胰岛素

背景

胰岛素是一种调节血液中葡萄糖（糖）含量的激素，是身体正常运作所必需的。胰岛素由胰腺中的细胞产生，称为朗格汉斯胰岛。这些细胞不断地向体内释放少量胰岛素，但它们会随着血糖水平的升高而释放大量的激素。

身体中的某些细胞将摄入的食物转化为细胞可以使用的能量或血糖。一个人每吃一次东西，血糖就会升高。升高的血糖触发朗格汉斯岛细胞释放必要量的胰岛素。胰岛素允许将血糖从血液输送到细胞中。细胞有一个外壁，称为膜，它控制进出细胞的物质。研究人员尚不确切了解胰岛素的工作原理，但他们确实知道胰岛素与细胞膜上的受体结合。这会激活一组转运分子，以便葡萄糖和蛋白质可以进入细胞。然后细胞可以使用葡萄糖作为能量来执行其功能。一旦进入细胞，血糖水平会在数小时内恢复正常。

没有胰岛素，血糖会在血液中积聚，细胞就会缺乏能量来源。可能出现的一些症状包括疲劳、持续感染、视力模糊、麻木、手或腿刺痛、口渴增加以及瘀伤或割伤的愈合缓慢。细胞将开始使用脂肪，这是为紧急情况储存的能量来源。当这种情况发生时间过长时，身体会产生酮，即肝脏产生的化学物质。如果酮体在体内长时间积聚，它们会毒害和杀死细胞。这可能导致严重的疾病和昏迷。

不能产生必要量胰岛素的人患有糖尿病。有两种一般类型的糖尿病。最严重的类型，称为 I 型或青少年发病型糖尿病，是指身体不产生任何胰岛素。 I 型糖尿病患者通常每天注射三到四次不同类型的胰岛素。根据从血糖仪获取的人的血糖读数来服用剂量。 II 型糖尿病患者会产生一些胰岛素，但这要么是不够的，要么是他们的细胞对胰岛素没有正常反应。这通常发生在肥胖或中老年人身上。 II型糖尿病患者不一定需要注射胰岛素，但可能一天注射一到两次胰岛素。

根据胰岛素开始起作用的时间、达到峰值的时间以及在体内持续的时间，可以制造四种主要类型的胰岛素。根据美国糖尿病协会的说法，速效胰岛素在 15 分钟内到达血液，在 30-90 分钟达到峰值，可持续五个小时。短效胰岛素在 30 分钟内到达血液，大约 2 到 4 小时后达到峰值，并在血液中停留 4 到 8 小时。中效胰岛素在注射后 2 至 6 小时到达血液，4 至 14 小时后达到峰值，并可在血液中持续 14 至 20 小时。而长效胰岛素需要6-14小时才能开始起作用，不久后出现小高峰，并在血液中停留20-24小时。糖尿病患者对胰岛素的反应和需求各不相同，因此没有一种类型最适合所有人。一些胰岛素以两种类型混合在一瓶中出售。

历史

如果身体不能产生任何或足够的胰岛素，人们就需要服用人造胰岛素。产生胰岛素的主要用途是用于不能自然产生足够胰岛素或任何胰岛素的糖尿病患者。

在研究人员发现如何产生胰岛素之前，患有 I 型糖尿病的人没有机会过上健康的生活。然后在 1921 年，加拿大科学家 Frederick G. Banting 和 Charles H. Best 成功地从狗的胰腺中纯化了胰岛素。多年来，科学家们在生产胰岛素方面不断改进。 1936 年，研究人员发现了一种使胰岛素在血液中缓慢释放的方法。他们添加了一种在鱼精中发现的蛋白质——鱼精蛋白，身体会慢慢分解这种蛋白质。一次注射持续了 36 小时。另一个突破发生在 1950 年，当时研究人员生产了一种作用稍快且不会在血液中停留很长时间的胰岛素。在 1970 年代，研究人员开始尝试生产一种更能模仿人体天然胰岛素工作方式的胰岛素：全天释放少量胰岛素，并在进餐时间激增。

研究人员继续改进胰岛素，但几十年来基本生产方法保持不变。胰岛素是从牛和猪的胰腺中提取并纯化的。这些动物中胰岛素的化学结构与人胰岛素仅略有不同，这就是它在人体中发挥如此良好作用的原因。 （尽管有些人的免疫系统为阴性或过敏反应。）然后在 1980 年代初期，生物技术彻底改变了胰岛素合成。研究人员在 20 世纪 50 年代中期就已经破译了胰岛素的化学结构。他们很快就确定了胰岛素基因在 11 号染色体顶部的确切位置。到 1977 年，一个研究小组将大鼠胰岛素基因拼接到细菌中，然后产生胰岛素。

