109 高普考高考三級 農產加工 生物化學 考古題詳解
第 一 題20 分
人類血紅蛋白(hemoglobins)是由兩個不同的多肽亞基(polypeptide subunits)組成的四聚體(tetramers)。
試以 、、、 等希臘字母指定每個子單元,標明主要血紅蛋白 HbA、HbF、HbS 及 HbA 的亞基組成,並說明其存在於何種人體紅血球中。
試問糖化血紅蛋白 HbA 的醣化發生位置及其形成過程為何?同時列舉兩種目前主要運用於醫學檢驗的實驗室方法。
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核心觀念
本題評量生物化學中「血紅蛋白(Hemoglobin)之四級結構與發育表現調控」、「單一胺基酸點突變引發之分子疾病(鐮刀型貧血)」、「非酵素性蛋白質糖化作用(Glycation)」以及「臨床生化蛋白質分離分析技術」等重要觀念:
- 血紅蛋白的多聚體架構與生理發育:人體正常的血紅蛋白皆為四聚體( 形式),含有兩個 類亞基與兩個非 類亞基(、、),其基因表現在胚胎期、胎兒期至成人間具有發育時期的轉化特徵。
- 分子病理變化: 是由成人血紅蛋白基因點突變( 鏈第 6 位麩胺酸突變為纈胺酸,)所致,突變次單元以 標示。
- 非酵素性糖化(Glycation vs. Glycosylation): 屬於非酵素促成的共價修飾,反應歷經親核加成形成不穩定的席夫鹼(Schiff base),再經阿馬多里重排反應(Amadori rearrangement)生成穩定的酮胺化合物。
- 生物分子檢驗原理:臨床檢測糖化血紅蛋白主要利用「電荷差異(如離子交換層析法)」或「抗原-抗體專一性立體結構識別(如免疫分析法)」進行定量。
解題方法
本題為標準的生物化學兼臨床生化申論題,切入策略應條理分明、分項直擊命題核心:
- 第一子題(亞基組成與人體紅血球分佈):
- 採結構化表格或條列並列,以標準次單元表示法(如 )精準作答。
- 針對人體紅血球的存在狀態,需明確指出其所屬的「年齡/發育時期(胎兒、成人)」或「病理生理狀態(鐮刀型貧血帶原者或患者)」,並補充在正常成人紅血球中的含量比例以展現深度。
- 第二子題( 醣化位置與形成機制):
- 精確指明分子位置:必須點出「 鏈」、「N 端(胺基端)」及「纈胺酸(Valine)」。
- 化學歷程推導:依序寫出「游離葡萄糖醛基與蛋白質自由胺基之親核性進攻」「形成不穩定醛亞胺(Schiff base)」「緩慢且不可逆之阿馬多里重排形成酮胺(Ketoamine)」。
- 第三子題(兩項醫學檢驗方法):
- 列出目前各大醫院檢驗室最常採用的黃金標準分析技術,並簡要闡述其物理化學或生物化學之分離檢測原理(例如:電荷差異法、分子結構親和/免疫專一性法)。
選項分析(申論題給分要點拆解)
本題為申論題型,無選擇題選項;依據國家考試閱卷標準,將配分與得分核心拆解如下:
- 亞基組成與存在紅血球辨識(配分關鍵):
- :標明 ;存於「正常成人紅血球」(佔成人總血紅蛋白約 )。
- :標明 ;主要存於「胎兒及新生兒紅血球」(成人體內僅殘存 )。
- :標明 (或 );存於「鐮刀型貧血(Sickle cell disease)患者或帶原者(Sickle cell trait)的紅血球」。
- :標明 ;存於「正常成人紅血球」(次要成人型血紅蛋白,佔比約 ;在 -地中海貧血患者體內會顯著上升)。
- 醣化位置與反應步驟(論述完整性):
- 位置不可僅寫「血紅素」,必須明確指出是「 多肽鏈的 N 端纈胺酸(N-terminal Valine)」。
- 反應機轉必須包含關鍵名詞:非酵素性反應、席夫鹼(Schiff base)中間產物、阿馬多里重排(Amadori rearrangement)。
- 檢驗方法列舉(臨床相關性):
- 需列出實務檢驗室廣泛採用的技術名詞(如 HPLC、免疫法、硼酸親和層析),不可僅籠統寫「驗血」或「比色法」。
解題技巧與常見陷阱
- 次單元符號標示規範:書寫多聚體時,需標出計數下標,例如必須寫 ,若僅寫 會被扣分。
- Glycation vs. Glycosylation 混淆陷阱:
- 內質網與高基氏體內由酵素催化的共價接合稱為「醣基化(Glycosylation)」。
第 二 題20 分
當人體處於飢餓狀態,或葡萄糖供應不足造成血糖濃度降低時,肝臟會進行肝醣分解(glycogenolysis),生成葡萄糖並釋出,以供身體利用,並使血糖維持在穩定濃度。
試列舉肝醣分解的過程。由肝醣(glycogen)分解成葡萄糖(glucose)時,需要哪 5 種酵素參與?會產生哪 2 種中間產物?可受哪 3 種激素影響?
