The Origin and Development Status of Smallpox Vaccine

Wang Wei ¹, Jin Lingfei ^1,2*

1 Zhuji Cuixi Academy of Biotechnology, Zhuji, 311800

2 Institute of Life Science, Jiyang College of Zhejiang A&F University, Zhuji, 311800

*Corresponding author, kris.lf.jin@qq.com

Abstract Smallpox virus (variola, VAR) belongs to the Orthopoxvirus genus and has caused a global smallpox pandemic in history, causing profound disasters to humanity. Since Edward Jenner (1749~1823), a famous British doctor, scientist, and founder of modern immunology, discovered the subtle connection between cowpox and smallpox and carried out the first vaccination in the 18th century, many domestic and foreign scholars have devoted themselves to the research of smallpox vaccines, saving millions of lives. The emergence and elimination of smallpox virus is a long process. The effectiveness of traditional smallpox vaccines has been fully verified, but they can cause many side effects, requiring the development of safer and more effective smallpox vaccines. This review summarizes the origin of smallpox and the current development status of smallpox vaccines by reviewing domestic and international literature related to smallpox vaccines. Expanding the stockpile of smallpox vaccines has become a global need, and the development of new smallpox vaccines is of great significance in increasing user compliance, improving vaccine immunity and safety.

Keywords Smallpox vaccine; Development; Smallpox virus (variola)

天花病毒是一种属于痘病毒科、正痘病毒属的DNA病毒，与它同属的共有14种，均为哺乳动物病毒，它们有着紧密的亲缘关系。此外，天花病毒颗粒大、结构复杂，使用精密度高一点的光学显微镜，就能看到其完整形体，这为天花病毒的分离和研究提供了便利。天花病毒可通过唾液飞沫在空气中传播，它也会通过体液和接触进行传播，发病期则长达2周甚至更久，在医疗卫生条件并不发达的古代，它的传播可谓防不胜防。据文献记载，天花病毒的致死率高的可达50%，低的也有10%以上。

在古代，由于天花引起的症状能造成全身严重的皮疹、脓包，如果患者侥幸存活下来，则脓包可以逐渐结痂，并最终在全身留下不规则圆形的疤痕。因皮疹和脓包其形似豆，就被称为痘。古代中国有多种疾病都能引起痘症，但直到明清时代的文献中，人们才能明确区分所记载的痘症是不是天花(王真行, 2003)。

国内外的研究者们先后研发了多种不同类型的天花疫苗，包括细胞培养的活病毒疫苗、复制型和复制缺陷型的减毒活疫苗、蛋白亚单位疫苗、DNA亚单位疫苗、载体亚单位疫苗等。相比传统疫苗，减毒活疫苗拥有更高的安全性，但是其免疫原性相对较低，目前，亚单位天花疫苗的研究仍处于起步阶段，需要进行更多和更深入的研究来验证其临床应用的可行性。

疫苗是目前人类预防传染病最经济有效的制品。扩大天花疫苗储备已成为全球性的需要，鉴于传统天花疫苗的安全性问题，需要开发更为安全有效的天花疫苗(关亮, 2007)。自18世纪天花疫苗诞生至今，疫苗研发经历了数百年的发展，随着反向疫苗学等技术的发展，疫苗研发迎来新的广阔发展前景。本综述简要介绍天花的由来以及天花疫苗的发展前景。

1天花的由来

天花起源于亚非旧大陆，地理大发现开始后，由欧洲殖民者相继传入美洲、澳洲，造成土著居民大量死亡，也使许多人脸上落下麻子。“天花”之祸，考古发现，古埃及法老拉美西斯五世(Ramesses V)木乃伊的脸部、脖子和肩膀上，都有患天花所造成的疤痕，这是人类历史上最早的天花病例，距今已经有3 000多年的历史。作为一种瘟疫，天花曾经给人们带来巨大的灾难。

天花是中国古代流传的一种烈性传染病，若干世纪以来，天花的广泛流行使人们惊恐颤栗，谈“花”色变。天花有“人人平等”的特点，其病原体天花病毒具有极强的传染性和繁殖能力，病人去世以后，病毒依然能存活数月之久，致使无论种族、地位、年龄、性别，只要是人，就都有可能感染天花。

