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還記得讀小學的時候，排隊等待打預防針的那種焦慮討厭的感覺嗎？小時候要打的疫苗可多了，成人後打預防針的頻率少了很多，但新冠肺炎全球大流行當下，勢必要大規模施打疫苗阻止疫情擴散，等到疫苗開打的那一天，我們又要回想起曾經一度被針頭所支配的恐怖……。不想打針怎麼辦？某些疾病的疫苗可以口服（例如著名的小兒麻痺沙賓口服疫苗），近年來發展出的各種無痛微針疫苗貼片對各位「暈針黨」而言也是一大福音，但你有聽過「植物口服疫苗」嗎？

抗疫吃香蕉：以豬病為例

植物口服疫苗利用分子生物學技術將病原抗原基因導入植物基因組，藉植物細胞表現出活性抗原蛋白，人或動物透過直接食用含有抗原的植物來激發腸道免疫反應，進而獲得對疾病的免疫力，相較常規疫苗具有方便給藥、成本低、較高免疫原性及生物活性、可誘導黏膜免疫、生產過程中無其他病原汙染的風險等諸多優勢。除了人類疾病外，畜牧養殖業也常受疾病所苦，十分需要開發有效且低成本的疫苗。在台灣已有成功應用植物口服疫苗於豬病防治的例子。豬生殖及呼吸道綜合症（PRRS）又稱「藍耳病」或「神秘豬病」，是在台灣一種重要的豬病毒性疾病。PRRS病毒會引起豬隻類似感冒的症狀，亦會引起母豬流產、仔豬育成率低等損害，造成養豬業嚴重的經濟損失。多年前台灣即有研究團隊利用植物基因工程技術，以香蕉葉作為生物反應器表現PRRS病毒的抗原蛋白，成功製成植物口服疫苗，有效活化宿主體內的免疫防禦機制（參考資料1）。口服疫苗藉由食用方式，使抗原直接接觸宿主腸道與黏膜，引起黏膜免疫反應，對於經黏膜引起的疾病尤其有效。被餵以轉殖香蕉葉的豬隻成功獲得對PRRS病毒的免疫力，可見植物口服疫苗對於動物疾病防治的可行性。由此可知，植物口服疫苗相當具有發展潛力，不僅害怕打針的大朋友小朋友為之雀躍，對於公共衛生較不發達的地區成千上萬的居民更是個天大好消息。這些未開發地區通常除了常受傳染病所擾外，糧食安全也是一大問題。基於生物技術，科學家們有望開發出兼具營養與疾病防治的超級食物，以改善人們的生活。

小小的植物工廠，大大的救命希望

雖然上述香蕉口服疫苗並不是透過攝食果肉部位讓宿主獲得免疫力（果肉抗原蛋白的表現量較葉片低，不足以引起宿主免疫反應），仍證明了此策略的可行性。香蕉口服疫苗的成功值得慶賀，但相同的策略對於不同的疾病或宿主可能是行不通的。在生物體內大量表達外源蛋白並不是這麼單純的一件事，並不是隨便選喜歡的蔬果就好，也不是隨便在植物體任何地方表現都可以獲得大量的外源蛋白。此外，以植物生產口服疫苗亦須考慮到食用方式，例如馬鈴薯的塊莖雖然亦可表達大量的抗原蛋白，但我們通常只吃烹煮後的馬鈴薯，而加熱過程會使抗原失活，大大降低疫苗的效率。那麼，什麼樣的植物組織適合用來作為植物口服疫苗的生物反應器呢？

RuBisCO蛋白或許是地球上最豐富的一種蛋白質了，這種在光合作用中扮演重要角色的蛋白在植物的葉綠體中產生。既然葉綠體能夠產生大量的RuBisCO蛋白，我們是不是可以利用這種胞器大量生產其他我們想要的蛋白質呢？基於這個概念，「葉綠體生物工程」（chloroplast bioengineering）便誕生了。不同於常見的農桿菌細菌載體，葉綠體生物工程使用葉綠體基因載體（亦為環狀DNA）進行基因轉殖。藉由改造載體，將欲表達的外源蛋白基因插入葉綠體基因載體中，再送回植物細胞中使其表現。與基於農桿菌的基因轉殖技術不同，葉綠體基因載體並不會進入植物細胞核內，不改變植物細胞核內的基因組，屬於在細胞器（in organello）層面上的轉譯系統。演化上，葉綠體等質體（plastid）起源於原核生物，故葉綠體基因載體亦具有許多與細菌質粒（plasmid）相似的特性。以萵苣葉系統為例，透過基因槍將葉綠體基因載體送至葉片細胞的葉綠體中再經數次組織培養，即可獲得轉質體植物。帶有外源蛋白的萵苣葉片經冷凍乾燥粉末化後，即可包裝入膠囊中於室溫中穩定保存。植物細胞可以像許多工業用細菌或酵母菌，用以生產工業規模的大量蛋白。疫苗生產應用上，植物細胞壁亦可有效保護抗原蛋白，使之免於被消化酵素與強酸降解。順利到達腸道後，細胞壁再被腸道微生物分解，以釋放出抗原蛋白，接觸腸壁黏膜以激發免疫反應。

