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意外不只帶來新發現,也可能引發重大悲劇——疫苗科學的里程碑(二)

miss9_96
・2021/05/23 ・3661字 ・閱讀時間約 7 分鐘

科學終會勝利。Science will win. 

佐劑的發現,要從一個故意把麵包屑打進馬體內、故意讓傷口化膿的科學家說起。佐劑是疫苗科學的第三個里程碑,直至今日,它仍然在許多疫苗中扮演重要的角色。

這一章,我們不只談科學的進展,也談談歷史上的悲劇。近代史上,科學知識飛速發展,政府監管如未同時進步,將導致救命的疫苗變為致命的凶器,引發重大悲劇。

偶然發現的佐劑,為老人小孩帶來大大的便利

有些人的體質,疫苗無法在他們的身體裡產生足夠的免疫力。如:

  • 老年人服用抑制免疫力藥物(如:器官移植者、自體免疫疾病者)、特殊疾病患者(如:HIV感染者/愛滋病患者),他們的T細胞老化,或受到抑制,或受到感染
  • 嬰兒,他們的免疫系統尚未成熟

相較於一般人,疫苗在上述族群體內,更難激發出足夠的免疫力。因此需要一種可幫助疫苗效力的物質,也就是佐劑(adjuvant。該詞源於拉丁語 adjuvare,意為「助人為樂」)。

1924 年,法國巴斯德研究所的獸醫-加斯頓·拉蒙 (Gaston Ramon) 正將白喉、破傷風毒素注入馬匹,讓動物產生中和毒素的抗體,再收集抗體,準備治療被白喉或破傷風感染的病人。然而,某日發現,若注射的傷口化膿,馬匹反而會產生更大量的抗體。因此他開始嘗試同時注入麵包屑、木薯粉等,結果發現,能引起局部發炎的物質,也能刺激身體生成更強的抗體 [1, 2]

純化白喉毒素,找到最有效的佐劑

而在對岸的倫敦,免疫學家亞歷山大·格蘭尼 (Alexander Glenny) 也正在做白喉毒素刺激動物產生抗體的實驗。他在純化白喉毒素時,利用硫酸鋁鹽讓毒素沉澱(因為蛋白質多帶負電,而鋁鹽帶正電且難溶於水。加入鋁鹽後,正負電吸附毒素蛋白質後,即可在底部收集乳狀沉澱物),收集後再打進天竺鼠體內 [3]。格蘭尼驚訝的發現,相較於純粹的毒素,毒素/鋁鹽乳狀物能引起更強的抗體。1932 年,鋁鹽正式成為人類疫苗的佐劑,並且沿用至今;現行二價 HPV 疫苗(保蓓 Cervarix,荷蘭葛蘭素史克)、COVID-19 疫苗(CoronaVac,中國科興。MVC-COV1901,高端疫苗)也用鋁鹽作為佐劑

約 19 世紀,科學家開發了向馬匹注射破傷風、白喉等毒素,抽取血液中的抗體作為治療用的技術,且沿用至今。圖/ Science
上圖:1809年畫作,描繪感染破傷風後全身痙攣的病徵,下圖:感染白喉可能會導至喉嚨腫脹。
圖/wikipedia & wikipedia

佐劑的種類、原理,以及重要性

佐劑在疫苗領域上有高度重要的地位 [3]

  • 疫苗裡增加佐劑,可協助老年人、幼兒等特定體質的族群,在接種後產生和足夠的保護力
  • 搭配佐劑,可減少抗原的使用。在緊急、須快速生產疫苗的情況,降低藥廠生產抗原的產線壓力
  • 部分疫苗的抗原難以刺激免疫細胞(如:蛋白質類型的疫苗),佐劑的使用可讓抗原發揮效力

而且單一佐劑系統可以搭配多種疫苗,如:美國 Novavax 公司開發的 Matrix-M™ 佐劑系統,同時應用在流感、伊波拉出血熱、新冠肺炎/COVID-19 等疫苗。而最古老的鋁鹽系統,被應用在 HPV 疫苗(預防子宮頸癌,葛蘭素史克二價「保蓓 (Cervarix)」)、新冠肺炎/COVID-19 疫苗(中國科興「CoronaVac」、台灣高端疫苗)等不同藥廠、不同疾病上。

僅管佐劑在上世紀初已被發現,但原理直到近代才比較清晰。人體的免疫系統可分為:

  • 先天免疫 (innate immunity):不針對特定病原,只要疑似入侵者就吞噬、清除。反應快速,如:巨噬細胞、嗜中性白血球。
  • 後天免疫 (adaptive immunity):只有特定病原體才會啟動。反應較慢,如:產生抗體的 B 細胞、活化其他免疫細胞的 T 細胞。產生的記憶型免疫細胞可維持多年。

