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《传染病学史》札记:诺贝尔奖与免疫学历程

已有 2193 次阅读 2020-10-16 10:10 |个人分类:医学史话|系统分类:科研笔记| 传染病学史, 诺贝尔奖, 免疫学历程

二、诺贝尔奖与免疫学历程

(一)从18项诺奖成果说起

1901年,第1届诺贝尔生理学或医学奖便颁给了使用抗毒素治疗白喉病的贝林(Emil von Behring)。1908年,诺贝尔奖同时授予免疫学的体液免疫和细胞免疫理论的创始人(Paul Ehrlich及Elie Metchnikoff),这常被看作免疫学诞生的标志。此后,诺贝尔奖又见证了免疫学从化学免疫学向生物免疫学的转型。长长的诺贝尔奖获奖名单(表6-1)清晰地展现出免疫学发展的百年轨迹。其中几次重要免疫学成果的获奖,更是成为了划分免疫学发展若干时期的历史节点[刘伯宁. 诺贝尔奖与免疫学的百年渊源. 自然杂志,34(3):167-171]。

免疫学领域获诺贝尔生理学或医学奖的研究成果

获奖时间

获奖人物

研究成果

1901

Emil von Behring1854—1917

血清疗法及其在白喉病中的应用

1905

Robert Koch1843—1910

对结核病及结核杆菌的研究

1908

Paul Ehrlich1854—1915

抗体形成侧链学说


Elie Metchnikoff1845—1916

免疫细胞学说-吞噬细胞的作用

1913

Charles Richet1850—1935

过敏反应的研究

1919

Jules Bordet1870—1961

补体及补体结合反应

1930

Karl Landsteiner1868—1943

人血型抗原

1951

Max Theiler1899—1972

发明抗黄热病疫苗

1957

Daniel Bordet1907— 1992

 用组织胺药物治疗变态反应

1960

F.M.Burnet1899—1985

克隆选择学说与获得性免疫耐受


Peter B.Medawar1915—1987

获得性免疫耐受

1972

Rodney R.Porter1917—1985

抗体结构的研究


Gerald M.Edelman1929— 

抗体结构的研究

1977

Rosalyn Yallow1921— 

建立放射免疫分析技术

1980

Baruj Benacerraf1920— 

免疫应答基因


Jean Dausset1916— 2006

人类白细胞抗原(hla)结构


George Snell1903—1996

小鼠主要组织相容性复合体类(h-2)结构

1984

Cesar Milstein1927— 2002

单克隆抗体技术及免疫球蛋白遗传学研究


Georges F.Kohler1946—1995

单克隆抗体技术


Niels K. Jerne1912—1994

天然选择学说,免疫网络学说

1987

Susumn Tonegawa1939— 

抗体基因及抗体多样性遗传基础

1990

Joseph E.Murray1921—

抗移植免疫排斥开展肾移植


E.Donnall Thomas1920—

抗移植免疫排斥开展骨髓移植

1996

Peter C.Doherty1941— 

mhc 生物学功能


Rolf M.Zinkernagel1944— 

mhc 生物学功能

2011

Bruce A.Beutler1957—

toll样受体在固有免疫中作用的研究


Jules A.Hoffmann1941—

toll样受体在固有免疫中作用的研究


Ralph M.Steinman1943—2011

树突状细胞功能的研究

2018

James P.   Allison1948-

负性免疫调节癌症疗法的研究


Tasuku   Honjo1942-

负性免疫调节癌症疗法的研究

(二)诺贝尔奖免疫学成果简介

1. 抗体

1890年,von Behring和他的同事发现感染白喉杆菌的动物的血清中有一种抗白喉毒素的物质,他们把这种物质命名为“抗毒素”。进一步的研究发现,转移含有这种抗毒素血清可以用来治疗白喉。von Behring发现的抗毒素便是今天我们说的抗体。血清疗法的巨大作用,不仅让von Behring获得了诺贝尔奖,更吸引了科学家对抗体的研究兴趣。

那么,抗体是如何产生的?根据动物能对多种毒素产生特异的抗体这一现象,德国免疫学家Paul Ehrlich提出了“受体学说”,也叫侧链学说。该学说认为,免疫细胞表面有能够结合有毒物质(比如毒素)的受体。当某种有毒物质进入人或动物的身体后,它能特异地和免疫细胞上相应的受体结合,这种结合会刺激细胞分泌出大量游离的针对这种有毒物质的受体,这就是特异性抗体。1908年,当诺贝尔医学及生理学奖再次颁发给了免疫学领域的时候,作为两个获奖人之一的Paul Ehrlich的获奖理由就是他对抗体的研究。

关于抗体的产生的理论,“受体学说”有一些道理,但显得过于简单。随后,当科学界对抗体的研究越来越深的时候,受体学说就不能用来解释关于抗体的很多现象。上世纪40年代,一些新学说陆续提了出来,比如“模板学说”、“修饰酶学说”等,但直到英国科学家Niels K. Jerne根据达尔文的理论,提出了抗体产生的“自然选择学说”,抗体的产生的理论才进一步完善。根据这个学说,每个成熟的B细胞上有针对一种抗原的受体(也就是表达在细胞膜上的抗体)。当这个抗原特异的B细胞被活化后,B细胞会产生和分泌大量的特异性抗体。这一学说对很多有关抗体的现象进行了很好的解释,并且为后来的单克隆抗体的生产技术提供了理论基础。单克隆抗体是由一个活化的B细胞产生的针对一个特定的抗原而产生的抗体。因为它的特异性,已经在生命科学的研究以及临床疾病的治疗里得到了广泛应用。1984年,诺贝尔生理及医学奖授予给单克隆抗体技术的发明者,获奖的是三位科学家就包括Niels K.Jerne,因为他的抗体产生理论。另外两个获奖人是Georges J.F. Kohler和César Milstein,因为他们发明了制备单克隆抗体的技术。

抗体在免疫系统中如此重要,它是如何工作的呢?要解决这个问题,很重要的方法就是解析它的结构。通俗地说,就是看看它长的是什么样子,有哪些部分,然后每个部分有哪些功能?

