糖尿病与胰岛素的故事(九)

24.血糖检测的变革

糖尿病的特点是高血糖,因长期高血糖给患者多种器官造成不可逆转的伤害,因此,检测血糖是诊断和监测糖尿病治疗的重要手段。

在历史上,早在五六世纪我国、古印度、阿拉伯和日本的医生们先后发现“多尿症”患者的尿液是甜的这一现象,而将这种疾疾病称为“糖尿病”。在古代,没有有效的诊断方法,医生只有通过观察患者尿液是否吸引蚂蚁和苍蝇,品尝患者尿液是否甜来确定。这种情况一直维持到十九世纪,随着社会进步,科学技术的发展,尿糖检测方法有了发展。

1843年,德国科学家发现将硝酸银与氢氧化铵、氢氧化钠及葡萄糖混合后加热,在玻璃试管壁上会形成银白色具有很好反光作用的物质,之后将这一方法用于制作镜子,因此该化学反应被命名为“银镜反应”。后来人们发现这个反应如果没有葡萄糖是不会发生的,于是人们想到将这一方法可以用于检测葡萄糖。但是这一检测方法只能检测患者尿液中有没有葡萄糖,而无法确定是多还是少。

图64.银镜反应

1849年德国化学家斐林(Hermann von Fehling)发明斐林试剂,是由氢氧化钠,酒石酸钾钠和硫酸铜配制的深蓝色混合溶液,斐林试剂中的二价铜离子在与具有还原性的葡萄糖共热时被还原为氧化亚铜,蓝色消失,析出红色的氧化亚铜沉淀。在氧化亚铜析出过程中,反应液的颜色可能经过由蓝变绿变黄变红逐渐形成沉淀的渐变化过程,反应较快时,可直接观察到红色沉淀。因此,斐林试剂常用于鉴定葡萄糖这类的可溶性还原性糖。因此这一试剂用来检测糖尿病患者的尿糖,可以根据反应液的颜色变化大概确定糖尿病患者的尿液中葡萄糖数量的多少,但难以定量精确测定。

图65.菲林试剂测尿糖(引自网络文献)

到了二十世纪,随着科学技术的突飞猛进,特别是生物学、化学和计算机科学的的发展,为血糖和尿糖检测带来巨大变化。

生物化学家们在生物体中发现了大量的可以专一催化各种化学反应的酶,并且可以利用微生物在工厂大规模生产,如葡萄糖氧化酶能催化葡萄糖与氧发生反应生成葡萄糖酸,同时产生过氧化氢,就是俗称的双氧水。而双氧水是个强烈的氧化剂,能够将一些化学染料氧化,使之改变颜色。于是人们最初将葡萄糖氧化酶和染料配成溶液,将滤纸在溶液中浸湿,再晾干,切成纸条,制成像pH试纸一样的试纸条。使用时,将试纸条在患者尿液中浸一下,取出放上一定时间,试纸条就会改变颜色,可以根据颜色深浅,或者与标准色板比对,就可以判断尿糖大约有多少。从此之后,人们不断改进,使之越来灵敏,越来越精准,逐渐成为医院和糖尿病患者个人随时监测尿糖工具。

图66.尿糖试纸(引自网络)

研究发现,虽然肾脏的肾小管能够将葡萄糖随着尿液排出,但是肾脏本身又存在两个回收葡萄糖的功能,即C-糖苷类钠依赖性葡萄糖1和2型共转运体(SGLT1和SGLT2),因此在尿液中排出的葡萄糖并不多,虽然尿液葡萄糖浓度与血糖浓度有关,但是测定的尿糖并不能直接反应当时的血糖水平。因此,人们通过不断的改进和完善,在尿糖试纸的基础上研究成功用于检测血糖的试纸,称为血糖试纸。

由于血液中含有大量的血细胞,组成也远比尿液复杂,用尿糖试纸测定血糖会受到严重的干扰,难以得到准确的结果。因此首先需要排除血细胞的干扰。另外,采用肉眼观察或与比色板比对来判断葡萄糖含量是很粗糙不精确的方法。

为解决这些问题,出现了改良版本,即在纸片上涂上一层乙基纤维素或者在含酶的纸片上加上一层防水层,部分解决了问题。测定时,将患者一滴血滴在试纸上,一分钟之后洗掉血迹,拿比色卡进行对照比色,读出数值。这种血糖试纸反应后需洗掉血迹,这不仅干扰比色,而且因红细胞渗透到基底会使反应物流失影响显色,如果颜色介于比色板两色之间,不能准确读数,因此误差较大。

随着电子和光学技术的发展,人们将用眼睛观察比色改为光学比色,再将光信号转化为电流,根据电流大小转算成血糖浓度。在此想法基础上,1970年首先由美国艾姆斯(Ames)公司的汤姆·克莱曼斯(Tom Clemens)开发出第一台血糖仪。

使用的试纸是由分别含有葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶和显色剂的两片试纸构成。测定时将血滴到测试区上,将试纸平放,反应一分钟后用水冲洗试纸以去除血细胞,然后将试纸插入机器读取结果。由于采用的是透光比色,误差大。随后将其改进为反射测光,将反射光送到光电管上,转化成电流,通过仪表指针读出数据。1971年,获得了美国第一个血糖仪专利,这种第一代血糖仪长约25厘米,需要连接电源,也仅能在医院使用。

图67.美国艾姆斯公司和德国宝灵曼公司的第一代血糖仪(引自网络文献)