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核心觀念
本題測驗核心為人體在飢餓(fasting)或低血糖狀態下,**肝臟肝醣分解途徑(Hepatic Glycogenolysis)**之生化反應機制與內分泌調控。考生需掌握以下核心觀念與定義:
- 肝醣結構與化學鍵:肝醣主要由 構成直鏈,並約每 8~12 個葡萄糖殘基以 形成分支。
- 磷酸解作用(Phosphorolysis):肝醣直鏈分解並非藉由水解(hydrolysis),而是由無機磷酸()進攻裂解,生成磷酸化的單醣,可保留化學鍵能並省去初始磷酸化的 ATP 消耗。
- 分支點修飾(Debranching):去分支酵素(Debranching enzyme)為單一多胜肽鏈之雙功能酵素(bifunctional enzyme),兼具「轉移酶」與「」兩種獨立催化活性。
- 組織特異性:肝臟具有葡萄糖-6-磷酸酶(Glucose-6-phosphatase),能將葡萄糖-6-磷酸去磷酸化轉為自由葡萄糖(free glucose)並釋入血液以維持血糖;骨骼肌則缺乏此酵素,分解產生的葡萄糖-6-磷酸直接進入糖解作用。
- 激素調節的共價修飾:升糖素與腎上腺素透過 G 蛋白偶聯受體(GPCR)啟動 級聯活化反應促進分解;胰島素則透過酪胺酸激酶受體(RTK)活化磷酸蛋白磷酸酶-1(PP-1)進行去磷酸化,關閉分解途徑。
解題方法
本題為標準的生化代謝申論題,答題架構應條理分明、直切要點:
- 過程列舉:依序說明「磷酸解裂解直鏈 分支轉移 分支點水解 異構化 內質網去磷酸化釋出葡萄糖」的完整代謝流程。
- 酵素歸納:生化題庫與國家考試命題標準中,從肝醣到自由葡萄糖共涉及 5 種酵素催化活性(將去分支酵素之兩種催化域各計為一種酵素活性)。
- 中間產物鎖定:追蹤碳骨架流向,由直鏈斷裂至去磷酸化釋出前,經由兩步酵素催化所產生的磷酸己醣中間體。
- 激素調控分析:由促分解(升糖素、腎上腺素)與抑分解(胰島素)正反兩面作用機制,闡述受質循環與分子訊號傳遞。
申論解析(各題分子題拆解)
一、 肝醣分解的詳細過程
- 磷酸解切除直鏈: 肝醣磷解酶催化無機磷酸()進攻肝醣非還原端(non-reducing end)的 ,逐一釋出「葡萄糖-1-磷酸」(G-1-P),直至距離 分支點剩下 4 個葡萄糖殘基時停止,形成極限糊精(limit dextrin)。
- 分支轉移與水解(去分支作用):
- 雙功能去分支酵素先以其4--D-葡聚醣轉移酶活性,將分支上殘留 4 個葡萄糖中的 3 個轉移至鄰近非還原端的直鏈末端,以 相連,使肝醣磷解酶能繼續分解該直鏈。
- 隨後以其澱粉--1,6-葡萄糖苷酶活性,將分支點以 連接的最後 1 個葡萄糖水解,直接釋出 1 分子的自由葡萄糖(約佔肝醣葡萄糖總殘基量的 )。
- 異構化反應: 磷酸解產生的大量葡萄糖-1-磷酸,由磷酸葡萄糖變位酶可逆地催化異構化轉變為「葡萄糖-6-磷酸」(G-6-P)。
- 去磷酸化並釋入血液: 葡萄糖-6-磷酸藉由轉運蛋白(T1)進入肝細胞內質網腔中,由內質網膜上的葡萄糖-6-磷酸酶水解其磷酸基,生成游離葡萄糖與 。自由葡萄糖隨後經轉運蛋白(T2)送回細胞質,再透過細胞膜上的 GLUT2 載體釋入血液循環,提高血糖濃度。
二、 參與之 5 種酵素
由肝醣完全分解為自由葡萄糖(含分支點與終末去磷酸化),依序參與的 5 種催化酵素(活性)如下:
- 肝醣磷解酶(Glycogen phosphorylase):以輔酶磷酸吡哆醛(PLP)輔助,催化 之磷酸解,產生葡萄糖-1-磷酸。
- 4--D-葡聚醣轉移酶(4--D-glucanotransferase / Oligo-()-glucantransferase):去分支酵素的第一催化域,負責轉移外側 3 個葡萄糖殘基。