1959年,来自英国的Rodney R. Porter和来自美国的Gerald M. Edelman分别公布了他们的发现。抗体是一种巨大的蛋白,为了研究它的结构,Porter用一个蛋白酶对抗体进行剪切。他发现这个蛋白酶能把抗体分成三个部分,其中两个部分能和抗原(抗体所反应的物质)结合,另外一个部分不能。Edelman的研究则是从另外一个角度来进行,他假设这个巨大的抗体蛋白是由几条蛋白链通过一定的化学键连接起来的。然后他用针对这些化学键酶对抗体进行剪切,结果表明抗体被剪切成了多个部分。所以,实验的结果证明了他的假设。根据这两个突破性的结果,Porter提出了一个抗体结构模型的假设。在这个模型里,抗体的结构像一个Y字母的形状。其中字母上面的两个分叉是能够和抗原结合的结构,它们都是有一条轻链和一条重链的一半组成的。而下面的茎状结构则由两条重链的剩下一半组成,它不能和抗原结合。

随着免疫学和结构生物学的发展,这个结构被证明是正确的。13年后,Porter和Edelman因为他们在抗体结构上的工作获得了诺贝尔生理及医学奖。现在我们知道抗体工作主要有两种方式。一种是只需要抗体上面分叉结构就能完成,抗体和抗原结合并封闭抗原(比如毒素),从而使它们失去作用。另外一种则是需要分叉结构和茎状结构配合完成的,分叉结构和抗原结合,然后茎状结构去激发补体或者结合并激活其它免疫细胞从而诱导进一步的免疫反应。

1987年,诺贝尔生理及医学奖又一次颁给了抗体的研究工作。这次获奖的是日本科学家Susumu Tonegawa,他解决了抗体的多样性的产生问题。因为免疫系统能针对大量的抗原产生特异的抗体,这个数量按照现在估计是数以百亿计。而抗体也是蛋白质,一般情况下一个蛋白质由一个基因来编码,但人的基因组只能编码三万个基因左右。这数以百亿计的不同抗体是如何产生的呢?换句话说,抗体的多样性是如何产生的呢?

那时候,科学家已经发现抗体有两对轻链和重链组成,而且每条链都含有两个区域:一个序列组成稳定的区域和一个变化较多的区域。这为思考抗体多样性的产生机制提供了线索:一个抗体可能是有多个基因编码然后组合起来的,而其中的每个基因又有多个变种。这样,在B细胞成熟的过程中,每个B细胞会从每个基因的多个变种里挑选一个然后组合成一个完整的抗体基因。通过这种随机的挑选组合,免疫系统可以用做乘法的方式来产生大量不同的抗体基因。

这个推测是合理的,但正式确认需要确切的实验证据,为它提供出证据的是年轻的日本科学家Susumu Tonegawa。1971年,32岁的日本病毒学家 Tonegawa加入了著名的巴塞尔免疫研究所,他之前从未涉及过免疫学研究。他选择了一个很好的研究方向:抗体多样性产生的分子机理。他在这里可以利用自己所擅长的、也是当时最先进的分子生物学知识来解决免疫学问题,实验进行得很顺利,5年后便做出了突破性发现:编码一个抗体一条链的基因在胚胎细胞里和在成熟的B细胞里有着明显的区别,这个基因分布在胚胎细胞基因组上的多个地方,而在成熟的B细胞的基因组上却只有一处。这个实验说明在B细胞发育过程中,一个抗体基因的形成是通过对多个基因的编辑而完成的,这为抗体多样性的重组学说提供了直接证据。1987年,Tonegawa独享了当年的诺贝尔生理及医学奖。

自从1987年后,抗体依然是免疫学的研究焦点之一。虽然再没有出现可以获得诺贝尔奖级别的发现,但对抗体有了更多的了解,抗体已经成为了生命科学研究中非常重要的工具,而且抗体还成为了很多疾病的治疗药物,拯救了无数人的生命。

2. 疫苗

说起疫苗的起源,还得从中国古代发明的“种痘”说起。就是从感染有天花的人那里提取含有病原体的物质(比如皮肤结痂的粉末),然后把它转移到健康人的身上。这种技术部分有效地防止了天花的发生,从16世纪的中国开始,随后也传到了欧洲。虽然种痘能够防止天花的发生,但还不是真正的疫苗,只能算是疫苗的雏形,原因在于它的安全性。在种痘里接种的是人天花病毒本身,而天花病毒在能诱导人的身体产生针对该病毒的免疫反应的同时,也可能会导致天花的发生。种痘是防止还是导致天花的发生,取决于接种物质里天花病毒的含量和活性。

当然,真正的天花疫苗应该是没有或只有很低的毒性(致病性),但能够诱导人产生强的针对天花病毒的免疫反应(免疫原性)。直到18世纪末,人类才在这一点上做出了突破,这个人是Edward Jenner(爱德华·詹纳)。我们在前面已经讲述了这件事情,这里不再重复。

这种相对安全而且有效的牛痘接种是公认的人类疫苗的开始。当人被接种牛痘病毒后,人免疫系统会产生针对牛痘病毒的免疫反应。因为牛痘病毒和人天花病毒的高度相似性,这种免疫反应也能对人的天花病毒起作用。于是,当一个接种过牛痘的人在感染人天花病毒后,他(她)的免疫系统也能消灭人天花病毒,从而防止天花的发生。从这个角度上来说,牛痘(牛天花病毒)是自然界给我们创造的针对人天花的天然疫苗。但对于绝大多数病原微生物,人们还必须根据该它们本身来发展疫苗。最关键的问题是,如何尽量去掉病原体的致病性(毒性)但依然保留它们激活免疫系统的能力(免疫原性)。在这个问题上迈出关键一步的是法国科学家路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)。

