白組成，是最常見的古菌細胞壁類型）、多醣或糖蛋白。

2. 細胞膜脂質結構 (Cell membrane lipid structure)：

   • 說明： 細菌和真核生物的細胞膜脂質主要由甘油連接脂肪酸形成酯鍵（ester linkage）的甘油磷脂（glycerophospholip

此題考驗對螺旋菌（Spirochaetes，現歸類於 Spirochaetota 門）中的重要致病菌及其所引起疾病的認識。螺旋菌是一類革蘭氏陰性、螺旋狀或彎曲狀的細菌，其特殊形態和運動方式（利用內鞭毛/軸絲）是其重要特徵。

以下是螺旋菌門中一些重要的致病菌菌種名稱及其所造成的疾病：

1. 梅毒螺旋體 ( Treponema pallidum )

   • 疾病： 梅毒 (Syphilis)
   • 說明： 這是人類最著名的性傳播感染（STI）之一。T. pallidum 引起全身性感染，分為潛伏期、一期（硬下疳）、二期（皮疹、淋巴結腫大等）和三期（晚期，可影響心血管系統、神經系統等，引起各種嚴重併發症）。T. pallidum 難以在體外培養，診斷主要依賴血清學檢查。

2. 疏螺旋體屬 ( Borrelia )

   • 疾病：
     • 萊姆病 (Lyme disease)： 由Borrelia burgdorferi引起，經蜱蟲（ticks）傳播。早期症狀包括遊走性紅斑（erythema migrans），後期可侵犯關節、神經系統和心臟。

此題考驗對 HIV 病毒複製機制與其他 RNA 病毒複製機制的比較。HIV 是一種反轉錄病毒（retrovirus），其基因組複製過程具有獨特性，與大多數 RNA 病毒（如流感病毒、小兒麻痺病毒）有顯著區別。

HIV 在基因複製過程中與其他 RNA 病毒的五點不同之處如下：

1. 反轉錄酶 (Reverse transcriptase)：

   • HIV： HIV 病毒顆粒中攜帶一個獨特的酶——反轉錄酶（RT）。這種酶能以病毒的 RNA 基因組為模板，合成 DNA 鏈，然後將 RNA 降解，再合成第二條 DNA 鏈，最終形成雙鏈 DNA (dsDNA) 分子。
   • 其他 RNA 病毒： 大多數 RNA 病毒（如正鏈單股 RNA 病毒，+ssRNA）直接利用其 RNA 基因組作為 mRNA 在宿主細胞的核糖體上進行翻譯，或利用其 RNA 基因組作為模板合成互補 RNA 鏈（-ssRNA），再以此為模板合成 mRNA。有些 RNA 病毒（如流感病毒，-ssRNA 病毒）在其病毒顆粒內攜帶 RNA 依賴性 RNA 聚合酶（RdRp），用於合成互補 RNA 和 mRNA，但它們不合成 DNA。

2. DNA 中間產物的形成與整合 (Formation and integration of DNA intermediate)：

   • HIV： HIV 反轉錄酶合成的雙鏈 DNA 分子會進入宿主細胞核，並在另一種病毒酶——整合酶（integrase）的幫助下，將病毒 DNA 整合到宿主細胞的染色體 DNA 中，形成前病毒 DNA（proviral DNA）。一旦整合，病毒 DNA 就成為宿主基因組的一部分，隨著宿主細胞的複製而傳代。
   • 其他 RNA 病毒： 大多數 RNA 病毒的複製過程不涉及將病毒基因組轉錄成 DNA，也不會整合到宿主染色體中。它們的 RNA 基因組在細胞質中直接複製或翻譯。

3. 基因組複製場所 (Site of genome replication)：

   • HIV： HIV 的反轉錄和整合過程發生在宿主細胞核內。病毒 DNA 整合到宿主染色體後，其轉錄（由宿主細胞的 RNA 聚合酶 II 完成）也發生在細胞核內。
   • 其他 RNA 病毒： 大多數 RNA 病毒的複製（包括 RNA 的複製和蛋白質的合成）主要發生在細胞質中（如 Picornaviruses, Flaviviruses）。

此題考驗對實驗設計能力的掌握，特別是在研究細胞因子（cytokine）在病毒感染中作用的實驗設計。日本腦炎病毒（JEV）是一種蚊媒 RNA 病毒，感染主要影響中樞神經系統。題目指出 JEV 感染會誘導小鼠腦部產生 IL-19，要求設計實驗來探討 IL-19 的作用。

研究 IL-19 在 JEV 感染中作用的實驗設計可以從以下幾個方面進行：

核心概念： 要探究 IL-19 的作用，需要能夠「增加」或「減少」IL-19 的水平，然後觀察對 JEV 感染結果（如病毒滴度、病理損傷、存活率、神經功能等）的影響。

實驗設計方案：

A. 評估 IL-19 的促進或抑制作用 (Assessing the promoting or inhibitory role of IL-19)：

1. 體內實驗 (In vivo experiments)：

   • 使用 IL-19 基因敲除小鼠 (IL-19 knockout mice)：

     • 實驗組： 使用 IL-19 基因敲除小鼠，並感染 JEV。
     • 對照組： 使用野生型 (wild-type, WT) 小鼠，並感染 JEV。
     • 觀察指標：
       • 病毒滴度 (Viral titer)： 在感染不同時間點，取小鼠腦組織，定量檢測 JEV RNA 或病毒顆粒數量（如 qRT-PCR, plaque assay）。若 IL-19 缺乏會導致病毒滴度顯著降低，則表明 IL-19 可能促進病毒複製或擴散。反之，若滴度顯著升高，則表明 IL-19 可能抑制病毒。
       • 病理學評估 (Pathological assessment)： 對腦組織進行組織學染色（如 H&E 染色），評估神經細胞損傷、炎症細胞浸潤、腦水腫、血腦屏障破壞程度等。
       • 神經功能測試 (Neurological function tests)： 評估小鼠的運動協調性、學習記憶能力等（如懸掛測試、水迷宮測試）。
       • 存活率 (Survival rate)： 觀察感染後小鼠的存活時間和比例。
     • 預期結果： 如果 IL-19 基因敲除小鼠的 JEV 感染表現（如病毒滴度、病理損傷、死亡率）與野生型小鼠相比有顯著差異，則可推斷 IL-19 在 JEV 感染中的作用。

