糖尿病与胰岛素的故事(三)

7.神奇的胰岛素

麦克劳德教授为了解决面临的问题,丢下手中所有的工作,调动自己的全部资源,投入胰岛素提取研究,解决了大量提取的难题。为给多个糖尿病患者进行治疗创造了条件。

胰岛素治疗糖尿病成功的消息不胫而走,也传到了美国,引起了当时的美国国务卿休斯(Charles Evans Hughes)的关注。因为在1919年的春天,他的12岁女儿伊丽莎白(E.H.Elizabeth)被医师确诊为糖尿病。医师立即给她施行“饥饿疗法”。除定期绝食外,平时只吃瘦肉、牛奶、少许水果、无味的麦麸饼和煮过3次使糖分尽失的蔬菜。每天热量仅400千卡。尿糖排出一多,她的饮食热量还要减到300千卡。她身高151厘米,发病前体重28公斤,一个月的饥饿疗法后,体重只剩19~20公斤。因为虚弱,她多半的时间只能躺在床上看书、写信,在她心情好的时候,她告诉母亲对未来的憧憬:她21岁生日怎么过,在什么时候结婚。母亲听后悲痛欲绝,因为她知道女儿已经走在不归路上,等不到她期盼的人生庆典的到来。

班廷等将胰脏提取液应用于第一个糖尿病患者获得成功。这时伊丽莎白已经15岁,在死亡边缘已徘徊了3年。经艾伦医师推荐,1922年8月15日由母亲和护土陪同伊丽莎白来到加拿大多伦多班廷处。班廷立即给她进行胰岛素治疗并增加食量。班廷对伊丽莎白说明天可吃面包和土豆时,所有人都以为班廷在开玩笑,陪同的护士则认为执行这个医嘱是违背她的职业道德。次日,女孩吃了3年以来的第一片白面包。护士仔细地检测了女孩当天的每一份尿液,惊讶地发现竟无尿糖。两个星期以后,女孩每日食入热量从889千卡增加到2200~2400千卡。五个星期后女孩的体重增加近5公斤。

她在住院期间躺在床上给母亲写信,在信中写到:“我敢说你会以为这是我编造的故事。每个人都说我看起来已经完全不一样了,我的体力和重量似乎每个小时都在增长,班廷医师认为我的进步简直是个奇迹。他带着从世界各地来多伦多的著名医师,让他们看看这个奇妙发现的效果。我真希望你能看到他们翻阅我的病历卡时的面部表情,他们对我的好转是多么地惊讶……。”

伊丽莎白通过注射胰岛素取得很好的治疗效果,不过这种治疗也并非沒有副作用,由于每一次新制备的胰岛素效率不同,有时会发生低血糖。此外由於胰岛素不純,会产生肿痛,而且注射量大,每次需注射5毫升,使得伊丽莎白的臀部在注射时觉得要炸开、整只脚发麻,一个小时之后才恢复过来。

尽管如此,班廷用胰岛素将伊丽莎白从死神处夺回来,使她享受人生的梦想终于实现。她在22岁时与一位年轻有为的律师结婚。每天注射胰岛素,过着正常的生活,生了3个孩子。1980年73岁时她仍耳聪目明,同年夏天她还到中国旅游6个星期。1981年4月25日因心脏病突发去世,享年74岁。

1923年1月23日,班廷给患有糖尿病已处于死亡边缘的14岁男孩左普森(Leonard  Thompson)注射胰岛素,血糖在几个小时之内迅速下降到了正常水平,尿糖和尿酮体消失。由于之后坚持注射胰岛素,过上了健康生活,考上了医科大学,成了医生。

图15.注射胰岛素前后的左普森

 

8.救治更多患者

班廷和贝斯特通过酸化酒精浸泡牛胰脏提取的可以降低血糖的溶液,经克里普纯化处理,虽然去除许多杂质,但是他们最终应用在患者身上的还是一种褐色的液体。实质上他们并没有真正制备出一种洁净无杂质的胰岛素。

随着提取的胰岛素治疗糖尿病的成功,消息无胫而走,迅速传播。从1922年初开始,北美大陆各地的糖尿病患者为求得一线生机,纷纷涌向班廷他们所在的多伦多。为了救治越来越多的患者,班廷他们迫切需要几倍、几十倍的扩大他们生产胰岛素注射液的能力。即使麦克劳德教授将他所有的人员动员起来,制备用于治疗的胰岛素也供不应求。直等到1922年中才制备出了勉强应付当地患者的胰岛素溶液。面对始终在不断增加的需求,科学家们第一次感到束手无策了。

