111 年 國立臺灣大學醫學檢驗暨生物技術學系碩士班（一般生）《微生物學及免疫學（A）》

此題主要在考察學生對革蘭氏陽性菌與陰性菌在細胞壁與細胞膜結構上的差異。革蘭氏染色法是微生物學中區分細菌的重要方法，其結果與細菌細胞壁的結構有直接關聯。

革蘭氏陽性菌 (Gram-positive bacteria)

1. 細胞壁 (Cell Wall)：細胞壁主要由一層厚厚的肽聚醣 (peptidoglycan) 組成，約佔細胞壁乾重的 90%。肽聚醣層位於細胞膜外，並向外延伸。
2. 細胞膜 (Cell Membrane)：細胞膜位於細胞壁的內層。
3. 特徵：肽聚醣層厚，無外膜 (outer membrane)。革蘭氏陽性菌在革蘭氏染色時，因其厚肽聚醣層能有效保留結晶紫染劑，故呈現紫色。

革蘭氏陰性菌 (Gram-negative bacteria)

1. 細胞壁 (Cell Wall)：細胞壁結構較為複雜，包含一層薄的肽聚醣層，位於內膜 (inner membrane) 和外膜 (outer membrane) 之間。肽聚醣層的厚度僅約佔細胞壁乾重的 5-10%。
2. 細胞膜 (Cell Membrane)：指內膜 (inner membrane)，緊貼細胞質。
3. 外膜 (Outer Membrane)：位於肽聚醣層之外，是革蘭氏陰性菌細胞壁的特徵。外膜由脂多醣 (lipopolysaccharide, LPS)、脂蛋白 (lipoprotein) 和磷脂 (phospholipid) 組成。脂多醣是革蘭氏陰性菌毒力的重要來源，也是引起宿主發炎反應的關鍵成分。
4. 周質空間 (Periplasmic Space)：內膜與外膜之間為周質空間，其中含有肽聚醣層以及多種水解酶和結合蛋白。
5. 特徵：肽聚醣層薄，有外膜。革蘭氏陰性菌在革蘭氏染色時，因其薄肽聚醣層無法有效保留結晶紫染劑，在脫色步驟中被脫色，隨後被複染劑（如 safranin）染成紅色。

此題主要考察對傷寒瑪莉事件的認識，以及與該事件相關的病原體、傳播途徑和疾病名稱。傷寒瑪莉（Typhoid Mary）是歷史上一位無症狀帶原者，她傳播了傷寒病，引起了廣泛的關注。

A. Mary 身上所帶有的致病細菌：
傷寒瑪莉是一位傷寒的無症狀帶原者，她體內帶有的致病細菌是沙門氏菌的其中一個血清型。
【答案】Salmonella enterica serovar Typhi

此題考驗學生對細菌抗生素抗藥性（antibiotic resistance）的常見機制。細菌演化出多種策略來抵抗抗生素的作用，這些機制通常涉及基因的改變或獲得。

以下是常見的細菌抗藥性機制，至少需要寫出五種：

1. 抗生素的降解或修飾 (Enzymatic inactivation or modification of the antibiotic)：
   細菌產生特定的酵素來破壞或化學修飾抗生素，使其失去活性。例如：

   • $\beta$-lactamase 酵素可以水解青黴素類抗生素中的 $\beta$-lactam 環。
   • 胺基糖苷類抗生素 (aminoglycosides) 可能會被乙醯化 (acetylation)、磷酸化 (phosphorylation) 或腺苷化 (adenylation)。

2. 改變抗生素的作用標的 (Alteration of the antibiotic's target)：
   細菌通過改變其細胞結構或分子（如核糖體、細胞壁合成酶、DNA 旋轉酶等）來降低抗生素與標的結合的能力。

   • 例如，對 macrolides, lincosamides, 和 streptogramins (MLS) 的抗性，常是因為核糖體 23S rRNA 上的點突變，導致抗生素無法結合。
   • 對 quinolones 的抗性，常是因為 DNA gyrase 或 topoisomerase IV 的亞基突變。
   • 對 vancomycin 的抗性，常是因為細胞壁前驅物 D-Ala-D-Ala 被 D-Ala-D-Lac 或 D-Ala-D-Ser 取代，降低 vancomycin 的結合親和力。

