梅奇尼科夫：免疫学基础—学派之争及细胞和体液免疫艰难融合之路

汪运山：梅奇尼科夫（3）：免疫学基础—学派之争及细胞和体液免疫的艰难融合之路（转载）

2021-7-8 21:48 |系统分类:教学心得
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我们的后见之明可能会夸大梅奇尼科夫（Elie Metchnikoff）和埃利希（Paul Ehrlich）的远见，尽管他们也有明显的错误和疏漏，但他们已被证明是我们时代的先见之明。特别是梅奇尼科夫的一些启发性的推测，值得进一步研究。
纪念埃利·梅奇尼科夫逝世106周年

19世纪下半叶，随着微生物学的发展，特别是显微镜的广泛使用和细菌分离培养技术的成熟，各种致病菌的分离培养成为可能。研究者们得出：外源性入侵者可以导致某些疾病，而不是那些由功能失调的细胞引起的疾病（路易·巴斯德的传染病的细菌理论和罗伯特·科赫的传染病的病因学理论）。但是，他们都忽视了宿主免疫作为重要防御机制的作用。

梅奇尼科夫和埃利希都认同免疫反应可能是一种达尔文进化理念中的对于环境的适应，以对抗来自于病原体的毒素的威胁。各自从细胞吸收营养物质的共同兴趣中发展了他们的想法：Metchnikoff发现巨噬细胞和微囊的吞噬作用是一种重要的宿主防御机制，因此被认为是细胞先天免疫之父。埃利希提出体液免疫理论和抗体生产的侧链学说，因此被认为是体液适应性免疫之父。尽管在这些发现后的最初阶段有许多不一致的讨论，但现在已知先天性和适应性反应是产生强大免疫的互补伙伴。

1901年，埃米尔·贝林（Emil Behring，1854-1917）因发现抗毒素，开创免疫血清疗法（开创人工被动免疫疗法），特别是在治疗白喉方面的应用，获得了有史以来第一个诺贝尔医学奖。获奖证书称：“由于Behring在血清学治疗特别是把抗血清用于白喉治疗，他在医学科学领域开拓出一条新路，因此把战胜疾病和死亡的制胜武器交给了内科医师们。”但这项工作仍然把宿主反应作为治疗传染病的一种手段，这表明Behring仍是一个由爱德华·詹纳（Edward Jenner，1749-1823）和巴斯德创立的疫苗学的支持者和继承者。相比之下，梅奇尼科夫和埃利希超越了单纯的应用，创造了免疫学作为一门学科的基础。因此，1908年12月11日，Metchnikoff和埃利希被联合授予诺贝尔奖“以表彰他们在免疫方面的工作”。

早在1866年，梅奇尼科夫就首次观察到龟属的一个成员细胞对营养物质的细胞内摄取，1878年，他做了第一个关于吸收外来物质的实验，在一条turbelarian蠕虫的培养物中加入了一种晶体染料。他发现这种染料在专门的消化细胞中积聚。1880年，他出版了《腔肠动物细胞内消化》一书，描述了两种具有内胚层和中胚层吞噬活性的细胞。在1883年（图1）的一个里程碑式的实验中，梅奇尼科夫描述了中胚层起源的迁移细胞攻击外来物质，加上他对同一细胞吸收营养的观察，这些发现构成了他的概念的基础。他将这些细胞命名为“吞噬细胞”，并将这个过程称为“吞噬作用”。不久之后，他观察到水蚤（Daphnia）的吞噬细胞用酵母菌对抗自然感染。这些结果将他的理论从单纯的营养活动扩展到宿主防御理论，特别是微生物入侵。同年，他描述了脊椎动物的吞噬细胞，确定了吞噬细胞不仅在宿主防御中的功能，而且作为退化宿主细胞的清道夫（即，在蝌蚪蜕变为成年青蛙的过程中），从而提供了吞噬凋亡宿主细胞的巨噬细胞的早期描述。随后，他研究了吞噬细胞在各种传染病中的功能（图2）。1887年，他将吞噬细胞分类为巨噬细胞和微囊（现在称为中性粒细胞），这拓宽了他的概念。尽管Metchnikoff认为吞噬细胞能够区分外来和自我，以及完整的、有用的自我和死亡的、无用的自我，但他从未探索现在已知的模式识别和清道夫受体功能的潜在机制，后者识别外来物质和退化的宿主细胞。

