饒議科學：疫苗的發明與免疫學的起源

　　免疫學研究源于人類希望抵抗傳染病，也與人類對輸血的實際需求有關。經過 迷信、迷惑、試錯等多個階段，步履艱難、甚至犯過錯誤，堅持探索的嚴肅研究者 逐漸從現象到本質，到 1898 年確定:抵抗傳染病和輸血涉及相同的核心問題--針對 非我的監控和處理—同為免疫。在分子和細胞機理方面，在 1900 年誕生側鏈學說后， 對免疫球蛋白發生的詮釋就不斷被修改，1957 年出現克隆選擇學說，1960 年代開始 認知抗體蛋白質的結構，1970 年代發現編碼抗體的 DNA 有特殊的重組機制。

　　7.1 天花的預防

　　在兩千五百年前，古希臘歷史學家 Thucydides (公元前 460-400)在記錄公元前430年流行雅典的瘟疫時，指出患病痊愈者一般不再發病、如果發病一般也不致死。 基督教曾把認為第一次就不生病者是無罪者(我們今天知道是天然免疫者)，而患病痊愈者當成洗清了罪惡(實際為后天免疫者)。在歐洲所謂中世紀的階段，阿拉伯世界和伊斯蘭地區的科學發展，改變了人類對傳染病和免疫的宗教和迷信看法。

　　天花(variola, small pox)可能有上萬年的歷史(Riedel，2005):在公元前一千 年前的埃及木乃伊上留有天花的痕跡，中國也在公元前 1122 年就有天花的記載，歐 洲在 5 世紀到 7 世紀間開始有天花的記載。天花曾肆虐世界，死亡率高、不死也留 下失明或臉上疤痕等后遺癥。18 世紀歐洲天花感染率非常高，接近全部群居人口， 占兒童死亡率的三分之一。

　　人們很早知道已患過天花的人不會再患天花。在世界上多個地區曾出現用天花 病人的少量膿液接種給健康人，使后者獲得免疫力。這一方法也有人告訴歐洲，但未獲推廣。

　　英國駐奧斯曼帝國大使蒙太古夫人(Mary Wortley Montague，1689-1762) 于1717 年在伊斯坦布爾根據當地流傳的方法，請使館醫生 Charles Maitland (1668-1748)監督給自己兒子接種少量天花(Downie，1951)。

　　回英國后，她請Maitland 再給女兒接種，Maitland 要求有六個醫生在場。

　　成功后，其中一位醫生要求給自己的兒子接種。英國還用犯人和孤兒做過接種，有結果讓皇后放心后，她再允許給王子接種，這樣逐漸傳開。

　　接種少量天花既可能有效，也可能導致天花發病。

　　1774 年，英國農民Benjamin Jesty （1737-1816)用擠奶女工的牛痘給自己妻子和兩個兒子接種，成功地避免了他們患天花(Pead，2003)，但他沒用文字記錄相應結果發表文章。

　　鄉村醫生 Edward Jenner （1749-1823) 有相當的科學基礎，因 1787 年確定杜鵑的行為而于 1789 年入選皇家學會。

　　1796 年 5 月 14 日，Jenner從擠奶女工 Sarah Nelmes 手上取得牛痘接種給 8 歲的男孩 James Phipps （1788-1853)，六周后接 種少量天花，Phipps 完全不被感染，證明牛痘誘導免疫的成功。Jenner 第一位正式 發表文章報道牛痘接種的方法。1798 年，Jenner 總結了自己接種病例以及通過訪問 得到的一些回顧性病例，共23例發表專著 （Jenner，1798)，1799 再加例子，到 1801 年英國有逾六百例(Jenner，1801)。

　　Jenner 還區分了真的牛痘和假的牛痘，從假牛 痘獲得的材料不能有效地引起對天花的免疫，真牛痘才能保證成功地誘發免疫。 Jenner 稱牛痘為 Variolae vaccinae(牛的天花)，用牛痘接種導致人體對人源天花的 免疫就被稱為 vaccine。雖然Jenner當時有一個錯誤，認為牛的天花來自馬的炎癥， 但他對牛痘接種的方法做出了不可磨滅的貢獻。

