揭秘胰岛素被发现的传奇历程

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<article><section data-type="rtext">出品：科普中国制作：中国细胞生物学学会 王立铭监制：中国科学院计算机网络信息中心在上文中我们说到，一场突如其来的世界大战使得新旧大陆发现胰岛素的努力戛然而止，欧洲和美国的科学精英们要么义无反顾地投笔从戎，要么顺从国家的需要交出了实验室或者改变了研究方向。尽管战争终于在1918年结束，但是满目疮痍的旧大陆显然需要时间来平复战争的创伤。科学研究，在一段时间里也只能是旧大陆生物学家们一个奢侈的梦想。于是大时代的浩浩天风似乎是不经意的，让发现胰岛素的机会漂洋过海，驾临远离战火的新大陆。小人物和大时代的邂逅1920年11月8日。一位名叫弗雷德里克·班廷(Frederick Banting)的年轻医生走进了加拿大多伦多大学医学院生理学系主任约翰·麦克莱德(John James Richard Macleod)的办公室。
 <adv-loader __attr__inner="7004636" __attr__style="width: auto;position: relative;float: left;border: 1px solid #ebebeb; padding: 20px;overflow: hidden;margin: 10px 30px 40px 0;"></adv-loader>
 “教授，我有个新点子，也许可以帮助我们提纯胰岛素，就是那种来自胰腺的，能够快速降低血糖的物质。”多伦多大学医学院当年麦克莱德的实验室就在这栋楼里，班廷、贝斯特、和克里普也正是在里面完成了他们提纯胰岛素的工作。(图片来自www.medlive.cn)一个小人物就此走进那个波澜壮阔的大时代。亲爱的读者们，在下面的故事里，你们将会看到，尽管在大时代的洪流中，人类世界那些最精英的头脑显得如同一片漩涡中的树叶那样无助，但是一个真正的小人物，如果拥有了无比坚定的决心和勇气，也同样有可能在时代中挺身而出，成为整个时代的象征。请原谅我把伟大的弗雷德里克.班廷爵士，胰岛素的发现者，诺贝尔奖金获得者，加拿大的国家英雄和无数糖尿病人的救星描述为“小人物”。实实在在的说，在1920年那个重要的时间节点，在面对胰岛素的战斗中，他确实是个不折不扣的小人物。为什么这么说？让我们先回忆一下在1920年之前，科学家在追寻胰岛素的道路上取得的成就吧：1889年，冯梅林和闵科夫斯基的开创性工作已经明白无误的提示动物胰脏能够产生一种物质(也就是人们假想中的胰岛素)有效地控制血糖;他们的工作同时还建立了第一种糖尿病的动物模型(胰腺摘除的狗)。1901年，尤金·奥培的工作将胰腺的两个功能在解剖学上清晰区分开来：分泌消化酶的腺泡和分泌胰岛素的胰岛。而在大战前后，美欧的多个实验室已经初步证明，粗糙的胰腺提取物能够降低血糖。在此基础上，试图从胰腺粗提物中纯化出真正的胰岛素的工作尚未取得成功就受到了战争的干扰。基于这些成就和失败，如果一个年轻人希望向着提纯胰岛素这项伟大事业进军，那么他/她的理想状态应该是这样的：他/她应该对动物内分泌学和解剖学基础知识有着精深的钻研;应该熟悉狗的外科手术操作和糖尿病模型;应该有高超的生物化学功底使得他/她可以进一步纯化出胰岛素分子;同时，他/她也应该熟悉领域内同行们已经取得的进展，并在此基础上构思自己的研究方向。