【疫苗简史】肺炎疫苗进化史
我们讲过了流感疫苗的历史，也讲过了麻疹疫苗的历史，知道了流感病毒和麻疹病毒是两种截然不同的病原体，主要侵犯的人群和临床表现都不一样。但两者却也有类似之处，就是一旦感染，最致命的原因却不一定是病毒本身，而往往是继发的细菌感染引起的肺炎。今天我们就一起来看看，科学家是如何为预防这个曾经威胁人类寿命的头号杀手而努力的？
暴发在新兵营的致命肺炎
1917年第一次世界大战如火如荼，然而那年冬天却是美国东部有史以来最寒冷的一个冬季。美国刚对德宣战不久，新兵营里塞满了刚招募的士兵，还有几十万人住在帐篷里。
在那个难熬的寒冬里，麻疹很快在这些过度拥挤的新兵营房里流行起来。麻疹通常只发生在儿童身上，症状大多数只是发热、出皮疹、咳嗽、流鼻涕以及身体不适。但就像其他儿童传染病一样，尤其是病毒性疾病，当成年人感染时，重症病例的比例会比儿童高得多。
一战时美国的新兵营暴发麻疹和流感，大量新兵死于肺炎
当时，研究人员尚未研制出预防麻疹的疫苗，也没有治疗用的免疫血清，因此对于突然暴发的麻疹感到束手无策。然而，导致大部分患者的主要死因是继发细菌感染，麻疹病毒削弱了人体自身的免疫防御能力，细菌乘虚而入引发继发感染。
当时，所有麻疹并发症中最为致命的当属肺炎。从1917年9月到1918年3月流感暴发前的半年间，一共有30 784名美国士兵患肺炎而病倒，其中5741人死亡，几乎所有的肺炎都是由麻疹引起的。
此后，1918年大流感暴发，更是使得全世界数千万人死于流感及其诱发的细菌性肺炎。
肺炎：曾经威胁人类寿命的头号杀手
肺炎导致原本柔软且富弹性的肺变得坚硬、失去弹性
肺炎是指肺组织中实质的炎症，绝大多数肺炎几乎都是由感染引起：随着某种微生物侵入肺部，机体会启动抗感染机制，结果由各种细胞、酶、细胞残骸、体液以及瘢痕组织组成的炎症混合物逐渐增厚并导致肺部发生实变。原本柔软、多孔且富弹性的肺变得坚硬、紧密、失去弹性。
一旦肺部出现大面积实变，就不再能把氧气输送入血流，病人就会死亡。即使肺炎的病原体只是侵犯了部分肺部，没有影响氧气的交换，但还有一种情况是原本在肺部的细菌通过了肺血管壁进入血流中后就会随血流感染全身，同样造成死亡。
1936年前，肺炎一直是美国最主要的致死病因。并且肺炎一直和流感紧密相连，就连世界卫生组织统计时，也习惯性地将两者合并为同一种死亡原因，因为很多场合下，医生很难分辨患者是直接死于流感，还是死于流感继发的肺炎。
即便到了21世纪，我们已经拥有了抗生素、抗病毒药物、吸氧以及重症监护病房的情况下，流感和肺炎仍列美国第五或第六大死因——每年都在这两个位置上变动，这取决于当年流感多发季节流行情况的严重程度。在所有传染病导致的死亡中，它们也是数一数二的主要原因。
流感要么通过大量病毒侵染肺部直接引起肺炎，要么间接引发肺炎。后者更为常见，通过破坏机体某些部分的防御机制，使得细菌等所谓的继发性感染原在已毫无招架之力的肺上滋生。亦有证据表明，流感病毒不仅能扫除机体的防御机制，而且特别能增强某些细菌对肺组织的黏附能力，从而令肺部更容易受到细菌侵染。
肺炎球菌：因为肺炎而得名的细菌
尽管有很多种细菌、病毒及真菌可以侵犯肺部，但导致肺炎最常见的病因还是肺炎球菌，它既可以是原发性的也可以是继发性的感染原。
1881年，斯滕伯格在军队驻地一个临时实验室里工作，他从自己的唾液里首次分离出了这种细菌，并接种到兔子身上，发现这种细菌是致命的。三年后，有研究人员证明了这种细菌会在肺中飞快地克隆繁殖并导致肺炎，肺炎球菌因此得名。
1881年斯滕伯格从自己唾液里分离到链球菌