1980年,艾姆斯公司推出了第二代血糖仪,与第一代的区别是不需要冲洗,直接轻轻擦去试纸上的红细胞就可以读数了。虽然第二代血糖仪体积变小而且比较方便病人使用,但是仍然需要采集大约10-15微升的血样,并需要大约1分钟反应时间才能得到结果。之后第三代血糖仪采用比色法,不需要擦血,直接使用比色法即可。

上个世纪中期随着生物技术和微电子技术的发展和融合,生物传感器诞生,为开辟全新的血糖测定技术奠定了基础。

早在1962年克拉克(Clark)等提出把酶与电极结合起来测定酶催化反应底物的想法,1967年,Updike和Hike最早设计制作了第一个葡萄糖氧化酶电极,是将聚丙烯酰胺凝胶包埋的葡萄糖氧化酶膜包裹在pH电极上,通过葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化成葡萄糖酸,使得溶液pH发生变化,从pH电极检测到pH的变化计算出葡萄糖含量。由于这种传感器体积大,酶容易从包埋的聚丙烯酰胺凝胶中渗漏出来,使得酶电极使用寿命有限,测定的准确性和精确性受到影响。之后人们进行了改进,利用化学反应方法将葡萄糖氧化酶固定化在高分子薄膜上,然后将其包裹在白金氧电极上,构成传感器。当将其放入待测溶液中时,溶液内的溶解氧和待测葡萄糖同时渗人传感器酶膜,在葡萄糖氧化酶的催化作用下,葡萄糖被氧化成葡萄糖酸,消耗的氧生成过氧化氢,此时白金氧电极即能检测出溶液中氧浓度的下降,从下降的幅度即可求出葡萄糖的浓度。在此基础上,开发出早期可以在实验室和医院使用的测糖仪。

图68.用于测定葡萄糖的葡萄糖氧化酶电极结构示意图

图69.早期的实验室使用的测糖仪(引自网络文献)

在此之后,人们为了提高测糖仪测定的准确性和精确度,以及为患者个人使用提供体积小血糖仪,在不断的努力改进、完善设计,使之小型化、微型化。通过将包裹在电极外层的膜材料改变成具有很好选择通透性的材料,使传感器的线性范围扩大,减少被测液体中的干扰物对电极的影响;改进酶的固定化方法,减少酶的流失和被测血液中的蛋白酶对葡萄糖氧化酶的的降解破坏,提高传感器的稳定性;添加适当的化学物质,改进电极的灵敏度和稳定性。也可以用葡萄糖脱氢酶代替葡萄糖氧化酶,提高稳定性,延长使用期。特别是随着电子技术和半导体加工技术的不断发展,使其不断的小型化和微型化成为可能。

图70.血糖仪试纸条结构示意图

1981年诞生了利用这种电化学法测定血糖的第四代血糖仪,1986上市。前三代血糖仪基本都采用光反射法实现血糖浓度测定,第四和之后的第五代血糖仪主要依靠电化学法。它标示着血糖仪取得突破性的发展,为广大的糖尿病患者能够及时了解血糖水平,采取控糖措施带来方便。现在大多数糖尿病患者使用的血糖仪多是第五代,第五代和第四代相比,在微量采血、多部位采血等细节方面进行了一些改进。

图71.便携式血糖仪

图72.便携式血糖仪的发展史

血糖仪从工作原理上有两种分别,一种是光电型,比如第一到第三代血糖仪,另一种是电极型,比如第四代到第五代血糖仪。光电血糖仪有一个光电头,它的优点是价格比较便宜,缺点是探测头暴露在空气里,很容易受到污染,影响测试结果,误差范围在正负0.8左右,使用寿命比较短,一般在两年之内是比较准确的,两年后需到维修站做校准。电极型的测试原理更科学,电极口内藏,可以避免污染,误差范围一般在正负0.5左右,精度高,正常使用的情况下,不需要校准,寿命长。

血糖仪从采血方式上有两种,一是抹血式,一是吸血式。抹血的机器一般采血量比较大,患者比较痛苦。如果采血偏多,还会影响测试结果,血量不足,操作就会失败,浪费试纸,这种血糖仪多为光电式的。吸血式的血糖仪,是依据酶电极的基本工作原理,进行改进,微型化实现的。试纸自己可控制血样量,不会因为血量的问题使得测定结果出现偏差,操作方便,用试纸点一下血滴就可以了。

不管是上面的哪一种血糖仪,不论测定时采血样量多少,都必须采血。首先要对皮肤用酒精消毒,然后用针刺破皮肤,流出一定量的血再采样。采血样造成皮肤伤害,而糖尿病患者创伤恢复较慢,如果消毒不彻底会造成感染,给患者造成痛苦和隐患。另外,皮肤消毒时如果有残留的酒精与血样混合,会对测定结果造成干扰。

为解决这些问题,一些公司的科研团队都在进行无创血糖仪的研发,以克服当前血糖检测时采血出现的问题。无创血糖仪主要是通过间接监测人体唾液、泪液、汗液和组织液等的葡萄糖浓度,通过复杂的换算来测试血糖。如角膜镜血糖仪,感受器放在角膜镜中,患者可用通过照镜子观察角膜镜和图表上感光材料的颜色,确定血糖水平。绿色正常,红色轻度增高,紫色明显增高。泪糖测定仪,眼泪中的糖分和血液中的糖分含量非常接近,人体血糖变化时,泪糖也会随之变化,以此开发的泪糖测定仪简便,低廉很受欢迎。唾液血糖仪是根据临床医学研究数据设计,血糖浓度与唾液中所含的淀粉酶成正比,所以通过测量人体口腔中唾液含淀粉酶的多少能够间接地知道被测体血糖浓度的高低。