而此时站在麦克莱德教授办公室里的班廷医生，上面说的这些基本素养他可是一丁点儿也没有。不仅如此，这位年方而立的小人物在此前的人生中似乎也没有什么值得夸耀的科学训练和成就：1913年进入多伦多大学学习医科，经过战时的速成教育后很快于1916年底毕业并加入英国军队在欧洲参加第一次世界大战(此时加拿大尚属于英国领土)。很难说这么短的医学速成教育是否在班廷身上留下什么像样的印记。举例来说，在整个1916年中，班廷都没有好好上过什么课，笔记本只用掉了区区五页，这对于强调记忆和背诵的医学教育来说简直难以想象。而在战后班廷的医学职业也进行得磕磕绊绊，试图在多伦多著名的病童医院谋职未果，一气之下班廷跑到了两百公里外的小镇伦敦开业行医，可是他的小诊所生意无比冷清：直到开业后第28天，班廷才迎来第一个顾客，一个来购买医用酒精过酒瘾的醉醺醺的退伍老兵。而他整个月的收入只有四美元!事实上，没有任何迹象表明，班廷在1920年前的三十年人生中，曾经和胰腺的功能、胰岛素、糖尿病的研究有过任何交集，或表达出任何兴趣。为生计所迫，他在诊所附近的大学谋得了一份兼职讲师的工作。而在1920年10月30日晚，就在班廷开始准备一堂关于糖尿病的讲义的时候，这个小人物的人生轨迹，与关系到人类健康的这个重大谜题轰然相撞。年轻的班廷医生对糖尿病仅有极其肤浅的认识，医学院课堂上的些许知识大概也早已遗忘在战场上了。但是为了备课，班廷研究起了一篇刚刚发表的学术论文。在文章中，来自美国明尼苏达大学的研究者报道说，如果用外科手术结扎胰腺导管，那么本来通过导管向小肠输送消化酶的腺泡细胞就会慢慢萎缩死去;而与此同时，负责调节血糖的胰岛细胞却安然无恙。这个结果让班廷无比兴奋。由于熬夜太晚导致了精神恍惚，班廷在兴奋中留下了一张满是错别字的笔记，笔记中满带着“糖尿病、胰岛结扎、分离内分泌液、排泄糖尿”这样的关键字眼。如果让笔者试图还原，班廷当时的想法也许是这样的。班廷知道胰腺有两个功能：腺泡细胞分泌消化酶，胰岛分泌传说中的胰岛素。人们一直搞不定胰岛素，大概是因为消化酶能破坏胰岛素(实际上班廷不知道，早在大战前欧洲的科学家已经能够提取出胰腺粗提液了)。那么结扎胰腺导管杀死腺泡细胞，胰腺里面大概就只剩下胰岛素了;而且因为不再有消化酶，胰岛素就不会被轻易的破坏掉。所以这样一来，从胰腺中提纯胰岛素应该就会变得容易很多。带着突然之间找到一个“天才”想法的巨大喜悦，这个懵懂的年轻人在一周后兴冲冲的前往多伦多大学麦克莱德教授的办公室，希望得到这位举世公认的内分泌和代谢领域权威科学家的支持，实现他提纯胰岛素的梦想。百折不挠麦克莱德理所当然地拒绝了班廷的要求。和看起来有些落魄的班廷不同，当年四十四岁的麦克莱德早已是名满天下。他在内分泌学、碳水化合物代谢、生理学等诸多领域建树颇深，是新大陆各大医学院争相延请的学术巨擘。更有甚者，和区区一周前才刚刚接触糖尿病概念的班廷不同，早在十几年前麦克莱德就已经开始了针对糖尿病的严肃研究，他熟悉这个领域里同行们取得的所有成就和失败。因此，当班廷兴奋不已的抛出那个结扎胰腺导管帮助提纯胰岛素的主意时，麦克莱德的心中已经在构思怎么礼貌地把这个疯疯癫癫的年轻人请出门去的措辞了。麦克莱德知道欧洲的同行们在提纯胰岛素这个问题上已经有不错的进展，班廷结扎胰腺导管这个主意，即便不是荒诞不经，至少也是画蛇添足多此一举。然而班廷没有放弃。如果说这个“小人物”身上有什么特质对他的成就有决定性的影响，那应该就是他的勇气和坚持。班廷从小就是个确定了奋斗目标就一往无前的人：申请大学时第一年失败，他又坚持一年，终于进入了多伦多大学学习;毕业前想参军入伍，第一次申请因为视力太差失败，他持续不断的申请终于如愿以偿;在战场上他永不停歇的救助受伤的战友，曾有一次连续十六小时工作不休，最终获得十字勋章。蹙起的眉头，直视前方的眼神，嘴唇带起的坚毅的面部线条……从各种现存的班廷肖像上，我们还是能很容易的看出这个人物身上百折不回的决心和勇气。这一次他又把这种劲头用在了麦克莱德身上。终于在几个月的软磨硬泡后，这个老牌的苏格兰绅士忍不住了。恰好麦克莱德在1921年夏天要回苏格兰老家度假休养，大概也是抱着聊胜于无的心态，麦克莱德允许班廷在那个暑假使用他设备精良的实验室尝试一下胰腺导管结扎的主意，顺便管教管教那些实验室里闲着无聊的大学生。也许那一刻，这个老牌绅士心里的想法是，让这个不知天高地厚的年轻人碰碰壁，也许就不会再来烦他了吧!于是这个一往无前的小人物，终于开始用一己之力改变整个大时代的走向。1921年5月份，班廷终于开始了他计划中的实验。麦克莱德在起身度假前，将自己设备精良的动物中心的钥匙交给了班廷。哦，还有班廷需要的10条狗，以及一个懵懵懂懂的金毛小子查尔斯.贝斯特(Charles Best)做他的助手。在讲他们的故事之前，还是让我们从科学角度，好好还原一下班廷医生的实验吧。班廷的想法我们已经讲过，他希望首先结扎狗的胰腺导管，然后静等狗的胰腺腺泡细胞—也就是专门分泌消化酶的细胞—完全死亡之后，再解剖割取狗的胰腺，切烂捣碎浸泡，从中提取粗提液，并期待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”。但是且慢，既然“胰岛素分子”迄今为止还只是个传说，谁也不知道它究竟长什么样子，那在这一通切烂捣碎浸泡提纯的过程中，班廷怎么知道胰岛素还在不在，有没有被这一系列“大厨的功夫”给破坏掉呢？换句话说，班廷还需要一个检验的办法，在一步步提纯的过程中，不断地检测溶液里胰岛素的含量是不是在逐步提高，而杂质是不是确实在不断减少。然而既然胰岛素到底是个什么东东人们还一无所知，班廷他们唯一能做的，就是把提纯过程中的溶液一次又一次注射到糖尿病狗身上，看看血糖浓度是不是会下降，并根据这个来间接判断他们手中的提取物里面到底还有多少胰岛素。看到这里读者们应该能想像出班廷要做的实验了吧!首先，可怜的狗狗们将会被分成两组，一组要摘除胰腺，被改造成气息奄奄的糖尿病狗;一组则要首先结扎胰腺导管，待伤口恢复、胰腺腺泡凋亡之后，再杀狗取胰，从中制备粗提液。随后，粗提液将要被注射到糖尿病狗的体内，看是否能够降低这些狗狗的血糖水平。如果不行那么所有实验必须从头再来一遍，如果可以，那么班廷就可以继续用“大厨的方法”处理这些粗提液，每处理一步就注射给糖尿病狗以确定降血糖的功效，周而复始，直到找出真正的胰岛素。在这整个实验流程里，班廷唯一可能有点熟悉的，就是胰腺导管结扎。而就这可怜的一点点“熟悉”听起来其实也很可疑：他只不过是从那篇明尼苏达大学的论文上听说了有这么种手术操作而已!不过幸运的是，他所说服的麦克莱德是这些必须技术的大师：麦克莱德本人就精通胰腺摘除和糖尿病狗模型的建立(别忘了他可是已经研究了十几年的糖尿病);麦克莱德装备精良的实验室也引进了当时最先进的血糖测定方法(Shaffer-Hartman方法);与此同时，麦克莱德自己虽然不擅长蛋白质的提纯(也就是那些“大厨的活计”)，但当时倒恰好有这么一位人物。年少成名的生物化学专家—詹姆斯·克里普(James Collip)，此时正好在多伦多大学访问!奇迹还是神迹？也许冥冥中真有天作之合，在1920年夏天的多伦多，为提纯胰岛素所做的所有准备工作已经就绪：精良先进的技术平台，世界顶级的专业团队(哦，这里说的主要是麦克莱德和克里普)，之前十年美欧科学家的知识积累，还有班廷这位百折不挠的坚强人物。当然实验开始的时候并不顺利。不要忘了，在麦克莱德离开之后，班廷和贝斯特尽管最不缺乏的就是勇气和干劲，可是两个人在给狗动手术上却是不折不扣的新手(实际上，最早的胰腺摘除手术还是麦克莱德本人在离开前亲自示范的)。一点儿也不奇怪，麦克莱德留下的十条小狗没多久就先后死在了手术台上，原因无一例外的是因为手术事故：失血过多、麻醉过度、术后感染。俩人很快不得不自掏腰包从市场上买回更多的狗。以至于到今天，多伦多大学医学院的学生们中间都还流传着，宠物狗在暗夜中神秘消失的传说……直到夏天过去的时候两个人才取得了成功：一只编号为92(也就是说，已经有91只牺牲的小狗了)的糖尿病牧羊犬，在接受了班廷和贝斯特准备的胰腺提取液注射之后，精神焕发的又活了回来，一直健康的活到半个月之后!在并不长的生命中，班廷始终把这一刻作为他科学事业的最高峰，他终于如愿以偿的亲眼看到了胰岛素的神奇功效。班廷(右)、贝斯特(左)和他们一只糖尿病小狗的合影值得一提的是，在整个实验过程中，班廷的最终目标都是找到能用于治疗人糖尿病的物质。为了这个目标，他和贝斯特甚至在提纯工艺极其粗糙的实验早期就偷偷将粗提物注射给一位患有糖尿病的同学。他们俩还数次将粗提液给自己注射，以观察对人体的反应。(图片来自www.torontoist.com)然而对于读者们而言，92号病狗的故事大概就谈不上那么精彩了。我们已经知道，实际上早在十几年前，德国医生佐勒尓和罗马尼亚科学家帕莱斯库已经分别独立的发现，胰腺粗提液确实能够降低血糖。换句话说，在大战结束后的遥远新大陆能够证明胰腺粗提液的功效固然可喜，然而从科学进步的角度而言，班廷他们其实还没有完成任何值得一提的突破。顺便说一句，笔者前面讲过班廷对糖尿病不熟悉可不是信口开河。根据史料，班廷一直到拿到糖尿病有关的诺贝尔奖，都不知道佐勒尔和帕莱斯库的工作。也不知道该赞叹一句初生牛犊，还是该嘲笑一句无知无畏。恰好也在差不多同时，麦克莱德度假回来了。作为老牌的糖尿病专家，麦克莱德迅速意识到了班廷工作的意义：尽管从发现时间上并不领先，但是至少班廷和贝斯特确确实实制备出了有血糖控制作用的胰腺粗提液。这样，这个多伦多大学的团队踏踏实实的站在了伟大发现的边缘：有了粗提液，他们就可以继续佐勒尔和帕莱斯库未竞的事业，真正开始提纯胰岛素了。后面的故事就发展的更加顺理成章一点：班廷和贝斯特用一个暑假的成功，说服了麦克莱德继续支持他们的研究，随后他们放弃了从小狗身上动刀提取胰腺粗提液，而是转而到附近的屠宰场收集大量的废弃牛胰腺，这样明显加快了他们的研究进度。而到这个时候他们也开始意识到结扎胰腺导管是一件多此一举的事情(可怜班廷那个深夜产生的“天才”想法，和那么多死在手术台上的小狗)，他们发现只需要用酸化酒精浸泡牛胰腺，就能够准备出具备血糖控制功能的胰腺粗提液。而麦克莱德和克里普那边的进度似乎更加美妙一点：麦克莱德建议干脆连摘除胰腺制造糖尿病狗的工作也可以省掉了，直接在正常兔子上检测提取液是否能够降低血糖，两相结合之下班廷和贝斯特的实验被简化了许多许多倍：本来要在两组小狗上分别动刀才能完成的艰难实验，现在只需要跑一趟屠宰场再养几只小兔子就解决了!而更重要的，是生物化学家克里普的加入。这个长久以来被公众忽略，甚至被刻意刻画成抢功劳的小人，对于胰岛素的真正发现居功至伟。和班廷、贝斯特和麦克莱德都不一样，克里普是正经的生物化学家，所擅长的不是给动物做手术，而是从一管谁也搞不清到底有什么的、浑浊的组织液里真正分离出救命的那一种化学物质。在2012年12月正式被麦克莱德邀请加入胰岛素纯化的工作后，克里普用一种让班廷和贝斯特目瞪口呆的娴熟技艺，很快摸索出了如何尽可能的排除胰腺粗提液中的杂物、制备出相对纯净的胰岛素溶液的方法。您还别笑，生物化学家、特别是早年的生物化学家手里的三板斧真的听起来不怎么高大上，无非是把动物组织切切煮煮泡泡沉淀沉淀的干活。举个例子，大家可能还记得中学物理课本上学过的一道题目：沙子和食盐混在一起了，怎么分开？办法是先泡水里，这样食盐溶解了而沙子沉淀在容器底部，之后用滤纸过滤掉沙子留下食盐水，再把水烧干留下食盐颗粒即可。这么个小小的考试题里用到了几种很重要的分离技巧：利用溶解度的差异分离物质;利用沉淀去除杂质;利用蒸馏提纯溶液中的物质。实际上，克里普正是用差不多的思路，制备出了比较纯净的胰岛素。多伦多大学，班廷、贝斯特、克里普和麦克莱德用于提纯胰岛素的实验室。(图片来自www.breakthroughthebook.com)终于，1922年1月，一名名为莱昂纳多·汤普森(Leonard Thompson)的重度糖尿病患儿，在多伦多总医院接受了胰岛素针的注射，奄奄一息的汤普森一天之后血糖便恢复到正常水平，几天后就恢复了生机和活力。就这样，班廷他们用一种近乎于神谕的方式宣告，糖尿病等于死刑判决的时代，终于一去不复返了。多少年后，当事人还满脸欣慰的回忆着当年的景象：新大陆各地的糖尿病孩子们被父母争先恐后地送往多伦多医院。医院没有那么大的病房可以容纳这么多患者，因此就安排了临时帐篷，让骨瘦如柴、奄奄一息的患者们一个挨一个地躺在长长的帐篷里。这一幕本来会让所有人肝肠寸断，但是此时却成了充满希望的图景。医生们从帐篷的一头开始给孩子们注射胰岛素针，一个接一个注射下去。而还没等医生们前进多久，接受注射的孩子们就神奇的坐了起来，眼睛里重新恢复了神采!第一个，第二个，第三个……这是不折不扣的奇迹，不，这是神迹!只不过并非来自看不见摸不着的哪路神仙，这是现代科学的神迹，是班廷、贝斯特、麦克莱德和克里普的神迹。尾声和谢幕1922年5月，麦克莱德代表整个四人研究团队向全世界报告，他们提纯出了高效安全的胰岛素溶液，可以迅速治疗糖尿病患者。翌年10月，瑞典皇家科学院授予班廷和麦克莱德诺贝尔生理及医学奖。在整个诺贝尔奖的历史上，从来没有这么快得授予一项发现。也许是因为，人们在黑暗中等待糖尿病克星的出现，实在是等待得太久太久了。