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撰文 | 商   周
责编 | 汤佩兰
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“遇事不决,量子力学;机制难寻,肠道菌群;病因无迹,自身免疫。”
上面是学术界流行的 “金句”,尽管其中带有很大的玩笑成分,但至少关于自身免疫的部分,却是多少有些道理。
自身免疫病的发生,是因为我们的免疫系统 “错误地” 产生了针对人体本身成分免疫反应,从而让自身的组织或细胞遭受攻击,导致了损伤或功能异常。因为自身抗原的广泛存在,自身免疫病可以发生在几乎所有的组织和器官,从皮肤到内脏,从心肺到大脑。所以,当一种疑难病的的病因难以确定时,怀疑为自身免疫病也的确是一种选择。
2020年7月30日,92岁高龄的免疫学家、约翰斯霍普金斯(Johns Hopkins University)大学诺埃尔·罗斯(Noel Rose)教授去世。
在维基百科有关词条里 [1],在缅怀他的《科学家》The Scientist杂志的文章 [2]、他所就职的约翰斯霍普金斯(Johns Hopkins University)大学网页 [3] 以及中文世界的相关报道里 [4],罗斯都被称为 “自身免疫之父”。
作为一名普通的免疫学学者,我知道而且敬仰做出了杰出工作的罗斯教授。但坦白地说,我并不知道他拥有 “自身免疫之父” 这一头衔。在媒体缅怀这位 “自身免疫之父” 的时候,我想起的是这一领域充满曲折的百年。
1
1901:简单明了的起点
二十世纪的开始,也正是人类对自身免疫认知的开端。1901年,德国科学家保罗·埃尔利希(Paul Ehrlich)提出了 “自身毒性恐惧(Horror autotoxicus)” 这一概念,其中的自身毒性指的就是自身免疫。
保罗·埃尔利希(图片来源:维基百科)
1854年出生的埃尔利希是一个全才,在多个领域都取得了非凡的成就。在血液学领域,他发明了新的染色方法,首次可以把血液中的淋巴细胞和中性粒细胞区分开来;在微生物学领域,他发明了治疗梅毒的特效药物:砷凡纳明;在肿瘤领域,他则是癌症化学疗法的先驱。
不过埃尔利希最大的成就,还是在免疫学领域。1908年,他和俄国科学家埃黎耶·埃黎赫·梅契尼可夫(Ilya Ilyich Mechnikov)因为在免疫学上的贡献而一起获得了诺贝尔生理或医学奖 [5]
埃尔利希之所以获得诺贝尔奖,主要是因为他在体液免疫方面的工作,一方面是对血清中抗体的效价定量研究,另一方面是他首次提出了抗体产生的理论:侧链学说 [6]
除了被诺贝尔奖认可的工作外,埃尔利希另一项影响深远的免疫学成就是提出了 “自身毒性恐惧” 这一概念,这成为了人类对自身免疫认知的开端。
对于“自身毒性恐惧”这一概念,一些媒体做了错误的解读。比如在维基百科上有关保罗·埃尔利希的中文网页,作者就把 “Horror autotoxicus” 翻译成 “恐怖的自体毒性”,并认为这个概念的提出意味着埃尔利希预测了自身免疫的存在 [6]
而事实却几乎刚好相反。
1901年,埃尔利希和他的一位同事于《柏林医学周刊》上发表了一篇研究论文里提出 “自身毒性恐惧” 这一概念。在这项研究里,他们试着用羊自己的成分(这里用的是红细胞)去对羊进行免疫,结果发现被免疫的羊没有产生针对羊红细胞的抗体 [7]
埃尔利希对这一结果进行了这样的解读:身体对由免疫反应导致的自我伤害有着先天的恐惧和厌恶,所以不会有自身免疫的发生。这就是 “自身毒性恐惧” 的由来。
