发现胰岛素:百年前的多伦多之夏

来源:南亚研究通讯时间:2021-07-05

谨以这篇科学史小品怀念这位优秀的历史学家并庆祝胰岛素的百年辉煌。

READING前言

2021年是胰岛素发现的一百周年。一个在动物胰腺内合成分泌的激素,被发现后无需任何修饰就能直接成药,把糖尿病由绝症转化为可以控制的慢性疾病,这无疑是人类医学史上罕见的奇迹!

2017年3月,我意外在Youtube网站上发现了当年在复旦大学读本科时观赏过的译制片《共同的荣誉》英文原版。惊喜之余,专门给该片原著Michael Bliss发去慰问的电子邮件,顺便询问他以前发表的两篇有关Macleod的科学史论文是否有电子版。没想到老先生专门用扫描仪把抽印本制成PDF文件后发给我,令我无比的感动!后来通过网络得知,Bliss教授与我交换几次电邮后不久,在当年5月18日因病去世。

在此选取一封Bliss教授给我的回信与读者分享,谨以这篇科学史小品怀念这位优秀的历史学家并庆祝胰岛素的百年辉煌。

1923年度的诺贝尔生理学或医学奖是少有的符合诺贝尔遗嘱中“前一年”标准的案例(图一)。笔者在研究这一案例后发现,运气在胰岛素的发现过程中占据了显赫的主导地位,虽然它并没有跳出巴斯德名言“机遇只偏爱有准备的头脑”之范围。

胰岛素故事的“男一号”班廷医生(Frederick Banting),于1916年从多伦多大学(University of Toronto, UT)医学院提前结业,并马上参军,投身于在英国的第一次世界大战战场,1918年在康布雷战役(Battle of Cambrai)中光荣负伤。

从军队退役后,想以外科医生为职业的班廷诸事不顺,没能在UT著名的儿科医院谋得正式职位。为了靠近与未婚妻Edith Roach任教的高中,1920年7月,班廷选择离开从小长大的多伦多北面小镇Alliston,来到了多伦多西边110英里外的London市开了一个私人诊所。

图一。来源:Bliss, M.(1982)The Discovery of Insulin;Youtube视频:1988年加拿大影片“Glory Enough for All”,汉语配音译制版《共同的荣誉》(1991年8月24日至9月14日,中央电视台每周六晚“正大剧场”分四次播出)。

诊所开张后可谓门可罗雀,班廷靠经济状况富足的父母接济才能勉强度日,而未婚妻Edith已有稳定的教师工作和相当体面的收入。1920年代,作为一个有自尊心的加拿大男士,班廷显然无法接受未来要靠妻子的收入来“吃软饭”的局面,因此一再推迟婚期,又给自己增添了感情生活上的危机。为了弥补诊所生意的惨淡,班廷开始在London市的西安大略大学(Western University, WU)兼职外科学和解剖学的讲师。

1920年10月30日,一个星期六的夜晚,班廷正在为主管教授米勒(F.R. Miller)临时给他的讲课任务而犯愁,题目是他完全不熟悉的糖代谢与糖尿病。经过几个小时“临时抱佛脚”式的教科书阅读和摘录,班廷在备课结束时,随手拿起刚收到的当年11月号“Surgery, Gynecology and  Obstetrics”期刊作为临睡前的催眠读物。有趣的是,这期杂志的第一篇就是美国病理学家巴伦(Moses Barron)讨论胰岛(Islets of Langerhans)与糖尿病关系的论文(图二)。


图二:美国医生巴伦探讨胰岛和糖尿病潜在关系的论文

巴伦在研究一例罕见的胰腺结石病理切片时,发现结石阻断胰管导致的胰腺萎缩和文献中报道的实验动物胰管结扎模型颇有相似之处。事后回看,巴伦通过病理比较的推理并不严谨,不能确立胰岛细胞与糖尿病之间的因果关系。

