1923年諾貝爾生理醫學獎
班廷、麥克勞德─發現胰島素
距今八十年前〈一九二一年〉的夏天，一位年輕的外科醫生班廷〈Frederick Banting, 1891-1941〉與一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 J.R. 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症狀。接下來的一年內，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〉。
班廷與麥克勞德之生平
班廷〈Frederick Banting〉，加拿大生理學家、外科醫師；1891年生於加拿大，1941年飛機失事於鈕芬蘭東海岸。班廷，與C.H.貝斯特等一同以動物胰腺中提得可供臨床應用的胰島素，為臨床治療糖尿病作出貢獻，因此獲1923年諾貝爾生理學或醫學獎。1891年11月14日生於加拿大安大略省阿利斯頓，1941年2月21日因飛機失事卒於紐芬蘭。1916年畢業於多倫多大學醫學院後即應征入伍，任軍醫上尉，曾到英國和法國前線。復員後在倫敦西方大學醫學院進行研究，兼講授解剖學與生理學。1921年回加拿大，在多倫多大學醫學院任職，1923年昇教授。第二次世界大戰期間，以事醫學研究。1930年在多倫多創設班定研究院，自己出任院長。
麥克勞德〈John J.R. Macleod〉，蘇格蘭最權威病理學家；1876年生於蘇格蘭，1935年死於加拿大。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、蘇格蘭最權威病理學家，也是第一位闡釋動物體內碳水化合物新陳代謝自然調節作用的人。1899年在倫敦皇家醫院當病理分析員，兼任附屬醫學院的生物化學講師。1925年出任加拿大皇家學院院長。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，他是個多產的作者。
話說糖尿病
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，造成病人又飢又渴。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製造更多的葡萄糖〉，增加飲食只會使情況變得更糟，因此中醫稱此疾為「消渴症」。在長期「飢餓」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。在每日不到一千大卡的熱量、不含什麼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，連抬個頭的力氣也無。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。
在一九二0年代的產業化國家，糖尿病的盛行率在0.05到2％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症療法而獲得一九三四年諾貝爾獎的哈佛醫生邁諾特〈George Minot, 1885-1950〉。
胰臟的功用
正常人分泌胰島素以控制血糖濃度；飯後血糖升高時，胰島素分泌跟著增加。患糖尿病的人，失去這種能力，糖代謝、肝糖貯存機能就不正常；而且，肪脂酸合成、胺基酸攝取和蛋白質合成等機能，也受影響。身體缺乏胰島素，會腹肌口渴，吃喝多但仍是消瘦乏力；又可能有視力減退的併發症狀、皮膚瘙癢，甚至酮酸中毒。後者之起因，是血糖沒有得到善用，身體只好把貯存的脂肪分解以取得能量。這種代謝作用，產生過量酮體使血液變酸。
我們每天分泌50單位胰島素，分量約是胰臟總存量的五分之一。葡萄糖可以在一分鐘內直接刺激胰島素的分泌。只是無論血糖濃度如何，腎上腺素都會抑制胰島素的分泌。所以，人感到壓力時，釋出腎上腺素，促進糖原生成作用〈glycogenesis〉以供應大量的葡萄糖，又可抑制胰島素而維持血糖的高濃度。
學界確立糖尿病與胰島素分泌的直接關係，在1889年夏天就開始了。當時，德國境內史特拉斯保大學的兩位研究助理梅林〈J.von Mering〉與明考斯基〈O. Minkowski〉受命切除狗的部份胰臟與切除全胰，以比較兩者的結果。兩批實驗狗隻的健康狀況，差異甚大。無胰犬虛弱不堪，又常排尿；奇怪的是尿液吸引了無數蒼蠅。經分析，這些尿含糖量高，相似於糖尿病人所排出的。 其後二十年間，有許多研究者想從胰中找尋能夠抑制糖尿的物質，卻沒有成功。原因是方法不對，他們不知道，關鍵性的胰島素在分離過程中被破壞了。
我們現在所知的胰島素，是位於胰臟表面稱為朗格漢斯氏小島〈Islets of Langerhans〉的細胞所產生的。胰島素的分離成功，要歸功於加拿大醫生班廷〈Frederick Banting〉和助手貝斯特〈Charles Best〉。班廷在閱讀文獻時得到啟示，把實驗狗隻的胰液管紮結，六至八週後取出胰臟，清除了萎縮部份，再進行萃取手續。他請求多倫多大學的麥克勞〈John J.R. Macleod〉教授供給一小房間，並介紹一位剛從醫科畢業的學生貝斯特協助他，才開始這一實驗。
懷疑與思考
胰腺是人和哺乳動物很重要的器官，它主要有兩種功能。胰腺分泌鹼性的胰液，排入十二指腸，幫助消化脂肪、蛋白質和碳水化合物，這就是胰腺的外分泌功能。胰腺中還有一種細胞像小島一樣，不規則地分布在胰腺內，稱為胰島細胞。它能分泌出胰島素，透過微血管進入血液。胰島素的主要功能是調節糖的代謝，如果胰島素的分泌量不足，就會得糖尿病。
人們很早就注意到了胰島素的作用，有人把狗的胰腺切除，狗就患上了糖尿病。有人口服新鮮的胰腺，想以此來治療糖尿病，卻毫無結果。