也就是说,埃尔利希提出 “自身毒性恐惧” 并不是预测到自身免疫的存在,而是认为自身免疫不会发生。
即使以现在的眼光来看,埃尔利希的 “自身毒性恐惧” 理论依然有它的道理,而且是很有道理。我们的免疫系统的确进化出了多种机制来避免自身免疫(尤其是自身免疫病)的发生。
但不幸的是,他的 “自身毒性恐惧” 理论被绝对化了,以至于成为了阻碍科学界对自身免疫认知的教条。
2
1901-1951:半个世纪的彷徨
就在埃尔利希提出 “自身毒性恐惧” 理论的三年后,科学家就发现了自身抗体的踪影。
1904年,奥地利科学家卡尔·兰德施泰纳 (Karl Landsteiner,1930年诺贝尔生理或医学奖得主,理由是发现ABO血型)和他的同事多纳特(Donath)发现:三个尿中带血和蛋白的病人血液中有一种奇特的因子,这种因子在低温的情况下能够破坏他们身体里的红细胞。他们把这种因子称为自身红细胞裂解因子(autohemolysin ),并把论文发表在《慕尼黑医学周刊》上 [8]
现在我们知道,他们发现的就是一种针对红细胞的自身抗体。但兰德施泰纳和多纳特并没有把这一发现和自身免疫联系起来。其中的原因部分就是因为当时科学家并不相信自身免疫的存在,还有部分可能因为他们俩人从事的都是偏向临床的工作,对免疫的基础研究兴趣不足 [9]
仅仅在两年后的1906年,自身免疫现象再次和科学家相遇,而观察到这一现象的恰恰是埃尔利希的学生奥古斯特·保罗·冯·瓦瑟曼(August Paul von Wassermann)。瓦瑟曼最著名的科学成就之一是发明了检测梅毒抗体的方法,也叫瓦瑟曼反应(Wassermann reaction)[10]
在这个反应里,梅毒螺旋体感染的肝细胞(从死了的梅毒病人身上获得)被用来作为抗原,利用 “抗红细胞抗体-红细胞” 复合物激活补体并导致红细胞裂解原理来检测一个人身体里是否有针对梅毒的抗体的存在。如果一个人身体内没有针对梅毒的抗体(没有被梅毒感染),那么反应里的复合物-补体激活能正常运行,所以可以观察到红细胞的裂解;而如果一个人身体内有针对梅毒的的抗体(梅毒患者),那么梅毒抗体可以和梅毒抗原结合并进一步激活和消耗补体,所以看不到红细胞裂解的发生 [10]
但不久瓦瑟曼就发现,如果只用正常没有感染梅毒的人的肝做抗原来进行上面的检测,在一些病人的血液里同样可以检测到了防止红细胞裂解的抗体的存在。换句话说,在一些病人身上有一种针对正常肝细胞的自身抗体 [10,11]
20世纪初的这两个关于自身免疫的重要发现曾经引起过免疫学界的短暂注意,也就此提出了 “自身抗体(Autoantiboby)” 这一概念 [12],但因为当时的免疫学的主流是研究病原体的感染,很少人真正相信自身免疫的存在,所以这些最初发现但无法解释的证据也慢慢被忽略了。
接下来是两次世界大战,当免疫学界的注意力再次被吸引到人类自身免疫病上的时候,已经是30多年以后。
1945年, 南非科学家基尔(Gear)在他发表的一篇关于 “黑水病(Balckwater fever,疟疾中的一种溶血性并发症)的论文里,就提到自身抗原和自身抗体在其中的发病机制里可能起到了作用 [13]。1948年,美国科学家哈格雷维斯(Hargraves) 等人发现了 “红斑狼疮细胞效应” [14]。而类风湿因子(一种存在与类风湿关节炎等病人身上的针对IgG的IgM型自身抗体)的鉴定和确认 [15,16],则是一个更加重要的发现。
尽管有关自身免疫的证据越来越多,但这些都不足以说服当时的免疫学家相信自身免疫病的存在。其中的原因主要有两点:第一个是这些自身抗体的特异性无法被证明,包括这些抗体产生的原因和结合抗原两个层面上的特异性;第二个原因更为重要,就是无法证明这些自身抗体是导致自身免疫病的罪魁祸首。
