天花疫苗的發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)原理

探究疫苗研究的歷史一、課題分析1．教學(xué)目標(biāo)（1）簡(jiǎn)述疫苗的概念及疫苗作用的原理。（2）舉例說(shuō)明在疫苗的生產(chǎn)過(guò)程中現(xiàn)代生物工程技術(shù)的應(yīng)用。（3）參與探究疫苗研究的歷史，體驗(yàn)在科學(xué)發(fā)展過(guò)程中，科學(xué)家認(rèn)識(shí)問(wèn)題的思維過(guò)程和科學(xué)探索的精神。2．背景描述外來(lái)抗原進(jìn)入機(jī)體后刺激機(jī)體的免疫系統(tǒng)發(fā)生免疫應(yīng)答，這一反應(yīng)過(guò)程稱為免疫。由抗原誘生的免疫反應(yīng)稱為自動(dòng)免疫。自動(dòng)免疫可以通過(guò)自然狀態(tài)下感染微生物獲得，也可通過(guò)人工給予（接種）抗原性物質(zhì)的方式獲得。將疫苗接種于機(jī)體后可誘生特異性的免疫力，這樣在接觸相應(yīng)病原體及其產(chǎn)物后，機(jī)體會(huì)發(fā)動(dòng)加強(qiáng)的免疫應(yīng)答，成功地消滅病原體或中和其有害產(chǎn)物，使機(jī)體免于發(fā)病。疫苗是利用病原微生物及其代謝產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)人工減毒或滅活方法制成，用于預(yù)防疾病的自動(dòng)免疫制劑。過(guò)去曾習(xí)慣把用細(xì)菌菌體本身制備的稱菌苗；把用病毒或立克次氏體制備的稱疫苗；把用細(xì)菌外毒素經(jīng)甲醛脫毒制備的稱類毒素。近年來(lái)由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已開始應(yīng)用提純抗原和人工合成有效抗原的方法制造免疫預(yù)防制劑。因此，如果仍沿用以往的名稱，就很難準(zhǔn)確地、完整地概括各種形式的免疫制劑的本質(zhì)，且國(guó)際用語(yǔ)中無(wú)疫苗、菌苗之別，加之世界衛(wèi)生組織（擴(kuò)大免疫規(guī)劃（培訓(xùn)教材中，都把計(jì)劃免疫所使用的生物制品稱為“疫苗（vaccine）”。為避免名詞和概念上的混亂，對(duì)于各種免疫預(yù)防制劑統(tǒng)稱為疫苗。隨著現(xiàn)代生物工程技術(shù)的發(fā)展，疫苗的生產(chǎn)也進(jìn)入了新的階段。例如：用遺傳工程技術(shù)將表現(xiàn)毒力的基因自病原體移除也可研制減毒活疫苗；將病原體具有免疫原性的蛋白質(zhì)的編碼基因分離出來(lái)，克隆入細(xì)菌、酵母及哺乳動(dòng)物細(xì)胞，表達(dá)出相應(yīng)的重組蛋白。這些重組蛋白可用做重組抗原疫苗，也被稱為基因工程疫苗。多種編碼病原體表面抗原的基因已得到了成功的表達(dá)。在酵母中表達(dá)的乙型肝炎病毒表面抗原已被證明可誘生保護(hù)性抗體，并開始應(yīng)用于臨床。二、教學(xué)建議本課題從古代中國(guó)人創(chuàng)造的預(yù)防天花的例子入手，展示疫苗研究的歷史，逐步深入闡明疫苗在自動(dòng)免疫中的作用原理及生產(chǎn)原理。通過(guò)現(xiàn)代疫苗前景的舉例，說(shuō)明生物工程技術(shù)在疫苗生產(chǎn)中的作用。以上為本課題的重點(diǎn)。在疫苗研究的歷史中，詹納偶然的發(fā)現(xiàn)了接種牛

