作者:嚴天浩、鄭弼升、許傳奇


科學家的時空背景

疾病一直是人類與動物需要認真面對的課題,生病的人類或動物輕者沒有活力,嚴重者造成死亡,甚至形成傳染以及大流行,連帶可能造成當時社會的經濟與相關產業嚴重損失。而在這些人類與疾病的戰爭歷史中,有出現過一些現象讓人類這一方出現了看似勝利的曙光。這道曙光就是,古人發現一個人如果得了某種傳染病,可以長期或終身不再得這種病病,有的即使再得病,也是比較輕微而不會造成死亡,後來人們把這個現象稱作免疫。免疫(immunity)這個詞來源於羅馬時代的拉丁文「immunis」,其原意為「免除稅收」,後引申為「免於疫患」之意。人們於是從這些經驗中得到啟發,懂得「以毒攻毒」的原理,即是在未遭受染病之前,先服用或接觸這些有毒的致病物質,使人體對這些疾病產生特殊的抵抗力,這種思想即包含了有近代醫學的免疫概念萌芽。

18世紀的歐洲天花肆虐,造成人類普遍染病並且容易死亡,當時一位英國醫生愛德華.金納(1749-1823)藉由當時坊間傳聞:擠牛奶女工幾乎沒有感染天花。他以此做為研究發想並親手實驗證明,藉由預先接種牛痘的方式,可以讓健康者在接種牛痘之後不會再因為感染天花而發病死亡。金納醫生的作法是,將牛痘膿包的膿液注射到健康人體身上,受試者僅會產生輕微症狀與不適,經過幾天恢復後,即有抵抗天花的免疫能力,即使再注射天花膿液也不會產生症狀。此舉開啟人類疾病防治史上的預防接種概念,並啟發後續的科學家如路易.巴斯德、柯霍等人,在疾病產生機制的確立、疾病防治觀念、疫苗製作技術,以及免疫學的相關傑出研究。


圖一 愛德華.金納 



科學家的經歷

18世紀時期歐洲因工業革命而起的現代都市化建設,形成人類、動物、貨品等交流接觸頻繁,也是這樣子的時空背景讓許多傳染病流行率大增且造成不小的經濟損失,例如當時常見於牲畜的炭疽病 、以及對人類造成生命威脅的傷寒、天花、霍亂等。其中炭疽病是惡名昭彰的家畜傳染病殺手,常見於牛隻、羊隻、駱駝、羚羊等反芻動物中傳染的疾病。家畜在染病發作之前毫無徵兆,且病發後幾乎難以倖免會造成死亡,因此對當時的社會來說,是影響很嚴重的一種疾病,且當時世界各地都爆發過疫情,也形成嚴重的經濟與農業損失。


圖二 炭疽桿菌


1850年代左右法國醫生卡西米爾·戴維恩(1812-1882)研究過牛炭疽熱,在病發牲畜的血液中發現了微生物。他聽說了巴斯德的發酵研究指出,每一種發酵作用皆涉及到一種特定微生物的作用,當時普遍認為發酵作用和有機腐敗、疾病傷口發炎等現象屬於同等範疇的問題。因此他藉由顯微鏡重新檢查血液標本後,於1863年在巴黎國家科學院發表論文,指出炭疽桿菌是炭疽病的病媒。但陸續有人進行不同方式的研究,卻無法在顯微鏡下看到桿狀形態的炭疽桿菌存在證據,因此炭疽桿菌就是炭疽病的病媒這個主張頓時有了不同角度的立場。


圖三 卡西米爾·戴維恩 


1873年,德國醫師羅伯.柯霍(1843-1910;1905年諾貝爾生醫獎得主),在戴維恩發表炭疽病在牛與牛之間可直接傳染的現象之後,柯霍更加仔細地研究這個疾病。當時觀察判斷微生物的種類與正確性主要以顯微鏡方式,透過微生物的外觀型態來加以辨別,炭疽桿菌在一般的觀察認知中即是桿狀型態。由於炭疽桿菌遇到不適合生長環境時會形成一種可以抵禦惡劣環境的休眠狀態,並等待環境適合生長時再脫離休眠狀態,而這種休眠狀態也就是目前所知的內孢子型態。他在有限資源的侷限中發明如何染色細菌,培養細菌,發明了純化血液樣本中的成分,並可在培養基上進行處理。透過染色細菌的方式得以在顯微鏡下明確觀察出,不論是桿狀或處於休眠的內孢子型態,都是炭疽桿菌。這個發現讓柯霍得以解釋,較早時候科學家們在顯微鏡下的觀察不同並產生不同說法的現象,而那些存於土壤中會造成炭疽病的物質,其實就是處於休眠狀態中的炭疽桿菌,也就是過去無法解釋形成炭疽病大流行的罪魁禍首。這個發現,不只解釋了造成炭疽病大流行的原因,也同時紀錄了人類歷史上,首次證實微生物確實能對動物體致病的事實。1876年柯霍發表他的這個劃時代發現。


