疫苗史上的科学方法

什么是科学方法？

科学方法是一种有纪律的、系统的方式来询问和回答有关物理世界的问题。尽管将科学方法视为一系列简单的步骤是有用的，但科学方法没有一个单一的模型可以应用于所有情况。相反，不同的科学研究需要不同的科学方法。然而，某些品质必须适用于科学方法的所有应用。

科学调查的一个重要品质是它必须试图回答一个问题。换句话说，调查不应该试图“证明”一个观点，而应该获得知识。另一个特点是，仔细、有控制的观察必须构成信息收集的基础。最后，科学调查的结果必须是可重复的：使用相同过程的其他研究人员必须观察到相同的结果。如果结果不可重复，则必须对原始结论提出质疑。

科学方法的步骤

我们今天所认为的科学“步骤”是随着时间的推移而发展起来的，它们可能会根据正在进行的调查类型而有所不同。不过，一般来说，这些步骤包括进行观察、形成假设（上面提到的“问题”）、进行测试和得出结论。

观察

科学调查通常从指向一个有趣的问题的观察开始。苏格兰生物学家亚历山大·弗莱明 （Alexander Fleming） 在 1920 年代提出了一个导致进一步调查的著名观察例子。离开实验室后，他回来开始清理一些玻璃板，他一直在玻璃板上生长某种细菌。他注意到一件奇怪的事情：其中一个盘子被霉菌污染了。奇怪的是，霉菌周围的区域看起来没有细菌生长。他的观察表明，可能存在因果关系：霉菌或霉菌产生的物质可能会阻止细菌生长。弗莱明的观察导致了一系列科学测试，从而产生了新的知识：青霉素可用于治疗细菌感染。

假设

假设是通过观察产生的建议或可能的解决方案。在亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）对霉菌抗生素特性的研究中，他的假设可能是“如果将某种霉菌的滤液引入细菌，细菌就会死亡。

好的假设有几个共同的品质。首先，他们通常从现有知识开始。也就是说，他们不会提出与我们关于世界如何运作的一般知识大相径庭的想法。此外，好的假设很简单，涉及一个问题和可能的解决方案。最后，好的假设是可检验的和“可证伪的”。也就是说，假设中提出的解决方案可以进行可观察的检验，通过检验，研究者有可能证明假设是错误的。上述与弗莱明对霉菌的研究有关的假设是可证伪的，因为细菌在霉菌滤液存在下的测试会推翻该假设，如果它不是真的。

测试

许多现代科学研究涉及对照组和实验组的测试。其他类型的研究可以通过建模或研究和数据分析来完成。但在本文中，我们将讨论通过实验完成的测试。

研究者对对照组进行实验，就像实验组一样。唯一的区别是研究者不会让对照组接受正在测试的单因素或干预措施。这个单一因素称为变量。对照组的存在是为了提供与实验组的有效比较。

例如，在测试弗莱明假设的实验中，科学家可以将霉菌滤液引入玻璃板上的细菌培养物中。这将是实验组。对照组将包含类似的细菌培养物，但不添加霉菌滤液。否则，两组将受到完全相同的条件的约束。两组之间的任何差异都源于变量，或者它们之间的单一差异：将霉菌滤液引入细菌培养物。

在科学方法的测试阶段，仔细观察和记录数据至关重要。未能准确测量、观察和记录可能会扭曲测试结果。

结论

科学方法的最后一步涉及分析和解释在测试阶段收集的数据。这使研究人员能够根据数据得出结论。一个好的结论会考虑收集到的所有数据，并将反映假设，无论它是否支持假设。

现在，我们将研究不同创新者在疫苗开发中使用的科学方法的各个方面。

爱德华·詹纳（Edward Jenner）：观察的重要性

爱德华·詹纳（Edward Jenner）于1749年出生于英国，是医学史上最著名的医生之一。詹纳检验了感染牛痘可以保护人免受天花感染的假设。自詹纳时代以来开发的所有疫苗都源于他的工作。

