免疫学实验课教学中的引经据典

2016-01-30王保国余奇文

中国免疫学杂志 2016年4期

关键词：白喉天花免疫学

王保国余奇文

(上海交通大学医学院基础医学院，上海200025)

·教学园地·

免疫学实验课教学中的引经据典

王保国余奇文

(上海交通大学医学院基础医学院，上海200025)

免疫学是一门实验科学。在免疫实验课堂里，因实验条件和课时限制，往往很难规范地完成完整的实验流程，有时只能实施一些简单实验方法，由此造成教之乏味，听之枯燥，做之无趣。实验课的目的何在？仅仅是让学生见识一下实验室，了解一下实验原理，简单地动动手就可以了吗？我们可以赋予实验课更多的科学内涵，尤其是教师，教者生动，听者也会积极回应。回望免疫学发展，有很多免疫学成果推动了人类的进步，铭刻着科学家与疾病斗争、对真理探索所表现出来的专心致志、不屈不挠的精气神。我们可以追寻100多年的免疫学历史[1，2]、追寻免疫学成果的来龙去脉，追寻成果获得的千辛万苦，结合实验内容在免疫学教学中引经据典，尤其对在免疫学领域获得诺贝尔生理学或医学奖的介绍，对提高学生学习兴趣、培养学生创新思维、引导学生研究方向一定有所启迪。本文介绍一些在免疫学实验课中可以引用的在免疫学发展过程中的重大事例与实验课教学的同道们交流，抛砖引玉，以其丰富免疫学实验课的教学内容和科学内涵。

1 诺贝尔生理学或医学奖关注危害人类生命的重大疾病

科学发明必定处在研究的象牙塔尖吗？诺贝尔奖也青睐与人类生存息息相关的普众性问题。在19世纪，白喉是威胁人类健康的主要杀手之一。那时候没有抗菌素，白喉致死率惊人。1891年，德国细菌和免疫学家贝林(E.von Behring)和他的同事北里柴三郎(Kitasato)[2]在大名鼎鼎的科赫实验室发现了一个有意思的现象，将患过白喉的小鼠血清注入新患白喉的老鼠体内以后，新感染白喉的老鼠奇迹般地痊愈了，这说明患过白喉的小鼠体内有某种对抗白喉杆菌毒素的物质。感染白喉的老鼠奇迹般地痊愈了，这说明患过白喉的小鼠体内有某种对抗白喉杆菌毒素的物质，这种物质被命名为“抗毒素”。一个圣诞节的夜晚，一名白喉女孩气息奄奄，看上去即将不久于人世，绝望的父母接受了年仅三十多岁，留着络腮胡子、衣着整齐的贝林医生为他们女儿注射一种新的、还未应用于人体的“药物”，这个药物就是抗白喉毒素的抗血清。注射后，小女孩的病情迅速好转，没几天就康复出院了。圣诞节加上难以置信的良好效果，使得此事产生了相当大的轰动，有人甚至以“圣诞节大拯救”来命名此次治疗。这名女孩就是被动免疫疗法应用于人体的第一例。继白喉抗毒血清后，贝林又研发破伤风抗毒血清，在此后的第一次世界大战期间挽救了大批受伤士兵，贝林再次被誉为“士兵的救星”。作为血清疗法的创始人，贝林于1901年获得了第一届的诺贝尔生理学或医学奖。100多年后的今天，尽管白喉几乎绝迹，但是抗血清疗法，即免疫被动免疫疗法一直应用于临床。在实验课程中，我们不仅要求学生动手做，了解免疫学实验的基本操作，更需要让学生了解免疫学开创至今始终把解决临床问题放在首位。在动手实验的同时，要把学生的科创思维聚焦于一些可以通过免疫学方法解决的临床医学实际问题。