雖然疫苗的目標是活化 B 和 T 細胞,但近期研究認為,先天免疫對活化 B 和 T 細胞至關重要。局部發炎吸引巨噬細胞和樹突細胞 (DC, dendritic cell) 等到達現場並活化它們,而吞噬抗原後的樹突細胞,再將抗原傳遞給 B 和 T 細胞並活化後天免疫系統 [3]。因此,鋁鹽等佐劑能引起局部發炎,吸引樹突細胞、巨噬細胞聚集,進而活化後天免疫系統,以達到疫苗產生抗體、記憶型免疫細胞的目的。

而現今的佐劑多樣,可分為三類 [2]

  • 讓局部組織發炎/受損 (Damage-associated molecular patterns-type adjuvants),如:鋁鹽
  • 模仿病原體入侵訊號 (Pathogen-associated molecular patterns-type adjuvants),如:未甲基化的 CpG 序列 DNA
  • 讓白血球更有效地捕獲疫苗 (Particulate adjuvants):製備成奈米等級的顆粒,以利淋巴系統捕捉

儘管科學對佐劑的原理尚未完全理解,但佐劑已在 B 型肝炎、HPV(子宮頸癌相關病毒)等疫苗中,用實戰證明了它的價值。未來面對無法培養的病原體(如:C 型肝炎病毒)、無法誘導免疫力的抗原,相信都會因佐劑的加入而逐步看見曙光。無論是現在或未來,佐劑的出現,都為疫苗科學帶來無窮的潛力。

疫苗科學在研究者的努力下,進步神速,彷彿疫苗即將幫助人民遠離所有惡疾。然而,政府監管卻沒能與時並進,一昧求快的壓力下,一宗慘案在上世紀 50 年代的美國發生了…

小兒麻痺肆虐的美國,急需疫苗來控制疫情

小兒麻痺在 20 世紀中期,仍是嚴重、兇殘的傳染病。病毒 (poliovirus) 透過糞口傳染,在腸道繁殖,藉由排泄物汙染食物和水,尋找新的宿主。少數病毒會侵入神經系統、破壞運動神經元,導致永久殘疾、癱瘓,甚至死亡。光是 1952 年,美國就有近 6 萬人感染,2 萬多人殘廢、數千人死亡。

上圖:因小兒麻痺導致殘疾之患者,下圖:古埃及 18 王朝(約西元前 1403~1365 年)的石版畫中繪製了疑似因小兒麻痺導致殘疾之患者。圖/wikipedia

1951 年,美國科學家喬納斯·沙克 (Jonas Salk) 開始研究小兒麻痺疫苗。他採取死病毒策略,用福馬林/甲醛殺死病毒,試圖在最安全的形式下誘發免疫力。初步結果發現,沙克疫苗 (salk vaccine) 活化了抗體,且安全無虞。不幸的是,暴發的疫情、劇增的死亡人數,讓監管疫苗的政府機關,壓力越來越大 [4]

政府釀成的悲劇——殺人疫苗,卡特事件 (Cutter incident)

1955 年 4 月 12 日,數十萬人的臨床試驗結果公佈,沙克疫苗可以阻止小兒麻痺,媒體一片歡欣鼓舞。當天下午,美國政府僅花了 2 個半小時,就許可了五家藥廠生產沙克疫苗,其中就包含出事的卡特藥廠 (Cutter Laboratories) [5]

1955 年 4 月 12 日,沙克疫苗公布臨床試驗結果,極佳的保護力獲得各媒體大幅報導。
圖/ wikipedia

4 月 26 日,疫苗大規模施打後僅兩週,兒童接種後癱瘓的消息開始湧入。追查發現,癱瘓患者都曾接種卡特藥廠生產的疫苗。政府緊急召回該廠的疫苗,但此時已有 38 萬劑注入孩童的體內。

調查後發現,原本只能有死病毒的疫苗裡,在卡特藥廠的製造下,竟高達 12 萬劑的疫苗裡有活病毒。出問題的疫苗不僅讓孩童染病、更引爆社區大流行,4 萬人發病、近兩百人癱瘓、10 人死亡。原可阻止疫情的疫苗卻導致人民死亡,成了科學史上的大悲劇。事後調查認為,此事件的最大責任為政府監管單位政府未依照科學組織的建議,嚴格要求藥廠遵守嚴謹的生產規範 [6, 7]。儘管該事件提升了後續保護和監管,但人類應深刻的記住,若科學屈服在政治和輿論的壓力時,悲劇就可能會引爆,人命和公信力將危在旦夕。