痘預(yù)防天花。巴斯德也是工作中的偶然疏忽，使他找到了人工減毒的方法，制備出了減毒活疫苗，如炭疽菌苗、狂犬病疫苗。通過(guò)對(duì)這段歷史的解讀，使學(xué)生體驗(yàn)在科學(xué)發(fā)展過(guò)程中，科學(xué)家認(rèn)識(shí)問(wèn)題的思維過(guò)程和科學(xué)探索的精神。這也是本課題的難點(diǎn)。所以，對(duì)于科學(xué)家在探究過(guò)程中所做的實(shí)驗(yàn)，教師可以設(shè)置一些問(wèn)題，讓學(xué)生設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)、推理等。最后，還可以針對(duì)目前人類所面臨的幾種具有嚴(yán)重危害的傳染病（例如艾滋病、非典型肺炎等），請(qǐng)學(xué)生應(yīng)用疫苗的知識(shí)提出一些設(shè)想，使理論與實(shí)際相結(jié)合，以提高學(xué)生的應(yīng)用能力。三、究活動(dòng)第一步驟最早的疫苗感染天花的癥狀關(guān)于疫苗的研究應(yīng)從古代中國(guó)人創(chuàng)造的預(yù)防天花的方法講起。天花是一種烈性傳染性疾病，其病原體是天花病毒。感染天花病毒的病人多被奪去生命，幸運(yùn)活下來(lái)的人多在面部及軀干留下分布廣泛的斑點(diǎn)樣瘢痕（俗稱麻子）。在生存斗爭(zhēng)的實(shí)踐中，古代的中國(guó)人觀察到將活下來(lái)的天花病人皮損處焦痂碾成粉末后讓兒童吸入可以預(yù)防天花。這種粉末是人類有文字記載的最早的疫苗。這一做法也是人類以預(yù)防接種預(yù)防傳染性疾病的最早的實(shí)踐。感染天花的癥狀第一個(gè)以實(shí)驗(yàn)的方法證實(shí)疫苗作用的是英國(guó)醫(yī)生小資料：牛痘病毒和天花病毒同屬于痘病毒屬。請(qǐng)學(xué)生猜測(cè)：為什么接種牛痘后，就不再得天花？請(qǐng)學(xué)生想一想：患天花而幸運(yùn)活下來(lái)的人，是否有可能患第二次天花，為什么？小資料：天花病毒在自然界沒(méi)有中間宿主，天花疫苗使之在人群中沒(méi)有攜帶者，使得在全球內(nèi)消滅天花成為可能。EdwardJenner，牛痘是一種人和牛都可得的傳染性疾病，通常不致命。他觀察到，采集牛奶的女工易患牛痘，得過(guò)牛請(qǐng)學(xué)生猜測(cè)：為什么接種牛痘后，就不再得天花？請(qǐng)學(xué)生想一想：患天花而幸運(yùn)活下來(lái)的人，是否有可能患第二次天花，為什么？小資料：天花病毒在自然界沒(méi)有中間宿主，天花疫苗使之在人群中沒(méi)有攜帶者，使得在全球內(nèi)消滅天花成為可能。痘的不再得天花?；谶@種觀察，他將牛痘患者皮膚感染后形成的濃汁注射到一個(gè)8歲男孩的臂部，幾天后，他給這一男孩接種了天花病毒。結(jié)果是此男孩安然無(wú)恙。1798年，他發(fā)表了以接種牛痘預(yù)防天花的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Jenner的實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)道后，醫(yī)務(wù)工作者在全世界的范圍內(nèi)開展了以接種牛痘疫苗預(yù)防天花的工作，獲得了巨大的成功。1979年，世界衛(wèi)生組織宣布，天花已成為第一個(gè)在地球上被消滅了的傳染性疾病。第二步驟巴斯德的貢獻(xiàn)創(chuàng)造巴氏消毒法的巴斯德，在免疫學(xué)上也有偉大發(fā)現(xiàn)。當(dāng)他發(fā)現(xiàn)蠶豆病也是一種微生物引起的，就推測(cè)：人類和動(dòng)

