關(guān)于作者

 中國科學(xué)院老科學(xué)家科普演講團(tuán)副團(tuán)長;中國科學(xué)院微生物研究所研究員,博士生導(dǎo)師,中國科學(xué)院研究生院教授;中國生物工程學(xué)會繼續(xù)教育工作委員會主任、工業(yè)與與環(huán)境委員會委員,中國生物化學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)會工業(yè)生化委員會委員,中國微生物學(xué)會酶與酶工程委員會委員。主要從事酶學(xué)、酶工程、基因工程和生化工程研究。

糖尿病與胰島素的故事(二)

孫萬儒
2018年08月22日

  1. 糖尿病的歷史
糖尿病是人類發(fā)現(xiàn)的最古老的病種之一。有確切文字記載的,至少已有3500年以上的時間。在埃及法老王雅赫摩斯一世的貴族墓群里發(fā)現(xiàn)公元前1550年莎草紙古抄本,記述了一種叫做“多尿”的疾病,病征之一就是飲水量與尿量不成比例,飲的多,尿的更多,這正是糖尿病人最典型的癥狀。
公元前2世紀(jì),古敘利亞著名醫(yī)生阿瑞蒂烏斯(Arctaeus),對糖尿病的描述是病人不能停止小便,尿流不止,如同開了閘門的渡槽。患者不停地飲水,引起更多的排尿。人們無法控制這些病人的飲水和小便,如果讓病人禁水片刻,他們的嘴會變得非常炙熱,身體會變得干枯,內(nèi)臟如同被燒焦,病人會反復(fù)出現(xiàn)惡心、疲勞、煩渴,過不了多久,就會死亡。
公元5到6世紀(jì),北印度的笈多王朝瀕臨滅亡,皇宮之中“多尿病”流行。兩位僧侶發(fā)現(xiàn)“多尿癥”患者的尿液比正常人的粘稠許多。發(fā)現(xiàn)灑落桌畔的尿樣竟然像蜜一樣,立刻吸引大量螞蟻前來瘋狂吸吮,這些尿竟然是甜的。甚至把這種病區(qū)分為兩種不同類型,一種是年老的肥胖患者,另一種是瘦小的病人,后者的生存時間更為短暫。
公元5-6世紀(jì),中國、阿拉伯和日本的醫(yī)生們也都先后發(fā)現(xiàn)甜尿這一重要的糖尿病病征。我國東漢名醫(yī)張機(jī)就在《金匱要略》中對糖尿病癥狀寫下諸多描述,人們開始用“消渴癥”描述糖尿病癥狀。而隋末唐初的《古今錄驗方》對糖尿病也有記載“小便至甜”的觀察,甚至認(rèn)為腎病變是造成甜尿和多尿的主要病因。甚至藥王孫思邈在唐代已經(jīng)提出糖尿病的運(yùn)動和飲食療法,建議少吃面食,多運(yùn)動,這幾乎和現(xiàn)在醫(yī)生們給糖尿病患者的生活建議不謀而合。
16世紀(jì),瑞士醫(yī)生霍黑漢姆(Von Hoheouheim)發(fā)現(xiàn)糖尿病患者的尿液水分蒸發(fā)后含有一種異常的白色粉末物質(zhì)。但他認(rèn)為是鹽。他在論文里寫道:“可以推斷,‘多尿病’是由于鹽在腎臟的異常積淀所引起的”。這位大夫由于不做試驗驗證,武斷推測,喪失了探明真相的機(jī)會。
直到17世紀(jì),英格蘭人維利斯(T.Willis)發(fā)現(xiàn)“甜尿”這一事實(shí),比東方的發(fā)現(xiàn)晚了1000多年。維利斯與當(dāng)時德國著名的醫(yī)生約翰共同發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)的論文,并在論文中首次使用了一個拉丁文詞匯“Mellitus”,意為極甜。他們還把Mellitus和阿瑞蒂烏斯在形容這種病時所使用過的“Diabetes”結(jié)合在了一起。對這一系列癥狀的描述有了一個正式的名字:糖尿?。―iabetes Mellitus),一個古老的疾病被賦予了新的命名。
究竟是哪個器官受損引起這個疾病,在長達(dá)千年漫長歲月里,醫(yī)學(xué)界認(rèn)為,既然腎臟主管尿液的排泄,那么一定是腎臟受損導(dǎo)致糖份外排。這種認(rèn)識的影響極為深遠(yuǎn),直到1776年,英格蘭醫(yī)生道伯森(M.Dobson)發(fā)現(xiàn)糖尿病患者血清竟然如同尿液一樣含有糖份。這一結(jié)果推翻了“糖尿病是單純的腎器官病變所引起的疾病”這長達(dá)千年的理論。那么,至少糖尿病不是由于單純的腎臟受損所引發(fā)。
