我們講過了流感疫苗的歷史，也講過了麻疹疫苗的歷史，知道了流感病毒和麻疹病毒是兩種截然不同的病原體，主要侵犯的人群和臨床表現(xiàn)都不一樣。但兩者卻也有類似之處，就是一旦感染，最致命的原因卻不一定是病毒本身，而往往是繼發(fā)的細(xì)菌感染引起的肺炎。今天我們就一起來看看，科學(xué)家是如何為預(yù)防這個(gè)曾經(jīng)威脅人類壽命的頭號(hào)殺手而努力的？
暴發(fā)在新兵營的致命肺炎
1917年第一次世界大戰(zhàn)如火如荼，然而那年冬天卻是美國東部有史以來最寒冷的一個(gè)冬季。美國剛對德宣戰(zhàn)不久，新兵營里塞滿了剛招募的士兵，還有幾十萬人住在帳篷里。
在那個(gè)難熬的寒冬里，麻疹很快在這些過度擁擠的新兵營房里流行起來。麻疹通常只發(fā)生在兒童身上，癥狀大多數(shù)只是發(fā)熱、出皮疹、咳嗽、流鼻涕以及身體不適。但就像其他兒童傳染病一樣，尤其是病毒性疾病，當(dāng)成年人感染時(shí)，重癥病例的比例會(huì)比兒童高得多。
一戰(zhàn)時(shí)美國的新兵營暴發(fā)麻疹和流感，大量新兵死于肺炎
當(dāng)時(shí)，研究人員尚未研制出預(yù)防麻疹的疫苗，也沒有治療用的免疫血清，因此對于突然暴發(fā)的麻疹感到束手無策。然而，導(dǎo)致大部分患者的主要死因是繼發(fā)細(xì)菌感染，麻疹病毒削弱了人體自身的免疫防御能力，細(xì)菌乘虛而入引發(fā)繼發(fā)感染。
當(dāng)時(shí)，所有麻疹并發(fā)癥中最為致命的當(dāng)屬肺炎。從1917年9月到1918年3月流感暴發(fā)前的半年間，一共有30 784名美國士兵患肺炎而病倒，其中5741人死亡，幾乎所有的肺炎都是由麻疹引起的。
此后，1918年大流感暴發(fā)，更是使得全世界數(shù)千萬人死于流感及其誘發(fā)的細(xì)菌性肺炎。
肺炎：曾經(jīng)威脅人類壽命的頭號(hào)殺手
肺炎導(dǎo)致原本柔軟且富彈性的肺變得堅(jiān)硬、失去彈性
肺炎是指肺組織中實(shí)質(zhì)的炎癥，絕大多數(shù)肺炎幾乎都是由感染引起：隨著某種微生物侵入肺部，機(jī)體會(huì)啟動(dòng)抗感染機(jī)制，結(jié)果由各種細(xì)胞、酶、細(xì)胞殘骸、體液以及瘢痕組織組成的炎癥混合物逐漸增厚并導(dǎo)致肺部發(fā)生實(shí)變。原本柔軟、多孔且富彈性的肺變得堅(jiān)硬、緊密、失去彈性。
一旦肺部出現(xiàn)大面積實(shí)變，就不再能把氧氣輸送入血流，病人就會(huì)死亡。即使肺炎的病原體只是侵犯了部分肺部，沒有影響氧氣的交換，但還有一種情況是原本在肺部的細(xì)菌通過了肺血管壁進(jìn)入血流中后就會(huì)隨血流感染全身，同樣造成死亡。
1936年前，肺炎一直是美國最主要的致死病因。并且肺炎一直和流感緊密相連，就連世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)時(shí)，也習(xí)慣性地將兩者合并為同一種死亡原因，因?yàn)楹芏鄨龊舷拢t(yī)生很難分辨患者是直接死于流感，還是死于流感繼發(fā)的肺炎。
即便到了21世紀(jì)，我們已經(jīng)擁有了抗生素、抗病毒藥物、吸氧以及重癥監(jiān)護(hù)病房的情況下，流感和肺炎仍列美國第五或第六大死因——每年都在這兩個(gè)位置上變動(dòng)，這取決于當(dāng)年流感多發(fā)季節(jié)流行情況的嚴(yán)重程度。在所有傳染病導(dǎo)致的死亡中，它們也是數(shù)一數(shù)二的主要原因。
流感要么通過大量病毒侵染肺部直接引起肺炎，要么間接引發(fā)肺炎。后者更為常見，通過破壞機(jī)體某些部分的防御機(jī)制，使得細(xì)菌等所謂的繼發(fā)性感染原在已毫無招架之力的肺上滋生。亦有證據(jù)表明，流感病毒不僅能掃除機(jī)體的防御機(jī)制，而且特別能增強(qiáng)某些細(xì)菌對肺組織的黏附能力，從而令肺部更容易受到細(xì)菌侵染。