在显微镜下，肺炎球菌看起来是一种中等大小的椭圆或圆形的细菌，通常好几个连在一起，就像一条链子。不过，一般每个肺炎球菌只和另一个连在一起，像并排的两颗珍珠，所以以前也被称为肺炎双球菌。
如果暴露于阳光下，肺炎球菌90分钟之内就会死掉；但如果在阴暗的房间内，它可以在潮湿的痰液中存活10天左右。人们偶尔也能在灰尘颗粒上发现它的踪迹。高致病菌株的肺炎球菌感染力很强，它自己就能导致流行病的发生。
早期的全细胞灭活疫苗
早在1891年，动物实验表明，灭活的肺炎链球菌可引发保护性免疫力，以抵抗强毒细菌的随后攻击。
肺炎球菌疫苗的首次临床试验于1911年在南非的金矿和钻石矿的本地工人中进行，该人群是大叶性肺炎高发的目标人群。在这些早期试验中，尚不清楚多种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学家们一共鉴别出了三种常见的完全独立的肺炎球菌菌株，可简单地称之为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。其他不常见的肺炎球菌统统归为Ⅳ型。当他们用制备出来的血清处理不同肺炎球菌菌种时发现，血清中的抗体只和与自己相匹配的菌种结合，与其他则不发生作用。这种结合不需要用显微镜观察，在试管中就能够看到：细菌与抗体形成了凝块。这个过程被称为“凝集”，是一种特异性检验。肺炎球菌抗原异质性的认识随着1913年发表的文章而大大提高，这些文章清楚地表明，针对肺炎球菌感染的保护性免疫是血清型特异性的。
埃弗里一生致力于肺炎球菌的研究，获得多个突破性成果，为此获得1947年的拉斯科医学奖
1918年至1919年的流感大流行，再加上第一次世界大战，造成了导致肺炎球菌性肺炎发病率大幅上升的局面。由于旅行和拥挤的生活条件，新兵组成了一个特殊的高危人群，既造成感染的流行，又成为肺炎球菌疫苗测试的理想人群。
当时，试验结果被认为是非常令人鼓舞的。大叶性肺炎的病例数甚至减少了30％，这是令人欢迎的，因为没有其他预防措施。因此，全细胞疫苗在1918年和1919年在美国军队中得到广泛使用，并从1918年开始在南非的矿山中常规使用。
然而，灭活疫苗诱导的免疫力的持续时间成为致命伤。在一些早期试验中，该疫苗的保护作用似乎非常短暂，只有2至3个月。这一问题当时尚未得到关注，事后看来，人们只能猜测可能的机制，例如，疫苗诱导的免疫力降低了疫苗血清型的传播后，引起了其他血清型变成流行的优势株，从而降低了保护效果。
荚膜：夹心糖硬硬的外壳
肺炎球菌最令人迷惑不解的是，同样是肺炎球菌，有的细菌是毒力强并且致命，部分则不是。在所有肺炎中，由I型肺炎球菌造成的肺炎最为常见。如果能将这种最常见肺炎的病死率降低一半以上就是一个长足的进步。
肺炎球菌的荚膜多糖就像糖果柔软糖心外面的那层硬硬的外壳
洛克菲勒研究所的埃弗里和多兹注意到，一些肺炎球菌外面包裹着一层多糖外壳，就像M & M糖果柔软的糖心外面硬硬的外壳。在试图解开这个谜团时，埃弗里开始称肺炎球菌这种致命的细菌为“糖衣微生物”。他们的研究提供了令人信服的证据，证明荚膜多糖既是必不可少的毒力因子，也是肺炎球菌的保护性抗原。这些观察结果表明，荚膜多糖可以用作疫苗。
部分肺炎球菌的表面会有一层厚厚的荚膜
用纯化的荚膜多糖进行成功的免疫开辟了开发第二代肺炎球菌疫苗的可能性。多糖疫苗的明显优势包括更好的耐受性，可以将更多的血清型组合到真正的多价疫苗中。当使用六种不同的荚膜多糖作为混合疫苗时，免疫原性不受损害的证明支持了该想法的可行性。预期疫苗具有严格的血清型特异性，因为它仅由决定血清型的多糖组成。施贵宝公司于1946年在美国开发并销售了两种六价疫苗，一种用于成人，另一种用于儿童。