系列文章

參考文獻

  1. Alberta Di Pasquale, Scott Preiss, Fernanda Tavares Da Silva and Nathalie Garçon (2015) Vaccine Adjuvants: from 1920 to 2015 and Beyond. Vaccine.
  2. Ian R. Tizard (2021) Adjuvants and adjuvanticity. Vaccines for Veterinarians. DOI: 10.1016/B978-0-323-68299-2.00016-2
  3. Amos Matsiko (2020) Alum adjuvant discovery and potency. Nature
  4. The tainted polio vaccine that sickened and fatally paralyzed children in 1955. The Washington Post. 2020/04/14
  5. Paul A Offit (2005) The Cutter Incident, 50 Years Later. The New England Journal of Medicine. DOI: 10.1056/NEJMp048180.
  6. Paul-Henri Lambert (2006) A successful vaccine that missed its target. Nature Medicine. DOI: https://doi.org/10.1038/nm0806-879
  7. 美國歷史系列147:卡特疫苗事件。美國在台協會

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霍亂也有自己的免疫系統?想要入侵人體,卻不想被感染!

寒波_96
・2022/05/19 ・3396字 ・閱讀時間約 7 分鐘

由霍亂弧菌(Vibrio cholerae)引發的霍亂,是常見的人類傳染病。有意思的是,霍亂弧菌這般能入侵生物體的細菌,本身也會被病毒等異形入侵,有免疫的需求。

引起霍亂的霍亂弧菌。圖 / Wikimedia

在最近發表的論文中,霍亂向我們展現了以前未知的免疫手法,不但能抵抗病毒,還能對付「質體」。霍亂究竟如何避免成為宿主的命運?質體又是什麼呢?[參考資料 1, 2]

細菌 vs 質體 vs 病毒大亂鬥:細菌也不想被寄生

細菌和人類一樣,都是用染色體上的 DNA 承載遺傳訊息。不過除了染色體以外,細菌也常常配備額外的「質體(plasmid)」,它們是 DNA 圍成的圈圈,獨立於細菌的染色體之外,具有自己的遺傳訊息,會自己複製。

細菌的遺傳物質,除了自己的染色體外,時常還額外攜帶數量不一的質體。圖/Bacterial DNA – the role of plasmids 

質體如果單方面依賴細菌供養、當個快樂的寄生蟲,那麼對細菌來說,質體就是個占空間的東西,只會耗費宿主的資源,對細菌是最差的狀況。但是,質體上也有基因,如果那些基因具備抗藥性等作用,那質體便對細菌有利。換句話說,質體和細菌的關係並不一定,有可能是有利、有害,或是沒有利也沒有害,視狀況而定。

細菌有時候具備攻擊質體的能力,例如近來作為基因改造工具而聲名大噪的 CRISPR,原本便是細菌用來抵禦病毒、質體的免疫系統。神奇的是,許多攻擊目標為質體的 CRISPR 套組,本身就位於質體上頭,令人懷疑其動機不單純。

比方說,A 質體攜帶一套攻擊 B 質體的 CRISPR,那麼 A 質體的目的,到底是保護自己寄宿的細菌不被 B 質體入侵,或是維護自己的地位不要被 B 質體搶走呢?不好說,不好說。

細菌對付質體的手段除了 CRISPR,還有一招是利用「Argonaute」蛋白質,啟動針對質體的排外機制;有時候兩者兼備,就是不給質體活路。[參考資料 3]

了解上述資訊,便能體會霍亂新研究的奧妙:質體無法生存的霍亂弧菌,既沒有 CRISPR,亦沒有 Argonaute,卻有以前不知道的另外兩招。

沒有質體的霍亂弧菌

儘管大家的印象中,霍亂就是一款危害人類的傳染病,不過野生的霍亂弧菌有很多品系,除了 O1 和 O139 兩個亞型之外,大部分其實不怎麼會感染人類。歷史上霍亂有過七次大流行,目前第七次大流行的型號為 O1 旗下的 E1 Tor,也稱作 7PET。

過往導致大流行的型號以及野生霍亂品系,細菌中一般都帶著質體,可是如今廣傳的 E1 Tor 卻常常沒有。假如人為將質體送進細菌體內,一開始倒是沒什麼阻礙,可是複製繁殖十代以後的細菌,卻幾乎不再擁有質體。

因此我們可以假設,霍亂第七次大流行的主角,可能比同類們多出些什麼,讓它新增了排除質體的能力。既然不是其餘細菌使用的 CRISPR 與 Argonaute,應該是某種目前未知的手段。

研究者一番搜尋後,從霍亂基因組上找到 2 處有關係的區域,稱它們為 DdmABC 和 DdmDE(Ddm 為 DNA-defence module 縮寫),兩者各自都有排擠新質體的能力,一起合作效果更好。

霍亂弧菌有 2 個染色體(左、右),DdmABC 位於第一號染色體(左)的 VSP-II 區域(圖中寫成 VSP-2),DdmDE 位於 VPI-2 區域。圖/Molecular insights into the genome dynamics and interactions between core and acquired genomes of Vibrio cholerae

兩套手法獨立運作,就是不要讓質體留下!