肺炎球菌：因?yàn)榉窝锥妹募?xì)菌
盡管有很多種細(xì)菌、病毒及真菌可以侵犯肺部，但導(dǎo)致肺炎最常見的病因還是肺炎球菌，它既可以是原發(fā)性的也可以是繼發(fā)性的感染原。
1881年，斯滕伯格在軍隊(duì)駐地一個(gè)臨時(shí)實(shí)驗(yàn)室里工作，他從自己的唾液里首次分離出了這種細(xì)菌，并接種到兔子身上，發(fā)現(xiàn)這種細(xì)菌是致命的。三年后，有研究人員證明了這種細(xì)菌會(huì)在肺中飛快地克隆繁殖并導(dǎo)致肺炎，肺炎球菌因此得名。
1881年斯滕伯格從自己唾液里分離到鏈球菌
在顯微鏡下，肺炎球菌看起來是一種中等大小的橢圓或圓形的細(xì)菌，通常好幾個(gè)連在一起，就像一條鏈子。不過，一般每個(gè)肺炎球菌只和另一個(gè)連在一起，像并排的兩顆珍珠，所以以前也被稱為肺炎雙球菌。
如果暴露于陽光下，肺炎球菌90分鐘之內(nèi)就會(huì)死掉；但如果在陰暗的房間內(nèi)，它可以在潮濕的痰液中存活10天左右。人們偶爾也能在灰塵顆粒上發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。高致病菌株的肺炎球菌感染力很強(qiáng)，它自己就能導(dǎo)致流行病的發(fā)生。
早期的全細(xì)胞滅活疫苗
早在1891年，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，滅活的肺炎鏈球菌可引發(fā)保護(hù)性免疫力，以抵抗強(qiáng)毒細(xì)菌的隨后攻擊。
肺炎球菌疫苗的首次臨床試驗(yàn)于1911年在南非的金礦和鉆石礦的本地工人中進(jìn)行，該人群是大葉性肺炎高發(fā)的目標(biāo)人群。在這些早期試驗(yàn)中，尚不清楚多種肺炎球菌血清型的存在和重要性。
1912年，洛克菲勒研究所的科學(xué)家們一共鑒別出了三種常見的完全獨(dú)立的肺炎球菌菌株，可簡單地稱之為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。其他不常見的肺炎球菌統(tǒng)統(tǒng)歸為Ⅳ型。當(dāng)他們用制備出來的血清處理不同肺炎球菌菌種時(shí)發(fā)現(xiàn)，血清中的抗體只和與自己相匹配的菌種結(jié)合，與其他則不發(fā)生作用。這種結(jié)合不需要用顯微鏡觀察，在試管中就能夠看到：細(xì)菌與抗體形成了凝塊。這個(gè)過程被稱為“凝集”，是一種特異性檢驗(yàn)。肺炎球菌抗原異質(zhì)性的認(rèn)識(shí)隨著1913年發(fā)表的文章而大大提高，這些文章清楚地表明，針對肺炎球菌感染的保護(hù)性免疫是血清型特異性的。
埃弗里一生致力于肺炎球菌的研究，獲得多個(gè)突破性成果，為此獲得1947年的拉斯科醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)
1918年至1919年的流感大流行，再加上第一次世界大戰(zhàn)，造成了導(dǎo)致肺炎球菌性肺炎發(fā)病率大幅上升的局面。由于旅行和擁擠的生活條件，新兵組成了一個(gè)特殊的高危人群，既造成感染的流行，又成為肺炎球菌疫苗測試的理想人群。
當(dāng)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果被認(rèn)為是非常令人鼓舞的。大葉性肺炎的病例數(shù)甚至減少了30％，這是令人歡迎的，因?yàn)闆]有其他預(yù)防措施。因此，全細(xì)胞疫苗在1918年和1919年在美國軍隊(duì)中得到廣泛使用，并從1918年開始在南非的礦山中常規(guī)使用。
