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四个诺奖站在他们肩上:B、T细胞发现史
2019-11-20 09:57

四个诺奖站在他们肩上:B、T细胞发现史

本文来自公众号:返朴(ID:fanpu2019),作者:郭晓强,题图来自:视觉中国


我们的身体时刻处于“危险”之中,周围环境中的细菌、病毒等外源物会对健康带来巨大威胁,机体为此进化出精密的免疫系统来区分“自我”和“非我”,并及时发现这些“非我”外源物从而消除这些危险。免疫系统的保护功能主要通过两类免疫细胞,即B细胞和T细胞实现。


B细胞可产生特异性抗体,通过中和外源有害分子而发挥保护作用,这一过程称为体液免疫;T细胞可分泌细胞因子,对病毒感染的细胞或癌细胞进行特异性杀伤,称为细胞免疫。因此,B细胞和T细胞可看作是身体健康的保护神,重要性显而易见。然而,这两类细胞的存在直到上世纪60年代之前还是个谜。


2019年9月,美国著名的拉斯克基础医学奖(Albert Lasker Basic Medical Research Award)被授予两位免疫学家,美国埃默里大学(Emory University)医学院的马克斯·戴尔·库珀博士(Max Dale Cooper)和澳大利亚沃尔特和伊丽莎·霍尔医学研究所(Walter and Eliza Hall Institute of Medical Research)雅克·弗朗西斯·米勒博士(Jacques Francis Miller),所表彰的正是他们半个世纪前在B细胞和T细胞发现过程中的奠基性贡献。


等待填补的学科空白


免疫系统时刻守护着机体免受外源物的入侵,因此,研究免疫系统结构和功能的免疫学具有至关重要的意义。


1960年代初,免疫学研究已取得一系列重要进展。科学家们发现,免疫细胞可产生抗体,免疫系统可抵抗病毒感染、参与器官移植过程中的免疫排斥等,但免疫细胞产生部位、免疫细胞种类等诸多问题还悬而未决。在这些免疫学领域亟待解决的重大难题上,米勒博士首先取得了突破。


从“垃圾桶”捡回胸腺


1931年4月2日,米勒生于法国尼斯(Nice),童年时期由于父亲工作的原因多在中国生活。由于第二次世界大战全面爆发,米勒全家在1941年移居澳大利亚,米勒本人随后获得澳籍。在悉尼圣阿洛伊斯学院(St Aloysius' College)完成高等教育后,米勒进入悉尼大学学习,并于1955年获得医学学位。


米勒8岁时,姐姐感染肺结核,而当时的治疗手段对肺结核束手无策,全家只能无助地看着这位美丽女孩在患病三个月后去世。这次变故为米勒年幼的心灵留下深刻的印记,因此在悉尼大学求学期间,米勒首次接触病毒感染课题就义无反顾选择了这一方向,并将其作为终生事业。


米勒博士(图片来自拉斯克奖网站)


1958年,完成住院医生培训的米勒在研究奖学金的资助下来到英国伦敦癌症研究所(Institute of Cancer Research)进行博士学习。当时已知癌症的诱发原因有物理因素(如辐射)、化学因素(各种致癌化合物)和病毒因素等。由于先前的病毒研究背景,加上博士导师哈里斯(Robert Harris)教授的建议,米勒选择了病毒如何造成淋巴细胞白血病的发生作为博士研究内容。不巧的是,导师不久另谋高就,米勒只能独自开展课题。


当时已有研究初步表明,淋巴细胞白血病的发生与胸腺(thymus)密切相关。胸腺原本被看作是一种“无用”器官(因为摘除成年小鼠的胸腺对其健康无丝毫影响),一种进化过程中类似盲肠的残存物,而参与小鼠白血病的发生更是为胸腺添加一条罪状。米勒自然而然产生一个朴素想法:如果主流观点正确,那么摘除胸腺将百利而无一害,用这种办法杜绝白血病将毫无副作用。真相是否如此,需要用事实说话。


米勒为刚出生小鼠摘除胸腺,以备在成长不同阶段进行病毒接种,并观察这些去胸腺小鼠是否还会患上白血病。就在米勒准备接种病毒时,问题出现了,去胸腺小鼠开始的发育还算正常,但断奶后不久便百病缠身、日渐消瘦,并最终早亡。这一事实初步表明,胸腺并非一无是处,去除它可导致幼鼠的灾难性后果。


米勒对发病前的去胸腺小鼠进行皮肤移植实验,结果发现,这些小鼠丧失了产生排斥反应的能力,对外源皮肤可以说是来者不拒,即使亲缘关系极远的不同肤色小鼠间进行皮肤移植也毫无障碍。米勒又对早亡的去胸腺小鼠进行解剖观察,发现其肝脏出现大面积病毒感染,表明小鼠对病毒的抵抗力降低。此外,去胸腺小鼠更易患癌,这一发现为癌症免疫治疗提供了最初的理论依据。这些数据清晰表明,胸腺是一种重要的免疫器官,米勒于1961年发表了这一结果。