物所患的各種各樣的傳染病都可能是由不同的微生物引起的。在此基礎(chǔ)上，1880年巴斯德發(fā)現(xiàn)雞霍亂桿菌的陳舊培養(yǎng)物能預(yù)防雞霍亂的感染。由于細(xì)菌在陳舊培養(yǎng)物中，其毒性已經(jīng)降低，因此稱為減毒活疫苗，若應(yīng)用新鮮培養(yǎng)物大多數(shù)雞死亡。又經(jīng)過(guò)幾次試驗(yàn)，他得出了兩個(gè)結(jié)論：一是培養(yǎng)的細(xì)菌存放越久，其致病的能力超弱，且這種菌經(jīng)傳代培養(yǎng)，仍保持其弱毒的特性。二是給雞注射毒力弱的菌，不但不會(huì)使雞死亡，并且能夠使雞產(chǎn)生保護(hù)力。巴斯德為了這次工作中的偶然疏忽，使他找到了人工減毒的方法，制備出了減毒活疫苗，如炭疽菌苗、狂犬病疫苗。使人類學(xué)會(huì)了制造預(yù)防傳染病的武器——疫苗。巴斯德的工作奠定了現(xiàn)代疫苗的研究基礎(chǔ)。此后．免疫學(xué)和醫(yī)務(wù)工作研制出了多種預(yù)防傳染性疾病發(fā)生的多種疫苗，并將這些疫苗用于預(yù)防接種的實(shí)踐。第三步驟奧秘何在外來(lái)抗原進(jìn)入機(jī)體后刺激機(jī)體的免疫系統(tǒng)發(fā)生免疫應(yīng)答，這一反應(yīng)過(guò)程稱為免疫。由抗原誘生的免疫反應(yīng)稱為自動(dòng)免疫。自動(dòng)免疫可以通過(guò)自然狀態(tài)下感染微生物獲得，也可通過(guò)人工給予（接種）抗原性物質(zhì)的方式獲得。這種通過(guò)人工接種方式應(yīng)用的，可在機(jī)體誘生自動(dòng)免疫的抗原性物質(zhì)被稱為疫苗。疫苗可以是病原體，也可以是病原體的某一產(chǎn)物。將疫苗接種于機(jī)體后可誘生特異性的免疫力．這樣在接觸相應(yīng)病原體及其產(chǎn)物后，機(jī)體會(huì)發(fā)動(dòng)加強(qiáng)的免疫應(yīng)答，成功地消滅病原體或中和其有害產(chǎn)物，使機(jī)體免于發(fā)病。疫苗的效應(yīng)原理，在于它可在接受疫苗的個(gè)體中誘生抗原特異性的記憶性T或B淋巴細(xì)胞。記憶性的T或B淋巴細(xì)胞當(dāng)再次接觸抗原后，會(huì)對(duì)抗原性物質(zhì)發(fā)動(dòng)強(qiáng)效的免疫應(yīng)答，迅速將其清除。小資料：在Jenner發(fā)明小資料：在Jenner發(fā)明“牛痘”以后的一百五十年內(nèi)，人們?cè)?jīng)設(shè)法通過(guò)接種來(lái)預(yù)防其他嚴(yán)重的疾病，可是沒(méi)有成效。請(qǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證減毒的雞霍亂桿菌能防止雞感染雞霍亂。小資料：現(xiàn)在應(yīng)用的減毒活疫苗有：麻疹病毒疫苗、脊髓灰質(zhì)炎病毒疫苗、黃熱病病毒疫苗、腮腺炎病毒疫苗、卡介苗、減毒的傷寒疫苗等。小資料：在特異性免疫中發(fā)揮免疫作用的主要是淋巴細(xì)胞。淋巴細(xì)胞是由骨髓中的造血干細(xì)胞分化、發(fā)育而來(lái)的。其中的一部分造血干細(xì)胞隨血流進(jìn)入胸腺，并在胸腺內(nèi)發(fā)育成淋巴細(xì)胞。因?yàn)樾叵儆⑽拿Q的第一個(gè)字母是“T”，所以把這一類細(xì)胞稱為T淋巴細(xì)胞。另一部分造血干細(xì)胞在骨髓在發(fā)育淋巴細(xì)胞。