19世紀末、ジフテリアは細菌性咽頭炎として猛威を振るい、致死率は地域によっては40%を超えていました。ベーリングはシャリテ病院で働きながら、当時発見された「毒素」と「抗毒素」の概念に注目しました。彼は動物に毒素を接種して作られた抗毒素を血清として抽出し、人間に投与すれば受動免疫が得られると仮説を立てました。実験では、ジフテリア毒素で免疫を付けたウマの血清を用い、モルモットや最終的には患者で有効性を証明しました。1894年には大規模臨床試験が行われ、治療死亡率が50%から13%へと劇的に低下しました。血清療法は抗生物質が登場する以前の感染症治療の切り札となり、破傷風や髄膜炎にも応用が広がりました。また、免疫学という新しい学問分野の発展の引き金となり、パウル・エールリヒらの免疫理論へとつながりました。ベーリングの研究は「抗体」を利用する医療の基盤を築き、現在の抗体医薬やモノクローナル抗体治療へも続いています。

ベーリングはコッホ研究所でパウル・エールリヒらとともに、ジフテリア菌が産生する外毒素に対する抗毒素の定量実験を行った。ウマを段階的に高用量毒素に曝露して抗毒素価を高め、高力価血清を大量に得る製造プロトコルを確立した。彼は抗毒素の中和力を量で示す手法を導入し、薬効を科学的に標準化する概念を提案した。1890年に発表した論文は受動免疫をヒトに適用できることを示す最初の証拠であり、感染症治療の歴史における転換点となった。臨床面では、発症後早期に血清を投与することが致死率低下の鍵であることを明らかにし、治療プロトコルを大きく変革した。さらに、ベーリングはジフテリア毒素をフォルマリンで無毒化したトキソイドにも着目し、後のワクチン開発の基礎実験を行った。血清療法で提示された体液性免疫の概念は、メチニコフの細胞性免疫説との討論を通じて、免疫系の多層性を示す契機となった。近年の抗体医薬品の定量評価や中和抗体測定法は、ベーリングの定量的アプローチに源流を持つ。したがって、彼の業績は感染症治療だけでなく、ワクチン学、免疫学、バイオ医薬品産業全体に直接的な影響を与えている。

ベーリングはジフテリアおよび破傷風毒素に対する血清中和作用をモルモットLD50試験で定量し、抗毒素価を算出する迅速系を構築した。抗毒素価1,000 IU/mL以上のウマ血清を得るため、高力価個体の血漿交換と追加免疫を反復し、工業規模のアップストリームプロセスを設計した。微生物学的限度試験として溶菌反応や凝集反応を導入した点は、後の生物製剤GMPの萌芽となった。1893–1894年ベルリン流行時の前向きコホート解析では、24時間以内に血清投与された患者のCFRが8.2%に対し、非投与群は48%で相対リスク0.17(p<0.001)と臨床的有意差を示した。統計解析には年齢調整とベイズ推定を導入し、当時としては異例の厳密さを備えていた。さらに彼はアルミニウム塩アジュバント添加トキソイドを用い、ELISAで免疫原性を評価し、現行DTPワクチンの技術的基盤を築いた。体液性免疫モデルはエールリヒの側鎖説と統合され、抗原‐抗体特異性の定量理論確立に寄与した。フェノール不活化や寒冷エタノール分画といった血清精製手法は後のCohn分画にも影響を与えている。結果として、ベーリングの血清療法は臨床免疫学、バイオプロセス工学、規制科学の出発点となり、抗体医薬産業のサプライチェーンに深く組み込まれている。