读了论文之后,班廷依然无法入睡,当挂钟敲响星期天凌晨2点时,他突发奇想,匆忙在笔记本上写下一个实验方案:通过结扎狗的胰管使得胰腺泡细胞(acinar cells)退化而外分泌减少,负责内分泌的胰岛细胞(islet cells) 无碍。这样也许可以从萎缩的胰腺中抽提出可以用来缓解糖尿病的物质(图三)。班廷在这里想要减少外分泌的直觉依据是,胰腺分泌的蛋白酶如果大量存在于抽提物中,很可能会破坏想要纯化的物质。

班廷在接下来的周一讲课完毕后,忍不住和米勒教授谈了自己的这个想法。神经生理学出身的米勒对糖代谢完全不了解,但他知道当时正在班廷母校UT任教的麦克劳德教授(John Macleod)是糖尿病领域的权威,建议班廷尽快去找他谈。

班廷曾在读医学院以及当兵期间,结识了被他视为教父般的UT儿科医院第一位首席外科医生斯塔(Clarence Starr)。通过斯塔的牵线搭桥,班廷于1920年11月8日在麦克劳德的办公室见到了这位素昧平生的权威学者。

这次谈话进行得并不顺利,麦克劳德发现眼前的这位年轻医生对糖尿病和胰腺生理学只有非常肤浅的书本知识,而且在此前没有任何实验室研究经历。麦克劳德不得不提醒班廷,已有很多生理学家在装备良好的实验室里耗费了很多年甚至整个职业生涯,也没能令人信服地证明胰腺内分泌的存在。

不善言辞的班廷具有执着的信念,在看到麦克劳德已把注意力转向手上其它事情后,依然断断续续地不停谈他的实验构想。此时麦克劳德转念一想,反正用萎缩的动物胰腺作为实验材料确实还没人尝试过,此人既然是外科医生,结扎手术技能还是靠谱的,不如提供几条狗让他试试,就算是阴性结果也是有意义的。

 

班廷在麦克劳德初步同意提供实验条件后,还有一个需要操心的问题:这份临时的全职科研工作是没有任何收入的。如果决定上马,班廷就需要暂时关闭在London市的诊所,而去多伦多进行一场个人职业生涯的豪赌!经历了4个月的思想斗争后,班廷不顾斯塔的反对,在1921年3月8日给麦克劳德写信,告知自己愿意在5月的下半月加上6月和7月来到后者提供的实验室里义务工作。

麦克劳德事先已定了1921年6月15日到9月20日去苏格兰的度假方案,在出发前有一个月的时间帮助班廷的动物实验起步。他指派了本科生贝斯特(Charles Best)作为班廷的实验助手,专门负责测量实验狗的血糖和尿糖。详细的实验方案如图四所示,先把健康的狗分为两大组,对其中一组实施胰腺切除手术导致糖尿病的发生(红色),而对另外一组实施胰管结扎手术(灰褐色),在外分泌细胞萎缩后再把胰腺取出并纯化抽提液。随后再把胰腺已被切除的糖尿病狗分为两小组,将抽提液注射到其中一组动物的血液之中,并随时观察体征,测量血糖和尿糖。

班廷和贝斯特的实验初期出现了各种问题,导致不少实验动物的死亡。而他们的实验能够继续进行下去,恐怕要感谢上世纪二十年代的动物实验管理条例还很不完善。麦克劳德在出发度假前的一个月内给出了不少具体建议,其中6月9日和14日的内容都通过班廷的笔记本档案而得以保留。

实验进行到7月初依然没有起色,那时班廷和贝斯特已经用了19条狗,其中12条属于非正常死亡,只有2条是正常死亡。存活的5条狗属于胰管结扎组,其中只有2条出现了胰腺萎缩的症状。1921年7月的多伦多之夏极其炎热,我们可以想象两人在没有空调的实验室里奋战之辛苦。

7月30日,班廷“主演的剧情”开始慢慢发生反转,他在手术时发现6月7号胰管被结扎的391号狗胰腺萎缩明显,于是断然决定对其制备抽提液。早上10:15,班廷将4毫升抽提液通过静脉注入胰腺被切除的410号狗,贝斯特测出的血糖值是0.20。一个小时后,血糖下降了40%而到了0.12,此时班廷又注射了5毫升抽提液,但一个小时后血糖只降到0.11。到了下午2:15,之前的“战果”开始消退,血糖回升到了0.14(图五)。到了第二天早上,410号狗还是没能逃脱死亡的命运。但两人的士气还是深受这个小进展的鼓舞,第一天观察到的40%血糖下降是个很好的兆头。

