胰岛素—药物史系列6
在全世界有超过3.8亿糖尿病患者；在亚洲四十岁以上的人群，十人中就有一人患有糖尿病；糖尿病在中国的发病率达到9.7%。发现胰岛素以前，糖尿病治疗几乎没有有效的方法，胰岛素是现今治疗糖尿病最有效的药物。这些事实都说明胰岛素的发现对于人类健康和社会进步是多么的重要，将其称为医学史上最伟大的成就之一也不为过。
1 糖尿病
糖尿病是一种十分古老的疾病，公元前1550年，古埃及人书写在纸莎草上的文献上面，记载着一种多饮多尿的疾病。这是考古学上可追溯的最早关于糖尿病的文字记录。大约3000多年的时间里，世界各地的人们都在试图用他们各自的语言描述糖尿病。古代中医把糖尿病称为“消渴病”，因为病人有多食多饮多尿和体重消减的症状，仿佛是饥渴所致。公元前400年，中国的《黄帝内经》中就有“消渴”病的记载。史记说司马相如“常有消渴疾”，因此被认为是中国历史上第一个确诊的糖尿病患者。
因为可以在患者的尿液里检测出葡萄糖，因此我们将其称为糖尿病。糖尿病人血液中的葡萄糖没有被有效地分解，用以提供身体所需要的养分和能量。一方面人体无法得到足够的营养和能量，体重下降，身体日益虚弱；另一方面体内的脏器和组织受到高血糖的腐蚀和侵害，逐渐丧失功能。糖代谢的紊乱又进一步引起蛋白质、脂肪、水和电解质等一系列代谢紊乱综合征。因为免疫功能减弱，糖尿病人容易患感冒、肺炎、肺结核等各种感染疾病，而且不易治愈。一旦患上“糖尿病”，可能发生的并发症遍及全身。在这些并发症中，出现率最高的是视网膜病变、肾病和神经障碍，并称为“糖尿病”的“三大特征并发症”。
糖尿病虽然被发现了上千年，但人类一直没有找到任何有效的治疗方法。一百多年前，如果你得了糖尿病就等于判了死刑，不仅无药可救，而且有时候可能只剩下几个月的寿命了。当时糖尿病患者不是死于酮症酸中毒，就是最终饿毙，悲惨的情状是现代人所不能想像的。
1869年保罗·兰格尔翰斯首次在显微镜下发现了胰岛，随后爱杜亚·拉基氏（Edouard Laguesse）提出胰岛可以分泌某种物质，可能与消化相关。糖尿病人血液中的葡萄糖为什么不能正常代谢，继而引发遍及全身的并发症呢？1889年德国科学家明科夫斯基与梅林进行动物实验，他们切除了狗的胰腺，以观察胰腺是否是生存所必需的，却意外地发现这些狗出现了糖尿病。由此推论，糖尿病的病因与胰腺有关。
随着科学的进步，科学家们不断推进对糖尿病的研究，而每一个小小的发现都为后来者的研究提供了基础。尽管如此，直到20世纪初，糖尿病的治疗还是没有突破性的进展。在1914年关于糖尿病的文献上有这样的描述：“医院里满是糖尿病人，许多是儿童，他们会慢慢死去。当时的疗法就是将他们送进医院，注射一些生理盐水。”直到1921年，医生们还在用饥饿疗法来延长糖尿病人的生命。
2 胰岛素的发现
真正寻找到有效治疗糖尿病方法的是加拿大的外科医生弗雷德里克·班廷。班廷克服了技术难关，首次成功地提取了胰岛素，被称为“胰岛素之父”。1920年10月，加拿大安大略省的医学院里，外科医生班廷正在准备给学生讲授一堂关于糖代谢的课。他知道糖代谢与胰腺有关，但他发现当时人类对胰腺这个器官的生理了解的并不多。有许多问题，如果学生问起来，他无法回答。胰腺为什么跟糖尿病的发生有关？在教科书上找不到答案。
班廷开始在各种医学刊物中寻求答案，他很快欣喜地发现了一篇相关的论文。这篇论文让班廷确信胰脏中一定含有能控制血糖的物质，而这种物质极有可能会存在于胰岛之中。他立即产生了一个想法：从实验用狗的胰脏里分离出分泌胰岛素的细胞，再将产生胰岛素进行纯化，然后用这些纯化的胰岛素来调节病人的血糖。
