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博士揭开医药研发的神秘面纱

发布时间:2018-09-16 16:20热度()
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导读:美国印第安纳大学获得了博士学位。 博士期间的工作主要集中在胰岛素家族蛋白质的化学全合成方面,与美国的礼来制药公司(Eli Lily)、丹麦的诺和诺德公司(Novo Nodisk)有过不同程度的合作。 前段时间《我不是药神》这个电影

美国印第安纳大学获得了博士学位。博士期间的工作主要集中在胰岛素家族蛋白质的化学全合成方面,与美国的礼来制药公司(Eli Lily)、丹麦的诺和诺德公司(Novo Nodisk)有过不同程度的合作。

 

前段时间《我不是药神》这个电影非常火,引起了全国范围内药物成本和定价的大讨论。这个问题非常复杂,因为其中牵扯到药物研发,政府投资,医疗保险,专利保护等方面的内容,我想很难靠我一个人讲清楚。今天,我只是从一个科研工作者的角度,用糖尿病和胰岛素作为例子讲一讲一款药物是怎么从发现、到面世、然后发展出更多的衍生物的。

一、糖尿病&胰岛素

我们先来说一说糖尿病。糖尿病是一种历史悠久的疾病,早在公元前1500年的时候,古埃及出土的文献就记载了糖尿病的症状。糖尿病的症状是血糖高,尿甜,体重变轻。一方面,患者不能好好的利用身体里的血糖,所以会感到疲惫虚弱;另一方面,过高的血糖对身体还会有毒害作用,导致视力下降乃至失明,严重的时候会导致肾衰竭、脚部溃烂甚至要截肢最终可能导致患者死亡。

 

虽然公元前1500年的时候已经发现了这个病,但是大家都不知道为什么会得这个病。一直到3000多年之后,在德国有个科学家在摘除了胰腺的狗身上发现了糖尿病的症状,这个时候人们才正确的把目光放在了胰腺上。知道了病人的胰腺出了问题后人们试了很多办法。一开始人们试着喂病人吃胰腺但是没有用,有的甚至因为消毒不过关使病人的健康恶化了。然后人们又试着萃取胰腺组织,用酸性的水、用酒精萃取也没有什么显著的效果。一直到了1921年,有一个加拿大医生意识到可能是胰腺里的消化酶导致了有效成分被分解。他选了年龄在五个月以下的小牛,它们的胰腺小囊泡还没有发育消化酶比较少,这一次,他们纯化后的萃取液成功的救活了一批奄奄一息的糖尿病儿童。从那个时候开始,糖尿病人就可以不用等死了。

 

他们把从胰腺里提取出来的东西命名为胰岛素。今天我们已经知道糖尿病主要分为两类,一型糖尿病是一种和遗传密切相关的自身免疫疾病。就是当人体的免疫细胞攻击到胰腺的时候病人就没有办法正常的制造胰岛素或者正常的分泌胰岛素。这类病人往往发病很早、体型消瘦并且要完全依赖于外部胰岛素来维持正常的生理功能。第二型糖尿病是现在糖尿病患者最多的一种,大概占了总人数的90%左右。它和遗传也有关系,但是一般是不健康的生活方式导致的一种长期的代谢紊乱。病人最显著的一个特点是严重的胰岛素抵抗,就是病人是可以分泌胰岛素的,他们体内的胰岛素可能是正常的,甚至偏高的,但是他们自己身体对胰岛素不灵敏。如果是在初期的时候,医生会开一些提高胰岛素敏感度的药物,比如最常见的二甲双胍。但是如果病情严重的话,到了后期也是需要一些外用的胰岛素的。

 

和《我不是药神》里慢粒白血病不一样的是,慢粒白血病人其实还是比较少的,但糖尿病人的人数是非常庞大的。美国现在就超过了12%,中国现在的发病率已经接近了11%。而且我看到有报告指出,欧美地区虽然现在发病率比较高,但是他们发病率的增长是平稳的。而东亚地区则是糖尿病增长最快的地区。研究指出,到了2035年全球的糖尿病患者将超过2亿人,这么多的患者意味着什么呢?现在在美国一只胰岛素的价格只要10刀左右。但每年在美国为了糖尿病要花掉1000多亿美元。而且一型糖尿病现在还没法控制,二型糖尿病也只能改变患者生活方式来控制,患者对胰岛素的依赖非常高。美国的大公司常常会在洗手间旁边放一个收集针头的箱子,因为很多人尤其是中老年人他们可能上班的过程中就需要到洗手间去给自己打针。糖尿病的发病率是非常高的,导致胰岛素是一种价格不能贵的药,否则他们的医保系统是撑不住的。