1880年,法国农村鸡霍乱横行。巴斯德在证明霍乱病菌是导致鸡霍乱的病原之外,他观察到了一个有趣的现象,就是这些霍乱病菌在体外培养的时间越长,它的致病性就越低。如果把长时间在体外培养的霍乱病菌感染鸡,鸡不但不会得病,而且还能对霍乱有抵抗性。这让巴斯德兴奋不已,因为它说明长期的体外培养降低了霍乱病菌的致病性,但依然保持了激发免疫系统的能力。巴斯德很快就制备出了针对鸡霍乱的疫苗,并因此挽救了法国的畜牧业。从那以后,巴斯德利用类似的原理,逐渐开发出了针对多种疾病的疫苗,比如炭疽病、狂犬病。

这便是疫苗发明的开端,随着生命科学技术的发展,更多安全有效的疫苗被开发了出来。现在,我们可以通过对新生儿接种疫苗来防止多种感染性疾病的发生。疫苗的使用对现代人的健康以及平均寿命的提高起到了巨大的作用。詹纳和巴斯德都在诺贝尔奖创建前就已经去世,所以他们没有获得诺贝尔奖。直到1951年,诺贝尔奖委员会决定把当年的生理及医学奖颁给了发明了抗黄热病疫苗的马克斯·泰勒(Max Theiler)。

泰勒是南非人,在南非完成了早期教育后去了英国并在那里获得了热带医学及卫生学博士学位,然后去了美国哈佛大学任教。从事热带医学教学和研究的泰勒致力于对黄热病的研究。黄热病是一种由蚊子传播的病毒性传染疾病,在非洲非常流行。一九三七年,经过十几年的坚持不懈的努力后,泰勒成功地研发出了黄热病的疫苗。这一疫苗的发现,有效地防止了黄热病的流行。尤其是在卫生状况不佳很难控制蚊子的非洲,这一疫苗的出现无疑是巨大的福音。泰勒,这一非洲的儿子,不仅为非洲带回了一枚诺贝尔奖章,更挽救了这一大陆无数人的生命。

3. 过敏

顾名思义,过敏就是过度敏感的免疫学反应,确切地说似对健康来说完全没有必要的过度免疫反应。在我们接触的环境里,并不是所有外来物质都是对我们健康有害的病原微生物。实际上,病原微生物只占其中的很小一部分。所以,在一个理想的状态下,我们的免疫系统最好是只对这些病原微生物大动干戈,而对其它无害的物质(比如花粉、食品等)不起反应。一般情况下,我们的免疫系统也的确是这样做的。但在某些条件下,我们的免疫系统会出错,对这些无害的外来物质发生了过度反应,导致了过敏性疾病。

过敏性疾病可以在多个组织发生,尤其是在和外界有直接接触的组织,比如皮肤上的荨麻疹、呼吸系统的过敏性哮喘和消化系统的食物过敏等。过敏是一种常见的现象,全世界大概有20%的人患有各种各样的过敏性疾病。虽然这一类疾病的发生很普遍,但在100多年前要并没有足够的认识。

在十九世纪末,随着疫苗之父巴斯德的成功,研发疫苗成了一种重要的抵抗传染病的手段。当时的疫苗,一般是通过对人或动物通过接种减毒过的病原微生物或者他们的毒素来进行的。为了确保疫苗的疗效,接种一般要反复多次进行。在这些大量的免疫接种案例里,人们发现有些毒素在多次接种后会引起人或动物针对该毒素很强的反应,以致休克和死亡。

这一现象同时被不少科学家发现了,但没有人能给出一个令人信服的解释。1900年,法国科学家查尔斯·罗伯特·里歇(Charles Robert Richet)开始研究一种热带水母体中的毒素。里歇发现某些动物被注射了第一剂毒素之后能够存活下来,但当再对该动物进行第二次小剂量的毒素注射后动物出现了死亡现象。通过实验里歇还发现,要出现这一死亡反应,第一次和第二次的接种时间需要相隔两到三周左右。里歇从间隔时间这一现象推测:动物的身体需要这个时间对第一次接种的毒素进行某种处理,然后才能在第二次接种毒素时发生强烈的反应。里歇在接下来的10年开展了一系列实验,最后在1912年里歇提出过敏反应这一概念,并认为它是由免疫系统针对毒素过度免疫反应所导致的现象。

过敏这一概念很快得到了科学界的认同, 63岁的里歇在1913年因此获得了诺贝尔生理及医学奖,也开启了人类对过敏性疾病认知的新时代。1957年,意大利科学家Daniel Bovet( 达尼埃尔·博韦)被授予了诺贝尔生理及医学奖,获奖的理由是肌肉松弛方面的进展和首次合成抗组胺的成就。

组胺是过敏反应中的一个非常重要的介质,主要储存在肥大细胞和嗜碱性粒细胞里。在过敏原刺激下被释放出来的组胺可以引起痒、打喷嚏、流鼻水等现象。另外,组胺结合还可以导致血管扩张因而产生局部水肿,比如引起皮肤上的风团。还有,组胺还可以使肺的气管平滑肌收缩引起呼吸道狭窄进而呼吸困难、肠道平滑肌收缩而降低血压等多项过敏的症状。所以,抗组胺的药物出现让对过敏性疾病的治疗进入了一个新的时代。直到今天,抗组胺药物依然是很多过敏性疾病的主要药物。

4. 血型

在输血前需要进行血型鉴定,只有一定的供血者可以把血献给特定的受血者。在我们知道的A、B、AB和O的四个主要血型里。O型血是全能的供血者,可以把血输给以上四个任何血型的人。而AB型则是全能的受血者,可以接受上面所有四个血型的供血者的血液。这其中的原理,就和免疫有关。

决定A、B、AB、和O四种血型的是一个名叫I的基因,它存在A和B以及O(非A非B)三种形式。一个人的血型的基因型是由分别从父亲和母亲那里继承来的两个等位基因决定的。比如说,他从父亲那里继承来的是A,母亲那里继承来的是B,那么这个人的血型的基因型就是AB。这样根据这个基因型,人的血型可以分为四种:A型(AO、AA基因型)、B型(BO、BB基因型)、AB型(AB基因型)以及 O型(OO基因型)。