以病原体免疫动物制成抗血清可以治病，把病原体通过特定的处理方法制成灭活或减毒活疫苗可以预防疾病。用疫苗预防疾病的方法始于19世纪末，如英国乡村医生琴纳(E.Jenner)[3]制备了牛痘疫苗预防天花，法国科学家巴斯德制备了炭疽疫苗和狂犬疫苗预防炭疽病和狂犬病。1905年科赫(R.koch)发现结核杆菌及其传播途径并用结核菌素预防结核，等等。天花是通过呼吸道传播，以高烧伴随皮肤出现脓包为特征的重症传染病。17世纪到18世纪期间，天花是世界上最具毁灭性的传染病。即使在20世纪，死于天花的人数比当时死于战争的人数多得多。种痘预防天花很早就有记载，如我国的宋朝就有吹痘术[4]，这种方法经波斯、土耳其传入欧洲，再传到美国。但是，首次发表完整系统的方法是一位来自于英国的乡村医生琴纳。牛痘和天花是类似的疾病，前者症状轻，后者症状重。琴纳在乡村观察到感染牛痘的挤奶女工可以避免感染天花。1796年，琴纳把一位感染牛痘的患者的痘疱液取出接种到另一孩子的手臂上，观察到被接种者在天花人群生活中避免了天花感染。琴纳的论文在英国皇家学会的杂志上发表了，但有关临床观察部分被删除了，那个时代受宗教影响认为接种牛身上的物质是难以想象的。经过进一步研究，琴纳自己出版小册子发表了他的成果。这本介绍牛痘接种的小册子在欧洲和美洲广为传播，在预防天花中起到了关键作用，琴纳因此受到了尊敬和多次奖励。当然，那时候还没有诺贝尔奖。1977年最后一例天花在非洲索马里被消灭，1979年10月26日，WHO庄严宣布全世界范围已消灭天花这一人类征服疾病的最辉煌的成果。琴纳，作为一个乡村医生，对人类做出了如此大贡献。我们应鼓励学生，一个平凡医生是可以大有作为的。

2 基础性实验也可以解决大问题

凝集反应、沉淀反应、补体结合反应以及中和反应是免疫学有四大经典反应，同位素标记、荧光标记以及酶标记是免疫学三大标记技术。这些实验的原理不深奥，操作不复杂，甚至肉眼就可以观察结果。如今即使这些简单的方法，仍然是免疫学实验课的主要内容。有时候，老师，学生都觉得讲课与听课很乏味，很老套。但就是这些经典的实验在早期却获得了意想不到的惊人成果。1900年，奥地利科学家兰德斯坦纳(K.Landsteiner)[5,6]在维也纳大学病理研究所工作中就是通过凝集试验发现了人类ABO血型。这一至今看来最简单不过的凝集反应，即颗粒性抗原和相应抗体在电解质参与下发生的凝集反应。几块玻片，一些相应的血浆和血球，或者一些已知的抗红细胞抗体就可在普通实验室完成实验。但不得不承认，这一伟大的发现为安全输血提供了重要保证。1927年，兰德斯坦纳与美国免疫学家菲利普·列文还发现了血液中的M、N、P因子，从而科学完整解释了某些多次输入同型血发生的溶血反应和妇产科中新生儿溶血症问题。兰德斯坦纳因此获得了1930年的诺贝尔奖，并赢得了“血型之父”之美誉。为了纪念兰德斯坦纳的贡献，为了鼓励献血，世界卫生组织、红十字会与红新月会国际联合会、国际献血组织联合会、国际输血协会自2004年起将兰德斯坦纳的生日6月14日定为 “世界献血日”。

自1905年首提激素概念以来，一场场寻找激素的热潮不断涌起。激素在生命活动中扮演者重要角色，但激素在体内实在是极其微量，采用4大经典免疫学方法难以准确检测。美国生物物理学家耶洛夫人(RS.Yalow)[7]采用同位素标记已知激素，通过竞争方法建立了放射免疫检测血液中微量激素的新方法，使得实验室检测限度达到pg/ml水平，放射免疫检测激素的方法被认为是激素研究中的一场划时代的革命，由此耶洛夫人获得了1977年的诺贝尔奖。

