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文章阅读:拯救生命的伟大发现 --纪念胰岛素发现一百周年
[同主题阅读] [版面: 生物学] [作者:Northview] , 2021年03月08日09:47:28
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发信人: Northview (北方), 信区: Biology
标  题: 拯救生命的伟大发现 --纪念胰岛素发现一百周年
发信站: BBS 未名空间站 (Mon Mar  8 09:47:28 2021, 美东)

      截至2019年,全世界大约有4.7亿人患有糖尿病,其中中国有大约1.12亿,美国
有大约0
.31亿;全世界另有约2.32亿糖尿病患者未获诊断,其中中国约0.65亿,美国约0.38亿
(1)。全世界每年约160万人直接死于糖尿病(2),全世界每年糖尿病医疗支出约7,600
亿美元(3)。糖尿病既是巨大的健康威胁,也是巨大的经济负担。
      糖尿病是因胰岛素(insulin)分泌相对或绝对不足或胰岛素敏感性下降而引起的
以高血糖为主要临床症状的一类疾病的总称。长时期的慢性高血糖可导致多重器官的损
伤甚至功能丧失,如神经、血管、眼、肾、心脏等;糖尿病重症患者如不能得到有效救
治会有严重后果,如失明、截肢、肾衰竭、心脑血管病变或酮酸中毒性猝死,等。糖尿
病病因复杂,但病理核心是胰岛素。人胰脏的胰岛组织合成前胰岛素原,经过加工成为
前胰岛素,最后加工成为成熟胰岛素分泌进入循环系统。胰岛素是一个由51个氨基酸构
成的小分子蛋白质,A、B两条肽链由两对二硫键连接形成具有生理功能的高级结构。胰
岛素的最主要生理功能是促进各组织器官对葡萄糖的吸收和利用,从而保持身体的能量
供应和血糖稳定。糖尿病患者由于不能合成分泌胰岛素(1型糖尿病)或者不能合成分
泌足够的胰岛素以及胰岛素敏感性下降(2型糖尿病),必须使用外源胰岛素以减缓症
状、维持生命。大约百分之四十的2型糖尿病患者不同程度地(每天1次或多次)使用胰
岛素,百分之百的1型糖尿病患者则完全依赖胰岛素(每天多次);全世界目前有超过2
亿人每天1次或多次使用胰岛素(4)。胰岛素拯救了无数人的生命,改善了无数糖尿病
患者的生活质量;胰岛素的发现是20世纪最伟大的发现之一。今年是胰岛素发现100周
年,仅以此文纪念在发现胰岛素这一里程碑式的工作中作出杰出贡献的科学家。

糖尿病的早期工作

      糖尿病的英文表达是Diabetes mellitus,其中diabetes来自于希腊语,意思是“
通过”或者“吸走”;mellitus来自于拉丁语,意思是“蜜”或“甜”。人类第一次用
diabetes这个字来描述糖尿病大约在公元前250年,意思是病人被一种未知的力量吸走
太多的水分或体液。从那时起在将近两千年的时间里,大量的病例显示该病的症状包括
口渴、嗜水、嗜食、消瘦等,但对该病的病因没有进一步的认识,对该病的治疗也没有
找到有效的办法。1670年,英国医生托马斯·威利斯(Thomas Willis)首次注意到该
病患者的尿液有甜味,于是在描述该病时在diabetes后面加上mellitus,从此糖尿病开
始被称为“Diabetes mellitus”(5)。1776年,英国医生马修·道博森(Matthew
Dobson)通过实验证实糖尿病人的尿液和血液之所以有甜味是因为含有较高浓度的糖;
他还观察到有的糖尿病人发病后可以在几周之内死亡,而另一些病人则表现为慢性状态
,这实际上是人类对1型糖尿病和2型糖尿病的差别的最初认识(6)。1797年,苏格兰医
生约翰·罗拉(John Rollo)首次用高蛋白、高脂肪、低碳水化合物饮食使糖尿病患者
的病情得到控制,加深了人们对该病本质的理解(7)。1815年,法国化学家迈克尔·尤
金·沙威鲁尔(Michel Eugene Chevreul)首次证实糖尿病患者尿液中的糖类物质是葡
萄糖,自此将尿液中是否含有葡萄糖被作为糖尿病的诊断标准(8)。1869年,德国柏林
病理研究所的博士研究生保罗·朗格汉斯(Paul Langerhans)首次发现胰岛及胰岛细
胞,为揭示糖尿病的本质奠定了基础(9)。1889年,波兰籍德国医生奥斯卡·名可夫斯
基(Oscar Minkowski)在研究胰腺的消化功能时,偶然发现摘除了胰脏的狗的尿液中
含有大量的葡萄糖,这是人类第一次获得胰腺和糖尿病相关联的有力证据(10)。1916年
,罗马尼亚布加勒斯特医药大学教授尼古拉·帕乌勒斯库(Nicolae Paulescu)用健康
狗的胰脏制取了一种水溶性制剂,将此制剂注射给患糖尿病的狗,病狗的糖尿病得到一
定控制,这是胰岛素发现之前人类最接近发现它的一次试尝,但遗憾的是未引起足够的
注意(11)。但不管怎样,随着越来越多的证据显示胰岛合成和分泌的某种物质能够维持
身体的正常糖代谢,从上世纪二十年代开始人们便试图找到这种物质。

