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大腸桿菌生產胰島素的背景

距今八十年前(壹九二壹年)的夏天,壹位年輕的外科醫生班廷 (Frederick Banting, 1891-1941) 與壹位剛出校門的助理貝斯特 (Charles Best, 1899-1978) 在多倫多大學生理學教授麥克勞德 (John Macleod, 1876-1935) 的實驗室進行研究。他倆發現胰臟的萃取液可以降低糖尿病狗的高血糖,以及改善其他的糖尿病癥狀。接下來的壹年內,多倫多大學的團隊發展出初步純化胰臟萃取物的方法,並進行臨床試驗。他們將其中的有效物質定名為胰島素 (insulin)。

為了解決量產與雜質的問題,他們與美國的禮來藥廠 (Eli Lilly and Co.) 合作,成功地從屠宰場取得的動物胰臟中,分離出足以提供全球糖尿病患使用的胰島素。在不到兩年的時間內,胰島素已在世界各地的醫院使用,取得空前的成效。壹九二三年十月,瑞典的卡洛琳研究院決定將該年的諾貝爾生理及醫學獎頒給班廷及麥克勞德兩人。班廷得知消息後,馬上宣布將自己的獎金與貝斯特平分;稍晚,麥克勞德也宣布將獎金與另壹位參予研究的生化學者柯利普 (James Collip, 1892-1965) ***享。

多少年來,修習生理學或內分泌學的人大概都聽過或讀過,胰島素是由班廷及貝斯特兩人所發現的;知道多壹點的人,還會告知班廷之所以成功,是因為他從閱讀期刊中想到了個好點子:先將狗的胰管結紮,讓分泌消化液的外分泌腺萎縮後,再將胰臟取出進行萃取,這樣就可避免其中的活性物質(也就是胰島素)遭到消化酵素分解的命運。還有人會說,麥克勞德對於胰島素的發現,功勞及苦勞都無,他只是揀了現成的便宜。至於柯利普是何許人,有過什麽貢獻,出了內分泌學界,大概更是無人知曉。

這樁科學史上的公案,由於種種原因,被刻意隱藏超過半世紀以上。直到壹九八二年,才由多倫多大學的歷史系教授布利斯 (Michael Bliss) 從諸多的歷史文件(包括班廷的原始實驗室筆記、諾貝爾獎委員會解密的文件等),及當年目睹者(多是七、八十歲的老人)的訪談紀錄中,寫了《胰島素的發現》(The Discovery of Insulin, 1982, University of Chicago Press) 壹書,大致還原了壹九二壹至二三年間發生的事件真相。所謂“真實的人生更勝於小說家的創造”,在此得到再度的驗證。

從班廷在壹九二壹年十二月舉行的美國生理學會年會上,第壹次正式報告初步發現算起,不到兩年的時間,就得到諾貝爾獎的肯定,可說是前無古人,後無來者;更不要說得獎時,胰島素正式用在臨床試驗,只有壹年多壹點的時間,實在難以評估其長期的效益。但今日看來絕無可能之事,的確發生了,究其主因,乃是因為糖尿病的嚴重性。

糖尿病是歷史悠久的人類疾病,問題出在身體不能利用最重要的能源——葡萄糖,以致有大量的葡萄糖堆積在血液,造成血管病變及病菌滋生;同時過多的葡萄糖從尿液流失,帶走大量水分,造成病人又饑又渴。就算吃喝不斷,患者仍然不斷消瘦(蛋白質及脂肪都分解用來制造更多的葡萄糖),增加飲食只會使情況變得更糟,因此中醫稱此疾為“消渴癥”。在長期“饑餓”下,身體組織開始利用酮體;大量由脂肪及胺基酸生成的酮體帶有酸性,而造成患者酸中毒。

在胰島素發現以前,常用的糖尿病控制方法就是禁食。在每日不到壹千大卡的熱量、不含什麽碳水化合物的嚴格飲食下,原本已經消瘦不堪的糖尿病患者更是骨瘦如材,形同餓莩。這些人的體重可低至二十來公斤,成天躺在床上,連擡個頭的力氣也無。他們就算不死於酸中毒造成的昏迷,遲早也是餓死。這些坐以待斃的悲慘情狀,絕非現代人所能想像。

在壹九二○年代的產業化國家,糖尿病的盛行率在○˙五到二%之間(可悲的是,這個數字在胰島素發現後,有增無減),其中不乏重要人士及其家人;像是當時美國國務卿的女兒、柯達公司副總裁之子,以及後來因發現惡性貧血癥療法而獲得壹九三四年諾貝爾獎的哈佛醫生邁諾特 (George Minot, 1885-1950)。