抗生素时代来临，疫苗会退出历史舞台吗？
然而，几乎在六价多糖肺炎球菌疫苗开发的同时，青霉素和磺胺等抗菌药物也出现了。当时其对肺炎球菌感染的发病率和死亡率的影响，导致了医生对于肺炎球菌疫苗态度的变化。其原因是对于当时的肺炎球菌来说，青霉素就是特效药，因此原本实验室对于肺炎球菌的血清学分型检测变得毫无实际意义，逐渐实验室放弃了肺炎球菌的血清分型的检测。
随后，由于有了抗生素，当时的医生认为肺炎球菌感染已经被征服，已经不需要再继续使用疫苗进行预防。由于缺乏使用，1954年两种原本已经获批的六价肺炎球菌疫苗从市场上撤出。
二战时青霉素的批量生产挽救了大量美军士兵的生命
然而，在1950年代时，用传统方法对城市医院的肺炎球菌感染进行了重新调查，没有发现肺炎球菌感染发生率下降的迹象，而且在感染过程中早期遭受不可逆转损伤的个体中，多数是老年人，慢性患者疾病和/或免疫功能低下，抗菌治疗几乎不能够逆转这些人群的病情。此外，在1960年代出现了对抗菌药物敏感性降低的肺炎球菌菌株，这表明抗菌药物的显着功效可能是短暂的。
原本依靠抗菌药物就能征服肺炎的幻想破灭了。在缺乏可能改善预后的措施的情况下，预防似乎是唯一的选择。人类不得不又走回了寻找有效疫苗的老路上来。
多糖疫苗被证明在成年人中安全有效
1967年，美国国立卫生研究院（NIH）国家过敏与传染病研究所疫苗开发委员会建议联邦政府为新型肺炎球菌疫苗的研究与开发提供资金。1968年至1976年之间，NIH投资了650万美元用于定义肺炎球菌疾病的流行病学，完善肺炎球菌多糖抗体的血清学检测方法以及确定候选疫苗成分的安全性，免疫原性和临床功效。
肺炎球菌疫苗的重新开发需要了解到底哪些血清型会最常引起感染。通过对3000多个分离株的检查发现，一半的感染是由六种类型引起的，四分之三是由十二种类型引起的，八分之七是由十八种类型引起的。虽然这种等级顺序可能会随着时间推移而变化，但这些类型倾向于作为最常见的感染原因而持续存在。
默克公司生产的多价疫苗在大约9,000名南非金矿工中进行了试验，在以肺炎球菌为肺炎主因的人群中，接种疫苗后，无论原因如何，通过影像学诊断的肺炎均减少了50％，肺炎球菌疫苗与对照之间的差异P值为0.0001。
基于数据记录接种肺炎球菌多糖疫苗的安全性和临床试验的成功，默克公司制备的十四价疫苗于1977年获得许可，该制剂于1983年扩展到23种抗原（23价）。而这就是目前还在使用的23价肺炎球菌多糖疫苗。1988年3月，世界卫生组织欧洲区域办事处在丹麦哥本哈根召集了一个技术咨询小组，建议对所有老年人和不论年龄高危人群都接种肺炎球菌多糖疫苗。
多糖疫苗的不足之处
首先，保护时间的期限可能还不够长，一项大型病例对照研究表明，年龄在55岁以下的接种肺炎球菌多糖疫苗的成年人在接受5年或5年以上保护后有所下降，并且随着年龄的增长，保护下降得更快。
其次，引入多糖疫苗时，注意力集中在成人的肺炎上，很少考虑幼儿的肺炎球菌感染。据估计，每年发展中国家有200万名5岁以下的儿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。在工业化国家，肺炎的危险性较小，而中耳炎是2岁以下儿童中最常见的肺炎球菌感染。约三分之一的中耳炎病例是由肺炎球菌引起的。
肺炎球菌是造成儿童急性中耳炎的主要病原之一
多糖疫苗对于婴儿的免疫原性很差，对携带者的状态或中耳炎的影响几乎低到可以忽略不计。正因为此，人类需要开发出更高效的肺炎球菌疫苗。
结合疫苗站上历史舞台
兰德斯坦纳认识到半抗原和蛋白质结合可以明显提高免疫原性
