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胰岛素的发现、应用及挑战

2022-04-20作者:壹声资讯
糖尿病非原创

作者:北京市垂杨柳医院 李彬


胰岛素的问世及临床应用彻底改变了糖尿病长期以来无药可治的局面,使许多糖尿病患者获得了新生,作为20世纪伟大的发现之一,胰岛素的发展同样经历了漫长的探索过程,其剂型的不断更新与人类对糖尿病认识的不断深化息息相关。



01

胰岛的发现

1869年,22岁的德国医学生Paul Langerhans发现胰腺外分泌腺及导管组织间,有一群很小的岛样细胞团块,后续的研究发现,这些细胞团块不同于胰腺的其他细胞,可能分泌某种特殊的激素。很可惜,Langerhans的发现在当时并未引起足够的重视。


1888年,俄国科学家Pavlov在进行食物与消化液之间消化生理关系的基础研究时,确认了胰腺的相关分泌物具有消化生理功能。


1890年,在Pavlov相关研究的基础上,德国生理学家约瑟夫·梅林(Joseph Freiherr von Mering)和奥斯卡·明科夫斯基(Oscar Minkowski)将几只狗的胰腺摘除,果然使这些实验动物引起糖尿病,这猜测终于得到证实。在他们摘除胰腺的手术中,有一只狗排了尿,只是由于偶然的原因,在实验后没有及时将这尿揩掉。第二天早晨,明科夫斯基的助手进实验室时,意外看到实验桌上有少许白色的粉末。为了弄清这粉末是什么东西,他就用最简单的研究方法,即将微量的粉末放到舌尖上尝一尝,此时他发现,这粉末无疑是糖。可是这实验桌上面怎么会有糖呢?于是,才想起昨天解剖时,狗排了尿。明科夫斯基立刻领悟到给狗摘除胰腺引起的糖尿病与尿中含糖之间的关系。


1893年,法国病理与组织学专家Edounard Laguess(1861-1927)正式将Paul Langerhans发现的位于胰腺外分泌腺及导管组织间孤岛一样的细胞团命名为“ilots de Langerhans”(法语,“ilots”意为“小岛”),简称胰岛,为了纪念Langerhans的特殊贡献,后人将“胰岛”也称为“朗格汉斯岛”,并且认为胰岛具有内分泌功能,其所分泌的物质有降血糖的作用。


1901年,美国医生尤金·奥培(Eugene Lindsay Opie)发现:在糖尿病人体内,并非整个胰腺都出了问题,仅仅是胰腺中央部位的胰岛—显微镜下看起来密集成团的小个头细胞—出现了明显的形态变化和萎缩。胰腺内分泌和外分泌的功能区别开始显现。


02

胰岛素的发现和提取

1906年,德国医学家乔治·佐勒尓Georg Ludwig Zuelzer尝试将胰腺组织的提取液注射于糖尿病患者,发现患者血糖水平下降,1908年相关文章发表。但在其后的大量动物实验中,部分注射胰腺提取液的实验动物发生了严重的抽搐,胰腺提取液在临床的实验应用也宣告终止。


1909年,比利时医学家Jean de Meyer切除了大量实验狗的胰腺,并系统观察、监测这些实验动物的血糖及尿糖水平,并仔细分析了胰岛本身所分泌的物质,确定了胰腺分泌物中含有降低血糖的物质,并将此物质命名为Insulin“胰岛素”。


此后,受Georg Zuelzer及Jean de Meyer相关研究的启发,众多医学科学家开始致力于寻求并获得这种能够降低血糖水平的特殊物质。


1916年,罗马尼亚生理学教授尼克拉·帕莱斯库Nicolas Paulesco开始胰腺分泌物提取的实验研究并获得成功,他称提取液为Pancrine。遗憾的是,Nicolas Paulesco并未将该提取液应用于临床并确定其降低血糖的临床疗效。


其后几年,众多医学科学家开始在各自的研究机构进行胰腺分泌物的提取实验,并尝试将提取液应用于糖尿病患者。临床研究发现:胰腺分泌物的提取液虽能降低血糖,但效果并不明显,而且会引起严重的不良反应,科学家将此原因归咎于提取液的纯度不够并猜测消化液中可能存在着降低胰腺分泌物生物活性的物质。


1920年10月,加拿大外科弗雷德里克·班廷(Frederick Banting,1891-1942)在研究一份病例报告时偶然发现,胰腺导管结石的患者在分泌消化液的其他消化腺体萎缩后,分泌胰消化液的胰岛细胞仍然存活良好。受此启发,Banting大胆提出:如果模拟结石阻塞的状况,结扎胰腺导管,待其他消化腺体萎缩后,再提取胰腺的分泌物,是否可以提取高纯度的“胰岛素”?Banting的设想引起了多伦多大学生理学教授J. J. R. Macleod的重视。这位教授指导Banting和其学生Charles H. Best进行相关实验研究。


