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巴斯德與狂犬病疫苗 │ 科學史上的今天:07/06

張瑞棋_96
・2015/07/06 ・1281字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

1885 年的今天,巴斯德(Louis Pasteur, 1822-1895)的實驗室來了一對不速之客:一位憂心忡忡的母親帶著一個九歲的小男孩。她的小孩前天被狂犬咬傷,她聽說大名鼎鼎的巴斯德正在研究狂犬病疫苗,因此特地從鄉下坐火車來巴黎請巴斯德救她小孩一命。

巴斯德陷入天人交戰,因為他只是化學家與微生物學家,並沒有醫生執照,依法不得有醫療行為,更何況他剛研發出來的狂犬病疫苗只用狗做過實驗,如今若直接施打於人身上,萬一將來追究起來,肯定罪加一等。

其實巴斯德對於自己研發的疫苗頗有信心,他已有多次經驗,也都獲得良好成效。事實上,微生物所扮演的角色正是他最先發現的。

那是起因於 1856 年,他到里爾(Lille)大學任教兩年後,當地的釀酒商請他幫忙解決酒會變酸的問題。巴斯德研究後發現釀酒其實是由微生物引起的發酵作用,而酒變酸也是發酵作用,只不過參與的是別種微生物。隔年八月,巴斯德發表論文,世人才知道酵母菌與乳酸菌的存在與作用。

不過酒會變酸的問題還沒解決,畢竟酒也經不起用高溫殺菌。

經過多年研究,巴斯德終於在 1862 年發明將酒加熱到攝氏 60~65 度幾分鐘的方法,既能殺菌又不減損酒的風味。這個「巴斯德消毒法」不但挽救了法國的製酒業,日後也成為各國保存鮮奶的妙方。

巴斯德也順勢用自己設計的鵝頸瓶證明殺菌過的溶液就不會再滋生細菌,否定了當時認為生命可以無中生有的「自然生成論」。

牛奶與酒等食物會因微生物而腐壞這件事令巴斯德懷疑疾病也與微生物有關。

1879 年,他培養出雞瘟的病原菌加以實驗,有一次巴斯德度假回來竟發現助手疏忽使得培養皿乾枯了好幾天,巴斯德將乾枯的菌株接種到雞身上,結果這些雞隻被注射病原菌後竟沒有感染雞瘟。巴斯德不但因此發明雞瘟的疫苗,也發現了可以降低病菌活性以製造疫苗的方法。

1881 年,他培養出造成牲畜感染炭疽病的炭疽桿菌,製造疫苗,挽救了法國的畜牧業。

狂犬病疫苗是他首度拯救人命的嘗試,如今他真的要冒著牢獄之災的風險,將疫苗注射到這位小男孩身上嗎?

望著這個母親絕望中的懇求眼神,巴斯德決定放手一搏。男孩痊癒後,果然並未發作狂犬病,一個月後另一位接受疫苗注射的少年也證明有效,消息傳開後,各國傷患紛紛前來求診,巴斯德成了世界英雄,他雖然不是最先發明疫苗的人,卻是第一位清楚指出疫苗製造原理的人,也因此啟發後來的科學家研製出更多疫苗,挽救了無數人。

為了感念巴斯德的偉大貢獻,除了法國政府,多個國家也都紛紛捐助響應巴斯德成立研究中心的願望。1888 年 11 月,「巴斯德研究所」落成時,他已因中風無法言語,只能由兒子代為宣讀致詞。1895 年,巴斯德過世後即葬於巴斯德研究院地下室的禮拜堂內,墓碑上刻著他嚥氣前的最後遺言:「我已經盡了本分。」

當年那個第一位注射狂犬病疫苗的小男孩 Joseph Meister 長大後一直在巴斯德研究所當警衛──不知他內心是否視之為守護著巴斯德的墓室?直到 1940 年,納粹佔領巴黎十天後,他才被人發現自殺身亡,終於卸下這一生唯一的職責。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 580 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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葡萄酒變酸了?這可不能忍!巴斯德揪出「乳酸菌」,成功拯救法國的釀酒業──《厲害了,我的生物》
聚光文創_96
・2022/09/12 ・2154字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國安危機!為什麼葡萄酒變酸了?