要知道,胰岛素注射虽然能够立竿见影地挽救糖尿病人于生死之间,但是这种神奇药物的作用并不是一劳永逸的。在1920年代,糖尿病人每天要接受至少三次胰岛素注射才能完全的控制症状,如何让接受治疗的糖尿病患者继续有药物治疗,同时还要为哪些等待治疗的糖尿病患者提供治疗的药物,这成为班廷、麦克劳德、贝斯特和克里普,以及麦克劳德教授研究团队的最大问题。

怎么办?如果说在胰岛素发现前,科学家们面对随时可能死去的糖尿病患者,更多是责任感和使命感的话,那么在此时,明明已经找到救命良方却无法生产出足够的胰岛素,科学家们的心情大概可以用负罪感来形容了。

其实工业界的嗅觉并不比科学家们差。早在1922年初,当学术界还对班廷的成就半信半疑的时候,一家总部设在美国中西部的印第安纳波利斯的制药企业,礼来制药公司(EliLilly and Company)已经摩拳擦掌地准备在糖尿病药物的这块沃土上开掘第一桶金了。礼来制药的研发主管乔治.克洛斯(George Clowes)早在当年3月份就已经联系过麦克莱德,希望以学术界与工业界联手的方式,展开胰岛素的大规模生产。当时麦克莱德拒绝了这一提议,到了此时,越来越多的临床需求让麦克莱德改变了主意,开始寻求学术界之外的帮助。

为了保证胰岛素的顺利商业化生产,几位本来对身外之物颇不感兴趣的科学家,还是为胰岛素申请了专利。随后以一加元的转让费将这价值连城的专利转让给多伦多大学。1922年5月,多伦多大学与礼来公司达成协议,以非排他授权的方式允许礼来公司开展胰岛素的大规模生产和销售,并由科学家们帮助礼来开展胰岛素的规模化生产。到这一年秋天,礼来的胰岛素开始源源不断的运往多伦多,这让不愿意眼睁睁看着自己的病人因为缺少药物而死去的班廷欣喜若狂。到这一年年底,礼来的产量达到每周10万单位。

每一天清晨,满载着冰冻猪和牛胰腺的卡车从芝加哥列队开进礼来公司的工厂,在那里经过有条不紊的切割、浸泡、提纯,变成一瓶瓶比金子还宝贵的胰岛素。现代工业和科学的结合,迅速显示了无坚不摧的力量。

大规模工业化生产就意味着,要把实验室研究出来的提取纯化胰岛素方法和技术扩大、转化为大规模的规范的生产工艺,这是个非常困难的任务。实际上,对于蛋白质提纯这种技术活,把实验室里精雕细琢出的制作工艺放大到工厂生产的级别,可不仅仅是购买大量的原材料和大号尺寸的坛坛罐罐就可以解决的。

图16.胰岛素生产流程图

将新鲜或冰冻猪胰脏(牛胰脏更好)除去结缔组织等杂质,绞碎成冰胰浆.称重量置提取罐中,加入1.5~2.0倍量的酸性酒精溶液,使pH为2.5~3.0,醇含量为70%左右,在温度为13~15℃搅拌提取3小时,压滤,使浸液尽量滤出。残渣再用上法提取一次,合并二次浸出液,放碱化罐中,在10~15℃下加入氨水,使pH达8.2~8.4,拌搅35分钟,立即压滤,于澄清的滤液中迅速加入24mol/L硫酸使pH调至2.5~3.0。在0℃左右放置过夜使酸性杂蛋白沉降,分取清液,真空浓缩(30℃以下),使浓缩液量到原体积1/7~1/9,将浓缩液在10分钟之内迅速加温至50℃立即用冰冷却至0℃,放置3小时,将上层脂肪分离(回收胰岛素),澄清的浓缩液,调pH达2.5,在20~25℃下搅拌加入溶液容积25%的精盐,使全部溶解,置冷处放置3~4小时沉淀,用绢布滤集沉淀,再用无水丙酮洗涤数次(除去剩余的脂肪和水),30℃以下真空干燥得粗制品。

大规模生产中如何保证不同批次原料的质量,如何保证每一步生产工艺的一致性,如何精确控制每一步工艺中的温度、酸碱度和各种条件,必须在设备和条件控制上解决问题。因此相应的工艺、工程、设备的设计、加工、安装、操作、控制等的研究和应用使不可或缺的。这些都涉及到庞大的工程技术人员的的大力合作和发展。

图17.礼来公司总部(图片来自www.antiquesnavigator.com

礼来公司,这家创立于1876年的制药公司,当时已经发展成为拥有三万多员工、市值近千亿美元的世界制药界巨头。而在1922年那个春天敏锐而勇敢的涉足胰岛素生产,可能是这家公司历史上最重要、也是最骄傲的历史时刻。

