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疫苗是怎么作用我们的身体的?

信息来源: 发布时间:2013-7-23

80多年以来,人们一直将明矾做为疫苗的一个组成部分,注射到了体内,但是直到最近研究者们才开始解释这种化合物是如何辅助机体激发免疫力的。

如今,只有收藏者们才会驾驶T型福特车,或者用手摇留声机来听音乐。人们不会再用一种重得足以成为举重器材的计算器来结算支票簿,并且只需要几个小时就能跨越大西洋,而不需要花费几天的时间。自20世纪20年代以来,科学技术的发展一路高歌猛进,但是有一个遗留问题在近十年以来仍然出乎意料地停滞在原地,未取得任何进展——这就是我们所用的疫苗。

在80多年前,疫苗制造商们就开始往疫苗中加入明矾。明矾是一种能够促使免疫系统产生更强烈的应答反应的添加剂,因此也被称做佐剂。“明矾”已经成为几种含铝佐剂的广义术语。如今,地球上几乎所有人都接种过含有明矾的疫苗。比利时根特大学(Ghent University)的免疫学家Bart Lambrecht说:“它是现代医学中最常使用的化合物之一。”明矾也是一个非常有趣的迷题。美国丹佛市国立犹太医学中心(National Jewish Health)的免疫学家Philippa Marrack说:“想一想人类长久以来都在使用这种物质……但是我们对它还知之甚少,这实在是太不可思议了。”

然而科学家们指出,他们现在至少已经集中精力寻找答案,以便解释明矾是如何刺激免疫系统产生抗病原体的保护力的。研究者们最近已经提出了至少三种可能的机制,其中一种机制涉及到从濒死的细胞中游离出来的DNA。一些研究表明,明矾之所以能如此有效,是因为它能够在细胞处于“麻烦”时向免疫系统发出“警报”。

科学家们已经证明,明矾和其它佐剂的混合物能够提高疫苗的功效。研究者们如果了解了明矾的作用方式,就能够设计出明矾的替代品,这些替代品既能够保留明矾的优势,又能够避免明矾的一些缺陷,例如明矾对某些抗病原体性免疫细胞的招募能力有限。Lambrecht说:“明矾的研究领域曾经死气沉沉,但现在情况就不一样了。”

疫苗的小助手

常规的疫苗能够释放抗原(即能被免疫系统识别的病原体分子或病原体碎片),从而刺激机体的抗感染防御系统。但是如果不含有可刺激免疫应答反应的佐剂的话,许多疫苗就不会发挥这种防御作用。意大利锡耶纳诺华疫苗与诊断事业部(Novartis Vaccines and Diagnostics)的免疫学家Ennio De Gregorio指出,近年来,佐剂在疾病预防方面变得越来越重要。疫苗制造商们在不断地改善其疫苗产品中的抗原成分——例如用病毒分子的碎片来替代失活病毒,从而减少疫苗的副作用。De Gregorio说:“你纯化得越彻底,疫苗中的抗原成分就越不具有免疫原性。”因此只能由佐剂来承担起抗原成分的艰巨任务了。

并不是所有的疫苗都含有佐剂。譬如在美国,麻疹、流行性腮腺炎和流行性感冒的疫苗就不含佐剂。但是这些免疫系统辅佐剂却是甲型肝炎疫苗和人乳头瘤病毒疫苗不可或缺的部分,它们也是白喉-破伤风-百日咳三合一疫苗(diphtheria-tetanus-pertussis combo)的关键成分。美国食品与药物管理局(Food and Drug Administration)并不会单独对佐剂进行审批;它会对疫苗进行整体评价。但是在所有已经获得FDA许可的且含有佐剂的疫苗中,均包含有明矾。在世界的其它地方,监管部门也对其它佐剂进行了正式的评估与审批。例如,欧洲国家所用到的一些疫苗内含有水包油混合剂MF59或AS03。尽管如此,明矾在全世界范围内仍然是疫苗中最主要的物质。伊利诺斯州芝加哥罗萨琳德富兰克林医科大学(Rosalind Franklin University of Medicine and Science)的免疫学家Fabio Re说:“明矾确实是唯一一种被广泛使用的佐剂。”