弗雷德里克·邦廷。

1891 年，弗雷德里克·班廷 (Frederick Banting) 出生于安大略省的阿利斯顿。 1916年毕业于多伦多大学医学院。在第一次世界大战中为医疗队服务后，班廷对糖尿病产生了兴趣，并在西安大略大学研究了这种疾病。

1919 年，明尼苏达大学的研究员摩西·巴伦 (Moses Barron) 表明，连接胰腺两个主要部分的导管堵塞导致第二种细胞类型——腺泡萎缩。班廷认为，通过绑住胰管来破坏腺泡细胞，他可以保存激素并从胰岛细胞中提取。班廷向多伦多大学生理学系主任约翰麦克劳德提出了这个建议。麦克劳德拒绝了班廷的提议，但提供了实验室空间、10 条狗和一名医学生查尔斯·贝斯特

从 1921 年 5 月开始，Banting 和 Best 将狗的胰管绑起来，使腺泡细胞萎缩，然后取出胰腺以从胰岛细胞中提取液体。与此同时，他们从其他狗身上取出胰腺导致糖尿病，然后注射胰岛细胞液。 1922 年 1 月，14 岁的 Leonard Thompson 成为第一个使用胰岛素成功治疗糖尿病的人。

贝斯特于 1925 年获得了医学学位。班廷坚持认为贝斯特也应该被计入，并且几乎拒绝了他的诺贝尔奖，因为贝斯特没有被包括在内。 1929 年，贝斯特成为多伦多大学生理学系主任，1941 年班廷去世后，贝斯特成为该大学班廷和贝斯特医学研究部的主任。

在 1980 年代，研究人员使用基因工程制造了人胰岛素。 1982 年，礼来公司生产了一种人胰岛素，成为第一个获得批准的基因工程药物产品。无需依赖动物，研究人员就可以生产无限供应的基因工程胰岛素。它还不含任何动物污染物。使用人胰岛素还消除了将任何潜在的动物疾病转移到胰岛素中的担忧。虽然从 1980 年代开始，公司仍然销售少量由动物（主要是猪）生产的胰岛素，但胰岛素用户越来越多地转向通过重组 DNA 技术制造的人胰岛素形式。据礼来公司称，2001 年世界大部分地区 95% 的胰岛素使用者服用某种形式的人胰岛素。一些公司已经完全停止生产动物胰岛素。公司正专注于合成人胰岛素和胰岛素类似物，这是胰岛素分子在某种程度上的一种修饰。

原材料

人胰岛素是在实验室内的普通细菌中培养的。 大肠杆菌 是迄今为止使用最广泛的细菌类型，但也使用酵母。

研究人员需要产生胰岛素的人类蛋白质。制造商通过合成 DNA 的氨基酸测序机获得这一点。制造商知道胰岛素氨基酸（排列构成蛋白质的氮基分子）的确切顺序。有20种常见的氨基酸。制造商输入胰岛素的氨基酸，测序机将氨基酸连接在一起。合成胰岛素还需要大罐子来培养细菌，细菌的生长需要营养。需要使用多种仪器来分离和纯化 DNA，例如离心机，以及各种色谱和 X 射线晶体学仪器。

制造
过程

合成人胰岛素是一个多步骤的生化过程，它依赖于基本的重组 DNA 技术和对胰岛素基因的了解。 DNA 携带有关身体如何工作的指令，DNA 的一小部分，即胰岛素基因，编码蛋白质胰岛素。制造商操纵胰岛素的生物前体，使其在简单的细菌中生长。虽然制造商各有不同，但有两种基本的人胰岛素制造方法。

使用人胰岛素

• 1 胰岛素基因是一种蛋白质，由两条独立的氨基酸链组成，A 链位于 B 链之上，通过键连接在一起。氨基酸是构建所有蛋白质的基本单位。胰岛素 A 链由 21 个氨基酸组成，B 链有 30 个。
• 2 在成为活性胰岛素蛋白之前，胰岛素首先作为前胰岛素原产生。这是一条单一的长蛋白质链，A 链和 B 链尚未分离，中间的一段将链连接在一起，一端的信号序列告诉蛋白质何时开始分泌到细胞外。在前胰岛素原之后，该链演变成胰岛素原，仍然是单链但没有信号序列。然后是活性蛋白质胰岛素，这种蛋白质没有连接 A 链和 B 链的部分。在每一步，蛋白质都需要特定的酶（进行化学反应的蛋白质）来产生下一种形式的胰岛素。