3. 減少抗生素進入細胞或增加其排出 (Reduced permeability or increased efflux)：

   • 減少進入：通過減少或關閉細胞膜上的運輸蛋白（porins），阻止抗生素進入細菌細胞。例如，革蘭氏陰性菌外膜 porin 數量的減少。

此題考驗學生對常見抗生素作用機制及標的的了解。需要將每一種抗生素與其主要作用的細胞結構或分子進行配對。

抗生素與作用標的配對分析：

• A. Vancomycin：
  Vancomycin 是一種醣胜肽類抗生素，主要作用於細菌的細胞壁合成。它結合於肽聚醣前驅物末端的 D-丙氨醯-D-丙氨酸 (D-Ala-D-Ala) 部分，阻止肽聚醣的交聯 (cross-linking)，進而抑制細胞壁的形成。
  對應標的：c. Cell wall synthesis

• B. Gentamicin：
  Gentamicin 屬於胺基糖苷類抗生素 (aminoglycoside antibiotic)。它主要結合於細菌核糖體 (ribosome) 的 30S 次單元，干擾 mRNA 的讀取 (translation)，導致產生非功能性的蛋白質，或抑制蛋白質的起始合成。
  對應標的：a. Protein synthesis

此題考驗學生對 SARS-CoV-2 感染檢測方法的了解，包括各種檢測方法的名稱及其背後的原理。SARS-CoV-2 感染的檢測主要分為兩大類：檢測病毒本身（直接證據）和檢測人體對病毒產生的免疫反應（間接證據）。

檢測 SARS-CoV-2 感染的方法及其檢測原理：

1. 核酸檢測 (Nucleic Acid Amplification Test, NAAT)：

   • 原理：這類檢測方法（如 RT-PCR）是目前診斷 SARS-CoV-2 感染的黃金標準。其原理是利用聚合酶鏈式反應 (PCR) 或其他核酸擴增技術，對檢體中是否存在病毒的特異性 RNA 序列進行放大。對於 RNA 病毒如 SARS-CoV-2，通常會先進行反轉錄 (Reverse Transcription, RT) 將病毒 RNA 轉化為 cDNA，然後再進行 PCR 擴增。通過檢測是否有足夠數量的擴增產物，來判斷檢體中是否存在病毒 RNA。
   • 常見方法：實時定量 RT-PCR (RT-qPCR)。
   • 檢體來源：鼻咽拭子、喉拭子、唾液等。
   • 優點：靈敏度和特異性高，能早期檢測到感染。

2. 抗原檢測 (Antigen Test)：

   • 原理：抗原檢測是利用免疫學方法，直接檢測檢體中是否存在 SARS-CoV-2 的病毒蛋白質（抗原）。通常是利用特異性抗體來捕捉病毒抗原，然後通過顯色反應（如膠體金免疫層析法，類似於驗孕棒）來顯示結果。
   • 檢體來源：鼻咽拭子、鼻腔拭子等。

此題考驗學生對兩種主流 COVID-19 疫苗（Moderna 和 AstraZeneca）設計原理的理解，包括它們所採用的技術平台和作用機制。

1. Moderna 疫苗 (Moderna-Spikevax)

• 技術平台：mRNA 疫苗 (Messenger RNA vaccine)。
• 設計原理：
  • Moderna 疫苗是一種基於信使核糖核酸 (mRNA) 的疫苗。它包含一段由實驗室合成的 mRNA 分子，該 mRNA 編碼 SARS-CoV-2 病毒的棘狀蛋白 (spike protein)。
  • 疫苗被包裹在脂質奈米顆粒 (lipid nanoparticles, LNPs) 中，以保護 mRNA 免受降解並幫助其進入人體細胞。
  • 當疫苗被注射入體內後，LNPs 將 mRNA 遞送到細胞內（主要是肌肉細胞和免疫細胞）。
  • 細胞內的核糖體會讀取這段 mRNA，並按照其編碼的指令，在細胞內合成 SARS-CoV-2 的棘狀蛋白。
  • 這些合成的棘狀蛋白會被呈現到細胞表面，或釋放到細胞外。人體的免疫系統將這些外來的棘狀蛋白識別為抗原，進而產生針對該棘狀蛋白的免疫反應，包括產生中和抗體 (neutralizing antibodies) 和 T 細胞反應 (T cell responses)。
  • 如果接種者之後接觸到真正的 SARS-CoV-2 病毒，其免疫系統就能夠快速識別並中和病毒，從而預防感染或減輕疾病的嚴重程度。
  • mRNA 本身不會進入細胞核，也不會整合到人體的 DNA 中，它會在細胞內短時間內被降解。

