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(yán)重過(guò)敏和局部化膿感染。在此后的20余年時(shí)間里，大量的實(shí)驗(yàn)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(shí)可以明顯下降。在生物化學(xué)家JamesCollip幫助下，Banting和Best改進(jìn)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(guó)華盛頓召開的全美醫(yī)師協(xié)會(huì)上向大會(huì)公開報(bào)道，得到大家的承認(rèn)，被認(rèn)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(jiǎng)。 一、動(dòng)物胰島素和

3、人胰島素時(shí)代在發(fā)現(xiàn)胰島素后的60余年時(shí)間里，胰島素來(lái)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(guò)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(jià)變異大。隨著蛋白質(zhì)提純技術(shù)的進(jìn)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(méi)能解決免疫原性的問(wèn)題。這段時(shí)期被稱為動(dòng)物胰島素時(shí)代。20世紀(jì)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(jí)、二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)與人胰島素完全相同，并證實(shí)具有完全的生物功能。1982年美國(guó)禮來(lái)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(gè)劃時(shí)代的產(chǎn)品是人類合成的第一個(gè)肽類生物醫(yī)藥制品，人胰島素的合成解決了動(dòng)物胰島素免疫原性問(wèn)題，胰島素過(guò)敏和抗體產(chǎn)生大大減少，同時(shí)也解決了動(dòng)物胰島素的產(chǎn)量瓶頸問(wèn)題。生理性胰島素分泌包括進(jìn)食后發(fā)生的餐時(shí)胰島素分泌和非進(jìn)食狀態(tài)下的基礎(chǔ)胰島素分泌兩部分。無(wú)論是動(dòng)物胰島素還是人胰島素，通過(guò)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(zhǎng)胰島素從皮下吸收的時(shí)間，作用時(shí)間可超過(guò)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(jìn)餐后胰島素快速分泌，

5、首先到達(dá)肝臟門靜脈系統(tǒng)，快速抑制肝糖輸出，這對(duì)于控制餐后血糖波動(dòng)極其重要,但無(wú)論是注射動(dòng)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(shí)間24h，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)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(wú)明顯的作用高峰，而無(wú)論是長(zhǎng)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(gè)體內(nèi)和個(gè)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(dòng)較大，低血糖風(fēng)險(xiǎn)較高。