手表血糖仪,像手表一样戴在手腕上,可以连续的监测血糖。在手表血糖仪的背面有一凝胶垫与皮肤密切接触,凝胶中的两个电极产生的微电流通过人的皮肤,皮肤中的带电离子在电流作用下分别向正负电级运动,而组织液中的葡萄糖被带电的离子“裹夹”一起进入凝胶,通过凝胶中葡萄糖氧化酶催化的反应程度,就可以计算出当前的血糖水平,测量结果在“手表”屏幕上显示出来,它可以提供13个小时的连续数据。与间断性的指血血糖数据相比较,在反映血糖变化趋势和轨迹模式上更有优势。手表血糖仪当测得的血糖低于0.85毫克/毫升就会发出警报,可安全有效的发现低血糖。缺点是皮肤出汗、温度过高或过低、静电干扰、短路等都会影响其测定结果,引起误差,甚至导致仪器关闭。有些患者的局部皮肤出现一定的刺激症状,在皮肤上留下一块红印、有刺痒感等等,但从总体上看较轻微,多可在一周内消失。此外,手表式血糖仪测定的是组织间液葡萄糖值,因此要略滞后于指血血糖值。

图73.手表血糖仪(引自网络)

与手表血糖仪类似的还有一款无创血糖仪,包括主机和耳夹,使用方法简单,只需将耳夹夹在耳垂上,主机就可以显示出血糖值。它运用超声波、电磁波和热容量三种不同技术,而非光谱技术,确保了测定结果的准确性,可以在大约一分钟的时间内进行血糖的检测。2014年底已在我国上市。

图74.耳夹式无创血糖仪(引自网络文献)

无创血糖监测因会受到外界环境因素及人体生理生化条件影响,测定的时间延迟较大,同时也需要经常检测血糖值进行校正。因这些及技术复杂,还未能很好地解决体外测试指标与血糖关联性较弱的这个难点,到目前为还不是完全成熟的产品。

人们也在研发介于无创与有创之间的微创血糖检测技术,比如应用皮肤透析方式采集皮下组织液的连续监测血糖的方法。其基本原理是使用一个电动磨头处理皮肤表面,将角质层磨去,达到接近真皮的程度,利用带有电化学传感器的吸取头将组织液持续吸出,测定其中的葡萄糖浓度,得到的数据用无线方式传输到电脑或手机上。

臂膀植入血糖仪是由植入皮下的感应器和外部的测量仪两部分组成,感应器的直径6毫米,厚如普通纸,无需电源驱动,当患者在测量仪前互动带有感应器的臂膀时,测量仪就能借助脉冲的方式读出患者的血糖值。可以连续采集动态血糖数据,每个传感器可以使用24小时,用于监测患者的持续血糖变化。

还有利用半导体芯片加工技术,将酶电极和数据转换发射系统集成在一个芯片上,通过手术置于患者皮下,定时测定将数据传送到接收器,可以及时了解血糖水平。

以上无创和微创血糖测定技术多数还处于临床试验阶段,还存在不足,需要进一步完善,但是可以确定的是随着科学技术的进步,老的的技术和方法早晚会被新技术、新方法取代,科学技术进步无止境。现代的科学技术为人们打开了无限遐想的空间,为人类征服疾病提供了无限可能。

25.糖尿病治疗的未来

上个世纪五十年代,美国沃尔特 鲍瑞斯(Walter Pories)医生意外发现合并肥胖症的糖尿病患者接受减重手术后,糖尿病病情明显好转。后来越来越多的证据表明,减肥手术能够显著降低糖尿病患者的高血糖,其效果优于传统药物治疗,甚至部分患者可以达到完全缓解。还可以使患者的体重、血脂和血压等指标亦得到明显改善。

2009年,美国糖尿病协会发表的糖尿病诊疗指南首次将减重手术作为糖尿病治疗措施之一,并建议符合手术条件的患者及早考虑接受手术治疗。2014年《中国Ⅱ型糖尿病防治指南》中也将糖尿病患者的减重手术列入治疗措施之一。

经过数十年的发展,减重手术已成为一种比较成熟、疗效良好的糖尿病治疗方法。目前采用的减重手术主要有缩胃手术胃旁路手术胃束带手术胃内水球疗法,其中胃旁路手术缩胃手术是目前减重手术的首选。胃旁路手术是将患者的胃分成上下两部分,在小胃上切口处开一条“岔路”,接上截取的一段小肠,重新排列小肠的位置,达到改变食物在消化道的途径,减缓胃排空速度,缩短小肠,降低吸收,从而达到减肥的目的。胃旁路手术应用广泛,除减重效果显著外,对糖代谢及其他代谢指标改善程度较高。

由于减重手术治疗糖尿病起步较晚,公众了解程度低,手术费用相对较高等原因,目前减重手术治疗糖尿病的推广面临一定难度。

图75. 胃旁路手术示意图(引自网络文献)

减重手术治疗糖尿病在我国推广还存在具体问题,由于东西方人种体质、饮食习惯,特别是中国糖尿病患者的发病及病症特点,及手术耐受力等方面有所区别,完全照搬西方“胃旁路术”治疗,存在“水土不服”问题。国内医疗专家对“胃旁路术”进行了全面升级改良,使之更适合我国人种特点。但该手术不适合非肥胖型Ⅰ糖尿病患者,及胰岛β细胞功能已基本丧失、血清C肽水平低下的Ⅱ糖尿病患者。