圖四 羅伯.柯霍 


18世紀的歐洲除了傳染病肆虐,整個歐洲也都籠罩在戰爭陰影下,法國科學家路易.巴斯德(1822~1895)看到眾多法國士兵於戰爭中傷亡慘重,以及家人相繼遭受傳染病而病故,巴斯德將原因歸納為微生物(病原菌)的傳染與影響。1878年,巴斯德接受法國農業部委託,針對炭疽病進行系統性的研究。即是找出炭疽病造成動物大規模死亡的真正原因,包括炭疽桿菌的傳染途徑,並且以此定製出相關的防治方法。首先,他從死於炭疽病的牲畜身上採血,再度證實「炭疽桿菌是炭疽病的病媒」。其次,他特別仔細地觀察之前幾位科學家的相關實驗,並指出先前實驗的科學家有忽略了那些細節。


圖五 路易.巴斯德


圖六 路易.巴斯德(1857年輕時) 


1878年暑假,巴斯德在炭疽病的研究上,透過訪問牧場主人確認了兩件事情:一、炭疽桿菌是病媒;二、牧場草地是病媒傳播場。但是那些動物屍體事實上都埋得很深,炭疽桿菌孢子怎麼會出現在地表泥土感染其他牲畜呢? 透過觀察他無意中在牧場中發現了蚯蚓扮演的角色:蚯蚓會在地下鑽挖吃掉死屍、翻攪泥土,因此地下深處的炭疽桿菌孢子就給帶上地面了。他到幾年前埋過屍體的地點採集蚯蚓並回到實驗室解剖,果然在蚯蚓身體裡的泥土中找到了炭疽桿菌孢子。巴斯德根據實驗結果,給農牧民的指示是:一、避免牲口吃容易傷及口腔的草,因為口腔中的小傷口是炭疽桿菌或孢子容易侵入身體的地方;二、避免在埋過屍體的地點放牧;三、病死牲畜的屍體要慎選埋葬地點,最好是蚯蚓不易生活的地方。

1878年底,法國又爆發雞瘟疫情讓法國經濟損失慘重,當時的情況是只要健康雞隻感染雞瘟,幾乎都會染病並造成死亡。巴斯德由過去的實驗經驗歸納(研究蠶病、釀酒發酵變酸原因),認為造成此次雞瘟疫情的元兇即是微生物,且提出不同微生物會對不同動物產生不同疾病。 他決定仿照過去金納醫生以接種牛痘(牛身上的天花病原菌)處理天花疾病,這種預防接種概念來處理雞瘟疫情,隨即展開對雞瘟的研究。由於微生物的培養,需要準備充滿營養成分的培養液,讓微生物得以健康的生長。(早期的微生物研究,多半會利用動物的一部份來進行配置微生物培養液,例如利用碎魚/碎肉等無實用價值的部分,即類似煮高湯的概念。)巴斯德利用雞的筋煮汁作為培養液,透過培養方式成功培養出雞瘟病原菌進行實驗。而在1879年暑假他和助手相繼休假,卻疏忽培養液的定期更換使得整個培養皿乾枯。



科學家發現的問題

巴斯德並沒有直接將乾枯的培養皿連同上頭的雞瘟菌株丟棄,反而引起他的好奇心與一個想法。他將因疏於照料使得培養皿乾枯,導致營養不足生長不好的雞瘟菌株,接種到健康雞隻身上,再讓這些雞隻注射感染原本生長良好(健康)的雞瘟病原菌,結果竟然沒有一隻雞感染雞瘟發病死亡。