为了实现这个大胆的构想，班廷来到了自己的母校—加拿大多伦多大学，找到著名的生理学家麦克劳德，希望得到他的指导和帮助。但麦克劳德对于班廷的想法并没有表现出太多的关注，只是答应替班廷找两位研究生来帮忙。于是两名学生决定用投币的方式，来决定谁先与班廷一起工作，查尔斯·贝斯特首先被选中，也因此另外一个学生的名字就永远没人知道了。1921年5月，班廷和贝斯特在多伦多大学的麦克劳德实验室开始了实验。两个月过去了，进展甚微。实施手术的19只狗中，因感染死了14只。为了这项研究，班廷放弃了自己的工作，虽然没有薪水，但一切实验费用还需要自己支付。为了继续研究，他们只好去抓流浪狗进行试验，直到后面他们从屠宰场获得了大量新鲜的牛和猪的胰脏。
班廷试验的重大突破源自于他发现自己原来的构想存在一定的问题，于是他放弃了将胰管绑住而让胰腺萎缩的方式（之前他认为将胰管绑住以后，胰腺不会分泌消化性的酵素而只单纯的分泌胰岛素）。到了8月，实验终于初见成效。他们在10只糖尿病狗身上，共注射了75次提取液，收到了降低血糖和尿糖的效果。其中有两只狗，一只活了20天，另一只活到了70天。在维持注射时，糖尿病狗能像正常狗一样生活；当停止注射时，糖尿病症状就很快出现。如此反复试验多次，提取液的治疗效果显而易见了，这使班廷和贝斯特兴奋不已。
但新的问题随之而来，实验的结果重复性太差，有时候注射提取液之后，血糖浓度明显降低，有时候血糖却没有变化。到了1921圣诞节的时候，由于实验结果差异实在太大，班廷和麦克劳德都认为需要寻求外界的帮助。研究最大的挑战来自于萃取用的乙醇浓度要十分准确，同时乙醇要足够纯且对人无害。于是他们加入了第四位成员生化博士詹姆士·克里普，他在细胞组织纯化方面很有经验。
1923年1月11日，班廷决定进行胰脏萃取物的人体注射实验，对象是患有糖尿病已处于死亡边缘的14岁男孩莱奥纳多·汤普森（Leonard Thompson），他只有65磅，大概只有几个星期的寿命了。这在当时是一个十分大胆的尝试，但这一次注射没有取得任何效果。十二天以后，他们又对汤普森进行了注射，这一次血糖在几个小时之内迅速下降到了正常水平，尿糖和尿酮体消失。这里的关键是克里普对班廷未加工的萃取物进行了纯化。
胰岛素的发现让科学家们欣喜若狂，班廷等人已经开发出了一种能够生产胰岛素的方法，这个发明在当时被称为治疗糖尿病的一大奇迹。然而故事还远没有结束：（1）首次虽然除去许多杂质，但是他们最终应用在患者身上的还是一种褐色的液体，实质上他们并没有真正制备出一种洁净无杂质的胰岛素。（2）其次为了救治越来越多的患者，班廷他们迫切需要几倍、几十倍的扩大他们生产胰岛素注射液的能力。即使麦克劳德教授将他所有的人员动员起来，制备用于治疗的胰岛素也供不应求。要知道，胰岛素注射虽然能够立竿见影地挽救糖尿病人于生死之间，但是这种神奇药物的作用并不是一劳永逸的，患者需要持续注射胰岛素才能将血糖一直控制在合理范围内。（3）最后动物胰岛素与人胰岛素存在若干个氨基酸的不同，因此容易发生免疫反应，注射部位皮下脂肪萎缩或增生，胰岛素过敏反应，并且由于其免疫原性高，容易反复发生高血糖和低血糖，容易出现胰岛素耐药。
3 胰岛素的产业化
新的挑战是如何提纯、量产和改良胰岛素。越来越多的临床需求让麦克莱德开始寻求学术界之外的帮助。为了保证胰岛素的顺利商业化生产，几位本来对身外之物颇不感兴趣的科学家，还是为胰岛素申请了专利。随后以一加元的转让费将这价值连城的专利转让给多伦多大学。1922年5月，多伦多大学与礼来公司达成协议，以非排他授权的方式允许礼来公司开展胰岛素的大规模生产和销售，并由科学家们帮助礼来开展胰岛素的规模化生产。到这一年秋天，礼来的胰岛素开始源源不断的运往多伦多，这让不愿意眼睁睁看着自己的病人因为缺少药物而死去的班廷欣喜若狂。到这一年年底，礼来的产量达到每周10万单位。
同时丹麦籍科学家奥格斯特克洛夫（August Krogh）因私人问题来到多伦多，因为他的妻子也患有糖尿病。克洛夫希望他的国家也可以生产胰岛素，这样就能挽救自己夫人的生命。于是他在多伦多大学那里得到了胰岛素量产的授权，回国后成立了诺和诺德公司（Novo Nordisk A/S），如今其已经成为世界最大的胰岛素生产和销售商。