在当时的条件下,要在病人身上证明以上两点几乎不可能。当然,可以用动物去做实验证明,这就是实验性自身免疫,但这个领域的同期进展也同样曲折。
3
1888-1949:实验性自身免疫的困境
实验性自身免疫的领域的起源,从某种意义上来说要更早一些,因为可以追溯到路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)
1885年,巴斯德发明了减毒的狂犬病疫苗。在他最初的配方里,用来接种的是烘干透了的感染有狂犬病毒的兔子脊髓。而接受这个疫苗的近5000人里,虽然没有严重的副作用发生,但这种接种的保护性并不是很好。
为了提高疫苗的成功率,巴斯德修改了疫苗的接种方案。不仅把疫苗换成了没有干透的感染有狂犬病毒的兔子脊髓, 也大大增加了接种的次数。这样的改动的确提高了疫苗的成功率,但同时也出现了一种奇怪的副作用:少数被接种者出现了类似脑脊髓炎的症状,包括瘫痪和死亡 [17]
在现在的免疫学研究人员看来,这种疫苗接种后的脑脊髓炎就是一种自身免疫反应的结果。但当时并没有自身免疫的概念,巴斯德把其中的原因归罪于狂犬病毒的副作用 [17]
可能部分因为巴斯德的威望,也部分因为那种副作用发生得并不频繁,这种疫苗接种后的脑脊髓炎慢慢被学术界淡忘了,巴斯德也于1895年去世。
四十多年后,来自美国洛克菲勒研究所的托马斯·瑞瓦斯(Thomas Rivers)旧事重提,他认为疫苗接种后脑脊髓炎的发生并不是因为病毒的副作用,而是因为反复接种兔子脊髓的结果。
为了验证自己的观点,瑞瓦斯用健康的兔子的大脑组织反复去免疫猴子,结果其中有些猴子也出现了脑脊髓炎的症状;但即使这些兔子的大脑组织里含有病毒,也不会进一步增加猴子脑脊髓炎的发生 [18]
这一发现不仅证明了他自己的假设,也是实验自身免疫病领域里程碑式的研究。但作为这一研究执行人,瑞瓦斯自己却并没有意识到这一发现和自身免疫病的关联,更没有想到这可以作为研究自身免疫病的动物模型。其中的原因除了当时普遍对自身免疫病缺乏认知外,还有一点就是利用这种方法在猴子身上诱导脑脊髓炎太麻烦,需要十几次甚至几十次的反复接种兔子的大脑组织 [17]
原因很简单,因为没有佐剂,单靠兔子大脑这一抗原的刺激很难产生强的免疫反应, 这也是巴斯德的狂犬疫苗在反复多次接种后才会产生脑脊髓炎副作用的理由。
所以,这里不得不提到实验自身免疫学领域的另一个里程碑,就是1942年弗氏佐剂(Freund‘s Adjuvant)的发明 [19]。作为一种高效的免疫刺激剂,弗氏佐剂大大加快了实验自身免疫学的进程,让疾病症状在少量的几次免疫后出现成为了可能。
1947年,美国科学家卡巴特(Kabat)等人用兔子的大脑作为抗原去免疫猴子,在弗氏佐剂帮助下经过三次免疫后,猴子如期出现了脑脊髓炎的症状。更为重要的是,他们发现如果用猴子的大脑作为抗原去免疫,同样也会让猴子出现同样的症状 [20]
这一项研究的重要性不言而喻,因为它第一次证明可以利用同种动物的抗原去诱导自身免疫病的发生。
两年后,这一模型在小鼠身上得到了验证。利用小鼠大脑为抗原,来自洛克菲勒研究所的奥里斯基(Olitsky)等人在小鼠身上诱导出脑脊髓炎的症状 [21]。这就是至今依然在广泛应用,而且也很可能是免疫学史上被使用的最多的动物模型:实验性自身免疫脑脊髓炎小鼠模型。
但在那个时候,这个动物模型被称为 “实验性急性脑脊髓炎”,再后来又被叫为 “实验性过敏脑脊髓炎”,好像故意在避免和自身免疫的关联。直到上世纪六十年代,才被改为现在的 “实验性自身免疫脑脊髓炎”。