糖尿病的发病原因主要是由于遗传与环境因素相互作用,引起特异性的自身免疫性反应,造成胰岛β细胞破坏所致。根据这个原理人们想到如果能够重建糖尿病患者体内的胰岛β细胞,恢复其功能就有可能治愈糖尿病。依据这种想法,现在人们正在大力研发相关技术。主要有胰腺移植、胰岛移植及干细胞移植。

早在1893年法国生理学家拉古斯就发现切除胰腺的狗会得糖尿病,如果在其皮下移植部分胰腺组织,则不会发生糖尿病,这是移植胰腺治疗糖尿病的先驱。但是,直到1966年,美国明尼苏达大学医院外科医师才首次给濒危的糖尿病患者进行胰腺移植,开始了临床胰腺移植术的新纪元。但由于移植后人体自身对异体器官发生免疫排斥反应,往往会导致移植失败,故必须长期应用免疫抑制剂,避免疫排斥对移入的器官的破坏。因胰腺移植术的问题比较复杂,开始时的移植成功率较低,影响此疗法的广泛应用。自从新的有效的免疫抑制剂,如环孢素A的问世和广泛应用,及移植技术的进步,胰腺移植又有较快的发展。

当前,胰腺移植已经通过了临床试用阶段而进入临床应用阶段。但是因存在移植的胰腺功能功有限,需要辅助胰岛素治疗,还有移植胰腺功能逐渐衰退问题,还会受到患者的质疑,影响到应用。

1967年,同种异体胰岛移植首次被用于治疗Ⅰ型糖尿病,之后进行了异体胰岛移植。临床试验发现胰岛移植适合于绝大多数Ⅰ型糖尿病、无胰岛素抗体和低水平C肽Ⅱ型糖尿病,糖尿病肾病,器官移植后糖尿病,胰腺疾病或胰腺切除导致的糖尿病等4类患者,而且更适合成人。

与胰腺移植相比,胰岛移植具有并发症发生率低,手术简单的优势。胰岛移植的难点是胰岛分离。由于影响胰岛分离的因素很多,直接影响胰岛移植的效果。随着胰岛分离技术的不断进步,该技术逐渐完善发展。

胰岛移植还存在胰岛细胞存活期问题,一般移植后还需要辅助胰岛素治疗,才能保证治疗效果。当前胰岛移植物均来自异体器官捐献,会被受者的免疫系统识别为“异物”发生免疫排异,移植后患者必须终身服用免疫抑制剂,所以并非所有糖尿病患者都适合进行胰岛移植。为解决免疫攻击,将胰岛细胞包埋在生物相容性凝胶中,然后移植,可以部分解决免疫排斥问题,而且还可以延长移植胰岛细胞存活期。

胰岛移植的优势是更适合血糖忽高忽低难以控制的Ⅰ型和晚期Ⅱ型糖尿变患者。这一类患者胰岛功能完全衰竭,α细胞和β细胞均发生功能障碍,患者只能完全依赖外源性胰岛素单向降低血糖,即使在饮食量、运动量和胰岛素剂量恒定情况下,病情也极不稳定,很容易诱发低血糖昏迷,甚至导致死亡。而胰岛移植物中即含有α细胞也含有β细胞,对于较为严重的糖尿病患者,单次胰岛移植也许不能补充足够的β细胞而停用胰岛素,但会有较为显著的胰岛素减量效果,植入的α细胞可以改善血糖波动,防止严重低血糖的发生。

图76.胰岛细胞(引自网络文献)

图77.凝胶包埋胰岛细胞移植

对于因糖尿病引发肾病,需要接受肾移植的患者,因本身就需要终身服用免疫抑制剂,胰岛移植后也不会增加患者额外的药物使用。而胰岛移植后可以很好的保护移植肾免于高血糖的损伤。美国曾经对比过胰岛-肾脏联合移植与单纯糖尿病肾衰肾移植,糖尿病肾衰接受肾移植7年后,移植肾存活率不到50%,而胰岛-肾脏联合移植患者移植肾存活率超过80%。因此胰岛联合肾脏移植,可在不增加药物及手术风险的前提下,显著延长移植肾的存活时间。

此外,虽然脱离胰岛素并非胰岛移植的首要目的,但实际约有60%的患者可在胰岛移植5年后仍不使用胰岛素。对于没有达到完全脱离胰岛素的患者,也可以进行二次胰岛移植。尽管如此,胰岛移植是糖尿病治疗较为理想的方案,胰岛移植成功的大多数糖尿病患者可以摆脱胰岛素注射治疗,但是离恢复正常的胰岛素葡萄糖动力学的目标还有较大的差距。

现在相继出现了多种针对Ⅰ型糖尿病的胰岛移植方案,接受这种治疗方案的部分Ⅰ型糖尿病患者体内的血糖水平能维持正常达数年。然而,供体来源的短缺和需要长期应用免疫抑制剂限制了该方案在临床上的广泛推广,更为重要的是,移植后患者体内功能性胰岛细胞的存活无法长期维持,是需要解决的重要问题。

随着分子、细胞和发育生物学技术的进展,干细胞移植使组织再生受到高度关注。2003年,沃勒泰理(Voltarelli)等首次采用自体骨髓造血干细胞移植治疗无酮症酸中毒的Ⅰ型糖尿病患者。2009年报道了随后的访调结果,20例患者中有12例停止使用胰岛素治疗,另外8例患者虽停用胰岛素一段时间后需要重新开始胰岛素治疗,但注射剂量较移植前明显减少。这一探索性研究提示干细胞移植在治疗糖尿病中具有潜在的应用价值,

