胰島素制劑的發(fā)展

1、胰島素制劑的發(fā)展中華糖尿病雜志 2013-08-27 分享作者：楊兆軍 楊文英作者單位：中日友好醫(yī)院內(nèi)分泌科  1890年VonMering和Minkowski發(fā)現(xiàn)切除狗胰腺可使狗發(fā)生糖尿病，從而第一次真正將糖尿病病因和胰腺聯(lián)系在一起。但1898年Zuelzer及其他學(xué)者試圖用胰腺提取物治療糖尿病未獲成功，反而引起嚴重過敏和局部化膿感染。在此后的20余年時間里，大量的實驗證據(jù)逐步匯集，發(fā)現(xiàn)引起糖尿病的病因在于胰腺的內(nèi)分泌胰島,胰島可分泌一種調(diào)節(jié)血糖穩(wěn)態(tài)的“因子”。1920年加拿大多倫多外科醫(yī)生Banting和助手Best將狗的胰腺導(dǎo)管結(jié)扎，使胰腺腺泡萎縮

2、，從萎縮了的胰腺中提取冷卻提取物，再給發(fā)生了糖尿病的狗注射，發(fā)現(xiàn)狗的血糖確實可以明顯下降。在生物化學(xué)家JamesCollip幫助下，Banting和Best改進了胰腺提取物的提取和純化方法，大大減少了提取物的毒副作用。1922年1月Banting和Best給多倫多總醫(yī)院14歲的糖尿病患者LeonardThompson注射了胰腺提取物，患者的血糖下降到了正常水平。他們將此提取物命名為胰島素(insulin),1922年5月3日在美國華盛頓召開的全美醫(yī)師協(xié)會上向大會公開報道，得到大家的承認，被認為是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)史上最偉大的成就。Banting因此獲得1923年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。 一、動物胰島素和

3、人胰島素時代在發(fā)現(xiàn)胰島素后的60余年時間里，胰島素來源主要從豬和牛的胰腺中提取，由于最初的胰島素制劑提純不夠，易產(chǎn)生過敏反應(yīng)、耐藥、高血糖和低血糖反復(fù)發(fā)生以及注射部位皮下脂肪萎縮或增生，另外不同批次間效價變異大。隨著蛋白質(zhì)提純技術(shù)的進步，人們能得到更純化的“單峰胰島素”或“單組分胰島素”，但由于豬和牛胰島素分子結(jié)構(gòu)和人胰島素分子結(jié)構(gòu)的差異,仍然沒能解決免疫原性的問題。這段時期被稱為動物胰島素時代。20世紀70年代末，基因重組技術(shù)日趨成熟和完善，1978年成功使用基因工程技術(shù)合成了人胰島素,其一級、二級和三級結(jié)構(gòu)與人胰島素完全相同，并證實具有完全的生物功能。1982年美國禮來公司研制了世界上第一

4、支基因工程合成的人胰島素優(yōu)泌林R并成功上市，這個劃時代的產(chǎn)品是人類合成的第一個肽類生物醫(yī)藥制品，人胰島素的合成解決了動物胰島素免疫原性問題，胰島素過敏和抗體產(chǎn)生大大減少，同時也解決了動物胰島素的產(chǎn)量瓶頸問題。生理性胰島素分泌包括進食后發(fā)生的餐時胰島素分泌和非進食狀態(tài)下的基礎(chǔ)胰島素分泌兩部分。無論是動物胰島素還是人胰島素，通過在制劑配方中加鋅離子或使之與魚精蛋白結(jié)合，可以顯著延長胰島素從皮下吸收的時間，作用時間可超過1024h，從而作為基礎(chǔ)胰島素使用。這些制劑的發(fā)展完全免除1型和2型糖尿病患者生命之憂,也基本使大多數(shù)糖尿病患者血糖得以滿意控制，延緩了并發(fā)癥發(fā)生。但生理狀態(tài)下進餐后胰島素快速分泌，