之所以有这样的曲折,跟当时对人类自身免疫病的错误认知有关。表面上看是因为 “自身毒性恐惧” 理论被绝对化成了教条,从而阻碍了对自身免疫认知的进程。而其中更为深层次的原因,还是因为当时研究手段缺乏,从而导致对自身免疫认知的不足。
不过随着免疫学的进展,变革和突破已经变得不可阻挡。
4
1951-1964:变革的时代
当20世纪进入下半叶的时候,免疫学迎来了它的第二个春天,自身免疫领域也有了新的气象。
1951年,哈灵顿(Harrington)等人报道了一项关于特发性血小板减少性紫癜(idiopathic thrombocytopenic purpura,一种由针对血小板的抗体导致的疾病) 的研究。他们发现,将这些病人的血清输入到几位志愿者(包括哈灵顿自己)的身体里的时候,这几名志愿者血液中的血小板数量很快发生了减少 [22]
这一发现首次显示了血清中的某个因子(很可能是自身抗体)是导致特发性血小板减少性紫癜的致病因素,给自身免疫病的研究带来了曙光。
但这还远远不够,一是它没有证明导致血小板减少的就是自身抗体,二是这些自身抗体的特异性依然是个问题。
而彻底将以上两个问题解决的,就是这篇文章开头处的主人公罗斯。也是在1951年,24岁的他刚刚获得了医学博士学位,加入了欧内斯特·维特布斯基(Ernst Witebsky)教授的实验室。
维特斯基1901出生于德国法兰克福,在海德堡大学学习的时候师从埃尔利希的学生汉斯·萨赫(Hans Sach)。所以从学术辈分上来看,他是埃尔利希的徒孙。
1935年,因为纳粹的迫害,维特斯基流亡美国,成为了布法罗大学医学院的一名教授,主要从事组织特异性抗原的研究。而罗斯得到的课题,是对一种甲状腺组织特异的蛋白-甲状腺球蛋白-的研究。
图源:https://www.goldengooseaward.org
为了研究甲状腺球蛋白,罗斯用来自不同物种(包括鸡、猪、羊、牛等多种动物)的甲状腺去免疫兔子。结果发现,大部分哺乳动物的甲状腺都能诱导兔子产生出针对兔甲状腺球蛋白的抗体。这一点并不意外,甚至可以说是意料之中。但罗斯做了另外一个实验,用兔子的甲状腺当抗原去免疫兔子,结果发现兔子同样产生了针对甲状腺球蛋白的抗体。
也就是说,通过免疫自身抗原,兔子产生了自身抗体。换句话说,兔子有产生自身免疫反应的能力。
当这一结果呈现在面前的时候,属于埃尔利希学术家族而且是“自身毒性恐惧”教条支持者的维特斯基不愿意相信,他建议罗斯重复实验。
于是罗斯把这个实验重复了几次,并且得到了一致的结果。维特斯基又建议把免疫用的抗原由整个甲状腺换成提纯了的兔子甲状腺球蛋白,来证明这是针对该自身抗原的特异反应。
罗斯接下来的实验又证明了这一点,单独免疫甲状腺球蛋白也能诱导兔子产生该自身抗体。但这些还没有说服维特斯基,他又建议了另外一个实验:用同一只兔子身上提取出来的甲状腺球蛋白去免疫同一只兔子,确保产生的免疫是自身免疫,而不是同种异体的免疫反应。
这样的实验的确有些不好做,需要先对兔子进行手术取出部分甲状腺,然后纯化出甲状腺球蛋白,再去免疫同一只兔子。但罗斯还是做到了,进一步证明了针对甲状腺球蛋白的自身免疫的存在。
而且,在这些被免疫的兔子里,它们的甲状腺出现了炎症和损伤。也就是说,这些针对甲状腺球蛋白的自身免疫反应能够介导炎症和组织损伤,证明了它们的致病性。
当看到自身免疫反应的特异性和致病性都被证明了的时候,维特斯基改变了自己坚持了几十年的观点,成为了自身免疫病研究领域的支持者和领航人。接下来,他们再用同样的方法在狗和豚鼠身上重复了这一发现。而且在患有甲状腺炎的病人身上,也如期检测到了针对甲状腺的自身抗体。
