DNA疫苗對抗“絕癥”

1990年，研究人員在做小鼠基因治療試驗時偶然發現，將編碼基因的質粒DNA直接注射到小鼠肌肉細胞內，能在小鼠體內表達抗原并誘導機體產生免疫應答。這一發現，以DNA為疫苗的想法開始受到關注。這類疫苗的優點顯而易見構成簡單，疫苗的核心組件是精心設計的質粒，攜帶有編碼一種或多種病原蛋白的基因。接種后，這些質粒能讓機體細胞合成病毒蛋白，但由于質粒中只含有病原體的部分基因，因此不會產生完整的病原體。

當質粒進入一個宿主細胞，這個過程叫做轉染。負責解碼DNA的細胞機器就開始讀取質粒中的基因信息，合成相應的蛋白質。這些蛋白最終會從細胞中游離出來，就像病毒顆粒完成復制后，從宿主細胞中鉆出來一樣。在細胞外，免疫細胞會把病原蛋白視作外來物質，讓免疫系統誤認為機體已受到感染，發起針對外源蛋白的長期性免疫識別和應答。這樣，僅需注射一種攜帶了一個病原基因的環狀DNA，就能誘導機體產生保護性免疫應答，對抗完整的病原體。

初戰未捷

2000年，兩種頗具前景的新型疫苗展開了一次正面交鋒。研究人員希望通過試驗，確定哪種疫苗能讓人體產生最強抵抗力，抵御地球上最致命的病毒HIv(艾滋病病毒)的侵襲。一種就是第一代DNA疫苗，另一種則是以某種腺病毒為載體，攜帶一種編碼HlV蛋白的基因。這次試驗讓對第一代DNA疫苗信心滿滿的擁護者深受打擊：DNA疫苗接種者對5種HlV蛋白產生的免疫應答非常微弱。但接種腺病毒疫苗后，機體卻產生了強烈的免疫反應。DNA疫苗優點雖多，卻不能誘發有效的免疫反應。顯然，以腺病毒為載體的HIV疫苗更勝一籌。

不過，接下來的實驗。腺病毒疫苗困難重重。2007年，為測試一種HIV疫苗的效果，德國開展了一項大型臨床試驗。該疫苗以腺病毒一種常見的感冒病毒為載體，向人體輸送HIV病毒基因。初期試驗的結果曾顯示，腺病毒能引發強烈的免疫應答，因此從一開始，這項試驗就被寄予厚望。約3000名HIV檢測呈陰性的志愿者參加了試驗，接受腺病毒疫苗或安慰劑注射。隨著試驗不斷深入，兩組志愿者表現出令人費解的差異與注射安慰劑的對照組相比，注射疫苗的試驗組并未對HIV產生更強的抵抗力，最終結果反而表明，試驗組的受試者更容易感染HIV。數據統計顯示，在試驗組的914名男性中，后來有49名HIV檢測呈陽性，而在對照組的922名男性中，呈陽性的僅有33位。問題發生后，該試驗于2009年夏季被迫中止。雖然，迄今為止科學家仍在分析試驗數據，至于試驗組的志愿者為何更易感染HIV，原因仍不清楚。

改進DNA疫苗

腺病毒疫苗實驗的失敗，無疑給DNA疫苗帶來了無限生機。對DNA疫苗潛力充滿信心的科學家一直在努力研究解決方案，以消除第一代DNA疫苗身上的“痼疾”。他們的研究重點是全面增強質粒的活性，比如開發新技術，幫助質粒進入細胞；質粒進入細胞后，使用新方法提高病毒蛋白的合成量：尋找疫苗佐劑，加強免疫系統對病毒蛋白的免疫反應。如果發展成熟，DNA疫苗和相關療法就將因為征服現有數種絕癥而名垂青史。

目前，最重要的成果是找到了新的疫苗接種方法，能讓質粒進入更多的細胞，甚至包括免疫細胞。透皮貼劑、基因槍、生物噴射器(用壓縮空氣注射疫苗)等無針接種系統能把質粒送入免疫哨兵高度集中的皮膚組織。而且從物理學角度來看，無針接種迫使質粒進入細胞的數量，也比針刺接種多。如果要使針刺皮膚或肌肉的疫苗接種方式具有類似的效果，可在注射后使用電穿孔技術——施加一系列電脈沖，使細胞膜出現瞬時性孔洞，讓質粒更容易進入細胞。在這種條件下，質粒進入細胞的數量將會提高1000倍。