　　免疫學的發展與微生物學相關。十九世紀，法國化學家巴斯德(Louis Pasteur, 1822-1895)和德國醫生柯赫(Robert Koch，1843-1910)為代表的科學家們證明傳 染病的病原菌學說，建立培養細菌的方法，發現重要的致病菌，發明多種傳染病的疫苗(炭疽病和雞霍亂疫苗等)(Pasteur，1881)，推動了免疫學的發展。巴斯德把原 來詞根為牛的 vaccine 推廣為廣義的疫苗(Baxby，1999)。

　　接種疫苗后，人獲得免疫力的原理是什么?巴斯德曾錯誤地認為是第一次感染 過程中細菌耗盡了體內對細菌生長需要的營養成分，所以細菌不能再感染同一個人， 該個體從而產生免疫力。

　　7.2 抗血清的發現

　　先天免疫的發現歸功于俄國科學家 élie Metchnikoff(1845-1916)在俄國和法國進行的研究。Metchnikoff 最早在其比較病理學研究中發現吞噬細胞的作用 (Metchnikoff，1884，1901,1905； Tauber, 2003)。

　　體液免疫研究源于德國。

　　1888年，法國細菌學家 Emile Roux （1853-1933)和旅法瑞士細菌學家 Alexandre Yersin(1863-1943)發現白喉毒素是白喉桿菌致病的原 因。1889年柯赫實驗室的北里柴三郎(Shibasaburo Kitasato，1853-1931)發現破傷 風毒素是破傷風桿菌致病的原因。在毒素研究風靡一時的情況下， 柯赫曾誤認為結核菌素(tuberculin)是結核桿菌治病的原因。

　　1890 年，柯赫研究所的Emil Adolf Behring （1854-1917)和北里柴三郎發表“動 物對白喉和破傷風免疫的機理”一文,報道了白喉毒素的抗毒素和破傷風毒素的抗毒 素(Behring and Kitasato，1890)，是現代免疫學的開創性工作。

　　Behring 和北里證明 在不含細胞的血清中有免疫作用的物質:抗毒素。也就是現在生物醫學界熟悉的抗體。

　　Behring 主要做白喉、北里做破傷風的抗毒素，他們獲得的含抗毒素的血清(抗 血清)既能治療已感染的動物，也能預防健康動物被感染。在 Behring和北里之前， 除了細胞免疫之外，免疫的原因認為是因為血液有殺菌能力、或動物適應了毒素、 或動物在接種后發生了化學變化使其體液和組織不利于微生物生長。Behring 用大鼠 進行的白喉研究不支持以上解釋，而提出免疫后動物的血液可以中和白喉毒素，這 一結論在北里的破傷風毒素研究得到進一步支持和推廣。

　　Behring 和北里報道的破傷風實驗既用過破傷風桿菌、也用過破傷風毒素作為免 疫原，用低于導致疾病的劑量注射給兔，誘發兔的免疫，被注射后的兔對再感染或 破傷風毒素有 20 倍的抵抗力。從有免疫力的兔的頸動脈獲取血，注射給小鼠的腹腔， 得到的兩只小鼠與未被免疫兔血注射的兩只小鼠比較。后者在破傷風桿菌注射后分別于 20 小時、36 小時死亡，而免疫兔血注射過的小鼠健康生存。如果將免疫的兔 血凝結，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 小時后他們 再被破傷風桿菌感染不會生病，而對照小鼠 48 小時死亡。以上實驗顯示免疫的血清 可以讓正常動物對感染的抵抗力增加，有預防作用。他們還將抗血清與可以感染小 鼠的破傷風桿菌同時注射進入動物體內，也提高動物的生存，他們認為這是治療作用。一旦被注射抗血清，無論預防式、還是治療式，小鼠都可以獲得長期免疫。作 為對照，非免疫的兔血清，沒有這些作用。Behring 和北里的實驗用的抗血清不僅來 源于兔，還用過牛、馬和羊。

