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2023-06-21
在發動鄉民的正義之前,你了解分析化學與毒物檢測嗎?
徐丞志/雷文虎克生物技術創辦人兼執行長、臺大化學系副教授、現任臺灣質譜學學會理事
在發動鄉民的正義之前,你了解分析化學與毒物檢測嗎?

在今年6月初,臺灣爆發了「『疑似』幼兒園餵毒案」。新北市某私立幼兒園的幼童疑似被幼保人員餵食不明藥物,部分家長在得知此消息後自行帶孩童前往醫院驗血、驗尿,共有八位幼童體內被驗出「巴比妥」(barbiturates)及「苯二氮平類」(benzodiazepines, BZD)等藥物的微量殘留反應。

雖然此事件的最終結論仍有待法院與檢調單位判定,但之所以在科學證據未充足之前就引發民眾的強烈反應,甚至導致一連串的政治風暴,肇因於大眾對於毒品檢測技術的極限與應用範圍的認知不足所致。毒物檢測是一門不算新的科學,然而近30年來因為儀器分析的推陳出新,讓毒物檢測方法有快速的進展;也因為技術發展的速度遠超過教科書改版的速度,讓許多本該對毒物檢測有專業知識的醫療工作者,來不及在職業養成階段就接觸到最新的分析檢測技術。在本篇文章中,筆者將分別就不同面相來說明本次事件背後的科學。

巴比妥與苯二氮平有什麼用途?

本次事件的主角巴比妥和苯二氮平是常見的中樞神經抑制劑藥物,具有重要的醫療應用價值。它們能透過不同的機制產生鎮靜、麻醉、抗癲癇、催眠、肌肉放鬆、抗焦慮等效果。此外,由於這兩類藥物的衍生物結構繁多,包括短效和長效巴比妥,以及不同的苯二氮平類藥物,因此這些衍生物也具有不同的藥物動力學(pharmacokinetics)特性和臨床應用。

然而巴比妥和苯二氮平的使用也伴隨著一定的風險和限制。過量使用巴比妥可能導致嗜睡、呼吸抑制甚至是生命危險;而過量使用苯二氮平則可能導致藥物依賴性,或是影響認知和協調能力。因此在使用這些藥物時,必須嚴格遵循醫師的指示合理控制劑量,並注意潛在的風險和限制,以確保能安全和有效的使用它們。

當代的毒物/藥物檢測技術原理

目前檢驗單位在檢測巴比妥和苯二氮平這類藥物分子時,常用的方法包括「免疫分析法」(immunoassay)和「液相層析質譜法」(liquid chromatography-mass spectrometry, LC-MS)。以下簡單說明這兩項方法的原理。

免疫分析法

一種藉由抗原(antigen)和抗體(antibody)的特異性反應進行檢測的方法。它包括多種不同的技術,例如酵素連結免疫吸附法(enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)、螢光免疫分析法(fluorescent immunoassay,FIA)等。這些方法皆是利用抗體與目標物質(如藥物)之間的特異性結合產生非共價性鍵結,接著再透過檢測抗體與標誌物質的訊號來間接測量目標物質的存在量。免疫分析法在速度、價格、便利性方面具有明顯優勢,使得免疫分析法在國內外絕大多數的臨床檢驗中廣泛被使用,特別是在藥物的快速篩檢和疾病的初步診斷上。在免疫分析法中,一般的步驟包括樣品處理、試劑添加、特異性結合、沖洗、訊號讀取。但也因為生物檢體中往往具有上萬種結構不同的化學成分(包括核酸、蛋白質、代謝物、脂質、醣類等),只要檢體含有少量與目標分析物結構相似的化學分子,它就有可能和抗體接合形成交叉反應,因此產生微弱的陽性訊號,進而造成訊號判讀的干擾。這種「不應出現卻出現訊號」的狀況被稱之為「偽陽」,而在本次事件中就有苯二氮平的免疫快篩陽性檢體,事後被證明是偽陽的情況。

液相層析質譜法

是結合了液相層析(liquid chromatography, LC)和質譜儀(mass spectrometry, MS)的分析技術。液相層析可以根據樣品成分的化學性質與親和性進行分離;質譜儀則像是分子的「體重計」一樣,能夠量測分子的質量(質荷比,mass-to-charge ratio)對化學物質進行分析和鑑定。相較於免疫分析法,液相層析質譜儀具有更高的精確性和特異性,能夠更準確地識別複雜樣本中的藥物和代謝物,並且進行精確的定量分析。也因為質譜儀能夠區分結構相似的不同化合物,大幅度降低了藥物篩檢時發生偽陽性的機率,並且能夠針對目標分子進行精確的定量。目前世界各國政府的藥物與毒物篩檢指引,都將質譜分析列為藥物檢測的黃金標準檢測法。