事实上这样的成功绝非偶然。早在1910年代,礼来制药已经未雨绸缪地开始着重药物研发和生产自动化的投入。礼来开发出了世界上第一套胶囊自动灌注系统,拥有世界最大的胶囊生产线,这一切保证了当公司转向大规模生产胰岛素时,能够驾轻就熟地管控大规模生产的质量。更重要的是,礼来也是制药工业界最早意识到研究重要性的公司之一。而公司在胰岛素扩大生产规模的研发过程,正是他们的首席化学家乔治.沃尔顿发现了胰岛素溶液酸碱度的最优范围,确保大批量胰岛素注射液的稳定生产。在上市第一年的1923年,因苏林(胰岛素商品名)的销售额就超过了一百万美元。

图18.第一支商业化的牛胰岛素注射液因苏林(Insulin)(图片来自www.antiquesnavigator.com

多伦多大学以非排他授权的方式将胰岛素生产转让给礼来公司,也使得礼来之外更多的制药公司可以参与到胰岛素的生产和销售中,使得全世界范围内更多的糖尿病人受惠。现今世界最大的胰岛素生产和销售商,丹麦的诺和诺德公司(Novo Nordisk A/S),也是因为这个原因得以早在1923年底就开始在欧洲生产和销售胰岛素。

9.获得诺贝尔奖

回首班廷在麦克劳德教授获得诺贝尔奖的过程,使人们惊奇。班廷在麦克劳德教授的支持下于1921年5月开始研究,1921年12月麦克劳德带领班廷参加美国生理学年会,发表论文,1922年2月8日开始进行人体实验,1923年10月获得诺贝尔生理医学奖。这么快就被诺贝尔奖肯定,迄今都可算作前无古人后无来者。更让人不可理解的是,他们得奖的时候,胰岛素的临床试验不过十个月,在当时的情况下,实在还难以正确评估能否长期在临床上使用。如果是现在这样的事情会发生吗。

班廷和麦克劳德为了让世界上的糖尿病患者能夠得到胰島素的治療,他们放弃了经济上的利益,将专利权以一加元的价格转让给多伦多大学,多伦多大学又将专利许可证以非排他授权的方式交于美国礼来公司,提取方法几经改良之后,于1923年胰岛素作为商品上市,从此开始了胰岛素的工业化生产,满足了糖尿病患者治疗的需求。据粗略统计,当年有近8000名医师对25000多名糖尿病患者使用了该药,使得患者摆脱了糖尿病的威胁。

胰岛素的成功引起巨大反响,1923年10月,瑞士的卡罗琳研究院决定将当年的诺贝尔生理及医学奖颁给班廷和麦克劳德。

然而,班廷得到获奖消息后,宣布拒绝接受诺贝尔奖。因为他认为,贝斯特在整个研究过程中发挥了重要作用,这个奖项缺少了贝斯特将是一个巨大的缺憾,是不公平的。但根据诺贝尔奖评奖委员会的规则,获奖名单一旦公布就不能更改。委员会派专人做班廷的工作,好不容易劝服他接受了奖金。随后,班廷立即宣布把奖金分给了贝斯特一半。麦克劳德立即也宣布将奖金与克里普平分。因为麦克劳德教授认为克里普对胰岛素的提取和应用做出了重要贡献,既然他们无法与自己平分诺贝尔奖的荣誉,就应当在其他方面给予补偿,只能平分自己获得的奖金,也就是对他们各自做出的贡献的认可。

图19.1923年诺贝尔生理医学奖获得者班廷(Frederick Grant Banting)和麦克劳德(John James Richard Macleod)

图20.为胰岛素提取和应用成功做出杰出贡献的贝斯特(Charies H Best)和克里普(James B Collip)

胰岛素提取及临床应用的成功,使得救治糖尿病患者生命成为可能,班廷提取胰岛素的创意终于成为现实。

胰岛素提取成功之前,I型糖尿病患者的命运就像患上恶性肿瘤或艾滋病一样,生命岌岌可危。其后,不仅能很好的控制高血糖,也使糖尿病患者恢复原有的寿命,得到与正常人相同的享受生活的权利。

1897年,1个患糖尿病的10岁男孩的平均生存期是1.3年,30岁和50岁的糖尿病患者生存期分别是4.1年和8年。而到了1945年,10岁、30岁和50岁糖尿病患者可继续生活45年、30.5年和15.9年。 90岁的1型糖尿病患者格拉蒂丝.杜勒(Gladis Dul)1924年开始应用胰岛素,80多年来从未错过一次注射,使她过着完全正常人的生活。

胰岛素的发现改变了糖尿病患者的命运,也改变了糖尿病学史。为纪念班廷的巨大贡献,1991年世界卫生组织和国际糖尿病联盟将班廷教授的生日11月14日定为“世界糖尿病日”。

图21.90岁的I型糖尿病患者格拉蒂丝.杜勒(引自网络文献)

(未完待续……)