1921年7月,Banting和Best制成了第1份呈粉红色的“高纯度”胰腺提取液,将此提取液注入去胰腺的糖尿病犬体内后,实验动物的血糖水平明显下降。其后,在生物化学家James B. Collip的帮助下,他们改进了胰腺分泌物提取、提纯的方法,制备出在当时看来纯度最高的胰岛素。


1922年1月,Banting开始早期胰岛素的临床研究,在一位患有糖尿病且生命危重的14岁男孩身上实现了人类历史上第一次真正意义上的胰岛素治疗,并获得巨大成功。这位男孩叫Leonard Thompson,在1月11日进行了第一次注射后出现严重的过敏反应,怀疑与杂质有关,Collip继续大显身手,迅速对提取液进行了进一步纯化,并于1月23日进行了第二次注射,在新治疗手段的帮助下,Thompson的血糖下降至正常水平,尿糖以及尿酮体消失。这一实验治疗开创了人类使用胰岛素治疗糖尿病的先河。在胰岛素的帮助下,Thompson又健康的生活了13年,最终因肺炎去世。


1922年5月3日,加拿大多伦多研究组在美国华盛顿举行的美国内科医师学会会议上宣读了题为“胰腺提取物对糖尿病的效果”论文,与会者起立鼓掌,称赞这一研究是划时代的医学发现。


同一个月,多伦多大学与礼来公司达成协议,帮助礼来开展胰岛素的规模生产,胰岛素迅速商业化,1922年11月,礼来的首席生化学家George Wolden开发了胰岛素的等电点沉淀法。当年年底,礼来(Lilly)的胰岛素产量已达到每周10万单位。这就是世界上第一个商业化胰岛素产品,因苏林(Iletin)。


03

胰岛素的结构和人工合成

1926年,美国生物化学专家Abel首次制得胰岛素结晶。


1936年,Scott利用重结晶法在锌离子的存在下得到了纯化的胰岛素晶体--精蛋白锌胰岛素(PZI)。


1946年,低精蛋白胰岛素(NPH)问世。


1955年,英国生物化学专家弗雷德里克.桑格(Frederick Sanger)将胰岛素的氨基酸序列完整地定序出来并推导出完整的胰岛素结构,完成了世界上第一个蛋白质(胰岛素)的一级结构测定,揭示了胰岛素的化学结构,并因此荣获1958年的诺贝尔化学奖。他还发明了RNA和DNA序列测定的方法,并在1980年第二次获得诺贝尔奖。


1960年,色谱技术的出现使高纯度单一胰岛素分子的制备成为可能,胰岛素的纯化取得历史性突破。


1965年,中国科学家首次成功实现了结晶牛胰岛素的人工合成,这是用单个氨基酸为原料,在实验室中合成结构和功能都和天然牛胰岛素一致的蛋白质。这是当时人工合成的具有生物活力的最大的天然有机化合物,也使中国成为世界上第一个人工合成蛋白质的国家。这是一个诺奖级别的成就,但最终与诺贝尔奖擦肩而过。


1969年,英国科学家Doroth Hodgkins利用X射线衍射测定了胰岛素的三维立体结构而再一次获得了诺贝尔化学奖,人类对胰岛素化学结构的研究画上了圆满的句号。


整个20世纪是胰岛素治疗领域变革和创新的时代,从胰岛素的分离、动物胰腺提取物的纯化和浓缩、长效制剂的开发,进展到利用重组 DNA 技术制造人胰岛素和改良胰岛素类似物。目前可用的胰岛素种类还包括胰岛素混合物、浓缩胰岛素和具有替代给药途径的胰岛素,为糖尿病患者提供了广泛的选择。


04

写在最后


2022年是胰岛素临床应用一百周年,胰岛素的首次成功临床应用改变了糖尿病患者的生活。它的发展过程是一个完美的例子,说明了小的渐进进步如何能够导致某个领域的重大突破。此外,随后几年胰岛素产品和相关工具的开发和完善突出了临床医生、研究人员和制药公司之间的合作在改善糖尿病患者生活方面不可或缺的作用。


尽管外周注射和低血糖仍然是严峻的挑战,但自动化胰岛素输送系统等激动人心的应用正在进入糖尿病科室,更智能(例如葡萄糖敏感)的胰岛素和新的给药途径(例如口服或吸入胰岛素)逐渐显示出巨大的潜力。


胰岛素已有一个世纪的历史,当前仍有很多挑战,但前景是光明的。


来源:泌说医语

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