- 澱粉--1,6-葡萄糖苷酶(Amylo--1,6-glucosidase):去分支酵素的第二催化域,負責水解斷裂 分支點。
- 磷酸葡萄糖變位酶(Phosphoglucomutase):透過酵素活性中心之磷酸化絲胺酸(Ser),催化 的異構化。
- 葡萄糖-6-磷酸酶(Glucose-6-phosphatase):存在於肝臟及腎臟內質網膜,催化 。
第 三 題20 分
試問人體血漿中的脂蛋白質(lipoproteins)其主要生理功能為何?就此說明其所需具備的結構為何?
依照密度由小到大,以及分子由大到小,可分為哪 4 大類?並請分別說明其在人體中主要合成的部位或來源。
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核心觀念
本題評量脂質代謝(Lipid Metabolism)中「脂質在血液中運輸」的核心機制,主要包含以下生物化學要點:
- 脂質的水溶性障礙與運輸機制:三酸甘油酯(Triacylglycerols, TAG)與膽固醇酯(Cholesteryl esters, CE)高度疏水,無法直接溶於水相的血漿,必須藉由兩性微胞狀結構(Micellar-like structure)的脂蛋白質進行包裝並運送。
- 脂蛋白質的「核-殼模型」(Core-Shell Model):非極性核心(疏水性脂質)與外層兩性單層(磷脂質、游離膽固醇及載脂蛋白/Apolipoproteins)構成球狀粒子。
- 脂蛋白質的物理特性與組成關係:蛋白質密度高(約 ),脂質密度低(約 )。脂質比例越高,粒徑越大且密度越小;蛋白質比例越高,粒徑越小且密度越大。
- 外源性與內源性脂質代謝途徑:乳糜微粒(外源性/飲食來源)、VLDL(內源性/肝臟合成)、LDL(循環中代謝轉化)、HDL(逆向膽固醇運送)。
解題方法
本題為標準的國家考試申論題,採四層架構切入論述:
- 生理功能:開門見山定義脂蛋白質,指出其解決疏水性脂質於水相血液中運輸的物理障礙,並維繫全身能量與脂質恆定。
- 結構特徵:從熱力學與兩性分子排列角度說明「疏水核心」與「親水/兩性外殼」之構造,並點出載脂蛋白(Apolipoprotein)的結構穩定、酵素活化與受體辨識三大功能。
- 分類與排序:依照題意明確以「密度由小到大」(同時對應「直徑由大到小」)排定四大類:乳糜微粒(CM) 極低密度脂蛋白(VLDL) 低密度脂蛋白(LDL) 高密度脂蛋白(HDL)。
- 合成部位與來源:分點條列並對比「腸道吸收外源性途徑」、「肝臟合成內源性途徑」、「血漿血管內酵素代謝轉化」與「反向膽固醇運送前驅物合成」。
選項分析
本題為申論問答題,無選擇題選項。依國考評分標準,各問項之給分重點與分析如下:
- 問項一:脂蛋白質之主要生理功能
- 滿分要點:必須點出「運送非極性/疏水性脂質(TAG、膽固醇、脂溶性維生素)」以及「維持血漿中脂質溶解度與全身脂質代謝恆定」。若僅寫「運送脂肪」而未說明其克服水相溶劑限制的機制,則無法得滿分。
- 問項二:所需具備之結構
- 滿分要點:必須精確描述擬球狀「核-殼結構」(Core-shell spherical particle)。
- 疏水性核心:三酸甘油酯、膽固醇酯。
- 兩性單層外殼:單層磷脂質(極性端朝外、疏水尾朝內)、游離膽固醇、載脂蛋白(Apolipoprotein)。
- 說明載脂蛋白角色:提供結構支撐、活化特定代謝酵素(如 LPL、LCAT)、作為組織受體辨識配體(Ligand)。
- 問項三:密度由小到大、分子直徑由大到小的四大類分類
- 滿分要點:順序必須完全正確。密度與粒徑呈完全反比關係: 若遺漏任何一類或順序倒置,該項即予扣分。
