В России живет не менее 300 000 человек, страдающих инсулинозависимой формой диабета. Годовая потребность России в инсулине оценивается в 400 кг чистого вещества.
Инсулин занимает в истории науки особое место. За одну и ту же молекулу Нобелевский комитет дважды присуждал премию: в 1923 – за его открытие (Фредерику Бантингу и Джону Маклеоду), а в 1958 – Фредерику Сенгеру, за установление его химического состава (инсулин и здесь оказался первым – первым белком с полностью расшифрованной последовательностью аминокислот). Сенгер к тому же был первым из химиков, получившим Нобелевскую премию дважды (второй раз – в 1980, вместе с Полом Бергом и Уолтером Гилбертом, за разработку методов расшифровки нуклеиновых кислот). В 1978 году инсулин стал первым человеческим белком, синтезированным в генетически модифицированной бактерии. С инсулина началась новая эпоха в биотехнологии: в 1982 году американская компания «Genentech» начала продажу натурального человеческого инсулина, синтезированного в биореакторе генно-модифицированными бактериями кишечной палочки.
В истории открытия инсулина по воле случая собрана целая коллекция невыдуманных сюжетов о том, как делаются открытия – схваченная за хвост удача и награда за маниакальное упорство, неоднозначная роль научного руководителя, некрасивая борьба за приоритеты и примеры редкого благородства и бескорыстия, душещипательные истории чудесных исцелений, слава и забвение... Единственное, что в этой истории не вполне типично – это немыслимая скорость внедрения открытия в практику: от гениального озарения до проверки действия препарата на собаках с ампутированной поджелудочной железой прошло всего три месяца, через восемь месяцев инсулином вылечили первого пациента, а через два года фармацевтические компании могли обеспечить инсулином всех нуждающихся.
Берегите свои бета-клетки
Большинство из живущих на Земле примерно двухсот миллионов диабетиков страдают так называемым диабетом второго типа – инсулин в их организме вырабатывается, но частично или полностью не действует на мембраны клеток. Чаще всего синтез мембранных белков – рецепторов инсулина нарушается из-за хронического переедания и связано с ожирением. При этой форме болезни инъекции инсулина абсолютно бессмысленны, но можно поддерживать себя в относительно неплохом состоянии за счет низкокалорийной диеты с минимумом углеводов, а если необходимо, принимать препараты, снижающие уровень глюкозы в крови. Если вовремя поставить диагноз и очень постараться, можно даже снова приучить клетки к нормальной реакции на инсулин. Но вообще-то лучшее лечение – это профилактика.
Примерно 10-15% диабетиков болеют диабетом первого типа – в их поджелудочной железе инсулин не синтезируется совсем или (во всяком случае, поначалу) производится в недостаточном количестве. Чаще всего причиной диабета I типа становится генетически обусловленный сбой в иммунной системе: лимфоциты начинают разрушать бета-клетки островков Лангерганса, которые синтезируют инсулин, принимая их за врагов. До открытия инсулина такие больные были обречены: через несколько лет после начала заболевания в организме нарушался не только углеводный, но и жировой обмен (его регуляция – еще одна из функций инсулина).
Отравление продуктами распада жиров – ацетоном и ацетоуксусной кислотой – приводило к гипергликемической коме (гипергликемия – избыток сахара в крови) и смерти. Когда в выдыхаемом больным воздухе начинал чувствоваться запах ацетона, это было верным признаком начала конца.
В сущности, и сейчас диабет остается неизлечимой болезнью: бета-клетки не восстанавливаются, и болезнь, однажды начавшись, может только прогрессировать. Единственное спасение для больных – регулярные инъекции инсулина. Тогда (разумеется, тоже при соблюдении щадящей диеты) можно дожить до глубокой старости без существенного снижения качества жизни. Чтобы довести себя до гипергликемической комы, надо быть или нищим жителем совсем плохо развивающейся страны (даже в России диабетики получают инсулин бесплатно), или старательно нарушать рекомендации врача. Более вероятна гипогликемическая кома, вызванная резким падением концентрации глюкозы в крови – например, от сочетания передозировки инсулина и голода. Большинство диабетиков на всякий случай всегда носят с собой несколько кусков рафинада.
Даже при регулярных инъекциях инсулина диабет остается очень тяжелой болезнью. В частности, из-за связанных с диабетом нарушений обмена веществ в тканях в мире каждые 30 секунд происходит ампутация ноги. Иначе незаживающая трофическая (вызванная нарушением питания тканей) язва неизбежно приведет к гангрене.
С незапамятной древности до начала двадцатого века вызванные диабетом слабость, утомляемость, постоянную жажду и, соответственно, мочеизнурение (до двадцати литров мочи в сутки!), незаживающие язвы на месте малейшей ранки и другие страдания больного можно было продлить единственным эмпирически найденным способом – морить его голодом. При диабете II типа это помогало довольно долго, при I типе – растягивало мучения на несколько лет.
