认识糖尿病，发现胰岛素

    在胰岛素发现以前，糖尿病这一古老疾病的控制方法就是禁食。在每日不到一千卡的热量、不含什么碳水化合物的严格饮食下，原本已经消瘦不堪的糖尿病患者更是骨瘦如柴。在过去，这种疾病绝非当今人所能设想。

    作为迄今为止人类发现的最古老的病种之一，从有确切的史料文字记载开始，人类对它的观察已经至少有三千五百年以上的时间了。从古埃及到叙利亚再到东方的印度和中国，世界各地的古人们对这种疾病的认识惊人的准确：病人不能停止小便，尿流不止。患者将不停地饮水，但是与大量的尿液不成比例，并且引起更多的排尿。人们无法控制这些病人的饮水和小便，如果让这些病人禁水片刻，他们的嘴会变得非常炙热，身体会变得干枯，内脏如同被烧焦，病人会反复出现恶心、疲劳、烦渴，过不了多久就会死亡（叙利亚的著名医生阿瑞蒂乌斯，Arctaeus），中医为它取了一个更加凝练的名字：消渴症。印度的僧侣则发现多尿症患者的尿液要粘稠许多，而且发现这些尿液能引来蚂蚁。僧侣们甚至认为可以把糖尿病区分为两种不同的类型：一种是年老的肥胖患者，而另一种是瘦小的病人，后者的生存时间更为短暂。

    直到文艺复兴之后的17世纪，英格兰人Thomas Willis才终于发现了“甜尿”这一事实，比东方各地的发现晚了整整1000余年。Thomas Willis与当时德国著名的医生约翰共同发表了一篇关于此发现的论文。并在论文中首次使用了一个拉丁文词汇Mellitus，意为极甜。除此之外，他们还把Mellitus和阿瑞蒂乌斯在形容这种病时所使用过的Diabetes结合在了一起。就这样这个一系列症状的描述有了一个正式的名字：糖尿病（Diabetes Mellitus）。

    那么究竟是哪个器官的受损引起这个疾病的呢？医学界有一个长达千年的认识，既然肾脏主管尿液的排泄，那么一定是肾脏受损导致糖份外排。这种认识的影响极为深远，直到1776年，一位苏格兰的医生发现糖尿病患者的血清竟然如同尿液一样含有糖份，那么糖尿的产生至少不是单纯由于肾脏受损所引起的了。1788年，英格兰医生Thomas Gamley在一次救治意外事故病人的过程中，发现胰腺损伤竟然可以引起糖尿病。这个信号提醒人们开始把引起糖尿病原因的探索指向了其他脏器。

    1869年，德国病理学家保罗•朗格汉斯（Paul Langerhans）发现胰腺外分泌腺及导管组织间有一群很小的细胞团块，这些细胞团块是不同于胰腺的其他细胞的。但是当时，他并未能认知这些细小细胞的作用。就是他发现的这些小细胞，改变了之后的几代人。1893年Edounard Laguesse将Paul Langerhans发现的这些位于胰腺外分泌腺中间的像孤岛一样的细胞团称为Langerhans胰岛，简称胰岛。在胰岛被发现后不久，科学家通过实验发现胰腺具有内分泌功能，其所分泌的物质有降低血糖的作用，这个功能是由胰岛来完成的。

    1909年，比利时医学专家Jeande Meyer做出了大量的实验，上百条实验狗被切除了胰岛。他不止观察和监测这些被切除了胰岛的狗的血糖和尿，也仔细地分析了胰岛本身所分泌的物质，他把这种由胰岛分泌出来能够降低血糖的物质命名为“胰岛素”。

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胰岛素，更多的胰岛素

    对症状的精确描述无助于疾病的根本治疗。自从胰岛素被命名后，医学工作者就开始致力于寻求和获得这种能够降低尿糖和血糖的“胰岛素”。他们还不知道，是什么能够使人体产生足够多的胰岛素。