   • 外源性給予 IL-19 (Exogenous administration of IL-19)：

     • 實驗組： 在感染 JEV 的野生型小鼠中，給予外源性 IL-19（如通過腹腔注射或腦內注射重組 IL-19 蛋白）。
     • 對照組： 感染 JEV 的野生型小鼠，給予安慰劑（如 PBS）。
     • 觀察指標： 同上，比較給予 IL-19 和安慰劑組在病毒滴度、病理損傷、神經功能和存活率上的差異。如果外源性給予 IL-19 能加劇 JEV 感染的症狀，則表明 IL-19 可能促進 JEV 的致病性。

   • 使用 IL-19 阻斷劑或拮抗劑 (Using IL-19 blocking agents or antagonists)：

     • 實驗組： 感染 JEV 的野生型小鼠，給予特異性阻斷 IL-19 信號通路的藥物（如 IL-19 受體阻斷劑）。
     • 對照組： 感染 JEV 的野生型小鼠，給予安慰劑。
     • 觀察指標： 同上，觀察阻斷 IL-19 信號通路後對 JEV 感染結果的影響。

此題考驗對 COVID-19 疫苗種類及其作用機制的了解。COVID-19 疫苗的目標是通過誘導免疫反應，使人體能夠識別並抵抗 SARS-CoV-2 病毒，從而預防感染、減輕症狀、降低重症和死亡的風險。

用於降低人類 COVID-19 嚴重度的四種主要疫苗種類及其簡述如下：

1. mRNA 疫苗 (mRNA Vaccines)：

   • 原理： 這類疫苗（如輝瑞/BioNTech 的 BNT162b2 和 Moderna 的 mRNA-1273）將編碼 SARS-CoV-2 病毒刺突蛋白（Spike protein）的信使 RNA (mRNA) 包裹在脂質奈米顆粒 (lipid nanoparticles, LNPs) 中遞送到人體細胞。細胞利用這些 mRNA 作為模板，合成病毒的刺突蛋白。身體的免疫系統隨後識別這些外來的刺突蛋白，產生針對性的抗體和細胞免疫反應，從而獲得對病毒的保護。
   • 特點： mRNA 不會整合到宿主基因組，安全性高；生產速度快；免疫反應強。

2. 腺病毒載體疫苗 (Adenovirus-vectored Vaccines)：

   • 原理： 這類疫苗（如 AstraZeneca 的 AZD1222 和嬌生/Janssen 的 Ad26.COV2.S）使用經過改造的無害腺病毒（通常是無法自我複製的黑猩猩腺病毒或人類腺病毒）作為載體，將編碼 SARS-CoV-2 刺突蛋白的基因導入人體細胞。細胞利用這個基因合成刺突蛋白，進而誘導免疫反應。
   • 特點： 載體病毒穩定，可提供較長的免疫保護；但可能存在預存免疫的干擾，且少數情況下與血栓事件有關聯。

此題考驗對人體對抗病毒感染的免疫反應的了解。人體免疫系統是一套複雜的防禦網絡，能夠識別並清除病毒，保護機體健康。病毒感染的免疫反應涉及先天免疫和適應性免疫的協同作用。

人類用來抵抗病毒感染的四種主要免疫反應及其作用機制如下：

1. 干擾素（Interferons, IFNs）的產生與作用 (Production and action of Interferons)：

   • 機制： 當細胞受到病毒感染時，會產生和釋放干擾素。干擾素是一類細胞因子，主要作用於細胞內。它們可以結合到未感染細胞的表面受體上，誘導這些細胞產生抗病毒蛋白，這些蛋白能夠抑制病毒的複製。此外，干擾素還能激活自然殺傷細胞（NK cells）和巨噬細胞，增強它們殺死受感染細胞的能力。
   • 作用： 干擾素是先天免疫的重要組成部分，能快速啟動細胞的抗病毒狀態，限制病毒在體內的早期擴散。

2. 細胞毒性 T 細胞 (Cytotoxic T lymphocytes, CTLs) 的殺傷作用 (Killing activity of CTLs)：

   • 機制： 病毒感染的細胞會將病毒來源的抗原肽（peptides）呈現在其細胞表面的主要組織相容性複合體第一類分子（MHC Class I）上。CTLs（屬於適應性免疫中的細胞免疫）能夠識別這些帶有病毒抗原的 MHC Class I 分子。一旦識別，CTLs 會通過釋放細胞溶解物質（如穿孔素 perforin 和顆粒酶 granzymes）來誘導受感染細胞凋亡（programmed cell death），從而清除病毒的「溫床」。
   • 作用： CTLs 是清除已感染細胞、阻止病毒進一步複製和傳播的關鍵。

3. 抗體（Antibodies）的中和作用 (Neutralization by Antibodies)：

   • 機制： B 細胞在輔助 T 細胞（helper T cells）的幫助下，分化為漿細胞（plasma cells），產生針對病毒的特異性抗體。抗體可以通過多種方式抵抗病毒：