胰岛素的发现

      跟任何重大科学发现都是传承和协作的结果一样,胰岛素的发现也是团体智慧的结
晶,也是建立在无数前人工作的基础之上的。在众多为胰岛素发现作出贡献的科学家当
中,需要特别提到的,是一位加拿大西安大略大学的年轻医生。
      1891年11月14日,一个男孩在加拿大多伦多附近小城阿里斯顿出生。当时没有人知
道,这个孩子30年后发现了胰岛素,从而彻底改写了糖尿病为不治之症的历史。这个孩
子就是弗雷德里克·格兰特·班廷(Frederick Grant Banting)。班廷是家里五个孩
子中最小的,他的父母在阿里斯顿经营农场。班廷在阿里斯顿度过了无忧无虑的童年和
少年,1910年19岁时高中毕业,进入多伦多大(University of Toronto)维多利亚学
院攻读艺术专业。由于对所学专业不感兴趣,班廷于1912年转入多伦多大学医学院学习
医学。1916年班廷大学毕业,随即加入加拿大陆军,作为军医前往欧洲参加第一次世界
大战。班廷在欧洲战场度过了三年多时光,参加过英国和法国战场的对德作战,几次负
伤。因为在战场上的英勇表现,班廷于1919年被授予军事十字勋章。战争结束后班廷回
到加拿大,在离家乡不远的小城伦敦当医生,不久前往多伦多,做儿童医院住院外科医
生。1921年班廷回到小城伦敦,受聘于西安大略大学(University of West Ontario)
做兼职教师,教授骨科学。
      二十世纪初以来,糖尿病病理机制的研究正受到世界各国科学家的关注和重视。越
来越多的证据表明胰腺的某种病变导致糖尿病,胰腺合成分泌的某种物质可能治疗糖尿
病,英国生理学家爱德华·斯卡佛尔(Edward Schafer)(1850-1935,内分泌学奠基
人,“endocrinology”一词发明人)首次使用胰岛素(insulin)一词来描述这种尚未
被发现的物质(12)。为了找到胰岛素,1919-1920年期间,英国、法国、德国、美国等
科学家尝试各种办法试图从狗的胰腺中提取胰岛素,但均未成功。找到胰岛素并证明它
的作用,是当时医学领域的紧迫课题。
      班廷一直密切关注这些进展。他相信胰岛素的存在,并且很可能就存在于胰腺或者
胰岛里面,一直未能找到是因为提取方法不对。他根据自己的外科学知识提出以下假说
:胰岛素存在于胰岛细胞中,是一种蛋白质,能够控制血糖,但会被胰腺分泌并经胰导
管流出的消化液破坏,因此难以直接从完整的胰脏中分离得到。班廷设计了一个实验,
即先将健康狗的胰导管结扎,等到除了胰岛以外整个胰腺都萎缩并失去功能以后,摘取
胰腺,从中提取蛋白质。班廷所在的西安大略大学那时还没有条件完成这个实验,于是
班廷于1921年初夏来到他的母校多伦多大学,请求生理学教授约翰·麦克罗德(John
Macleod)给予帮助。麦克罗德答应了班廷的请求,同意他使用自己的实验室,并给班
廷配备了两名大学生作为其助手,同时提供了10条狗做实验之用,然后他自己就到苏格
兰度假去了。这两名学生助手一个是查尔斯·百思特(Charles Best),另一个是克拉
克·诺贝尔(Clark Nobel),但实际上诺贝尔很快就离开了,没有参与很多工作,而
百思特从头至尾一直协助班廷直至全部工作完成。从5月初开始,他们首先将健康狗的
胰导管结扎,8个星期后,摘取除了胰岛组织以外都已萎缩的胰腺,从中提取他们期待
的蛋白质。1921年7月27日,他们把从萎缩胰腺获得的提取物注射给糖尿病狗,注射两
个小时后测定狗的血糖,发现糖尿病狗的血糖显著下降,科学史上一项伟大发现的序幕
由此拉开。
      1921年秋天麦克罗德结束在欧洲的休假返回多伦多大学,班廷和百思特向他汇报了
实验结果。在麦克罗德的主持下,又进行了几轮重复实验,均获得相似结果。为了对提
取物进行纯化,麦克罗德又邀请了加拿大埃德蒙顿大学(University of Edmonton)生
物化学教授詹姆斯·克里普(James Collip)参加此项工作。在此后的几个月中,从狗
和牛胰岛中提取的活性胰岛素的纯度获得显著提高,将胰岛素应用于临床的准备工作已
经就绪。
      1922年1月11日,一名叫做罗纳德·汤姆森(Leonard Thompson)的14岁加拿大
男孩在
多伦多总医院首次接受牛胰岛素注射,以治疗已经很严重的糖尿病。由于制剂纯度低,
接受注射后汤姆森出现严重的过敏反应。接下来的十二天中克里普日夜工作,使制剂得
到进一步纯化,并于1922年1月23日进行了第二次注射。这次注射没有出现明显的过敏
等副作用,更为重要的是,汤姆森的血糖很快降低,尿糖也很快消失。人类同重大疾病
搏斗史上的最重大发明之一从此诞生(13,14)。

