救命药来了｜话说糖尿病（五）

文|王立铭（浙江大学生命科学研究院教授、研究员）

好了，亲爱的读者们，几位人类英雄们已经将胰岛素双手捧给我们。英雄的时代结束了，但是胰岛素的百年传奇，呵，其实才刚刚开始呢。

因苏林：第一支商业化胰岛素

请不要忘记，即便班廷和贝斯特能够利用酸化酒精浸泡从屠宰场的牛胰脏里提取出可以降低血糖的溶液，即便克里普能够运用他高超的生物化学技巧尽可能地除去溶液中的杂质（比如各种盐分、组织残块、无关的蛋白质等等），但是他们最终应用在患者身上的，本质上还是一管褐色的、有点浑浊的、看起来挺可疑的不明液体而已。这些胰岛素发现者们尽力将溶液中的胰岛素含量尽可能地提高、杂质尽可能地减少，但是归根结底，他们并没有真正制备出一种纯洁无暇、毫无杂质的胰岛素来。

这当然是时代的局限，我们的英雄们没有现代制药工业的各种神兵利器。用粗糙的坛坛罐罐，简单的几步溶解、加热、沉淀这些大厨的功夫，就能从牛内脏里提纯出可以直接注射到患者身体里还不引起严重副作用的药物，已经着实是难为他们了。

但是这也意味着，想要把这些听起来非常粗糙的操作和工艺规范化、扩大化、甚至自动化，将会是非常困难的任务。

首当其冲地就是扩大产能的麻烦。我们已经知道，从1922年初开始，新大陆各地的糖尿病患者就开始怀着向麦加朝圣的心情向班廷他们所在的多伦多进发了。为了救治越来越多的患者，班廷他们迫切需要几倍几十倍地扩大他们生产出胰岛素注射液的能力。

要知道，胰岛素注射虽然能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20世纪20年代，糖尿病人每天要接受至少三次胰岛素注射才能完全控制症状。而这也意味着，对胰岛素的需求，将注定成为一个巨大的、长期的、全球性的问题。

而实际上，对于蛋白质提纯这种技术活，把实验室里精雕细琢出的生产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。大规模生产中，如何保证不同批次原料的质量（万一牛们吃了不该吃的饲料呢？）？如何保证每一步生产工艺的一致性（想想把成吨的牛胰脏均匀地绞碎就是个令人头大的任务）？如何精确控制每一步工艺中的温度、酸碱度和生化条件？即便是扩大生产的任务交给了特里普这位杰出的生物化学家，多伦多也要一直等到1922年年中才勉强生产出了足够应付当地患者的胰岛素溶液。面对不断攀升的全球性需求，科学家们第一次感到束手无策了。

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感觉到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。

充满挫败感的科学家们第一次开始寻求学术界之外的帮助。

其实工业界的嗅觉远比科学家们敏锐。早在1922年初，当学术界还对多伦多几位科学家的成就半信半疑的时候，礼来制药（EliLilly and Company），一家总部位于美国中西部城市印第安纳波利斯的制药企业，已经摩拳擦掌准备在这块糖尿病药物的沃土上开掘第一桶金了。乔治•克洛斯（George Clowes），礼来制药的研发主管，早在当年3月份就已经联系过麦克莱德，希望以学术界工业界联手的方式，展开胰岛素溶液的大规模生产。当时清高的麦克莱德拒绝了这一提议，只是现在，越来越多的临床需求让麦克莱德改变了主意。

美国印第安纳波利斯，礼来公司总部。这家创立于1876年的制药公司，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地涉足胰岛素生产，可能是这家公司历史上最重要、也是最骄傲的历史时刻。（图片来自www.cleveland.com）

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。到这一年秋天，礼来的胰岛素开始源源不断地运往多伦多，这让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，礼来的产量达到了惊人的每周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，在那里被有条不紊地切割、浸泡、蒸馏和提纯，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。

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，对于如何管控大规模生产驾轻就熟。更重要的是，礼来也是制药工业界最早意识到研究和开发（而不仅仅是生产和销售）的重要性的公司之一。乔治•克洛斯，就是那个与麦克莱德暗送秋波的研发主管，很可能是全世界制药公司里第一个顶着这个“研发主管”头衔上班的人！而公司在胰岛素规模生产中同样借助了研究者的力量：正是他们的首席化学家乔治•沃尔顿（George Walden）发现了胰岛素溶液酸碱度的最优范围，才保证了大批量胰岛素注射液的稳定生产。