图1：显示了免疫学创始人梅奇尼科夫和埃利希从事免疫学研究的主要时间节点：梅奇尼科夫1883-1903，
埃利希1889-1899。如此看来他们都是多面手。

为了支持他对医学的概括，梅奇尼科夫引用了罗伯特·科赫对白细胞中炭疽杆菌和肉芽肿巨细胞中结核杆菌的鉴定。然而科赫将他的发现解释为细菌病原体入侵宿主细胞。同样，病理学家朱利叶斯·科恩海姆（Julius Cohnheim，1839-1884）已经描述过白细胞从血管渗出进入炎症部位（图3）。但他没有预见到其益处，而是认为它们是血管通透性增加的有害后果。鲁道夫·维肖（Virchow，1821-1902）声称所有的病理变化都起源于炎症对细胞的损伤（图3）。梅奇尼科夫提出吞噬作用是宿主抵御细菌侵略者（炎症）的一种中枢防御机制，从而正确地颠覆了这一观点。我们现在知道，感染的结果取决于病原体和宿主因素之间的密切相互作用，我们现在也知道，免疫学不仅仅是病原体防御，还可以发挥更多的作用，例如监视恶性细胞。此外，免疫系统功能失调导致过敏、自身免疫或慢性炎症，从而说明它是一把双刃剑。

值得注意的是，梅奇尼科夫支持体液免疫领域的研究。1901年，当梅契尼柯夫撰写他的著名的专著《感染性疾病中的免疫（The Immunity in the Infectious Diseases）》时，他的细胞免疫理论所面临的形势已经相当严峻了，外周血中抗体的发现不仅进一步证明了体液免疫理论，而且这些抗体本身就是具有特异性的。Metchnikoff描述了在绵羊、豚鼠和兔子接种疫苗后，或在体外与免疫血清混合后，体内细菌的吞噬作用增强。认为免疫血清的作用是刺激吞噬细胞，从而促使它们能够更快的吞噬、更快的消化。结合梅契尼柯夫对其学生朱尔斯·博尔德（Jules Bordet）工作的支持（http://blog.sciencenet.cn/blog-526326-1294035.html）（图3），梅契尼柯夫另一个学生Besredka的工作，Besredka是第一个描述抗内毒素抗体的人，当时德国学派声称不能获得这种抗体（图4）。梅奇尼科夫和鲁克斯在1914年的一篇论文中赞扬了埃利希，他们对埃利希赞不绝口：说明体液免疫通过胎盘和乳汁传递，他们写道：这项工作是一个真正的杰作，由独创性的实验和意义的结果。

图2：左：Metchnikoff和他绘制的巨噬细胞和微囊的细菌吞噬作用图。右：埃利希和他根据侧链理论绘制的抗体形成和效应器功能图
埃利希的研究可以分为三个阶段，他研究的第二阶段是免疫学的核心（图1）。尽管Behring在白喉和破伤风的抗毒素治疗方面功不可没（图3），但埃利希的贡献对于开发持续高效的标准化抗体制剂至关重要，埃利希与Shibasaburo Kitasato（1853–1931）和Erich Wernicke（1859–1928）共同开发了标准化用于被动接种破伤风和白喉的抗血清的方法，并优化了免疫方案以达到高抗体滴度。他描述了通过母乳喂养将保护性抗体转移到幼儿身上（天然被动免疫），发现抗体中和了植物毒素蓖麻毒素和abrin，并将补体描述为抗体介导的细菌裂解的不耐热非特异性效应物，之前，博尔德已经发现了这些工作（图3）。埃利希将它们重新命名为“补体”，以表明它们补充了特定抗体的活性。