通過數種方式微調質粒攜帶的基因序列，科學家也對質粒的基因結構進行了改進。天然蛋白質中的每個氨基酸都由密碼子來編碼，每個密碼子都由3個DNA堿基構成。雖然有些氨基酸對應著多個密碼子(編碼同一個氨基酸的密碼子叫做同義密碼子)，但通常情況下，細胞更喜歡使用其中的一個來編碼氨基酸，而且在合成蛋白時，該密碼子的翻譯效率耍比其他密碼子高。因此，在構建質粒時優先使用細胞的“偏好密碼子”，就能增加病原蛋白的合成量。對基因序列的其他調整還可提高轉錄產物信使RNA的穩定性和準確性，加速蛋白質的合成。因為信使RNA才是蛋白質合成過程的直接“指揮者”。蛋白質合成過程中，細胞會首先翻譯每個基因開頭附近的先導序列，制造出蛋白分子的起始部分，對先導序列進行優化能使最終的蛋白產物更穩定。某些先導序列甚至能給蛋白分子打上“標簽”，使之成為分泌蛋白，這樣的序列正是我們所需要的，因為由此形成的蛋白產物不管是在轉染細胞內還是細胞外，免疫細胞都能遇上。蛋白質在細胞內外引發的免疫反應類型稍有不同，而兩種反應的疊加則能從總體上增強疫苗產生的免疫力。

最后一個重大改進與佐劑有關。在制造傳統疫苗時，研究人員通常會加入佐劑，用以增強免疫反應。有時，人們甚至可以根據需要，用佐劑來操控免疫系統，改變免疫反應的類型。比如可以讓免疫系統產生更多T細胞，識別和殺死被病原體感染的人體細胞，而無需大量分泌用于阻止病原體入侵細胞的抗體。有研究表明，在化學物質的作用下，一種預防流感的DNA疫苗引起的抗體反應增強了200倍。另一種佐劑與某些DNA疫苗一起使用時，能使機體同時產生強烈的T細胞和抗體反應。

在向成品疫苗添加佐劑時，研究人員有時會擔心能否使疫苗始終保持在恰當的乳化狀態，或者疫苗成分是否穩定。DNA疫苗則不會引起這樣的擔心，研究人員可以在質粒中直接插入編碼佐劑的基因，細胞攝入這種質粒后，就可同時合成佐劑和病原蛋白——這是DNA疫苗讓人心動的又一大優點。如果DNA疫苗含有編碼佐劑的基因，即使質粒上的基因序列此前已經優化過，最后合成出的佐劑仍能使免疫反應至少再增強5倍。

現在的DNA疫苗設計與多年前僅會編碼病毒蛋白的質粒相比，可謂天壤之別。隨著質粒的優化和接種方法的改進，DNA疫苗已經準備好東山再起。而且，除了用于疫苗接種，構建DNA疫苗的技術在其他醫學領域也開始嶄露頭角，比如用質粒輸送藥物和介導針對腫瘤的免疫療法等。

應用不再遙遠

一些DNA療法已獲準用于治療動物疾病，而更多的療法已處于人體試驗階段。將基因安全地送入細胞，使之高效合成基因編碼的蛋白——這種技術的出現，將讓很多潛在療法應運而生。實際上，在通向臨床應用的道路上，不少基于DNA療法的步伐都已領先于DNA疫苗。與傳統藥物不同，DNA療法不會向人體輸送化學小分子，而是通過傳遞基因來治療疾病。這種療法也不同于傳統的基因療法，因為質粒不會永久整合到接種者的細胞基因組上，甚至不會一直存在于細胞內，這就避免了并發癥的發生。基因療法的發展一直停滯不前，就是因為受到并發癥的困擾。

與很多新型醫療技術一樣，獸醫學上的應用研究再一次走在了人類相關研究的前面。目前，有一種療法已經獲得批準，用于預防母豬流產。注射質粒后，研究人員會立即使用電穿孔技術，使質粒盡可能多地進入懷孕母豬的細胞，再由細胞合成生長激素釋放激素，提高母豬胎兒的成活率。由于只需注射一次，質粒就能在母豬這樣的大型動物體內發揮作用，這種療法的成功的確讓人興奮，這也預示著DNA療法同樣可用于治療人類疾病。

