揭秘糖尿病：胰島素製成片劑或成為現實

出品：科普中國

製作：中國細胞生物學學會 王立銘

監製：中國科學院電腦網路資訊中心 

1982年，優泌林(Humulin)，世界上第一種利用基因工程技術生產的人源胰島素正式上市。

優泌林的出現不僅僅意味著動物胰島素產品的巔峰已過，開始慢慢退出市場，同時，它作為有史以來第一種基因工程藥物，還標誌著生物技術產業的誕生，以及醫藥行業的歷史性變革。

一切，讓我們從頭說起。

“合成一個蛋白質”—首次人工合成牛胰島素

前面我們已經講到，相比牛或者豬的胰島素，使用人胰島素治療糖尿病有顯而易見的諸多好處：完全模擬了病人體內的天然胰島素;避免了動物胰島素可能的副作用;生產不需要依賴動物內臟的供應，等等。不管從臨床應用、生產還是商業因素考慮，人胰島素都是不折不扣的終極“胰島素”。

但是如何生產出人胰島素，特別是大量的、品質穩定的、安全可靠的人胰島素呢？畢竟，科學家和醫生們，不可能從活人(或者死人)身上打主意。這樣的想法不僅僅邪惡，實際上也太沒有創造力了!

敏銳的讀者們可能已經在想我們前面剛剛提到的桑格的故事。既然桑格能夠測定牛胰島素全部五十一個氨基酸的完整序列，那麼人們顯然也可以照葫蘆畫瓢的測定出人胰島素的全部氨基酸序列。

如果這時候能再有一種技術，能夠反桑格之道而行之，按照測定出的序列資訊，把五十一氨基酸分子一個一個連成一串，那豈不是就能在實驗室裡“生產”出人胰島素來了？

您還別說，在上個世紀六十年代，這種聽起來充滿暴力美學的逆向工程做法還真的一度成為人們的希望所在。

讀者們可能還記得，中小學課本裡提到的一項新中國重要科學貢獻“結晶牛胰島素”吧!在大躍進的狂熱中，中國科學家提出了“合成一個蛋白質”的口號，在畝產萬斤的氛圍中也發射了自己的衛星。1965年，歷經幾年的集體攻關，中國科學家成功的用單個氨基酸為原材料，在實驗室中合成出了結構和功能都和天然牛胰島素別無二致的蛋白質。

我國科學家通過人工方法合成的結晶牛胰島素。(圖片來源不詳)

這項工作的意義在這裡就不展開敘述了。

筆者要說的是，首先，這項工作毫無異議的證明，人們確實可以在實驗室條件下“生產”出和天然人胰島素完全等價的蛋白質來。但是這項工作的進展本身也深刻地顯示了，試圖用人工方法來pk造物億萬年進化造就的生物機器是多麼的無力。在實驗室環境中完全人工合成一個蛋白質是一件效率極低的事情，每一次將一個新的氨基酸分子連上去，其產出率都只有千分之幾，這就意味著合成一個包含五十一個氨基酸的蛋白質，總產出率將會低至一個需要用放大鏡才能看清的數字。即便是在之後的多年裡，人工合成蛋白質的效率有了長足的進步，但是相比生物體產生胰島素的效率仍有天壤之別。