　　Behring 和北里的文章清晰地表明血清中含有對抗毒素的物質:破傷風免疫后的 兔血可以中和破傷風毒素；這一作用存在于無細胞的血清中；將免疫動物的血清轉 入其他動物可以繼續發揮作用；未經免疫的動物不具有消滅破傷風毒素的能力 (Behring and Kitasato，1890)。這篇文章開創了體液免疫。

　　一周后在同一刊物，Behring 單獨發表了有關動物對白喉免疫力的論文(Behring， 1890),補充他和北里合作發表的破傷風毒素文章。他發現動物的血液也可以產生對 白喉毒素的免疫力。

　　Behring 單獨的這篇文章未用抗血清一詞，理解程度不如兩人合作的抗破傷風毒素的文章。

　　當時也在 Koch 研究所工作的 Paul Ehrlich （1854-1915)也研究了抗毒素。

　　Ehrlich 發現了兩種植物蛋白質(蓖麻毒素(ricin)和相思子毒素(abrin)的抗毒素(Ehrlich， 1891b)。他先給鼠低劑量的蓖麻毒素，逐漸增加劑量，前五天沒有變化，第六天鼠 對蓖麻毒素的耐受力大大提高(蓖麻毒素的致死劑量提高到最初的 13 倍)，其后可 以逐漸增加，但不能超過 1000 倍。主動免疫延續的時間長于6個月。與白喉和破傷風抗毒素一樣，產生了抗毒素的動物血液可以輸給其他的動物而使其產生被動免疫。 被動免疫時間遠短于主動免疫，但他沒有確定具體時間。同樣，他發現相思子毒素 可以誘導免疫。兩種免疫都是特異的，沒有交叉，他提出不同毒素誘導的抗體是不 同的。1892 年，Ehrlich 發表“免疫的遺傳和吮乳”一文，揭示新生鼠含母親來源的抗 體，提示抗體可以傳過胎盤到達胎兒，而出生后的嬰兒還可以通過母乳再得到抗體， 嬰兒的消化道不同于成人，沒有破壞抗體，而可以吸收抗體進血液(Ehrlich，1892)。

　　因為效率不高、變異較大，Behring的抗白喉血清產量不穩定，用其方法的工廠 (Hoechst)難以獲得高效價的抗血清。Ehrlich的抗蓖麻毒素抗血清和抗相思子毒素 抗血清有較高效價，而且Ehrlich檢測方法的定量化較好。在Behring邀請、Koch支持下， Ehrlich于1892年改進抗白喉抗血清和抗破傷風抗血清的生產。1894年Ehrlich 等發表了“白喉抗血清的生產和應用”(Ehrlich，Kossel and Wassermann，1894)。他們的改進包括:用山羊(和牛)產生抗體；通過先用低劑量后增加劑量獲得高效價 抗體；用標準制備的毒素在體外檢測抗血清中和毒素的比率，檢測抗血清的效價(“免 疫單位”)。他們制備的抗血清很穩定，臨床治療效果很好。他們還發現可以用山羊的 乳汁獲得抗體也有效果。血清含量是乳汁的20倍左右，但一天可獲30升乳汁，相當 于約1.5升的血。1896年，普魯士教育部長請Ehrlich建立“血清研究和檢測研究所”。 Ehrlich費很大精力標準化白喉抗血清的檢測方法。

　　Ehrlich首先將毒素和抗毒素的作用視為化分子之間的相互作用(Ehrlich，1885，1897):一個毒素分子與特定的不可 改變量的抗體相結合(Ehrlich， 1897)。Ehrlich稱抗血清中起作用的分子為抗體 (antik?rper，antibody) （Ehrlich，1897)。

　　對傳染病的預防和治療需求是推動免疫學的一條主線。另一條是對輸血的需求。

　　節選自 饒毅 《生物學概念與途徑》第七章 “多樣性：免疫球蛋白”的第一節和第二節，該章共13節，見：http://www.raolab.org/upfile/file/20210602083632_143315_92485.pdf