干细胞是一类具有自我复制能力、未充分分化、尚不成熟的细胞,具有再生各种组织器官的潜在功能。在一定条件下,它可以分化成多种功能细胞。根据干细胞所处的位置分为胚胎干细胞和成体干细胞。根据干细胞的发育潜能分为全能干细胞、多功能干细胞和专能干细胞。

由于干细胞具有自我更新能力和多向分化潜能,干细胞移植治疗糖尿病具有不受供体来源限制的优势,而自体干细胞移植可避免因异体移植带来的排斥反应,从而减少免疫抑制治疗的需要;干细胞分化形成胰岛细胞可分泌多种细胞因子,可改善病变胰腺的局部微环境从而改善预后。

现已知,可分化为胰岛β细胞的干细胞有胚胎干细胞、成体干细胞、诱导多能干细胞等。由于胚胎干细胞和诱导多能干细胞存在较大的致癌风险,科学家们将更多目光投向了间充质干细胞和自体造血干细胞。取糖尿病患者骨髓,经分离纯化获得间充质干细胞后,经股动脉穿刺介入,将纯化的干细胞定向植入胰尾部,植入的间充质干细胞可分化成为胰岛β细胞,使胰腺再生,并改善胰岛素抵抗。

图78.骨髓间充质干细胞(引自网络文献)

图79.造血间充质干细胞(引自网络文献)

间充质干细胞是干细胞家族的重要成员,属于多能干细胞,最初在骨髓中发现,因其具有多向分化潜能、支持造血和促进干细胞植入、免疫调控和自我复制等特点,可作为理想的种子细胞用于衰老和病变引起的组织器官损伤修复而日益受到人们的关注。

间充质干细胞移入后会像种子一样在胰腺组织微环境的诱导下分化增值为胰岛细胞,替代受损的胰岛β细胞,分泌胰岛素,促进受损胰岛组织细胞的再生、修复,提高体内胰岛素的分泌量,还能抑制血糖上升趋势,降低血糖。还可增加细胞内运糖蛋白的敏感性,促进胰岛受体与胰岛素的结合,降低胰岛素的抵抗作用,起到从根本上治疗糖尿病的作用。治疗后不会产生任何并发症和副作用,且可以提高身体免疫力,使患者摆脱终身打针服药,从而达到治疗糖尿病的目的。

现在间充质干细胞除了可从骨髓分离,也可从胎盘分离,或从脂肪提取经分离、纯化、扩增获得脂肪间充质干细胞,后经静脉输入或动脉导管等方式输入到患者胰腺组织中。研究表明,间充质干细胞治疗糖尿病可使肾脏功能和心脏功能得到明显的改善。对于治疗糖尿病并发症,如视网膜病变、神经病变、肢体缺血,伤口愈合、勃起功能障碍等治疗具有潜力。比如对于危重的肢体缺血糖尿病患者,可将患者的自体干细胞多点注射到缺血肢体,改善肢体供血,是种简单、安全、有效的治疗方法。

图80.脂肪间充质干细胞治疗糖尿病(引自网络文献)

目前使用的治疗糖尿病的药物并没有针对糖尿病发病的关键环节,只能解除或缓解症状,延缓疾病进展,不能从根本上治愈。糖尿病是一种多因素复杂的疾病,并不是改变某一因素就能彻底治好。干细胞治疗作为生物技术,是目前所有治疗方案中唯一能针对糖尿病的核心机制逆转糖尿病病程的治疗方法。

近年来,利用干细胞治疗糖尿病的探索性临床研究在国内外已经取得了一些令人振奋的进展,提示干细胞在治疗糖尿病中具有潜在的应用价值。但仍存在许多问题尚待解决,比如干细胞移植对不同糖尿病患者因患病原因和个体差异而不同,现在的临床试验结果还不是令人十分满意,要达到理想的治疗效果还有相当距离,治疗的远期疗效和安全性还需验证,治疗费用高等。就技术本身还有许多问题,比如最优细胞来源和获得,最佳移植途径,最适细胞数量以及移植次数,细胞产业化生产问题,等等关键科学与技术问题需要进一步研究解决。

任何一种新的治疗方法用于临床治疗前都会面临许多问题,尽管有这些问题存在,但仍有理由相信,糖尿病的这些新疗法终将应用于临床,为糖尿病患者带来全新的临床疗效甚至治愈的希望,以减轻个人的痛苦和社会的负担。相信未来,更多的糖尿病患者会受益于此项技术。

早期医学研究发现,不论是Ⅰ型糖尿病,还是Ⅱ行糖尿病都具有家族发病史的特点,而且Ⅱ型糖尿病这种遗传特性比Ⅰ型糖尿病更为明显,因此糖尿病很可能与基因遗传有关。

糖尿病病理学研究发现,Ⅰ型糖尿病,或称胰岛素依赖性糖尿病,属于自身免疫性疾病。机体对自身胰腺β细胞进行持续攻击,造成β细胞大量破坏,胰岛素分泌严重匮乏。Ⅱ型糖尿病的发病大多在成年,常常与肥胖有关,是由于机体对胰岛素产生抵抗,同时合并胰岛素分泌的相对不足。两者共同的特征则是β细胞功能的丧失和外周器官因高血糖遭受侵害。

人类基因组研究及糖尿病发病与治疗的基因检测研究发现不管是Ⅰ型还是Ⅱ型糖尿病的发病与药物治疗均与多个基因相关,在此基础上人们提出将正常基因引入患者细胞内,以纠正致病基因的缺陷,达到治疗疾病的目的。人们将这种治疗方法称为基因治疗。纠正的途径既可以是原位修复有缺陷的基因,也可以是将正常基因转入细胞基因组的某一部位,以替代缺陷基因来发挥作用。将外源的基因导入生物细胞内必须借助一定的技术方法或载体,基因转移的方法分为生物学方法、物理方法和化学方法。腺病毒载体是目前基因治疗最为常用的病毒载体之一。

目前糖尿病的基因治疗主要有三种策略,首先是转移能促进β细胞新生或诱导细胞分泌胰岛素的基因,因胰腺的发生、发育和β细胞分化过程,以及激活胰岛素基因转录有多种转录因子参与,转入这些基因可以恢复胰岛素生成能力。第二种是由于多数Ⅱ型糖尿病患者的胰岛细胞对葡萄糖反应的灵敏度降低,或产生胰岛素抵抗,转入对葡萄糖反应敏感的胰岛素基因可以解决相关问题;第三种是能够促进葡萄糖利用或抑制肝葡萄糖生成的多种蛋白质基因,这是因为葡萄糖的运输、储存和被组织利用都与之有关,转入这些基因也可达到治疗目的。

由于糖尿病的发病与β细胞的发生、发育和分化、胰岛细胞的免疫损伤、胰岛素的生成、葡萄糖的识别、运输、储存,细胞对胰岛素的识别等直接关联,而这些过程都是在众多基因的精准调控下完成的,因此转入的基因种类、数量的多少、调控基因表达的各种调控因子,基因在细胞中的定位、接受转入基因细胞和组织的生物学特征等等都会影响转入基因的工作效率,也就是治疗效果。因此基因治疗需要考虑的因素多且复杂,需要深入的大量基础研究和实验验证。

目前由于采用物理方法和化学方法进行基因转移的效率低,而多采用生物学方法,腺病毒和逆转录病毒是目前基因治疗最为常用的载体。鉴于腺病毒可能引起致命的免疫反应,而逆转录病毒可能诱发癌症,因此,寻找更好安全有效的基因转移载体是基因治疗应用于临床试验的主要限制因素,成为全世界许多基因治疗实验室的主要研究目标。

继续寻找决定产生胰岛素分泌细胞的关键性基因或基因组合仍是目前的首要任务,目前的基因治疗手段还不能获得完全成熟的β细胞,只有进一步明确β细胞分化成熟的基因调控机制才能促进糖尿病基因治疗的发展和应用。

从上个世纪八十年代开始对糖尿病的基因治疗进行了大量研究,取得积极进展,但大多数还是基础性的动物实验,该治疗方法要在临床上大量应用还需要更多更深入的研究和发展。可以想象的是,随着载体开发的快速发展,加上胰岛新生方法取得的长足进步,不远的将来,糖尿病的基因治疗从动物实验到临床试验将成为可能。

在糖尿病患者中有90%-95%为Ⅱ型糖尿病,到目前为止,医学界认为Ⅱ型糖尿病主要使由于胰岛素抵抗合并相对性胰岛素分泌不足所致。但近年来,随着对该病的研究不断深入,发现了很多以前没有观察到的现象,通过深入分析研究这些现象,可以找到Ⅱ型糖尿病发病的真正原因。

在光学显微镜下观察Ⅱ型糖尿病患者的胰岛,发现90%的患者有淀粉样物质沉积于胰岛的毛细血管和内分泌细胞之间。淀粉样物质的主要成分是胰淀素,是胰岛β细胞分泌的一种激素,和胰岛素一起存在于颗粒内并共同分泌。这说明在Ⅱ型糖尿病的病程中,胰岛β细胞分泌了大量的胰淀素。由于胰淀素和胰岛素是同时分泌的,当然也分泌了大量的胰岛素。显而易见,Ⅱ型糖尿病人的胰岛β细胞功能不但没有减退,而且比正常的时候分泌了更多的胰岛素。

另外,如果Ⅱ型糖尿病人血糖升高是由于胰岛素受体或者受体后水平出了问题,那么补充胰岛素,也无法使Ⅱ型糖尿病人血糖下降,只有提高受体或受体后水平,才能实现其血糖下降。而现实情况是,Ⅱ型糖尿病人只要补充胰岛素,血糖都能下降。显然,Ⅱ型糖尿患者不是这两个方面出了问题,而是胰岛素抵抗学说存在漏洞。

近来,有关Ⅱ型糖尿病的研究,发现了很多以前没有认识到的现象。通过对这些现象的综合分析,认为Ⅱ型糖尿病是因为机体出现营养运输障碍,正常消耗血糖的细胞减少,最后导致血糖的升高。营养运输障碍虽然比胰岛损伤及胰岛素抵抗能更准确、更完美地解释Ⅱ型糖尿病发生、发展过程中出现的一些现象,但是依然还有不能用这样的认识解释的问题,还存在不足,还需要更深入的研究。

实际上,到目前为止,糖尿病的发病和引发并发症的原因并不完全清晰,目前,不管是药物治疗,还是胰腺、胰岛移植、干细胞治疗和基因治疗还都难以彻底根治。越来越多坚持使用降糖药和胰岛素的糖尿病人出现了并发症,这表明现在临床上遵循的糖尿病的治疗原则存在问题,需要对糖尿病的病理本质做重新思考。