正是由于卡尔·兰德斯坦纳（Karl Landsteiner），人类才意识到非免疫原性配体（半抗原）（包括糖类）的免疫学特性可以通过与蛋白质的共价结合来改善。
他在1920年代的开创性研究影响了他在纽约洛克菲勒学院的同事沃尔特·戈贝尔和埃弗里，他们寻求证据证明肺炎球菌的3型荚膜多糖血清抗体对该病原体具有保护作用。这些研究表明，与蛋白质结合的合成二糖（半抗原）纤维二糖醛酸可以引发与3型荚膜多糖反应的抗体，并为受此病原体攻击的小鼠提供保护。
然而，结合疫苗的研发却是难度极高的一件事。直到1992年，多糖蛋白结合的技术得以突破，通过这种技术可以将荚膜多糖转变成T细胞依赖型抗原，并在2岁以下儿童中产生免疫记忆。这让预防2岁以下儿童肺炎球菌性疾病看到了希望。
有了多糖蛋白结合技术后，科学家在临床试验中测试了几种多糖蛋白结合疫苗；这些疫苗的血清型和载体蛋白有所不同。尽管在结合疫苗中优选包含大量不同的多糖，但这在技术上具有挑战性。而且，最终疫苗中载体蛋白的总量可能需要受到限制，因为某些载体蛋白过多会削弱抗体对多糖抗原的反应。
科学家们经过艰苦攻关，最终研发出的7价肺炎球菌多糖结合疫苗于2000年获得FDA的批准上市，成为全球第一个经过临床试验验证具有可靠疫苗效力的肺炎球菌多糖结合疫苗，适用对象主要为2岁以下婴幼儿。
从1929年埃弗里和戈贝尔证明荚膜多糖与蛋白质结合时具有免疫原性，到2000年引入了肺炎球菌多糖蛋白结合疫苗来预防婴儿的肺炎球菌疾病，历史整整过去了70年。
2010年，在7价结合疫苗的基础上新增了6种高致病血清型的13价肺炎球菌多糖结合疫苗在美国获批上市。其在美国上市并被用于儿童接种后，5岁以下儿童侵袭性肺炎球菌疾病总发病率下降64%，肺炎球菌性菌血症发病率下降95.3%。
13价肺炎球菌多糖结合疫苗已在全球165个国家和地区被广泛使用，已被125个国家和地区纳入免疫计划（NIP）。WHO已将肺炎球菌性疾病列为需要“极高度优先”使用疫苗预防的疾病，并建议在全球儿科免疫计划中纳入肺炎球菌结合疫苗。
从开发未获得许可的灭活全细胞肺炎球菌疫苗开始，第一批肺炎球菌疫苗旨在解决成人疾病的负担。随后开发了一种14价多糖疫苗，该疫苗已根据免疫原性获得许可，后来又扩大为包括23种血清型。多糖疫苗可以有效预防相应血清型肺炎球菌造成的成人肺炎。但是，多糖疫苗中单独的多糖抗原只能刺激T细胞独立的免疫反应，而这种免疫反应在幼儿中很弱，并且基本上不能防止定植。因此，尽管这种许可的肺炎球菌多糖疫苗虽然广泛用于老年人，但并未被认为是减轻小儿肺炎球菌疾病负担的有效工具。
继成功的b型流感嗜血杆菌多糖蛋白结合疫苗之后，对肺炎球菌疫苗寻求相同的配制方法。这样共价蛋白结合的技术大大增加了疫苗的抗原性，即使在婴儿早期，记忆性B细胞诱导和增强的抗体类别（同种型）转换中，也能够诱导以高亲和力的强类型特异性抗体为特征的T细胞依赖性应答的疫苗抗原。以这种方式，克服了以前的纯多糖疫苗在很小的婴儿中有效使用的障碍，并因此在疾病风险最高的年龄对肺炎球菌疾病提供了保护。
肺炎球菌仍然是全球发病率和死亡率的重要原因。有效的肺炎球菌结合疫苗的出现为抵抗这种疾病提供了极为重要的武器，现已在全球160多个国家/地区引入肺炎球菌的结合疫苗。结合疫苗的成功开发有赖于对肺炎球菌免疫学的深入了解，以及结合技术，制造和通用免疫程序的实施方面的显着进步。科学家们还在继续努力改进现有疫苗，并尝试开发更广泛的疫苗。有关疾病的发病机理以及产生持久免疫力机制的研究一定会在将来对生物体提供更广泛的防御保护打下扎实的基础。
参考文献
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