4 人类胰岛素的生物合成
1955年弗雷德里克·桑格首次阐明了胰岛素分子的氨基酸序列（即一级结构）。这时科学家开始注意到原先注射动物胰岛素出现的一些过敏和耐药性的问题，很多是源自于动物与人胰岛素氨基酸系列的细微差别。而二十世纪七十年代兴起的基因工程技术为人类胰岛素的生物合成提供了强有力的技术基础。
20世纪80年代，科学家通过基因重组的方式成功将胰岛素基因注射到自我复制的细胞中，制造出高纯度的合成人胰岛素，其结构和人体自身分泌的胰岛素一样。这是一个里程碑式的工作，终于我们有了取之不尽的人类胰岛素，而不用再提取动物胰岛素了。对比动物胰岛素，人胰岛素较少发生过敏反应或者胰岛素抵抗，所以皮下脂肪萎缩的现象也随之减少；由于人胰岛素抗体少，所以注射量比动物胰岛素平均减少30%；人胰岛素的稳定性高于动物胰岛素，常温25℃左右常温可保存人胰岛素4周。
基因工程技术开启了胰岛素发展的新时代。多种超短效（赖脯胰岛素（lispro），门冬胰岛素（aspart））／超长效（地特胰岛素（detemir），甘精胰岛素（glargine））人类胰岛素被陆续开发上市，其更好地模拟了生理胰岛素分泌模式，使用药更加方便、安全，糖尿病患者有望实现更平稳的血糖控制、更小的低血糖风险、和更低的糖尿病并发症发生率。
简单来说，短效胰岛素主要是通过对胰岛素分子进行结构修饰，使其易于解离。如将人胰岛素的B28位脯氨酸和B29位赖氨酸调换位置，所得到的产物“赖脯胰岛素（lispro）”，能够减少单体间的非极性接触，改变了人胰岛素的自发聚合特性，从而易于解离。反之，长效胰岛素是通过对胰岛素分子进行结构修饰，使其易于团聚。如通过甘氨酸代替人胰岛素的A21位门冬氨酸，并在B链末端增加两个精氨酸，所得到的“甘精胰岛素（glargine）”，能在皮下形成细小的微沉淀，使得吸收延迟，有效作用呈平坦直线。
5 胰岛素的作用机制
胰岛素的任务是促进血循环中葡萄糖进入肝细胞、肌细胞、脂肪细胞及其他组织细胞合成糖原使血糖降低，促进脂肪及蛋白质的合成。胰岛素就像打开门的钥匙，使得葡萄糖能够进入细胞，从而降低血糖水平。换句话说，胰岛素为我们的身体准备合适的燃料（葡萄糖）。胰岛素的主要生理作用是调节代谢过程：(1) 促进组织细胞对葡萄糖的摄取和利用，促进糖原合成，抑制糖异生，使血糖降低；(2) 促进脂肪酸合成和脂肪贮存，减少脂肪分解；(3) 促进氨基酸进入细胞，促进蛋白质合成的各个环节以增加蛋白质合成。
6 胰岛素与诺贝尔奖
胰岛素或许是与诺贝尔奖渊源最深的分子。1923年的诺贝尔医学和生理学奖给了胰岛素的发现（弗雷德里克·格兰特·班廷，约翰·麦克劳德）；1958年的诺贝尔化学奖给了胰岛素的蛋白测序（弗雷德里克·桑格），这也是第一个被测序的蛋白；1977年的诺贝尔医学奖给了胰岛素的放射性免疫测定。
另外，1934年的诺贝尔医学奖获得者George Minot在1921年发现自己得了糖尿病，而他的医生刚好知道这一年胰岛素被发现并用于治疗糖尿病。就这样，George才能继续工作直到得奖。所以1934年的诺贝尔奖恐怕也有胰岛素的功劳。还有就是我国在1965年首次完成“人工合成结晶牛胰岛素”。随之而来的该成果与诺贝尔奖的缘分纠葛，也成为中国当代科技史上一桩有名的公案。
7 结语
胰岛素是机体内唯一降低血糖的激素，也是唯一同时促进糖原、脂肪、蛋白质合成的激素。胰岛素的发现是人类在糖尿病治疗领域取得的突破性进展。鉴于现代社会糖尿病的高发病率，胰岛素已经成为当今社会最重要的药物之一。胰岛素的历史让我们见证了生物制药的巨大潜力。随着生物技术的进步，生物药的发展在整个医药行业呈现上升趋势，越来越多的公司尤其是顶尖的制药公司积极投入到生物药的研究中。也许不久的将来，我们就会迎来一个生物科技制药的新时代。