1788年,英格蘭醫(yī)生甘木利(T.Gamley)在一次救治意外事故受傷的病人時,發(fā)現(xiàn)胰腺損傷竟然可以引起糖尿病。這提醒了人們,開始把引起糖尿病原因的探索指向了其他臟器。
1869年,年僅22歲的德國醫(yī)學(xué)院學(xué)生,蘭格爾漢斯(Paul Langerhans)在畢業(yè)論文里描述了顯微鏡下觀察到胰臟周圍組織有不同的島狀細(xì)胞團(tuán),推測可能分泌激素。但評委認(rèn)為他的論文毫無新意,“島狀細(xì)胞團(tuán)”不過是一些淋巴結(jié),蘭格爾漢斯的發(fā)現(xiàn)被否定,蘭格爾漢斯由于對權(quán)威過于信任,缺少質(zhì)疑和挑戰(zhàn),重要發(fā)現(xiàn)被放棄。
1893年法國生理學(xué)家拉古斯(E.Laguesse)發(fā)現(xiàn)同為切除胰腺的狗,如果在其皮下移植部分胰腺組織,則不會發(fā)生糖尿,提示糖尿病變部位在胰腺。這也成為移植胰腺治療糖尿病的先驅(qū)。并將蘭格漢斯發(fā)現(xiàn)的位于胰腺外分泌腺中間像孤島一樣的細(xì)胞團(tuán)稱為“蘭格爾漢斯島”。之后不久,科學(xué)家通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)胰腺具有內(nèi)分泌功能,分泌的物質(zhì)有降低血糖的作用,這個功能是由胰島完成的。從此人們才確認(rèn)糖尿病發(fā)病與胰島有關(guān)。
圖8. 公元前1550年莎草紙古抄本記述了“多尿”的疾病
圖9.我國記述糖尿病的最早文獻(xiàn)
圖10.維利斯(T.Willis)發(fā)現(xiàn)“甜尿”現(xiàn)象,定名為糖尿病
圖11. 蘭格爾漢斯(Paul Langerhans)發(fā)現(xiàn)胰島
6.班廷的功績
科學(xué)探索總會有挫折和失敗,只有找到失敗的原因,總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn),堅持不斷的探索總會有成功。
就有一位叫班廷(Frederick Banting)的年輕人,因為堅持不懈,勇于探索,終于提取了胰島素,并在臨床上成功應(yīng)用,為治療糖尿病做出重要貢獻(xiàn),獲得1923年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。
班廷于1891年11月14日出生在加拿大安大略省阿利斯頓,就讀于多倫多大學(xué)醫(yī)學(xué)院,因為當(dāng)時全世界都受到了第一次世界大戰(zhàn)的影響,畢業(yè)沒多久的班廷被征兵入伍,派到法國前線做陸軍軍醫(yī),表現(xiàn)勇敢,救護(hù)了不少傷病員,而且手臂受了傷。有的大夫告訴班廷需要截肢才能保全生命,但班廷堅決不同意,他告訴大夫:“我是一名醫(yī)生,沒有胳膊,無法工作,就等于沒有了生命!”在大夫的努力下,班廷保住了受傷的手臂。
戰(zhàn)爭結(jié)束后,班廷回國,失業(yè)一段時間,最后在一個邊遠(yuǎn)的小鎮(zhèn)開了個診所,但生意慘淡。為了糊口,他又跑到當(dāng)?shù)匚靼泊舐源髮W(xué)醫(yī)學(xué)院作了試驗示范教師的兼職工作,在備課的時候讀到一份文獻(xiàn),說一個病人的胰臟導(dǎo)管被結(jié)石堵塞之后,分泌消化酶的消化腺萎縮了,可是胰島細(xì)胞卻依然良好。這給班廷一個啟示,他想到在此之前很多科學(xué)家認(rèn)為從胰腺提取胰島素不成功的原因是胰腺產(chǎn)生能夠消化蛋白質(zhì)的酶,破壞了胰島素所致。他想如果模仿胰腺導(dǎo)管結(jié)石,把狗的胰腺導(dǎo)管用手術(shù)結(jié)扎,等消化腺萎縮之后,再提取胰島素不就行了么!這個新的設(shè)想讓他十分興奮,于是,他跑到系里找到系主任米勒(Miller)教授,把他的想法告訴了米勒教授希望能達(dá)到支持,因為米勒教授從事的研究領(lǐng)域與之不符,特意將班廷介紹給多倫多大學(xué)生理系的與糖尿病研究有關(guān)的麥克勞德(J.J.R.Macleod)教授。
