疫苗前传(上)


今天的人们恐惧战争、恐惧飞机失事、恐惧恐怖袭击、恐惧癌症、恐惧肥胖……现代人所恐惧的,在古代人看来并不是最可怕的。

假如你生活在19世纪之前,最令你恐惧的,是突然而来的大瘟疫。鼠疫、天花、麻疹、霍乱、伤寒等烈性传染病……你方唱罢我登场。除此之外,被铁器划伤了遭受破伤风,被狗咬了而感染狂犬病,这些偶发事故也会酿成大祸……

长久以来,人类的平均寿命只有30-40岁,而如今世界平均寿命已达72岁,一些地区甚至达到了80岁以上。这主要归功于三条:食物营养的充足、疫苗的普遍接种以及抗生素的发明,卫生条件的改善大大地提高了人类抵抗包括传染病在内的感染性疾病的能力。

不战而屈人之兵,将疾病隔离在人体之外,疫苗功不可没。

种痘抗击天花,初具疫苗雏形

天花是最古老,也是死亡率最高的烈性传染病之一,曾被历史学家称为人类历史上最大的刽子手。有些学者认为,古罗马帝国的陨落和天花肆虐引发大量人口死亡有关;欧洲殖民者把天花病毒带入原本没有天花的美洲后,九成的原住民染病死亡。在18世纪的一百年间,全欧洲约有1.5亿人死于天花……

164-180年古罗马“安东尼瘟疫”病因可能是天花。图源:wiki

我国古代的天花疫情始于东汉光武年间(公元25~55年),史料称于南阳击虏所得,当时称呼天花为“虏疮”。在东晋葛洪撰的《肘后备急方》中,对天花病情有较详描述:“比岁有病时行,仍发疮头面及身。须臾周匝,状如火疮,皆载白浆。随结随生,不即治剧者多死,治得差者,疮瘢紫黑,弥岁方灭,此恶毒之气”,这一记载是世界上有关天花病的最早记录。

在我国,天花的流行到唐宋时变多,元明以后更为猖獗,但远较欧洲为轻。这受益于我国在宋朝就发明了“人痘接种法”:早在公元998~1022年间的宋代,人们把天花病人脓疱干燥后结的痂皮,研成细末,用竹管吹人健康儿童的鼻孔,之后孩子就会患上天花,但是症状很轻,而且以后不会再患病。用现代的免疫语言表述即,患过一次后,会获得终身免疫。

人痘接种法 图源:spark.adobe.com

宋朝的时候,人痘接种直接取材于天花病人的疮痂,这种叫做“时苗”。

在明朝时,人们又对人痘接种术进行了重大改进,发明了“熟苗”。时苗的毒性可控性不好,有时反而会让被接种者感染重型天花,“苗顺者十无一死,苗凶者十只八存”,实际上就是没有减毒。而“熟苗”用从天花病人的疮痂作为种苗,经过“养苗”、“选炼”,要连续种七代过后,这个种苗就非常精纯,火毒汰尽了,用经过七代接种的种苗来给健康人接种就安全多了,《种痘新书》记载:“种痘者八九千人,其莫救者二三十耳”。

人痘接种可以说是最早的疫苗。

到了18世纪中叶,这项技术传遍欧亚各国,直至1796年,英国医生爱德华·詹纳(Edward Jenner)受我国人痘接种法的启示,试种牛痘成功,这才逐渐取代了人痘接种法。但正是中国最早运用了免疫学的思想开启了人类抗击天花之路,为免疫学的发展积累了最早的经验。

1802年的一副漫画,接种牛痘的人伤口长出了公牛,以讽刺利用牛痘疫苗预防天花的做法

疫苗三大基石之追本溯源

虽然我国古代人民和后来英国医生找到了对抗天花的有力武器”,但是人们对天花的病因一无所知,更不用提到元凶天花病毒了。无论中西方,医生都在考虑同一个问题——疾病的病因是什么?谁是疾病的肇始之元凶?

千百年来,人们对疾病的成因有各种各样的猜测,夹杂了神祗、巫术,以及对自己和他人行为的苛责,莫衷一是。今天我们知道了疾病可大体分为感染性疾病和非感染性疾病。前者是病原体侵染人体的结果,后者是人体机能紊乱或者老化的结果。

人类对于病原体的认知,在晚近的19世纪末才出现端倪。这要从法国科学家巴斯德(Louis Pasteur)的不懈探索说起。

巴斯德与他的细菌学说

1822年,法国乡下,一个小小的葡萄酒庄里诞生了一个男孩。庄园主,一位曾跟随着拿破仑四处征战的退伍老兵,给这位唯一的男性继承人起名为路易·巴斯德(Louis Pasteur)。

巴斯德在巴黎高师时 图源:historyofvaccines.org

巴斯德从小就是个学霸,横扫一切学习类奖项。他求知欲盛,脑子里一堆为什么,让有些老师对他非常头痛。1843年,20岁的巴斯德以优异的成绩考进了巴黎高等师范专科学校(现一般翻译为巴黎高等师范学院)。

师范专科,难道他只上了大专?这是中文直译造成的误会,实际上巴黎高师是如假包换的世界顶尖大学。

巴斯德的专业是化学,然而真正让巴斯德扬名立万的却是微生物领域。像牛顿开辟出经典力学一样,巴斯德开辟了微生物领域,创立了一整套独特“实践—理论—实践”的微生物学基本研究方法。

巴斯德通过肉汤实验(也称鹅颈烧瓶实验)完美地解释了微生物才是肉腐烂的罪魁祸首。

他把肉汤灌进两个烧瓶里,第一个烧瓶就是普通的烧瓶,瓶口竖直朝上;第二个烧瓶,则是特殊定制的曲颈瓶,瓶颈弯曲成天鹅颈一样。他把肉汤煮沸、冷却后装入两个瓶子中。两个瓶子都没有用塞子塞住瓶口,而是敞开着,这样外界的空气可以畅通无阻地与肉汤表面接触。

他将两个烧瓶放置一边。过了三天,第一个烧瓶里就出现了微生物,第二个烧瓶里却没有。

巴斯德解释说,因为第一个烧瓶是顶端开口,悬浮在空气中的尘埃和微生物可以落入瓶颈直达液体,微生物在肉汤里得到充足的营养而生长繁殖,于是引起了肉汤的变质。

第二个瓶颈虽然也与空气相通,但瓶颈拉长弯曲,空气中的微生物仅仅落在弯曲的瓶颈上,而不会落入肉汤中生长繁殖引起腐败变质。所以,肉的腐烂是因为接触到了空气里的细菌,细菌在肉上生长繁殖,也就是发酵的结果。这个实验彻底否定了自然发生论。由此他意识到许多疾病均由微生物引起,建立起了疾病的细菌理论。

巴斯德做实验 图源:Interesting Engineering

巴斯德不仅是个理论上的天才,还是个善于解决实际问题的人。巴斯德发现:

(1)每一种发酵作用都是由于一种微菌的发展,这位法国化学家发现用加热的方法可以杀灭那些让啤酒变苦的恼人的微生物。很快,“巴氏杀菌法”便应用在各种食物和饮料上。

(2)每一种传染病都是一种微菌在生物体内的发展:由于发现并根除了一种侵害蚕卵的细菌,巴斯德拯救了法国的丝绸工业。

路易·巴斯德一生贡献颇丰,淡泊名利,热爱自己的祖国,被世人称颂为“进入科学王国的最完美无缺的人”。只是后来从他的笔记中挖掘,才发现他也非那么完美,但并不影响他作为影响人类历史进程最伟大的人物之一。

巴斯德研究所 图源:Institut Pasteur

狂犬疫苗的诞生

巴斯德在对微生物研究中发现,传染病的微菌,在特殊的培养之下可以减轻毒力,而且感染某种传染病后痊愈的动物,再次感染致病菌时不会患该病,意味着病菌可以变成防病的疫苗。于是,巴斯德开始向疫苗领域进军。

19世纪,狂犬病每年杀死几百个法国人。对狂犬病的极度恐惧迫使当时的法国人民采取了极端的预防措施——被狗咬伤后,患者会被人们强押到铁匠铺,用烧红的铁棍烙烫伤口。1885年的一天,一个9岁男孩不幸被疯狗咬伤,孩子的母亲哀求巴斯德请求救治。

狂犬病毒 图源:wiki

当时巴斯德已经因细菌理论而闻名,并已在疫苗方面做出了杰出的成果。

巴斯德找到了鸡霍乱的病因,改进了减轻病原微生物毒性的方法,使用减毒鸡霍乱病原菌分别免疫鸡,获得了成功。后来又在患炭疽病的羊身上用了相似的方法,解决了牲畜炭疽病的问题。尽管在巴斯德给动物打疫苗前,詹纳就已经在人身上使用了牛痘免疫天花,但巴斯德的工作是主动的削弱了病毒毒性而非寻找到自然弱型的病毒,这对疫苗的发展起到了重要作用。

同样的方法也适用于狂犬病。尽管巴斯德不知道狂犬病是由病毒引起的,他仍然将患病狗的延髓提取液注射到兔子体内,然后提取兔子的延髓提取液,再注射到狗身上,如此狗—兔子连续提取注射,直到得到的提取液不再具有让狗染病的毒性,然后将这些提取液注射到健康狗身上,之后再给狗接种未经连续减毒处理的提取液,狗竟然没患病,可以抵抗狂犬病毒的感染。

但是,对于首例人体应用,巴斯德非常犹豫,这种疫苗用在人身上能够帮助人抵抗狂犬病吗?最后巴斯德还是尝试了,他给孩子注射了毒性减到很低的提取液,又注射了毒性较强的提取液,孩子成功地抵御了狂犬病活了下来。这个孩子长大后,在巴斯德研究院当看门人。

巴斯德在诊所为小孩接种狂犬病疫苗 图源:wiki

1886年一位叫朱皮叶的15岁牧童,见义勇为抢救被狗咬伤的同伴时也不幸被疯狗咬伤,巴斯德用同样的办法治愈了他。现在,记述少年见义勇为和巴斯德功绩的雕塑,还矗立在巴斯特研究院。巴斯德成功地开创了用于人类的疫苗,并为纪念詹纳的贡献,把这些被人为减弱的疾病统称为“疫苗”(vaccine,其拉丁词源Vaccinus本意是母牛的。)

然而,尽管巴斯德发明了狂犬病疫苗,他却仍误以为引发狂犬病的是细菌,而非病毒。巴斯德只解决了问题的一半。问题的另一半,同样是一个精彩纷呈的故事。

病毒发现小史

在光学显微镜下肉眼看得见尺寸微米级的细菌,却看不见纳米级的病毒。直至20世纪30年代电子显微镜出现,通过电子束生成电子显微像和电子衍射像,才能一睹病毒的真颜。故而病毒的发现要晚于细菌,并且一开始还被误认为细菌。然而,在电子显微镜出现之前,科学家通过间接的方法,仍然证明了病毒的存在,并研究了病毒的组分。

19世纪末,几位科学家研究烟草花叶病的成因。1886年,在荷兰工作的德国人麦尔(Mayer)将染病的烟草叶片加水研碎后,取其汁液注射到健康烟草的叶片中,健康烟草染病,证明这种病是可以传染的。麦尔深受法国科学家巴斯德的细菌学说影响,推测病原体是细菌。

1892年,俄国科学家伊万诺夫斯基(Dmitri Iwanowski)将患病的烟草榨出汁液,用将细菌滤去掉的过滤器进行过滤,滤液依旧能让健康烟草染病——这说明滤液里存在病原体,且病原体比细菌小。他把这种病原体叫做“滤过性病毒”。由此,伊万诺夫斯基成为世界上第一位发现病毒的人,被誉为“病毒学之父”。

俄国植物生理学家、微生物学家伊万诺夫斯基 图源:dilong.spb.ru

接下来一波科学家都证明了病毒的存在。莱夫勒(F.Loeffler,1852--1915)和弗罗施(P.Frosh)在研究动物的口蹄疫时,证明了口蹄疫也是由“滤过性病毒”引起的。1898年,荷兰细菌学家贝杰林克(Martinus Beijerinck)总结出烟草花叶病毒只能生活在或细胞内,不能在体外非生命的物体上表现出活跃的生命力。他将其统一命名为为病毒(virus,源自拉丁文vīrus)。

贝杰林克性格怪异,主要研究的植物病毒并在固氮方面取得了重要成果,但他的工作被同时代的巴斯德和科赫掩盖了 

图源:wiki

1899年古巴流行黄热病,细菌学家里德(Reed)带领一个美国研究小组前往调查。他们将黄热病的传播媒介锁定了伊蚊,故意让叮咬过黄热病病人的伊蚊来咬自己。小组里拉齐尔(Lazear)大夫染病死亡,证明了罪犯确实是伊蚊。这样的科学研究方式简直太匪夷所思。

20世纪30年代以前,科学家们开始从病毒角度寻找一些疾病的原因,先后发现和证实了40余种动植物病毒,并对其病理学特征、传播方式、宿主范围开展了大规模的研究。尽管这些科学家证明了病毒的存在,并了解关于病毒基本的内容,但依然不知道病毒的本质是什么。 

1935年,美国生物化学家斯坦利(Stanley)从患有花叶病的烟草的提纯汁液中分析出一种蛋白晶体,之后英国的鲍登(Bawden)和皮里(Pirie)又从病毒中分离出来了核酸,证明病毒是由蛋白质和核酸(即我们熟知的DNA或RNA)两个部分组成。

电子显微镜下的脊髓灰质炎病毒 图源:CDC

1936年施拉姆(Schramm)等人在研究T噬菌体(一种专门感染特定细菌的病毒)时发现,侵入细菌内部的是其核酸DNA,而留在细菌外壁的是其蛋白质外壳。证明核酸是病毒感染、致病及复制的主体。进一步的研究发现,有些病毒除含有核酸和蛋白质外,还含有一定量的脂类物质及碳水化合物。

当电子显微镜出现后,对病毒颗粒形态的观察证实了上述研究结论,我们终于看清了病毒的结构,也从此改变了疫苗的发展。

文章来自公众号:中国科学探索中心(ID:cfi-china),作者: 许秀华。

标签:疫苗 前传

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