因此在實用意義上，靠人工合成的“笨”辦法製造人胰島素，是條不可能的路。

這時候進入歷史的，是一個在我們的故事中多次出現、似曾相識的情節。又一次意識到人力有限的科學家們，轉而開始尋求大自然的力量。

兩位元科學家的合作與基因工程時代的到來

既然不能完全依靠人工去生產胰島素，那我們能不能借用生物體的力量？要知道，人體自然合成人胰島素的本事，可是比科學家的試管高出了不知道多少倍。

可是我們總不能——總不能就為了這個在實驗室飼養人類吧？

別說大活人，就是單純培養一堆人的胰臟，都會引發倫理學和監管領域的滔天巨浪。

所幸，這一次生物學家們沒有讓我們等得太久。他們想出了一個絕妙的辦法，讓那些肉眼看不見摸不著卻又無處不在的細菌，幫助人類生產胰島素。

整個二十世紀七十年代，見證了現代生物學一場真正的革命。

從揭示人類奧秘的角度看，它也許還比不上達爾文提出進化論、比不上DNA雙螺旋結構的發現。但是如果從對人類生活的影響看，七十年代是不折不扣的黃金時代。

1973年，兩位元年輕的生物學家，斯坦福大學的斯坦利·科恩(Stanley Cohen)和加州大學三藩市分校的赫伯特·博爾(Herbert Boyer)合作發表了一篇學術論文。兩位科學家的天作之合也宣告了重組DNA技術的誕生和基因工程時代的到來。

說起來，科恩和博爾的研究工作，在1973年前其實並無交集。這篇劃時代的論文，其源頭不過是1972年兩人在一次學術會議上的邂逅。

科恩之前的研究工作是細菌的遺傳物質——DNA。準確的說，科恩的研究興趣是某些細菌中攜帶的名為“質粒”(Plasmid)的環狀DNA分子。科恩在工作中觀察到，細菌的抗藥性很大程度上是由這種名為質粒的DNA決定的。他在實驗中令人信服的證明，質粒DNA上確實攜帶了特定的基因，這個基因通過DNA的轉錄和翻譯產生了一種能夠對抗抗生素的蛋白質。同時，質粒DNA能夠因為某種不明原因在細菌之間來回傳遞，而這種質粒傳遞的現象很好的解釋了為什麼一大群細菌可以很快的產生抗藥性。

而博爾的工作雖然也和細菌有關，但是卻和科恩的興趣點八竿子打不著。博爾關心的是細菌中一類非常有趣的蛋白質——“限制性內切酶”。這種蛋白質有點像DNA剪刀，可以哢嚓一聲把DNA剪成兩段。吸引博爾的地方在於，限制性內切酶的剪切位點看起來是有高度選擇性的，一種內切酶，只會選擇一種DNA位點進行剪切。而博爾希望能理解這到底是為什麼。

而1972年在夏威夷維琪基海灘(Waikiki beach)的那次見面，把兩位科學家的研究神奇的連在了一起。

赫伯特·博爾(左)和斯坦利·科恩(右)

這兩位科學家在1972-1973年的合作可能是現在分子生物學歷史上最重要的合作之一。在短短幾個月中，來自兩個實驗室的技術被結合起來，宣告了重組DNA技術的誕生和基因工程時代的到來。博爾隨後辭去教授職務，成為基因泰克公司的創始人，而科恩一直在斯坦福繼續他的研究，並且在重組DNA技術的倫理和監管討論中起到了重要作用。值得一提的是，1980年諾貝爾化學獎授予對重組DNA技術同樣有重要貢獻的科學家保羅·伯格(Paul Berg)，而與博爾和科恩遺憾得失之交臂。(圖片來自www.lemelsonmit.edu)

兩位年輕人在會後的晚餐上開始聊彼此的研究。幾個小時的熱烈討論後，他們不約而同的產生了一個想法：既然限制性內切酶能夠特異地切斷DNA，而細菌的質粒DNA又決定了它們對抗生素的抗性，那麼，要是能找到兩個抗性不同的質粒，用內切酶將兩個圓環分別切開再粘成一個大環，這個新產生的質粒DNA豈不是應該能夠產生兩種截然不同的抗性蛋白質，從而讓細菌能夠同時抵抗兩種抗生素的侵襲？

說起來，他們的思路聽起來確實非常簡單直接，但是如果沒有那一次偶然的邂逅，很難想像兩個人(或者其他人)還要在黑暗中摸索多久才能有這個“啊，我想到了!”的奇妙瞬間。

幾個月後，他們完美證明了這個想法。而這也意味著，兩個年輕人無意間操持起了上帝的活計。

在他們之前的幾十億年，地球上所有有機生命，都嚴格遵循著達爾文的進化論，依靠遺傳信息的緩慢變異，在這多變的地球母親上頑強生存。而兩個年輕人的實驗證明，在狹小的實驗室空間裡，人類可以輕鬆的定向設計和改變一個生物體的遺傳信息!