胰島素究竟是誰發現的呢?傳統的認定是否有誤?我們得從班廷談起。

壹九壹七年,班廷從多倫多大學醫學院畢業。適逢第壹次世界大戰爆發,最後壹年班廷沒上什麽課,整年只記了五頁筆記(他後來自承所受醫學教育並不完整),就被征召入伍成為陸軍醫官,並上法國前線參與了坎伯拉之役(Battle of Cambrai,坦克首次在戰場上成功使用),因傷光榮退役。由於無法在大醫院找到工作,班廷被迫到距離多倫多壹百八十公裏遠的小城倫敦開業。

由於診所的生意甚是清淡,於是班廷在當地西安大略大學的醫學院找到兼課的工作;他對糖尿病的知識,也就是從備課時得來。壹九二○年十月,他讀到壹篇病理報告,其中描述胰管遭結石阻塞的病人,其胰臟中分泌消化酵素的外分泌腺組織有所萎縮,但胰島細胞卻存活良好。於是,班廷想到可以將狗的胰管以手術結紮,模擬結石阻塞的情況;等消化腺萎縮後,或許可以分離出胰島中未知的降血糖物質。

自壹八八九年德國的敏柯斯基 (Oskar Minkowski) 發現胰臟和糖尿病的關聯之後,就不斷有人嘗試分離胰臟的神秘內分泌物質,也陸續有報導指出胰臟的萃取物具有降血糖的作用;但不是效果不夠好,就是副作用大,都沒有得到同行的認可。而班廷與貝斯特在壹九二壹年夏天的辛苦工作結果,也沒有超越前人;如果不是麥克勞德及柯利普的從旁幫忙,只怕也與先前諸人壹樣,未能嘗到勝利的果實。

終其壹生,班廷都認為他靈光壹現的想法是導致成功之源;經由他的鼓吹及二手報導的傳播,這個說法也就流傳下來。但實情是:胰管的結紮是完全沒有必要的。因為胰臟所分泌的消化酵素在進入消化道之前都處於非活化的狀態,並不會將胰島素分解;再來在低溫下將胰臟絞碎及以酒精萃取,都可去除消化酵素的作用(這壹點並非我們的事後之明,當年就有人指出)。因此,吊詭的是:班廷的成功,肇因於他對於研究的無知。

麥克勞德是蘇格蘭人,在英國、德國及美國各地都有過完整的研究資歷,當時是美國生理學會的理事長,專長在碳水化合物代謝生理。麥克勞德是個稱職的研究者,熟悉醫學文獻,更擅長於整合現有的生理學知識,他也是個多產的作者。當毫無研究經驗的班廷帶著不成熟的想法前來找他幫忙時,他直覺的反應是之前已經有許多人試過且失敗了,憑什麽班廷這個無名小卒會成功呢?或許他認為班廷的想法至少之前沒有人做過,不妨壹試;或許他想班廷好歹是個外科醫生,給狗動起手術來大概沒有問題;再者,麥克勞德每逢暑假都要回蘇格蘭老家休假,實驗室多個人做事,未嘗不好。於是他答應讓班廷壹試,並讓貝斯特幫忙;歷史因此創造。

壹九二壹年五月中旬,班廷給第壹只狗動胰臟切除手術;之前他可能從未動過類似手術,因此麥克勞德也在壹旁協助。麥克勞德於六月中旬才離開多倫多,傳言中說他根本未參與實驗並不正確。由於技術問題,加上天氣炎熱及動物房條件不佳,動物的死亡率甚高:十九只裏就死了十四只(當時也還沒抗生素可用)。存活下來的五只胰管結紮狗裏,只有兩只的胰臟有萎縮現象,其余因結紮不牢而效果不彰;但他們還是進行了萃取及註射的工作,也觀察到降低血糖的結果。

以純研究的角度來看,班廷及貝斯特的成果實在粗糙得可以;他們最早發表的兩篇論文裏也有許多的錯誤。要不是麥克勞德加入許多生理指標的實驗結果,以及邀請生化學者柯利普加入研究,改進萃取及純化的方法,班廷及貝斯特的初步成果是難以取信於人的。所謂“成功有許多父親,失敗就只是孤兒”,有關胰島素的發現者,壹開始就爭議不斷,就連先前許多被人遺忘的研究者,也有人聲援。終其壹生,班廷都認為麥克勞德搶了他及貝斯特的成果,惡言相向。壹九二八年,麥克勞德終於離開多倫多,回到家鄉亞伯丁大學任教,而於七年後因病去逝,享年僅五十九歲。

由於班廷是第壹位得到諾貝爾獎的加拿大人,因此獲得加拿大政府異常優渥的待遇,不但在多倫多大學享有研究教授的終身職,同時還有個以他及貝斯特為名的研究所。在科學研究上,班廷的成就有限,但他的個性與壹生,卻饒富戲劇性。班廷於二次大戰中,擔任戰時醫藥研究的主席,常駐英國。壹九四壹年,他於返英途中,因飛機失事而喪生,享年僅五十。《胰島素的發現》壹書作者另外寫了本《班廷傳》(Banting: A Biography, 1984),對班廷的壹生有更多的著墨。