研究者们已经发现明矾能有助于诱导机体产生抗体,而抗体是对抗多种病原体的重要防御性蛋白质。明矾作为一种佐剂,是非常引人注目的,因为它在刺激免疫系统的同时,不会引起危险的过度反应。耶鲁大学医学院(Yale University School of Medicine)的免疫学家Stephanie Eisenbarth说:“明矾最美妙的一面是:它非常有效,但是又不会太过头。”

英国的免疫学家Alexander Glenny等人在20世纪20年代中期进行了多项研究,首次证明了明矾的作用特点。Glenny等人当时正在寻找能使抗原难以溶解的化合物,因为他们认为这些化合物能够增加疫苗的免疫系统刺激能力。他们仔细考察过各种各样的化合物。Glenny等人在1926年时指出,硫酸铝钾沉淀白喉棒状杆菌毒素(为抗原的一种)的能力较强,并且能增加豚鼠体内抗细菌毒素抗体的产量。不久之后,明矾就被首次应用于人类疫苗,并且从那时开始,明矾就一直是疫苗中重要的佐剂。现在所用到的大多数疫苗都是将氢氧化铝与磷酸铝作为其明矾佐剂。

神秘的作用方式

Glenny也将他对明矾作用方式的解释传承了下来,并在学术界流传了数十年。根据他的药物持久性假说,明矾会滞留在注射处,慢慢地向周边组织释放出抗原,从而激发出更持久且更强烈的免疫应答反应。然而,这个理论与最新的研究数据并不相符。譬如在2012年的一项研究中,英国格拉斯哥大学(University of Glasgow)的免疫学家James Brewer等人向小鼠体内注射了明矾和一种抗原,2小时后他们将注射处周围的组织切除。他说:“我们切除了注射部位的组织,但是这样做并不影响(小鼠产生抗体的能力)。”

最新的研究发现解释了明矾是如何与机体的固有免疫系统【即非特异性防御系统,包括巨噬细胞和树突状细胞(dendritic cell,DC)】相互作用的,这些发现为研究者们指明了新的研究方向。2007年,由Re带领的研究团队和由印第安纳州西拉斐特普渡大学兽医学院(Purdue University’s College of Veterinary Medicine)的免疫学家Harm Hogen-Esch带领的研究团队分别在细胞研究中发现,明矾能够促使DC细胞和其它免疫细胞释放一种能促进抗体产生的免疫信号分子——白介素1β(interleukin-1β,IL-1β)。Eisenbarth当时正好是耶鲁大学医学院的免疫学家Richard Flavell实验室中的一名博士后;他指出,研究者们怀疑明矾与抗体产量之间的联系还牵涉到了固有免疫细胞,但是其潜在机制尚不清楚。他说:“这两篇相关的文章发表了出来,清楚地说明了这一点。”

这些发现将矛头指向了炎性小体(inflammasome),它是细胞内的一种蛋白质聚合体,能够探测到病原体以及受损细胞和濒死细胞所释放的危险信号(例如尿酸)。炎性小体通过刺激免疫细胞释放IL-1β和其它分子,从而产生应答反应。

炎性小体的研究受到了研究者们的热捧,但是Eisenbarth、Flavell等人最先在2008年的《自然》(Nature)杂志上发表相关研究结果。他们发现,如果小鼠体内缺少一种重要的炎性小体组成蛋白Nalp3的话,那么它们在注射了含有明矾和抗原的疫苗之后,其体内几乎不会产生抗体。但是啮齿动物在接种了含不同佐剂的疫苗之后,其体内就会产生大量的抗体。Eisenbarth说:“你瞧,你需要Nalp3(才能看到机体对明矾所产生的应答反应)。”由Re带领的研究团队以及包括Lambrecht在内的研究团队也在当年晚些时候分别报道了类似的结果。

但是其他研究者们却不认同这种解释。2009年,Marrack等人将自己的一项研究成果发表《免疫学杂志》(Journal of Immunology)上;他们的研究指出,即便小鼠体内缺少同样的炎性小体蛋白Nalp3,它们在注射了明矾和抗原后仍然能产生大量的抗体。炎性小体在明矾的免疫系统刺激能力中是否具有关键作用,目前仍然没有定论,但是持怀疑态度的文章数量已经超过了支持性文章的数量。Lambrecht承认道:“我们观察到炎性小体被(明矾)刺激,但是没有人能够证明它(对于疫苗的免疫应答而言)是非常关键的。”