胰岛素发现以后

      由于发现胰岛素,班廷和麦克罗德共同荣获1923年度诺贝尔生理学或医学奖。在诺
贝尔奖已有的一百多年评奖中,成果的完成到获奖平均时间是12年,而胰岛素的发现从
成果完成到获奖只有不到两年的时间,这足以证明该项成果的重要性和被科学界接受的
普遍性、无异议性。
必须说明的是,虽然只有班廷和麦克罗德两人获奖,但还有两人也为胰岛素的发现作出
了重要贡献,就是查尔斯·百思特和詹姆斯·克里普。百思特是麦克罗德分配给班廷的
助手,当时是一名大学生。他从始至终一直兢兢业业帮助班廷做实验,在狗的胰腺摘除
、胰导管结扎、胰岛素提取、血糖测定等方面,一直是最主要的操作者。克里普是麦克
罗德的好朋友,1915年22岁时任阿尔伯塔大学生理学系讲师,29岁时任教授、系主任,
是一名才华横溢的年轻科学家,从事血液化学和蛋白质化学研究。1921年克里普在多伦
多休假访问期间,应麦克罗德邀请加入了胰岛素研究课题组,致力于胰岛素纯化,解决
了胰岛素注射后严重炎症反应问题。但是由于某些原因,百思特和克里普没有获奖。在
诺贝尔奖颁奖仪式上的演讲中,班廷和麦克罗德分别对百思特和克里普做了高度的赞扬
,称他们理应分享这一荣誉。获奖后,他们分别拿出自己奖金的一半分给了百思特和克
里普。
      任何事情都可能出错,可能不公,诺贝尔授奖也不例外。在胰岛素发现获得诺贝
尔奖近
半个世纪之后,罗马尼亚科学院于1970年致函诺贝尔基金委员会,提出罗马尼亚科学家
尼古拉·帕乌勒斯库是第一个发现胰岛素的科学家,理应列入诺贝尔奖获奖行列。科学
文献记载,帕乌勒斯库研究小组从1916开始用水提取狗胰腺中的有效成分,将其注射入
摘除了胰腺的狗的静脉,结果观察到狗的血糖及尿糖降低。诺贝尔奖评奖委员会认真研
究了这封来信,查阅了那段时间的科学文献,回信给罗马尼亚科学院,承认对帕乌勒斯
库的遗漏是评选中的失误,但由于相关法规中没有条款根据可以改变过去的决定,所以
建议在纪念发现胰岛素50周年的时候提及并承认帕乌勒斯库的开创性工作。
      早期的糖尿病胰岛素治疗使用的都是从动物胰脏中提取纯化的胰岛素,但由于纯度
低副作用大,加上量少,因此远远不能满足临床须要。上世纪五十年代早期,英国生物
化学家弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)完成了牛胰岛素氨基酸序列和二硫键位
置测定,为人工合成胰岛素奠定了基础(桑格因此获得1958年诺贝尔化学奖,并于1980
因完成核酸碱基序列测定方法第二次获得诺贝尔化学奖)。上世纪六十年代初,美国匹
兹堡大学生物化学家番尼奥笛斯·凯茨奥因尼斯(Panayotis G. Katsoyannis)和德国
亚堔工业大学化学家海尔穆特·赞恩(Helmut Zahn)同时首次在实验室里合成了羊胰
岛素,从此揭开了人类治疗糖尿病的全新一页(15,16)。值得一提的是,中国科学院上
海生物化学研究所,中国科学院上海有机化学研究所和北京大学化学系的中国科学家相
互协作,于1965年9月在世界上首次完成了用人工方法对牛胰岛素的全合成。据称中国
科学家的这项工作已经具有了获得诺贝尔奖的价值,当时在美国普林斯顿大学的杨振宁
教授向诺贝尔评奖委员会推荐了中国科学家的这一开创性工作,但由于各种原因最终未
能获奖。但中国科学家在胰岛素及糖尿病科学事业中的贡献是得到广泛认同的。
      从上世纪80年代起,用基因工程方法合成人胰岛素开始广泛应用,临床用胰岛素从
动物胰岛素全面转向人工合成人胰岛素,使胰岛素供应不足和副作用等问题全面解决。
今天,人胰岛素的合成主要通过重组DNA技术用大肠杆菌发酵或酵母发酵两种方法,而
所生产的胰岛素已不再是真正的人胰岛素,而是人胰岛素类似物(Analog human
insulin)。人胰岛素类似物是指在原来人胰岛素一级结构的基础上修改个别氨基酸以
改进作为药物的胰岛素的药代动力学和药效动力学,使之更接近于内源性胰岛素的性质
。目前在全世界广泛使用的人胰岛素类似物根据其药效持续时间分为长效、中效、短效
和速效各种类型,共有约五十种,胰岛素已经成为糖尿病患者首选和不可替代的药物。

