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饶毅:疫苗的发明与免疫学的起源

免疫学研究源于人类希望抵抗传染病,也与人类对输血的实际需求有关。经过 迷信、迷惑、试错等多个阶段,步履艰难、甚至犯过错误,坚持探索的严肃研究者 逐渐从现象到本质,到 1898 年确定:抵抗传染病和输血涉及相同的核心问题--针对 非我的监控和处理—同为免疫。在分子和细胞机理方面,在 1900 年诞生侧链学说后, 对免疫球蛋白发生的诠释就不断被修改,1957 年出现克隆选择学说,1960 年代开始 认知抗体蛋白质的结构,1970 年代发现编码抗体的 DNA 有特殊的重组机制。
 
7.1 天花的预防
 
在两千五百年前,古希腊历史学家 Thucydides (公元前 460-400)在记录公元前430年流行雅典的瘟疫时,指出患病痊愈者一般不再发病、如果发病一般也不致死。 基督教曾把认为第一次就不生病者是无罪者(我们今天知道是天然免疫者),而患病痊愈者当成洗清了罪恶(实际为后天免疫者)。在欧洲所谓中世纪的阶段,阿拉伯世界和伊斯兰地区的科学发展,改变了人类对传染病和免疫的宗教和迷信看法。
 
天花(variola, small pox)可能有上万年的历史(Riedel,2005):在公元前一千 年前的埃及木乃伊上留有天花的痕迹,中国也在公元前 1122 年就有天花的记载,欧 洲在 5 世纪到 7 世纪间开始有天花的记载。天花曾肆虐世界,死亡率高、不死也留 下失明或脸上疤痕等后遗症。18 世纪欧洲天花感染率非常高,接近全部群居人口, 占儿童死亡率的三分之一。
 
人们很早知道已患过天花的人不会再患天花。在世界上多个地区曾出现用天花 病人的少量脓液接种给健康人,使后者获得免疫力。这一方法也有人告诉欧洲,但未获推广。
 
英国驻奥斯曼帝国大使蒙太古夫人(Mary Wortley Montague,1689-1762) 于1717 年在伊斯坦布尔根据当地流传的方法,请使馆医生 Charles Maitland (1668-1748)监督给自己儿子接种少量天花(Downie,1951)。
回英国后,她请Maitland 再给女儿接种,Maitland 要求有六个医生在场。
成功后,其中一位医生要求给自己的儿子接种。英国还用犯人和孤儿做过接种,有结果让皇后放心后,她再允许给王子接种,这样逐渐传开。
 
接种少量天花既可能有效,也可能导致天花发病。
 
1774 年,英国农民Benjamin Jesty (1737-1816)用挤奶女工的牛痘给自己妻子和两个儿子接种,成功地避免了他们患天花(Pead,2003),但他没用文字记录相应结果发表文章。
乡村医生 Edward Jenner (1749-1823) 有相当的科学基础,因 1787 年确定杜鹃的行为而于 1789 年入选皇家学会。
1796 年 5 月 14 日,Jenner从挤奶女工 Sarah Nelmes 手上取得牛痘接种给 8 岁的男孩 James Phipps (1788-1853),六周后接 种少量天花,Phipps 完全不被感染,证明牛痘诱导免疫的成功。Jenner 第一位正式 发表文章报道牛痘接种的方法。1798 年,Jenner 总结了自己接种病例以及通过访问 得到的一些回顾性病例,共23例发表专著 (Jenner,1798),1799 再加例子,到 1801 年英国有逾六百例(Jenner,1801)。
Jenner 还区分了真的牛痘和假的牛痘,从假牛 痘获得的材料不能有效地引起对天花的免疫,真牛痘才能保证成功地诱发免疫。 Jenner 称牛痘为 Variolae vaccinae(牛的天花),用牛痘接种导致人体对人源天花的 免疫就被称为 vaccine。虽然Jenner当时有一个错误,认为牛的天花来自马的炎症, 但他对牛痘接种的方法做出了不可磨灭的贡献。
 