 

 

8月1日是个星期一,两人接着上周六的势头继续尝试,此时他们手上只剩一条胰腺被切除的406号狗,中午12:10时血糖高达0.50,已在昏迷状态,看上去奄奄一息。班廷将8毫升抽提液注入,一小时后血糖虽然只降到0.42,但令两人无比惊喜的是,406号狗此时站了起来并能在地上行走!下午1:10,堪比两千多年前阿基米德跳出浴缸的“尤里卡”时刻,两人兴奋地把406号狗牵到实验大楼房顶拍照留念(图六)。

随后班廷又注射了5毫升抽提液,到了下午2:10,血糖降到了0.30。可惜好景不长,406号狗很快又进入昏迷状态,并于3:30死亡(图七)。但从昏迷到站立这一戏剧性的转变,已经让他们看到了胜利的曙光。

 

接下来胰岛素如何被最终发现的故事就无需笔者在此详述了,有兴趣者可以参阅优秀科学史学家Michael Bliss的名著The Discovery of Insulin。

从转化医学和新药研发的视角来看,胰岛素发现过程中的诸多机缘巧合(serendipity)无疑是前无古人的:

(1)糖尿病有一个非常好用的特异性生物标记(biomarker):血糖,虽然上世纪二十年代的分析化学技术还不够发达,但检测葡萄糖浓度可以由一个本科生胜任;

(2)班廷等人发现的胰岛素是一种激素,无需任何蛋白工程的修饰,直接注射入血液可以直接达到疗效。相比之下,1980年代健赞公司(Genzyme)用酶替代疗法治疗多种罕见病时,必须对蛋白进行修饰,才能确保注入血液后最终进入器官组织细胞内的溶酶体;

(3)几十年后有了蛋白测序技术,人们才意识到成熟的人源胰岛素序列,其A链和B链与多种动物的相应序列只差一两个氨基酸,在功能上完全可以相互替代(图八)。来自动物的胰岛素可以直接用于临床治疗,而无需动用直到1970年代末才登上历史舞台的重组DNA技术,来批量生产人源胰岛素。换言之,胰岛素作为一种治疗用蛋白,从动物实验到临床应用几乎是“无缝转化”(seamless translation)。

 

但是有一点需要特别指出,用在动物身上的胰腺抽提液纯度不高时,问题还不大,但若要把胰腺抽提液用到糖尿病人的临床试验,对胰岛素的纯度要求就很高。而对这个蛋白的纯化攻坚,离不开1921-1922学年在麦克劳德实验室学术休假的顶尖生物化学家科利普教授(James Collip),他的重要贡献后来被贝斯特利用“历史修正主义”(revisionist history)小动作而一度淡化,直到1980年代很多第一手史料面世后,才正本清源。

1922年1月11日下午,多伦多总医院的内科医生杰弗里(Edward Jeffrey)将15毫升由贝斯特初步纯化的狗源胰岛素抽提液,注入已经病危的14岁糖尿病男孩汤普森(Leonard Thompson)体内。几个小时后病人的血糖和尿糖虽然都有明显下降,但是病情的总体改善有限,而且抽提液中的杂质还导致了病人的过敏反应。

两周之后的1月23日上午11点,坎贝尔医生(Walter Campbell)给汤普森注射了5毫升由科利普纯化的抽提液,下午5点又注射了20毫升,第二天先后又注射了两次10毫升。整个疗程进行了一个多月后,医学史上首个糖尿病人的胰岛素疗法临床试验正式宣告成功(图九)。

1923年度的诺贝尔生理学或医学奖最终由班廷和麦克劳德两人分享,班廷决定把他的一半奖金与贝斯特平分,作为回应,麦克劳德把他的一半与科利普平分。这种特殊的分配方式,使根据The Discovery of Insulin改编的电影获得了一个皆大欢喜的名字:Glory Enough for All (《共同的荣誉》)。

 

推荐阅读:Bliss, M. (1982) “The Discovery of Insulin”, University of Chicago Press.

撰文 | 徐亦迅