本文來自微信公眾號：賽先生（ID：mrscience100），作者：徐亦迅

2021年是胰島素發(fā)現(xiàn)的一百周年。一個在動物胰腺內(nèi)合成分泌的激素，被發(fā)現(xiàn)后無需任何修飾就能直接成藥，把糖尿病由絕癥轉(zhuǎn)化為可以控制的慢性疾病，這無疑是人類醫(yī)學史上罕見的奇跡。

2017年3月，我意外在Youtube網(wǎng)站上發(fā)現(xiàn)了當年在復(fù)旦大學讀本科時觀賞過的譯制片《共同的榮譽》英文原版。驚喜之余，專門給該片原著Michael Bliss發(fā)去慰問的電子郵件，順便詢問他以前發(fā)表的兩篇有關(guān)Macleod的科學史論文是否有電子版。沒想到老先生專門用掃描儀把抽印本制成PDF文件后發(fā)給我，令我無比的感動！后來通過網(wǎng)絡(luò)得知，Bliss教授與我交換幾次電郵后不久，在當年5月18日因病去世。

在此選取一封Bliss教授給我的回信與讀者分享，謹以這篇科學史小品懷念這位優(yōu)秀的歷史學家并慶祝胰島素的百年輝煌。

1923年度的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎是少有的符合諾貝爾遺囑中“前一年”標準的案例（圖一）。筆者在研究這一案例后發(fā)現(xiàn)，運氣在胰島素的發(fā)現(xiàn)過程中占據(jù)了顯赫的主導(dǎo)地位，雖然它并沒有跳出巴斯德名言“機遇只偏愛有準備的頭腦”之范圍。

胰島素故事的“男一號”班廷醫(yī)生（Frederick Banting），于1916年從多倫多大學（University of Toronto, UT）醫(yī)學院提前結(jié)業(yè)，并馬上參軍，投身于在英國的第一次世界大戰(zhàn)戰(zhàn)場，1918年在康布雷戰(zhàn)役（Battle of Cambrai）中光榮負傷。

從軍隊退役后，想以外科醫(yī)生為職業(yè)的班廷諸事不順，沒能在UT著名的兒科醫(yī)院謀得正式職位。為了靠近與未婚妻Edith Roach任教的高中，1920年7月，班廷選擇離開從小長大的多倫多北面小鎮(zhèn)Alliston，來到了多倫多西邊110英里外的London市開了一個私人診所。

圖一。來源：Bliss, M.（1982）The Discovery of Insulin；Youtube視頻：1988年加拿大影片“Glory Enough for All”，漢語配音譯制版《共同的榮譽》（1991年8月24日至9月14日，中央電視臺每周六晚“正大劇場”分四次播出）。

診所開張后可謂門可羅雀，班廷靠經(jīng)濟狀況富足的父母接濟才能勉強度日，而未婚妻Edith已有穩(wěn)定的教師工作和相當體面的收入。1920年代，作為一個有自尊心的加拿大男士，班廷顯然無法接受未來要靠妻子的收入來“吃軟飯”的局面，因此一再推遲婚期，又給自己增添了感情生活上的危機。為了彌補診所生意的慘淡，班廷開始在London市的西安大略大學（Western University, WU）兼職外科學和解剖學的講師。

1920年10月30日，一個星期六的夜晚，班廷正在為主管教授米勒（F.R. Miller）臨時給他的講課任務(wù)而犯愁，題目是他完全不熟悉的糖代謝與糖尿病。經(jīng)過幾個小時“臨時抱佛腳”式的教科書閱讀和摘錄，班廷在備課結(jié)束時，隨手拿起剛收到的當年11月號“Surgery, Gynecology and  Obstetrics”期刊作為臨睡前的催眠讀物。有趣的是，這期雜志的第一篇就是美國病理學家巴倫（Moses Barron）討論胰島（Islets of Langerhans）與糖尿病關(guān)系的論文（圖二）。

圖二：美國醫(yī)生巴倫探討胰島和糖尿病潛在關(guān)系的論文

巴倫在研究一例罕見的胰腺結(jié)石病理切片時，發(fā)現(xiàn)結(jié)石阻斷胰管導(dǎo)致的胰腺萎縮和文獻中報道的實驗動物胰管結(jié)扎模型頗有相似之處。事后回看，巴倫通過病理比較的推理并不嚴謹，不能確立胰島細胞與糖尿病之間的因果關(guān)系。

讀了論文之后，班廷依然無法入睡，當掛鐘敲響星期天凌晨2點時，他突發(fā)奇想，匆忙在筆記本上寫下一個實驗方案：通過結(jié)扎狗的胰管使得胰腺泡細胞（acinar cells）退化而外分泌減少，負責內(nèi)分泌的胰島細胞（islet cells） 無礙。這樣也許可以從萎縮的胰腺中抽提出可以用來緩解糖尿病的物質(zhì)（圖三）。班廷在這里想要減少外分泌的直覺依據(jù)是，胰腺分泌的蛋白酶如果大量存在于抽提物中，很可能會破壞想要純化的物質(zhì)。