5、首先到達肝臟門靜脈系統(tǒng)，快速抑制肝糖輸出，這對于控制餐后血糖波動極其重要,但無論是注射動物短效胰島素還是人短效胰島素均要首先經(jīng)體循環(huán)再到門靜脈系統(tǒng)，并且短效胰島素注射后30min才逐漸起效，高峰作用時間24h，持續(xù)時間長達68h，顯然不能很好地模擬生理性餐后胰島素分泌。生理性基礎(chǔ)胰島素分泌非常穩(wěn)定，作用曲線平緩，無明顯的作用高峰，而無論是長效魚精蛋白鋅人胰島素(PZI)還是中效魚精蛋白鋅胰島素（NPH)均存在明顯的吸收高峰,并且藥代學(xué)和藥效學(xué)研究發(fā)現(xiàn)這兩種胰島素在個體內(nèi)和個體間的吸收、作用變異都非常大。由于短效胰島素、PZI和NPH的這些局限性，導(dǎo)致患者血糖控制波動較大，低血糖風(fēng)險較高。

6、60;二、胰島素類似物時代溶液中存在的胰島素分子是由兩個胰島素分子形成二聚體、然后3個二聚體和2個鋅離子圍繞著三重軸形成對稱排列的六聚體，因此注射到皮下以后，胰島素六聚體要逐漸解離為單體才能吸收入血液。通過不斷地對胰島素分子一級結(jié)構(gòu)、空間三維結(jié)構(gòu)與胰島素功能研究，了解到胰島素靠近A鏈C-末端和B鏈N-末端的數(shù)個氨基酸與胰島素和其受體親和力有關(guān)；而B鏈靠近C-末端的數(shù)個氨基酸，尤其是B28、B29為氨基酸與胰島素分子間的聚合有關(guān)。因此可以用基因工程或其他分子生物學(xué)方法對胰島素分子進行修飾，增強或減弱胰島素分子間的聚合能力，從而得到符合臨床需要的超長效或超短效的胰島素類似物，而生物活性和免疫原性不

7、變。目前已上市的短效胰島素類似物有賴脯胰島素、門冬胰島素和谷賴胰島素，短效胰島素類似物在藥代學(xué)和藥效學(xué)特性方面均優(yōu)于普通人短效胰島素長效胰島素。以門冬胰島素為例，給予腹部皮下注射餐前大劑量門冬胰島素或可溶性人胰島素0.2U/kg，門冬胰島素的峰值濃度是可溶性人胰島素的兩倍,注射后60min門冬胰島素已經(jīng)下降，而可溶性人胰島素直到注射后180min才開始下降；在最初2h，門冬胰島素藥-時曲線下面積（AUC)是可溶性人胰島素的2倍,但是10h的AUC二者沒有差別。葡萄糖鉗夾技術(shù)藥效學(xué)研究顯示，達到葡萄糖最大輸注率（GIR)半時間門冬胰島素較可溶性人胰島素早20min，GIR從峰值下降到50%的時間

8、門冬胰島素較可溶性人胰島素早80min。因此短效胰島素能更好地模擬餐時胰島素作用。長效胰島素類似物有甘精胰島素和地特胰島素，其作用持續(xù)時間可達24h，作用平穩(wěn)，與NPH比其個體間的作用變異小，不易產(chǎn)生低血糖，是更好的基礎(chǔ)胰島素制劑。但目前的長效胰島素類似物和短效胰島素類似物不能做成預(yù)混制劑注射。 國內(nèi)常見的胰島素種類與特點中國1型糖尿病診治指南三、未來超長效胰島素制劑 1.insulin degludec：degludec是將人膜島素B30位蘇氨酸去掉，將一個16碳脂肪二酸通過谷氨酸與人胰島素B29位賴氨酸連接而形成的超長效胰島素類似物。degludec胰島素在制劑中以雙六

9、聚體的形式存在。注射至皮下后，由于苯酚迅速彌散,degludec胰島素獨特的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)（谷氨酸和脂肪酸）使其在鋅離子存在的情況下容易形成多六聚體鏈(multi-hexamerchains)。之后隨著鋅離子緩慢的彌散，多六聚體鏈緩慢解離為二聚體和單體而通過毛細血管壁吸收人循環(huán)5。形成多六聚體鏈是其最主要的延遲作用的機制，另外由于脂肪酸鏈結(jié)構(gòu)使其能可逆性地與白蛋白結(jié)合而進一步起到延遲作用。degludec消除半衰期超過25h,有效作用時間超過40h。在一項為期16周的多中心隨機對照臨床試驗中,245例2型糖尿病患者在二甲雙胍治療基礎(chǔ)上合用degludec每日1次、每周3次或甘精胰島素每日1次注射，試