- 問項四:各大類之主要合成部位或來源
- 滿分要點:
- CM:小腸黏膜上皮細胞(吸收飲食脂肪)。
- VLDL:肝臟實質細胞(封裝內源性脂肪)。
- LDL:血漿循環中(由 VLDL 經 IDL 水解代謝衍生而來)。此處為常見陷阱,不可寫由肝臟直接合成釋出。
- HDL:肝臟與小腸黏膜(合成新生稚嫩型 HDL,於血漿成熟)。
解題技巧
- 反比規律速記:
- 脂質比例高 密度小、體積大(因脂質浮力大且疏水聚集體積大)。
- 蛋白質比例高 密度大、體積小。
- 口訣:「乳極低高(密度小到大,直徑大到小)」 CM VLDL LDL HDL。
- 國考陷阱防範:
- LDL 不是由器官直接分泌:LDL 主要是在微血管中經脂蛋白脂酶(LPL)與肝脂酶(HL)水解 VLDL 上的 TAG 後,於血液中生成。
- 外殼是「單層」而非雙層:細胞膜為雙層磷脂質(Bilayer),但脂蛋白質內部為疏水脂質核心,因此外表層僅需「單層磷脂質(Monolayer)」即可將疏水性脂肪酸尾朝內封閉。
【答案】
第 四 題15 分
維生素(vitamins)是維持生命體活動過程中所必需的一類微量小分子有機化合物,一般以其本體形式或以能被利用的前體形式存在於天然食物中。
試問脂溶性維生素(lipid-soluble vitamins)共有幾種?其中哪一種的主要取得途徑不是經由食物取得?此維生素主要取得的途徑為何?請說明其合成(synthesized)的過程。
其代謝(metabolized)的過程,主要功能是控制體內何種礦物質(mineral)的動態平衡(homeostasis)?其本身的代謝又受血漿(plasma)中哪些礦物質濃度因素調節?
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核心觀念
本題主要測驗脂溶性維生素的生化分類、內生性光化學合成路徑、體內代謝活化機制,以及內分泌恆定調控迴路,核心觀念涵蓋以下四項:
- 脂溶性維生素之分類:人體必需脂溶性維生素包含 A、D、E、K 四類,其中維生素 D 在功能與合成機制上本質更接近於「前荷爾蒙(prohormone)」。
- 光化學合成機制:人體皮膚利用膽固醇代謝中間產物「7-脫氫膽固醇(7-dehydrocholesterol)」,在紫外光照射下經非酵素性光裂解與熱異構化反應生成維生素 (cholecalciferol)。
- 代謝活化與礦物質恆定:維生素 經肝臟(25-羥化)與腎臟(-羥化)兩步驟酵素催化,產生活性型骨化三醇(,calcitriol),主要功能在於維持血漿中「鈣()」與「磷()」的動態平衡。
- 負回饋與荷爾蒙調控:腎臟 -羥化酶(,CYP27B1)的活性受血鈣、血磷及副甲狀腺素(PTH)的嚴密調控,形成恆定回饋軸線。
解題方法
本題為標準的生化申論整合題,作答策略採「問題拆解與循序論述」:
- 點出數量與目標分子:明確指出脂溶性維生素共 4 種,並精確鎖定主要非經由食物攝取的維生素為「維生素 D」。
- 立體化說明合成過程:將合成途徑區分為「反應前驅物」、「紫外線光裂解反應(photolysis)」與「自發性熱異構化(thermal isomerization)」,寫出化學物質名稱以展現生化底蘊。
- 連結代謝功能與標的礦物質:點出其活化需經肝、腎兩次羥基化,其活性代謝產物調控的標的礦物質為「鈣」與「磷」,並簡要條列於小腸、骨骼與腎臟的生理效應。
- 解析回饋調控機制:以因果關係說明血漿中「鈣離子濃度」(透過副甲狀腺素 PTH 間接媒介)與「無機磷酸鹽濃度」(直接調控及透過 FGF23 媒介)對腎臟 -羥化酶活性的影響。
選項分析
本題為申論問答題,各子題的作答解析與評分要點如下:
- 脂溶性維生素種類數與非飲食主途徑維生素:
- 脂溶性維生素共有 4 種(維生素 A、D、E、K)。
- 主要取得途徑非經由食物者為維生素 D。維生素 A、E、K 絕大多數必須由天然飲食或腸道菌叢代謝產物直接吸收,而人體所需的維生素 D 有 80%~90% 可藉由自體皮膚照光合成。
- 主要取得途徑與合成過程:
- 主要途徑:皮膚接受陽光中紫外線 B(UVB,波長約 290–315 nm)照射後的內生性光化學合成。
- 合成步驟:
- 皮膚表皮與真皮深層儲存之「7-脫氫膽固醇(7-dehydrocholesterol)」,吸收 UVB 光子能量,使固醇 B 環的 C9–C10 鍵發生光化學開環裂解,形成不穩定的「前維生素 (pre-vitamin )」。
- 前維生素 在人體體溫環境下,自發性進行非酵素性的雙鍵重組與氫原子轉移(熱異構化反應),轉變為穩定的「維生素 (cholecalciferol,膽鈣化醇)」。
- 維生素 經微血管由血液中的維生素 D 結合蛋白(DBP)載運至全身進行後續代謝。
- 代謝過程所控制之礦物質動態平衡:
- 控制之礦物質:主要為鈣()與磷( / phosphate)。
- 代謝活化與生理功能:維生素 在肝臟經 25-羥化酶(CYP2R1)催化為 (calcidiol),再運送至腎臟近曲小管,經 -羥化酶(CYP27B1)催化生成最具生理活性的骨化三醇(,calcitriol)。
- 活性骨化三醇作用於腸道促使鈣結合蛋白(Calbindin)合成以增加小腸對鈣、磷的吸收率;在腎臟促進鈣、磷的重吸收;在骨骼協同破骨細胞與造骨細胞活性以調節骨質重塑,達成全身鈣磷濃度的恆定。
- 受血漿中何種礦物質濃度因素調節:
- 血漿鈣離子()濃度:
第 五 題25 分
新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)感染造成的新冠肺炎,已經讓將近 50 餘萬人死亡。雖然致死率低於嚴重急性呼吸道症候群(SARS)或中東呼吸症候群冠狀病毒感染症(MERS),但因為傳播力非常強,專家學者也推測接下來的新冠肺炎極有可能會演變成類似「流感」的狀況。
因此,「疫苗」的研發似乎變得非常重要。請說明下列疫苗的開發製作設計原理與優缺點:
(1) 減毒活疫苗(live-attenuated vaccines) (2) 滅毒死疫苗(inactivated vaccines) (3) 重組蛋白疫苗(recombinant protein vaccines) (4) 去氧核醣核酸疫苗(DNA vaccines) (5) 核醣核酸疫苗(RNA vaccines)
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核心觀念
本題考查醫學生物技術與分子免疫學的核心基礎——疫苗學(Vaccinology)。考生須具備以下生化與分子生物學關鍵認知:
- 抗原呈現途徑(Antigen Presentation Pathways):
- 內生性抗原(Endogenous antigens):在宿主細胞質內合成(如減毒活疫苗、DNA/RNA 疫苗),經蛋白酶體(Proteasome)降解後由 TAP 轉運至內質網,結合 MHC Class I,活化 胞殺型 T 細胞(CTL),誘發細胞免疫。
- 外生性抗原(Exogenous antigens):由抗原呈現細胞(APC)內吞攝入(如滅毒死疫苗、重組蛋白疫苗),於內液囊泡經組織蛋白酶分解,結合 MHC Class II,活化 輔助型 T 細胞(Th2 為主),主要誘發體液性抗體免疫。