结语

      胰岛素是一项伟大的发现,造福于亿万人民。令人遗憾的是,胰岛素发现的主要贡
献者班廷,却于1941年因飞机失事早逝,当时只有49岁。
      胰岛素工作完成不久,班廷和百思特同时受聘于多伦多大学医学院,班廷被任命为
班廷-百思特医学研究所所长。在接下来的若干年里,他们的研究转向癌症等方面。此
后班廷开始对航空医学发生兴趣,于1938年加入加拿大皇家空军,致力于驾驶高空战斗
机的飞行员遇到的生理问题的研究。班廷的业余爱好是绘画,曾是加拿大最著名的业余
画家之一。1941年2月21日,班廷在加拿大纽芬兰乘机去英国,飞机起飞不久因发动机
故障失事,班廷于第二天不幸身亡。班廷两次结婚,与第一人妻子育有一子。2004年,
在加拿大广播公司组织的最伟大的加拿大人全民投票中,班廷名列第四。
      从1922年起百思特一直在多伦多大学工作,从事医学研究,直到1978年去世。百思
特在医学研究中取得很多优异成绩,是加拿大皇家学会会员,荷兰国家科学院外籍院士
,美国国家科学院荣誉院士。1972年,诺贝尔基金会正式承认当初诺贝尔奖评选遗漏百
思特是一个错误。
      麦克罗德1876年出生于苏格兰,1898年获得莱比锡大学医学博士学位,1903年移民
美国,任凯斯西储大学(Case Western Reserve University)讲师。1919赴加拿大,
任多伦多大学生理学系教授、系主任。胰岛素工作完成后,麦克罗德继续在多伦多大学
工作至1928年,然后返回苏格兰,任阿伯丁大学(Aberdeen University)生理学教授
,至1935年因病去世。关于麦克罗德获得诺贝尔奖,1923年授奖前后曾有较多争议,认
为他在胰岛素发现这一工作上的贡献不大,不足以获奖。随着时间的推移,随着更多有
关历史文献的解封,特别是麦克罗德早在1922年写给多伦多大学校长但没有发出的信件
在1978年的解封,人们逐渐认识了这位科学家在胰岛素发现中的贡献,世人开始承认其
获得诺贝尔奖是当之无愧的。


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