以 A 和 B 开头

• 3 制造胰岛素的一种方法是分别培养两条胰岛素链。这将避免制造所需的每种特定酶。制造商需要两种微型基因：一种产生 A 链，一种产生 B 链。由于每条链的确切 DNA 序列是已知的，他们在氨基酸测序仪中合成每个小基因的 DNA。
• 4 然后将这两个 DNA 分子插入到质粒中，即更容易被宿主 DNA 吸收的小圆形 DNA 片段。
• 5 制造商首先将质粒插入一种无害类型的细菌 大肠杆菌中。 他们将它插入到 lacZ 旁边 基因。 LacZ 编码 8-半乳糖苷酶，这是一种广泛用于重组 DNA 程序的基因，因为它很容易找到和切割，可以很容易地去除胰岛素，这样它就不会在细菌的 DNA 中丢失。该基因旁边是氨基酸蛋氨酸，它开始蛋白质的形成。
• 6 重组的、新形成的质粒与细菌细胞混合。质粒通过称为转染的过程进入细菌。制造商可以向细胞中添加 DNA 连接酶，这种酶就像胶水一样帮助质粒粘附到细菌的 DNA 上。
• 7 合成胰岛素的细菌然后进行发酵过程。它们在制造工厂的大罐中在最佳温度下生长。数百万细菌通过细胞有丝分裂大约每 20 分钟复制一次，每个细菌都表达胰岛素基因。
• 8 增殖后，将细胞从罐中取出并打开以提取 DNA。一种常见的方法是首先添加一种消化细胞壁外层的溶菌体混合物，然后添加一种分离脂肪细胞壁膜的洗涤剂混合物。然后用溴化氰处理细菌的 DNA，溴化氰是一种在蛋氨酸残基处分裂蛋白质链的试剂。这将胰岛素链与 DNA 的其余部分分开。
• 9 然后将两条链混合在一起并通过还原-再氧化反应通过二硫键连接。添加氧化剂（引起氧化或电子转移的材料）。然后将批次放入离心机中，离心机是一种机械装置，可快速旋转以按大小和密度分离细胞成分。
• 10 然后纯化 DNA 混合物，只留下胰岛素链。制造商可以通过几种色谱法或分离技术来纯化混合物，这些技术利用分子电荷、大小和对水的亲和力的差异。使用的程序包括离子交换柱、反相高效液相色谱和凝胶过滤色谱柱。制造商可以测试胰岛素批次以确保没有细菌的大肠杆菌 蛋白质与胰岛素混合。他们使用一种标记蛋白来检测大肠杆菌 脱氧核糖核酸。然后他们可以确定纯化过程去除了大肠杆菌 细菌。

胰岛素原过程

• 11 从 1986 年开始，制造商开始使用另一种方法来合成人胰岛素。他们从胰岛素基因的直接前体胰岛素原开始。许多步骤与使用 A 链和 B 链生产胰岛素时相同，只是在这种方法中，氨基酸机器合成了胰岛素原基因。
• 12 编码胰岛素原的序列被插入到非致病性大肠杆菌 细菌。细菌在发酵过程中繁殖并产生胰岛素原。然后用酶剪掉 A 链和 B 链之间的连接序列，并纯化得到的胰岛素。
• 13 在制造过程结束时，将成分添加到胰岛素中以防止细菌滋生并帮助维持酸碱之间的中性平衡。成分也被添加到中效和长效胰岛素中，以产生所需的持续时间类型的胰岛素。这是生产长效胰岛素的传统方法。制造商在纯化的胰岛素中添加了可延长其作用的成分，例如氧化锌。这些添加剂会延迟体内的吸收。不同品牌的同种胰岛素添加剂不同。

模拟胰岛素

在 1990 年代中期，研究人员开始通过改变其氨基酸序列并创造一种类似物来改善人胰岛素在体内的工作方式，这种化学物质可以很好地模拟另一种物质以欺骗细胞。模拟胰岛素结块较少，更容易分散到血液中，使胰岛素在注射后几分钟内开始在体内发挥作用。有几种不同的模拟胰岛素。 Humulin 胰岛素与其他胰岛素没有强结合，因此被迅速吸收。另一种称为甘精胰岛素的胰岛素类似物改变了蛋白质的化学结构，使其在 24 小时内具有相对稳定的释放，没有明显的峰值。

制造商不是合成胰岛素的确切 DNA 序列，而是合成序列稍有改变的胰岛素基因。变化导致结果 胰岛素制造步骤图。蛋白质相互排斥，从而减少结块。使用这种改变的 DNA 序列，制造过程类似于所描述的重组 DNA 过程。

质量控制

合成人胰岛素后，胰岛素批次的结构和纯度通过几种不同的方法进行测试。高效液相色谱法用于确定胰岛素中是否存在任何杂质。其他分离技术，如 X 射线晶体学、凝胶过滤和氨基酸测序，也被执行。制造商还会测试小瓶的包装以确保其密封正确。