運用葉綠體生物工程所製成的植物口服疫苗具有價格低廉、保存方便、可大量生產等諸多優點，亦較基於農桿菌的基因轉殖技術具有較高的遺傳穩定性與蛋白表現量，且轉質體植物定義上與基因轉殖植物不同，為透過定點導向的方式將外源基因置換入葉綠體基因體內，沒有農桿菌轉殖的隨機插入或因基因靜默所導致的表現不佳問題。由於葉綠體基因組為母系遺傳，大幅降低改造後的基因從花粉逃脫「污染」其他植物的風險，可免除許多基因改造生物法規的帶來的麻煩。除了生產抗原蛋白以製成疫苗外，葉綠體生物工程技術也能應用於許多代謝或遺傳疾病（例如阿茲海默症、糖尿病、高血壓和血友病等）的生物藥物生產，這些疾病的藥物通常十分昂貴，而以葉綠體生產人體治療用蛋白質可大幅降低生產成本，使大部分患者皆能負擔，未來潛力無限。葉綠體生物工程可望結合分子農業與生物製藥，為許多遭遇醫藥與糧食問題的人群帶來希望。

抗新冠植物口服疫苗？

新冠疫情爆發後，已有超過50種疫苗臨床試驗進行中，其中植物口服疫苗與治療藥物研製的可能性也在討論中。截至2020年12月底，目前已知的高效疫苗皆有需低溫保存的問題，而可常溫保存正是植物口服疫苗的優勢。另外，口服疫苗能激發人體細胞的黏膜表面免疫反應，而這也是目前以激發系統性免疫反應為主的疫苗所沒有的優點。與研發其他類型的疫苗相同，大量的臨床試驗與疫苗效力測試也是研發新冠植物口服疫苗可能遭遇到的挑戰。雖然目前仍無新冠植物口服疫苗問世，若能開發成功，除了低成本且易於保存運送外，植物口服疫苗也可以大幅減少接種過程中必須接觸潛在病患的風險，對於新冠肺炎這類高傳染性疾病的防治相當具有優勢。雖然仍為臨床階段的觀察，先前已有運用抗流感植物口服疫苗的成功例子，因此發展抗新冠植物口服疫苗不會是痴人說夢。

可食用的植物口服疫苗能避免打針所帶來的痛苦與疫苗保存的問題，雖然不是所有的傳染病疫苗都適合生產植物口服疫苗，且生物技術改造生物至今仍爭議不斷，但隨著科技進步與管制制度的完善，將來有一天，我們或許可以看到小學裡排隊打針的景象變成排隊領香蕉的有趣畫面。

參考資料

1. Chan, H. T., M. Y. Chia, V. F. Pang, C. R. Jeng, Y. Y. Do, and P. L. Huang. (2013). Oral immunogenicity of porcine reproductive and respiratory syndrome virus antigen expressed in transgenic banana. Plant Biotechnology Journal 11: 315-324.
2. Daniell, H., Chan, H.T., and Pasoreck, E.K. (2016). Vaccination via Chloroplast Genetics: Affordable Protein Drugs for the Prevention and Treatment of Inherited or Infectious Human Diseases. Annu. Rev. Genet. 50, 595-618.
3. Rosales-Mendoza et al. (2020). What Does Plant-Based Vaccine Technology Offer to the Fight against COVID-19? Vaccines 8, 183. doi:10.3390/vaccines8020183.
4. Daniell, H. (2020). From conception to COVID-19: an arduous journey of tribulations of racism and triumphs. Plant Biotechnology Journal. 18, 2147-2154.