然而,米勒的发现在当时并未得到科学界普遍认可,包括著名免疫学家梅达沃(Sir Peter Medawar,1960年诺贝尔生理学或医学奖获得者)在内的反对者提出诸多质疑,甚至有点诘难的味道。他们认为,米勒进行实验的场所太过简陋、胸腺切除术操作不当容易引起小鼠外伤等,可能恰恰是这些因素,而非胸腺本身缺失的缘故,才导致小鼠出现感染。


为此,米勒来到当时唯一有着无菌小鼠的地方——美国国家卫生研究院,采用更严格的实验操作证实了上述结果的可靠性。还有人指出,即使米勒的小鼠实验没有问题,这一结论能否推广到人类也需打个问号。


米勒实验(修改自Miller JF. Nat Rev Immunol,2011,11(7):489-495)


米勒虽遭到一些科学家的质疑,但同时也获得众多支持,如美国的古德教授(Robert A. Good)于1962年发表了小鼠实验,也证实了胸腺在免疫系统中发挥关键作用。


随着学术界逐渐认可胸腺是一种免疫功能器官,免疫学家开始推测胸腺的具体作用。他们认为,胸腺形成的淋巴细胞在外周分化出成熟免疫细胞,并获得抗体生成、抵抗病毒入侵等功能。然而事实上,米勒的结果已初步否定这一结论,因为去胸腺小鼠尽管存在免疫缺陷,但其抗体生成功能并未完全消失。胸腺究竟发挥了何种免疫功能呢?另一位获奖者库珀博士随后很好地解决了这一难题。


从法氏囊到骨髓:发现第二类免疫细胞


1933年8月31日,库珀出生于美国密西西比州的哈兹勒赫斯特(Hazlehurst)。库珀的童年在乡村度过,拥有无拘无束的时间、自由漫游的空间、恣意探索的树林和溪流,以及引发思考的星空。同为教师的父母赠予他书籍的宝藏,培养他阅读的渴望,这些都是库珀成长道路上最珍贵的礼物。


库珀最初对医学的兴趣并不十分浓厚,甚至认为成为医生要“浪费”太多时间和金钱,从而影响自己的业余爱好,更没有想到自己最终会从事免疫学的研究工作。然而,如同米勒的专业选择受到家庭变故的影响,库珀哥哥的意外去世也把他推上了学医道路,开启了医学预科、医学院、实习医生和住院医师的常规历程。1955年,库珀从密西西比大学医学院毕业,又于1957年从新奥尔良杜兰大学医学院(Tulane University School of Medical)获得医学博士学位。


库珀博士(图片来自拉斯克奖网站)


库珀在杜兰大学主要从事儿科临床实习,有机会接触到诸多患有遗传性疾病的儿童,其中两类X-性连锁疾病为库珀留下深刻印象。Wiskott–Aldrich综合征患儿对病毒感染缺乏抵抗力,但体内可产生大量抗体;先天性抗体缺陷综合征患儿体内缺乏抗体,但保留抗病毒感染能力。这些现象暗示了抗体生成和抗感染是由两种不同来源的免疫细胞负责。为能对此建立更为深入的理解,1963年,库珀加入古德实验室开展合作研究。


早在1956年,格利克(Bruce Glick)等人就发现,从鸡体内去除鸟类独有的器官法氏囊(bursa of Fabricius)后,可造成体内抗体含量显著降低,暗示其与免疫作用密切相关。然而,无论是格利克实验还是米勒实验,结果的可重复性都较差,数据总是模棱两可,无法确定这些器官在免疫过程中的角色到底是完全主导还是部分参与。


库珀和古德推测,摘除法氏囊时,鸡体内可能已有免疫细胞存在,这些免疫细胞对最终结果具有干扰作用。为从本质上消除这种误差,他们在去除雏鸡的法氏囊或者胸腺后,进一步采用放射性处理,以完全消除可能在孵化前已形成的免疫细胞。这一方法改进极大地增加了结果的稳定性和可重复性。


库珀实验结果表明,对去除法氏囊的雏鸡进行辐射,可导致抗体产生能力丧失;对摘除胸腺的鸡进行辐射,可造成病毒抵抗能力消失。据此库珀认为,鸡体内至少存在两类不同来源、不同功能免疫细胞:来源于法氏囊的免疫细胞负责制造抗体,根据法氏囊单词首字母命名为B细胞;来源于胸腺的免疫细胞介导移植物排斥反应等,同样根据胸腺单词首字母命名为T细胞。1965年,库珀发表了这一结果,对格利克实验和米勒实验以及两类遗传性疾病的临床表现给予理想解释,并初步说明该结论具有普适性。


然而,尚有一个问题亟需解决。法氏囊是鸟类独有器官,人和小鼠等哺乳动物体内都不存在,那么他们的B细胞是从何而来的呢?