然而，滅活疫苗誘導(dǎo)的免疫力的持續(xù)時(shí)間成為致命傷。在一些早期試驗(yàn)中，該疫苗的保護(hù)作用似乎非常短暫，只有2至3個(gè)月。這一問題當(dāng)時(shí)尚未得到關(guān)注，事后看來，人們只能猜測可能的機(jī)制，例如，疫苗誘導(dǎo)的免疫力降低了疫苗血清型的傳播后，引起了其他血清型變成流行的優(yōu)勢株，從而降低了保護(hù)效果。
莢膜：夾心糖硬硬的外殼
肺炎球菌最令人迷惑不解的是，同樣是肺炎球菌，有的細(xì)菌是毒力強(qiáng)并且致命，部分則不是。在所有肺炎中，由I型肺炎球菌造成的肺炎最為常見。如果能將這種最常見肺炎的病死率降低一半以上就是一個(gè)長足的進(jìn)步。
肺炎球菌的莢膜多糖就像糖果柔軟糖心外面的那層硬硬的外殼
洛克菲勒研究所的埃弗里和多茲注意到，一些肺炎球菌外面包裹著一層多糖外殼，就像M & M糖果柔軟的糖心外面硬硬的外殼。在試圖解開這個(gè)謎團(tuán)時(shí)，埃弗里開始稱肺炎球菌這種致命的細(xì)菌為“糖衣微生物”。他們的研究提供了令人信服的證據(jù)，證明莢膜多糖既是必不可少的毒力因子，也是肺炎球菌的保護(hù)性抗原。這些觀察結(jié)果表明，莢膜多糖可以用作疫苗。
部分肺炎球菌的表面會(huì)有一層厚厚的莢膜
用純化的莢膜多糖進(jìn)行成功的免疫開辟了開發(fā)第二代肺炎球菌疫苗的可能性。多糖疫苗的明顯優(yōu)勢包括更好的耐受性，可以將更多的血清型組合到真正的多價(jià)疫苗中。當(dāng)使用六種不同的莢膜多糖作為混合疫苗時(shí)，免疫原性不受損害的證明支持了該想法的可行性。預(yù)期疫苗具有嚴(yán)格的血清型特異性，因?yàn)樗鼉H由決定血清型的多糖組成。施貴寶公司于1946年在美國開發(fā)并銷售了兩種六價(jià)疫苗，一種用于成人，另一種用于兒童。
抗生素時(shí)代來臨，疫苗會(huì)退出歷史舞臺(tái)嗎？
然而，幾乎在六價(jià)多糖肺炎球菌疫苗開發(fā)的同時(shí)，青霉素和磺胺等抗菌藥物也出現(xiàn)了。當(dāng)時(shí)其對肺炎球菌感染的發(fā)病率和死亡率的影響，導(dǎo)致了醫(yī)生對于肺炎球菌疫苗態(tài)度的變化。其原因是對于當(dāng)時(shí)的肺炎球菌來說，青霉素就是特效藥，因此原本實(shí)驗(yàn)室對于肺炎球菌的血清學(xué)分型檢測變得毫無實(shí)際意義，逐漸實(shí)驗(yàn)室放棄了肺炎球菌的血清分型的檢測。
隨后，由于有了抗生素，當(dāng)時(shí)的醫(yī)生認(rèn)為肺炎球菌感染已經(jīng)被征服，已經(jīng)不需要再繼續(xù)使用疫苗進(jìn)行預(yù)防。由于缺乏使用，1954年兩種原本已經(jīng)獲批的六價(jià)肺炎球菌疫苗從市場上撤出。
二戰(zhàn)時(shí)青霉素的批量生產(chǎn)挽救了大量美軍士兵的生命
然而，在1950年代時(shí)，用傳統(tǒng)方法對城市醫(yī)院的肺炎球菌感染進(jìn)行了重新調(diào)查，沒有發(fā)現(xiàn)肺炎球菌感染發(fā)生率下降的跡象，而且在感染過程中早期遭受不可逆轉(zhuǎn)損傷的個(gè)體中，多數(shù)是老年人，慢性患者疾病和/或免疫功能低下，抗菌治療幾乎不能夠逆轉(zhuǎn)這些人群的病情。此外，在1960年代出現(xiàn)了對抗菌藥物敏感性降低的肺炎球菌菌株，這表明抗菌藥物的顯著功效可能是短暫的。
原本依靠抗菌藥物就能征服肺炎的幻想破滅了。在缺乏可能改善預(yù)后的措施的情況下，預(yù)防似乎是唯一的選擇。人類不得不又走回了尋找有效疫苗的老路上來。
多糖疫苗被證明在成年人中安全有效