6、60;二、胰島素類似物時(shí)代溶液中存在的胰島素分子是由兩個(gè)胰島素分子形成二聚體、然后3個(gè)二聚體和2個(gè)鋅離子圍繞著三重軸形成對(duì)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(guò)不斷地對(duì)胰島素分子一級(jí)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(gè)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(gè)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(duì)胰島素分子進(jìn)行修飾，增強(qiáng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(méi)有差別。葡萄糖鉗夾技術(shù)藥效學(xué)研究顯示，達(dá)到葡萄糖最大輸注率（GIR)半時(shí)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(shí)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(shí)胰島素作用。長(zhǎng)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(shí)間可達(dá)24h，作用平穩(wěn)，與NPH比其個(gè)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(zhǎng)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(guó)內(nèi)常見(jiàn)的胰島素種類與特點(diǎn)中國(guó)1型糖尿病診治指南三、未來(lái)超長(zhǎng)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(gè)16碳脂肪二酸通過(guò)谷氨酸與人胰島素B29位賴氨酸連接而形成的超長(zhǎng)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?gòu)浬?degludec胰島素獨(dú)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(guò)毛細(xì)血管壁吸收人循環(huán)5。形成多六聚體鏈?zhǔn)瞧渥钪饕难舆t作用的機(jī)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(jìn)一步起到延遲作用。degludec消除半衰期超過(guò)25h,有效作用時(shí)間超過(guò)40h。在一項(xiàng)為期16周的多中心隨機(jī)對(duì)照臨床試驗(yàn)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(yàn)結(jié)束時(shí)3組HbAlc、日間9點(diǎn)血糖譜無(wú)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(xiàng)分別在1型糖尿病和2型糖尿病患者中進(jìn)行的為期1年的多中心、隨機(jī)對(duì)照、開放治療達(dá)標(biāo)試驗(yàn)，比較了degludec和甘精胰島素分別聯(lián)合餐時(shí)胰島素的降糖療效。無(wú)論1型還是2型糖尿病，兩組治療終點(diǎn)時(shí)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(shí)總體低血糖和夜間低血糖事件更少。與現(xiàn)有的長(zhǎng)效胰島素類似物不同，degludec可以與短效胰島素類似物進(jìn)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(lè)B28位賴氨酸上共價(jià)結(jié)合了相對(duì)分子質(zhì)量20000的聚乙二醇分子，從而形成一個(gè)約75000的大分子，超過(guò)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(zhǎng)達(dá)23d，并且作用的變異性很低。由于較大的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(bǔ)充。一項(xiàng)為期12周的多國(guó)、多中心、隨機(jī)對(duì)照n期臨床試驗(yàn)結(jié)果顯示，huraalog-PEG和甘精胰島素比，兩者對(duì)空腹血糖和HbAlc下降作用相似，但前者夜間低血糖風(fēng)險(xiǎn)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(zhǎng)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(shí)間，使之作用時(shí)間變長(zhǎng)或變短，以適應(yīng)不同患者對(duì)基礎(chǔ)胰島素作用時(shí)間的不同需求，并且具有更平和、更穩(wěn)定的藥代動(dòng)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(guò)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(dāng)組織液中葡萄糖水平升高時(shí)，上述反應(yīng)體系會(huì)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(diǎn)已在豬體內(nèi)試驗(yàn)中得到證實(shí)。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(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)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(dú)創(chuàng)的“Medusa給藥平臺(tái)”（Medusa Drug Delivery Platform)的一種超長(zhǎng)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(jià)鍵結(jié)合，形成納米水凝膠。當(dāng)被注射

15、到皮下后形成“藥物儲(chǔ)庫(kù)”（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(zhǎng)達(dá)14d。FT105采用重組人胰島素與Medusa藥物平臺(tái)結(jié)合，使胰島素在人體作用更平緩、持續(xù)作用時(shí)間超過(guò)48h，注射后34d可達(dá)到穩(wěn)態(tài)胰島素水平，個(gè)體內(nèi)變異非常小，可顯著減少低血糖事件，注射局部無(wú)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(lái)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(xì)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(kuò)散至間質(zhì)組織,從而減

16、慢藥物從毛細(xì)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(zhǎng)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(kuò)散和吸收速度。rHuPH20是重組的人透明質(zhì)酸酶，可以將它與當(dāng)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(shí)間更短，個(gè)體間和個(gè)體內(nèi)的胰島素作用變異性更低。一項(xiàng)在14名健康志愿者中進(jìn)行的雙盲、6次交叉試驗(yàn)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(dòng)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(shí)間快13-25min,作用時(shí)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(guó)FDA新藥申請(qǐng),但未獲批準(zhǔn)，F(xiàn)DA要求補(bǔ)充兩項(xiàng)關(guān)鍵的1H期臨床試驗(yàn)。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(gè)新配方，I期臨床試驗(yàn)顯示與賴脯胰島素相比，BIOD-123和BIOD-125達(dá)峰時(shí)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(xiàng)在美國(guó)30個(gè)中心參加的隨機(jī)、開放標(biāo)簽BIOD-123與賴脯胰島素對(duì)比的II期臨床試驗(yàn)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(lái)心理恐懼和不變，科學(xué)家們一直以來(lái)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(gè)體內(nèi)變異性大等缺點(diǎn)，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(gè)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(dá)峰快（約49min)、持續(xù)時(shí)間短。理論上吸入胰島素更適合餐時(shí)胰島素的補(bǔ)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(dú)特的“Technosphere"胰島素粉末的吸入胰島素，其生物利用度可高達(dá)24%28%，達(dá)峰時(shí)間約14min,持續(xù)作用時(shí)間23h。最近發(fā)表的一項(xiàng)由10個(gè)國(guó)家參加的、為期52周的m期臨