10、驗結(jié)束時3組HbAlc、日間9點血糖譜無顯著差異,但degludec每日1次組低血糖率顯著低于degludec每周3次或甘精胰島素每日1次注射組。最近在Lancet上發(fā)表了2項分別在1型糖尿病和2型糖尿病患者中進行的為期1年的多中心、隨機對照、開放治療達標試驗，比較了degludec和甘精胰島素分別聯(lián)合餐時胰島素的降糖療效。無論1型還是2型糖尿病，兩組治療終點時HbAlc下降幅度相似，但degludec組較甘精胰島素組的空腹血糖下降更為理想，同時總體低血糖和夜間低血糖事件更少。與現(xiàn)有的長效胰島素類似物不同，degludec可以與短效胰島素類似物進行預(yù)混合注射，并且低血糖事件較預(yù)混門冬胰島素30

11、更少。2.humalog-PEG(LY2605541)：humalog-PEG是在優(yōu)泌樂B28位賴氨酸上共價結(jié)合了相對分子質(zhì)量20000的聚乙二醇分子，從而形成一個約75000的大分子，超過了白蛋白，注射到皮下緩慢吸收，腎臟清除減慢，作用半衰期可長達23d，并且作用的變異性很低。由于較大的分子結(jié)構(gòu)特點也改變了其在組織中的分布,在體內(nèi)它易于被肝竇上皮所吞噬，因而在肝臟內(nèi)的分布濃度較外周組織更高，理論上可以提供更符合生理的胰島素補充。一項為期12周的多國、多中心、隨機對照n期臨床試驗結(jié)果顯示，huraalog-PEG和甘精胰島素比，兩者對空腹血糖和HbAlc下降作用相似，但前者夜間低血糖風(fēng)險減少4

12、8%，體重較甘精胰島素組平均顯著降低0.84kg。另一方面也發(fā)現(xiàn)humalog-PEG治療組肝臟轉(zhuǎn)氨酶水平在正常值參考范圍內(nèi)顯著升高，甘油三醋水平也顯著升高(男性平均升高0.4mmol/L,女性平均升高0.3mmol/L)。3.Biodel長效基礎(chǔ)胰島素：Biodel公司是一家專門致力于改良肽類、蛋白類分子給藥技術(shù)的生物高科技公司。該公司開發(fā)的“可調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)胰島素”（BIOD-adjustablebasalinsulin)是在甘精胰島素中加人專利技術(shù)GRAS賦形劑，可以改變甘精胰島素作用時間，使之作用時間變長或變短，以適應(yīng)不同患者對基礎(chǔ)胰島素作用時間的不同需求，并且具有更平和、更穩(wěn)定的藥代動力

13、學(xué)特征。Biodel公司新開發(fā)的另一處于臨床前期的“聰明基礎(chǔ)胰島素”(BIOD-smartbasalinsulin)可隨周圍組織中葡萄糖的水平不同吸收率發(fā)生改變。其主要配方為甘精胰島素、葡萄糖氧化酶和過氧化物酶（pH4)。我們知道甘精胰島素的溶解度和吸收率是pH依賴的，pH越低則甘精胰島素更易解離為單體而吸收。當組織液中葡萄糖水平升高時，上述反應(yīng)體系會生成更多的葡萄糖酸，微環(huán)境的pH值下降，從而使胰島素吸收增加；反之血糖降低，生成葡萄糖酸減少，微環(huán)境的pH值升高，使胰島素吸收減少。這一藥效特點已在豬體內(nèi)試驗中得到證實。4.SraartInsulin：這是SmartCells公司開發(fā)的另一可能的

14、“聰明”基礎(chǔ)胰島素，這種葡萄糖反應(yīng)性的胰島素原理是:胰島素可以和葡萄糖競爭性地與一種專利化合物“SmartInsulin多聚物”可逆性地結(jié)合，將SmartInsulin注射到皮下后,組織液中的葡萄糖可以將胰島素從多聚物結(jié)合位點上置換成游離狀態(tài)被吸收入血，血糖越高被置換出的胰島素越多。5.FT105：FT105是Flamel高科技公司基于其獨創(chuàng)的“Medusa給藥平臺”（Medusa Drug Delivery Platform)的一種超長效基礎(chǔ)胰島素。Medusa是一種多聚谷氨酸鏈上連接維生素E的生物可降解聚合物，在水溶液中與肽類或蛋白類藥物混合后，兩者以非共價鍵結(jié)合，形成納米水凝膠。當被注射