牛痘是牛的一种罕见疾病，通常是轻微的，可以通过牛乳房上的溃疡从牛传播给人类。相比之下，天花是人类的致命疾病。它杀死了大约30%的感染者。幸存者的脸上和身体的其他部位经常留下深深的凹陷疤痕，这些疤痕受这种病症的影响。天花是导致失明的主要原因。

据说詹纳对奶牛女工的观察很感兴趣。她告诉他：“我永远不会得天花，因为我得过牛痘。我永远不会有一张丑陋的麻子脸。许多其他乳品工人普遍认为，感染牛痘可以保护他们免受天花的侵害。

鉴于牛痘感染的保护作用是当地常识，为什么詹纳的参与很重要？詹纳决定系统地测试这一观察结果，这将为牛痘感染益处的实际应用奠定基础。

詹纳从挤奶女工手上的牛痘疮中抓到了一些材料，进入了詹纳园丁的儿子八岁的詹姆斯·菲普斯（James Phipps）的手臂上。年轻的菲普斯有几天感觉很糟糕，但完全康复了。

不久之后，詹纳从菲普斯的手臂上刮下了新鲜的人类天花疮，使他患上了天花。然而，菲普斯并没有感染天花。詹纳在其他人身上测试了他的想法，并发表了一份关于他的发现的报告。

我们现在知道，引起牛痘的病毒属于正痘病毒家族。正痘病毒还包括天花病毒，即引起天花的病毒。

詹纳的天花疫苗接种方法越来越受欢迎，并最终传播到全球。詹纳于1823年去世约150年后，天花将进行最后的喘息。世界卫生组织最终宣布，经过大规模的监测和疫苗接种计划，天花将于1980年从地球上根除。

詹纳的科学方法的解释如下：

• 观察： 患过牛痘的人不会患上天花。
• 假设：如果一个人故意感染了牛痘，那么这个人在有目的地接触天花后将受到保护，不会生病。
• 测试：用牛痘感染人。然后尝试用天花感染这个人。（请注意，詹纳在他的实验中没有使用对照组。
• 结论：感染牛痘可以防止感染天花。

詹纳重复了几次他的实验，得到了相同的结果。其他科学家也做了同样的事情，并得到了相同的结果。詹纳以应用科学方法来建立预防天花的方法而闻名。

罗伯特·科赫（Robert Koch）：确定疾病原因的步骤

罗伯特·科赫（Robert Koch，1843-1910）是一位德国医生，他帮助将细菌学确立为一门科学。科赫在鉴定引起炭疽、霍乱和结核病的细菌方面取得了重要发现，当时对微生物的理解刚刚兴起。

科赫和他的同事弗里德里希·洛夫勒（Friedrich Loeffler）开发了一种识别致病因子的方法。今天的科学家在试图确定传染病的原因时遵循这些基本原则，我们现在称之为科赫假设。科赫的假设是基于仔细的观察和可重复性。

1. 微生物存在于每种疾病病例中。
2. 微生物可以从宿主中取出并独立生长。
3. 该病可以通过将微生物的纯培养物引入健康的实验宿主中来产生。
4. 可以在步骤3中从感染的宿主中分离和鉴定微生物。

*第 3 步的一个例外是，有些人可能感染了致病微生物，但没有表现出疾病的迹象。这些被称为无症状携带者。

Pearl Kendrick：使用谨慎的控制

在 1930 年代，密歇根州卫生部的 Pearl Kendrick 开发了一种百日咳（百日咳）疫苗，她希望这种疫苗比以前的疫苗更有效。显示疫苗有效性的一个重要部分涉及未接种疫苗的儿童对照组。这在当时是一项创新，但肯德里克知道，如果疫苗被证明有效，有一个对照组将增加她的发现的分量。对照组的百日咳发病率将使肯德里克能够轻松证明她的疫苗是否可以降低实验组的发病率。