- 蛋白質生合成與修飾:DNA 需進入宿主細胞核進行轉錄(Transcription),mRNA 僅需進入細胞質即可進行轉譯(Translation);重組蛋白質則牽涉真核宿主之轉譯後修飾(Post-translational modifications, PTMs),如棘蛋白(Spike protein)之醣基化(Glycosylation)。
- 疫苗安全與效力評估標準:包含免疫原性(Immunogenicity)、毒力回復(Reversion to virulence)、基因體嵌入風險(Insertional mutagenesis)、熱穩定性(Thermal stability)與製程反應速率。
解題方法
本題為標準的國家考試專業申論題,答題策略應採取對稱性結構:
- 對題幹所列 5 種疫苗,均依序拆解為「開發製作設計原理」、「優點」、「缺點」三大區塊,維持邏輯齊整。
- 原理部分須切入分子與細胞層次(涵蓋基因工程、載體選擇、宿主系統、遞送系統及抗原呈現路徑),避免僅作表面泛泛之談。
- 優缺點評析應扣緊「安全性(安全/不良反應)」、「免疫效力(體液 vs. 細胞免疫)」及「量產儲運(冷鏈、放大純化)」三維度,展現全面性的生技專業思維。
解題技巧
- 內生/外生途徑判斷訣竅:凡抗原是由受者自身細胞當作「工廠」現場合成者(活疫苗、DNA、RNA),必定具備 MHC Class I 呈遞路徑,能產生強烈 CTL 反應;凡在體外做好直接打入體內者(死疫苗、重組蛋白),多為 MHC Class II 呈遞,常需添加「佐劑(Adjuvant)」並多次追加劑量(Booster)。
- 審題關鍵防呆陷阱:
- 區分 DNA 疫苗與 RNA 疫苗的轉運屏障:DNA 須穿過核膜(Nuclear membrane)方能被轉錄,RNA 僅需穿過細胞膜進入**細胞質(Cytoplasm)**即能轉譯。
- 說明 RNA 疫苗時,務必提及**化學修飾核苷酸(如 -甲基假尿嘧啶,)以降低先天免疫發炎,以及脂質奈米顆粒(Lipid Nanoparticles, LNPs)**遞送系統,這是生化領域的給分關鍵。
【答案】
(1) 減毒活疫苗(Live-attenuated vaccines)
- 開發製作設計原理:
- 利用組織培養進行跨物種長期連續繼代(Serial passage),或以逆向遺傳學(Reverse genetics)及基因工程技術定向剔除毒力基因(Virulence genes knockout)。
- 使病毒在人體宿主內的致病力大幅減弱,但仍保有低度自我複製與表現天然立體構形(Native conformation)抗原之能力。
- 優點:
- 免疫原性極高且持久:病毒於活體內複製,可高度模擬自然感染狀態,同時由 MHC Class I 呈遞活化 CTL(細胞免疫),及由 MHC Class II 引發中和抗體與黏膜免疫(分泌型 )。
- 保護期長:通常施打單劑或少劑量即可建立長效之免疫記憶,多數情況不需添加化學佐劑。
- 缺點:
- 毒力回復風險(Reversion to virulence):若病毒在宿主體內發生自發性反向突變,存在回復高致病力的潛在風險。
- 族群限制與穩定性差:嚴格禁忌用於免疫缺陷、自體免疫疾病或孕婦;活病毒對熱敏感,對冷鏈系統(Cold chain)依賴度高,保存條件嚴苛。
(2) 滅毒死疫苗(Inactivated vaccines)
- 開發製作設計原理:
- 將大量於宿主細胞(如 Vero cells)培養增殖的新冠全病毒顆粒,利用化學試劑(如 -丙內酯()或甲醛(Formaldehyde))破壞其基因體核酸鏈,或使用高溫/紫外光等物理方式使其徹底喪失複製與轉錄能力。
- 同時盡可能保留病毒外殼蛋白(S 蛋白、M 蛋白、N 蛋白)原本的抗原表位結構(Epitopes)。
- 優點: