糖尿病是人类早有记载的疾病。我国古医籍中的“消渴症”实即糖尿病,因其典型临床表现为多尿、多饮、多食而得名。在胰岛素发现之前,身患糖尿病的患者只能接受无效的饥饿治疗。这意味着,病人在一到两年内,就会陷入昏迷或死亡。


胰岛素起源


糖尿病是人类早有记载的疾病。我国古医籍中的“消渴症”实即糖尿病,因其典型临床表现为多尿、多饮、多食而得名。


早在1889年,奥斯卡·闵科夫斯基和约瑟夫·冯研究胰腺的消化作用。将狗的胰腺切除,结果狗的尿量大增,并于10-30d之内死亡。他们同时还发现,切除胰腺后,狗排出的尿招引了许多蚂蚁,而正常狗的尿并不招引蚂蚁。发现切除胰腺的狗尿中含葡萄糖很多。这吸引了大量科学家投身到类似课题上。


胰岛素的发现


科学的研究总是起起伏伏,螺旋式的上升。纯化胰岛素的方法始终盘旋着没有突破。而历史的转折总是惊人的相似。胰岛素的纯化就是这样一个灵光乍现的一瞬间得出的idea。一个名不见经传的小人物,一个没有系统的科研培训的医生稀里糊涂的闯进了科学的殿堂,还获得了举世瞩目的成就-诺贝尔奖。这个小人物就是加拿大医生Frederick Banting(班廷),在1920年他受到美国的病理学家MosesBarron在《外科和妇产科》杂志上的文章(尽管胰脏外分泌细胞已坏死,但是绝大部分内分泌胰岛细胞仍然存活)启发。随即产生了从胰脏提取胰岛素的想法。在1921年成功提纯了胰岛素。


提取方法:应用结扎狗胰导管而使外分泌胰腺坏死(胰腺腺泡细胞—也就是专门分泌消化酶的细胞),然后解剖割取狗的胰腺,切烂捣碎浸泡,从中提取粗提液,把粗提液一步步去除杂质浓缩精华,最终从中提纯出那种传说中的“胰岛素分子”。


在科学的殿堂,无论是埋入尘埃里的小人物还是科学殿堂里的大拿,灵光乍现的一瞬间再加上个人的毅力及坚韧不拔的精神显得尤为重要。首次提纯胰岛素,是医学史上划时代的里程碑事件。


第一代胰岛素-动物胰岛素的出现


1922年第一代胰岛素-动物胰岛素出现。发现糖尿病的原因后,大量的科学家投身于该项研究中。加拿大医生Frederick Banting(班廷)应用结扎狗胰导管而使外分泌胰腺坏死(胰腺腺泡细胞—也就是专门分泌消化酶的细胞),然后解剖割取狗的胰腺,切烂捣碎浸泡,从中提取粗提液,把粗提液一步步去除杂质浓缩精华,最终从中提纯出那种传说中的“胰岛素分子”。然而动物胰岛素有缺陷,主要是普通结晶的动物胰岛素与人胰岛素结构不同,极易启动人体免疫反应,导致过敏。


第二代胰岛素-人工胰岛素的出现


随着科技的进步,1955年人工胰胰岛素的出现让胰岛素踏入了一个新台阶。自从20世纪初,Franz Hofmeister和Hermann Emil Fischer分别发现并提出蛋白质是由氨基酸通过肽键连接起来的多肽分子以后,蛋白质中的氨基酸以何种方式组成连接成为许多生化学家试图了解的问题,弗雷德里克.桑格选择胰岛素进行蛋白质序列研究是因为胰岛素是当时少数几种能够获得大量纯品的蛋白质。这个选择造就了胰岛素的历史转折-人工胰岛素的出现,同时还造就了一个诺贝尔奖获得者。故事还得从头说起。


自费科研的富二代


桑格于1918年8月13日出生在英格兰格洛斯特郡—个村庄。父亲是一位医生,曾在中国进行医疗传教,因健康原因回国;母亲来自富裕的贵族家庭,且是贵格会的信徒。桑格14岁的时候,被送入了当地的贵族学校。不过,这位日后享誉世界的科学家并不是什么神童天才,而只是一个表现平庸的学生。桑格的考试分数通常只是中等,而且他性格内向,在学校里并不引人注意。中学时代过后,桑格来到剑桥大学圣约翰学院学习。在大学里,桑格依然没有显示出什么过人之处,他虽然是理科学生,但数学和物理都让他感到吃力,只有化学课的成绩还不错。不过,在圣约翰学院,桑格偶然接触到一门新兴的学科—生物化学,想到可以将自己的爱好(生物)和强项(化学)结合在一起,桑格就很有兴致。所以,大学毕业后,桑格选择继续在剑桥攻读生物化学专业的博士学位。1943年,25岁的桑格完成了博士论文《赖氨酸的代谢》,顺利拿到了学位。


