文章来自公众号：中国科学探索中心（ID：cfi-china），作者： 许秀华，Photo by Hyttalo Souza on Unsplash。
疫苗三大基石之剑锋所指
疾病的病原学说
1870～1871年普鲁士王国（德意志国的前身）和法兰西第二帝国之间爆发了普法战争，法国战败割地赔款。在法国被占领土上，迁居来了一位名叫罗伯特·科赫（Robert Koch）的德国医生，他还不知道，自己日后将和巴斯德共同被尊崇为“细菌学之父”。
科赫（1843-1910） 源：Britannica
科赫首次证明了特定的微生物是特定疾病的病原，阐明了特定细菌会引起特定的疾病，纠正了当时认为所有细菌都是一个物种的观点，这使得疫苗的研究从盲目转向了有的放矢。
科学领域充满竞争，尤其是科学家来自敌对的两国时。普法战争中，巴斯德仅剩的一个儿子失去了生命，丧子以及祖国领土被占，让巴斯德痛彻心扉。顺带着，他对德国科学同行科赫总有那么一丝忿忿不平。
两人争论的焦点是炭疽病。炭疽病是一种古老的疾病，患者或患病动物的典型症状是皮肤坏死溃疡形成疮痂，犹如黑色焦炭，主要宿主是牛羊等食草家畜。按照巴斯德创立的巴氏消毒法，高温可以让灭菌，可为什么人们吃了煮熟的牛羊肉后，依旧会被传染炭疽病？
细菌芽胞结构 图源：micro.cornell.edu
之前有学者发现，炭疽病患者血液里有奇怪的细小颗粒，将含有这些颗粒的血液注射到健康动物体内，后者会患病。如果过滤装置将这些颗粒除去，则血液不会让动物致病。但是，自然情况下，动物和动物之间，动物和人之间，不会发生这种输血，却仍会传染，这种具备传染性的小颗粒是到底是什么？
科赫研究发现这种小颗粒是炭疽杆菌产生的，耐高温、耐干燥，即使搁置许久，毒力也不会减弱，后来这种小东西被命名为芽孢。
1876年，科赫用3天时间以公开表演实验的方式证明，炭疽杆菌的生活史经历了杆菌—芽孢—杆菌的循环，炭疽病的传染性是由芽孢的传播导致的。
巴斯德之前研究蚕软化病的时候，已经发现了芽孢。出于对德国人的反感，巴斯德严苛地审核了科赫的实验。他认为科赫用血液进行的实验，没有排除患者的血液对实验结果的影响，他改用患者的尿液培养炭疽杆菌，证实了科赫研究的正确性。之后巴斯德即对炭疽杆菌进行传代培养，研发成功了炭疽疫苗。
路易斯巴斯德和他的实验兔子 图源：Britannica
疫苗的研发需要对细菌进行连续传代减毒培养。为什么一代接一代地培养病原体后，后代病原体的毒性会减弱？难道病原体害了诸多性命后，终于良心发现？当然不是，这是自然选择筛选出了“明智理性”的病原体。
病原体和宿主表面上是你死我活的敌对关系，实质上是一种很狡诈的共生关系。病原体一方拼命利益最大化，最终病人死亡，宿主消失。宿主是病原体的“衣食父母”，宿主消失，病原体找不到栖身之地，最终也只能黯然收场。保持长期的自己占有优势的欺凌，要比图一时痛快，几天之内就杀死病人，更利于病原体的生存和传播。
经过3D重建的猪流感病毒 图源：Getty Images
这就能解释为什么烈性传染病不会年年爆发。瘟疫从初起到爆发，就和做市场营销一样，必须形成口碑传播不间断的链条。前期只有几个病人，如果等不到把病原体传播给下一个人，病毒就急急忙忙地死亡了，瘟疫是爆发不起来的。在瘟疫传播一段时间后，自然选择会倾向于筛选毒性不那么强，不能快速致死的病原体亚型，所以瘟疫的传播后期，往往会出现病原体毒性致死性减弱的情况，直至瘟疫自然终止。
科赫法则
知道了特定细菌对症，还不能完全解决疫苗的问题。疫苗制作减毒培养的前提是要能分离不掺杂其它种类细菌的病原菌。1881年科赫创立了沿用至今的固体培养基划线分离纯种法，解决了用液体培养基培养细菌时，不同的细菌混杂在一起无法分离得到纯种细菌的问题。