那么,一个受血者是否能接受一个供血者的血液又是如何决定的呢?这是因为他们各自体内有不同的针对血型抗原的抗体决定的。在A型血的人的身体内,他们有针对B型血抗原的抗体 。同理,B型血的人身体里也存在抗A型血抗原的抗体,AB型血的人身体里则既没有抗A也没有抗B型血抗原的抗体,而O型血的人身体里则同时存在抗A和抗B血型抗原的抗体。所以,当A型血的人接受了B型血供血者的血液后,他身体内的抗B血型的抗体会结合到供血者的红细胞的血型抗原上,从而导致了血凝反应。因为这个原理,AB血型的人,因为既没有抗A也没有抗B血型抗原的抗体,可以放心地接受上面四种任何血型的人的血液。而O血型的人,因为没有A抗原也没有B抗原,可以作为任何血型的人的供血者。

这个血型的划分又是谁先提出来的呢?1900年,奥地利的科学家Karl Landsteiner (卡尔·兰德施泰纳)做了一个这样的实验,把一个健康人的血清加入另外一些人的血液中,结果发现其中一部分的血样出现了血凝现象。根据这一现象,兰德施泰纳在1901年提出来了ABO三个血型的假设。因为血型的重大意义,这一假设一经提出来就受到了科学界的重视,并被很多实验室证明。在1909年,兰德施泰纳完善了这一血型假设,正式提出了A、B、AB、和O 四种血型的理论。1930年,因为这一血型理论的提出和它的重大的临床意义,兰德施泰纳独享了当年的诺贝尔医学及生理学奖。

说到这里,顺便需要一提的是,除了发现ABO血型系统。兰德施泰纳也是另外一个重要血型系统、 Rh 血型系统的共同发现者。

5. 吞噬

1882年冬天,圣彼得堡大学的Ilyallyich Mechnikov正在思考一个科学问题:动物是如何对付外来物质的侵害的。对于这个问题,他年轻的时候就想过,动物身体内可能存在一种细胞,它能吃掉并消化外来的病原微生物。相对动物的免疫细胞而言,一般病原微生物都比较小,所以免疫细胞吞噬并消化微生物是一种可行且经济的方式。但想到这一点其实不难,难的是拿出证据来。

Mechnikov想在自己的实验室里证明这一点。他把家里的橘子树上的刺的尖端微小的部分放到海星幼虫的身体,几乎透明的海星幼虫身体可以让他在显微镜下对刺尖在海星幼虫身体内的情况进行观察。第二天,他在显微镜下观察到了一个有趣的现象,就是那个刺尖周围围满了移动过来的细胞。这些可移动的细胞以及它们围绕着橘子刺尖的现象,让他想起了那些从人体内从血管迁移到感染部位的白细胞。这种联想让他一下子豁然开朗,从而提出了这些白细胞可能到感染部位吞噬细菌的假设,这也就是1年后他发表论文里首次提出的“吞噬现象”,并认为它是免疫系统对病原体的一种基本的免疫反应。

在随后的20多年里,“吞噬现象”作为一种重要的免疫反应得到了科学界的公认。到20世纪初,吞噬和抗体分别被认为是代表免疫反应的两种基本模式,既“细胞免疫”和“体液免疫”。这两种不同的免疫反应模式,为免疫学反应提供了基本的框架。随着免疫学的发展,虽然现在我们对“细胞免疫”和“体液免疫”进行了大量的修订,但它们依然是免疫反应的两种主要形式。在没有后天免疫系统的无脊椎动物里,吞噬是最主要的细胞免疫方式。在有后天免疫系统的脊椎动物里,吞噬也依然是它们的先天免疫系统的重要一环。

1908年,因为吞噬现象的发现,Mechnikov被授予了诺贝尔生理及医学奖。

6. 补体

前面提到,抗体(抗毒素)的发现是一件令人兴奋的事件,因为这些神奇的抗毒素能够中和一些病原微生物分泌的致病毒素(比如白喉毒素、破伤风毒素等)。但是,并不是所有致病微生物都是通过分泌毒素来致病的,比如由巴斯德发现的霍乱弧菌就不是。那么免疫系统又是如何来对付这样的细菌呢?

为了研究免疫系统对霍乱弧菌的反应,巴斯德把分离出来的霍乱弧菌注射到动物体内。结果发现,被注射霍乱弧菌的动物血清中虽然没有中和毒素的抗体,但这些血清依然对霍乱弧菌有抵抗作用。进一步研究发现这种血清对霍乱弧菌的作用是通过对裂解细菌来实现的。所以,这一现象说明对动物免疫霍乱弧菌能让动物血清中产生一种让细菌裂解的物质,而这种物质不是中和毒素的抗体。

那么对细菌的裂解是如何进行的呢,那个神秘的非抗体物质又是什么呢?根据当时人们对免疫学的了解,被免疫的动物血清中应该存在针对霍乱弧菌的抗体,虽然这种抗体没有中和毒素的作用。那么,血清导致的细菌裂解是不是由这种抗体介导的呢?有没有其它因素参与了这一过程呢?

第一个解决这一问题的人就是从比利时布鲁塞尔大学获得医学博士学位后,来到巴斯德研究所工作Bordet。他首先把从被免疫动物分离出来的血清放在56℃加热,然后再用这加热过的血清去裂解细菌,结果发现加热过的血清没有了裂解细菌的能力。这个实验说明,在参与细菌裂解的物质里,至少有一种是对热不稳定的物质。

他的下一步实验,就是往加热过的免疫动物血清里加入一点从没有免疫的健康动物里提取的血清,结果发现细菌又被裂解了。这一个实验说明,细菌的裂解主要有两个成分造成的:一个是对热稳定的因素,它来自于被免疫动物的血清;另一个是对热不稳定的因素,它来自于正常的血清。Bordet对这一结果做了进一步的推测,他认为那个来自被免疫动物血清的热稳定因素就是抗体,而那个来自健康血清的对热不稳定的因素是一种新的物质。因为这种新的物质是对抗体作用的一个补充,他给这种物质命名为“补体”。后来的研究证明他的推测是正确的,这也便是补体发现的起源。