1967年，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）國家過敏與傳染病研究所疫苗開發(fā)委員會(huì)建議聯(lián)邦政府為新型肺炎球菌疫苗的研究與開發(fā)提供資金。1968年至1976年之間，NIH投資了650萬美元用于定義肺炎球菌疾病的流行病學(xué)，完善肺炎球菌多糖抗體的血清學(xué)檢測方法以及確定候選疫苗成分的安全性，免疫原性和臨床功效。
肺炎球菌疫苗的重新開發(fā)需要了解到底哪些血清型會(huì)最常引起感染。通過對3000多個(gè)分離株的檢查發(fā)現(xiàn)，一半的感染是由六種類型引起的，四分之三是由十二種類型引起的，八分之七是由十八種類型引起的。雖然這種等級順序可能會(huì)隨著時(shí)間推移而變化，但這些類型傾向于作為最常見的感染原因而持續(xù)存在。
默克公司生產(chǎn)的多價(jià)疫苗在大約9,000名南非金礦工中進(jìn)行了試驗(yàn)，在以肺炎球菌為肺炎主因的人群中，接種疫苗后，無論原因如何，通過影像學(xué)診斷的肺炎均減少了50％，肺炎球菌疫苗與對照之間的差異P值為0.0001。
基于數(shù)據(jù)記錄接種肺炎球菌多糖疫苗的安全性和臨床試驗(yàn)的成功，默克公司制備的十四價(jià)疫苗于1977年獲得許可，該制劑于1983年擴(kuò)展到23種抗原（23價(jià)）。而這就是目前還在使用的23價(jià)肺炎球菌多糖疫苗。1988年3月，世界衛(wèi)生組織歐洲區(qū)域辦事處在丹麥哥本哈根召集了一個(gè)技術(shù)咨詢小組，建議對所有老年人和不論年齡高危人群都接種肺炎球菌多糖疫苗。
多糖疫苗的不足之處
首先，保護(hù)時(shí)間的期限可能還不夠長，一項(xiàng)大型病例對照研究表明，年齡在55歲以下的接種肺炎球菌多糖疫苗的成年人在接受5年或5年以上保護(hù)后有所下降，并且隨著年齡的增長，保護(hù)下降得更快。
其次，引入多糖疫苗時(shí)，注意力集中在成人的肺炎上，很少考慮幼兒的肺炎球菌感染。據(jù)估計(jì)，每年發(fā)展中國家有200萬名5歲以下的兒童死于急性呼吸道感染，主要是肺炎，而肺炎球菌是其主要病因。在工業(yè)化國家，肺炎的危險(xiǎn)性較小，而中耳炎是2歲以下兒童中最常見的肺炎球菌感染。約三分之一的中耳炎病例是由肺炎球菌引起的。
肺炎球菌是造成兒童急性中耳炎的主要病原之一
多糖疫苗對于嬰兒的免疫原性很差，對攜帶者的狀態(tài)或中耳炎的影響幾乎低到可以忽略不計(jì)。正因?yàn)榇?，人類需要開發(fā)出更高效的肺炎球菌疫苗。
結(jié)合疫苗站上歷史舞臺(tái)
蘭德斯坦納認(rèn)識(shí)到半抗原和蛋白質(zhì)結(jié)合可以明顯提高免疫原性
正是由于卡爾·蘭德斯坦納（Karl Landsteiner），人類才意識(shí)到非免疫原性配體（半抗原）（包括糖類）的免疫學(xué)特性可以通過與蛋白質(zhì)的共價(jià)結(jié)合來改善。
他在1920年代的開創(chuàng)性研究影響了他在紐約洛克菲勒學(xué)院的同事沃爾特·戈貝爾和埃弗里，他們尋求證據(jù)證明肺炎球菌的3型莢膜多糖血清抗體對該病原體具有保護(hù)作用。這些研究表明，與蛋白質(zhì)結(jié)合的合成二糖（半抗原）纖維二糖醛酸可以引發(fā)與3型莢膜多糖反應(yīng)的抗體，并為受此病原體攻擊的小鼠提供保護(hù)。
然而，結(jié)合疫苗的研發(fā)卻是難度極高的一件事。直到1992年，多糖蛋白結(jié)合的技術(shù)得以突破，通過這種技術(shù)可以將莢膜多糖轉(zhuǎn)變成T細(xì)胞依賴型抗原，并在2歲以下兒童中產(chǎn)生免疫記憶。這讓預(yù)防2歲以下兒童肺炎球菌性疾病看到了希望。
有了多糖蛋白結(jié)合技術(shù)后，科學(xué)家在臨床試驗(yàn)中測試了幾種多糖蛋白結(jié)合疫苗；這些疫苗的血清型和載體蛋白有所不同。盡管在結(jié)合疫苗中優(yōu)選包含大量不同的多糖，但這在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。而且，最終疫苗中載體蛋白的總量可能需要受到限制，因?yàn)槟承┹d體蛋白過多會(huì)削弱抗體對多糖抗原的反應(yīng)。