這個現象並不符合過去的經驗與認知,因為根據過往經驗,健康雞隻若感染了病原菌,會因為被病原菌攻擊體內健康組織,造成嚴重的發病症狀甚至死亡。可是現在感染了"乾枯培養皿上雞瘟菌株"的雞隻,不但沒有產生嚴重的症狀,甚至還因此獲得了對抗病原菌的能力,這個能力使得雞隻再次感染雞瘟病原菌時,雞隻仍然可以健康的活著。



科學家的聯想與假設

巴斯德進一步研究觀察到,雞隻在正常體溫下(攝氏42度)感染炭疽桿菌,不會有發病症狀產生,同時炭疽桿菌也可以活在雞隻身上,並且可以一代一代存活下去,但雞隻卻不會受到任何影響。由於雞隻(禽類)的正常體溫相較於人類與一般動物高,因此他想知道若將雞隻體溫降至普通人類和一般動物的溫度範圍,會發生什麼事情。他將這些已受炭疽桿菌感染的雞隻放在水槽中,讓體溫降到攝氏38度時,雞竟然就會生病而死。

乾枯雞瘟菌株的實驗和這次的實驗觀察讓巴斯德聯想到,病原菌即是屬於微生物類,微生物也算是生物的一種型態,生長時需要有良好環境(例如適合的食物和空間等),才能健康地存活下去。健康正常的病原菌在感染動物時可以有效致病,造成傷害甚至死亡。

於此同時有一位年輕獸醫學者涂桑,提出他已成功利用加熱殺死炭疽桿菌的方式,製作出炭疽桿菌疫苗,但實際上卻無法有效運用在健康動物上,表示這位獸醫學者製作的疫苗無法有效地讓健康動物形成抵抗力,抵抗炭疽桿菌的攻擊。另一方面,巴斯德研究發現,如果要讓健康動物形成有效的免疫反應必須是經過弱化的病原菌,而不是已經死掉的病原菌。因為如果病原菌死掉,那麼就無法有效刺激健康動物產生免疫能力,而形成抵抗力。


圖七 涂桑


巴斯德因此提出一個大膽的假設,在惡劣環境下生長的致病病原菌,會因為食物或空間的限制而不利於生長,因此失去原本的活性並降低大部分的致病能力。其能力只剩下對健康動物體產生些微的刺激作用,並無法讓健康動物體真正生病,健康動物體反而因為這種,不會危害生命且力道減弱的外在刺激,可以產生對疾病的抵抗力。

所以從雞瘟實驗的觀察得到,缺乏營養液生長環境的雞瘟菌株,因為沒有致病力使得雞隻感染後不會死亡,反而可以獲得免疫雞瘟的能力;從炭疽桿菌感染雞隻的實驗觀察得到,攝氏42度(雞隻正常體溫)不利於炭疽桿菌生長,因此以溫度42度對炭疽桿菌處理時,會使炭疽桿菌活力降低,無法感染雞隻致病。

巴斯德由此和涂桑的研究做對照,提出如果要有效製作可以讓健康動物產生免疫能力的炭疽桿菌疫苗,不是直接加熱殺死炭疽桿菌,而是要找到正確的溫度進行加熱讓炭疽桿菌弱化,卻不造成炭疽桿菌死亡的方式。而利用攝氏42度的處理方式,即是可以有效弱化炭疽桿菌的活性並降低致病能力的方式。經過處理的的炭疽桿菌,不會危害健康雞隻的生命,又可以刺激健康雞隻產生抵抗力,這樣子的處理操作程序,應可作為未來預防疾病的手段之一。



科學家的驗證方法與結論

如果巴斯德的假設成立,則應該可以透過相當於正常雞隻體溫,也就是溫度42度的環境下培養出致病力減弱的炭疽桿菌,進而讓接種的健康動物不會產生致病危險,並產生免疫可以抵抗再次感染病原菌帶來的風險。

因此巴斯德以攝氏42度作為製造疫苗(弱化病原菌)的方法,他把經由這種溫度處理過的菌液注射到牛羊身上,觀察到只會引起動物輕微的發燒,並無造成嚴重發病或死亡;當這些感染過的動物再次感染新鮮的炭疽桿菌時,並不會造成嚴重發病與死亡,牛羊因此得到了免疫能力。他於1881年發表並進行公開實驗,成功證實製造出了炭疽桿菌疫苗。


