胰島素的應(yīng)用及發(fā)展前景

PAGE1胰島素的應(yīng)用及發(fā)展前景指導(dǎo)教師：xx姓名：懶貓學(xué)號(hào)：20xxxx院系：xxxx專業(yè)：xxxx胰島素的應(yīng)用及發(fā)展前景【摘要】1922年提取得到一種較純的降血糖物質(zhì)，命名為胰島素，1923年開始供應(yīng)臨床使用。迄今為止，胰島素仍為治療胰島素依賴性糖尿病的特效藥物。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全世界糖尿病患者已超過一億，而且發(fā)病率呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。隨著胰島素的發(fā)展，人胰島素類似物應(yīng)運(yùn)而生，更為糖尿病人帶來了希望?！娟P(guān)鍵詞】蛋白類藥物胰島素應(yīng)用發(fā)展前景一、胰島素的基本概念1.胰島素的基本定義1922年提取得到一種較純的降血糖物質(zhì)，命名為胰島素，1923年開始供應(yīng)臨床使用。迄今為止，胰島素仍為治療胰島素依賴性糖尿病的特效藥物。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全世界糖尿病患者已超過一億，而且發(fā)病率呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。我國(guó)在1965年完成了牛結(jié)晶胰島素的全合成工作，并具有與天然牛結(jié)晶胰島素相同的生物活性。胰島素是世界上第一個(gè)人工合成的蛋白質(zhì)。胰島素是由胰島β細(xì)胞受內(nèi)源性或外源性物質(zhì)如葡萄糖、乳糖、核糖、精氨酸、胰高血糖素等的刺激而分泌的一種蛋白質(zhì)激素。胰島素是機(jī)體內(nèi)唯一能降低血糖的激素，同時(shí)促進(jìn)糖原、脂肪、蛋白質(zhì)合成。正常人空腹時(shí)胰島素濃度為10-20微單位，進(jìn)餐后可升高5倍。胰島素一旦缺乏或作用不能正常發(fā)揮，就會(huì)發(fā)生糖尿病。外源性胰島素主要用于糖尿病的治療。糖尿病患者早期使用胰島素和超強(qiáng)抗氧化劑如（注射用硫辛酸、口服蝦青素等）有望出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的蜜月期，胰島素注射不會(huì)有成癮性和依賴性。2.胰島素的基本結(jié)構(gòu)胰島素是在胰島β細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜結(jié)合型核糖體上合成的，核糖體上最初形成的產(chǎn)物是一個(gè)比胰島素分子大一倍多的前胰島素原單鏈多肽，其N端區(qū)域含有20個(gè)氨基酸左右的疏水性信號(hào)肽。當(dāng)新生肽鏈進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔后，信號(hào)肽酶便切除信號(hào)肽，形成胰島素原，后者被運(yùn)輸至高爾基體，以顆粒的形式儲(chǔ)存?zhèn)溆?。胰島素就像一把鑰匙，開啟葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞的大門，只有進(jìn)入細(xì)胞的葡萄糖才能為細(xì)胞提供動(dòng)力，使人體具有正常的各種生理功能。胰島素分泌不足，會(huì)造成血糖升高，引起糖尿病，因此許多糖尿病患者需要補(bǔ)充胰島素維持正常血糖范圍。胰島素廣泛存在于人和動(dòng)物的胰臟中，正常人的胰臟約含有200萬個(gè)胰島，約占胰臟總重量的1.5%。胰島由α-、β-和δ-三種細(xì)胞組成，其中β-細(xì)胞制造胰島素，α-細(xì)胞制造胰高血糖素和胰抗脂肝素，δ-細(xì)胞制造生長(zhǎng)激素抑制因子。胰島素在β-細(xì)胞中開始時(shí)是以活性很弱的前體胰島素原存在，進(jìn)而分解為胰島素進(jìn)入血液循環(huán)。胰島素由51個(gè)氨基酸組成，有A和B兩條鏈，A鏈含21個(gè)氨基酸殘基，B鏈含20個(gè)氨基酸殘基，兩鏈之間由兩個(gè)二硫鍵相連，A鏈本身還有一個(gè)二硫鍵。不同種屬動(dòng)物的胰島素分子結(jié)構(gòu)大致相同，主要差別在A鏈二硫橋中間的第8、9和10位上的三個(gè)氨基酸及B鏈C末端的一個(gè)氨基酸上，它們隨種屬而異。表1-1僅列出人和幾種動(dòng)物的氨基酸差異，但它們的生理功能是相同的。表1-1不同種屬動(dòng)物的胰島素結(jié)構(gòu)胰島素來源氨基酸排列順序的部分差異A8A9A10B30人ThrSerILeThr豬、狗ThrSerILeAla牛AlaSerValAla羊AlaGlyValAla馬ThrGlyILeAla兔ThrSerILeSer由于豬與人的胰島素相比只有B30位的一個(gè)氨基酸不同，人的是蘇氨酸，豬的是丙氨酸，因此我國(guó)目前臨床應(yīng)用的是以豬胰臟為原料來源的胰島素，抗原性比其他來源的胰島素要低。胰島素的前體是胰島素原，胰島素原可以看成是由一條連接肽（C肽）的一端與胰島素A鏈的N-末端相連，另一端與B鏈的C-末端相連，不同種屬動(dòng)物的C肽也不同，如人的C肽為31肽，牛的為26肽，豬的為29肽。胰島素原通過酶的作用，C肽兩端的4個(gè)堿性氨基酸被水解去除后，即形成一分子胰島素和一分子無活性的C端。人胰島素原的結(jié)構(gòu)件圖1-1甘谷亮丙亮脯谷胺亮絲甘丙甘脯甘甘甘亮絲C肽谷亮纈谷胺SSA鏈谷胺賴精COOH甘SS21纈SS谷胺H2N精精谷丙谷天亮B鏈3.胰島素的分類3.1按來源不同分類（1）動(dòng)物胰島素：從豬和牛的胰腺中提取，兩者藥效相同，但與人胰島素相比，豬胰島素中有1個(gè)氨基酸不同，牛胰島素中有3個(gè)氨基酸不同，因而易產(chǎn)生抗體。（2）半合成人胰島素：將豬胰島素第30位丙氨酸，置換成與人胰島素相同的蘇氨酸，即為半合成人胰島素。（3）生物合成人胰島素（現(xiàn)階段臨床最常使用的胰島素）：利用生物工程技術(shù)，獲得的高純度的生物合成人胰島素，其氨基酸排列順序及生物活性與人體本身的胰島素完全相同。3.2按藥效時(shí)間長(zhǎng)短分類超短效：注射后15分鐘起作用，高峰濃度1~2小時(shí)。（2）短效(速效)：注射后30分鐘起作用，高峰濃度2~4小時(shí)，持續(xù)5~8小時(shí)。（3）中效(低魚精蛋白鋅胰島素)：注射后2~4小時(shí)起效，高峰濃度6~12小時(shí)，持續(xù)24~28小時(shí)。（4）長(zhǎng)效(魚精蛋白鋅胰島素)：注射后4~6小時(shí)起效，高峰濃度4~20小時(shí)，持續(xù)24~36小時(shí)。（5）預(yù)混：即將短效與中效預(yù)先混合，可一次注射，且起效快(30分鐘)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)16~20小時(shí)。市場(chǎng)常見的有30%短效和70%中效預(yù)混，和短、中效各占50%的預(yù)混兩種。4.胰島素的基本性質(zhì)胰島素的主要性質(zhì)有：①胰島素為白色或類白色結(jié)晶粉末，為扁斜形六面體。②牛胰島素的法分子量為5733，豬為5764，人為5784。胰島素的等電點(diǎn)為5.30~5.35。③胰島素在pH4.5~6.5范圍內(nèi)幾乎不溶于水，在室溫下溶解度為10μɡ/ml；易溶于稀酸或稀堿溶液；在80%以下乙醇或丙酮中溶解；在90%以上乙醇或80%以上丙酮中難溶；在乙醚中不溶。④胰島素悶在弱酸性水溶液或中性緩沖液中較為穩(wěn)定。在pH8.6時(shí)，溶液煮沸10min即失活一半，而在0.25%硫酸溶液中藥煮沸60min才能導(dǎo)致同等程度的失活。⑤在水溶液中胰島素分子受pH、溫度、離子強(qiáng)度的影響產(chǎn)生聚合和解聚現(xiàn)象。