班廷對此百思不解。一天他從圖書館借到了一本新雜誌，其中一篇文章提到了結石阻塞胰導管引起的病變：胰腺中除胰島之外全部細胞都萎縮了，但並不發生糖尿病。班廷從中受到啟發：用這種胰腺的提取物，不經口服而注射，一定能治療糖尿病。口服之所以無效是胰島素被消化酵素分解了；萎縮的胰腺不再產生消化酵素，因此也不必擔心胰島素被破壞了。一種獲得胰島素的方法立刻呈現在班廷的腦海中，「結紮狗的胰導管，等待六到八週，使胰腺萎縮，然後用萎縮的胰腺提取液來治療糖尿病。」
找尋同伴
辦法雖好，還需要有人支持。班廷找到正在多倫多大學任教的研究糖尿病的權威麥克勞德〈John Macleod〉教授。麥克勞德教授不僅經驗豐富，而且那裡的實驗室設備也很精良。班廷講述了自己的想法，而由於自一八八九年德國的敏柯斯基〈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祕內分泌物質，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。所以，麥克勞德認為班廷資歷太淺，把研究工作看的太簡單，因此婉言謝絕了。
一個月過去了，班廷再次求助於麥克勞德，還是被拒絕了。
班廷地三次來到麥克勞德的辦公室時，麥克勞德深受感動，他並不認為班廷的設想有多大成功的把握，他是被年輕人的頑強意志所折服。於是他答應在暑假期間將自己的實驗室借給班廷使用，並派大學生貝斯特〈Charles Best〉當他的助手；歷史因此創造。
實驗團隊
一九二一年五月中旬，班廷給第一隻狗動胰臟切除手術，麥克勞德也在一旁協助。而麥克勞德於六月中旬離開多倫多，接下來的實驗便只由班廷及貝斯特兩人所做。然而，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：十九隻裡就死了十四隻〈當時也還沒抗生素可用〉。存活下來的五隻胰管結紮狗裡，只有兩隻的胰臟有萎縮現象，其餘因結紮不牢而效果不彰；但他們還是進行了萃取及注射的工作，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裡也有許多的錯誤。於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，一開始就爭議不斷，就連先前許多被人遺忘的研究者，也有人聲援。一九二八年，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。
由於班廷是第一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，但他的個性與一生，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。一九四一年，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》一書作者另外寫了本《班廷傳》〈Banting: A Biography, 1984〉，對班廷的一生有更多的著墨。
胰島素的另外兩位共同發現者，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。
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。他是在一九二二年取得碩士學位後，才進入醫學院就讀，而於一九二五年以第一名的成績畢業。
頂著「胰島素共同發現人」的頭銜，貝斯特接受了當時英國著名的生理學者戴爾〈Henry Dale, 1975-1968，一九三六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。一九二八年，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”還一直有新版發行〈13th ed. 1999，編者不同〉，因此新一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一年的休假進修。他對於剛起步的內分泌學有極大的興趣，因此密切注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，他只不過做了任何一個生化學家都會做的事；但只要曉得蛋白質化學之複雜，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。
成果如何救人濟世
1921年，班廷和貝斯特的實驗有了結果，才想到治病。由於要有充足的胰臟來源，才可能以胰島素醫療糖尿病患。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。一九二三年十月，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一位參予研究的生化學者柯利普〈James Collip, 1892-1965〉共享。後班廷以事癌症、冠心病、硅肺等的研究。代表作有《胰腺提取物用於糖尿病的治療》、《胰島素、内分泌與臨床》。
由於班廷與貝斯特從狗的胰臟中，成功的萃取胰島素，提高胰島素的品質，隔年使用在一位瀕臨死亡名叫湯普森的糖尿病兒童，結果當天血糖迅速從每一百豪升為四四0多毫克降到三二0多毫克，一九九二年世界糖尿病聯盟，為紀念班廷醫師對於糖尿病的委大貢獻，特以他的生日十一月十四日，做為『世界糖尿病日』。
實驗的延伸─後續發展
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注射，隨時注意血糖的控制，避免出現併發症。更麻煩的是，糖尿病還不只一種，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症狀。對這種為數更多的患者來說，補充胰島素就沒什麼用，運動、減重，注意飲食才是良方。