15、到皮下后形成“藥物儲庫”（depot)，之后藥物被組織液中蛋白逐步置換而吸收，作用可穩(wěn)定持續(xù)長達14d。FT105采用重組人胰島素與Medusa藥物平臺結(jié)合，使胰島素在人體作用更平緩、持續(xù)作用時間超過48h，注射后34d可達到穩(wěn)態(tài)胰島素水平，個體內(nèi)變異非常小，可顯著減少低血糖事件，注射局部無不良反應(yīng)，由于Medusa在體內(nèi)可生物降解為谷氨酸和維生素E，因而具有較高的安全性。 四、未來超短效胰島素制劑 1.重組人透明質(zhì)酸酶與短效胰島素類似物的合劑（rHuPH20-insulin):透明質(zhì)酸是細胞外基質(zhì)的成分之一,在皮下它形成一道天然屏障,可阻止注射的藥物擴散至間質(zhì)組織,從而減

16、慢藥物從毛細血管吸收。透明質(zhì)酸酶可以催化水解透明質(zhì)酸中N-乙酰氨基葡萄糖和葡萄糖醛酸殘基間的P-1，4糖苷鍵,使透明質(zhì)酸長鏈降解，降低其黏度,而增加組織的滲透性。因此可以將透明質(zhì)酸酶與其他藥物組合而增加藥物擴散和吸收速度。rHuPH20是重組的人透明質(zhì)酸酶，可以將它與當前的胰島素產(chǎn)品（包括重組人胰島素和速效胰島素類似物）結(jié)合形成合劑，使胰島素或胰島素類似物的吸收更迅速、起效更快、作用時間更短，個體間和個體內(nèi)的胰島素作用變異性更低。一項在14名健康志愿者中進行的雙盲、6次交叉試驗比較了3種速效胰島素類似物（門冬胰島素、谷賴胰島素、賴脯胰島素）合用或不合用rHuPH20的藥代動力學(xué)和藥效學(xué)參數(shù)，結(jié)

17、果顯示合用rHuPH20可以使速效胰島素類似物起效時間快13-25min,作用時間縮短4049min。2.Linjeta和BIOD-123：Linjeta是Biodel生物醫(yī)藥公司早期開發(fā)的基于普通人胰島素的超短效胰島素專利配方原型，也被稱為“VIAject”，于2009年12月提交美國FDA新藥申請,但未獲批準，F(xiàn)DA要求補充兩項關(guān)鍵的1H期臨床試驗。2011年Biodel公司重新改良了原型配方，分別開發(fā)了BIOD-123和BIOD-125兩個新配方，I期臨床試驗顯示與賴脯胰島素相比，BIOD-123和BIOD-125達峰時間快近1倍以上，注射部位局部反應(yīng)相似，似乎BIOD-123耐受性更好

18、。1項在美國30個中心參加的隨機、開放標簽BIOD-123與賴脯胰島素對比的II期臨床試驗已于2013年3月底完成病例招募，結(jié)果將于2013年9月底公布。 五、胰島素的其他給藥途徑 由于胰島素注射給藥給患者帶來心理恐懼和不變，科學(xué)家們一直以來致力于研究非注射途徑給藥的可能性，如口服制劑或舌下含服制劑（IN-105、4-CNAB、VIAtab、Oraliri等）、透皮給藥制劑，但這些給藥方式普遍存在生物利用度低、降糖療效弱、個體內(nèi)變異性大等缺點，目前還不能滿足臨床需要。另一可能的給藥途徑是胰島素吸入制劑,2006年曾經(jīng)上市首個胰島素吸入制劑“Exubera"，但由于商業(yè)原因或其他某些原因生產(chǎn)商于1年后自行撤市。與皮下注射常規(guī)胰島素或賴脯胰島素相比，Exubera起效快、達峰快（約49min)、持續(xù)時間短。理論上吸入胰島素更適合餐時胰島素的補充，但吸入胰島素普遍生物利用度較低，一般只有8%15%。Afrezza是MannKind公司采用獨特的“Technosphere"胰島素粉末的吸入胰島素，其生物利用度可高達24%28%，達峰時間約14min,持續(xù)作用時間23h。最近發(fā)表的一項由10個國家參加的、為期52周的m期臨