埃利希免疫学成就的亮点在于理论性质：在Behring工作的基础上创造性地提出了关于抗体产生的学说，在1897年他首先提出了抗体生成的侧链学说，也是受体学说的首创者。埃利希预见了宿主细胞上的多种特异性受体，认为这些受体存在于所有细胞类型上，并没有预见到特殊的产生细胞（B淋巴细胞）。他还认为整个受体谱都在一个细胞上，因为他认为它们的主要任务是吸收不同的营养物质。在验证侧链理论的第一个实验中，埃利希将他的想法应用于毒素的中和。在1897年发表的一篇论文中，他将白喉治疗抗血清标准化的技术描述与中和抗体起源的理论解释结合起来。

图3：非特异性细胞免疫的创始人Elie Metchnikoff和特异性体液免疫的创始人Paul Ehrlich的导师、反对者和合作者.梅奇尼科夫迈出左脚，踏在巨噬细胞上，留下了细胞免疫研究探索的第一个足迹。埃利希和贝林迈出了重要的第二步，迈出右脚，踩在抗体上。

在Richard Pfeiffer（1858-1945）和Jules Bordet（图3）的溶血证明之后，Ehrlich和Julius Morgenroth（1871-1924）一起，拓宽了侧链理论，声称裂解是基于一种类似于毒素中和的机制：通过来自侧链的抗体识别细胞。在1899年至1901年间发表的一系列关于溶血的六篇通讯中，他们完善了概念。他们通过与抗原识别位点不同的区域将补体整合为抗体激活的效应分子家族。他们描述了交叉反应抗原（来自不同物种的红细胞共享）和独特的抗原，以及自身抗原和对自身的耐受性。这些交流包括不同类型的抗原与其各自抗体之间的特异性相互作用以及抗体激活补体的几个有指导意义的插图，从而为埃利希的想象提供了明确的证据（图2）。

埃利希和梅奇尼科夫都提出了宿主如何应对入侵病原体以战胜传染病的概念。梅奇尼科夫的吞噬细胞理论需要理解宿主细胞如何抵御外来侵略者，细菌的摄取如何导致它们被杀死，以及吞噬细胞迁移到细菌复制部位如何提供保护，即使保护可能伴随着病理反应。它同样需要埃利希的独创性眼光来理解抗体是如何形成的，并通过中和、沉淀、凝集和细菌溶解来对抗不同的微生物策略。Metchnikoff和Ehrlich的思想是在巴斯德和科赫的肩上发展起来的，他们通过设计一种新的宿主防御微生物侵略者的模式，补充了Pasteur和Koch关于某些疾病传染性的新模式，并将注意力带回鲁道夫·维肖、朱利叶斯·科恩海姆及其同事的病理学概念中（图3）。

曾有一段时间，抗体的出现对于细胞免疫理论的冲击问题似乎被解决了，因为有人提出外周血中的抗体可能发挥着“调理素（opsonin）”的作用，认为抗体能够特异性的结合到病原体上，然后导致病原体对于吞噬细胞的吞噬作用更加的敏感。这个观点是缘于1895年丹尼斯（Denis）和累克莱夫（Leclef）的研究结果。然后，阿姆洛斯·莱特（Almroth Wright）和斯图尔特·道格拉斯（Stewart Douglas）在此基础上开展了一系列的相关研究工作，道格拉斯更是想调解细胞免疫理论与体液免疫理论之间的争论，他首先提出抗体与吞噬细胞互相合作共同抵御入侵的病原体。