这种方法是将液体的细菌培养液连续几次以十分之一的比例稀释，这样经万、十万、百万级稀释后的液滴里会只含有一个细菌，然后将其接种到固体培养基表面。
单个的细菌固定地在培养基的某一点上生长，不断地分裂，形成一个个可见的菌斑。每个菌斑里的细菌都来自于同一个细菌祖先，形成一个无性繁殖的细菌菌落，即一个克隆——克隆的原意就是一个细菌通过无性繁殖得到的细菌群落。之后就可以对单个细菌的致病性进行研究，从而分离出致病菌。
黄曲霉(绿色)，青霉菌(蓝色)，酵母菌(粉红色) 图源：reddit.com
后来，科赫发明了用苯胺对细菌进行染色的细菌染色法，发现了纯种的结核杆菌。1905年，罗伯特·科赫因在肺结核病方面的卓越研究获得诺贝尔生理学及医学奖。
科赫的一生贡献颇丰，对疫苗的研发和微生物学有重要影响的一项工作是他对病原微生物研究的严格标准，也就是科赫法则。即：
1. 在每一病例中都出现相同的微生物，且在健康者体内不存在；
2. 要从宿主分离出这样的微生物并在培养基中得到纯培养（pure culture）；
3. 用这种微生物的纯培养物接种健康而敏感的宿主，同样的疾病会重复发生；
4. 从试验发病的宿主中能再度分离培养出这种微生物来。
如果进行了上述四个步骤，并得到确实的证明，就可以确认该生物即为该病害的病原物。科赫的工作奠定了医用细菌学的基础，为人类征服结核、炭疽、霍乱、鼠疫等危害极大的传染性疾病奠定了基石，被人们誉为“瘟疫的克星”。
疾病的病原学说和科赫法则，是疫苗诞生的三大基石之二。
疫苗的三大基石之格物致知
儿童的救世主
疫苗的三大基石最后一个，是免疫学的创立。
1901年诺贝尔奖首次颁发，德国细菌学家、免疫学血清治疗法的创始人冯·贝林（Emil Adolf von Behring）因对抗白喉血清疗法的研究获得诺贝尔生理学或医学奖，他的获奖理由中还有一句，“由此开辟了医学领域的新途径，也因此使得医生手中有了对抗疾病和死亡的有力武器”。这一有力武器就是抗毒素。
冯·贝林（1854-1917） 图源：NobelPrize
1889年，贝林到柏林大学加入科赫实验室，日本科学家北里柴三郎慕名在此工作。两人一见如故。在此之前，贝林发现，对大肠杆菌感染的伤口进行化疗能中和一定的毒素。北里柴三郎则讲述了中国古代医学“以毒攻毒”的医理。贝林深受启发，两人合作开始了对破伤风和白喉的研究。
伤风梭菌以芽胞状态可在自然界的土壤中存活数年之久，煮沸15～90分钟才被灭活。做了40多次实验后，他们发现，从曾感染过破伤风杆菌而存活的动物中提取血清，注入刚感染破伤风杆菌的动物体内，可以预防破伤风病症的发作。
感染破伤风后，动物血清中会产生一种抗毒素，可以中和毒素，使之失效。这种免疫后来被称为“抗毒素的被动免疫”。在1889年法国医学学会的年会上，贝林首次提出了“抗毒素免疫”新概念，阐述了以毒攻毒的原理。
同样获得成功的是白喉，这种由白喉杆菌引起的急性呼吸道传染病曾经的致死率极高，1883年到20世纪初，欧洲死亡儿童半数死于白喉。
白喉杆菌 图源：CDC
贝林给豚鼠注射白喉杆菌，让它们患上白喉病，然后注射不同的药物，进行治疗，数百只豚鼠因此为科学而献身，只有2只豚鼠幸运地活了下来。之后贝林给2只幸运豚鼠注射更大剂量的白喉杆菌，它们仍然活了下来。贝林接下来进行了大规模的实验，1891年12月25日，贝林从幸存豚鼠的血液里提取白喉抗毒素后，成功地治疗了一位白喉患儿。新方法让白喉病儿童的死亡率骤降，贝林也因此被誉为“儿童的救星”。
抗体与抗原的发现