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一，其作用之多樣，機制之複雜，至今仍未全盤解開。當年班廷等人分離的胰島素只是粗製品，真正的純化及結構決定，要到一九五五年才由英國的聖格 〈Frederick Sanger. 1918- 〉所完成；聖格也因此獲頒一九五八年的諾貝爾化學獎。
因胰島素研究而間接獲獎者還有一位，就是一九七七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〉發現長期注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〈一九五五年〉報導此發現的論文也遭到《臨床研究期刊》的退稿。雅婁一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：一、要得諾貝爾獎，得活久一點，像伯森就錯過了；二、別得罪女人。
上述問題出在當年給病人注射的胰島素，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。目前以基因工程製備的人類胰島素，已無此問題。雅婁及伯森利用這種抗原抗體的專一性反應，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。
胰島素是由胺基酸組成的蛋白質，在動物體內生成之初僅有一胜鏈，稱為Preproinsulin。其後失去十六個胺基酸單元而形成比胰島素大一倍左右的前胰島素〈proinsulin〉。後者被送到高爾基體後，鏈的中間一段又被切除，才生成有活性的胰島素。
從豬體分離的胰島素與人的胰島素最近似，相差只是最末端的一個胺基酸。被去除這個單元的分子仍有同樣的生理活性，所以在前些時，藥用胰島素是把豬胰島素切除一個胺基酸而得到的。近年有人成功利用重組基因方法，把人類胰島素基因植在大腸桿菌後，收取蛋白質，再予以純化而得到了正宗的蛋白質。
從牛、豬、羊、馬、鯨等動物分離出來的胰島素，其分子結構是英國生化學家聖格〈Frederick Sanger〉在1955-56年間發表的。這些工作，在當時可算是劃時代的貢獻，1958年的諾貝爾化學獎頒給他是很公允的。聖格在1980年再次得到化學獎，是由於他設計了一套非常實用的測定基因核酸順序的方法。
胰島素通常是無色、正方或扁斜方形六面體的結晶。易溶於稀酸，稀鹼，但不溶於水、乙醇或乙醚。化學家在得知胰島素的結構後，嘗試以人工合成胰島素，這一項重大挑戰。在1965年首先完成此工作的團隊，是中國大陸的化學家。
圖示的人類胰島素化學結構，具有兩條胜太鏈，其間是半胱胺酸(Cys)兩度連接，即A鏈的7位Cys與B鍵7位Cys，然後A鍵20位Cys與B鍵19位Cys間的二硫鍵建立，使整個分子形成一定的構形，發揮活力。
圖一、人類胰島素之結構圖。
致命的因子─胰島素
胰島素〈insulin〉是為一種蛋白質激素，由胰臟中的蘭氏小島〈islet of Lanngerhans，又稱為胰島〉的〈beta〉細胞分泌。它由兩條月太鏈，共51個氨基酸組成並含有3個二硫鍵。胰島素有十分廣泛的調節細胞代謝的生物功能。主要作用部位在肌肉、肝臟和脂肪等組織。胰島素能增加細胞膜的通透性，促進葡萄糖的氧化和儲存，刺激蛋白質脂肪以及核酸的合成。它還能促進細胞生長和分化。人的胰腺每日可產生 1~2毫克胰島素，進食後期分泌量增加，體內缺少胰島素會引起代謝障礙，特別是使細胞不能有效地利用葡萄糖，造成血液中葡萄糖含量升高，過多的糖隨尿排出；糖尿病及因此而得名。
圖二、胰臟的生理構造。
圖三、顯微鏡下的胰臟橫切面〈中間顏色較淡者即為蘭氏小島〉。
體內生物合成之胰島素經過幾個階段。最初的產物是單鏈的前胰島素原，從胺基端開始，依次排列著信號月太〈B鏈〉、連接月太〈C月太〉和 A鏈。此前驅分子經加工去除信號月太成為胰島素原，後者在高爾基氏體上被水解成為C月太和有活性的胰島素分子。
胰島素於1921年由加拿大人F.C.班廷和C.H.具斯特首先發現。1922年開始用於臨床，使過去不治的糖尿病患者得到挽救。至今用於臨床之胰島素幾乎都是從豬、牛胰臟中提取的。不同動物的胰島素組成均有差異，豬與人的胰島素結構最為相似，只有 B鏈梭基端的一個胺基酸不同。80年代出以成功地運用遺傳工程技術由微生物大量生產人的胰島素，並用於臨床。
1955年英國F.桑格小組測定了牛胰島素的全部胺基酸序列，開闢了人類認識蛋白質分子化學結構的道路。1965年中中國科學家人工合成了具有全部生物活性的結晶牛胰島素，它是第一個在實驗室中以人工方法合成的蛋白質。稍後美國和德國的科學家也完成了類似的工作。70年代初期，英國和中國的科學家又成功地用 X射線繞射方法測定豬胰島素的立體結構。這些工作為深入研究胰島素分子的結構與功能關係奠定了基礎。人們用化學全合成和半合成方法製備類似物，研究其結構改變對生物功能的影響；進行不同種胰島素的比較研究；研究異常胰島素分子病，即由於胰島素基因基因便使胰島素使胰島素分子中個別胺基酸改變而產生的一種分子病。這些研究對於闡明某些糖尿病的病因也具有重要的實際意義。
胰島素作用的出擊反應是與細胞膜上胰島素的受體相結合，然後觸發一系列反應而最終產生胰島素的各種生物效應。胰島素受體是一種糖蛋白，由以二硫鍵相連的分別含719個和620個胺基酸殘基的二種亞基組成。胰島素與其受體相互作用的進一部闡明，將有助於了解胰島素的作用原理，並為糖尿病的診斷與治療提供更多的理論依據。
參考資料
本網頁內容由 生科系 張德寬同學提供