可是麥克勞德教授認(rèn)為班廷的設(shè)想成功的機(jī)會不大。但是班延毫不死心,經(jīng)過多次努力,麥克勞德教授終于同意在大學(xué)暑假期間讓班廷來自己的實(shí)驗室工作兩個月,給一間半地下的有少量實(shí)驗設(shè)備的實(shí)驗室,少量經(jīng)費(fèi),還給班廷派了一個助手,剛來到麥克勞德實(shí)驗室的貝斯特,并且答應(yīng),如果實(shí)驗有了進(jìn)展以后可以正式轉(zhuǎn)入他的實(shí)驗室。麥克勞德教授安排好之后,赴歐洲講學(xué)。
班廷獲得了有限支持很高興,為了籌集實(shí)驗資金,班延變賣了自己的家產(chǎn),他決心不顧一切,一定要實(shí)現(xiàn)自己心中的夢想。兩個人做了大概分工,班廷自己負(fù)責(zé)給狗做手術(shù),貝斯特負(fù)責(zé)給狗測血糖。他們用麥克勞德給的經(jīng)費(fèi)買了10只實(shí)驗狗,設(shè)想先把一只狗切除胰腺變成糖尿病狗,然后再給其它狗做胰臟導(dǎo)管結(jié)扎手術(shù),等到這些狗的胰腺萎縮后,通過手術(shù)摘取出來,提取他們想要的物質(zhì),給糖尿病狗注射,檢測糖尿病狗的血糖水平是否降低來判斷他們提取的物質(zhì)到底是不是真的有用。
1921年5月中旬,班廷的實(shí)驗開始了。但實(shí)驗并不順利,因為班廷手術(shù)操作訓(xùn)練不夠,在短短的兩周之內(nèi),10條狗中就有7條狗在切除胰臟和結(jié)扎胰導(dǎo)管的手術(shù)中死亡。班廷自掏腰包又買了10只狗,因手術(shù)感染死了7只。八個星期很快就過去了,貝斯特的工資也發(fā)不出來了,實(shí)驗還沒有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。貝斯特看出了班廷的困境,就和班廷說:“反正我要跟你干完,將來有錢了呢,就把工資還給我;咱們要是沒干成呢,就一筆勾銷算了。”由于貝斯特的仗義,使得班廷更加珍惜他們的合作。
實(shí)驗進(jìn)展很不理想,班延的錢也快要花光了。他們沒日沒夜地工作,食無定時,居無定處,甚至與班廷已經(jīng)訂婚的女朋友也與他分了手。但這些都沒能動搖班廷的信心,他和貝斯特互相鼓勵,決心從頭開始。經(jīng)過不懈的努力,實(shí)驗有了轉(zhuǎn)機(jī)。一天,貝斯特有點(diǎn)遲疑地說對班廷說:“不知道我測的準(zhǔn)不準(zhǔn),剛剛我們注射的那條狗的血糖降到了正常水平。”班廷和貝斯特死盯著那條狗,一小時內(nèi),眼睜睜看著那條糖尿病狗從連頭都抬不起到可以坐起來,再到竟然可以站起來,顯然是胰腺提取物發(fā)揮了作用。他們在因手術(shù)患上糖尿病的狗身上注射了70多次的胰島提取液,獲得了降低血糖和尿糖作用,延長了病狗壽命,使得糖尿病狗竟活了70天。這些都證明了胰島提取液可以治療糖尿病。
圖13.班廷、貝斯特與糖尿病狗“胰島”的合影

班廷的工作進(jìn)展引起了麥克勞德教授的關(guān)注,將班廷轉(zhuǎn)正,吸收為他實(shí)驗室的正式成員,并加強(qiáng)了對班廷工作的指導(dǎo)和幫助。
1921年12月30日,班廷被麥克勞德帶到美國生理學(xué)會年會上,宣讀了他們的關(guān)于胰島素的論文。結(jié)論一出,引起來自各方面的非議,認(rèn)為結(jié)論過于倉促,不成熟,忽略了體溫檢查和副作用的觀測。這一切努力雖然在會上受到質(zhì)疑,但也引起了人們的關(guān)注。
顯然一次實(shí)驗成功是不夠的,必須能夠重復(fù)才算是成功的實(shí)驗。這次班廷面臨的難題不是沒錢,而是狗不夠用了。之前用五條結(jié)扎胰腺成功的狗提取胰島素,救活了摘除胰臟而成為糖尿病狗,現(xiàn)在必須保住這只糖尿病狗的性命才能證明他們實(shí)驗的成功,可是現(xiàn)在已經(jīng)再沒有狗可用來提取了。出現(xiàn)的新問題促使班廷認(rèn)真思考,發(fā)現(xiàn)這種胰島素提取方法太復(fù)雜,難以滿足以后繼續(xù)試驗的需求。研究的目的是提取給人治療糖尿病的胰島素,現(xiàn)在提取的胰島提取物給狗治療可以,能夠用到病人身上嗎,怎么辦?