很多用于人類的DNA療法現已進八臨床試驗階段，比如向人體輸送編碼某些生長因子的基因，以調動干細胞治療充血性心力衰竭；在質粒上插入編碼I型胰島素樣生長因子的基因來治療I型糖尿病：還有一種療法針對的是一種血液循環障礙——肢體缺血，這是醫學界的一大難題，利用質粒輸送某些生物因子的基因，可以促進新血管的形成，有望幫助患者逃過截肢之難。在一項早期試驗中，研究人員利用編碼病毒蛋白的DNA，促使免疫細胞攻擊人乳頭瘤病毒導致的腫瘤。初步結果顯示，一半以上的接種者體內都產生了針對人乳頭瘤病毒蛋白的T細胞反應，體內存在高濃度抗體的接種者更是超過90％。另一項還在進行的臨床試驗則在嘗試用一種DNA免疫療法對抗丙型肝炎病毒。兩項試驗的初步結果令人鼓舞，意義重大。因為到目前為止，世界上還沒有方法能治療丙型肝炎和HPV導致的腫瘤。過去10年來，這一領域出現的重大進展還催生了一些極具創新性的疫苗和藥物，圍繞著它們展開的臨床試驗將讓人類受益匪淺。

Q：如何解釋“每個星期都有春夏秋冬”?

——湖北省桃仙中學余丹

A：之所以說每個星期也有類似的“春、夏、秋、冬”的“四季”，是因為科學家發現：星期一氣溫開始上升，猶如“春暖”；星期三上升至最暖和，好比“盛夏”；星期四氣溫開始下降，轉為“秋涼”；到了星期六降至低點，而星期天則是“最冷的一天”，不妨稱之為“寒冬”。

一星期中的這種氣溫變化周期，其實是人類自身活動量直接影響氣溫的結果。在工作的一周里，全世界大多數地區的工業活動到周末時都有所減緩。另外，供人們上下班的班車流量也有所減少，所以到了周末，就感覺較涼快。

科學早已發現：人類在生產和生活活動中產生的熱量可以和從太陽得到的熱量相比。比如，在有些工業發達的特大城市或某些市區內，人類活動釋放的熱量已達到了太陽輻射熱量的3～6倍，甚至還要多。這就是住在城市市區的人們覺得氣溫比郊區高的原因之一。

Q：人體為什么出現生物鐘?

——浙江省平湖中學佟妮

A：當我們每天都需要在某一特定時間醒來，開始幾天可能必須借助于鬧鐘，可時間長了，即使沒有鬧鐘，我們也能在那個時刻醒來。這說明，人體內部有一種類似鬧鐘的機構，它不依賴外部條件自行運轉，指揮人體的正常生理活動。哈佛大學的神經生物學家已確定，生物鐘位于大腦的后部，由特殊的細胞組成。

人體為什么會出現生物鐘?有人提出了進化學說，這種學說認為，人類之所以會有生物節律，是因為生存的需要。人類只有在生理上、行為上適應了環境的節律，才能得以生存。而另一些人認為，人體的生物節律是外源性原因決定的。也就是說，控制生命節律現象的動因，是某些復雜的宇宙信息。此前不久，日本科學家有一個新發現：人類生物鐘的周期是24小時18分鐘，也就是說，人類生物鐘每天比時鐘慢18分鐘。

既然如此，生物鐘與時鐘這種不同步現象會不會累積起來，最終打亂人們的生活規律，從而讓人們醒來的時間一天比一天晚呢?研究者人為，光線會通過影響體內激素水平和體溫等多種因素，從而不斷地調整生物鐘。

Q：魚兒在水里睡覺會不會沉到水底?