在上一集中,我們聊到了十七世紀,荷蘭科學家 aka 手作達人雷文霍克,以他那充滿手工溫度的兩百五十臺顯微鏡,以及一百七十二塊鏡片,為世人展示了「微型動物」(微生物)的世界。

然而在雷文霍克之後,除了斯巴蘭札尼神父曾經投以關愛的眼神,做了一些相關的實驗與研究,微生物似乎逐漸被眾人遺忘。

一直到微生物學的奠基者,巴斯德(Louis Pasteur)的出現,微生物的存在終於開始閃閃發光。一開始,巴斯德是打算進行「自然發生說」的相關實驗,沒想到,一個可能動搖國本的問題卻找上了他。

巴斯德(Louis Pasteur)被譽為微生物學的奠基者,也是研發出狂犬病疫苗的科學家。圖/Wikipedia

在浪漫優雅的法國,飲酒文化與釀酒事業同樣歷史悠久,然而,當時的酒商與釀酒廠負責人卻天天急得跳腳,一點也浪漫不起來。

原來,釀酒這門手藝太過精細,只要一不小心,酒廠生產的酒很可能就會酸化變質,不僅造成商譽與營運的巨大損失,也會影響市場供應的穩定性。

生活不能缺少微醺的感覺,釀酒業的危機,簡直就是國安危機,巴斯德義無反顧的決定伸出援手。

於是,巴斯德拿出科學家的精神,仔細研究了整個釀酒過程,收集、觀察製程中,不同時間的發酵液,並且分析、比較這些酒液的不同。

經過一次一次的培養與試驗,巴斯德終於發現,在顯微鏡下,正常的發酵液中,有一種形狀圓圓的球體小生物(也就是酵母菌);而那些發酵失敗、變酸的酒液中,則可以看見一種又細又長的桿狀小生物(乳酸菌是也)。

乳酸菌平常也許是不錯的東西,但要是跑到酒裡面可就不好了。圖/envatoelements

抓出讓酒精變質的小小兇手

一八五七年八月,巴斯德發表了他的研究成果,這篇論文,可以說是現代微生物學的開山之作。論文中指出,發酵,是涉及某些特定的細菌、黴菌、酵母菌等微生物的活動。

這些研究不僅拯救了釀酒業,也影響著食品業與醫藥產業。當時的科學界一度認為,發酵與食物腐敗、傷口發炎等現象,是可以畫上等號的,因此啟發了一名外科醫師的抗菌革命之路(這段故事我們後面再聊,先賣個關子)。

回到釀酒業的危機處理之上,雖然揪出了讓酒變酸的凶手,但巴斯德的工作還沒有完成,還得找出一勞永逸的方法,才算是功德圓滿。

經過一番苦思冥想,巴斯德最後採用的是加熱滅菌法,這種方法,如今也被稱為「巴斯德消毒法」(pasteurization)。

我們都知道,加熱是個有效的滅菌方式,巴斯德將釀好的酒,短暫、而且小心翼翼的加熱,直到攝氏五十至六十度,藉此殺死那些可能讓酒變質的細菌。如此一來,不僅能讓酒長斯保存,也不會犧牲酒的口感,是不是很讚!

感謝巴斯德讓我們今天能喝到沒有壞掉的酒。圖/聚光文創

陷入絕境的養蠶業:蠶寶寶為什麼會生病?