因?yàn)楣怯⑽拿Q的第一個(gè)字母是“B”，所以把這一類細(xì)胞稱為B淋巴細(xì)胞。請(qǐng)檢驗(yàn)：你對(duì)接種牛痘后就不再得天花的解釋是否正確？利用新技術(shù)如基因（遺傳）工程的方法可以制造出嶄新的疫苗。例如可以從致病微生物中分離出抗原遺傳信息的基因，嵌合到另一種易繁殖的微生物或細(xì)胞（如酵母菌、大腸桿菌或哺乳動(dòng)物細(xì)胞）中，使重組后的細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖，即能請(qǐng)學(xué)生想一想：在此資產(chǎn)生特異抗原?；蚬こ痰氖┕げ僮骷夹g(shù)，說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，做起來(lái)卻極其復(fù)雜。但它的成功可以使人們按自己的設(shè)計(jì)制造料中，用到了哪種生物工程請(qǐng)學(xué)生想一想：在此資出需要的疫苗來(lái)。這項(xiàng)技術(shù)已在制備乙型肝炎疫苗中取得可技術(shù)手段？喜的成績(jī)?？茖W(xué)工作者還將能表達(dá)乙型肝炎病毒表面抗原、流感病毒抗原與皰疹病毒抗原的基因都插入牛痘苗病毒，制成特殊的牛痘苗，接種這種疫苗能同時(shí)預(yù)防由上述四種病毒引起的傳染病。有人還試驗(yàn)將痢疾抗原的基因整合到傷寒活菌苗菌株內(nèi)，口服后，能同時(shí)產(chǎn)生對(duì)傷寒和痢疾的免疫。第五步驟請(qǐng)你思考據(jù)報(bào)道，目前全世界有250多萬(wàn)人感染乙型肝炎病毒，每年有100萬(wàn)?200萬(wàn)人死于瘧疾，由輪狀病毒、志賀菌、霍亂弧菌、產(chǎn)毒大腸桿菌引起的腹瀉每年奪去400萬(wàn)?500萬(wàn)人的生命。據(jù)在1995年的估計(jì)，全世界感染艾滋病病毒的人約2千萬(wàn)。另根據(jù)世界衛(wèi)生組織的材料，全世界每年200萬(wàn)人死于麻疹，80萬(wàn)人死于新生兒破傷風(fēng)。2003年春天，在全球局部地區(qū)相繼發(fā)生傳染性非典型肺炎，在世界范圍內(nèi)構(gòu)成健康威脅。針對(duì)這樣的現(xiàn)狀，請(qǐng)?zhí)岢瞿愕南敕ǎ克?、分析討?．疫苗生產(chǎn)的原理是什么？簡(jiǎn)析：常規(guī)的疫苗主要是活疫苗和死疫苗及用細(xì)菌外毒素經(jīng)甲醛脫毒制備的類毒素?；钜呙缡侵溉斯ざㄏ蜃儺惢驈淖匀唤绾Y選獲得毒力減弱或基本無(wú)毒的病原微生物制成的預(yù)防制品，又稱減毒活疫苗。常用的活疫苗有預(yù)防結(jié)核病的卡介苗，預(yù)防麻疹的麻疹疫苗，預(yù)防小兒麻痹癥的脊髓灰質(zhì)炎疫苗等?；钜呙绲膬?yōu)點(diǎn)是微生物進(jìn)入機(jī)體后，能繼續(xù)繁殖．所以免疫效果持久、可靠。由于減毒活疫苗引起的機(jī)體免疫應(yīng)答更接近于自然感染，因而比死疫苗具有更佳的免疫效果。用物理或化學(xué)方法將標(biāo)準(zhǔn)微生物株殺死或滅活而制成的預(yù)防制劑稱為死疫苗。死疫苗失去感染力和致病力，但保留其免疫力，可刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫應(yīng)答。常用的死疫苗有傷寒、霍亂、乙型腦炎等。死疫苗的優(yōu)點(diǎn)在于安全，易于保存。死疫苗的免疫效果比活疫苗差。隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新的疫苗研究策略。