北方的河
懷念逝去的苦難、喜悅和青春
拯救生命的偉大發現
--紀念胰島素發現一百周年
截至2019年，全世界大約有4.7億人患有糖尿病，其中中國有大約1.12億，美國有大約0.31億；全世界另有約2.32億糖尿病患者未獲診斷，其中中國約0.65億，美國約0.38億（1）。全世界每年約160萬人直接死於糖尿病(2)，全世界每年糖尿病醫療支出約7,600億美元（3）。糖尿病既是巨大的健康威脅，也是巨大的經濟負擔。
糖尿病是因胰島素（insulin）分泌相對或絕對不足或胰島素敏感性下降而引起的以高血糖為主要臨床症狀的一類疾病的總稱。長時期的慢性高血糖可導致多重器官的損傷甚至功能喪失，如神經、血管、眼、腎、心髒等；糖尿病重症患者如不能得到有效救治會有嚴重後果，如失明、截肢、腎衰竭、心腦血管病變或酮酸中毒性猝死，等。糖尿病病因複雜，但病理核心是胰島素。人胰髒的胰島組織合成前胰島素原，經過加工成為前胰島素，最後加工成為成熟胰島素分泌進入循環係統。胰島素是一個由51個氨基酸構成的小分子蛋白質，A、B兩條肽鏈由兩對二硫鍵連接形成具有生理功能的高級結構。胰島素的最主要生理功能是促進各組織器官對葡萄糖的吸收和利用，從而保持身體的能量供應和血糖穩定。糖尿病患者由於不能合成分泌胰島素（1型糖尿病）或者不能合成分泌足夠的胰島素以及胰島素敏感性下降（2型糖尿病），必須使用外源胰島素以減緩症狀、維持生命。大約百分之四十的2型糖尿病患者不同程度地（每天1次或多次）使用胰島素，百分之百的1型糖尿病患者則完全依賴胰島素（每天多次）；全世界目前有超過2億人每天1次或多次使用胰島素（4）。胰島素拯救了無數人的生命，改善了無數糖尿病患者的生活質量；胰島素的發現是20世紀最偉大的發現之一。今年是胰島素發現100周年，僅以此文紀念在發現胰島素這一裏程碑式的工作中作出傑出貢獻的科學家。
糖尿病的早期工作
糖尿病的英文表達是Diabetes mellitus，其中diabetes來自於希臘語，意思是“通過”或者“吸走”；mellitus來自於拉丁語，意思是“蜜”或“甜”。人類第一次用diabetes這個字來描述糖尿病大約在公元前250年，意思是病人被一種未知的力量吸走太多的水分或體液。從那時起在將近兩千年的時間裏，大量的病例顯示該病的症狀包括口渴、嗜水、嗜食、消瘦等，但對該病的病因沒有進一步的認識，對該病的治療也沒有找到有效的辦法。1670年，英國醫生托馬斯·威利斯（Thomas Willis）首次注意到該病患者的尿液有甜味，於是在描述該病時在diabetes後麵加上mellitus，從此糖尿病開始被稱為“Diabetes mellitus”(5)。1776年，英國醫生馬修·道博森（Matthew Dobson）通過實驗證實糖尿病人的尿液和血液之所以有甜味是因為含有較高濃度的糖；他還觀察到有的糖尿病人發病後可以在幾周之內死亡，而另一些病人則表現為慢性狀態，這實際上是人類對1型糖尿病和2型糖尿病的差別的最初認識(6)。1797年，蘇格蘭醫生約翰·羅拉（John Rollo）首次用高蛋白、高脂肪、低碳水化合物飲食使糖尿病患者的病情得到控製，加深了人們對該病本質的理解(7)。1815年，法國化學家邁克爾·尤金·沙威魯爾（Michel Eugene Chevreul）首次證實糖尿病患者尿液中的糖類物質是葡萄糖，自此將尿液中是否含有葡萄糖被作為糖尿病的診斷標準(8)。1869年，德國柏林病理研究所的博士研究生保羅·朗格漢斯（Paul Langerhans）首次發現胰島及胰島細胞，為揭示糖尿病的本質奠定了基礎(9)。1889年，波蘭籍德國醫生奧斯卡·名可夫斯基（Oscar Minkowski）在研究胰腺的消化功能時，偶然發現摘除了胰髒的狗的尿液中含有大量的葡萄糖，這是人類第一次獲得胰腺和糖尿病相關聯的有力證據(10)。1916年，羅馬尼亞布加勒斯特醫藥大學教授尼古拉·帕烏勒斯庫（Nicolae Paulescu）用健康狗的胰髒製取了一種水溶性製劑，將此製劑注射給患糖尿病的狗，病狗的糖尿病得到一定控製，這是胰島素發現之前人類最接近發現它的一次試嚐，但遺憾的是未引起足夠的注意(11)。但不管怎樣，隨著越來越多的證據顯示胰島合成和分泌的某種物質能夠維持身體的正常糖代謝，從上世紀二十年代開始人們便試圖找到這種物質。
胰島素的發現
跟任何重大科學發現都是傳承和協作的結果一樣，胰島素的發現也是團體智慧的結晶，也是建立在無數前人工作的基礎之上的。在眾多為胰島素發現作出貢獻的科學家當中，需要特別提到的，是一位加拿大西安大略大學的年輕醫生。
1891年11月14日，一個男孩在加拿大多倫多附近小城阿裏斯頓出生。當時沒有人知道，這個孩子30年後發現了胰島素，從而徹底改寫了糖尿病為不治之症的曆史。這個孩子就是弗雷德裏克·格蘭特·班廷（Frederick Grant Banting）。班廷是家裏五個孩子中最小的，他的父母在阿裏斯頓經營農場。班廷在阿裏斯頓度過了無憂無慮的童年和少年，1910年19歲時高中畢業，進入多倫多大（University of Toronto）維多利亞學院攻讀藝術專業。由於對所學專業不感興趣，班廷於1912年轉入多倫多大學醫學院學習醫學。1916年班廷大學畢業，隨即加入加拿大陸軍，作為軍醫前往歐洲參加第一次世界大戰。班廷在歐洲戰場度過了三年多時光，參加過英國和法國戰場的對德作戰，幾次負傷。因為在戰場上的英勇表現，班廷於1919年被授予軍事十字勳章。戰爭結束後班廷回到加拿大，在離家鄉不遠的小城倫敦當醫生，不久前往多倫多，做兒童醫院住院外科醫生。1921年班廷回到小城倫敦，受聘於西安大略大學（University of West Ontario）做兼職教師，教授骨科學。
二十世紀初以來，糖尿病病理機製的研究正受到世界各國科學家的關注和重視。越來越多的證據表明胰腺的某種病變導致糖尿病，胰腺合成分泌的某種物質可能治療糖尿病，英國生理學家愛德華·斯卡佛爾（Edward Schafer）（1850-1935，內分泌學奠基人，“endocrinology”一詞發明人）首次使用胰島素（insulin）一詞來描述這種尚未被發現的物質(12)。為了找到胰島素，1919-1920年期間，英國、法國、德國、美國等科學家嚐試各種辦法試圖從狗的胰腺中提取胰島素，但均未成功。找到胰島素並證明它的作用，是當時醫學領域的緊迫課題。
班廷一直密切關注這些進展。他相信胰島素的存在，並且很可能就存在於胰腺或者胰島裏麵，一直未能找到是因為提取方法不對。他根據自己的外科學知識提出以下假說：胰島素存在於胰島細胞中，是一種蛋白質，能夠控製血糖，但會被胰腺分泌並經胰導管流出的消化液破壞，因此難以直接從完整的胰髒中分離得到。班廷設計了一個實驗，即先將健康狗的胰導管結紮，等到除了胰島以外整個胰腺都萎縮並失去功能以後，摘取胰腺，從中提取蛋白質。班廷所在的西安大略大學那時還沒有條件完成這個實驗，於是班廷於1921年初夏來到他的母校多倫多大學，請求生理學教授約翰·麥克羅德（John Macleod）給予幫助。麥克羅德答應了班廷的請求，同意他使用自己的實驗室，並給班廷配備了兩名大學生作為其助手，同時提供了10條狗做實驗之用，然後他自己就到蘇格蘭度假去了。這兩名學生助手一個是查爾斯·百思特（Charles Best），另一個是克拉克·諾貝爾（Clark Nobel），但實際上諾貝爾很快就離開了，沒有參與很多工作，而百思特從頭至尾一直協助班廷直至全部工作完成。從5月初開始，他們首先將健康狗的胰導管結紮，8個星期後，摘取除了胰島組織以外都已萎縮的胰腺，從中提取他們期待的蛋白質。1921年7月27日，他們把從萎縮胰腺獲得的提取物注射給糖尿病狗，注射兩個小時後測定狗的血糖，發現糖尿病狗的血糖顯著下降，科學史上一項偉大發現的序幕由此拉開。