免疫学的发展与微生物学相关。十九世纪,法国化学家巴斯德(Louis Pasteur, 1822-1895)和德国医生柯赫(Robert Koch,1843-1910)为代表的科学家们证明传 染病的病原菌学说,建立培养细菌的方法,发现重要的致病菌,发明多种传染病的疫苗(炭疽病和鸡霍乱疫苗等)(Pasteur,1881),推动了免疫学的发展。巴斯德把原 来词根为牛的 vaccine 推广为广义的疫苗(Baxby,1999)。
 
接种疫苗后,人获得免疫力的原理是什么?巴斯德曾错误地认为是第一次感染 过程中细菌耗尽了体内对细菌生长需要的营养成分,所以细菌不能再感染同一个人, 该个体从而产生免疫力。
 
7.2 抗血清的发现
 
先天免疫的发现归功于俄国科学家 Élie Metchnikoff(1845-1916)在俄国和法国进行的研究。Metchnikoff 最早在其比较病理学研究中发现吞噬细胞的作用 (Metchnikoff,1884,1901,1905; Tauber, 2003)。
 
体液免疫研究源于德国。
 
1888年,法国细菌学家 Emile Roux (1853-1933)和旅法瑞士细菌学家 Alexandre Yersin(1863-1943)发现白喉毒素是白喉杆菌致病的原 因。1889年柯赫实验室的北里柴三郎(Shibasaburo Kitasato,1853-1931)发现破伤 风毒素是破伤风杆菌致病的原因。在毒素研究风靡一时的情况下, 柯赫曾误认为结核菌素(tuberculin)是结核杆菌治病的原因。
1890 年,柯赫研究所的Emil Adolf Behring (1854-1917)和北里柴三郎发表“动 物对白喉和破伤风免疫的机理”一文,报道了白喉毒素的抗毒素和破伤风毒素的抗毒 素(Behring and Kitasato,1890),是现代免疫学的开创性工作。
Behring 和北里证明 在不含细胞的血清中有免疫作用的物质:抗毒素。也就是现在生物医学界熟悉的抗体。
Behring 主要做白喉、北里做破伤风的抗毒素,他们获得的含抗毒素的血清(抗 血清)既能治疗已感染的动物,也能预防健康动物被感染。在 Behring和北里之前, 除了细胞免疫之外,免疫的原因认为是因为血液有杀菌能力、或动物适应了毒素、 或动物在接种后发生了化学变化使其体液和组织不利于微生物生长。Behring 用大鼠 进行的白喉研究不支持以上解释,而提出免疫后动物的血液可以中和白喉毒素,这 一结论在北里的破伤风毒素研究得到进一步支持和推广。
 
Behring 和北里报道的破伤风实验既用过破伤风杆菌、也用过破伤风毒素作为免 疫原,用低于导致疾病的剂量注射给兔,诱发兔的免疫,被注射后的兔对再感染或 破伤风毒素有 20 倍的抵抗力。从有免疫力的兔的颈动脉获取血,注射给小鼠的腹腔, 得到的两只小鼠与未被免疫兔血注射的两只小鼠比较。后者在破伤风杆菌注射后分别于 20 小时、36 小时死亡,而免疫兔血注射过的小鼠健康生存。如果将免疫的兔 血凝结,其上清也就是血清。以免疫的兔血清注射 6 只小鼠的腹腔,24 小时后他们 再被破伤风杆菌感染不会生病,而对照小鼠 48 小时死亡。以上实验显示免疫的血清 可以让正常动物对感染的抵抗力增加,有预防作用。他们还将抗血清与可以感染小 鼠的破伤风杆菌同时注射进入动物体内,也提高动物的生存,他们认为这是治疗作用。一旦被注射抗血清,无论预防式、还是治疗式,小鼠都可以获得长期免疫。作 为对照,非免疫的兔血清,没有这些作用。Behring 和北里的实验用的抗血清不仅来 源于兔,还用过牛、马和羊。
 