现在知道,补体不是一个蛋白,而是一系列的功能蛋白。它是天然免疫系统重要的一部分,在抵抗细胞外病原微生物的反应中起重要作用。补体能被好几种方式激活,包括细菌的成分、抗体抗原复合物。激活后的补体也能以多种方式来对付病原微生物,包括直接的杀伤和间接地诱导其它免疫反应。

那么,补体是如何帮助裂解霍乱弧菌的?第一步,被免疫动物血清中针对霍乱弧菌的抗体能够与该细菌结合;第二步,结合霍乱弧菌的抗体能够激活补体;第三步,激活后的补体能够在霍乱弧菌的表面形成膜攻击复合物;第四步,霍乱弧菌的细胞表面被膜攻击复合物打出孔来;第五步,霍乱弧菌被裂解。

因为这个发现,Jules Bordet获得了1919年生理及医学奖。这个奖是1920年补发的,因为负责1919年评审诺贝尔生理及医学奖的瑞典卡罗琳研究所的教授委员会,觉得当年被提名的候选人中没有人达到了诺贝尔奖的标准。根据规则,这年的诺贝尔生理及医学奖延迟到一年后再颁发。于是,诺贝尔奖委员会在1920年同时颁发了两年的生理及医学奖。

7. 耐受

免疫学的核心问题,就是免疫系统是如何决定反应还是不反应(耐受)的?毫无疑问,我们的免疫系统需要对病原微生物这样的外来物质要做出反应,但另一方面需要对我们自身的成分耐受。那么这种免疫系统是如何区分“自己”还是“非己”并进一步决定是反应还是耐受的呢?

1945,由R.D. Owen领导的科研小组在对异卵双生的牛研究时发现:大部分异卵双生牛的红细胞都是以嵌合体的形式存在,换句话说就是它们身体内都带有对方的红细胞;并且,更有趣的是这些牛长大后能接受对方的皮肤移植而不作出排斥性的免疫反应。这一有趣的现象,说明免疫系统不仅仅是对自身的抗原耐受,而且也可能对外来的抗原耐受。而研究免疫系统如何破例对外来抗原耐受,则可能帮助探索免疫耐受的机理。

上面的这个发现引起了免疫学家的兴趣,因为它说明了在胎儿期接触外来抗原能够获得耐受。就在在众多免疫学家为这个获得性耐受现象此兴奋不已的时候,有一个人却从这个现象里看到更远的东西,他就是澳大利亚的科学家 Frank Macfarlane Burnet。在Burnet看来,获得性免疫耐受的机理不仅仅代表着它本身,而且可以延伸到自身免疫耐受上。

尽管Burnet自己在这个领域几乎没有做过什么实验,但他天才般的思维能力让他从这一现象里推导出了免疫耐受的理论:克隆选择学说。在这个理论里,他解释了为什么免疫系统不会对我们自身的成分起反应的原理:我们的免疫细胞虽然有产生对自身成分反应的武器(比如抗体)的潜力,但这些带有自身反应性的免疫细胞在我们处在胎儿期的时候与自身抗原接触,正是这种接触让这些细胞被剔除,从而让我们能对自身成分耐受。

这个理论很快就得到了实验上的证明,来自英国牛津大学的科学家Peter B.Medawar和他的同事们做出了一个试验。在这个实验里,他们首先把一个品系(A)小鼠的细胞注射入另外一个品系(B) 的小鼠胎儿里;等被注射的B小鼠长大以后,再把A小鼠的皮肤移植到B小鼠的身上。结果如同他们所料,B小鼠不再对A小鼠的皮肤有排斥反应。 所以,这一实验说明在胎儿期接触了某种抗原后,免疫系统就会对这个抗原耐受。

1960年,Burnet和Medawar分享了当年的诺贝尔生理和医学奖。Medawar的贡献主要是他的实验发现,而Burnet的贡献则主要是提出免疫耐受理论。虽然免疫耐受的机制在后来得到了不断地补充,克隆选择这个理论一直是其中的主流。也正是在这个正确理论指导下,免疫学摆脱了几十年来的困境,从而走向了另一个繁荣。

在诺贝尔奖的历史上,只有两个人仅仅是因为他们提出的免疫学理论而获得青睐,一个是提出克隆选择学说的Frank Macfarlane Burnet,另一个就是提出抗体产生理论的Niels K. Jerne。这两个免疫学理论都是在20世纪50年代提出来的,它们像灯塔一样指引着免疫学的进步。

8. 主要组织相容性抗原复合物(MHC)分子

20世纪初,孟德尔的遗传定律被重新发现并得到了承认,科学界出现了研究遗传的热潮。其中小鼠就是一种常用的研究对象,Castel便是这一领域的领航者。作为小鼠遗传学的奠基人,他和他的学生们利用小鼠来研究多种性状,从皮肤的颜色、到移植排斥反应、到复杂的的疾病。在Castel的所有学生中,有两个人特别突出。一个是C.C.Little,他的贡献表现在两个方面:首先他培育了第一个近交系小鼠,为生物医学研究提供了重要的工具;其次是他创建了Jacksons实验室,这个世界小鼠遗传学研究的重镇,云集了一大批优秀的小鼠遗传学家。第二个是G.D. Snell,他是Jacksons实验室里的小鼠遗传学家之一,也是那里唯一的诺贝尔奖获得者。

Snell获得诺贝尔奖是因为他发现了主要组织相容性复合物(Major Histo compati bility Complex,MHC) 分子。20世纪三四十年代,Snell潜心于小鼠器官移植遗传学的研究。当一个品系小鼠的器官(比如皮肤)移植到另一个品系的小鼠身上的时候,通常会因为排斥而失败。研究移植排斥的目的是鉴定出控制移植排斥的基因,从而发现移植排斥的原理。利用当时有限的遗传学研究方法和技术,Snell和他的同事发现移植排斥主要是由一个基因位点所控制,但这个位点有多个不同的等位基因。当两个小鼠品系在这个位点上有着相同的等位基因的时候,它们就能接受彼此的器官。否则,它们将相互排斥。1948年,Snell和他的同事把它这个位点命名为主要组织相容性复合物。