圖三：班廷醫(yī)生在1920年10月31日凌晨2點寫下的實驗設(shè)計靈感。來源：Bliss,M.（1982） The Discovery of Insulin。

班廷在接下來的周一講課完畢后，忍不住和米勒教授談了自己的這個想法。神經(jīng)生理學出身的米勒對糖代謝完全不了解，但他知道當時正在班廷母校UT任教的麥克勞德教授（John Macleod）是糖尿病領(lǐng)域的權(quán)威，建議班廷盡快去找他談。

班廷曾在讀醫(yī)學院以及當兵期間，結(jié)識了被他視為教父般的UT兒科醫(yī)院第一位首席外科醫(yī)生斯塔（Clarence Starr）。通過斯塔的牽線搭橋，班廷于1920年11月8日在麥克勞德的辦公室見到了這位素昧平生的權(quán)威學者。

這次談話進行得并不順利，麥克勞德發(fā)現(xiàn)眼前的這位年輕醫(yī)生對糖尿病和胰腺生理學只有非常膚淺的書本知識，而且在此前沒有任何實驗室研究經(jīng)歷。麥克勞德不得不提醒班廷，已有很多生理學家在裝備良好的實驗室里耗費了很多年甚至整個職業(yè)生涯，也沒能令人信服地證明胰腺內(nèi)分泌的存在。

不善言辭的班廷具有執(zhí)著的信念，在看到麥克勞德已把注意力轉(zhuǎn)向手上其它事情后，依然斷斷續(xù)續(xù)地不停談他的實驗構(gòu)想。此時麥克勞德轉(zhuǎn)念一想，反正用萎縮的動物胰腺作為實驗材料確實還沒人嘗試過，此人既然是外科醫(yī)生，結(jié)扎手術(shù)技能還是靠譜的，不如提供幾條狗讓他試試，就算是陰性結(jié)果也是有意義的。

圖四。來源：Whitford, I. et al （2012）The Einstein Journal of Biology and Medicine, 28(1):12-17.

班廷在麥克勞德初步同意提供實驗條件后，還有一個需要操心的問題：這份臨時的全職科研工作是沒有任何收入的。如果決定上馬，班廷就需要暫時關(guān)閉在London市的診所，而去多倫多進行一場個人職業(yè)生涯的豪賭！經(jīng)歷了4個月的思想斗爭后，班廷不顧斯塔的反對，在1921年3月8日給麥克勞德寫信，告知自己愿意在5月的下半月加上6月和7月來到后者提供的實驗室里義務(wù)工作。

麥克勞德事先已定了1921年6月15日到9月20日去蘇格蘭的度假方案，在出發(fā)前有一個月的時間幫助班廷的動物實驗起步。他指派了本科生貝斯特（Charles Best）作為班廷的實驗助手，專門負責測量實驗狗的血糖和尿糖。詳細的實驗方案如圖四所示，先把健康的狗分為兩大組，對其中一組實施胰腺切除手術(shù)導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生（紅色），而對另外一組實施胰管結(jié)扎手術(shù)（灰褐色），在外分泌細胞萎縮后再把胰腺取出并純化抽提液。隨后再把胰腺已被切除的糖尿病狗分為兩小組，將抽提液注射到其中一組動物的血液之中，并隨時觀察體征，測量血糖和尿糖。

班廷和貝斯特的實驗初期出現(xiàn)了各種問題，導(dǎo)致不少實驗動物的死亡。而他們的實驗?zāi)軌蚶^續(xù)進行下去，恐怕要感謝上世紀二十年代的動物實驗管理條例還很不完善。麥克勞德在出發(fā)度假前的一個月內(nèi)給出了不少具體建議，其中6月9日和14日的內(nèi)容都通過班廷的筆記本檔案而得以保留。

實驗進行到7月初依然沒有起色，那時班廷和貝斯特已經(jīng)用了19條狗，其中12條屬于非正常死亡，只有2條是正常死亡。存活的5條狗屬于胰管結(jié)扎組，其中只有2條出現(xiàn)了胰腺萎縮的癥狀。1921年7月的多倫多之夏極其炎熱，我們可以想象兩人在沒有空調(diào)的實驗室里奮戰(zhàn)之辛苦。

7月30日，班廷“主演的劇情”開始慢慢發(fā)生反轉(zhuǎn)，他在手術(shù)時發(fā)現(xiàn)6月7號胰管被結(jié)扎的391號狗胰腺萎縮明顯，于是斷然決定對其制備抽提液。早上10:15，班廷將4毫升抽提液通過靜脈注入胰腺被切除的410號狗，貝斯特測出的血糖值是0.20。一個小時后，血糖下降了40%而到了0.12，此時班廷又注射了5毫升抽提液，但一個小時后血糖只降到0.11。到了下午2:15，之前的“戰(zhàn)果”開始消退，血糖回升到了0.14（圖五）。到了第二天早上，410號狗還是沒能逃脫死亡的命運。但兩人的士氣還是深受這個小進展的鼓舞，第一天觀察到的40%血糖下降是個很好的兆頭。