感謝飛天小女警,啊不,是巴斯德的努力,一天又平安的過去了,釀酒業終於恢復了平靜。然而,一八六五年,法國農村再次遭遇危機。

雍容華貴的絲綢,是廣受貴族喜愛的高級布料,養蠶、攪絲、織布,也是當時法國農村的一大主力產業。沒想到,一種傳播快速、並且容易致死的疾病,卻在蠶寶寶界蔓延開來,蠶農們對此束手無策,養蠶業因此陷入絕境。

在昔日師長的建議之下,巴斯德決定投身於蠶病研究,為蠶寶寶尋得一線生機。

在此之前,他並沒有養過蠶,也缺乏相關知識。於是他動身前往法國南部,花了五年的時間,在第一線的蠶病疫區進行研究。

透過顯微鏡,巴斯德在病蠶的身體裡,發現了一些微小的病原體。

不曉得大家小時候有沒有養過蠶寶寶呢?圖/envatoelements

同樣的,溯源之後還得找出根治方法,巴斯德除了研究鑑定方法,以幫助蠶農辨認染病的蠶寶寶之外,也建議蠶農對病蠶進行隔離。

篩檢與隔離,加上選擇性育種與提高蠶群的清潔度,巴斯德提出的「蠶界防疫新生活」,不但拯救了無數蠶寶寶的性命,也讓瀕臨崩潰的法國絲綢獲得喘息。

在釀酒業與養蠶業分別取得成功之後,巴斯德於是將目光從經濟產業轉向醫療產業。

這些肉眼看不見的微生物,既然可能讓酒變酸,也可能讓蠶生病,是不是也可能引發人類的疾病?如果真是如此,只要知道如何躲避生物的攻擊,或許就能增加戰勝疾病的可能性。

大家努力待在家防疫的時候也別忘了記得動一動。圖/聚光文創

──本文摘自《厲害了,我的生物》,2022 年 9 月,聚光文創,未經同意請勿轉載。

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聚光文創_96
6 篇文章 ・ 2 位粉絲
據說三人出版社就算得上中型規模,也許是島嶼南方太過溫暖,我們對出版業的寒冬始終抱持著浪漫與天真。 作者們說,出版市場很艱困,但我們依然想在翻譯領軍的文學市場中,為本土的作者、原創故事發聲。 喜歡做為升學孩子減輕壓力的書,不要厚重百科類型、沒有艱澀的專有名詞,很多重大發現的背後故事更值得我們好好品味。

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真的假的,世界上竟然有不需施打就能散播的疫苗?
羅夏_96
・2021/08/05 ・3408字 ・閱讀時間約 7 分鐘

在新冠肺炎的陰影之下,疫苗接種已是民眾每天都在談論的話題。不過你知道除了打針接種疫苗,也有所謂的「自我傳播疫苗」嗎?這類疫苗可以在接種給少數個體後,藉由這些個體將疫苗傳播給其他未接種的個體上Nuismer & Bull, 2020。接下來讓我們一起了解這種特殊的疫苗形式吧。

圖/Pixabay

野生動物也要打疫苗?

現在的公衛體系如此發達,要給人接種疫苗並不困難,那為何需要這種能「自我傳播」的疫苗呢?其實這種疫苗的施打對象並不是人類,而是野生動物。那為何要給野生動物施打疫苗呢,這就與「人畜共通傳染病」有關了。

許多重大傳染疾病的來源,是人畜共通傳染病,也就是可以經由動物傳染給人的傳染病。這些疾病的病原體原本只能感染動物,但隨著病原體在動物群體內不斷感染的同時,病原體也不斷在演化,最終病原體就演化出能感染人的能力。而當人與這些被感染的動物接觸後,往往就是疫情爆發的開端。從禽流感、AIDS、SARS、伊波拉到現在肆虐全球的新冠肺炎 雖然新冠肺炎是否源於野生動物仍有爭議,這些人畜共通傳染病都對人類的健康造成巨大的威脅。根據美國國際開發署U.S.Agency for International Development在 2009-2019 年間的研究顯示,有 1,000 多種可能導致人畜共通傳染病的新病毒在野生動物身上被發現。可以肯定的是,新冠肺炎絕不會是最後一個人畜共通傳染病,人類未來必定還會再遇到。

面對潛伏在野外的人畜共通傳染病的威脅,難道我們只能被動地應對嗎?其實針對這個隱憂,科學家就提出不少應對方案,而其中一個方法,就是給動物施打疫苗。只要能給動物施打疫苗,阻止病原體在動物間的傳播,就能大大降低病毒的演化與對人類的威脅了。不過講得容易,做的難〜