二战结束后,法国的科学家Dausset才能重新在输血中心从事他的科学研究。作为输血中心的负责人,他的主要研究兴趣是血细胞的免疫学,尤其是白细胞的免疫遗传学。1958年,他发现并命名了人类第一个白细胞抗原(HumanLeukocytes Antigen,HLA)MAC,也叫HLA-A2。后来,越来越多的白细胞抗原被发现。更重要的是,Dausset和其他人的研究发现人类白细胞抗原和器官移植的成功率相关,它是人的主要控制移植排斥的基因位点。

所以,虽然名字不同,人类中的白细胞抗原和小鼠中的主要组织相容性复合物实际上是同一类基因,有着相同的功能。它在人和小鼠里之所以有不同的名字,主要是因为它被发现的时候的功能不同。一般而言,当科学家发现一个新的基因并给这个基因命名的时候,名字和被发现的最初功能是相配的。所以,Snell给这个基因命名为主要组织相容性复合物,而Dausset给它命名为白细胞抗原。一个基因有着两个不同的名字有些意外,但更意外的是它还有第三个名字,即免疫反应基因,它是由出生在委内瑞拉的美国科学家 Baruj Benacerraf 给取的。可以想象得到,Benacerraf发现了这个基因决定了是否有免疫反应的发生。

Benacerraf和他的同事研究的对象不是人,也不是小鼠,而是豚鼠。上世纪60年代,Benacerraf和他的同事利用豚鼠来鉴定哪个基因决定了豚鼠对外来抗原是否有免疫反应。他们对两种不同的豚鼠品系免疫同一个蛋白,结果发现有一个品系会对这个蛋白有免疫反应,而另外一个品系的豚鼠则没有。随后的研究发现,是否对这个蛋白有免疫反应主要是由一个基因位点所控制的,他们把这个基因命名为免疫反应基因(Ir)。而且,他们通过遗传学方法确认了这个基因位点就是控制是否有排斥反应的基因,也就是人里的白细胞抗原(HLA)或小鼠里的主要组织相容性复合物(MHC)。

Snell、Dausset、和Benacerraf用不同的研究方法和不同的研究对象最后都鉴定出来了这个基因复合物,说明这个基因复合物有着多方面的功能。但这些功能可以统一起来用一句话描述,就是决定和调节免疫反应。这也是1980年,诺贝尔生理及医学奖颁发给他们三个人的理由。

随着主要组织相容性复合物在免疫反应中的重要作用的发现,科学家对这个基因复合物的作用进行了更多的研究。在Benacerraf等发现它在决定是否有免疫反应的几年后,这个复合物的另外一个重要的作用就被发现了,做出这一发现的是当时还很年轻的科学家Peter C. Doherty和Rolf M. Zinkernagel。

1973年,瑞士医生Zinkernagel觉得他自己的兴趣不是临床看病,而是科学研究。那一年,29岁的他携带家人去了澳大利亚国立大学攻读哲学博士学位。在那里他遇到了比他大四岁的Doherty, 一个年轻的博士后。因为共同的兴趣和互补的研究经历,他们决定合作研究针对病毒的细胞免疫反应。

细胞免疫反应主要针对细胞内的病原微生物,比如病毒。当时虽然知道,针对病毒的细胞免疫反应主要是由细胞毒性T细胞来对感染有病毒的细胞进行绞杀来完成的,但这个过程的原理还不清楚。

为了研究这个免疫反应的原理,他们采用了当时最为先进的Cr51同位素释放技术来检测感染有病毒细胞的裂解情况,并利用不同品系的小鼠来研究各免疫成分在细胞免疫过程中的作用。很快,他们的研究发现了一个有趣的现象:只有细胞毒性T细胞和感染病毒的宿主细胞的MHC相配的时候,细胞毒性T细胞才能对该细胞进行绞杀。换句话说,MHC决定了细胞毒性T细胞是否能够对感染病毒的细胞进行反应。1975年,Doherty和Zinkernagel合作发表了这一结果,他们于21年后分享了1996年的诺贝尔生理及医学奖。

虽然这个基因位点曾经有三个不同的名字,但现在基本上都用最早发现的那个名字,也就是做主要组织相容性复合物(MHC)。现在我们知道,MHC不是一个分子,而是一群分子。根据功能来分,可以分为MHCI类,II类和III类分子。I类分子表达在几乎所有细胞的表面,它们在细胞免疫过程中起到了重要的作用;II类分子则表达在抗原呈递细胞的表面,主要负责抗原呈递给并激活CD4T细胞;而III分子则是一些细胞因子和补体分子。在过去的100多年里,诺贝尔生理及医学奖两次颁发给了和MHC直接密切相关的工作。享受过这一待遇的免疫分子,除了MHC就只有抗体了。

9. Toll样受体

上个世纪60年代,来自美国加州大学伯克利分校的Heppner和Weiss报道了一个对革兰氏阴性菌没有免疫力的小鼠品系:C3H/HeJ小鼠。有趣的是,和它很相近的C3H/HeN品系的实验小鼠却对革兰氏阴性菌的感染有抵抗力。这个现象引起了科学家的兴趣,因为这意味着在C3H/HeJ品系里很可能发生了一个基因突变,而这个突变决定了对革兰氏阴性菌的免疫能力。如果能找到这个突变,那么就意味着可以帮助我们了解免疫系统是如何对付革兰氏阴性菌的。

但在当时,遗传学和分子生物学的技术还不成熟,经过十几年的努力,科学家也只能把这个基因定位在小鼠的第四号染色体上。直到上世纪八九十年代,随着分子遗传学技术的发展,这个基因终于在1998年被鉴定了出来。来自美国德州大学西南医学中心 Bruce A. Beutler领导的科研小组鉴定出了这个基因就是TLR4,一个负责识别革兰氏阴性菌表面脂多糖的受体。