然而这个四人团队的矛盾也就此公开和白热化。不满于诺贝尔奖忽略了他的助手贝斯特的贡献，班廷在获奖当天就宣布将奖金与贝斯特共享，并扬言诺贝尔奖更应该授予自己和贝斯特两人，麦克莱德完全是研究的局外人。与此同时，麦克莱德也宣布将奖金与克里普分享。胰岛素的四位发现者：班廷(左上)，贝斯特(右上)，克里普(右下)，麦克莱德(左下)。不管诺贝尔奖如何颁发，也不管健忘的公众到底能记得多少人的名字，是这四位人类的英雄为我们带来了胰岛素。承认可以迟到，但是绝不应该永远缺席。(图片来自www.torontoist.com)而近百年来，围绕着胰岛素发现者这一永恒的光荣，几位当事人、当事人的后人和所在机构，以及好奇的公众和历史学家们已经打了太多太多的嘴仗。联想到最近一段时间国内科学界甚嚣尘上的“诺奖”情节，以及两所著名大学因为一项“诺奖级别”的成果产生的学术争议，有时候真让人感慨，诺贝尔奖，也许竟是这位老人家给科学家们的永恒诅咒？不过就像那句话说的，承认可以迟到，但是不会永远缺席。在百年后回望，我们清晰地看到四人团队中的每个人，都为胰岛素的发现居功至伟。贝斯特协助班廷开始了胰腺提取液的最初成功制备，并尝试了使用酸化酒精从牛胰腺中大量提取的方法。麦克莱德为整个研究提供了技术和资金支持，同时利用自己的经验为项目提供了不可或缺的指导：从胰腺切除手术的教导，到改用兔子模型检测血糖。而克里普，更是用他出神入化的生物化学手段，最终拿到了可以安全用于人体的纯净胰岛素。而班廷，这个半路出家的小医生，因为一个事后被证明是多此一举的“天才”想法坚持向胰岛素进军的小人物，也许正是他的勇气和坚持，才把这四位英雄人物凝聚在一起，最终为整个人类，带来了战胜糖尿病的第一线曙光。胰岛素发现者这个称号，他当之无愧。班廷这辈子似乎总是和战争、军队有缘。第二次世界大战爆发后他第二次加入军队，参与了一系列军事科学的研究项目，在1941年死于空难。人们相信，当时他正在参与一项极端机密的军事任务。1989年，在他曾经行医的小镇伦敦，一束名为“希望”的火炬被伊利莎白女皇郑重点燃。这火炬将一直燃烧在以班廷名字命名的广场，直到另一位班廷式的英雄，为全人类彻底治愈糖尿病。希望火炬(Flame of Hope)，位于加拿大安大略省伦敦镇的班廷广场，于1989年7月7日由英国伊利莎白女皇亲手点燃。这束火炬将一直燃烧，直到人类最终发现治愈糖尿病的方法，并由这一方法的发明者亲手熄灭。这束火炬是纪念更是提醒：提醒人们在最终战胜糖尿病，和其他人类疾病的道路上，我们还有很多很多的工作要完成。(图片来自英文维基百科)这束火炬，也将照亮所有为人类健康努力工作、上下求索着的英雄们，照亮他们前方的黑暗，照亮他们坚毅的眼神。这种希望，最终将为我们带来更美好的生活，更健康的身体，和更多关于自然、关于我们自己的奇迹。敬请期待下文《糖尿病：过去、现在和未来(七)：胰岛素传奇(上)》。班廷他们完成了发现和提纯胰岛素的壮举，但是胰岛素的故事，其实才刚开了一个小头。“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。本文由科普中国移动端出品，转载请注明出处。</section></article>

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