就像科学中经常出现的情况一样，光荣属于创造新词的人，遗忘属于第一个发现的人。因此，Almroth-Wright（1861-1947）（图3）经常被认为是1903年发现调理作用的功臣，当时他从希腊单词“opsono”（opsono）创造了一个新词，意思是“我为……准备食物”，并附带了一个很好的定义，“体液改变细菌的方式使其成为吞噬细胞的现成猎物”。Almroth-Wright从梅奇尼科夫那里学到了很多东西。因此，Almroth-Wright做了一个至关重要的实验，显示抗体和吞噬细胞在细菌吞噬和杀灭中的协同作用，他称之为“调理”的一个过程。一个实验的图像显示，粒细胞在体外对抗体包被的脑膜炎球菌的摄取有所改善（图5），表明埃利希确信特异性抗体和非特异性吞噬细胞之间的协同作用，进一步强调了梅奇尼科夫和埃利希的概念的互补性，第一个将梅奇尼科夫和埃利希的概念融合到一个更广阔的视野---免疫学。

图4：梅奇尼科夫和他的一些合作者，大约在1905年。Metchnikoff and some of
his collaborators (Latapie, Levaditi, Besredka, Weinberg, Wollman et Mesnil) around 1905.

图5：粒细胞摄取脑膜炎球菌时特异性抗体和非特异性吞噬细胞之间的协同作用
巴斯德和科赫及其门徒之间的科学争论往往非常激烈，但它们从未退化为争吵或不公正的斗争。相反，国际会议的报告显示，这两个团体以极大的同情心讨论了他们的概念，这两个学派之间的科学争议和令人难忘的辩论促成了这些会议的生动性。事实上，两个学派之间的争论已成为国际会议的亮点。1894年从布达佩斯的国际会议回来，梅奇尼科夫写了一份报告，他在报告中说：“在我们的研究结束时，我们注意到了细胞免疫理论的胜利和纯体液免疫理论的失败，”并指出了传染病中的免疫“是由于体内活细胞的活动。在这些因素中，主要的作用肯定要归功于吞噬细胞。唉，胜利还没有完全实现。”1903年在布鲁塞尔举行的第十一届国际卫生和人口学大会上同样激烈，梅奇尼科夫和埃利希在会上讨论了他们对免疫中吞噬细胞和抗体的看法（与贝林或埃利希和梅奇尼科夫之间的几十封信记录了他们区分个人兴趣和职业兴趣的智慧，证明他与德国同事保持着良好的关系）。1908年在柏林会议上，罗伯特·科赫说：“新的证据已经破坏了吞噬理论的基础，因此它们必须让位给体液免疫理论。” 尽管如此，诺贝尔委员会以其巨大的智慧宣布，当年（1908）诺贝尔奖授予保罗·埃利希和埃利·梅奇尼科夫，表明体液免疫和细胞免疫同样重要。梅奇尼科夫的这一最终胜利得益于他的副手们，他的合作者的贡献，他们分别与反对者们进行了斗争（图3，图4）。

梅奇尼科夫和埃利希死后，侧链理论几乎被推翻。现在知道抗体是在细胞上表达的；然而，一个细胞负责一种特定的抗体，抗体产生的增加是由于特异性抗体产生细胞的克隆性扩增。因此，在更广泛的意义上，侧链理论形成了另外三个诺贝尔奖的基础：1960年授予弗兰克·麦克法兰·伯内特，1984年授予尼尔斯·杰恩，1987年授予苏苏木·托内加瓦。梅奇尼科夫的细胞免疫学在20世纪70年代被重新唤醒之前一直处于休眠状态。梅奇尼科夫的细胞理论并不容易分析，因为它是基于活细胞而不是分子。

回顾110年前梅奇尼科夫和埃利希的工作，他们被认为是细胞先天免疫之父和体液适应性免疫之父是名副其实的。显然，现在认为，关于特异性体液免疫反应和非特异性细胞免疫反应的争论不仅是可以调和的，而且是同等重要的：没有先天免疫系统的“指导”，就没有抗原特异性免疫；没有获得性免疫的指导，就没有有效的先天性免疫反应。

主要参考文献
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梅奇尼科夫（Metchnikff）（1）：细胞免疫学的开始与现代免疫学 http://blog.sciencenet.cn/blog-526326-1293775.html
J Innate Immun. 2016;8(3):223-7.

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