第一支商业化的牛胰岛素注射液，商品名因苏林/Iletin (Insulin, Lilly)。在上市第一年的1923年，因苏林的销售额就超过了一百万美元。要知道，在那个年代，在曼哈顿买一处宅子也只需要几千美元！值得注意的是，这么一小瓶胰岛素注射液，需要消耗成吨的牛胰腺组织，这也使得动物来源的胰岛素难以满足全球需求。（图片来自www.antiquesnavigator.com）

顺便说一句，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为抵触的科学家班廷、贝斯特和克里普还是满心不情不愿地为胰岛素申请了专利并于1923年初得到批准。随后三位科学家就以每人一美元的象征性价格，将这价值连城的专利转让给了多伦多大学，多伦多大学随后又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。三位科学家的高风亮节，保证了糖尿病人不会因为经济原因不能接受救命的治疗，值得我们长久的怀念和赞美。

与此同时，非排他授权的方式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。实际上，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年底就开始在欧洲大陆生产和销售胰岛素。这是后话，这里暂不多说。

桑格的拼图

胰岛素的传奇还在继续。

因苏林的成功自然实至名归，但是因苏林的背后，还有两个重大技术问题没有解决。

首先是个技术问题。尽管引入了高度自动化的生产线，尽可能地保证了因苏林产品的质量和安全性，但是因苏林始终是一种动物胰脏（一开始是牛，之后礼来又开发了用猪胰脏的技术）的粗糙提取物。从本质上讲因苏林就是一种成分复杂而且不明的含有胰岛素的水溶液，这一点就决定了再先进的生产线管理也无法保证每一瓶因苏林的成分都是完全一致的、而且所含有的杂质成分对人体没有危害。开句玩笑，来自芝加哥的牛胰脏说不定就比来自克利夫兰的牛胰脏胰岛素含量高，杂质水平低——谁知道呢，尽管胰岛素药物的提纯工艺一直在不断进步，但至少一直到1950年代，人们一直都还弄不清救命的胰岛素到底是一种什么样的蛋白质。

第二个问题则是市场供应问题。我们已经提到，从动物胰脏提纯胰岛素是一件极其低效的活计，每一瓶胰岛素注射液背后都是成吨的动物组织。按照这个比例，即便用上全世界牲畜的胰脏，提纯出来的胰岛素也没法满足全体糖尿病患者的需求。

这两个看起来八竿子打不着的问题，最终用一种听起来怪怪的方法，殊途同归地得到解决。

故事，还要从1940年代慢慢说起。

1943年，在剑桥大学工作的年轻人弗雷德里克•桑格（Frederick Sanger）从博士后导师那里领受了一个任务：测定一下牛胰岛素的氨基酸组成。当时桑格和他导师的想法很简单：人们已经知道蛋白质是有机生命的重要组件，而各种蛋白质又是由大约20种氨基酸组成的，那么一个自然而然的想法是，这20种氨基酸的万花筒般的组合，产生了各种功能和性质各异的蛋白质。因此，有必要找一种蛋白质来看看它到底是由什么样的氨基酸构成的。

弗雷德里克•桑格。这个内向文静的科学家是二十世纪生物学的巨人，而“测序”成为他一生事业的主题。除了测定蛋白质结构获得1958年诺贝尔奖，他还发明了测定RNA和DNA序列的方法，并因此在1980年第二次获得诺贝尔奖。1983年，65岁的桑格在事业如日中天时突然决定退休。直到他2013年去世，桑格淡出人们的视线，享受了三十年安详静谧的退休生活。（图片来自英文维基百科）

而桑格和老师选中牛胰岛素的原因仅仅是，这种蛋白质可以很容易地从附近的药店里买到，又便宜又不会耽误研究的节奏。毕竟，这是一种全世界糖尿病人赖以生存的救命药。

其实即便是在那个年代，生物化学家们想要了解一个蛋白质的氨基酸组成比例，总体而言还是相当容易的。他们可以用各种手段把蛋白质拆分、破碎、分解，最终变成单个氨基酸的模样，之后就可以很方便地根据不同氨基酸的特性测定出蛋白质中每种氨基酸的相对比例了。顺便提一句，拆分破碎蛋白质的一大妙方，就是用动物消化道里的消化酶（还记得胰腺的另外一个功能么？），因为那些消化酶的主要功能就是将食物中的蛋白质降解成单个氨基酸，方便身体的吸收利用。也正因为这个原因，如果桑格停留在这一步，历史上会留下一篇详尽描述胰岛素氨基酸构成的学术论文，和一位默默无闻的化学家。