例如：用遺傳工程技術(shù)將表現(xiàn)毒力的基因自病原體移除也可研制減毒活疫苗；將病原體具有免疫原性的蛋白質(zhì)的編碼基因分離出來(lái)，克隆入細(xì)菌、酵母及哺乳動(dòng)物細(xì)胞，表達(dá)出相應(yīng)的重組蛋白。這些重組蛋白可用做重組抗原疫苗，也被稱為基因工程疫苗。多種編碼病原體表面抗原的基因已得到了成功的表達(dá)。在酵母中表達(dá)的乙型肝炎病毒表面抗原已被證明可誘生保護(hù)性抗體，并開始應(yīng)用于臨床。討論：（1）為什么接種牛痘后，就不再得天花？牛痘病毒和天花病毒同屬于痘病毒屬，人體感染牛痘后，可誘生特異性的免疫力。當(dāng)接觸天花病毒后，機(jī)體會(huì)發(fā)動(dòng)加強(qiáng)的免疫應(yīng)答，成功地消滅天花病毒，使機(jī)體免于發(fā)病。（2）患天花而幸運(yùn)活下來(lái)的人，是否有可能患第二次天花，為什么？不會(huì)再患第二次。因?yàn)榛歼^(guò)一次天花而痊愈的人，體內(nèi)已獲得了免疫力。所以不會(huì)第二次患病。（4）第四步驟的資料中，應(yīng)用到了哪種生物工程技術(shù)手段？基因工程發(fā)酵工程（5）請(qǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證減毒的雞霍亂桿菌能防止雞感染雞霍亂。步驟1給第一批健康的雞注射減毒的雞霍亂桿菌。（預(yù)期結(jié)果：這批雞將小病一場(chǎng)后復(fù)原。）步驟2再取相同數(shù)量的健康的雞，把強(qiáng)毒性的雞霍亂桿菌分別注射到這兩批雞。（預(yù)期結(jié)果：第一批雞將都活著，第二批雞大量染病死亡）注意：步驟1、2所用菌的劑量要等量。2．針對(duì)對(duì)于第五步驟的資料，請(qǐng)?zhí)岢瞿愕脑O(shè)想？簡(jiǎn)析：麻疹和新生兒破傷風(fēng)兩種疾病都可通過(guò)預(yù)防接種得到完全的預(yù)防。但由于經(jīng)濟(jì)和科學(xué)發(fā)展尚滯后，針對(duì)有些傳染性疾病。仍無(wú)有效的疫苗或未進(jìn)行廣泛的預(yù)防接種。到目前為止，還未開發(fā)出抵抗艾滋病病毒的疫苗?？茖W(xué)家也正努力研制“非典”疫苗。為控制、消除、消滅疫苗可預(yù)防的疾病。一、要應(yīng)用現(xiàn)代生物工程技術(shù)不斷開發(fā)免疫預(yù)防制品。二要規(guī)范化、科學(xué)化管理預(yù)防接種工作。討論：資料：非典型肺炎主要是由流感病毒、支原體、衣原體、腺病毒以及其他未明的微生物所引起的肺炎。非典型肺炎主要由受感染者的飛沫近距離傳播，接觸受感染者的分泌物也會(huì)受感染，是一種呼吸道急性傳染病，有比較強(qiáng)的傳染力。致病病毒能在空氣中存活4到5個(gè)小時(shí)，手會(huì)成為它們的依附體，而手又經(jīng)常接觸眼、口、鼻等身體部位，這些粘膜組織的外殼蛋白會(huì)成冠狀病毒與人體細(xì)胞相結(jié)合的受體，進(jìn)而成為病毒進(jìn)入人體的通道。目前，科學(xué)家已分離出非典型肺炎的病原體一一新型冠狀病毒。為了搞清楚它的來(lái)源，科學(xué)家作了基因的分析比較，發(fā)現(xiàn)分離出的新型冠狀病毒與已知的冠狀病毒基因同源性達(dá)到64％?？焖贆z測(cè)非典型肺炎的第一種方法稱為間接免疫熒光法，即把感染病毒的細(xì)胞固定在一個(gè)小玻片上，這個(gè)玻片上有病毒，然后把病人的血清滴在這個(gè)上面，若血清中有跟這個(gè)病毒反應(yīng)的抗體，它倆就可以結(jié)合，然后加上另外一種帶有熒光的試劑，在熒光顯微鏡下，玻片上會(huì)有熒光顯現(xiàn)。