博爾和科恩工作的示意圖(繪圖 肖媛)

他們將兩種抗性不同的環形質粒DNA(紫色的pSC101質粒攜帶抵抗四環素的基因，而黃色的RSF1010質粒i攜帶抵抗鏈黴素的基因)提取出來之後，用一種名為EcoRI的限制性內切酶分別切斷，再將兩者連起來形成一個大環。這種“雜交”產生的質粒DNA如果被重新引入細菌，可以使細菌同時具備四環素和鏈黴素兩種抗性。讀者們將會很快看到，重組DNA的方法可以拓展出大量的應用，包括利用細菌生產人類胰島素。(圖片來自www.slideshare.net)

基因工程的時代到來了。科恩和博爾這個聽起來還相當粗糙的實驗，為之後更精巧和複雜的工作指明了道路。從此之後，人類熟練地操起DNA剪刀、膠水、GPS和影印機，像個好奇的孩子一樣對著周圍的一切新鮮的遺傳物質動手動腳。

更高產的小麥，能殺害蟲的玉米，吃了防止貧血的水稻，更瘦的豬，更忠誠的狗……也許，還有更健康，更聰明，更漂亮的人類自己。

那麼，胰島素呢？

科學家與商人的再次合作——人源胰島素的誕生

應該承認，至少在1973年，科恩和博爾還壓根沒有想到他們的研究和胰島素、和糖尿病會有一絲一毫的關係。

兩個人正沉浸在發現的喜悅和競爭的高壓中。要知道，東海岸那裡不少鼎鼎大名的實驗室，也在緊鑼密鼓的展開重組DNA的研究呢。

於是老俗套的故事又上演了：面對可能的商業應用，產業界和資本的嗅覺總是要更靈敏。

1976年1月的一天，博爾在辦公室裡接到了一通陌生人的電話。電話那頭的年輕人自稱羅伯特·斯旺森(Robert Swanson)，鼎鼎大名的矽谷KPCB基金的合夥人。斯旺森熱情的提到了科恩和博爾的“重要發現”，並且謙虛的詢問能否約個時間和博爾喝杯咖啡，談談重組DNA技術的“可能商業應用”。

原定一刻鐘的咖啡時間喝了三個小時。而那一天結束的時候，博爾和斯旺森，兩個三十歲左右的年輕人已經迅速談妥了一個約定：兩人決定分頭辭職，共同創立一家生物技術公司，探索基因工程的應用前景。

博爾和斯旺森的命運就此改變。而這家名為基因泰克(Genentech)的公司，也標誌著基因工程這項革命性的技術發明，迅速走出實驗室，走向產業化，走進千家萬戶的藥盒。

基因泰克公司總部，位於美國加州南三藩市

這家創立於1976年的公司是醫藥產業乃至全球創新企業的傳奇之一。建立在重組DNA技術之上的這家公司在過去的數十年，研究開發出數十種基於基因工程的重組蛋白和單克隆抗體藥物，引領了整個生物技術產業的發展。基因泰克開發的著名藥物還包括結直腸癌和其他癌症的藥物，非小細胞肺癌藥物，乳腺癌藥物等等。(圖片來自www.triumgroup.com)

這家年輕的公司的第一個使命就是，利用科恩和博爾的重組DNA技術，讓細菌為我們生產人胰島素!