随着现代生命科学和其他学科的发展为深入研究糖尿病的发病原因和开发全新的治疗技术奠定了基础,提供了强有力的方法、手段、技术和设施,使我们可以全方位的从分子、细胞、组织、个体和环境入手,在基因、遗传、代谢、生理、生化、药理等诸多领域合作探寻发病原因,研发有效的预防和治疗措施,开发新的治疗方法和药物成为可能,为彻底征服糖尿病带来希望。

在人类社会从认识糖尿病到今天已历3000余年,如果从胰岛素问世开始计算,人类真正有效治疗糖尿病的时间才不过百年,无论在糖尿病药物治疗、还是糖尿病治疗理念等领域,都已经发生翻天覆地的巨大变革。目前,疫苗、反义寡核苷酸、肠道菌群调节等糖尿病治疗技术正从实验室走向临床,一大批新靶标药物呼之欲出,相信在不远的将来,人类必将迎来糖尿病治疗新的春天。

26.糖尿病与胰岛素大事记

公元前1550年的埃及法老王雅赫摩斯一世的贵族墓群发现的莎草纸古抄本。记述了一种叫做“多尿”的疾病,

公元前1122年至公元前770年殷墟甲骨文字中,记载了十几种疾病中,其中既有“尿病”。

公元前2世纪,古叙利亚著名医生阿瑞蒂乌斯(Arctaeus),对糖尿病的病状做了描述。

汉代张仲景在公元200年~210年左右完成的《金匮要略》中述及“男子消渴小便反多,以饮一斗,小便一斗,肾气丸主之”,提出消渴由肾虚所致。

公元5到6世纪,两位僧侣发现北印度的笈多王朝皇宫之中,“多尿病”流行,发现尿液竟然像蜜一样,能吸引大量蚂蚁前来疯狂吸吮,这些尿竟然是甜的!

公元614年隋代巢元方在《诸病源候论》中提出小可病人应“先行一百二十步,多者千步,然后食”。唐代王焘在《外台秘要》中述及消渴患者“不欲饮食久坐,人欲小劳,但莫九劳疲惫,亦不可强所不能堪而”、“食毕即行步,稍畅而坐”。

公元650年唐代孙思邈完成的《千金方》中指出“其(消渴病人)所慎者三:饮酒、房事、咸食及面,强调了饮食治疗在消渴病治疗中的重要作用。

16世纪,瑞士医生霍黑汉姆(Von Hoheouheim)发现糖尿病患者的尿液水分蒸发后含有一种异常的白色粉末物质。但他认为是盐。推断‘多尿病’是由于盐在肾脏的异常积淀所引起。

17世纪,英格兰人维利斯(T.Willis)发现“甜尿”这一事实,他在论文中首次使用了“Diabetes Mellitus”(意为极甜)一词。一个古老的疾病被赋予了新的命名,也就是糖尿病。  

1776年,英格兰医生道伯森(M . Dobson)发现糖尿病患者血清竟然如同尿液一样含有糖份。这一结果推翻了“糖尿病是单纯的肾器官病变所引起的疾病”这长达千年的理论。

1869年,德国医学院学生,保罗·兰格尔翰斯(Paul Langerhans)论文描述了显微镜下观察到胰脏周围组织有不同的岛状细胞团,推测可能分泌激素。但被评委否定。

1888年,英格兰医生甘木利(T. Gamley)在一次救治意外事故病人过程中,发现胰腺损伤可以引起糖尿病。提醒人们开始把引发糖尿病原因的探索指向了其它脏器。

1889年德国医生德国生理学家奥斯卡·明科夫斯基(Oscar Minkowsk)和约瑟夫·冯·梅林(Baron Joseph VonMering)发现切除胰腺的狗会得糖尿病。

1893年,Edonard Laguesse 将兰格尔汉斯发现的胰腺小细胞团块群命名为“兰格尔汉斯胰岛”,认为具有内分泌功能。    

1893年法国生理学家拉古斯(E  Laguesse)发现同为切除胰腺的狗,如果在其皮下移植部分胰腺组织,则不会发生糖尿,提示糖尿病变部位在胰腺。成为移植胰腺治疗糖尿病的先驱。

1909年,比利时医学专家摩耶(J. Meyer)给上百条实验狗切除了胰岛,观察和监测这些狗的血糖和尿糖,还仔细分析了胰岛分泌的物质,他把这种由胰岛分泌能够降低血糖的物质命名为“胰岛素”。

在此之后,德国医生祖乐泽(Georg Zuelzer)使用狗的胰腺提取物治疗因切除胰腺患上了糖尿病的狗,取得成功。而将同样的胰腺提取物注射糖尿病患者却失败。

1910年,英国生理学家沙飞(Edward Albert Sharpey-Schafer)提出糖尿病是因为胰腺里胰岛细胞不能正常分泌一种激素所致,并命名做胰岛激素(insuline),推测胰岛素的作用是控制糖分代谢,如果胰岛素不足,血液里的糖分不能正常分解利用,就导致血糖堆积,并且从尿液排出。

1920年开始,加拿大青年班廷(Frederick Grand Banting)在多伦多大学的麦克劳德(John James Richard Macleod)教授指导和贝斯特(Charies H Best)协助下开始胰岛素的提取,后在克里普(James B Collip)帮助下与1922年提取成功,并应用于糖尿病治疗,取得突破。