二、胰岛素的合成

那么接下来的一个问题就是怎么制造出人人都买的起的胰岛素?最初人们是用牛的胰腺萃取液,但这个办法成本实在太高了。然后还有一个问题就是牛的胰岛素结构虽然和人胰岛素的结构非常接近,但毕竟这是两个物种分泌出的胰岛素,人们还是希望能得到人的胰岛素来治病。但是又不可能摘人的胰腺,人们就想能不能人工的合成胰岛素。人工合成胰岛素有两个主要的问题,第一个问题,一开始人们连胰岛素的结构都不知道。第二个问题是人们就算知道了结构但那个时候也从来没有人能成功的合成蛋白质。所以要解决这两个问题。第一个问题确定胰岛素的结构。这个问题一直到了1950年代英国的一个科学家桑格发表了一系列的文章,用非常巧妙的办法确定了胰岛素的结构。它不仅准确确定了胰岛素两条肽链的序列,而且他还非常精确的确定了连接两个肽链的二硫键的位置。他因为这个方法在1958年取得了诺贝尔化学奖。第二个问题其实是一个更加严峻的问题。人类到底能不能合成有生物活性的蛋白质?虽然说人类打破无机物和有机物的界限已经过去了100多年,但是蛋白质依然是非常难以合成的。而且大家都知道,蛋白质是由氨基酸缩合成肽键然后组成的。氨基酸的侧链上还有各种活性基团。有的是酸性的,有的是碱性的,有的是空间位置很大的,有的是空间位置很小的。就是哪怕要合成两个氨基酸的二肽,都要小心翼翼的保护。一直到了1953年,有一个科学家叫维尼奥,他第一次合成了一个有生物活性的多肽类激素催产素,这是一个含有九个氨基酸的多肽。

 

维尼奥通过这个催产素在1955年获得了诺贝尔化学奖。那胰岛素有51个氨基酸,是催产素的五倍还多。随着肽链的增长,肽链本身可能也要缠绕,打结,肽链末端的化学活性是会不断地下降的。所以说这并不是一个简单的合成五次催产素的这么一个过程。每一步要用什么溶剂,要什么催化剂,反应多久,怎么纯化这个反应,每一个细小的问题都是要花大量的实验才能试出来的。胰岛素这51个氨基酸如果要合成的话是一个非常浩大的工程。更可怕的是这51个氨基酸他有两条肽链,而且这两条肽链最终要形成三个二硫键,不是一个常规的肽键。这三个二硫键如果形成的不准确的话,做出来的东西也是没有生物活性的。所以说化学合成胰岛素可以说在当时是有机合成界的一座高峰吧。

 

我们再说回胰岛素的合成。因为病人非常多,需要低成本生产。这三个小组开发的化学合成方法恐怕无法降低成本,因为合成的方法实在太繁琐了,所以用这个传统的有机合成的方法,合成胰岛素的成本依然居高不下。但是几乎是同一时期,美国的一个材料科学家梅里菲尔德想到了一个完全不同于传统有机合成的方法,叫做固相合成法。这个方法极大的降低了多肽的合成难度,也极大的提高了多肽的合成效率。现在全世界研究胰岛素的实验室都在采用固相合成方法。全世界做多肽的药厂也都会配备相应的固相合成仪。梅里菲尔德的工作对后世的影响是非常大的。他本人在稍微晚一点的时间自己也用固相合成做了一次胰岛素的合成。这证明他的方法确实是比其他方法要先进很多。他本人也因为这个工作获得了诺贝尔化学奖。现在我们在实验室里如果想合成一毫摩尔胰岛素,不考虑人工成本,光是材料和设备损耗的成本,合成一毫摩尔的胰岛素成本大概是1000美元左右。这个成本依然是非常高的。一直到了上世纪70年代的时候,生物学家发明了人工重组DNA技术,通过生物表达的方式来合成胰岛素。这才使得胰岛素的成本大大降低。现在我们使用到的胰岛素都是生物合成的。

三、新型胰岛素

那药厂和科研工作者还要做什么呢?新型胰岛素可以帮助病人更好的控制血糖。我们为什么不用天然人胰岛素呢?因为天然胰岛素有一个固定的半衰期,注射进去之后会有一个固定的分解周期,这和人体的工作方式是不一样的。人不吃饭的时候胰腺会少量的分泌胰岛素,人刚吃过饭血糖上升就会分泌大量胰岛素来让血糖快速降下去。但我们注射的胰岛素一针打下去,还得补两针。如果打得多了血糖过低可能会危及生命健康。胰岛素的用量既不能多也不能少,所以我们新型胰岛素的研发就有两个方向。一个是长效,打一针下去体内的胰岛素含量是慢慢升高再慢慢降低的,这样是比较安全的。还有一个方向是快速起效的胰岛素,就是刚吃过饭血糖上来了马上打这种胰岛素能快速降低血糖。速效胰岛素的研发方式一般是集中在限制胰岛素的聚合上面,胰岛素在有钙离子存在的时候会形成一个没有活性的六聚体,我们通过结晶的方法搞清楚六聚体的结构,然后把和钙离子结合的那几个氨基酸替换掉,之后再试试替换后的胰岛素还有没有降低血糖的效果,这样就可以开发速效的胰岛素了。