    德国柏林的医学专家Georg Zuelzer开始研究胰腺提取物。他首先找来了一条带黑色斑点的实验犬，在麻醉过后，他开始对它实行胰腺切除手术。手术很成功，这条可爱的小狗非常顺利地患上了糖尿病。Georg Zuelzer为它注射了一些已经准备好了的胰腺提取物。经过几次研究和检测，Georg Zuelzer证明了这些胰腺提取物确实具有降低尿液中葡萄糖含量的作用。他非常兴奋，希望把他的实验应用于临床。

    当时世界各地的研究者们都尝试将胰岛素提取出来，但是无一例外失败了。以至于后来当贝斯特拿到诺贝尔奖时许多行内的专家觉得不公平。

    1920年10月31日，加拿大的班廷医生把一条实验狗的胰导管进行手术结扎，小狗胰腺的滤泡逐渐衰退下去。只残留下了胰岛。它发现这些残存的胰岛依然在分泌，这些内分泌物似乎可以缓解糖尿病。为此他求助于加拿大的生理学权威，著名的多伦多大学生理学教授麦克劳德（Rickard Macleod）。他为班廷提供指导和建议，为他提供专门的实验室和实验动物，他的学生助理贝斯特（Charles Best）也交给了班廷，让他帮助班廷开展实验研究。

    二人的工作基本是在零起点开始的，首先他们先练习了一段时间的手术技能，当他们为狗切除胰腺之后情形开始明显了，许多活过他们不熟练手术一劫的动物几天后都死了。班廷发现几乎所有的狗的血液都甜极了，还引来一群一群的苍蝇在狗尿上挥之不去。几个人觉得很振奋，下一步是怎样救回这些狗。后来1921年7月，他们为实验狗注射了从萎缩的胰腺中获得的冷却的提取物。喜出望外的是，狗的血糖水平比以往任何时候降低得都更多。他们无论如何也没有想到，这种高纯度的冷却提取物，就是人们一直在寻找的胰岛素。

    1921年12月30日，在美国生理学学会的会议上，贝斯特和班廷首次把这一研究成果报道出来。 结论一出，来自各方面的非议和攻击如潮涌来，仓促的总结，不成熟的结论以及被忽略的体温检查和副作用的观测，这一切都使得他们一年多的努力被人们毫不犹豫地否决了。当然还有很多事后诸葛亮说，我早就知道了或者早就做过了。在Macleod教授的帮助下，班廷开始了新的提纯研究。Macleod为他们介绍了一个新的合作伙伴，那就是生物化学家James Collip。他改进了胰腺提取和提纯的方法。

    他们希望能够通过这种提取物拯救一个名叫Leonard Thompson的14岁小男孩。这个孩子当时正因为糖尿病而住在多伦多综合医院里，并且已经处在死亡的边缘。1922年1月23日，Thompson的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。

    又一个麻烦来了，由于胰岛素用量大，许多居民抱怨自己家的狗被偷了。这件事最后被上报给英国国王（加拿大属于英联邦）。国王下令英国开始帮助班廷提取胰岛素。当时的礼来（Lilly）公司试着从来源更充分的猪胰腺里提取胰岛素，这一项业务缔造了现在的世界级的大药厂。当时还有一对丹麦夫妇Augest Krogh（诺贝尔奖获得者）在回丹麦的船上听说了这件事，回丹麦后组建了一家生产胰岛素的公司，就是现在著名的诺和诺德公司。

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胰岛素的理化性质研究

    胰岛素的发现是人类历史上的一件大事。它就像一个石块投在了平静的水面上，它的余波在日后的科学和医学史中久久不能散去。许多日后生命科学的权威都与胰岛素有着千丝万缕的联系。

    由于班廷的工作，胰岛素成为特别令人瞩目的物质。1925年生物化学家艾贝尔首次制备出胰岛素结晶；对制备此重要物质的纯净溶液，此结晶步骤极为重要。使胰岛素结晶本来不是太难的事，当时胰岛素的来源主要有两种：猪和牛。后来人们知道，牛的胰岛素比猪的更容易结晶。而提供给艾贝尔胰岛素的礼来公司的产品是混合的，这给艾贝尔带来了一些麻烦，他曾经有一个阶段无法重复出他的结晶试验，以至于很多人怀疑他是否造了假。另一个问题是当时装马钱子的罐子，一开始当中含有微量的锌，后来则是玻璃瓶装的。