桑格没有。桑格希望能够最终测定胰岛素中氨基酸的顺序，而不仅仅是组成。

这个想法的背后逻辑是，当时人们已经知道，蛋白质分子不仅仅是一堆氨基酸分子的混合物，而是由一堆氨基酸分子按照一定排列“串”起来的。但是究竟怎么样的排列组合串起了不同的蛋白质，每一种蛋白质的氨基酸排列是否总是一致，不同蛋白质的氨基酸排列到底又有多么不同，却没有现成的答案。桑格认为，如果能真正测定一种蛋白质的氨基酸序列，这些问题都会迎刃而解。

桑格测定胰岛素中氨基酸序列的工作和本文的主旨关系不大，作者也就不详细展开了。但是桑格使用的方法却精妙之极，让人忍不住做点回顾。简单来说，桑格用的是一种类似拼图的测序方法。每次试验中，桑格都用不同的方法把胰岛素分子随机切断成大小不一的几段，再用一种自己发明的荧光染料，特异地把断片一端的氨基酸染成黄色并确定其身份。这样每次打断—染色，桑格就可以知晓胰岛素中某几个断点处氨基酸的身份。经过成百上千次这样随机的重复，桑格就可以遍历胰岛素任意给定节点的氨基酸。桑格就是这样，很有耐心地拼起了这块由五十一个碎片组成的拼图的完整模样。

整个拼图过程，耗费了他整整十二年的时间。

胰岛素分子的三维晶体结构。左图中的每一个小球体代表一个原子的位置（碳原子—绿色；氧原子—红色；氮原子—蓝色；氢原子—灰色）。桑格在1955年准确测定出了胰岛素分子中每一个氨基酸的顺序，而胰岛素的三维结构则由另一位诺贝尔奖获得者，英国化学家多萝西•霍奇金（Dorothy Hodgkin）测定。（图片来自英文维基百科）

这项工作的意义远远超越胰岛素研究的故事框架，成为整座现代分子生物学的基石之一。通过桑格的工作，人们意识到每种蛋白质都有独一无二的氨基酸序列，而正是这独特的氨基酸排列顺序决定了每一种蛋白质特别的功能和特性。也正是桑格的工作，为人们后来理解遗传的奥秘，即DNA上携带的遗传密码如何决定了蛋白质的构成，奠定了基础。作为一项划时代的技术发明，桑格测序法也帮助全世界的生物学家们测定了成百上千的蛋白质结构。1958年，桑格获得诺贝尔化学奖。

而对于我们故事的主角胰岛素来说，桑格的工作立即提示了一种诱人的可能性：既然知晓了牛胰岛素的全部氨基酸序列，我们是不是可以按图索骥地人工合成出绝对纯净的胰岛素呢？实际上，中国科学家在本世纪屈指可数的重大科学贡献之一，20世纪60年代合成牛胰岛素的壮举，也是受到桑格工作的激励和感染。

不过在真实的历史上，人工合成的动物胰岛素从未大规模地进入临床。一方面是因为在六七十年代，人们已经可以利用先进的生物化学方法，从牛胰腺粗提液中提纯出成分单一、杂质可以忽略不计的高纯度动物胰岛素（例如1973年丹麦诺和诺德公司推出的单一组分胰岛素），因此对完全人工合成动物胰岛素的需求就没有那么迫切了。

而另一方面，这也是因为桑格的工作无意间指出了另一条更为光明的道路，最终带来了人胰岛素的大规模临床应用。

人的胰岛素

人的胰岛素？

读者们别急，用人的胰岛素，不是说要像活熊取胆那样把人变成活着的胰岛素工厂，更不是要从死人身上窃取胰腺，科学家们没有那么冷血。

或者说更重要的是，他们没有那么缺乏想象力。

科学家从桑格的工作中得到的启发是，也许可以在工厂里大规模地生产人的胰岛素，从而从根本上取代动物胰岛素的使用。

读者们在看到之前的故事的时候就可能会有疑虑：动物的（主要是牛的、也有用猪的）胰岛素，怎么可以随随便便拿来治疗人的糖尿病？动物的胰岛素和人的胰岛素难道可以随意替换么？

是也不是。拿牛的胰岛素来说吧，它的氨基酸序列和人胰岛素高度相似，仅有不到10%的氨基酸有所不同（51个氨基酸有3个不同）。因此，在临床上它确实能起到治疗人类糖尿病的功效。但是，在人体中牛胰岛素确实效用要略差一些；同时，这些许的差别能够被人体灵敏的免疫系统识别，从而引发一定程度的免疫反应，这是牛胰岛素难以避免的副作用。