 

长效胰岛素就和他相反,我们希望它们聚合在一起,希望它们结晶。我们还可以再给它添加一个长的脂肪链或者加一个聚乙二醇的长链,让它和脂蛋白去亲核,这样不是游离状态活性就会降低,也可以延长半衰期。还有一些更偏工程类的方向,比如说我们现在胰岛素的给药方式是注射,能不能把胰岛素变成口服药,而不要扎针那么痛苦呢?胰岛素本身是一种蛋白质,我们知道蛋白质吃到胃里就变性了。有没有其他办法呢?有人就想通过喷雾的方式通过口腔黏膜或者上呼吸道粘膜吸收。还有就是我们现在想通过这样的设备,一方面实时的监控血糖然后把这个仪器连接到一个实时胰岛素给药的泵上面实现一个外置人工胰岛功能。现在这个方向上已经有了一些成果,但是距离适合临床使用的距离还是有一段路要走。

 

胰岛素的开发其实有一个非常好的自然模板,胰岛素本身是一种天然激素,它可以通过萃取得到,结构可以解析出来,它的化学合成和生物合成都可以按照一个系统的方式往前推进。包括新型胰岛素的开发方向也是以人体胰岛素分泌模式作为一个模板,这是一种按图索骥的开发方式。相比抗癌药,比那种大海捞针的研发方式要简单多了。但即使是我们已经有了一个现成的模板,这中间还是度过了100年的时间。像《药神》推出之后,很多人都会提及29亿美元这个数字。说美国平均29亿美元的投入才能研发出一款新药。但这29亿美元没有包含美国自然科学基金委投入到失败课题组的经费。如果加上失败的尝试,我想对于全社会来说,开发一款新药的成本实际还要更高。新药开发是一件风险非常高的事。所以现在各大公司开发新药有一个常见的模式,就是探索最前沿的那部分工作他们自己不做,把它交给大学或者研究所,让研究组去做。

四、药物研发的困境

像那些探索性的工作是要通过不断地试错最终遇到一个有缘的化合物,然后要申请专利、发表论文。到了这个阶段之后,药厂再会买断专利或者提供经费和研究者共享研究成果。从这往后,就进入了一个加倍的花钱如流水的阶段了。我们先是要合成大量的新型药物。因为是新药也不能透露出去合成方法,因此合成效率还往往会比较低。那我们要合成大量的药物,在细胞上看看有没有效果,然后在小鼠,狗,猴子甚至猩猩身上试,这些动物的价格非常昂贵。之后我们就进入临床实验,我们先在健康人身上试,然后在病人身上试,最后在健康人和病人身上一起试,这些就是药厂的发挥空间了,也是药厂资金支出的一个大头。药厂其实也非常有危机感。还有一个数字17年,很少被提起来。在美国,每一款新药的专利有效期只有十七年。专利期一到,各家公司都可以出仿制药。紧接着市场竞争就会很快拉低这款药的价格,药物的利润很快就会被挤压到非常微薄的程度。这个17年是指从你的专利被批准之后的17年,对于药厂来说也是非常矛盾的一件事情,他要计算好申请专利的时间然后抢在非常有限的时间里把几亿甚至几十亿的投入全部赚回来,这样才能让投资人得到回报,才能做更多的研究。这个过程非常难以两全其美,我个人一方面是非常理解制药公司的,正因为它是一个商业行为才能做得好。另一方面,我也确实希望制药公司不要贪得无厌。

五、多肽化学实验室推荐

如果大家对多肽化学感兴趣的话,我就简单的跟大家说一说世界范围内做多肽研究比较不错的几个实验室。好的实验室规模都普遍比较大,组里的课题常常需要各方面的人才通力合作才行。美国的话我觉得特别出色的是芝加哥大学的Stephen Kent。Kent教授我认为应该是当今世界上多肽化学的第一人吧。他最了不起的工作是开发了一个自然化学连接技术,进一步拓展了多肽合成的可能性。然后Kent有一个学生叫Bradley Pentelute,目前在MIT的任教。此外,还有一个在Case Western的老教授叫Michael Weiss,他做的工作也是非常出色。如果看多肽合成的文章,他也是一个绕不过去的人。如果大家不把眼光局限在美国的话,瑞士ETH的Jeffrey Bode,巴塞罗那大学的Fernando Albericio的工作影响也是非常深远的。最后我想提醒大家的是,如果要加入一个多肽和成实验室的话,一定要确保这个组是个有钱的组。多肽研究是非常烧钱的,如果经费断档的话,对实验室来说是非常毁灭性的打击。

 

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