疫苗的诞生与进阶

□贺晓宇   2018-08-29 10:02:47

至今没有任何一种医疗措施能像疫苗一样对人类的健康产生如此重要、持久和深远的影响;也没有任何一种治疗药品能像疫苗一样以极其低廉的代价把某一种疾病从地球上消灭

民间有句俗语:“孩子出过疹和痘,才算解了阎王扣。”这里的疹指的是麻疹,痘指的就是天花。这句俗语,已经随着疫苗的使用逐渐被人遗忘,由此可见疫苗是人类对抗疾病的利器。

疫苗是将病原微生物(如细菌、病毒等)及其代谢产物,经过人工减毒、灭活或利用基因工程等方法制成的用于预防传染病的自动免疫制剂。疫苗保留了病原菌刺激动物体免疫系统的特性。当人体接触到这种不具伤害力的病原菌后,免疫系统便会产生一定的保护物质,如免疫激素、活性生理物质、特殊抗体等。当人体再次接触到这种病原菌时,人体的免疫系统便会依循其原有的“记忆”,制造更多的保护物质来阻止病原菌的伤害。

通过接种疫苗,人类已经消灭了天花,脊髓灰质炎病例也减少了99%,白喉等传染病发病罕见,麻疹、新生儿破伤风等疾病的发病率显著下降。可以说,疫苗是人类在医学领域里最伟大的发明,每一种新疫苗的诞生都是人类战胜一种传染病的伟大胜利。至今没有任何一种医疗措施能像疫苗一样对人类的健康产生如此重要、持久和深远的影响;也没有任何一种治疗药品能像疫苗一样以极其低廉的代价把某一种疾病从地球上消灭。

由天花开启的免疫研究

公元165年,一场可怕的瘟疫席卷了整个罗马帝国,15年间,全国人口的1/3被瘟疫夺去了生命,整个欧洲有3亿人因此丧生。那些在瘟疫中幸存下来的人不是眼睛瞎了,就是变成麻子,有的甚至出现了精神问题。这场瘟疫的元凶就是古老的恶性传染病——天花。

谈到这,不能不提及英国医生爱德华·琴纳(Edward Jenner),正是他开启了免疫治疗研究的先河。琴纳曾听他所在地区的奶牛场女工和农民说过:人传染上牛痘后,就再也不会得天花。由此,他意识到如果这种说法正确,就可以通过给人接种牛痘来增强人对天花的免疫力。经过一番调查研究之后,琴纳认为这一说法值得信赖,于是他决定加以检验。1796年,琴纳把正在出牛痘的女工手背水泡中的液体,接种到一名健康儿童的身上。如事先所料,这名儿童患了牛痘,但很快就得以恢复。琴纳又给他接种了天花痘,果然这名儿童没有出现天花病症。之所以要选儿童作为实验对象,是因为儿童是天花最易感染的人群。琴纳的实验成功了,这导致一种预防疾病的方法——接种疫苗法得以诞生。

近代微生物学的奠基人、法国微生物学家和化学家路易·巴斯德(Louis Pasteur)则进一步阐释了接种的意义和目的。受琴纳的启发,巴斯德在研究炭疽热的防治方法时,曾试过接种疫苗法。为降低炭疽热细菌的毒性,巴斯德对炭疽热细菌进行了加热处理,然后将其接种到一群羊的身上,同时让另一群羊保持原状。结果,没有接种的羊群全都患炭疽热死去,而事先接种过少量低毒炭疽热细菌的羊却没有死。此后,巴斯德又对炭疽热疫苗进行了改进,制成人工减毒炭疽活疫苗,并使用类似方法,研制出了可抵御狂犬病和家禽霍乱病的疫苗。

根据巴斯德制备疫苗的原理,1891年,霍乱弧菌在39℃空气中的条件下连续培养,可制成减毒活疫苗。随后,印度的临床实验结果证明霍乱活疫苗具有保护作用。 柯利等人于1896年将霍乱弧菌加热灭活,制备成灭活疫苗,此疫苗于1902年在日本霍乱流行区被大规模使用,其后又分别在孟加拉国、菲律宾和印度进行了临床试验,显示该疫苗具有很好的短期保护作用。

在巴斯德光辉成就的启发下,1908年,卡麦特和介林将一株牛型结核杆菌在含有胆汁的培养基上连续培养13年213代,终于在1921年获得减毒的卡介苗(以他们的姓氏命名为卡介苗)。最初卡介苗为口服,20世纪20年代末改为皮内注射,卡介苗在新生儿抵御粟粒性肺结核和结核性脑膜炎方面具有很好的效果。自1928年至今,卡介苗仍在全世界被广泛用于儿童计划免疫接种,已有40多亿人接种过卡介苗。自1928年至今,已有40多亿人接种过卡介苗。疫苗抵抗疾病的机制

在相当长的一段时间里,没有人能够解释清楚疫苗为何能够有效抵御传染病的侵袭。在探究疫苗的作用机理方面,德国的埃米尔·冯·贝林和日本的北里柴三郎做出了先驱性的贡献。1890年,贝林和北里一起发文宣布了一项重要发现:他们不断给动物注射不至于致病的少量破伤风杆菌,这时,在动物的血液中会产生一种抗毒素,以中和注入体内的破伤风杆菌毒性。他们还指出,可以用这个办法从已经获得破伤风免疫力的动物身上提取含有抗毒素的血清,注射给其他动物以增强其对破伤风的免疫力。

与此同时,贝林、北里还在努力寻求治疗白喉的方法。白喉是一种急性呼吸道传染病,儿童染上此病后很容易死亡。贝林等人注意到,感染白喉后幸存下来的儿童成年后一般都不会再得这种疾病。这意味着,在与疾病的斗争中,儿童的身体中有可能产生了某种抗体,这种抗体保留在血液中,从而起到保护作用。在德国细菌学家保罗·埃尔利希的协助下,贝林和北里开始运用血清疗法治疗白喉,并在1892年白喉流行期间,成功地提取出了新的白喉抗毒素。由于在血清疗法研究方面贡献突出,贝林于1901年成为首届诺贝尔生理学或医学奖获得者。

化学疗法的基础则是由德国的保罗·埃尔利希奠定的。18世纪70年代,埃尔利希在莱比锡大学医学院求学期间,就对苯胺等化学染料的作用机理产生了兴趣,因为生物组织用化学染料着色后,在光学显微镜下其微观结构能看得更加清楚。当时,德国光学工业和染料工业的发展非常迅猛,从而使德国既能制造出技术更为先进的光学显微镜,又能生产出颜色更为丰富的高性能染料。这就为德国学者开展微生物染色研究创造了非常好的条件。

由于白喉抗毒素研究受到了肯定,德国政府于1896年底成立了一个专门研究血清的研究所,并决定由埃尔利希担任所长。当时,埃尔利希迫切希望弄清楚的是,白喉毒素究竟是如何攻击人体的,血清中的抗毒素又是如何抵御毒素使它不致伤害人体细胞的。为了探明毒素与抗毒素之间的化学反应机理,埃尔利希开始把眼光重新投向他早年开展过的化学染料研究。经过一段时期的探索后,他意识到:既然染料可以只附着在特定的病原体上,而不附着在人体细胞上,那么就有可能从现有染料中筛选出一种药物,它只攻击病原体,而不攻击人体细胞,因此对人体无毒副作用。埃尔利希将这种径直攻击病原体的药物称为“魔术子弹”。

1899年,埃尔利希开始带领团队去寻找能够着色并杀死特殊靶标的“魔术子弹”。在寻找“魔术子弹”过程中,埃尔利希和他的助手志贺洁于1904年发现了一种后来被称为锥虫红的红色染料。它可以用于杀死锥体虫(一种单细胞动物,可以引起多种疾病,包括昏睡症)。由于用锥虫红临床试验效果不佳,因此埃尔利希又开始寻找新的染料。其间,埃尔利希偶然得知,一种名为 “阿托西耳”(Atoxyl)的染料能够杀死锥体虫治疗昏睡症,但存在严重的副反应。埃尔利希想到:能不能对阿托西耳的分子结构加以修饰,保持其药性却又没有毒性呢?当时权威化学家已测定了阿托西耳的分子式,认为它只有一条含氮的侧链,这意味着它很难被修饰。但是埃尔利希在1906年确认这个分子式搞错了,它还有一条不含氮的侧链,因此可以对其进行修饰。于是,助手们合成出了千余种阿托西耳衍生物,并开始逐个做筛选实验。1907年,实验做到了第606号样品,但效果仍然不佳,大家只好把它放到一边,继续做下一个筛选实验。

1908年,传来了一个令人振奋的消息,埃尔利希将和俄国细菌学家梅契尼科夫一起被授予诺贝尔生理学或医学奖,以奖励他们在免疫学方面所作的贡献。随后,在对606号样品进行了数百次实验并证实了疗效之后,埃尔利希将其命名为洒尔弗散(Salvarsan)。后来又发现914号样品更易溶于水,埃尔利希称其为新洒尔弗散(Neosalvarsan)。

606和914的成功,使得埃尔利希成为使用化学疗法治疗疾病的第一人,是公认的化学疗法之父。凭借化学疗法,埃尔利希又获得了1912和1913年诺贝尔生理学或医学奖的提名。由于当时化学疗法刚刚开展,诺奖评委会并未贸然颁奖给他。

这一阶段疫苗革命中还包括破伤风类毒素、鼠疫疫苗、伤寒疫苗和黄热病等30多种疫苗的成功研制。

疫苗发展2.0

随着分子生物技术、生物化学、遗传学和免疫学的迅速发展,疫苗研制的理论依据和技术水平不断完善和提高,一些传统经典疫苗品种又进一步被改造为新的疫苗,而对另一些用经典技术无法开发的疫苗则找到了解决问题的途径。因此,针对不同传染病及非传染病的亚单位疫苗、重组基因疫苗、核酸疫苗等新型疫苗不断问世。