1921年秋天麥克羅德結束在歐洲的休假返回多倫多大學，班廷和百思特向他匯報了實驗結果。在麥克羅德的主持下，又進行了幾輪重複實驗，均獲得相似結果。為了對提取物進行純化，麥克羅德又邀請了加拿大埃德蒙頓大學（University of Edmonton）生物化學教授詹姆斯·克裏普（James Collip）參加此項工作。在此後的幾個月中，從狗和牛胰島中提取的活性胰島素的純度獲得顯著提高，將胰島素應用於臨床的準備工作已經就緒。
1922年1月11日，一名叫做羅納德·湯姆森（Leonard Thompson）的14歲加拿大男孩在多倫多總醫院首次接受牛胰島素注射，以治療已經很嚴重的糖尿病。由於製劑純度低，接受注射後湯姆森出現嚴重的過敏反應。接下來的十二天中克裏普日夜工作，使製劑得到進一步純化，並於1922年1月23日進行了第二次注射。這次注射沒有出現明顯的過敏等副作用，更為重要的是，湯姆森的血糖很快降低，尿糖也很快消失。人類同重大疾病搏鬥史上的最重大發明之一從此誕生(13,14)。
胰島素發現以後
由於發現胰島素，班廷和麥克羅德共同榮獲1923年度諾貝爾生理學或醫學獎。在諾貝爾獎已有的一百多年評獎中，成果的完成到獲獎平均時間是12年，而胰島素的發現從成果完成到獲獎隻有不到兩年的時間，這足以證明該項成果的重要性和被科學界接受的普遍性、無異議性。
必須說明的是，雖然隻有班廷和麥克羅德兩人獲獎，但還有兩人也為胰島素的發現作出了重要貢獻，就是查爾斯·百思特和詹姆斯·克裏普。百思特是麥克羅德分配給班廷的助手，當時是一名大學生。他從始至終一直兢兢業業幫助班廷做實驗，在狗的胰腺摘除、胰導管結紮、胰島素提取、血糖測定等方麵，一直是最主要的操作者。克裏普是麥克羅德的好朋友，1915年22歲時任阿爾伯塔大學生理學係講師，29歲時任教授、係主任，是一名才華橫溢的年輕科學家，從事血液化學和蛋白質化學研究。1921年克裏普在多倫多休假訪問期間，應麥克羅德邀請加入了胰島素研究課題組，致力於胰島素純化，解決了胰島素注射後嚴重炎症反應問題。但是由於某些原因，百思特和克裏普沒有獲獎。在諾貝爾獎頒獎儀式上的演講中，班廷和麥克羅德分別對百思特和克裏普做了高度的讚揚，稱他們理應分享這一榮譽。獲獎後，他們分別拿出自己獎金的一半分給了百思特和克裏普。
任何事情都可能出錯，可能不公，諾貝爾授獎也不例外。在胰島素發現獲得諾貝爾獎近半個世紀之後，羅馬尼亞科學院於1970年致函諾貝爾基金委員會，提出羅馬尼亞科學家尼古拉·帕烏勒斯庫是第一個發現胰島素的科學家，理應列入諾貝爾獎獲獎行列。科學文獻記載，帕烏勒斯庫研究小組從1916開始用水提取狗胰腺中的有效成分，將其注射入摘除了胰腺的狗的靜脈，結果觀察到狗的血糖及尿糖降低。諾貝爾獎評獎委員會認真研究了這封來信，查閱了那段時間的科學文獻，回信給羅馬尼亞科學院，承認對帕烏勒斯庫的遺漏是評選中的失誤，但由於相關法規中沒有條款根據可以改變過去的決定，所以建議在紀念發現胰島素50周年的時候提及並承認帕烏勒斯庫的開創性工作。
早期的糖尿病胰島素治療使用的都是從動物胰髒中提取純化的胰島素，但由於純度低副作用大，加上量少，因此遠遠不能滿足臨床須要。上世紀五十年代早期，英國生物化學家弗雷德裏克·桑格（Frederick Sanger）完成了牛胰島素氨基酸序列和二硫鍵位置測定，為人工合成胰島素奠定了基礎（桑格因此獲得1958年諾貝爾化學獎，並於1980因完成核酸堿基序列測定方法第二次獲得諾貝爾化學獎）。上世紀六十年代初，美國匹茲堡大學生物化學家番尼奧笛斯·凱茨奧因尼斯（Panayotis G. Katsoyannis）和德國亞堔工業大學化學家海爾穆特·讚恩（Helmut Zahn）同時首次在實驗室裏合成了羊胰島素，從此揭開了人類治療糖尿病的全新一頁(15,16)。