其實有了桑格對胰島素氨基酸序列的測定，有了科恩和博爾的重組DNA技術，這項任務實際上並沒有看起來那麼聳人聽聞：首先，人們已經通過桑格和後來者的工作，完全瞭解了人類胰島素完整的氨基酸序列，並順藤摸瓜的確定了人類胰島素的DNA序列。因此，如果把人類DNA序列完整的合成出來，再利用重組DNA技術把它放到一個細菌質粒裡面去，這種細菌應該就能源源不斷的合成人源胰島素，就像它如何產生抗生素的抗性蛋白一樣。

1978年，僅僅開業兩年後，年輕的基因泰克公司宣佈生產出了人源胰島素，其氨基酸序列及生物功能與人類自身合成的胰島素別無二致。世界上第一個基因工程藥物誕生了。1982年，胰島素領域的奠基人禮來公司開始以優泌林(Humulin)為商品名銷售基因泰克的產品。到本世紀初，全球胰島素市場上超過2/3的產品為人源胰島素，而全美市場中已經找不到動物胰島素的存在。

優泌林(Humulin)，第一種利用基因工程手段生產的人源胰島素，事實上也是人類歷史上第一個基因工程藥物。優泌林可謂是醫藥市場的常青樹，上市超過三十年的優泌林，目前仍能實現每年超10億美元的銷售額。(圖片來自www.odec.ca)

1980年，基因泰克在萬眾歡呼中登陸納斯達克，作為一家當時仍沒有分錢利潤的公司，基因泰克在IPO首日結束時的市值就達到4億美元，這代表著人們對這家代表著新希望的製藥公司的美好期待。

而在2009年，瑞士製藥巨頭羅氏收購基因泰克時，花費達到了創紀錄的四百六十多億美元!基因泰克、博爾和斯旺森，在一個完美無缺的時間節點做出了正確的選擇。因此他們的成功也就顯得如此的水到渠成。

而優泌林的上市，也代表著胰島素又一個美好時代的到來。

更多、更新、更好的胰島素

基因工程生產的人源胰島素，不僅意味著從此胰島素生產可以從此擺脫對動物器官的依賴。對於每天依賴胰島素注射的糖尿病人而言，還有更重要的一層含義。

既然我們可以利用重組DNA技術，將人類胰島素的DNA序列放入細菌，把細菌變成微型胰島素工廠，那麼我們自然也可以在這個過程中，隨心所欲的改變人類胰島素的DNA和蛋白質序列，甚至製造出性能優於天然胰島素的全新蛋白質藥物來。

也許讀者會問，人胰島素應該是歷經進化選擇的最優解吧，有什麼必要在它上面繼續動手動腳呢？這樣會不會弄巧成拙呢？

問的沒錯。

人類天然合成的胰島素，對於人體而言，當然是近乎於完美無缺的存在。畢竟在全球幾十億沒有患糖尿病的人群裡，天然胰島素一周七天、全年無休在精密調控著身體裡的血糖。再談人工修改，確實有點畫蛇添足的意味。但是，對於糖尿病人而言，通過注射進入體內的人源胰島素可就沒有那麼完美了。

倒不是胰島素本身有什麼不對，實際上基因工程就保證了糖尿病人所用的人源胰島素和體內天然合成的胰島素一模一樣。問題是出在對胰島素水準的調節上。讀者們可能還記得，前面章節裡我們曾經引用過這張圖描述每日血糖和胰島素水準變化的曲線：

我們可以清晰地看到，血液中的胰島素(藍色實線)含量並非一根刻板不動的直線，而是在三餐前後有著明顯的波動。實際上，胰島素水準靈敏地回應了體內血糖水準的變化(紅色實線)，從而能夠在飯前飯後協助血糖水準的穩定。在這種靈敏響應的背後，是人體胰島貝塔細胞對合成、包裝和分泌胰島素的精密調控。而可想而知，通過注射器進入血管的胰島素顯然沒有能力精確地追蹤和回應血糖水準變化。

因此，從某種程度上說，接受胰島素治療的糖尿病患者仍然和健康人有著明顯的區別。前者仍然需要小心翼翼的調節自身的飲食規律和注射胰島素的節奏，保證血糖水準能夠處於相對合理的範圍內。