1957年,这篇研究论文发表在美国医学会杂志JAMA杂志上 [22]。在这篇划时代的论文里,维特斯基和罗斯不仅用无可辩驳的证据证明了自身免疫病的存在,还提出了鉴定自身免疫病的几条标准:1. 直接显示血液中有自身抗体存在; 2. 自身抗体可以识别特定的自身抗原; 3. 能在动物模型里诱导这种自身抗体的产生; 4. 动物模型能够模拟病人的症状 [23]
以上几条自身免疫病的鉴定标准被称为 “维特斯基法则”。维特斯基在1969年去世,1993年,罗斯对自身免疫病的鉴定标准进行了与时俱进的修正,但名字依然叫 “维特斯基法则” [24]。而维特斯基和罗斯两人也因为他们的杰出工作获得了2019年的金鹅奖(Golden Goose Award)[25]
1957年发表的论文截图
也是在1957年,澳大利亚的免疫学家弗兰克·麦克法兰·伯内特 (Frank Macfarlane Burnet)提出了著名的克隆选择学说 [26], 并因此获得了1960年的诺贝尔生理或医学奖。克隆选择学说这一伟大理论不仅像导航灯一样指引了免疫学的研究,也为解释自身免疫现象提供了理论基础。
1957年之后,自身免疫领域的研究迅速启动。1964年,第一届国际自身免疫会议召开,宣告这一研究领域进入了一个全新的时代。
5
1964年后:长足的发展
从1964年到现在,又过去了半个多世纪,自身免疫学领域也取得了长足的发展。
首先,在自身免疫的病因上,数以百计的易感基因被发现,而且多种环境因素也被证明和自身免疫病的发生相关。
其次,在自身免疫病的鉴定和诊断上,越来越多的自身免疫病被鉴定出来。到目前为止,已经发现和确认了的自身免疫病有80多种,而且这一名单随着我们对疾病的了解还在增长。
再次,在疾病的发病机制上,科学界不仅阐明了免疫系统如何防止自身免疫发生的主要原理:在中枢免疫系统和外周免疫系统里建立多种免疫耐受机制,而且对由自身抗体和自身反应性T细胞介导的疾病原理有了更多的理解。
最后,在对自身免疫病的治疗上,因为对疾病的正确诊断和发病机制的了解,越来越多的药物被开发了出来,包括经典的化学药物和最新的生物学药物。
以上的进展或许可以用大疱性类天疱疮这个例子来说明,这是一种针对皮肤结构蛋白的自身抗体介导的疾病,皮肤和粘膜因为真皮和表皮层脱节而分离。患者(一般是老年人)不仅进食困难,为了减轻皮肤表皮的脱落之后的痛苦,有些严重的患者甚至要长时间地泡在浴缸里生活。
在这种病被正确诊断之前,各种皮肤药膏和抗生素的治疗都毫无作用,病人只能在痛苦中等待死亡。到了上世纪八九十年代,科学界认识到这是一种自身免疫病,主要的自身抗原是胶原蛋白17。该自身抗体在结合到位于真皮表皮结合处的胶原蛋白17之后,能够诱导下一步的炎症反应并对组织造成损伤,从而导致真皮表皮的分离 [27]
而在大疱性类天疱疮被科学地认知之后,多种针对免疫系统的疗法可以对该病的症状进行控制。比如免疫抑制剂或者B细胞敲除单抗能够降低抗胶原蛋白17的自身抗体的产生,血浆吸收可以降低病人身体里 的自身抗体,免疫球蛋白可以抑制自身抗体介导的炎症和损伤。所以,像其它自身免疫病一样,大疱性类天疱疮虽然目前还无法治愈,但它的症状可以部分地被控制,而病人的痛苦也因此大大减轻,能够正常地生活。
以上就是自身免疫的百年变迁。毫无疑问,罗斯在其中做出了划时代的杰出工作,但把 “自身免疫之父” 的头衔安放到他的头上,其合理性依然是一个值得讨论的话题。一件简单的问题是,如果罗斯是 “自身免疫之父”,又该如何评价他的导师维特斯基的贡献?