其他研究者们则以明矾和DC细胞之间的联系作为研究重点。这些细胞是免疫系统的“信息传递者”。在感染过程中或注射疫苗后,DC细胞能够将抗原递呈给辅助T细胞,而这种T细胞能够激活细胞毒性T细胞(可杀伤细胞)和B细胞(可产生抗体)。

近期,加拿大卡尔加里大学(University of Calgary)的免疫学家Yan Shi等人运用原子力显微技术(atomic force microscopy,一种可用来定位分子的技术),探索明矾与DC细胞表面之间的相互作用。该研究团队在2011年4月份的《自然医学》(Nature Medicine)杂志上指出,明矾能够粘附在DC细胞的质膜上,并重新排列膜上的某些脂质。Shi的研究团队总结指出,DC细胞在受到刺激后能够捕获抗原,并迅速将其运送到淋巴结中,随后DC细胞在淋巴结中与辅助T细胞紧密结合,并可能引起了免疫应答反应。

第二种作用机制依赖于明矾所具有的另一种更为潜隐的效应:它能够杀死注射部位的免疫细胞。被佐剂杀死的免疫细胞能够释放出DNA,但是研究者们还不太确定明矾是如何杀死细胞的,以及哪种免疫细胞会被杀死——研究者们猜测可能是中性粒细胞,这种细胞在死亡后能够释放出DNA来诱捕病原体。比利时列日大学(University of Liège)的免疫学家Christophe Desmet等人在2011年8月份的《自然医学》杂志上报道指出,这些被免疫细胞“抛弃”的DNA会对免疫系统产生警示作用,导致小鼠体内产生抗体。在今年早些时候,Marrack等人在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上发表文章,对这一机制进行了更深入的剖析。他们的研究结果表明,濒死细胞所释放的DNA能够刺激DC细胞,使他们更加紧密地结合到辅助T细胞上。研究结果也表明,这种紧密的结合最终会导致B细胞释放出更多的抗体。

有关明矾作用机制的假说多种多样,且截然不同,但是De Gregorio和其他研究者们却认为,这些假说的截然不同很有可能反映了明矾的实际作用方式。Lambrecht说:“明矾可能真的是通过多重机制来发挥作用的。”Eisenbarth指出,如果明矾这种佐剂能够激发多种免疫应答反应的话,就恰好解释了为什么它是一种极佳的免疫刺激剂。

准备退役?

尽管明矾拥有诸多优点,但它并不是最完美的佐剂。它招募细胞毒性T细胞的能力较弱,而这种T细胞恰好是机体抗击疾病(例如疟疾与结核病)所必需的免疫细胞。因此,全球范围内的疫苗制造商们都在考察一些潜在的替代品。

而其他研究者们并没有放弃明矾,相反他们正打算完善它的功能。疫苗制造商们目前已经推出了一系列明矾与另一种化合物相混合的复合佐剂。在美国,有一种人乳头瘤病毒疫苗——卉妍康(Cervarix)就是将明矾和MPL(为一种改良的细菌外壳分子)搭配起来作为疫苗佐剂。Toll样受体(Toll-like receptor)是多种体细胞的病原体感应器。MPL可激活Toll样受体,从而刺激细胞毒性T细胞和抗体的产生;而明矾则不能激活Toll样受体。

如果研究者们能够更深入地了解明矾的话,他们可能就会采用其它方式来调整明矾的功能,例如开发新的佐剂混合物,或者改变明矾的化学特性。但是这种调整也存在风险。Marrack说:“我们可能能够改善明矾的功能,但是并不会有太大的好转。我们并不希望疫苗伤害(接种了疫苗的)孩子们。”

即使不改善明矾的功能,它激活免疫系统的有效性和安全性也难以被超越。大多数研究者们都一致认为,这种生物医学领域内的倒退是极具前景的。Marrack说:“明矾并不会马上退役的。”


 

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