肯德里克（Kendrick）将儿童分配到她的百日咳实验组，如果他们来到诊所寻求百日咳疫苗接种。对于对照组，她从市卫生部门保存的未接种疫苗儿童名单中随机发现了儿童。我们今天在肯德里克的实验设计中看到的一个错误是，在将儿童分配到实验组或对照组时缺乏随机化。随机化是一种仅使用机会将受试者分配到对照组或实验组的方法。研究人员使用随机化是因为它有助于确保两组之间的差异不会影响实验结果。如果肯德里克有随机分配，她会尽量减少接种疫苗组和她仅观察的组之间的差异。

尽管存在这一缺点，但肯德里克的试验有助于为未来的疫苗试验建立规范和期望，并清楚地表明了她的疫苗的功效。

乔纳斯·索尔克（Jonas Salk）：一项双盲随机试验

1954年乔纳斯·索尔克（Jonas Salk）的灭活脊髓灰质炎病毒疫苗（IPV）的现场试验是使用科学方法测试疫苗的另一个重要里程碑。该试验招募了许多受试者（总共 130 万名儿童），这是有史以来规模最大的医学现场试验。

索尔克试验是一项精心设计的双盲随机实验。这意味着，首先，儿童被随机分配到对照组或实验组。“双盲”意味着没有人——无论是孩子、父母、注射者，还是评估孩子健康状况的人——都不知道单个儿童是接种了脊髓灰质炎疫苗还是安慰剂注射。（安慰剂是一种非活性物质。在这种情况下，安慰剂是盐水溶液。关于儿童是否接种了疫苗或安慰剂的信息被编码在从中取出注射材料的小瓶上，并与儿童的记录相关联。只有在观察期结束并记录结果后——孩子在观察期间是否患上了小儿麻痹症？——孩子的实验或对照状态才被揭示出来？

当局在整个脊髓灰质炎疫苗试验中没有达到双盲、随机标准。在一些社区，官员反对注射安慰剂，因此对照组的儿童只是被观察脊髓灰质炎的迹象。这些组被称为观察对照组。该研究的一些设计者担心观察到的对照组和实验组之间的差异可能会影响结果。例如，观察到的对照组包括父母不同意接种疫苗的儿童。父母不同意的孩子和父母不同意的孩子之间是否存在重要的差异，例如收入、住房或父母年龄？这些差异是否会影响儿童是否已经接触过脊髓灰质炎并对脊髓灰质炎产生免疫力？

索尔克疫苗试验成功表明，该疫苗有助于预防麻痹性脊髓灰质炎，疫苗的许可很快随之而来。这种曾经使数千名儿童瘫痪的疾病现已在西半球被消灭。

结论

疫苗研究的科学方法的历史导致了今天精心监管的疫苗开发过程。多年来，疫苗研究的标准越来越严格，以使对照组和疫苗组尽可能相似。控制、盲法和随机化原则在疫苗测试方式中起着关键作用。有关详细信息，请参阅文章疫苗开发、测试和监管.

来源

哈佛大学图书馆开放馆藏计划。传染：疾病和流行病的历史观点.2018年1月17日访问。

肯德里克，P.，埃尔德林，G.一项针对百日咳的主动免疫研究。美国卫生杂志 29：133-153。

马克斯，HM1954 年索尔克脊髓灰质炎疫苗现场试验。 临床试验。2011年4月;8(2):224-34.2018年1月17日访问。

马克斯，HMKendrick-Eldering-（Frost） 百日咳疫苗田间试验.詹姆斯·林德图书馆。2006. 2018 年 1 月 17 日访问。

Oshinsky， D.M. 脊髓灰质炎：一个美国故事。纽约：牛津大学出版社，2005 年。

亚历山大·弗莱明爵士：问题与解答.Nobelprize.org。2018年1月17日访问。

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