用一個比較不精確但或許比較容易理解的說法來比喻,若將「毒物分子」比喻為「新型冠狀病毒」(SARS-CoV-2),那免疫分析就類似於檢測嚴重特殊傳染性肺炎(COVID-19)時常用到,需要挖鼻子的抗原快篩;質譜儀就是用來做藥物和毒物檢測的定量即時聚合酶連鎖反應(qPCR)。如同疫情剛開始的前一兩年,在COVID-19盛行率還不是很高的時候,快篩陽性的疑似確診患者都要去做qPCR一樣,就是因為快篩容易出現偽陽性的情況,所以一定要再藉由qPCR的驗證才能真的算確診。而在毒物和藥物檢測中,質譜儀就像是檢測新冠病毒的qPCR,是可以作為最終結果確認的黃金標準。

所以重點來了,根據現行的法令規定,巴比妥和苯二氮平這類化學小分子藥物,在沒有正式進行質譜分析確認之前,任何使用免疫快篩的檢測結果都不能拿來當作正式的檢驗報告,更不可能拿來作為法院證據!這次事件發生之初,有少數醫界的網路意見領袖和民意代表拿著免疫快篩的報告在公開場合大肆渲染、造成社會大眾恐慌,這在國際社會上是極少會發生的情況。

當然,液相層析質譜儀也有一些限制。它的成本較高,包括儀器的購買、維護、運行成本皆所費不貲,因此並非所有的醫療院所都有能力配置質譜儀,過去大多是在大學等研究單位的儀器中心才會見到。然而,臺灣在過去十多年來經歷了許多食品安全風波,對於藥物的檢測需求大增,政府部門內也因此大量採購質譜儀,甚至連農會和果菜市場近年來也開始配置質譜儀。然而,使用液相層析質譜儀需要熟悉儀器操作和解讀結果的專業人員,但具備相關專業科系的學生在畢業後往往選擇進入半導體產業工作,因此未來質譜儀的檢測人力是否能跟上採購的速度,是相關檢驗單位日後勢必會面臨的重要挑戰。

總的來說,免疫分析法和液相層析質譜儀都是常見的藥物分析方法。免疫分析法在速度、價格、簡易性方面具有優勢,但卻存在偽陽性和特異性容易受干擾的問題;液相層析質譜儀在精確性和特異性方面表現出更高的水準,但需負擔較高的成本和專業技術要求。我們必須充分了解不同分析儀器的使用特性,才有助於選擇合適的檢測方法並確保檢測結果的準確性。本次新北市「『疑似』幼兒園餵毒案」之所以引發高度的爭議,原因就在於社會大眾甚至是握有話語權的社會菁英分子,大多都對於技術原理以及這項技術的適用範圍不清楚所致。透過不斷的研究和技術創新,我們可以改進和完善這些檢驗方法,提高它們的特異性、精確性、可靠性,以滿足更廣泛的應用需求。

檢測並非萬能!「背景訊號」該如何解讀?

上述的毒物檢測原理與應用範圍牽涉到分析化學和生物化學的核心概念,對於沒有受過專業科目教育的一般民眾來說,許多毒物的檢測結果與解釋往往會違反直覺。對此,世界各國的檢測專家也有對策,透過制定標準作業準則規範檢測的流程,以避免不同人之間的主觀意識造成的偏差。然而即使是相關領域的專家,面對同樣的檢驗結果卻也可能因為職業養成訓練的不同,而有完全不同的解讀。以這次事件為例,醫師與生化學家就會出現不同的看法。