感染天花病毒后的潜伏期平均约为12 d (7~17 d)。感染后的初期症状包括：高烧、疲累、头疼、心跳加速及背痛。2~3 d后，会有典型的天花红疹明显地分布在脸部、手臂和腿部(图1)。在发疹的初期，还会有淡红色的块状面积伴随疹子而出现。病灶在几天之后开始化脓，直到第2个星期开始结痂。接下来的3~4周慢慢发展成疥癣，然后慢慢剥落。天花是感染痘病毒引起的，患者在痊愈后脸上会留有麻子，“天花”由此得名。

2天花疫苗的发展

2.1传统天花疫苗-人痘接种

天花是一种古老的疾病，无论是从古籍典故中，还是考古学发现中，我们都已经发现了天花的踪迹。中国最早关于天花病情的明确记录是晋代著名医学家葛洪的著作《肘后救卒方》，书中记载：“比岁有病时行，乃发疮头面及身，须臾周匝，状如火创，皆带白浆，随决随生。不即治，剧者多死；治得差者，疮瘢紫黑，弥岁方灭，此恶毒之气”。这与现代医学对于天花临床表现的描述高度一致。

到明清时代，中国的人痘接种法逐渐成熟，常见的有三种方式：或将天花病变或结痂脓液放入健康儿童的鼻孔；或是给健康的孩子穿上被感染者穿着的衣服；或通过银管将来自患者病程晚期的干燥粉状的天花痂皮吹入鼻腔。人痘接种后的儿童，会在大约7 d内出现发热，但多数只是伴有轻症的天花病例的表现。通过这样一个人为感染的过程，可以防止孩子再次染上天花。

2.2初代天花疫苗-牛痘接种

“人痘”接种从现在的角度来看，说到底接种的还是具有活性的天花病毒，或者说是灭活不彻底的病毒，因此风险还是非常高的。很多人可能因为接种人痘而丧命，当时的人接受的比例也不是很高。而牛痘接种的出现彻底改变了这一种情况。牛痘的优势被证实得到确认后，很快替代了“人痘”，成为人类预防天花的第一选择。但当大面积接种时，牛痘的痘液作为一种疫苗而言却不够用了，为此人类不得不开始故意在牛、羊等动物身上故意接种病毒，使牲畜感染病毒后以收获更多的牛痘病毒。

随后疫苗的生产从农场和个体医生的领域转移到工业领域，采用了更精致，规模更大的生产方法，即对小牛、绵羊或水牛的表皮进行划痕接种，随后从含有脓液，血清和挤压淋巴液的皮肤刮屑中分离出病毒。到1950年代，已逐步变得更加系统化和规范化，通过用冻干制剂代替液体淋巴制剂疫苗以使疫苗更易于保存。

到20世纪后，人类普遍接种的用于预防天花的疫苗却已经不再是詹纳最初使用的牛痘病毒了，而是一种被称为痘苗病毒的近亲。这种病毒是正痘病毒科特有的一个种，而这种近亲既不是引起天花的病因,也不是引起牛痘的病因。正痘病毒的来源尚不清楚，人们推测或许是牛痘疫苗在接种的过程中和天花病毒发生了重组产生的，亦或是在其他动物的痘科病毒进行病毒培养时，病毒为适应新的宿主发生了变异。不管怎样，痘苗病毒像牛痘一样，提供了强大的针对天花的交叉保护免疫力(图2)。

2.3现代的天花疫苗

随着医学的进步，人们在研究过程中发现通过引导可以激活天花活病毒疫苗，所以就出现了亚单位疫苗，可以产生诱导保护性抗体，保护性抗体是通过诱导将蛋白抗原传到免疫系统中。当前亚单位的天花疫苗主要包含了蛋白亚单位、DNA和载体天花疫苗。近些年来此类新型的天花疫苗已经备受科学家的关注，其中的蛋白组织可以减少感染性抗原的数量，并将控制体内的病毒的传播。DNA蛋白疫苗是通过重组DNA质粒，比蛋白疫苗更具有多种优点。