圖五。來源：Bliss, M.（1982）The Discovery of Insulin

8月1日是個星期一，兩人接著上周六的勢頭繼續(xù)嘗試，此時他們手上只剩一條胰腺被切除的406號狗，中午12:10時血糖高達0.50，已在昏迷狀態(tài)，看上去奄奄一息。班廷將8毫升抽提液注入，一小時后血糖雖然只降到0.42，但令兩人無比驚喜的是，406號狗此時站了起來并能在地上行走！下午1:10，堪比兩千多年前阿基米德跳出浴缸的“尤里卡”時刻，兩人興奮地把406號狗牽到實驗大樓房頂拍照留念（圖六）。

圖六。來源：Bliss, M. （1982）The Discovery ofInsulin

隨后班廷又注射了5毫升抽提液，到了下午2:10，血糖降到了0.30?？上Ш镁安婚L，406號狗很快又進入昏迷狀態(tài)，并于3:30死亡（圖七）。但從昏迷到站立這一戲劇性的轉(zhuǎn)變，已經(jīng)讓他們看到了勝利的曙光。

圖七。來源：Bliss, M. （1982）The Discovery of Insulin

接下來胰島素如何被最終發(fā)現(xiàn)的故事就無需筆者在此詳述了，有興趣者可以參閱優(yōu)秀科學史學家Michael Bliss的名著The Discovery of Insulin。

從轉(zhuǎn)化醫(yī)學和新藥研發(fā)的視角來看，胰島素發(fā)現(xiàn)過程中的諸多機緣巧合（serendipity）無疑是前無古人的：

（1）糖尿病有一個非常好用的特異性生物標記（biomarker）：血糖，雖然上世紀二十年代的分析化學技術(shù)還不夠發(fā)達，但檢測葡萄糖濃度可以由一個本科生勝任；

（2）班廷等人發(fā)現(xiàn)的胰島素是一種激素，無需任何蛋白工程的修飾，直接注射入血液可以直接達到療效。相比之下，1980年代健贊公司（Genzyme）用酶替代療法治療多種罕見病時，必須對蛋白進行修飾，才能確保注入血液后最終進入器官組織細胞內(nèi)的溶酶體；

（3）幾十年后有了蛋白測序技術(shù)，人們才意識到成熟的人源胰島素序列，其A鏈和B鏈與多種動物的相應(yīng)序列只差一兩個氨基酸，在功能上完全可以相互替代（圖八）。來自動物的胰島素可以直接用于臨床治療，而無需動用直到1970年代末才登上歷史舞臺的重組DNA技術(shù)，來批量生產(chǎn)人源胰島素。換言之，胰島素作為一種治療用蛋白，從動物實驗到臨床應(yīng)用幾乎是“無縫轉(zhuǎn)化”（seamless translation）。

圖八。來源：labpedia.net

但是有一點需要特別指出，用在動物身上的胰腺抽提液純度不高時，問題還不大，但若要把胰腺抽提液用到糖尿病人的臨床試驗，對胰島素的純度要求就很高。而對這個蛋白的純化攻堅，離不開1921～1922學年在麥克勞德實驗室學術(shù)休假的頂尖生物化學家科利普教授（James Collip），他的重要貢獻后來被貝斯特利用“歷史修正主義”（revisionist history）小動作而一度淡化，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，多倫多總醫(yī)院的內(nèi)科醫(yī)生杰弗里（Edward Jeffrey）將15毫升由貝斯特初步純化的狗源胰島素抽提液，注入已經(jīng)病危的14歲糖尿病男孩湯普森（Leonard Thompson）體內(nèi)。幾個小時后病人的血糖和尿糖雖然都有明顯下降，但是病情的總體改善有限，而且抽提液中的雜質(zhì)還導(dǎo)致了病人的過敏反應(yīng)。

兩周之后的1月23日上午11點，坎貝爾醫(yī)生（Walter Campbell）給湯普森注射了5毫升由科利普純化的抽提液，下午5點又注射了20毫升，第二天先后又注射了兩次10毫升。整個療程進行了一個多月后，醫(yī)學史上首個糖尿病人的胰島素療法臨床試驗正式宣告成功（圖九）。

圖九：第一個在多倫多總醫(yī)院成功接受胰島素治療的糖尿病人Leonard Thompson

1923年度的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎最終由班廷和麥克勞德兩人分享，班廷決定把他的一半獎金與貝斯特平分，作為回應(yīng)，麥克勞德把他的一半與科利普平分。這種特殊的分配方式，使根據(jù)The Discovery of Insulin改編的電影獲得了一個皆大歡喜的名字：Glory Enough for All （《共同的榮譽》）。

推薦閱讀：Bliss, M. (1982) “The Discovery of Insulin”, University of Chicago Press.

本文來自微信公眾號：賽先生（ID：mrscience100），作者：徐亦迅