人胰岛素的制造必须符合美国国立卫生研究院大规模操作的程序。美国食品和药物管理局必须批准所有制造的胰岛素。

未来

胰岛素的未来拥有许多可能性。由于胰岛素最初是合成的，糖尿病患者需要定期用注射器将液体胰岛素直接注射到他们的血液中。这允许胰岛素立即进入血液。多年来，它是将完整的胰岛素蛋白转移到体内的唯一已知方法。在 1990 年代，研究人员开始在合成各种设备和胰岛素形式方面取得进展，糖尿病患者可以将其用于替代药物输送系统。

制造商目前正在生产几种相对较新的给药装置。胰岛素笔看起来像一支书写笔。墨盒装有胰岛素，尖端是针头。用户设定剂量，将针头插入皮肤，然后按下按钮注射胰岛素。使用笔无需使用一瓶胰岛素。但是，笔需要在每次注射前插入单独的尖端。另一个缺点是笔不允许用户混合胰岛素类型，并且并非所有胰岛素都可用。

对于讨厌针头的人来说，笔的替代品是喷射注射器。看起来与笔相似，喷射注射器利用压力推动微小的胰岛素流穿过皮肤。这些设备不像笔那样被广泛使用，它们会在输入点造成瘀伤。

胰岛素泵允许在体内受控释放。这是一个计算机控制的泵，大约有一个蜂鸣器大小，糖尿病患者可以戴在腰带上或口袋里。该泵有一个小的柔性管，插入糖尿病患者的皮肤表面下方。糖尿病患者将泵设置为全天输送稳定的、可测量的胰岛素剂量，并在进食前增加剂量。这模仿了人体正常的胰岛素释放。制造商自 1980 年代开始生产胰岛素泵，但 1990 年代末和 21 世纪初的进步使它们越来越易于​​使用和流行。研究人员正在探索植入式胰岛素泵的可能性。糖尿病患者将通过外部遥控器控制这些设备。

研究人员正在探索其他药物输送选择。通过药丸摄入胰岛素是一种可能性。食用胰岛素的挑战在于胃的高酸性环境会在蛋白质进入血液之前将其破坏。研究人员正在研究用几根人类头发那么宽的塑料涂覆胰岛素。覆盖物可以保护药物免受胃酸的影响。

2001 年，吸入式胰岛素装置的试验很有前景，制造商可能会在未来几年内开始生产这些产品。由于胰岛素是一种相对较大的蛋白质，它不会渗透到肺部。吸入胰岛素的研究人员正在努力制造足够小以到达肺部深处的胰岛素颗粒。然后颗粒可以进入血流。研究人员正在测试几种与哮喘吸入器非常相似的吸入装置。

另一种接受测试的气雾剂装置将向内脸颊注射胰岛素。被称为颊（脸颊）胰岛素，糖尿病患者会将胰岛素喷洒到脸颊内侧。然后通过内颊壁吸收。

胰岛素贴剂是另一种正在开发的药物输送系统。贴片会不断地将胰岛素释放到血液中。用户会在贴片上拉一个标签，以在饭前释放更多的胰岛素。挑战在于找到一种让胰岛素通过皮肤的方法。超声波是研究人员正在研究的一种方法。这些低频声波可以改变皮肤的渗透性并允许胰岛素通过。

其他研究有可能使制造商不再需要合成胰岛素。研究人员正致力于在实验室中创造产生胰岛素的细胞。人们的想法是，有朝一日医生可以用产生胰岛素的细胞代替不工作的胰腺细胞。糖尿病患者的另一个希望是基因治疗。科学家们正在努力纠正胰岛素基因的突变，以便糖尿病患者能够自己产生胰岛素。

哪里可以了解更多

书籍

克拉克、大卫 P 和朗尼 D. 罗素。 分子生物学变得简单而有趣。 第二版。伊利诺伊州维也纳：卡什河出版社，2000 年。

康斯戴恩，道格拉斯 M.，编辑。 Van Nostrand 的科学百科全书。 第 8 版。纽约：国际汤姆森出版公司，1995 年。

期刊

Dinsmoor, Robert S. “胰岛素：永无止境的进化”。 倒计时 （2001 年春季）。

其他

糖尿病文摘网页。 2001 年 11 月 15 日。。

胰岛素网页的发现。 2001 年 11 月 16 日。。

礼来公司。 Humulin 和 Humalog 开发。 光盘，2001。

礼来糖尿病网页。 2001 年 11 月 16 日。。

诺和诺德糖尿病网页。 2001 年 11 月 15 日。。

米 雷 纳尔逊