亚单位疫苗:通过化学分解或有控制性的蛋白质水解方法使天然蛋白质分离,提取细菌、病毒的特殊蛋白质结构,筛选出具有免疫活性的片段制成的疫苗。亚单位疫苗仅有几种主要表面蛋白质,因而能消除许多无关抗原诱发的抗体,从而减少疫苗的副反应和疫苗引起的相关疾病。

重组基因疫苗:1972年诞生于美国斯坦福大学,此后迅速在全球普及,为生命科学带来了革命性进步。重组基因技术的应用为疫苗研究开辟了一个全新途径。基因工程疫苗是使用DNA重组生物技术,把病原体外壳蛋白质中能诱发机体免疫应答的天然或人工合成的遗传物质定向插入细菌、酵母或哺乳动物细胞中,经表达、纯化后而制得的疫苗。在基因工程疫苗中,比较成功的是重组HepBS蛋白(乙型肝炎病毒表面抗原蛋白)乙型肝炎疫苗,具有较好的免疫效果,现在全球已有包括中国在内的150多个国家将其列入计划免疫。现正在研究的重组基因工程疫苗包括SARS疫苗、HIV疫苗、高致病性禽流感疫苗等。

疫苗发展3.0

核酸疫苗又称基因疫苗或DNA疫苗,由于核酸疫苗在进行肌肉注射时不需要载体和佐剂,因而又被称为裸核酸疫苗。这种疫苗通过肌肉注射,能在肌细胞中获得较持久的抗原表达,该抗原能诱导抗体产生、T细胞增殖和细胞因子释放,尤其是能诱导细胞毒性T细胞的杀伤作用。而细胞毒性T细胞介导的特异性免疫应答在抗肿瘤、抗病毒及清除胞内寄生物感染方面起着重要作用。在众多的疫苗中,核酸疫苗因其独特的优势而备受关注。

20世纪80年代末90年代初,采用表达基因产物的核酸来做基因治疗实验,结果意外发现裸DNA可被骨骼肌细胞吸收并表达出外源性蛋白。这种产物可在骨骼肌细胞中表达2个月之久,并能诱导机体出现免疫应答,从而掀起了核酸疫苗的研究热潮。

核酸疫苗能有效持久地诱发机体产生细胞免疫和体液免疫应答。如乙型肝炎病毒核酸疫苗,使用效果显著。核酸疫苗成本低,不需分离纯化,易操作,性质稳定,可在室温保存,甚至转染食物细胞。例如,将乙肝病毒核酸疫苗插入西红柿细胞基因组中,在食用西红柿的同时就接种了疫苗。由于核酸疫苗本身具有很多传统疫苗所不具备的优点,因而将被广泛用于人类或动物传染性疾病、肿瘤、自身免疫病、超敏反应和免疫缺陷等疾病的免疫预防及治疗。虽然核酸疫苗研究取得了一些可喜的成果,但在实际应用中,短期内它仍不会代替目前使用的传统疫苗。

科学家已经研发出多种安全有效的疫苗。疫苗发展4.0

20世纪70年代以来,全球新发现的致人传染病病原体有40余种,如HIV病毒、高致病性禽流感H5N1病毒、SARS新冠状病毒、疯牛病朊病毒、猴痘病毒、莱姆病毒、埃博拉病毒、军团菌、O139霍乱弧菌等。目前,世界各地大约有30余种疫苗,包括重组基因工程疫苗、核酸疫苗及减毒活疫苗等在进行各期临床试验;SARS病毒灭活疫苗研究取得了一些成果;禽流感疫苗已申请进行人体试验。许多传染病尚无疫苗或仍处于临床前研究阶段。

随着免疫学研究的发展,人们希望疫苗可以在已发病个体中,通过诱导特异性的免疫应答,达到治疗疾病或防止疾病恶化的效果,这类疫苗产品便是治疗性疫苗。目前已有在研究的治疗性疫苗:用于肿瘤的治疗,肿瘤疫苗是利用肿瘤抗原进行主动免疫,刺激肌体对肿瘤的主动特异性免疫反应,以阻止肿瘤的生长、扩散与转移;用于心血管系统疾病的治疗,用疫苗干预免疫过程来防治动脉粥样硬化的发生和发展,现已取得令人鼓舞的进展。除此之外,还有用于高血压和I型糖尿病治疗的疫苗。美国药监局公布的已进入临床研究阶段的I型糖尿病疫苗已有3种。

虽然科学家已经研发出30多种安全有效的疫苗,21世纪的人类仍将面临新的挑战,社会的发展使得很多新的传染病出现,未来渴望新的疫苗可以预防疟疾、丙型肝炎及艾滋病等20多种疾病。从1985年以来,新疫苗的发展貌似成果贫瘠。但随着科技的不断进步,新时期的疫苗研究正在如火如荼地进行,相信在不远的将来会有一些疫苗上市,为人类抵御疾病增添更多的武器弹药。新的世纪,将是疫苗研究的全新时代。

(作者单位为中国医科大学)

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