Причина болезни стала отчасти понятна в 1674 г., когда один из основателей Лондонского королевского общества, врач Томас Виллис (и что только ударило ему в голову?) догадался попробовать мочу больного на вкус. Она оказалась сладкой – как выяснилось через много лет, из-за того, что организм любыми путями избавлялся от сахара. Ученые коллеги подняли Виллиса на смех – голословно, потому что штангиста-целителя К. Малахова тогда еще не было, и охотников повторить простой эксперимент долго не находилось. Потом научное любопытство победило, врачи признали, что сладкая моча – характерный симптом диабета, но только в 30-х годах XIX века удалось окончательно установить связь заболевания с нарушением обмена углеводов. В середине XIX в. была установлена связь диабета с нарушениями функции поджелудочной железы. В 1916 году английский физиолог Эдуард Шарпи-Шефер предположил, что уровень сахара в крови регулирует гормон, который вырабатывают клетки, образующие в поджелудочной железе островки неправильной формы, открытые в 1869 году немецким анатомом Паулем Лангергансом. Шарпи-Шефер предложил назвать этот гормон инсулином (от латинского insula – островок).
Основная функция инсулина – обеспечивать проницаемость клеточных мембран для молекул глюкозы. В упрощенном виде можно сказать, что не только углеводы, но и любые питательные вещества в конечном счете расщепляются до глюкозы, которая и используется для синтеза других содержащих углерод молекул, и является единственным видом топлива для клеточных энергостанций – митохондрий. Без инсулина проницаемость клеточной мембраны для глюкозы падает в 20 раз, и клетки умирают от голода, а растворенный в крови избыток сахара отравляет организм.
После всех этих открытий оставалось главное – выделить инсулин из поджелудочных желез животных и применить его для лечения людей. Первым, кому это удалось, оказался канадский врач Фред Бантинг.
Новичкам везет
Возможно, Бантингу помогло то, что проблемой диабета он занялся без опыта работы и серьезной научной подготовки. Прямо с родительской фермы он поступил в университет Торонто – сначала на богословский факультет, но вскоре перевелся на медицинский, в 1916 поступил в армию, служил хирургом в полевом госпитале, в 1918 был тяжело ранен, но на госпитальной койке читал не романы, а специальную литературу – в основном по диабету. У Фреда были с диабетом личные счеты: его друг детства умер от этой болезни.
После демобилизации кавалер Военного Креста (Military Cross) Бантинг устроился на должность младшего преподавателя анатомии и физиологии и первым делом бросился к заведующему кафедрой физиологии университета Торонто, профессору Джону Маклеоду, с предложением заняться выделением гормона поджелудочной железы. По правде говоря, ничего, кроме энтузиазма, предложить профессору он не мог, а Маклеод, крупный специалист в области диабета, прекрасно знал, сколько известных ученых несколько десятилетий безуспешно бились над этой проблемой. Поэтому предложение бывшего студента и летчика и будущего ученого он отклонил. Очевидно, вежливо и не слишком категорично, потому что через несколько месяцев Бантинг вернулся не только с энтузиазмом, но и с идеей, которая осенила его (в 2 часа ночи!) в апреле 1921: перевязать протоки поджелудочной железы, чтобы в ней перестал вырабатываться трипсин – пищеварительный фермент, разрушающий белки.
Поджелудочная железа синтезирует и выделяет в двенадцатиперстную кишку пищеварительные ферменты. Амилаза расщепляет крахмал, липаза – жиры, ренин створаживает молоко, а трипсин и химотрипсин разлагают белки.
Идея оказалась правильной: попытки предшественников Бантинга были неудачными в том числе и потому, что трипсин успевал как минимум частично разложить белковые молекулы инсулина раньше, чем их удавалось выделить из экстракта тканей железы.
Маклеод все равно собирался на несколько месяцев уехать в Европу, опыты Бантинг был согласен ставить за свой счет, поэтому профессор разрешил ему два месяца пользоваться своей лабораторией и даже выделил в помощники студента-дипломника Чарльза Беста. Кроме прочих достоинств, Чарли умел виртуозно определять концентрацию сахара в крови и моче. Средства на осуществление своей мечты Бантинг добыл единственным доступным ему способом: продал все свое имущество. Много ли было этого имущества, история умалчивает, но на получение первых результатов вырученных денег хватило.
Когда профессор вернулся из родной Шотландии, поначалу он чуть не выгнал Бантинга из лаборатории (два оговоренных месяца кончились), но, разобравшись, чего успели достичь Фред и Чарли, немедленно подключил к этой работе всю кафедру во главе с собой, а для отработки метода очистки препарата от примесей пригласил известного биохимика Джеймса Коллипа. Через месяц метод получения инсулина был в общих чертах разработан, а еще через несколько месяцев группа исследователей под руководством Маклеода научилась выделять инсулин из поджелудочных желез телят и коров. Как выяснилось позже, коровий инсулин отличается от человеческого тремя аминокислотами, но он вполне годился для того, чтобы снижать уровень сахара и в человеческой крови.
Ровно 60 лет диабетики пользовались инсулином, полученным из поджелудочных желез свиней и, реже, других животных – от коров до китов и рыб. Молекула инсулина состоит из 51 аминокислоты. Свиной инсулин отличается от человеческого всего одной аминокислотой, коровий – тремя, но уровень сахара в крови они нормализуют вполне исправно. Главный недостаток животного инсулина – то, что у части больных он вызывает аллергическую реакцию.