2. AstraZeneca 疫苗 (Vaxzevria)

此題考驗學生設計實驗的能力，以驗證疫苗對不同病毒株的保護力。設計實驗需要考慮實驗對象、分組、疫苗接種、病毒挑戰、評估指標等關鍵要素。

實驗設計：

實驗目的： 評估某種疫苗（例如，針對 SARS-CoV-2 原始株開發的疫苗）對不同變異株（例如，Alpha、Beta、Delta、Omicron 等）的保護力。

實驗對象： 實驗動物模型（例如，倉鼠、猴子）或人體臨床試驗（倫理考量下，通常在動物模型上先進行）。為簡化說明，以下以動物模型為例。

實驗分組：
至少需要以下幾組：

1. 疫苗組 (Vaccinated Group)：接種所開發的疫苗。
2. 對照組 (Control Group)：不接種疫苗，可能接種安慰劑（如生理食鹽水）。
3. 進一步細分：為了評估對不同病毒株的保護力，每個大組（疫苗組和對照組）都需要再細分為針對不同病毒株進行挑戰的小組。例如：
   • 疫苗組 - 原始株挑戰組
   • 疫苗組 - Alpha 株挑戰組
   • 疫苗組 - Delta 株挑戰組
   • 疫苗組 - Omicron 株挑戰組
   • 對照組 - 原始株挑戰組
   • 對照組 - Alpha 株挑戰組
   • 對照組 - Delta 株挑戰組
   • 對照組 - Omicron 株挑戰組

實驗步驟：

1. 準備與分組：

   • 選擇足夠數量的、基因背景相似的實驗動物。
   • 將動物隨機分配到上述各組。確保每組有足夠的樣本數以進行統計分析。

2. 疫苗接種：

   • 給予疫苗組動物按照預設劑量和時間表接種疫苗。
   • 對照組動物接種安慰劑。
   • 等待足夠的時間（例如 2-4 週），讓動物產生免疫反應。

3. 免疫指標評估（可選，但推薦）：

   • 在進行病毒挑戰之前，可以抽取動物的血液樣本，檢測其產生的抗體水平（特別是針對棘狀蛋白的結合抗體和中和抗體）以及 T 細胞的反應。
   • 評估方法：ELISA 測定結合抗體滴度；假病毒中和試驗 (pseudovirus neutralization assay) 或真實病毒中和試驗測定中和抗體效價；IFN-$\gamma$ ELISpot 或流式細胞術測定 T 細胞反應。

此題考驗學生對自然殺手細胞 (NK cells) 在抗病毒免疫中的作用，特別是其識別、殺傷機制，以及與巨噬細胞的協同作用。

核心觀念： NK 細胞是一種重要的先天免疫細胞，能夠識別並殺死異常細胞（如腫瘤細胞、病毒感染細胞），且不需預先活化（與 T 細胞不同）。其殺傷機制涉及抑制性與活化性受體的平衡。

(1) NK cells 如何辨識被病毒感染的細胞 (4分)

NK 細胞的識別機制是基於細胞表面的多種受體，這些受體可以識別「自我」與「非我」的標記，以及細胞的異常狀態。病毒感染會導致細胞出現特定的變化，使 NK 細胞能夠識別。

• 去抑制訊號 (Lack of inhibitory signals) / MHC Class I 的降低 (Downregulation of MHC Class I)：

  • 正常細胞表面會表達 MHC Class I 分子，這些分子能與 NK 細胞表面的抑制性受體（如 KIRs - Killer cell immunoglobulin-like receptors, 或 CD94/NKG2A）結合，發出「停止殺傷」的訊號。
  • 許多病毒感染後，為了逃避免疫系統（包括細胞毒殺 T 細胞），會干擾或降低細胞表面 MHC Class I 分子的表達。
  • 當細胞表面 MHC Class I 分子表達降低時，抑制性受體與 MHC Class I 的結合減弱，抑制訊號減弱，使得 NK 細胞更容易被活化。這被稱為「失落的自我」 (missing self) 假說。