胰島素的另外兩位***同發現者,貝斯特及柯利普,雖然沒有得到諾貝爾獎的肯定,但他們後來的發展卻更形出色,也安享天年。看來“諾貝爾獎是研究者墳墓”的說法,不是沒有幾分道理。

根據壹般的記載,都說當年幫忙班廷進行實驗的貝斯特是個醫學生,那並不正確。當時貝斯特剛從多倫多大學生理系取得學士學位,並獲錄取進入研究所就讀。他是在壹九二二年取得碩士學位後,才進入醫學院就讀,而於壹九二五年以第壹名的成績畢業。

頂著“胰島素***同發現人”的頭銜,貝斯特接受了當時英國著名的生理學者戴爾 (Henry Dale, 1975-1968,壹九三六年諾貝爾生理醫學獎得主) 的建議,前往戴爾的實驗室接受完整的研究訓練,並取得博士學位。壹九二八年,麥克勞德離開多倫多大學後,貝斯特便順理成章地接替他的位置,成為當時最年輕、最有潛力的生理學者。貝斯特也不負眾望,在胰島素的作用及抗凝血劑的發展上,有過重要貢獻。他所編著的生理學教科書 “Best and Taylor’s Physiological Basis of Medical Practice”還壹直有新版發行(13th ed. 1999,編者不同),因此新壹代的生理學者對其仍有耳聞。

至於最後加入工作的柯利普是加拿大亞伯達 (Alberta) 大學生化系的教授,當時正在多倫多大學進行為期壹年的休假進修。他對於剛起步的內分泌學有極大的興趣,因此密切註意班廷及貝斯特的胰臟萃取工作。當班廷在純化胰島素上碰到瓶頸時,便邀請柯利普加入幫忙。雖然後來柯利普客氣地說,他只不過做了任何壹個生化學家都會做的事;但只要曉得蛋白質化學之復雜,以及八十年前可用方法之貧瘠的人,都能了解其工作的困難度。柯利普後來在許多內分泌激素的分離工作上,都有過重要貢獻。他還擔任過麥吉爾大學的生化系主任,以及西安大略大學的醫學院院長,成就非凡。

胰島素的發現雖然拯救了數以百萬計糖尿病患者的生命,但那還只是治標,並非治本,缺少胰島素的患者終生都得仰賴胰島素的註射,隨時註意血糖的控制,避免出現並發癥。更麻煩的是,糖尿病還不只壹種,有更多所謂成年型(第二型)的糖尿病患者,體內並不缺少胰島素,而是由於過胖、少動,及飲食過度,導致身體組織對胰島素反應下降,無法有效利用過多的能源才發病。尤其現今中年以上的國人,年輕時大都相當苗條,體內脂肪細胞數目有限(成年後數目不再增加);而近些年吃得太好,導致每個脂肪細胞都滿載,無法吸收更多吃入的能量,也就容易出現糖尿病的癥狀。對這種為數更多的患者來說,補充胰島素就沒什麽用,運動、減重,註意飲食才是良方。

胰島素發現迄今雖然已有八十年的歷史,但胰島素可算是最難了解的激素之壹,其作用之多樣,機制之復雜,至今仍未全盤解開。當年班廷等人分離的胰島素只是粗制品,真正的純化及結構決定,要到壹九五五年才由英國的聖格 (Frederick Sanger. 1918- ) 所完成;聖格也因此獲頒壹九五八年的諾貝爾化學獎。

因胰島素研究而間接獲獎者還有壹位,就是壹九七七年的生理醫學獎得主雅婁 (Rosalyn Yalow, 1921- )。雅婁和同事伯森 (Solomon Berson, 1918-1972) 發現長期註射胰島素的糖尿病患血中含有某種球蛋白,能與胰島素產生結合;經分析後,發現該球蛋白是針對胰島素的抗體。由於人體本身就有胰島素,因此對胰島素產生抗體是不可思議的事,因此,他們最早(壹九五五年)報導此發現的論文也遭到《臨床研究期刊》的退稿。雅婁壹直保留當年的退稿信,廿二年後得了獎,她取出該信發表在《科學》雜誌上。雅婁的故事有兩點教訓:壹、要得諾貝爾獎,得活久壹點,像伯森就錯過了;二、別得罪女人。

上述問題出在當年給病人註射的胰島素,都來自屠宰場的動物胰臟。雖然動物的胰島素在人體也有作用,但其胺基酸組成仍有少數的差異;免疫細胞就針對這點差異,產生了特別的抗體。目前以基因工程制備的人類胰島素,已無此問題。雅婁及伯森利用這種抗原抗體的專壹性反應,加上放射性元素作為追蹤劑,發展出“放射免疫測定法”(radioimmunoassay),能測定血中的微量激素及任何能產生抗體的物質,徹底改變了內分泌學的面貌。

因此,歷史的幽微隱晦與反復多變,常出乎人的想像,胰島素的故事,可見壹斑。

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