就在Beutler努力发现TLR4的同时,来自法国的一个由JulesA.Hoffmann领导的小组正在用果蝇做着类似的工作。稍微有区别的是,小鼠里的TLR4基因突变是自然发生的,而果蝇里的突变都是人工诱导的。通过化学的方法来处理果蝇,能够随机地诱导果蝇基因的突变。通过观察突变后果蝇的性状,可以了解基因突变和某个性状的关系。知道了突变能改变果蝇的某种性状,那么把这个突变的基因鉴定出来,就能帮助我们知道这个性状发生的机理。1996年,offmann鉴定出了果蝇的Toll基因,也就是负责果蝇对真菌感染起反应的基因。

虽然小鼠和果蝇是相差很大的两个物种,Beutler在小鼠里鉴定出的TLR4基因和Hoffmann在果蝇里鉴定出的Toll基因有着很大的相似性,它们属于同一个家族。也正是因为这两个分别来自小鼠和果蝇的突破性的研究,导致了一个大家族基因的发现,这就是Toll样受体家族。包括分布在细胞表面或细胞内的Toll样受体,它们分别用来感受不同细胞外或细胞内的病原微生物。

这些Toll样受体的作用,就是在识别了病原微生物后,能够激活细胞(比如巨噬细胞)分泌一些细胞因子。从而启动更强的针对病原体的反应。所以,当巨噬细胞的吞噬作用不能杀灭病原微生物的时候,由Toll样受体介导的免疫反应就会前赴后继地对病原微生物进行反击。 这个由Toll样受体介导的免疫反应,是天然免疫反应的重要的一部分。因为这个重要的发现,Beutler和 Hoffmann获得了2011年的诺贝尔生理和医学奖。

10. 树突细胞

在上世纪60年代,科学家知道了T细胞和B细胞,知道了是它们是针对病原微生物的强大而特异的武器。但是,由于它们不能直接针对抗原反应,这中间必须有另外一种细胞来帮助它们。如果我们把这种细胞称为辅助细胞,那这种辅助细胞就必须有能摄取抗原(比如外来微生物)的功能。起初,科学家猜测这种辅助细胞可能是巨噬细胞,理由是巨噬细胞能够摄取外来的抗原。的确,巨噬细胞能够摄取抗原而且还能进一步刺激并激活T细胞,所以它应该是,或至少是辅助细胞中的一种。

1973年,Steinman和他的同事在分析小鼠脾脏细胞的时候,发现了一种以前没有注意到的细胞。这类细胞在显微镜下呈现出一种奇怪的形状,就是像神经系统里的树突神经细胞一样有着多个像触手的分叉结构。他们把这类细胞命名为树突细胞。面对这类形状奇特的树突细胞,Steinman感到非常兴奋,因为他想这些奇特的形状必然伴随着与之相配的功能。在Steinman看来,那些触手一样的分叉可能会让细胞更好地摄取外来的物质,另外分叉结构增加了细胞的表面面积从而为和其它细胞接触合作提供了空间。所以,这类在免疫器官里发现的奇特细胞,可能是更好的辅助细胞。

在接下来的十几年里,Steinman和他的同事们就一直在证明他们的假设。他们的研究和随后其它科学家的研究都表明:树突细胞的确是更加专业的辅助细胞(现在叫抗原呈递细胞)。树突细胞在摄取抗原后,在细胞内消化抗原并且把消化后的抗原片段呈递到细胞表面。呈递到细胞表面的抗原能够被T细胞识别,从而T细胞会被激活活化。活化后的T细胞或者是分化成有效应的T细胞,或者是分化成能帮助B细胞活化的帮助性T细胞。

所以,树突细胞是启动后天免疫的第一步,它连接了后天免疫和先天免疫。遗憾的是,在2011年9月诺贝尔奖委员会宣布了Steinman获得当年的诺贝尔奖后的1个月,Steinman离开了这个世界,这让他无法亲自参加颁奖典礼。

11. 负性免疫调节

所谓负性免疫调节,是一种免疫调节的机制,通过激发我们身体自身免疫系统的潜力,使其对癌细胞发起攻击的方式,用于癌症免疫治疗的方法。

20世纪90年代,詹姆斯·艾利森在位于加州大学伯克利分校的实验室中研究T细胞蛋白CTLA-4。他是少数观察到CTLA-4具有T细胞“刹车”功能的科学家之一。其他研究团队探索了该蛋白质在自体免疫疾病的治疗中作为目标的机制。然而,艾利森具有完全不同的想法。他已经开了一种可以结合到CTLA-4并抑制其作用的抗体。他开始研究CTLA-4的阻断作用能否松开T细胞的“刹车”功能,并促使免疫系统攻击癌细胞。艾利森和同事在1994年底进行了第一次实验,并在圣诞节期间再一次获得了成功。结果非常令人惊喜。利用能抑制“刹车”并解开抗肿瘤T细胞活性的抗体,他们治愈了患有癌症的小鼠。尽管来自制药业的关注极少,但艾利森依然努力开发该疗法在人类身上的应用。多个研究团体很快获得了理想的结果,到2010年,一项重要的临床研究显示,该疗法对晚期黑色素瘤效果显著。在一些患者中,还出现了癌症残留消失的迹象。此前,在黑色素瘤患者群体中还从未出现过如此显著的结果。

1992年,在詹姆斯·艾利森取得发现之前,日本科学家本庶佑发现了PD-1。这是另一种在T细胞表面表达的蛋白质。为了揭示这种蛋白质的作用,本庶佑在京都大学的实验室中进行了一系列精巧的实验。结果显示,与CTLA-4类似,PD-1也具有作为T细胞“刹车”的功能,但作用机制完全不同。正如本庶佑和其他研究小组揭示的那样,PD-1阻断在动物实验中被证明是一种非常有前景的抗癌策略。这为利用PD-1治疗癌症患者的目标铺平了道路。临床开发随之而来,2012年的一项重要研究表明,该疗法对不同类型的癌症患者疗效显著。结果非常具有戏剧性,几位患有远端转移癌症的患者出现了长期缓解甚至治愈的迹象,而这样的疾病此前被认为是不能治愈的。