博士毕业后,桑格走到了人生的岔路口,他要决定将来做什么了。桑格仔细打量了下自己—热爱科学(尤其是生物化学方面),智力属于中等偏上,不怎么擅长科学理论分析,做实验或许还有点前途。于是,桑格写信给一些高校,看看能否争取到实验员之类的工作。不过,桑格觉得自己的履历太过普通,担心无法打动各个大学的教授。所以,桑格动了动脑子,在求职信后面加了一句“我不缺钱,可以不拿工资……”。不出意外,教授们很欢迎这种送上门来的免费劳动力,纷纷给他递去橄榄枝。最后,桑格还是选择了剑桥大学生物化学系的一个实验室,从此开始了自己的科学研究生涯。


百年胰岛素的的发现之旅和应用之路


十二年磨一剑,胰岛素测序铸造辉煌学术成果


科研的道路上,也需要志同道合的朋友。1943年,由于个性和志趣相似,剑桥大学教授吉布纳尔邀请桑格加入了他的研究小组研究蛋白质序列。当时能获得纯品的蛋白质种类很少。而胰岛素是一种最小的蛋白质,它的分子量只有6000,且很容易从附近的药店买到,便宜还不会耽误研究的进度,自然研究就锁定到胰岛素。


热爱实验室超过爱自己的家,为了确定胰岛素中的氨基酸排列,桑格天天泡在实验室,通过研究,找到2,4 -二硝基氟苯试剂(DNFB,后人以他的名字将其命名为桑格试剂),给蛋白质一端的氨基酸着色、切割,然后用纸色层分离法测定氨基酸,最终推断出牛胰岛素的完整序列。


推断还只停留在初始阶段,真正的测序出来,才具有实际价值。桑格通过破坏牛胰岛素二硫键而获得两条链,即具有酸性的A链和具有碱性的B链。1951年,桑格首先对B链进行部分酸处理或胃蛋白酶处理,随后用电泳、离子交换层析及活性炭吸附等方法,获得含有5~20个氨基酸的肽段;再利用双向纸层析分离,结合氨基酸组成分析及N端分析,可确定短片段氨基酸顺序,最后以多个短段序列,利用重叠法获得胰岛素B链氨基酸序列。1953年,完成A链21个氨基酸的全序列测定。1955年,桑格克服了水解过程中二硫键交换、水解酶解后产物分离复杂等一系列难题,经过两年的艰苦努力,完成了二硫键位置的确定。


成功不是一蹴而就的,他需要付出巨大的努力和坚持。从1943年桑格着手研究胰岛素,到1955年解析胰岛素的精确结构,前后跨越了12年时间。凭借桑格及其学生和助手的不懈努力与艰苦奋斗,最终完成了这一重大任务。


桑格因为发现这种测定了胰岛素一级结构的方法,而独享1958年的诺贝尔化学奖。他曾多次表示,第一次获诺贝尔奖对他之后的学术生涯有着重要的激励作用。这次获奖给了他更多自信和热情,支持他继续以自己喜欢的方式进行科学研究。


百年胰岛素的的发现之旅和应用之路


附:胰岛素商业化进程


1992年由美国礼来公司研发的人胰岛素类似物(赖脯胰岛素)优泌乐问世。2005年5月25日赖脯胰岛素在中国上市;


1999年由诺和诺德公司研发的速效胰岛素类似物门冬胰岛素首次在欧洲上市,2002年门冬胰岛素在中国上市。


2000年由Aventis公司研发的长效胰岛素类似物,甘精胰岛素(来得时)在美国和欧洲上市,2003年获中国食品药品监督管理局批准而在中国上市。


2004年6月诺和诺德公司研发的长效胰岛素类似物地特胰岛素(诺和平)获准在欧洲上市销售,2005年6月获FDA批准在美国上市销售, 2010年3月地特胰岛素获中国食品药品监督管理局批准而在中国上市并开始销售。


胰岛素最新发展


一旦技术和功能性作用实现后,随后的发展逐步过渡到人体的舒适和实用性上。在这方面,科学家们继续挖掘。


2019年,口服胰岛素,此类药物有可能成为首款胶囊剂型的口服胰岛素。ORMD-0801,在一项涉及269名T2DM患者的IIb期临床研究中表现出良好的降糖有效性以及安全性。


2020年,Nature子刊发表了一篇介绍“智能胰岛素贴片”研究进展的文章。“智能胰岛素贴片”的大小约相当于一元硬币,贴片上整齐排列着数百根可感知血糖水平的微小针头(长度不足1毫米)并负载胰岛素。佩戴时,这些微小针头可穿透表皮来感知皮下组织附近的血糖水平,并自动响应发挥类似胰腺的血糖调节作用:当血糖水平升高时,其会自动释放胰岛素进入体内,起到降糖作用;当血糖水平逐渐下降时,会减缓胰岛素的释放,防止低血糖的发生。除此以外,诺和诺德每周一次的超长效胰岛素icodec开始三期临床,该胰岛素可与白蛋白牢固、可逆结合,形成“循环存储库”,半衰期长达196小时,可能是近期最受期待的产品。


参考文献


1,History of insulin,Journal of Community HospitalInternal Medicine Perspectives.


2,Shashank R. Joshi*, Rakesh M. Parikh**, A.K. Das. Insulin History, Biochemistry,   Physiologyand Pharmacology. SUPPLEMENT OF JAPI JULY 2007  VOL. 55.


3,造就诺贝尔奖神话的科学巨人:弗雷德里克·桑格


文章来源: 药事纵横

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