（1）根據(jù)材料分析，這次的新型冠狀病毒可能是通過(guò)（基因突變）產(chǎn)生的全新品種。（2）快速檢測(cè)非典型肺炎時(shí)，病毒與抗體之間的反應(yīng)稱為（免疫反應(yīng)）；在熒光顯微鏡下檢測(cè)時(shí)，玻片上有熒光顯現(xiàn)，說(shuō)明（病人感染SARS病毒）。（3）根據(jù)這種冠狀病毒造成的傳染特點(diǎn)，你認(rèn)為該如何預(yù)防，并寫出預(yù)防的措施。.①SARS是一種傳染病，嚴(yán)格控制傳染源，切斷傳播途徑，保護(hù)易感人群都是有效的預(yù)防措施。②SARS是一種呼吸道急性傳染病，對(duì)空氣的傳播的途徑切斷是行之有效的，如病人和接觸者戴口罩，保持空氣流通，對(duì)空氣進(jìn)行消毒等。③抓住治療藥物篩選、診斷試劑、疫苗研制的關(guān)鍵科技問(wèn)題，組織藥物攻關(guān)，盡快提供有效的防治藥物和診治手段。四、深化拓展拓展1：搜索基因工程在疫苗生產(chǎn)上應(yīng)用的資料。提示：乙型肝炎表面抗原和去毒的百日咳毒素是兩種已商品化的基因工程疫苗。大量的候選疫苗同時(shí)預(yù)防的疾病因子包括：?jiǎn)渭儼捳畈《?、流感病毒、人免疫缺陷病毒，惡性虐原蟲和幽門螺旋桿菌，正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)。轉(zhuǎn)移載體用于表達(dá)理想的抗原包括病毒（痘病毒、腺病毒、流感病毒）和細(xì)菌（沙門菌、志賀桿菌、卡介苗）。痘病毒已證明具有特殊的多樣性，因?yàn)槠溆械头磻?yīng)原性，能誘導(dǎo)細(xì)胞免疫，表達(dá)多價(jià)抗原，能被轉(zhuǎn)移至粘膜誘導(dǎo)局部免疫。搜索資料，了解基因工程在疫苗生產(chǎn)上的應(yīng)用。拓展2：搜索疫苗有哪些種類。提示：疫苗的類型主要有減毒的細(xì)菌和病毒疫苗、滅活的細(xì)菌和病毒疫苗、純化抗原的疫苗、合成的多肽疫苗、重組抗原疫苗、重組載體疫苗、基因敲除疫苗等。搜索疫苗的種類，了解各種生物工程技術(shù)在疫苗生產(chǎn)上的應(yīng)用。六、文獻(xiàn)鏈接1．制備疫苗的原則要求疫苗是用于健康人接種，因此它不同于一般的藥品，而是一種特殊的藥品。絕不允許質(zhì)量不好的疫苗用于人體，否則給人接種后會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。所以制備疫苗必須嚴(yán)格按照國(guó)家頒布的規(guī)程進(jìn)行。疫苗必須具備以下條件；（1）疫苗必須是安全的，接種疫苗后不應(yīng)引起機(jī)體、組織、器官的損傷，更不應(yīng)引起相應(yīng)的疾病或持續(xù)的感染。（2）疫苗要純凈，不應(yīng)有雜質(zhì)，否則會(huì)使被接種者發(fā)生變態(tài)反應(yīng)。（3）疫苗應(yīng)高效，有良好的預(yù)防效果，在機(jī)體可以產(chǎn)生保護(hù)性免疫，并有較長(zhǎng)期的免疫力。（4）疫苗應(yīng)有較好的耐熱性，易于運(yùn)輸、保存。（5）接種方法簡(jiǎn)便，容易操作，接種次數(shù)少，最好是口服。通過(guò)粘膜表面使用疫苗，易于為被接種者接受。（6）價(jià)格低廉，宜于大規(guī)模推廣。WHOEPI希望疫苗每劑的價(jià)格應(yīng)少于5美分。（7）必須經(jīng)過(guò)國(guó)家檢定機(jī)構(gòu)