    20世纪初，人们就已经开始认识到蛋白质在生命活动中的重要作用，随后人们了解到蛋白质是由许多氨基酸的氨基和羧基连接起来的肽链所构成的复杂生物大分子。在前人研究的基础上，1945年桑格开始研究一条肽链上各氨基酸的排列顺序。首先，他尝试确定链上一端(氨基端)氨基酸成分的一般方法。经实验, 他采用一种能和游离氨基结合，但不与肽键结合的二硝基氟苯化学试剂（FDNB，后人以他的名字将其命名为桑格试剂）, 这种试剂与蛋白质结合产生肽链的二硝基酚（DNP）衍生物, 经水解肽链分解成一个个的氨基酸, 把标记的DNP氨基酸分离出来。由于DNP基团呈黄色，所以在纸上层析法的色谱上表现为一个黄色斑点。桑格还测定了肽链的另一端氨基酸，即“C端氨基酸”。他试着把肽链的几个氨基酸一个个解脱下来，确定它们的末端序列。

    桑格选择胰岛素作为研究整条肽链的结构是非常恰当的。胰岛素是一种具有激素作用的蛋白质, 也是一种最小的蛋白质, 它的分子量只有6000。1949年，他和他的同事们先用二硝基氟苯与整个胰岛素反应，发现胰岛素分子中有两个氨端残基，说明它是由两个肽链所构成。他们又利用电泳和层析法分离，用酸和酶降解胰岛素及其A、B链所产生的碎片，逐个加以鉴定。1952年, 桑格和他的同事搞清了A链和B链上的所有氨基酸排列顺序。接着, 他们又研究两条链的结合问题。经过了近十年的艰苦努力, 1955年他们公布了牛胰岛素的详细结构。这个结构表明, 胰岛素是由两条肽链(A 与 B)通过二硫键连接起来的, 其中A链由21个氨基酸组成, 键内还有一个二硫环, B链由30个氨基酸组成, 两条链中的每一个位置都由一个特殊的氨基酸残基所占据。这个结构规定了蛋白质的空间结构, 从而也决定了它所承担的蛋白质激素的生理功能。桑格用同一方法还相继测定了其他4种胰岛素的结构, 这些分子有相同的生理活性, 它们结构上的差异表现在A链的二硫环内的3个氨基酸中, 这也反映了这一差异对分子的生理活性是不重要的。

    桑格不仅创造性地发明了测定蛋白质中氨基酸顺序的方法, 而且他对胰岛素结构的研究还为人工合成胰岛素开辟了道路。1965年9月, 中国科学家钮经义等成功地合成了牛胰岛素结晶蛋白质, 这是世界上第一个用化学方法合成的、而且生物活性与天然蛋白质相同的结晶蛋白质。因此, 桑格这一成果对准确地研究蛋白质的结构和功能之间的关系及人工合成蛋白质有着重要的意义。

    以20世纪末的角度来看，很难意识到当时蛋白质结构问题的挑战。在公众的想象中，蛋白质研究被1953年弗朗西斯•克里克和詹姆斯•沃森发现DNA结构以及此后遗传密码的发现所掩盖了。从令人眼花缭乱的蛋白质中理出某种头绪，成了一群人数虽少但水平极高的研究人员的目标。蛋白质结构是他们的珠穆朗玛峰，晶体学是他们到达峰顶的手段。他们知道需要很长的时间，却不知道到底是多长；在他们中间的任何一个人到达自己研究领域的峰顶之前，真正的珠峰已经被人类征服了。胰岛素的晶体就是他们通往顶峰的一个缓冲。桑格确定氨基酸序列用去了10年时间，但胰岛素晶体结构则用去了35年，完成它的是英国的晶体学家霍奇金。

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胰岛素的“进化”

    胰岛素的大规模生产开始于1922年，在新的巨大需求面前一些公司经多伦多大学许可制造胰岛素。1936年，发现鱼精蛋白可以起到胰岛素缓释作用。随着人们掌握了胰岛素结晶的技术点，并得到了含锌的胰岛素晶体，慢效胰岛素生产成为可能。例如鱼精蛋白锌胰岛素作用持续时间为24小时～36小时。