班廷想到可不可以用其他動物的胰臟代替狗的胰腺來提取胰島素,他和貝斯特跑了幾個屠宰場,向人求助,搞到9個牛的胰臟??墒侨绾文軌驈呐R扰K將胰島素提取出來,而不會受到胰臟內(nèi)的消化酶的破壞,班廷想起了提取的狗胰島素可以溶解在酸化的酒精里,而酒精會破壞消化酶,這樣是否能解決沒有結(jié)扎帶來的問題呢。經(jīng)過試驗證明完全可以。將牛胰臟用酸化酒精處理之后提取出來的胰島素果然好用,注射牛胰島之后糖尿病狗的血糖直線下降。這使得提取工作跨進(jìn)了一步,但雜蛋白的副作用問題依然未解決,直接關(guān)系到這種從牛胰臟提取出來的胰島素能否能用在人的身上。
圖14.班廷和貝斯特在實(shí)驗室的工作情景
麥克勞德教授為了推進(jìn)班廷的研究進(jìn)展,給予了更多的指導(dǎo)和支持。為了更快解決問題,麥克勞德教授給班廷介紹了一個新的合作伙伴,生物化學(xué)家克里普(James Collip)??死锲绽盟莆盏纳锘瘜W(xué)知識和技術(shù),改進(jìn)了胰腺提取和提純的方法,很快地解決了問題。
新提取的牛胰島素能否給人使用,沒有把握。班廷決定先在自己身上注射試一試,但貝斯特不同意,認(rèn)為應(yīng)當(dāng)由他來冒險,理由是“你的技術(shù)更熟練,更應(yīng)該受到保護(hù)的是你。班廷當(dāng)然不同意,兩人爭論不休,最后班廷表示不要爭論了,最好是考慮一晚上,兩人相約第二天再做決定。當(dāng)天晚上,兩人不約而同地各自偷偷在自己身上注射了提取的牛胰島素。第二天早晨見面時兩人相對而笑,說出了秘密。就這樣完成了人體實(shí)驗,確定提取的牛胰島素用于人體是安全的。
恰好前一年的秋天,班廷在醫(yī)學(xué)院讀書時的一位同學(xué),喬?吉爾克利斯特患上了糖尿病,并且迅速惡化。當(dāng)時得了糖尿病的人就等于被判了死刑,只能束手無策地等死。能夠采取的唯一手段只有饑餓療法,每天進(jìn)食量僅相當(dāng)于一個嬰兒的進(jìn)食量。班廷找到喬?吉爾克利斯特,對他說:“也許,只是也許,我能治好你的病……”
1922年2月8日,瘦骨嶙峋、生命垂危的喬?吉爾克利斯特來到了班廷的實(shí)驗室,由貝斯特為他注射了一針牛胰島素,而后大家靜觀其效。時間一點(diǎn)一點(diǎn)過去,大家卻觀察不到任何效果。班廷感覺完了,看來辛辛苦苦提取的牛胰島素對人不起作用。班廷不敢正視喬的眼睛,跑出了實(shí)驗室。而喬看著班廷沖出去,也明白了,自己的最后一線生機(jī)只不過是良好愿望,也沮喪不已。
貝斯特看到這種情況也很著急,他想為什么不起作用呢,是不是注射的計量不夠?貝斯特勸喬再注射一針,而喬實(shí)際上現(xiàn)在連拒絕的力氣都沒有了。貝斯特給喬又補(bǔ)一針后奇跡發(fā)生了,僅幾分鐘的功夫,喬說自己感覺好多了,又過一會兒,喬說已經(jīng)很久沒有覺得自己的腦子如此清醒,兩腿也不再沉重了。貝斯特驚喜萬分,沖出實(shí)驗室,找到垂頭喪氣的班廷,貝斯特來不及詳細(xì)說,只是說“你快回去看看吧”,班廷一聽嚇壞了,趕緊回到實(shí)驗室,看到的是喬精神大有好轉(zhuǎn),班廷喜出望外,非常高興。喬對他們兩個說:“我感覺很餓,很想吃點(diǎn)東西”,貝斯特趕緊為喬找來吃的。喬吃了一頓正常的晚餐,他告訴班廷幾年來他都沒有吃過正常的晚餐了。
喬大喜過望,以為自己痊愈了,可第二天癥狀又出現(xiàn)了。貝斯特按照昨天的總計劑量又給喬注射了一針胰島素,喬再一次恢復(fù)??墒?,困境馬上又出現(xiàn)了,兩次注射已經(jīng)用光了班廷和貝斯特所擁有的所有胰島素。
(未完待續(xù)......)