与贝林同一年出生的德国医生埃尔利希（Paul Ehrlich）对免疫学做了另一大贡献——发现了抗体。对抗疾病，归根结底还得唤起人体的内在抵抗力量。疫苗所唤起的内在抵抗力量，就是抗体。
埃尔利希（1854-1915），因免疫方面的工作而获得1908年诺贝尔生理学或医学奖
图源：Nobel Prize
埃尔利希1878年毕业于莱比锡大学，早年从事生物体组织和细菌的分类、染色工作，鉴定出来多种免疫细胞。他发现，各种有机染料对不同的细菌，以及生物体内不同组织的染色能力不同。由此，他设想，总能找到一种药物，能选择性地作用于病原体而不影响人体组织，这为后续的化学药物研发奠定了理论基础。
1891～1892年埃尔利希发现，将相思豆毒素或蓖麻蛋白以极小量开始给动物注射，逐渐增加剂量，则动物对之产生免疫力，这种免疫后来被称之为主动免疫。采用主动免疫的方法，他们帮助贝林大量生产白喉抗血清，并设计了测定抗毒素量的方法。而经相思豆毒素免疫的母鼠乳中含抗毒素，幼鼠食母鼠乳或接受抗血清可借此获得暂时的免疫力，这种免疫叫做被动免疫。
在埃尔利希的时代，电子显微镜和X射线衍射这类研究生物大分子结构的手段，连遥远的梦都谈不上。埃尔利希却天才般地借鉴化学家费希尔“锁和钥匙”学说，创立了抗体的侧链学说。他认为细胞的外表面并不是空无一物，而是存在一些生物大分子，他命名其为侧链。病原体入侵后，细胞受到毒素或者病原体表面抗原的作用，会产生大量的侧链，脱落到血液中中和毒素，这就是抗体。
事实上，几十年后，人们通过分子水平的研究手段，证实了埃尔利希的侧链学说，将之命名为抗原抗体反应。一把钥匙开一把锁，抗原抗体反应是特异性极强的分子层面的生化反应，抗体针对每一种抗原都有特定的空间构象，每一种抗体特定的空间结构决定了与特定抗原的结合度。
侧链学说示意图 图源：Fine Art America
后来人们发现血液中的凝集素和沉淀素也能与细菌发生特异性反应，它们也被称为抗体。而细菌表面能引起抗体产生的物质则被称为抗原。
1894年，科赫的同时科赫的同事，德国细菌学家菲佛（R. F. J. Peiffer）发现了免疫溶菌现象。他将霍乱弧菌注射到已对该菌产生免疫后的豚鼠腹腔后，发现霍乱弧菌迅速溶解死亡。然后，他将接触过该菌的血液制成免疫血清注射入没经过免疫处理的豚鼠后，发现豚鼠仍旧对霍乱弧菌具有免疫力。
比利时免疫学家朱尔·博尔代（Jules Bordet）将获得的免疫血清加热30分钟后，只发现了细菌的凝集，而没有出现溶菌现象。
朱尔·博尔代（1870-1961）因免疫有关的发现获得1919年诺贝尔生理学或医学奖
图源：wiki
据此，埃尔利希前瞻性地预测了“补体”的存在，即血清中存在的物质，其中有一种对热稳定的物质，可以与细菌特异结合导致凝集，这就是抗体。还一种，对热不稳定，无特异性，但能协助抗体溶解细菌或者受损害细胞，即补体。
埃尔利希的补体学说引起了一场争论。
后来德国免疫学家冯·瓦瑟曼（A. P. von Wassermann）用补体结合实验在临床上诊断梅毒，一定程度上证实了埃尔利希的补体理论。补体是一种血清蛋白质，不耐热，在抗原抗体结合后，可诱导其他免疫细胞前来攻击病原体，是免疫应答和炎症反应的“传令兵”之一。根据上述理论，后来建立了传染病的体外诊断手段，如凝集反应、沉淀反应、补体结合反应等，开创了传染病临床诊断的新篇章。
至此，现代疫苗的前奏已经唱完。如今，减毒疫苗、灭活疫苗、抗毒素类毒素等疫苗种类出现，将百日咳、结核、脊髓灰质炎、麻疹、肝炎御敌于“身”门之外，斩于苗头。它们正是不战而屈人之兵的利器。
文章来自公众号：中国科学探索中心（ID：cfi-china），作者： 许秀华。