1 Up Life GIF by himHallows
圖/GIPHY

養殖動物我們還能逐一為其施打疫苗,但要給野生動物施打疫苗,就是非常艱鉅的任務了。過去曾有用誘捕給野生動物施打疫苗的方式,雖然這有一定的效果,但只適用能被誘捕的動物,而且這種方式很難在野生動物中達到群體免疫的效果。另外不少野生動物生活在偏遠地區,我們難以誘捕,況且就算真到了牠們的棲地,牠們可不會乖乖地捲起袖子排隊等著你施打疫苗。

為了突破這些施打疫苗的限制,科學家就提出一個想法:製造一種能在野生動物之間自然擴散的自我傳播疫苗 (Self-disseminating vaccines)。而發表在 Nature Ecology & Evolution 的文章,就對自我傳播疫苗進行回顧(Nuismer & Bull, 2020)。

自我傳播疫苗的兩個類型

自我傳播疫苗主要分為兩類:可轉移疫苗 transferable vaccines傳播性疫苗transmissible vaccines,兩類疫苗都是希望藉由給少數個體施打疫苗後,讓疫苗能在野生動物群體間自然散播,以達到群體免疫的效果。不過這兩類疫苗的傳播方式並不相同,下面就分別介紹這兩類自我傳播疫苗。

可轉移疫苗

在一隻蝙蝠的毛皮塗上一些疫苗物質,當牠回到自己的棲息地,其他蝙蝠會因梳理該蝙蝠的毛皮而接觸到疫苗,藉此達到散播疫苗的目的。

可轉移疫苗示意。圖/Nature Ecology & Evolution

這個方法乍看之下傳播疫苗的效率並不高,不過根據計算,只要少數的個體攜帶可轉移疫苗,這種方式能讓足夠多的個體獲得免疫能力,從而根除病原體的。

但光有理論不夠,作者另外找到格拉斯哥大學於 2017 年,在秘魯針對吸血蝙蝠群體進行的可轉移疫苗對的研究。該研究找了三個蝙蝠群體,每個群體至少都有 200 隻蝙蝠。他們在每個群體中 20 到 60 隻蝙蝠的背部塗上含螢光的生物物質,一旦其他蝙蝠沾到這些物質,牠們的毛髮也會發出螢光。一段時間後,研究團隊分析群體中發螢光的個體數量,結果顯示至少 84% 的蝙蝠都會發螢光。這個研究的結果若應用到真正的狂犬病可轉移疫苗上,有很大的機率能讓夠多的蝙蝠產生對狂犬病的免疫能力,從而可以減少狂犬病爆發的頻率、規模和持續時間Bakker et al., 2019

傳播性疫苗

此類疫苗由活的病原體經修飾弱化後製成。將疫苗施打在少數個體上,就能利用病原體本身的感染能力,在群體間造成大規模的傳播。同時病原體因經過修飾弱化,其感染後的症狀已大幅降低,不會對群體造成太多傷害。

傳播性疫苗示意。圖/Nature Ecology & Evolution

這個方法面對數量龐大的野生動物群體是理想的做法,但風險並不小。雖然是使用修飾後的弱化病原體,但一旦設計上稍有不慎,很可能會讓這個病原體在動物群體中演化成新型疾病。因此比起直接使用修飾的病原體,重組疫苗 recombinant vaccine 是更安全的選擇。

重組疫苗簡單說就是將病原體的基因放到對宿主無害的病毒中,這樣就能借助病毒將疫苗散播到群體中。如果病毒在散播過程中遺失了病原體的基因也沒關係,因為剩下的病毒載體也對宿主無害。

在 1990 年代,馬德里動物健康研究中心的研究團隊,就曾測試過傳播性疫苗的效力。當時在西班牙一些小島上的野生兔子,正處在受致命出血性病毒感染的危機之中。研究團隊設計出重組疫苗,並將其散播在一個島上。一段時間後,研究團隊抽取當地兔子的血清進行分析,他們發現約一半的兔子其血清內都有能對抗出血性病毒的有效抗體,而且兔子並沒有出現其他副作用。顯示應用重組疫苗的傳播性疫苗,確實可行且有效(Torres et al., 2001)!