1922年5月,多伦多大学与礼来公司达成协议,由科学家们帮助礼来开展胰岛素的规模生产。

1923年班廷与麦克劳德共同获得诺贝尔生理医学奖。

1926年美国生化学家埃布尔制得胰岛素结晶。

1926年第一个口服降糖药物癸烷双胍研制成功。

1936年首个长效胰岛素——精蛋白锌胰岛素问世。

1946年中效低精蛋白胰岛素问世。

1951年非晶胰岛素,又称胰岛素锌混悬液被生产用于临床。

1955年英国生化学家弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)完成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,因此荣获1958年诺贝尔化学奖。

1955年第一个磺脲类药物磺胺丁脲应用于临床。

1956年第一个抗糖尿病口服药物–磺酰胺类(甲苯磺丁脲)和双胍类(二甲双胍)药物上市。改变了胰岛素是Ⅱ型糖尿病唯一的药物局面。

1959年第一个双胍类药物应用于临床。

1963-1966年,中国、德国和美国科学家致力于化学合成胰岛素的研究。

1965年9月17日中国科学院上海生物化学所、有机化学所和北京大学联合首先完成人工合成具有全部生物活性的结晶牛胰岛素。

1966年,美国明尼苏达大学医院外科医师首次给濒危的糖尿病患者进行胰腺移植。

1971年我国科学家用X线衍射法测出猪胰岛素晶体的立体结构。

1974年离子交换色谱提纯技术应用于纯化动物胰岛素,高纯度动物胰岛素研制成功。

1979年艾瑞琪(Ullrich)和埃塔科瑞( Itakura)阐明胰岛素基因的核酸序列。

1979 -1981年高德尔(Goeddel)和钱瑟( Chance)开始用基因工程生物合成人胰岛素。

1981年基因重组合成人胰岛素系列制剂上市。

1982年:FDA批准重组人胰岛素在美国上市。

1983年第一支胰岛素泵上市。

1996年FDA批准首个重组人胰岛素类似物——赖脯胰岛素上市。自此,300余种胰岛素类似物被研制成功,包括70种动物胰岛素,80种化学改良胰岛素和150余种生物合成胰岛素。

1997年第一个格列酮类药物曲格列酮上市。

2003年沃勒泰理(Voltarelli)等首次采用自体骨髓造血干细胞移植治疗无酮症酸中毒的Ⅰ型糖尿病患者。

2004年:首个长效重组人胰岛素类似物——甘精胰岛素获准上市。

2005年第一个肠促胰素(GLP-1)类似物上市。

2006年首个吸入型胰岛素(Exubera)获准上市,该药于2007年撤市。

2007年第一个二肽基肽酶4 (DPP-Ⅳ)抑制剂上市。

2012年世界卫生组织调整糖尿病诊断和治疗指南。

27.后记

本人是个有十五年病史的糖尿病患者,因病不得不关注有关糖尿病的相关资料和进展,一来二去,对糖尿病的历史有了一些了解,我把它整理出来和广多的“糖友”分享,如果能有所启发和帮助,那就是意外收获。

本人不是医生,是医学门外汉,对糖尿病治疗一窍不通,我们不涉及糖尿病治疗问题。但是作为有十五年病史的糖尿病患者,我可以说说个人体会,和糖友共享。但是也不能保证正确,只是供参考。

撰写本文的目的是科普一下和糖尿病相关的科学技术发展史,彰显一下人类与疾病抗争的艰难和科学家们的奋争之不易,如此而已。

由于“命运”的安排,本人粗懂化学和生物化学,有幸一生从事相关的研究工作,为撰写本文打下了一点基础。

为何我说是“命运”的安排。1960年高中毕业,在班主任贺敬堂老师动员下决定报考大学。但学什么,考哪个大学,难以决定,但有一条坚决不学生物,不考医学院。因我更喜欢物理和化学,而且成绩还不错。考北大物理系还是南开化学系,犹豫不决,难以取舍,最后只好抛硬币决定。结果是南开大学化学系胜出,于是第一志愿报南开化学系,第二志愿报北大物理系。结果被南开大学化学系录取,学了有机化学。1965年毕业,听从党的分配到了中国科学院微生物研究所,开始了一辈子的科研生涯。一年后“文化大革命”开始,因承担军工任务,而少参加文革活动,又因与同时分配来所的几个造反派关系密切,在抓“五一六”分子时成了白专型“五一六”嫌疑分子被隔离审查。在长达一年半时间里独处一室,给了我偷学微生物学和生物化学的机会。待到恢复招收研究生,又旁听了研究生院的分子生物学和遗传学。从此转行开始了生物化学的研究工作。

除了科研,从1997年参加中国科学院老科学家科普演讲团开始也参与了科普活动,二十年来在全国各地做了近1400场科普报告,但是很少写科普读物。因为习惯了写科学论文这样的“八股文”,写不出能够吸引眼球的科普文章。即使偶尔写一点,也是死死板板,平铺直叙,更说不上吸引人。

究其原因是从小没有练好写作的功夫。这使我想起了我的恩师贺敬堂老师。贺老师是从初一到高中毕业陪伴我五年的班主任,也是我的语文老师。高一开学不久,贺老师找我谈话,告诉我:“孙万儒你除了语文,其他学科学的还不错,你为什么不在语文上下些功夫?别忘了,即使你将来成了科学家,你写出的文章狗屁不通,没人看懂,你的工作还有什么意义。”他要求我从今天开始做他的语文课代表,甚至强迫我在大操场上给全校同学讲如何学好语文。可是为时晚矣,现在的写作水平,愧对恩师教诲,抱憾终生。

本文历经四年写成这个水平,只能请感兴趣的读者耐着性子看,如果发现问题还敬请指出,谢谢了。

2018.7.9于OKC

(更新完毕)