DdmABC 與 DdmDE 都能替霍亂細胞排除質體,但是運作方式不同。

DdmDE 會直接攻擊,令質體無法繼續在細菌體內生存,尤其容易攻擊比較小的質體;這個攻擊過程中,應該有其他蛋白質參與,不過詳細機制仍有待探索。

負責打擊質體的 DdmDE,其基因周圍還有兩套免疫系統的基因:R/M 與 Zorya,它們的任務都是消滅入侵的噬菌體(感染細菌的病毒)。因此霍亂的染色體上,這些基因共同構成一組對抗外來異形的陣地,稱為防禦島(defence island)。

DdmABC 則似乎更傾向「促進選汰」的手法,霍亂如果攜帶質體,不論質體自身大小,DdmABC 都會產生毒性;這使得質體數目較少的細菌,繁殖時產生競爭優勢,多代以後脫穎而出的霍亂,將剩下不再攜帶質體的個體。

有意思的是,霍亂細胞的 DdmABC 能排擠質體,也能屠殺入侵的噬菌體。所以它是一套雙重功能的免疫系統,同時防禦噬菌體和質體這兩種異形。

霍亂弧菌中 DdmABC 與 DdmDE 為兩套獨立運作的免疫系統,DdmABC 能排除入侵的病毒和質體,DdmDE 會直接攻擊質體。圖/參考資料 2

演化上 DdmABC 與 DdmDE 從何而來呢?在資料庫中比對 DNA 序列,ABCDE 這 5 個基因都找不到非常相似的近親基因,所以本題暫時不得而知。

其餘霍亂同類都沒有這兩串基因,所以它們是 E1 Tor 品系新獲得的玩意;幾個新基因組合形成新功能,或許有助於 E1 Tor 當年在霍亂內戰中勝出,成為第七次大流行的主角。總之,它們都通過長期天擇競爭的考驗,贏得一席之地。

質體對細菌可能有害也可能有利,若是通通不要,等於是徹底斷絕獲利的機會。如今廣傳的這款霍亂,為什麼演化成這般樣貌,值得持續探索。

一隻細菌配備對付不同入侵者的多款免疫系統,一如一艘巡洋艦配備的多款防禦系統,不論敵人從陸地、海面、空中發射飛彈,或是從海底用魚雷攻擊,都有防守的應變手段。然而,再怎麼周詳的防禦設計,都有被突破的機會。圖/wiki

戒備森嚴,多重防禦的細菌免疫

由這些研究我們可以觀察到,細菌儘管是只有一顆細胞的簡單生物,也配備多重免疫系統,抵抗各種入侵者。以極為成功的霍亂 E1 Tor 品系來說,它配備 R/M、Zorya、DdmDE 三款防禦病毒的機制,以及 DdmABC、DdmDE 兩套排擠質體的手法,能夠全方位對抗試圖入侵的病毒和質體。

霍亂弧菌之外的許多細菌,又配備記錄入侵者遺傳訊息的 CRISPR 系統,精準識別目標並且攻擊,類似人類的後天免疫。CRISPR 此一特質,使它變成智人的基因改造工具。

而類似先天免疫,無差別切割入侵者的 R/M 系統,其各種限制酶(restriction enzyme),早已從 1970 年代起成為常見的基因改造工具,可謂分子生物學實驗的元老。

新發現霍亂的 DdmABC、DdmDE 免疫系統,除了增加學術知識,也有應用潛力。探索細菌、質體、病毒間的大亂鬥,不只能認識更多免疫與演化,也可能找到對付細菌的新招,還有機會啟發分子生物學的新工具。

延伸閱讀

參考資料

  1. Jaskólska, M., Adams, D. W., & Blokesch, M. (2022). Two defence systems eliminate plasmids from seventh pandemic Vibrio cholerae. Nature, 1-7.
  2. Cholera-causing bacteria have defences that degrade plasmid invaders
  3. Kuzmenko, A., Oguienko, A., Esyunina, D., Yudin, D., Petrova, M., Kudinova, A., … & Kulbachinskiy, A. (2020). DNA targeting and interference by a bacterial Argonaute nuclease. Nature, 587(7835), 632-637.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁


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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。