1968年,米勒和学生证实小鼠中也存在两类免疫细胞,它们分别发挥不同的功能。1974年,库珀小组和多家实验室几乎同时证明了哺乳动物的B细胞来源于骨髓。巧合的是,骨髓(bone marrow)的英文首字母也是B,因此B细胞的名称沿用至今。至此,哺乳动物也有B细胞和T细胞两类免疫细胞的结论得到证明。



B细胞和T细胞来源模型(修改自Cooper MD. Nat Rev Immunol, 2015,15(3):191-197)


为现代免疫学铺路


B细胞和T细胞的发现是现代免疫学发展史上具有里程碑意义的事件,拓展了人们对获得性免疫系统的组织原理的理解和认识,奠定了诸多免疫学研究的基础,推动了抗体制备、疫苗研发、器官移植、自身免疫性疾病诊断和治疗、癌症免疫治疗等多个领域的快速发展。


在库珀和米勒的研究基础上,后来的科学家们取得了一系列瞩目的成就,并有多位成为诺贝尔生理学或医学奖获得者。


  • 1973年,多尔蒂(Peter Doherty)和辛克纳格尔(Rolf Zinkernagel)阐明了T细胞抗病毒作用机制,两位科学家因此分享1996年诺奖;

  • 1975年,科勒(Georges Köhler)和米尔斯坦(César Milstein)将B细胞与骨髓瘤细胞融合而制备出杂交瘤,成为单克隆抗体制备的基础,两位科学家因此分享1984年诺奖;

  • 1976年,利根川进(Susumu Tonegawa)阐明了B细胞抗体多样性产生原理,并因此获得1987年诺奖;

  • 2018年的诺奖更是与库珀和米勒的贡献密不可分,获奖的两位免疫学家艾利森(James P Allison)和本庶佑(Tasuku Honju)发现了抑制负免疫调节的癌症疗法,其策略正是通过激活T细胞实现对癌细胞的杀伤,而使用的工具则是B细胞产生的抗体。


库珀和米勒也因为在发现B细胞和T细胞方面的贡献而获得诸多科学大奖,除了9月份宣布的拉斯克基础医学奖,他们还于2018年分享日本国际奖等奖项。库珀被誉为“B细胞免疫学之父”,而米勒被认为是揭示一种人体器官功能的唯一在世科学家。


从贡献上讲,两位科学家显然值得进一步分享诺贝尔奖。无奈的是,鉴于2018年的诺贝尔生理学或医学奖刚刚授予癌症免疫治疗,再次授予免疫学方面的贡献估计还要等上几年。两位教授都已近90岁高龄,而诺贝尔奖只授予在世的人,所以两位科学家最终能否登上诺奖领奖台还很难预判。


两位前辈还为年轻科学家提出许多宝贵建议:发现一个让自己着迷的研究领域;找到一位值得信赖的好导师;选择一个自己笃信的研究方向,然后义无反顾做下去,即使困难重重,也要坚持到底。哪怕自己的研究成果短期内看不到临床价值,也不要气馁,毕竟从理论到应用往往是一个极为漫长的过程。


归纳一句话,坐得住冷板凳,耐得住寂寞,才有望取得真正意义上的重大突破。


主要参考文献:

Cooper MD.The early history of B cells. Nat Rev Immunol, 2015, 15(3):191-197.

Cooper MD. A life of adventure in immunobiology. Annu Rev Immunol, 2010,28:1-19.

Cooper MD. The early history of B cells. Nat Rev Immunol, 2015,15(3):191-197.

Cooper MD, Peterson RD, Good RA. Delineation of the thymic and bursal lymphoid systems in the chicken. Nature,1965,205:143-146.(米勒获奖文章)

Dankoski E. 2019 Lasker Basic Research Award celebrates immunologists Jacques Miller and Max Cooper. J Clin Invest, 2019, 129(10):3966-3968.

Garcia KC. Dual Arms of Adaptive Immunity: Division of Labor and Collaboration between B and T Cells. Cell, 2019, 179(1):3-7.

Gitlin AD, Nussenzweig MC. Immunology: Fifty years of B lymphocytes. Nature, 2015, 517(7533):139-141.

LeBien TW, Tedder TF.B lymphocytes: how they develop and function. Blood, 2008, 112(5):1570-1580.

Miller JF. Immunological function of the thymus. Lancet,1961, 2(7205): 748-749. (米勒获奖文章)

Miller JF. The golden anniversary of the thymus. Nat Rev Immunol,2011, 11(7):489-495.

Miller JF.A Scientific Odyssey: Uncovering the Secrets of Thymus Function. Cell, 179(1):21-26.

Miller JF, Sadelain M. The journey from discoveries in fundamental immunology to cancer immunotherapy. Cancer Cell, 2015, 27(4):439-449.

Germain RN. The Cellular Determinants of Adaptive Immunity. N Engl J Med 2019,381(11):1083-1085.

Watts G. Jacques Miller: immunologist who discovered role of the thymus. Lancet, 2011, 378(9799):1290.


本文来自公众号:返朴(ID:fanpu2019),作者:郭晓强

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