——蘇州市振華中學白宇翔

A：魚兒沒有眼瞼，所以不能閉上眼睛，這使得它們看上去像從來不睡覺似的。大部分魚兒在睡覺時，都是在水中保持不動的寧靜狀態。至于魚兒睡著了會不會沉到水下，我們大可不必擔心。因為大多數睡覺時保持靜止的魚兒都有一個自帶的生物體“游泳圈”，那就是魚鰾。魚鰾使得魚兒能夠懸浮在水中，不會沉下水底。

不過這里有一個異類，那就是鯊魚。鯊魚是軟骨魚，肚子里沒有魚鰾，是魚類家族中較原始的類群，它們靠腮呼吸，需要有水流不斷通過。所以它們一生都必須不停地游動，只有這樣，才能保持身體平衡，腮里面才能有水流通過，從而吸到足夠的氧氣。如果累了，想停下來睡幾分鐘，那是萬萬不行的。因為它們一旦停下來，嘴巴和腮孔內的肌肉就要罷工，它們就會被憋死。而且，鯊魚的身體密度大于水，它們還會沉到水底下去!

迄今為止，海洋生物學家對于鯊魚究竟會不會睡覺的問題，一直沒有定論。但他們多數相信，鯊魚會有一個相對活動量較小的時間，然后會啟動某種類似“自動駕駛”的功能來保持平衡和呼吸，這大概就算是睡覺吧!它們可能是邊“睡”邊游的。

Q：節能燈的形狀為什么那么怪異?

——無錫市天一中學黃箏

A：現在，在燈具的選擇上，人們越來越傾心于節能型的。不過，相對于傳統的球形燈泡，節能燈的形狀多樣，除了常見的直管狀外，還有u型、雙u型、螺旋型等。

采用什么樣的外形對于傳統的燈泡來說關系不大，但對于節能燈就截然不同了。因為不同的外形決定著節能燈的亮度，而衡量節能多少最直接的標準是消耗相同功率下，節能燈亮度的高低。

傳統燈泡的亮度取決于其功率的大小，通常情況下，功率越大的燈泡，亮度越大。節能燈屬于熒光燈的一種，其發光原理和日光燈較為接近，都是通過紫外線激發燈管內壁的熒光粉涂層來達到發光的目的。因此。對于節能燈而言，除了功率外，燈管內壁的熒光粉量更是決定其發光量的主要因素。其數量越大，燈管的發光量也就越大，燈也就越亮。增加熒光粉數量最直接的辦法，就是增加涂層厚度。但是，太厚的涂層會反過來吸收可見光，造成轉換率下降，因此，涂層的厚度都被控制在一個合理的范圍內。

在厚度相對固定的前提下，要增加熒光粉的數量，就要增加燈管內壁的表面積。內壁面積隨著燈管體積的增加而增大，而受家居環境的影響，燈管尺寸不可能設計得無限大。因此，在體積一定的前提下，螺旋狀或u型管提供的內壁面積顯然要大于球狀或直管形狀。而螺旋形狀的燈管表面積又大于u型管，所以，常見的節能燈中，以螺旋型居多。

Q：怎樣科學用腦?

——徐州市潘塘中學 田曉寧

A：我們在學習時，大腦皮層興奮區域的代謝逐漸加強，血流量和耗氧量都在增加。這時，由于大腦皮層的機能恢復過程大于消耗過程，使得大腦的工作能力逐漸提高。但如果學習時間過長，大腦皮層的機能消耗就不斷增加。當損耗過程超過恢復過程時，就會出現疲勞，學習效果自然會逐漸下降。

疲勞是引起大腦皮層抑制的重要原因，它所引起的抑制對大腦皮層雖有保護作用，但是疲勞時工作的協調過程被破壞，感覺器官活動性下降。所以，學習時不要過于疲勞，要注意休息，學會科學用腦。

要做到科學用腦，就必須合理安排學習。學習時，可選擇不同學科輪換，這樣可避免大腦某一區域單一地、長時間地工作。學習時采用多種方式，如朗讀、默想、記憶、書寫交替輪換。學習時，如果只采用一種方式，時間稍長，就容易產生疲倦。另外，要注意室內通風換氣，以保證供給大腦足夠的氧氣。據計算，大腦的耗氧量要占全身耗氧量的25％～50％。長時間用腦，由于腦內氧氣及血液供應不足，大腦過于疲勞，學習效率會明顯下降。其次，為了保證腦的功能，還應當從飲食結構上給以補助，以增加腦的能量。如適當多攝入些豆制品、蛋白、魚、精肉等，都可以達到這一目的。

科學用腦是一個系統工程，休息、睡眠、運動、營養等各方面均需照顧到，不能遺漏。