科學(xué)家們經(jīng)過艱苦攻關(guān)，最終研發(fā)出的7價(jià)肺炎球菌多糖結(jié)合疫苗于2000年獲得FDA的批準(zhǔn)上市，成為全球第一個(gè)經(jīng)過臨床試驗(yàn)驗(yàn)證具有可靠疫苗效力的肺炎球菌多糖結(jié)合疫苗，適用對象主要為2歲以下嬰幼兒。
從1929年埃弗里和戈貝爾證明莢膜多糖與蛋白質(zhì)結(jié)合時(shí)具有免疫原性，到2000年引入了肺炎球菌多糖蛋白結(jié)合疫苗來預(yù)防嬰兒的肺炎球菌疾病，歷史整整過去了70年。
2010年，在7價(jià)結(jié)合疫苗的基礎(chǔ)上新增了6種高致病血清型的13價(jià)肺炎球菌多糖結(jié)合疫苗在美國獲批上市。其在美國上市并被用于兒童接種后，5歲以下兒童侵襲性肺炎球菌疾病總發(fā)病率下降64%，肺炎球菌性菌血癥發(fā)病率下降95.3%。
13價(jià)肺炎球菌多糖結(jié)合疫苗已在全球165個(gè)國家和地區(qū)被廣泛使用，已被125個(gè)國家和地區(qū)納入免疫計(jì)劃（NIP）。WHO已將肺炎球菌性疾病列為需要“極高度優(yōu)先”使用疫苗預(yù)防的疾病，并建議在全球兒科免疫計(jì)劃中納入肺炎球菌結(jié)合疫苗。
從開發(fā)未獲得許可的滅活全細(xì)胞肺炎球菌疫苗開始，第一批肺炎球菌疫苗旨在解決成人疾病的負(fù)擔(dān)。隨后開發(fā)了一種14價(jià)多糖疫苗，該疫苗已根據(jù)免疫原性獲得許可，后來又?jǐn)U大為包括23種血清型。多糖疫苗可以有效預(yù)防相應(yīng)血清型肺炎球菌造成的成人肺炎。但是，多糖疫苗中單獨(dú)的多糖抗原只能刺激T細(xì)胞獨(dú)立的免疫反應(yīng)，而這種免疫反應(yīng)在幼兒中很弱，并且基本上不能防止定植。因此，盡管這種許可的肺炎球菌多糖疫苗雖然廣泛用于老年人，但并未被認(rèn)為是減輕小兒肺炎球菌疾病負(fù)擔(dān)的有效工具。
繼成功的b型流感嗜血桿菌多糖蛋白結(jié)合疫苗之后，對肺炎球菌疫苗尋求相同的配制方法。這樣共價(jià)蛋白結(jié)合的技術(shù)大大增加了疫苗的抗原性，即使在嬰兒早期，記憶性B細(xì)胞誘導(dǎo)和增強(qiáng)的抗體類別（同種型）轉(zhuǎn)換中，也能夠誘導(dǎo)以高親和力的強(qiáng)類型特異性抗體為特征的T細(xì)胞依賴性應(yīng)答的疫苗抗原。以這種方式，克服了以前的純多糖疫苗在很小的嬰兒中有效使用的障礙，并因此在疾病風(fēng)險(xiǎn)最高的年齡對肺炎球菌疾病提供了保護(hù)。
肺炎球菌仍然是全球發(fā)病率和死亡率的重要原因。有效的肺炎球菌結(jié)合疫苗的出現(xiàn)為抵抗這種疾病提供了極為重要的武器，現(xiàn)已在全球160多個(gè)國家/地區(qū)引入肺炎球菌的結(jié)合疫苗。結(jié)合疫苗的成功開發(fā)有賴于對肺炎球菌免疫學(xué)的深入了解，以及結(jié)合技術(shù)，制造和通用免疫程序的實(shí)施方面的顯著進(jìn)步。科學(xué)家們還在繼續(xù)努力改進(jìn)現(xiàn)有疫苗，并嘗試開發(fā)更廣泛的疫苗。有關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)理以及產(chǎn)生持久免疫力機(jī)制的研究一定會(huì)在將來對生物體提供更廣泛的防御保護(hù)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。
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