胰岛素的秘密

甜蜜蜜,这是几乎所有文化对幸福的一致形容。如果你知悉我们每日能量的六成甚至更多来自糖的氧化,就可以理解为何我们如此的迷恋舌尖上那甜甜的感觉。当然,无论你是否明确的知道糖对于我们生存的重要性,我们那经历亿万年演化而来的神经系统,早已将甜的感受和生存的关系固化在本能之中。

糖的价值无论怎么形容都不过分,但若由于种种因素影响导致糖难以进入细胞,那么幸福的天使将变身为可怕的恶魔。长时间滞留在血液中的糖,最终将突破肾脏的封锁,从尿液中流失——这就是糖尿病名称的缘由——顺便带走大量水分。同时高浓度的糖还将直接损伤机体,导致失明、血管病变等等麻烦的问题,同样喜欢糖的微生物则使病人极易感染且经久难愈。而不能利用糖来获得充足能量的机体,此时只能依靠消耗脂肪和蛋白质来维持生存。不幸的是,没有糖的辅助,脂肪的氧化问题重重。麻烦的是,蛋白质的分解很大一部分将被肝脏转变为糖引起更多问题。虽然古人并不明白这些复杂的变化,但经验告诉他们这类病人吃得越多病情越是恶化,而延缓病情演变的主要方案则是一定程度的禁食。可以想象本来就缺乏能量的机体,长此以往,只能日渐消瘦而过早崩溃。

 

追溯历史,对糖尿病的描述,最早见于公元前1500年的古埃及。而我国东汉名医张机所著的《金匱要略》,对此也有诸多着墨之处。以追求婚姻自由而闻名的文人司马相如是糖尿病患者,这就是我国糖尿病的雅称长卿病的来由。若干名人以及更多的难以计数的普通人,被糖尿病长期折磨,最终悲惨的离去,人间因此诞生多少悲剧。

可是为什么糖无法自由进出细胞?这是因为,细胞为了保障必要的安全,并不允许任何水溶性的分子随意进出细胞,即便是对生存至关重要的糖也不例外。那么又是什么原因,让细胞对糖打开了大门?对此,1923年的诺贝尔生理及医学奖有一个精彩的答案——胰岛素。

扣响糖尿病秘密大门的第一声由法国生理学家克劳?伯尔纳(ClaudeBernard1813—1878)完成,他发现如果损伤实验动物第四脑室底部,可导致动物血糖升高及排泄糖尿,这是人类第一次制造出“人工糖尿病动物”。伯尔纳也曾经多次尝试切除狗的胰腺,以研究胰腺生理功能。然而实验十分困难,研究记录显示,似乎他只成功过一次,实验狗最终因过度消瘦而死去,但这位伟大的实验生理学家,却未能及时发现,狗的真正死因是糖尿病而并非单纯的消化不良。

如果说伯尔纳的轻扣未能引起太多回响的话,德国籍俄罗斯裔学者OskarMinkowski的决定性实验,则最终导致了胰岛素的发现。OskarMinkowski是一名出色的生理及病理学家,对糖尿病有深刻的了解。他发现了糖尿病人的昏迷与酸中毒的关联,并率先倡导碱性疗法。1886年,OskarMinkowski通过摘除鸟的肝脏,发现胆色素和尿酸的生成与肝脏有关。循着相似的理念,1889年,他和Vonmering切除了狗的胰腺,以研究胰腺功能,很偶然的原因,他的助手发现,苍蝇喜欢停留在胰腺切除的狗所排泄的尿液中。由此Minkowski敏锐的意识到胰腺和糖尿病之间的决定性关系,并提出胰腺能够分泌某种抗糖尿病物质的假说。

基于Minkowski的假说,若干有名无名的科学家投入到寻找此神秘物质的实验中,而许多医生也尝试性使用胰腺及其提取物来治疗糖尿病人。然而让人失望的是,数十年来,虽然陆续有人发表论文指出,胰腺提取物有降低血糖的效果,但因其效果的稳定性差兼副作用大而始终未获公认。

1922年,一个初出茅庐的加拿大青年外科医生班廷(FrederickBanting,1891-1941),终于获得了幸运女神的青睐。很多伟大的成就总有其偶然之处,班廷的成功既是此谚语的注脚。班廷,1917年,毕业于多伦多大学医学院。作为一名医士官参与一战,因伤退役后,在小城伦敦(加拿大)开了个小诊所,并在当地西安大略大学的医学院得到一个兼职教学的工作。1920年10月,就在教授有关糖代谢的内容时,班廷从新得到的一本杂志中读到一篇有关胰腺结石的论文,这篇文章改变了班廷和这世界上千千万万人的命运。文章称胰腺结石可能导致胰腺萎缩,而在实验室结扎动物的胰腺导管也引起同样效果。由于很多生理学家将无法成功提取胰岛素的原因归因于胰腺腺泡的外分泌功能,破坏了提取物。读到此处,班廷灵光一现提笔写道“结扎狗的胰导管,待其腺泡萎缩只余胰岛后,试图分离其内分泌以治疗糖尿。”