实验课固然需要先进设备用以创新方法，新设备新方法可以展现前所未有的新结果。譬如，荧光标记抗细胞分化抗原的抗体，采用先进的流式细胞仪，可以细分细胞群和亚群，可以精确定位细胞内物质。但是，基础性实验也可以解决大问题。在课堂里，在介绍与操作上述4种基本免疫学方法的同时结合典故，尤其对学生第一次接触免疫学实验，能使实验教学变得更生动、更引人，可以起到很好的教学效果。实验课可介绍的实验还包括免疫化学研究先驱德国科学家艾利希(P.Ehrlich)，他是第一位用化学方法解释抗原抗体反应的科学家，他以沉淀反应解释了毒素与抗毒素之间特异性定量反应的关系，由此提出了科学化学疗法的概念；还可介绍比利时生理学家博尔代(J.Bordet)，他在比利时巴斯德研究所工作期间提出了血浆中存在着一种叫做防御素的物质，即现在名为补体，他发现抗原抗体结合以后可以激活补体，达到清除抗原的作用，这一发现，在当时对抗原抗体结合的生理结局有了明确的认识，他在实验中建立了敏感的补体结合试验，并以此实验证实了细胞毒抗体的补体依赖机制。博尔代是第15位诺贝尔奖获得者(1919年)。

3 科学需要不懈地追究与理念突破

通常人们都把机体的免疫力等同于抵抗力，似乎免疫力越强越好。实际上，过强免疫同样会造成对机体的损害。琴纳发现牛痘可以预防天花，同时也观察到有的人对牛痘再接种会出现十分严重反应；科赫发现他所制备的结核菌素用于已感染结核的动物时也会出现强烈反应；贝林发现个别马匹对再次注射大剂量白喉毒素时会出现超强反应。遗憾的是当时大家都沉浸于以免疫学新方法治疗传染病的欢乐之中，都认为免疫是防御，对机体起保护作用，而没有对这种疗法的副作用深加追究。1901年，法国科学家里歇(CR.Richet)在导师的指导下参加非洲热带海洋探险。海洋中有一种水母，传说这种水母一吸附于别的生物时就射出一种强烈的毒液，使机体立即感到急剧的疼痛。里歇奉命研究其毒液，证实了这一情况。回法国后,里歇以海葵替之，用甘油提取海葵毒液并注入狗的体内，有些狗被致死剂量注射以后死了，有些狗注射后却能存活下来了。经过几周不等的时间以后,里歇再一次对这些存活的狗进行注射。出现了出乎他意料之外的现象,即使注射极小量的毒液，这些狗也会立即出现严重的症状：呕吐、血性腹泻,晕厥、昏迷、最后窒息死亡。反复实验以后里歇提出了一个新观念：免疫不仅对机体有保护作用，也会使机体发生病理损伤，甚至死亡，即过度免疫反应对机体是有害的，里歇把这种过度的免疫反应称为过敏反应(anaphylaxis)，anaphylaxis取自希腊语中ana“反对”和phylaxis“保护”二词。里歇的研究突破了传统的免疫学概念，使人们认识到免疫反应的两面性，即免疫不是越强越好，适应性免疫需要“适可而止”。1913年，里歇因研究过敏反应而获得了诺贝尔奖。里歇的成果是通过反复试验得到的，是通过推翻以往传统概念而获得的。当我们在制备超敏反应模型的教学中，引用典故，让学生知道要勤于思考、敢于质疑。

里歇的研究范围很广，包括生理生化、心理病理、药理学，以及精神病学、细菌学和医药统计学等。里歇还是诗人、小说家、戏曲家和飞行家，发表过不少文学作品，还长期担任《科学周刊》和《生理学和普通病理学杂志》的编辑工作。在教学中，我们还应该鼓励学生培养更多的爱好与特长。