另外隨著分子生物技術的快速發展,現在我們已能精準設計出重組疫苗的使用期限,如此在給野生動物散播疫苗的同時,也能大幅降低病原體基因在疫苗中演化出有害突變的可能。

圖/Pixabay

使用自我散播疫苗的注意事項

雖然自我散播疫苗看起來是預防人畜共通傳染病的實用方法,但若真施行起來,仍有不少問題要克服。

首先是病原體預測的問題。前面提到美國國際開發署的研究顯示,在野外會造成人畜共通傳染病的可能病原體數量非常之多。我們要如何準確預測下一個可能引起人類大規模感染的病原體,並不容易。如果不能準確預測病原體,就無法知道該病原體的宿主——也就是野生動物群體,我們就難以設計出相對應的自我散播疫苗。

不同野生動物的生活模式,會影響自我散播疫苗的使用。例如前面提到的可轉移疫苗,用在會為彼此理毛的蝙蝠或許適用,但其他動物若沒有這種親密的肢體接觸,這種方法就不適合了。因此必須先知道野生動物的生活模式,才能決定使用的疫苗種類與方式。

另外在將任何生物性物質釋放到自然前,安全與生態的考量是非常重要的。我們都不希望放出的自我散播疫苗,最終變成危害自然甚至是人類的殺手。

圖/pexel

縱使仍有許多困難要克服,但使用自我散播疫苗的吸引力日益增加中。這次肆虐全球的新冠肺炎疫情,不僅威脅人類的健康,更對社會與經濟造成難以估計的損失。如果能在事前就阻斷病毒在野生動物間的傳染,這個成本明顯比疫情大爆發對人類社會的影響更低,因此越來越多的國家和研究單位,投入大量的資金到自我散播疫苗的相關研究上。

俗話說:「危機就是轉機」。這次的新冠肺炎疫情讓人們意識到,面對潛伏於野外的人畜共通傳染病,我們不能再被動應對了。是時候主動出擊,將下一波可能造成大流行的病原體,用自我散播疫苗等方法將其隔絕!

參考資料

  1. Nuismer, S.L., Bull, J.J. Self-disseminating vaccines to suppress zoonoses. Nat Ecol Evol 4, 1168–1173 (2020).
  2. 人畜共通傳染病
  3. Bakker KM, Rocke TE, Osorio JE, Abbott RC, Tello C, Carrera JE, Valderrama W, Shiva C, Falcon N, Streicker DG. Fluorescent biomarkers demonstrate prospects for spreadable vaccines to control disease transmission in wild bats. Nat Ecol Evol. 2019 Dec;3(12):1697-1704.
  4. Torres JM, Sánchez C, Ramírez MA, Morales M, Bárcena J, Ferrer J, Espuña E, Pagès-Manté A, Sánchez-Vizcaíno JM. First field trial of a transmissible recombinant vaccine against myxomatosis and rabbit hemorrhagic disease. Vaccine. 2001 Aug 14;19(31):4536-43.
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羅夏_96
52 篇文章 ・ 439 位粉絲
同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟

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COVID-19疫苗施打前,應該要知道(1):注意事項與疫苗原理
Aaron H._96
・2021/05/17 ・1817字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 597 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

隨著臺灣確診人數急遽上升,眾人施打疫苗的意願也提高。雖然目前不接受自費的疫苗施打,但在未來,疫苗的接種仍是防疫不可獲缺的一環。那在施打疫苗前,有什麼需要特別注意的呢?