• 活化訊號 (Presence of activating signals)：

  • 病毒感染細胞或處於壓力狀態下的細胞，可能會在細胞表面表達一些「壓力誘導性分子」或「損傷相關分子模式」(DAMPs)，這些分子可以與 NK 細胞表面的活化性受體（如 NKp46, NKp30, NKp44, NKG2D, CD16 等）結合，發出「啟動殺傷」的訊號。
  • 例如，NKG2D 受體可以識別由病毒感染或腫瘤細胞誘導表達的 stress-induced ligands (如 MICA/MICB, ULBP)。
  • CD16 受體則可以識別與抗體結合的目標細胞（通過 ADCC）。

• 平衡機制：NK 細胞的最終活化狀態取決於其表面多個抑制性受體和活化性受體所接收到的訊號之間的平衡。當活化訊號強於抑制訊號時，NK 細胞就會被活化。病毒感染細胞通常會同時表現出 MHC Class I 的降低（減弱抑制）和壓力分子的增加（增強活化），從而有效地吸引 NK 細胞的殺傷。

(2) NK cells 如何直接殺死被病毒感染的細胞 (3分)

一旦 NK 細胞被活化，它們會通過直接接觸目標細胞，釋放細胞毒性分子來殺死被感染的細胞。

• 釋放細胞溶解性顆粒 (Release of cytotoxic granules)：
  • 活化的 NK 細胞會將其細胞質中的細胞溶解性顆粒（包含穿孔素 Perforin 和粒酶 Granzymes）定向釋放到與目標細胞接觸的突觸處 (NK-target cell synapse)。
  • 穿孔素 (Perforin)：可以在目標細胞膜上形成孔洞，幫助粒酶進入細胞。

此題考驗學生對免疫耐受性概念的理解，包括其定義、兩種主要機轉（中樞與周邊耐受），以及環境因素在觸發自體免疫疾病中的作用。

核心觀念： 免疫系統能夠區分「自我」與「非我」，並對「自我」抗原產生耐受，避免攻擊自身組織。免疫耐受性的建立和維持是防止自體免疫疾病的關鍵。

(1) 何謂免疫耐受性? (3分)

免疫耐受性 (Immunological tolerance) 是指免疫系統對特定抗原（通常是自身抗原，但也可包括外來抗原，如在特定情況下），不產生免疫反應（如細胞免疫或體液免疫）的能力。它是免疫系統區分「自我」與「非我」的關鍵機制，確保免疫系統不會攻擊自身的細胞和組織。免疫耐受性可以分為先天性的（例如，對自身的某些抗原從未引發過免疫反應）和後天獲得性的（在免疫系統發育成熟後，通過特定機制建立的）。

(2) Central tolerance 及 peripheral tolerance 的機轉為何? (10分)

免疫耐受性的建立主要通過兩種機制：中樞耐受 (Central tolerance) 和周邊耐受 (Peripheral tolerance)。

• 中樞耐受 (Central tolerance)：

  • 發生部位：主要在免疫器官的發育成熟階段，即胸腺 (thymus) 中的 T 細胞，以及骨髓 (bone marrow) 中的 B 細胞。
  • 機轉：
    • T 細胞：在胸腺中，T 細胞前驅細胞（TCR）會與胸腺上皮細胞表達的自身抗原（來自全身各處）進行篩選。
      • 陽性選擇 (Positive selection)：T 細胞必須能夠識別 MHC 分子。如果 TCR 不能與 MHC 分子結合，則會被刪除（凋亡）。
      • 陰性選擇 (Negative selection)：能夠與自身 MHC-抗原複合物緊密結合的 T 細胞，被認為是潛在的自反應性 T 細胞 (autoreactive T cells)，它們會被誘導凋亡（克隆刪除, clonal deletion）。
      • 少數 T 細胞在胸腺中獲得對自身抗原的「弱」反應，並不會被刪除，而是發展成調節性 T 細胞 (regulatory T cells, Treg)，它們在周邊免疫器官中發揮作用。
    • B 細胞：在骨髓中，B 細胞的篩選機制與 T 細胞類似。
      • 能夠與自身抗原結合的 B 細胞，如果結合強度很高，會被誘導凋亡（克隆刪除）。
      • 如果結合強度較弱，B 細胞可能會發生輕鏈編輯 (light chain editing)，嘗試改變其表面抗體的特異性，以避免識別自身抗原。如果編輯成功，則可存活；否則，仍會被刪除。
  • 結果：從中樞免疫器官（胸腺、骨髓）輸送到周邊的淋巴細胞，絕大多數是對自身抗原不產生反應的。