自研究显示CTLA-4 和 PD-1抑制剂的治疗效果以来,临床研究取得了巨大进展。这种常被称作“免疫检查点疗法”的治疗方法已经使一些特定癌症晚期患者的治疗结果发生了根本性的改变。在两种治疗策略中,针对PD-1的检查点疗法被证明疗效更好,且在肺癌、肾癌、霍奇金淋巴瘤和黑色素瘤等癌症的治疗中都取得了积极成果。最新临床研究显示,若能将针对CTLA-4和PD-1的两种疗法结合,疗效还会进一步加强。这点已在黑色素瘤患者身上有所体现。因此,受到艾利森和本庶佑的研究启发,科学家尝试将不同松开免疫系统“刹车片”的方法相结合,希望能更高效地铲除癌细胞。美国FDA已经核准了多种PD-1抗体试验新药,被认为是非常有效的治疗方法。目前已有多项针对大多数癌症的检查点疗法正在开展临床试验,还有新的检查点蛋白质正在作为目标接受测试。

(三)免疫学发展分期简评

如果把免疫学的发展历程进行分期,笔者赞同刘伯宁的看法[刘伯宁. 诺贝尔奖与免疫学的百年渊源. 自然杂志,34(3):167-171]。

1. 脱胎于微生物学的经验免疫学

在中国,公元303年葛洪所著的《肘后备急方》中记载“使用患病狗的大脑预防狂犬病”,这可能是有文献记载最早的预防性免疫,但又是一种非常危险的做法。在西方,19世纪末已经出现了众多灭活疫苗,如琴纳的牛痘天花疫苗、巴斯德的炭疽疫苗、狂犬疫苗等。人类在与疾病抗争的长期实践中逐渐有免疫的概念,但是对于机体免疫应答的发生原理毫无认识。

随着微生物学的发展,尤其是显微镜的广泛使用和细菌分离培养技术的成熟。各种致病菌的分离、培养成为了可能。1876年,科赫发现炭疽热的病原菌——炭疽芽孢杆菌(Bacillusanthracis),并进一步提出“感染是由致病菌造成”的“科赫假说”。几乎是同时期,法国微生物学家巴斯德发现腐败是由于微生物造成(巴斯德的“病原学说”),并进一步的制成多种灭活疫苗。19世纪末,人类对于疾病成因的理论探寻,以及多种减毒疫苗在临床上的应用,为免疫学学科的诞生奠定了基础,而此时的免疫学更多是经验免疫学。虽然早期的经验免疫学脱胎于微生物学,但是它进一步探寻病原菌与宿主之间的关系,若从医学的角度看,这种二元论的思维方式,使得免疫学较此前的微生物学更近了一步。

值得一提的是,科赫在柏林创立的科赫学院(Koch’s Institute)培育了Emil von Behring、Paul Ehrlich、Jules Bordet等众多人才,而巴斯德在巴黎创立的巴斯德研究所(Institute Pasteur)也先后培养了Elie Metchnikoff,Daniel Bordet等人,这些人为早期的免疫学发展做出了突出的贡献,也在20世纪初先后荣膺诺贝尔生理学或医学奖。

2. 免疫化学向免疫生物学的转型

诺贝尔奖获得者贝林发现了抗毒素,在用动物血清治疗白喉患者中取得巨大成功。这也是免疫学上被动免疫和血清疗法的先河。1908年的诺贝尔生理学或医学奖获得者Paul Ehrlich和 Elie Metchnikoff分别提出了体液免疫学说和细胞免疫学说,这两大学说的提出,对免疫学的影响意义深远。这标志着免疫学理论体系架构的初步完成,免疫学自此成为一门独立的学科,两位科学家被称为“免疫学之父”。 

此后,体液免疫和细胞免疫进行了长达数十年的争论[16]。20世纪上半叶,基于化学结构的抗体研究不断深入,导致体液免疫学说的盛行,体液免疫学说取得许多辉煌的成就,如抗体侧链学说、模板学说、免疫球蛋白的分子结构等,这使得早期的免疫学更像是免疫化学。但是,类似“锁-匙”这样简单的结构模型,显然不能解释一种抗原可以诱导机体产生多种抗体的事实。关于抗体多样性的疑惑,成了免疫学上的God(thegenerationofdiversity)之问。

直到1957年克隆选择学说的提出和此后抗体基因结构的阐明,抗体多样性的问题才得到圆满的解释。克隆选择学说认为,免疫细胞是随机形成的多样性细胞克隆,每一克隆的细胞表达同一种特异性的抗体,这就推动了对淋巴细胞的研究,并逐渐揭示细胞免疫应答及免疫耐受的分子机制。1960年,F.M.Burnet因“克隆选择学说和获得性免疫耐受”荣获诺贝尔生理学或医学奖,这也标志免疫学由基于抗体的免疫化学转向基于细胞研究的免疫生物学。此后,抗体基因重排规律的解释(1987年诺贝尔奖)、MHC结构功能的研究、免疫应答分子机制的研究(1980、1996、2011年诺贝尔奖),免疫学逐渐深入到分子免疫学的层面。

3. 后基因组时代的现代免疫学

21世纪伊始,以人类基因组计划完成为标识,生命科学研究进入到“后基因组时代”。随着免疫学研究中使用的模式生物(如小鼠、猴、海胆等)和众多病原体(如痢疾杆菌、结核杆菌、艾滋病毒等)的完成基因组测序[20],现代免疫学的研究更多的借助于基因组学手段,从基因序列入手,预测基因功能,通过模式生物验证的反向免疫学开始兴起。当代免疫学的研究范畴也已超越狭义免疫的范围,形成了细胞免疫学(cellularim-munology)、病原免疫学(immunopathology)、自身免疫学(autoimmunity)、免疫遗传学(immunogenetics)等众多分支学科。



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