一个科学领域的进展是很多科学家共同努力的结果,其中有极少数做出了杰出的工作。与其简单地送出 “XX之父” 的头衔,不如静下心来了解一下这个领域的历史,看看科学家是如何从混沌走向光明。
 参考资料
1.https://en.wikipedia.org/wiki/Noel_Rose
2.https://www.the-scientist.com/profile/the-father-of-autoimmunity-a-profile-of-noel-rose-67567
3.https://hub.jhu.edu/2020/08/04/noel-rose-obituary/
4.https://wemp.app/posts/4d027ab9-9101-4fa4-99c0-b58755aa5968
5.https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1908/summary/
6.https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BF%9D%E7%BD%97%C2%B7%E5%9F%83%E5%B0%94%E5%88%A9%E5%B8%8C
7.Ehrlich P, Morgenroth J. Ueber Hämolysine. Berl Klin Wochenschr 1901;38:251–7.
8.Donath J, Landsteiner K. Ueber paroxysmale Hämaglobinurie. Munch Med Wochenschr 1904;51:1590–3
9.Ian R Mackay. Travels and travails of autoimmunity: a historical journey from discovery to rediscovery.Autoimmun Rev. 2010 Mar;9(5):A251-8.
10.A Wassermann, A. Neisser and C. Bruck. Eine serodiagnostische Reaktion bei Syphilis. Deutsche medicinische Wochenschrift, Berlin, 1906, 32: 745–46.
11.Silverstein AM. The Donath-Landsteiner autoantibody: the incommensurable languages of early immunologic dispute. Cell Immunol 1986;97:173–88.
12.Charles E. Simon, Assisted by Drs. Elizabeth Melvin and Mary Roche. ON AUTO-ANTIBODY FORMATION AND ANTIHEMOLYSIS. J Exp Med (1909) 11 (5): 695–717.
13.Gear J. Autoantigens and autoantibodies in the pathogenesis of disease with special reference to blackwater fever. Trans R Soc Trop Med Hygiene 1946;30:301–14.
14.Hargraves MM, Richmond H, Morton R. Presentation of two bone marrow elements: “tart” cell and “LE” cell. Proceedings Staff Meetings Mayo Clinic 1948;23:25–8.
15.Waaler E. On the occurrence of a factor in human serum activating specific agglutination of sheep blood corpuscles. Acta Pathologica Microbiol Scand 1940;17: 172–88.
16.Rose HM, Ragan C, Pearce E, Lipman M. Differential agglutination of normal and sensitised sheep erythrocytes by sera of patients with rheumatoid arthritis. Proc Soc Exp Biol Med 1948;68:1–6.
17.Baxter AG. The original application of experimental autoimmune encephalomyelitis. Nat Rev Immunol 2007;7:904–12.
18.Rivers TM, Sprunt DH, Berry GP. Observations on attempts to produce acute disseminated encephalomyelitis in monkeys. J Exp Med 1933;58:39–53.
19.Freund J, McDermott K. Sensitisation to horse serum by means of adjuvants. Proc Soc Exp Biol 1942; (49): 548-53.
20.Kabat EA, Wolf A, Bezer AE. The rapid production of acute disseminated encephalomyelitis in rhesus monkeys by injection of heterologous and homologous brain tissue with adjuvants. J Exp Med 1947; 85(1): 117-30. [
21.OLITSKY PK, YAGER RH. Experimental disseminated encephalomyelitis in white mice. J Exp Med 1949; 90(3): 213-224.
22.Harrington WJ,Minnich V, Hollingsworth JW,Moore CV. Demonstration of a thrombocytopenic factor in the blood of patients with thrombocytopenic purpura. J Lab Clin Med 1951;38:1–10.
23.Witebsky E, Rose NR, Terplan K, Paine JR, Egan RW (1957). "Chronic thyroiditis and autoimmunization". J. Am. Med. Assoc. 164 (13): 1439–47.
24.Rose NR, Bona C (September 1993). "Defining criteria for autoimmune diseases (Witebsky's postulates revisited)".Immunol. Today. 14(9): 426–30.
25.https://www.goldengooseaward.org/awardees/advancing-autoimmunity
26.Burnet FM. The Clonal Selection of Acquired Immunity. London: Cambridge University Press; 1959
27.Schmidt E, Zillikens D. Pemphigoid diseases. Lancet (2013) 381(9863):320–32
制版编辑|皮皮鱼

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