Behring 和北里的文章清晰地表明血清中含有对抗毒素的物质:破伤风免疫后的 兔血可以中和破伤风毒素;这一作用存在于无细胞的血清中;将免疫动物的血清转 入其他动物可以继续发挥作用;未经免疫的动物不具有消灭破伤风毒素的能力 (Behring and Kitasato,1890)。这篇文章开创了体液免疫。
 
一周后在同一刊物,Behring 单独发表了有关动物对白喉免疫力的论文(Behring, 1890),补充他和北里合作发表的破伤风毒素文章。他发现动物的血液也可以产生对 白喉毒素的免疫力。
 
Behring 单独的这篇文章未用抗血清一词,理解程度不如两人合作的抗破伤风毒素的文章。
 
当时也在 Koch 研究所工作的 Paul Ehrlich (1854-1915)也研究了抗毒素。
Ehrlich 发现了两种植物蛋白质(蓖麻毒素(ricin)和相思子毒素(abrin)的抗毒素(Ehrlich, 1891b)。他先给鼠低剂量的蓖麻毒素,逐渐增加剂量,前五天没有变化,第六天鼠 对蓖麻毒素的耐受力大大提高(蓖麻毒素的致死剂量提高到最初的 13 倍),其后可 以逐渐增加,但不能超过 1000 倍。主动免疫延续的时间长于6个月。与白喉和破伤风抗毒素一样,产生了抗毒素的动物血液可以输给其他的动物而使其产生被动免疫。 被动免疫时间远短于主动免疫,但他没有确定具体时间。同样,他发现相思子毒素 可以诱导免疫。两种免疫都是特异的,没有交叉,他提出不同毒素诱导的抗体是不 同的。1892 年,Ehrlich 发表“免疫的遗传和吮乳”一文,揭示新生鼠含母亲来源的抗 体,提示抗体可以传过胎盘到达胎儿,而出生后的婴儿还可以通过母乳再得到抗体, 婴儿的消化道不同于成人,没有破坏抗体,而可以吸收抗体进血液(Ehrlich,1892)。
 
因为效率不高、变异较大,Behring的抗白喉血清产量不稳定,用其方法的工厂 (Hoechst)难以获得高效价的抗血清。Ehrlich的抗蓖麻毒素抗血清和抗相思子毒素 抗血清有较高效价,而且Ehrlich检测方法的定量化较好。在Behring邀请、Koch支持下, Ehrlich于1892年改进抗白喉抗血清和抗破伤风抗血清的生产。1894年Ehrlich 等发表了“白喉抗血清的生产和应用”(Ehrlich,Kossel and Wassermann,1894)。他们的改进包括:用山羊(和牛)产生抗体;通过先用低剂量后增加剂量获得高效价 抗体;用标准制备的毒素在体外检测抗血清中和毒素的比率,检测抗血清的效价(“免 疫单位”)。他们制备的抗血清很稳定,临床治疗效果很好。他们还发现可以用山羊的 乳汁获得抗体也有效果。血清含量是乳汁的20倍左右,但一天可获30升乳汁,相当 于约1.5升的血。1896年,普鲁士教育部长请Ehrlich建立“血清研究和检测研究所”。 Ehrlich费很大精力标准化白喉抗血清的检测方法。
 
Ehrlich首先将毒素和抗毒素的作用视为化分子之间的相互作用(Ehrlich,1885,1897):一个毒素分子与特定的不可 改变量的抗体相结合(Ehrlich, 1897)。Ehrlich称抗血清中起作用的分子为抗体 (antikörper,antibody) (Ehrlich,1897)。
 
对传染病的预防和治疗需求是推动免疫学的一条主线。另一条是对输血的需求。
 
节选自 饶毅 《生物学概念与途径》第七章 “多样性:免疫球蛋白”的第一节和第二节,该章共13节,见:http://www.raolab.org/upfile/file/20210602083632_143315_92485.pdf



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