目前關於學齡兒童、青少年、懷孕或哺乳中婦女,累積的臨床資料還不夠充足,建議這些族群仍盡可能以戴口罩等預防方式為主,不建議優先施打疫苗。除此之外,原則上只要超過 18 歲的一般民眾(包含 65 歲以上的長者),都可以洽詢各大醫院的家醫科門診施打疫苗。

多數罹患慢性疾病的患者,如果沒有處在急性發病期,也建議施打;對雞蛋或牛奶過敏,也並非 COVID-19 疫苗接種的禁忌症狀。

在接種疫苗前,醫師會評估個人狀況,判斷是否適合施打疫苗,如果你有服用任何藥物、正在接受治療,或是對特定物質、藥物過敏,應於施打前告知醫師,特別是正在使用避孕藥與停經後接受荷爾蒙治療的患者,因為有形成血栓的可能,建議暫緩接種或是接種前後應停藥至少 28 天。

罹患紅斑性狼瘡、類風濕性關節炎等自體免疫系統疾病的患者,也不建議施打。

在接種疫苗後 14 天內,如果出現胸痛、氣喘、呼吸困難、持續腹痛、四肢腫脹或冰冷、持續嚴重頭痛或疼痛加劇、視力模糊、非注射部位出現不尋常出血點、紫斑⋯⋯等症狀,請立即就醫。

COVID-19 疫苗接種前注意事項
COVID-19 疫苗接種前注意事項。圖/中央流行疫情指揮中心

目前各個國家與研究機構已經開發出許多不同的疫苗,而臺灣已經聯繫採購的主要廠牌包含:AZ 疫苗、Moderna 疫苗、以及本土自主開發的台灣高端疫苗。而其中已經開放施打的主要為 AZ 疫苗。

目前各國主要疫苗的差異與作用機制如下:

病毒載體疫苗的作用機制

目前 (5/15) 台灣唯一引進施打的 AZ 疫苗 (AstreZeneca),是一種「病毒載體(Viral vector) 疫苗」。

AZ 疫苗主要是利用黑猩猩的普通感冒病毒載體 ChAdOx1,加入製造目標抗原的基因片段,使被感染的細胞,製造 SARSCoV-2 之抗原(也就是新冠病毒棘蛋白片段)。抗原被體內的免疫系統辨識後,誘發輔助型 T 細胞、T 細胞、B 細胞等,進行後續免疫反應。

病毒載體 (Viral vector) 疫苗的作用機制。
病毒載體 (Viral vector) 疫苗的作用機制。圖/IVVN

除了 AZ 疫苗之外,俄羅斯加馬列亞流行病與微生物學國家研究中心 (Gamaleya Research Institute of Epidemiology and Microbiology)、中國康希諾生物股份公司 (CanSino Biologics Inc.) 及美國嬌生 (Johnson & Johnson) 研發的 COVID-19 疫苗也屬此類,不同的地方是這三款疫苗,是以腺病毒為載體 (Adenovirus vector)。

mRNA 疫苗的作用機制

相較於 AZ 疫苗,mRNA 疫苗是新型態的核酸疫苗 (nucleic acid vaccine,也稱作基因疫苗 genetic vaccine)。目前美國輝瑞和德國生物新技術公司合作研發的 Pfizer-BioNTech 疫苗,以及美國莫德納 (Moderna) 研發的疫苗就是 mRNA 疫苗。

mRNA 疫苗的原理,是直接將一小部分病毒的 mRNA 打到體內,利用這段 mRNA,使人體細胞自主製造部分病毒的蛋白質,再讓身體的免疫系統辨識這些蛋白質後,在體內引發免疫反應,進而產生免疫記憶。

mRNA 疫苗的作用機制。圖/BMC

表面棘蛋白 (spike protein) 對人體並無害處,而 mRNA 也能在細胞中快速分解,並不會造成長期影響。

mRNA 疫苗雖然是相對較新的疫苗技術,但其實也已經應用了將近數十年。過去某些流感病毒、茲卡病毒、狂犬病毒以及巨細胞病毒 (cytomegalovirus,CMV) 的疫苗,也都是使用相同機制來製作。

疫苗的原理我們說的差不多了,接下來,讓我們來聊聊大家最關心的疫苗副作用與不良反應。

參考文獻:

  1. COVID-19 vaccine AZD1222 is better tolerated in older adults than younger adults with similar immune responses across all age groups
  2. SARS-CoV-2 infection risk among unvaccinated is negatively associated with community-level vaccination rates
Aaron H._96
25 篇文章 ・ 21 位粉絲
非典型醫學人,既寫作也翻譯,長期沉迷醫療與科技領域。