值得一提的是，中國科學院上海生物化學研究所，中國科學院上海有機化學研究所和北京大學化學係的中國科學家相互協作，於1965年9月在世界上首次完成了用人工方法對牛胰島素的全合成。據稱中國科學家的這項工作已經具有了獲得諾貝爾獎的價值，當時在美國普林斯頓大學的楊振寧教授向諾貝爾評獎委員會推薦了中國科學家的這一開創性工作，但由於各種原因最終未能獲獎。但中國科學家在胰島素及糖尿病科學事業中的貢獻是得到廣泛認同的。
從上世紀80年代起，用基因工程方法合成人胰島素開始廣泛應用，臨床用胰島素從動物胰島素全麵轉向人工合成人胰島素，使胰島素供應不足和副作用等問題全麵解決。今天，人胰島素的合成主要通過重組DNA技術用大腸杆菌發酵或酵母發酵兩種方法，而所生產的胰島素已不再是真正的人胰島素，而是人胰島素類似物（Analog human insulin）。人胰島素類似物是指在原來人胰島素一級結構的基礎上修改個別氨基酸以改進作為藥物的胰島素的藥代動力學和藥效動力學，使之更接近於內源性胰島素的性質。目前在全世界廣泛使用的人胰島素類似物根據其藥效持續時間分為長效、中效、短效和速效各種類型，共有約五十種，胰島素已經成為糖尿病患者首選和不可替代的藥物。
結語
胰島素是一項偉大的發現，造福於億萬人民。令人遺憾的是，胰島素發現的主要貢獻者班廷，卻於1941年因飛機失事早逝，當時隻有49歲。
胰島素工作完成不久，班廷和百思特同時受聘於多倫多大學醫學院，班廷被任命為班廷-百思特醫學研究所所長。在接下來的若幹年裏，他們的研究轉向癌症等方麵。此後班廷開始對航空醫學發生興趣，於1938年加入加拿大皇家空軍，致力於駕駛高空戰鬥機的飛行員遇到的生理問題的研究。班廷的業餘愛好是繪畫，曾是加拿大最著名的業餘畫家之一。1941年2月21日，班廷在加拿大紐芬蘭乘機去英國，飛機起飛不久因發動機故障失事，班廷於第二天不幸身亡。班廷兩次結婚，與第一人妻子育有一子。2004年，在加拿大廣播公司組織的最偉大的加拿大人全民投票中，班廷名列第四。
從1922年起百思特一直在多倫多大學工作，從事醫學研究，直到1978年去世。百思特在醫學研究中取得很多優異成績，是加拿大皇家學會會員，荷蘭國家科學院外籍院士，美國國家科學院榮譽院士。1972年，諾貝爾基金會正式承認當初諾貝爾獎評選遺漏百思特是一個錯誤。
麥克羅德1876年出生於蘇格蘭，1898年獲得萊比錫大學醫學博士學位，1903年移民美國，任凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）講師。1919赴加拿大，任多倫多大學生理學係教授、係主任。胰島素工作完成後，麥克羅德繼續在多倫多大學工作至1928年，然後返回蘇格蘭，任阿伯丁大學（Aberdeen University）生理學教授，至1935年因病去世。關於麥克羅德獲得諾貝爾獎，1923年授獎前後曾有較多爭議，認為他在胰島素發現這一工作上的貢獻不大，不足以獲獎。隨著時間的推移，隨著更多有關曆史文獻的解封，特別是麥克羅德早在1922年寫給多倫多大學校長但沒有發出的信件在1978年的解封，人們逐漸認識了這位科學家在胰島素發現中的貢獻，世人開始承認其獲得諾貝爾獎是當之無愧的。
1, https://www.diabetesatlas.org/en/sections/worldwide-toll-of-diabetes.html
2, https://www.who.int/health-topics/diabetes#tab=tab_1
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