比如說，常規使用的動物胰島素在血液中的生命週期差不多都是4-6個小時，這就意味著患者每天需要給自己紮上四五針才能維持基礎血糖的穩定。即便是改進版(例如諾和諾德公司于1946年開發的一種藥物，即在胰島素溶液中添加魚精蛋白以延長作用期)，患者也需要每天注射兩次。而這些胰島素對於餐後短時間血糖飆升的情況都無可奈何：常規胰島素的起效較為緩慢，作用週期又往往以小時記，如果注射高劑量胰島素保證了餐後短時間內血糖的穩定，那麼食物消化後高劑量的胰島素很容易引起低血糖症狀，甚至危及生命。

有了重組DNA技術，人們就有資本開始幻想，是否有可能，用這種上帝的活計，為我們製造更多、更新、更好的胰島素？

有沒有可能製造一種作用時間更長的胰島素，使得糖尿病人們不再需要每天反復提醒自己注射的時間，可以一針解決一天的問題，甚至可以一針解決幾天、幾周甚至更長時間的血糖問題？

有沒有可能製造一種特別短命的胰島素，一經注射馬上起效，起效之後迅速降解，正好用來應對餐後血糖的高峰？

有沒有可能製造一種自動的機器能夠模擬貝塔細胞的功能，順應血糖水準的變化，靈敏的調節胰島素的劑量？

甚至——有沒有可能製造出一種可以當藥片吃的胰島素，讓糖尿病人再也不需要面對扎針的煩惱？

我們的故事，更多的是希望講述已經發生的歷史，連接歷史上科學發現與疾病治療之間的紐帶，因此，筆者不想花太多筆墨介紹這些正在我們周圍發生著的、激動人心的進步。只想告訴讀者們，基因工程使得這些美好的幻想緩慢地、卻又堅定不移地成為現實。

比如說，賽諾菲公司開發的新型胰島素，通過對人胰島素進行基因修飾(特別是將第21位的甘氨酸替換成了精氨酸)，延長了胰島素的半衰期，使得病人們一天注射一次就可以調節基礎血糖。類似的產品還有諾和諾德公司的一種產品。在故事的另一端，賽諾菲、諾和諾德和禮來公司也通過基因工程的方法改造人類胰島素，生產出了能夠在半小時內起效的快速胰島素。

與此同時，一種全新的給藥方式——胰島素泵也被發明出來。和每日幾次的常規注射不同，胰島素泵始終保持和血管的連通、即時測定血糖水準，並根據血糖水準自動調節胰島素的劑量。從某種意義上，胰島素泵至少部分地類比了胰腺貝塔細胞對胰島素分泌的調節作用。

胰島素泵(insulin pump)示意圖

目前的胰島素泵一般需要兩個單元，一個持續性葡萄糖感測監測器(圖左，continous glucose sensor)負責即時監測血糖水準變化;一個胰島素泵(圖右，insulin pump)則根據血糖水準的變化，適時調整胰島素的劑量。(圖片來自www.diyhealth.com)

而就在創作這篇故事的時候，作者也可以想像得到，更多、更新、更好的胰島素，正在被全世界各地的科學家和工程師們研究和開發著。通過鼻腔吸入式的胰島素，經過2006-2007年的失敗，正準備重頭再來。通過皮膚給藥的胰島素、口服的胰島素……也許就在路上。

如果允許作者對未來做一點點的暢想的話，儘管人類徹底戰勝糖尿病還需要我們的耐心，但是更好的胰島素，將毫無疑問的在不久的將來等待著我們。

我們關於胰島素百年傳奇的故事，也就說到了結局。一個並不完美，但卻充滿希望的結局。

敬請期待下文《糖尿病：過去、現在和未來(十)：雄關漫道(上)》。胰島素的百年傳奇講完了，新的胰島素在路上。一些不服輸的頭腦，已經開始探索一條新的道路。在這條可能戰勝糖尿病的新道路上，也許不需要胰島素。

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