载体疫苗是通过非致病性病毒或细菌的传播所需求的蛋白。蛋白疫苗和DNA疫苗要通过几次的注射才能起到保护性免疫作用，而载体疫苗只需1次即可达到免疫效果。新一代的天花疫苗不仅对特定的人们实现免疫效果，还能对注射过免疫疫苗的人们再次注射达到增加免疫力的作用。当前，此类疫苗只是处于临床前的研发阶段，预计在今后的几年至少有一种新一代的疫苗进人临床的试验。

天花是独一无二的，不仅体现在它是第一种人类使用免疫接种的方法控制的传染病，也是到目前为止我们通过自身努力消灭的一种人类传染病。无论从哪种角度来看，天花的疫苗接种将成为评估未来疫苗的基准，也是我们这个“疫苗简史”系列的起点(图3)。

3天花的消灭及其意义

天花疫苗在全球范围内的广泛接种大大降低了天花的发病率。1980年，世界卫生组织宣布已在全世界范围消灭了天花。到目前为止，全球尚无特效的方法治疗天花，接种疫苗(种痘)是预防和控制天花简便易行的有效措施。WHO天花病毒研究咨询委员会认为最好的天花防治措施是免疫，这一策略已在消灭计划中成功应用，但现行的天花疫苗可引起很多副反应。这表明，尽管现行疫苗有效，但仍需改进，尤其是对脆弱人群(免疫缺损, 高龄, 孕妇和患湿疹的儿童)的安全、有效免疫。

消灭天花是公共卫生的巨大成功，而它的成功的决定性因素是全球团结。在突发公共卫生事件面前，全球要比以往任何时候都更需要团结。消灭天花的成功经验提醒各国，当世界团结一致时，一切皆有可能。天花之所以能被成功消灭，主要依靠科技发明与进步。从人痘接种到牛痘接种，从只知其然到想知其所以然，一门新兴医学学科-免疫学逐步诞生。如果说人痘接种开启了人类经验免疫学大门，那么牛痘接种术掀开了经典免疫学新篇章，这些成就的取得，为近代免疫学和现代免疫学奠定了坚实基石(邓宇欣, 2021)。

4总结与展望

在人们渐渐淡忘天花这个上世纪曾爆发的流行病时，多地区发现的与天花类似的猴痘病以及恐怖分子企图利用炭疽等微生物作为生物武器的行径给人们再度敲响了警钟，恐怖分子也可能会通过各种途径，将经过改造的重组病毒作为生物武器，这种形势下，中国对于天花病毒的相关基因的了解是十分重要的，可为将来对该病毒进行基因检测作准备，防患于未然。

医疗事业的发展，让人类能够治愈大多数疾病，使人类减轻病痛的折磨，减少患病时间，使人类长期保持健康的状态，能够避免传染病带来的灭绝的危险。天花的消灭更是给我们的医学发展带来了经验，在遇到相似的病情时也不会显得手足无措(樊巍等, 2022)。

如今医学不仅只是一门自然科学，它也成为人类社会进步的标志之一。随着中国的医疗设置不断进步，法律的不断完善，中国有了卫生与健康领域第一部基础性、综合性的法律《中华人民共和国基本医疗卫生与健康促进法》。这部法律涵盖基本医疗卫生服务、医疗卫生机构和人员、药品供应保障、健康促进、资金保障等方面内容，用法律的形式体现“保基本、强基层、促健康”的理念。中国也不断体现了大国风范，按照“十四五”规划和2035年远景目标纲要，医药卫生体制改革的持续深化，人民群众“看病难、看病贵”问题加速破解，国家的政策会更加深入人心，会给人民群众带来了更多的便利。

作者贡献

王薇负责本综述初稿的相关文献资料查阅、整理和撰写；金玲飞参与讨论和论文的修改；金玲飞是本综述的负责人，指导论文写作与修改。两位作者都阅读并同意最终的文本。

致谢

本研究由诸暨市翠溪生物技术研究院《翠溪创新研发项目基金》资助。

参考文献

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