今天站在后人的角度,我们知道提取胰岛素并不需要待腺泡萎缩后才能进行,因为胰腺所分泌的消化酶类,正常情况下,需在肠道中才有生理功能,加之提取过程所加入的试剂本身即可破坏那些酶类。但班廷认为他灵光一现的想法是成功之源是完全可以理解的。如果没有这个“巧思”,班廷很可能不会“自不量力”的试图攻克这个堡垒,而他大学时代的老师苏格兰人麦克劳德(J.J.R.Macleod)也未见得会给他机会去做这件事。基本上班廷提炼胰岛素与居里夫人提炼镭有异曲同工之处,因为估计错了镭含量的数量级,没有真正认识到提纯镭的真实难度,是居里夫人有勇气动手去做这件事的原因之一。不过这些事实似乎反复在说明一个古朴的道理,世上无难事,只怕有心人。

虽然班廷缺乏研究基础,但他的自信和热切,最终使麦克劳德“勉强”同意在暑期将实验室借给他使用两个月,另外再给他十只狗,其余均需自备。班廷变卖了他微薄的家产,可谓破釜沉舟的回到了他的母校多伦多大学医学院开始了胰岛素的提取工作。1921年5月中旬起,在助手贝斯特(Best)的帮助下,两个月中,班廷共结扎了19只狗,死亡15只,存活下的5只中,只有2只的胰腺导管被彻底结扎而发生了萎缩现象。此时的班廷几乎到了山穷水尽的地步,没有工资,没有实验经费,食无定时,居无定所。毫不奇怪,多年的女友弃他而去。直到7月底,班廷终于获得初步成功,观察到胰腺提取物对患上糖尿病狗的治疗作用。度假归来的麦克劳德,当机立断将他的团队投入到实验中,并邀请当时正在多伦多大学休假进修的柯利普教授——亚伯达(Alberta)大学生化系——一起改进了萃取及纯化的方法。1922年1月11日,14岁的雷纳德.汤普森成为首例接受胰岛素注射治疗的人,治疗效果十分明显。因此项成就,班廷和麦克劳德共获1923年诺贝尔生理及医学奖。虽然,包括班廷本人在内的很多人认为麦克劳德并未做出重大贡献,而平白的获得了诺贝尔奖。但目前最权威的由多伦多大学历史系教授布利斯(MichaelBliss)所著《胰岛素的发现》一书中,对麦克劳德的贡献作了相当程度的肯定。

胰岛素的提取,给万千单纯性缺乏胰岛素病人带来了福音,虽然不能治愈,但只要按时按量的注射胰岛素,就可以大大缓解糖尿病的症状,不仅延长了生命而且大幅度的改善了生活质量。不过,故事到此并未结束,恰恰相反,关于胰岛素的故事才刚刚开始。

1943年,英国化学家桑格尔(Sanger)开始着手考虑测定蛋白质的一级结构,当时科学界对蛋白质这样的生物大分子,有没有稳定的组成都难以达成意见的一致。桑格尔花费10年时间,以胰岛素这一重要的蛋白质为目标——幸运的是胰岛素是非常简单的一个蛋白质——,改进了提纯的工艺获得了胰岛素晶体,并于1953年最终确定了它的一级结构,以此阐明,蛋白质的确拥有稳定的氨基酸组成和排列顺序。此研究在生命科学中的重要性使其荣获1958年的诺贝尔化学奖。桑格尔的蛋白质序列测定,也由此引发了一场蛋白质研究的革命。而今天有关蛋白质结构和功能的关系,是当前生命科学研究领域的重要组成部分。

在桑格尔忙于给胰岛素测序的时候,一位女科学家雅娄(RosalynYalow,1921-)和她的同事伯森(SolomonBerson,1918-1972)发现在长期注射胰岛素的病人血清中存在抗胰岛素的抗体。这是由于早期的胰岛素来源于动物的胰腺,虽然动物胰岛素与人的胰岛素极其相似,但其仍然可以引起我们的免疫系统的警觉。1955年,她们将此发现的论文投往《临床研究期刊》,但遗憾的是该刊不认可她们的发现而未以发表。不过,雅娄没有因此放弃自己的正确认识,而是以此研究为基础发展出放射免疫测定法(radioimmunoassay),此方法能测定血中的微量激素及任何能产生抗体的物质,彻底改变了内分泌学研究的面貌。因此获1977年诺贝尔生理医学奖。今天,在基因工程的基础上,我们获得了重组人胰岛素,基本上解决了由于抗体生成所导致的恼人的过敏症状。

关于胰岛素,还有一件憾事,1965年9月17日,以邹承鲁院士等为代表的我国老一辈科学家通过集团攻关,在世界上首次人工合成结晶胰岛素。这一在当年来看是突破性的成就,却因种种原因,无缘诺贝尔奖。对此,相关各方各有说法,不过抛开诺贝尔奖不论,人工合成胰岛素,奠定了我国在蛋白质结构研究上的重要基础。

自班廷等发现胰岛素以来,这个最简单的蛋白质的行为却依然有其神秘之处。生命科学已经大幅度进步,但仍然没有较为全面的解析它众多的功能和异常繁复的机制。今天世界上仍然有众多的科学和医学工作者在继续研究胰岛素,而且随着生活条件的过度改善,一类并非由于胰岛素缺乏而导致的糖尿病病人越来越多,是时候在班廷等前辈的基础上往前在跨一步去解决新出现的问题的时候了。或许在不太久远的将来,人们将因有关胰岛素的研究而再次获诺贝尔奖也未为可知。

(本文转载自健康中国人网)

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