醫師的解讀:「感冒藥裡面不會有巴比妥,所以免疫法檢測出陽性反應代表幼童體內有毒物成分,需要追查這些成分的來源。」

生化學家的解讀:「感冒藥裡面不會有巴比妥,所以免疫法檢測出陽性,代表感冒藥裡面有其他成分會與快篩試劑裡面的抗體結合,導致免疫法檢測出現弱陽性反應。」

造成這兩種差異想法的原因在於,醫學系的訓練是要針對檢測結果迅速做出反應好對症下藥,而基礎科學的訓練則是先檢視方法是否正確,接著才會針對實驗結果做出判斷。現在無論是臺灣或美國,大多數的醫院檢驗科普遍還是採用免疫快篩進行毒物檢驗,所以病人服用中的藥物成分,甚至是血液中人體自有的生化分子,都可能有機會與抗體產生微弱的非共價鍵結而出現弱陽性反應(汐止的苯二氮平快篩陽性檢體的檢驗報告中,甚至在安非他命的項目中也有微弱的訊號,但因為低於閾值而被列為陰性反應)。這邊特別要強調的是,檢驗報告出現陽性反應不代表藥物裡面含有巴比妥和苯二氮平,而是受到檢測方法先天限制所導致的結果。

上述結論,筆者在大二的分析化學課都一定會在頭幾堂課中教給學生:

「生物檢體因為成分複雜,在儀器分析時無可避免會有來自基質的干擾。」

「低於偵測極限(limit of detection)的訊號不具統計意義,應視為背景雜訊。」

法醫學上的「無罪推定」原則

由於時常需要面對檢驗方法先天的侷限,「無罪推定」是法醫學的基本訓練,但這項原則卻剛好和一般醫師在看檢驗報告時的「有病推論」相反。

現在的疾病治療藥物都須通過嚴格的安全性試驗才能被核准上市,因為一般經歷過正統醫學訓練的醫師會使用「有病推論」假設患者的身體有狀況,所以多半會開立處方請病人服用藥物進行治療,待一段時間後再檢查、確認患者的各項數值是否有因此改善。醫師會採用「有病推論」的原因在於,若是患者明明生病了,醫師卻假設他沒病,因而使患者錯過關鍵治療期所產生的麻煩更大。所以當醫師看到檢驗數字超標時,先假設病人有生病的風險,會比假設他沒病要來得低。

但是法醫的訓練卻非如此。一個明明沒犯罪的人,若僅憑藉著薄弱的證據就對他判刑,使他因此坐牢而失去的人生是賠不起的。此外,法律判決講求證據效力,所以法醫看到毒物檢測的初篩結果呈現陽性時並不會急著下結論,而是會再使去用更精準的方法進行複驗。因此,「無罪推定」原則是保障人權的核心基礎。

以毒物的尿液檢驗來說,免疫分析的毒物初篩方法因為有一定比例的偽陽性機率,所以初篩結果在法庭上是不具證據力的,必須要有更精密的質譜分析報告才能做為呈堂證供。這次幼兒疑似遭餵食巴比妥事件出現的爭議便是在於,有部分意見領袖拿著毒物初篩報告作為法院判決書,對外發表並未經專業同儕審查後的意見,進而引發民眾和家長的恐慌,才釀成如此巨大的風波。

以下節錄臺大醫院兒少保護醫療中心主治醫師曾偉杰有感於近日事件,在Facebook貼文中寫下的一段話,值得大家好好省思:

「臨床檢驗和法醫毒物檢驗的目的不同,臨床檢驗是為了快速診斷治療病人,法醫毒物檢驗是為了論罪(本案中是要找出是否有被餵藥),所以法醫毒物是絕對要避免任何type I error[註]。」

[註]型I錯誤(type I error)與型II錯誤(type II error)都是在統計分析的假說檢定中可能犯下的錯誤。型I錯誤代表虛無假說(H0)為真,但統計分析結果卻否定虛無假說;型II錯誤則是虛無假說其實不正確,但統計分析結果接受了虛無假說。
對本篇Facebook貼文有興趣的讀者,也可以點此觀看貼文 → https://reurl.cc/M84zDp

科學實證是檢驗真理的唯一標準

科學素養的養成需要十數年的教育,不過社會中人與人的信任,卻可以在短短數日內被摧毀。在本篇文章的截稿日前,陸續有報導指出原先免疫初篩陽性的檢體,在經過質譜的複驗後證實並無巴比妥和苯二氮平的成分,雖然幼兒餵毒的疑慮已逐漸平息,但是家長與幼教老師之間的信任感卻已經被撕裂。儘管如此,我們或許仍可如此正向看待,在經歷過如此全國性的情緒波瀾與政治語言的翻攪後,大家終於可以靜下心來反思,進而更能加速臺灣建立更完善的制度,以及尊重專業的文化涵養,筆者衷心期盼。

原文刊載於《科學月刊》第644期〈在發動鄉民的正義之前, 你了解分析化學與毒物檢測嗎?〉,原文網址:https://www.scimonth.com.tw/archives/6482