• 周邊耐受 (Peripheral tolerance)：

  • 發生部位：在中樞免疫器官之外的全身各處（如淋巴結、脾臟、組織）。
  • 機轉：這是對那些「漏網之魚」（即對自身抗原產生反應的淋巴細胞）的第二道防線。
    • 免疫豁免 (Immune ignorance/privilege)：某些自身抗原（如腦、眼、睪丸內的抗原）被隔離在免疫豁免區 (immune privileged sites)，淋巴細胞難以接觸到，因此不會引發免疫反應。
    • 無效活化 (Anergy)：淋巴細胞（特別是 T 細胞）遇到自身抗原，但缺乏來自輔助訊號（如來自抗原呈遞細胞的共刺激分子 B7，CD80/CD86）時，會進入無效活化狀態，對該抗原產生功能性無反應，而不是凋亡。
    • 調節性 T 細胞 (Regulatory T cells, Treg)：Treg 細胞（如 CD4+CD25+FoxP3+ T cells）在中樞和周邊均有存在。

此題為名詞解釋題，要求對四個免疫學相關名詞進行簡潔準確的解釋。

(1) Memory T cell (記憶型 T 細胞)

• 定義：記憶型 T 細胞是一類在初次感染或免疫應答後，能夠長期存活的 T 細胞亞群。它們對先前遭遇過的抗原具有更強、更快速的反應能力。
• 特徵：
  • 壽命長，可存活數月至數年，甚至終生。
  • 對先前識別過的抗原具有高度敏感性，再次接觸時能迅速活化、增殖並發揮功能（產生細胞因子、殺傷目標細胞等），其反應速度和強度遠超初次應答。
  • 存在於外周組織和淋巴器官中，分佈廣泛。
  • 可進一步分為中央記憶 T 細胞 (central memory T cells, TCM) 和效應記憶 T 細胞 (effector memory T cells, TEM) 等亞型，TCM 主要存在於淋巴器官，能快速增殖並產生大量效應 T 細胞；TEM 主要存在於組織中，能快速發揮效應功能。
• 重要性：記憶型 T 細胞是疫苗接種和獲得性免疫的基礎，它們提供了對病原體的長期保護。

(2) Chimeric antigen receptor T-cell therapy (CAR T-cell therapy, 嵌合抗原受體 T 細胞療法)

• 定義：CAR T-cell therapy 是一種新興的、基於基因工程改造的免疫療法，主要用於治療某些類型的癌症，特別是血液腫瘤。
• 原理：
  • 首先，從患者體內抽取 T 細胞。
  • 然後，通過基因工程技術，將編碼嵌合抗原受體 (Chimeric Antigen Receptor, CAR) 的基因轉導到 T 細胞中。CAR 是一種人工合成的受體，它結合了識別腫瘤細胞表面特定抗原的單鏈可變區 (scFv) 和 T 細胞活化所需的細胞內訊號傳導結構域（如 CD3$\zeta$）。
  • 經過改造的 T 細胞（CAR T 細胞）被擴增培養，然後輸注回患者體內。
  • 這些 CAR T 細胞能夠特異性地識別並結合腫瘤細胞表面的目標抗原，然後被活化，並發揮細胞毒性作用，殺死腫瘤細胞。
• 重要性：CAR T-cell therapy 在治療某些傳統療法難以治癒的癌症（如復發性或難治性 B 細胞淋巴瘤、急性淋巴性白血病）方面取得了顯著成功，被譽為「活的藥物」。

(3) Allelic exclusion (等位基因排除)

• 定義：等位基因排除是一種細胞發育過程中的調控機制，確保一個二倍體細胞中的每個基因座，其兩個等位基因（一個來自父方，一個來自母方）中，只有一個被表達。
• 發生場所和機制：
  • 免疫球蛋白 (Immunoglobulin, Ig) 的產生：在 B 細胞發育過程中，當 B 細胞開始表達表面免疫球蛋白 (BCR) 時，一旦成功合成並表達一條重鏈和一條輕鏈，就會啟動等位基因排除機制。