4 科学献身精神

讲起科学献身精神，就可能想到研究放射性物质的居里和居里夫人。事实上，在免疫学研究领域也不乏其人，除了在研究中不幸被感染者以外，更有以自身作为实验对象，亲自尝试人体实验结果。澳大利亚医生马歇尔(BJ.Marshall)[8]是一位实验爱好者。一直以为，胃肠溃疡的原因是压力过大、不当食物或药物等原因造成的，为了防止癌变，严重溃疡只能手术切除胃的病理部分。马歇尔和他的同伴沃伦(JR.Warren)发现胃里的幽门螺杆菌是溃疡的罪魁祸首。胃pH为1～3，如此强酸环境细菌会活吗？即使能活，如何证明其与疾病有关？事实上这种细菌早在100年前就在胃里被发现过，只是没有引起注意而已。马歇尔和沃伦从胃组织里分离到了细菌，并在体外成功培养繁殖。他们发现这种细菌会分泌尿素酶，这种酶会把进入胃里的尿素分解成氨和二氧化碳，与胃酸作用可造成局部中性环境，由此使细菌有了适应生长的条件。要证明微生物的致病性需要满足“科赫原则”，他们俩首先以4头小猪做实验，动物实验始终没有成功，马歇尔即以自身为实验对象，亲自口服10亿个细菌，证实了胃炎的疾病过程。1994年，美国国家卫生研究院(NIH)建议，有消化道溃疡者，无论首发还是复发，都需要检查幽门螺杆菌。2005年，马歇尔和沃伦因发现幽门螺杆菌与消化道溃疡的关系而获得了诺贝尔奖。教学中可举的例子还有南非病毒学家泰勒(M.Theiler)[9]，他也是一位具有献身精神的科学家。泰勒以大无畏的科学献身精神首先在自己身上注射稀释的黄热病病毒，亲身体验黄热病病毒疫苗的免疫效果，他所制备的减毒活疫苗广泛运用于非洲和南美洲以后，终结了黄热病作为这些地区主要传染病的历史。尽管泰勒的工作看上去并不深奥难懂，也没有多么创新性的理论支撑，但诺贝尔奖评委会认为，这种经过多次感染而降低毒性的活疫苗研制方法有着非常光明的前景。泰勒因成功研制黄热病疫苗而获得了应有的赞誉，摘得了1951年诺贝尔奖。诺贝尔奖的评判更多地倾向于研究成果的现实效益和潜在价值。当然，在课堂里有必要告诉学生，我们需要的是科学的献身精神，而不是鲁莽的、无价值的冒险行为。

5 结语

诺贝尔生理学或医学奖的成果，主要聚焦于医学实际问题。如传染性疾病的诊断、治疗与预防。传染性疾病不仅过去，将来也仍然是威胁人类的重要课题。现代医学还有自身免疫病、肿瘤、器官移植以及抗体作为药物用于临床等一系列问题需要探索研究。在免疫学实验教学中，采用通俗易懂的语言结合生动活泼的图片把免疫学的辉煌历史通过PPT放进课堂里可以提高学生学习兴趣，引导学生创新思维，铭记科学家们对科学的专心致志、不懈追求以及忘我的科学精神，可以使免疫学实验课更丰富多彩，引人入胜。

[1] 刘伯宁.诺贝尔奖与免疫学的百年渊源[J].自然杂志,2012,34(3):167-171.

[2] 矢沢科学事务所.诺贝尔奖中的科学(生理学或医学奖卷)[M].北京，科学出版社，2012：1-270.

[3] 何维,刘学礼.免疫与内分泌[M].见：诺贝尔奖百年鉴,上海,上海科技教育出版社,2002：1-169.

[4] 马伯英.中国的人痘接种术是现代免疫学的先驱[J].中华医史杂志,1995,25(3)：139-143.

[5] 任本命.卡尔·兰德斯坦纳[J].遗传,2006,28(1):1-2.

[6] Carl Zimmer.血型从何而来[J].大众科学,2014,(10):20-21.

[7] 胡国强.放射免疫测定法的创建者—罗莎琳.耶洛[J].放射免疫学杂志,1994,7(2):122-124.

[8] 张发云,杨真威,李国明,等.幽门螺杆菌与2005年诺贝尔医学奖[J].生物化学与生物物理进展,2005,32(11):1016-1018.

[9] 洪涛,王健伟.传染病与病毒[M].见：诺贝尔奖百年鉴,上海：上海科技教育出版社,2002：1-172.

[收稿2015-10-02 修回2015-11-20]

(编辑许四平)

10.3969/j.issn.1000-484X.2016.04.028