圖八 巴斯德實驗情況 


依照實驗結果,巴斯德提出把造成疾病的微生物(病原菌)經過適當溫度的加熱處理,讓其活性降低且弱化致病能力,就可以製作成疫苗提供給健康動物體施打,讓健康動物產生免疫反應形成保護作用,不會再受原本病原菌的傷害。 巴斯德這些研究,不但發明了雞瘟疫苗,也發現了可以有效降低病原菌活性以製造疫苗的方法。1881年5月,經由他製作出的炭疽桿菌疫苗,透過一場公開的實驗證實了這個疫苗對於保護牛羊免於炭疽病為害的功效,讓整個法國的畜牧業因此不再受到炭疽病的威脅,也挽救了法國的畜牧產業。巴斯德這場舉世聞名的田野實驗時程如下:

5月5日:綿羊第一次疫苗注射

5月17日:第二次疫苗注射

5月31日:注射新鮮炭疽桿菌

巴斯德在6月2日上午9時收到牧場傳來的電報:實驗成功。

見證委員會在6月4日宣布:實驗成功。



科學家造成的影響

由於巴斯德鍥而不捨的精神,在當時的研究環境下能找出以弱化病原菌活性的適當方式進行疫苗製作,解決了長久一來的炭疽病造成家畜大規模傳染流行,影響產業與經濟的問題。巴斯德將這項研究成果所運用的概念,拓展到其他家禽、家畜與人類疾病的相關研究,因而有後續對於狂犬病疫苗的發展,而成功研製的狂犬病疫苗也成為人類第一支現代注射疫苗。狂犬病在當時的社會環境醫療水準下,是對人類社會極具威脅性的一種傳染病。一方面這是一種人獸共傳的疾病,一方面感染了狂犬病便會變得狂躁、容易攻擊他人如同惡犬一般,患者自發病到死亡僅有短短幾天,最終會因自主神經系統受損嚴重而亡,致命率幾乎達100%。巴斯德的偉大貢獻在於,他和團隊透過各種方式找出,利用動物腦組織的形式培養出減毒的狂犬病疫苗,並在狗身上證實有效果。而引起狂犬病的病原體後來得知其實是病毒而非細菌,在當時的研究水平下並不相當了解此二種微生物病原體的區隔,只知道狂犬病的病原體更為刁鑽難以處理,致病原因更為複雜,製作狂犬病疫苗也無法仿製炭疽病疫苗一樣,僅利用加熱方式。1885年7月,一位小男孩剛被狂犬咬傷,希望能透過他新研究但尚未實際使用在人類身上的狂犬病疫苗來拯救他。巴斯德幾經思考與天人交戰,決定對這位男孩進行疫苗施打。男孩經過幾次的疫苗施打並痊癒後,果然沒有發作狂犬病,一個月後另一位接受疫苗注射的少年也證明有效,消息傳開後,各國傷患紛紛前來求診。由於狂犬病疫苗的成功製作,讓患者得以在潛伏期時即有效地治療,不會造成後續發病與嚴重死亡,對於當時人類社會是很重要的里程碑;而他在此項研究的成果之中,也是第一位清楚指出疫苗製造原理的人,對後代科學家造成的影響和啟發不可言喻。


圖九 發明狂犬病疫苗的巴斯德


巴斯德因為在炭疽病系統研究中,提出了預防接種措施概念,他認為造成傳染病的病原菌,在特殊培養或處理方式之下可以弱化病原菌致病力,變成防病的疫苗,作為防治疾病的有利武器,並以預防接種的方式讓健康動物接受疫苗注射,大幅降低遭受病原菌感染所帶來的危害,挽救當時的產業與經濟。他的這項劃時代研究,奠定了疫苗作為疾病防治的基礎,也影響了後代科學家對於疾病防治的觀念,並促成現代疫苗研發的新方向,讓人類在多種傳染病的研究獲得突破性的成功,例如霍亂、傷寒、結核菌、日本腦炎、德國麻疹....等,也因此許多傳染疾病的防治都能有效地控制甚至消失在人類世界中。



圖片來源

1. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Edward_Jenner._Oil_painting._Wellcome_V0023503.jpg

2. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:AnthraxBacteria.jpg

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參考文獻

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