    1950年的另一种方法导致了目前仍在使用的NPH胰岛素，它可以与任何速效胰岛素的比例混合。1951年非晶胰岛素（IZS），又称胰岛素锌混悬液被生产。1956年，第一个抗糖尿病口服药物——磺酰胺（甲苯磺丁脲，carbutamide）和（二甲双胍，降糖灵）双胍类衍生物出现在市场上。这些新的药物发明之前，胰岛素是II型糖尿病患者唯一的药物。1974年，离子色谱提纯技术促进了高度提纯动物胰岛素的生产。该产品被称为单组分胰岛素。

新型抗糖尿病手段

    20世纪70年代以来，随着科学技术的飞速发展，人类对糖尿病的认识更加深刻，治疗手段更加丰富。治疗药物方面，糖尿病药物成员已经增至5大类，即双胍类、磺脲类、α-糖苷酶抑制剂、刺激胰岛素受体兴奋剂和非磺脲类促胰岛素兴奋剂。随着治疗药物的增多，亦使临床医生有了更多可选择的治疗手段，从整体上提高了糖尿病的治疗水平。在给药途径方面，胰岛素泵的出现，也大大增加了胰岛素的使用效果。在检测技术上，72小时动态血糖检测仪的发明和应用，使临床医生对糖尿病患者病情变化有了更详细、更准确的判断。采用72小时动态血糖检测，加上胰岛素泵治疗，代表了目前先进国家治疗糖尿病的最高水平。

    20世纪90年代以后，人类医学对糖尿病的治疗和研究取得了重大进展。糖尿病学术领域几项重大的探索又结硕果，目前尚在试验阶段的几项科研给人类最终战胜糖尿病带来了新的希望。

糖尿病疫苗

    英国伦敦大学国王学院的科学家在老鼠身上对I型糖尿病疫苗进行了成功的试验，并已经进入人体试验阶段。据报道，该疫苗中包含了人体胰岛β细胞的基因片段，疫苗中的一种特殊蛋白质能够阻断机体破坏胰岛β细胞，其有效成分一旦进入人体血液，就可以促使人体产生一种保护型细胞，以阻止白血球对胰岛β细胞的攻击。这种疫苗既是预防性的．也是治疗性的，有糖尿病家族史的患者可以注射这种疫苗进行预防，已患糖尿病的患者可以用此种疫苗控制疾病的发展。目前，该疫苗已处于临床试验阶段。如果成功，I型糖尿病患者将摆脱每天注射胰岛素的麻烦。

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长效胰岛素的开发

    人工胰岛素是治疗糖尿病的重要药物。但目前临床使用的胰岛素药物效应周期短，长期使用胰岛素又会产生胰岛素抗体等不良反应。为了避免长效胰岛素结晶悬液在使用过程中出现的诸多不足，一种新的长效胰岛素开始进入临床。这种胰岛素在进入人体后可与白蛋白结合，延长其生物活性，随后在血液及靶组织中再与白蛋白结合，进一步延长药物的作用时间。它的优点是不易在肾脏丢失，不产生抗体，不会被人体免疫系统当做异物，即使睡前服用较大剂量也不会导致夜间低血糖及黎明现象。这种长效胰岛素推广使用，将是胰岛素发展历史上新的革命。

胰高糖素样多肽和二肽基肽酶-4

    人体内源性胰高糖素样多肽-1(GLP-1)是一种机体摄食过程中所释放的一种天然激素，它通过与β细胞表面的特殊受体结合，可促进胰岛β细胞分泌胰岛素，并能显著降低空腹和餐后血糖，并且有减慢胃排空和控制食欲，使肥胖糖尿病患者体重减轻等作用。但该酶生理条件下很快便被二肽基肽酶-4（DPP-4）所水解。所以促进GLP-1分泌和抑制DPP-4酶活性均可以降低血糖。这意味着人类在外源性补充胰岛素方法之外，找到了一种通过人体内部调节机制控制糖尿病的根本途径。目前，这两类药物靶点已有产品进入市场。

(作者：李秋实）