在低胰島素濃度的酸性溶液（pH≤2）時(shí)呈單體狀態(tài)。鋅胰島素在pH2的水溶液中呈二聚體，聚合作用隨pH增高而增加，在pH4~7時(shí)聚合成不溶解狀態(tài)的無定形沉淀。在高濃度的鋅溶液中，pH6~8時(shí)胰島素溶解度急劇下降。鋅胰島素在pH7~9時(shí)呈六聚體或八聚體，pH大于9時(shí)則解聚并由于單體結(jié)構(gòu)改變而失活。⑥在pH為2的酸性水溶液中加熱至80~100℃，可發(fā)生聚合而轉(zhuǎn)變?yōu)闊o活性纖維狀胰島素。如及時(shí)用冷0.05mol/L氫氧化鈉處理，仍可恢復(fù)為有活性的胰島素結(jié)晶。⑦胰島素具有蛋白質(zhì)的各種特殊反應(yīng)。高濃度的鹽，如飽和氯化鈉、半飽和硫酸銨等使其沉淀析出；也能被蛋白質(zhì)沉淀劑如三氯醋酸、苦味酸、鞣酸等沉淀；并有茚三酮、雙縮脲等蛋白質(zhì)的顯色反應(yīng)。胰島素能被胰島素酶、胃蛋白酶、糜蛋白酶等蛋白水解酶水解而失活。⑧還原劑如硫化氫、甲酸、醛、酸酐、硫代硫酸鈉、維生素C及多數(shù)重金屬（除鋅、鉻、鈷、鎳、銀、金外）都能使胰島素失活。破壞活性的主要原因是分子中二硫鍵被還原、游離氨基被酰化、游離羧基被酯化和肽鍵水解。⑨胰島素對(duì)高能輻射非常敏感，容易失活；紫外線能破壞胱氨酸和絡(luò)氨酸基團(tuán)。光氧化作用能導(dǎo)致分子中組氨酸被破壞。超聲波能引起其非專一性降解。⑩胰島素能被活性炭、白陶土、氫氧化鋁、磷酸鈣、CMC和DEAE-C吸附。胰島素的發(fā)展歷史及應(yīng)用糖尿病是歷史悠久的人類疾病，問題出在身體不能利用最重要的能源——葡萄糖，以致有大量的葡萄糖堆積在血液，造成血管病變及病菌滋生；同時(shí)過多的葡萄糖從尿液流失，帶走大量水分，造成病人又饑又渴。就算吃喝不斷，患者仍然不斷消瘦（蛋白質(zhì)及脂肪都分解用來制造更多的葡萄糖），增加飲食只會(huì)使情況變得更糟，因此中醫(yī)稱此疾為“消渴癥”。在長(zhǎng)期“饑餓”下，身體組織開始利用酮體；大量由脂肪及胺基酸生成的酮體帶有酸性，而造成患者酸中毒。在胰島素發(fā)現(xiàn)以前，常用的糖尿病控制方法就是禁食。在每日不到一千大卡的熱量、不含什么碳水化合物的嚴(yán)格飲食下，原本已經(jīng)消瘦不堪的糖尿病患者更是骨瘦如材，形同餓莩。這些人的體重可低至二十來公斤，成天躺在床上，連抬個(gè)頭的力氣也無。他們就算不死于酸中毒造成的昏迷，遲早也是餓死。這些坐以待斃的悲慘情狀，絕非現(xiàn)代人所能想像。直到上世紀(jì)20年代初，糖尿病仍被視為一種令人談虎色變的不治之癥。胰島素于1921年由加拿大人F.G.班廷和C.H.貝斯特首先發(fā)現(xiàn)。1923年開始用于臨床，使過去不治的糖尿病患者得到挽救。班廷后來在多倫多大學(xué)與麥克勞德合作，獲得治療糖尿病效果穩(wěn)定的激素。他和麥克勞德兩人因發(fā)現(xiàn)胰島素而共獲1923年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。他將部分獎(jiǎng)金分給貝斯特。班廷1941年2月21日在二戰(zhàn)一次執(zhí)行任務(wù)時(shí)因飛機(jī)失事而遇難，享年50歲。中國(guó)科學(xué)院腎病檢測(cè)研究所主治直至80年代初，用于臨床的胰島素幾乎都是從豬、牛胰臟中提取的。不同動(dòng)物的胰島素組成均有所差異，豬的與人的胰島素結(jié)構(gòu)最為相似，只有B鏈羧基端的一個(gè)氨基酸不同。80年代初已成功地運(yùn)用遺傳工程技術(shù)由微生物大量生產(chǎn)人的胰島素，并已用于臨床。1955年英國(guó)F.桑格小組測(cè)定了牛胰島素的全部氨基酸序列，開辟了人類認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的道路。1965年9月17日，中國(guó)科學(xué)家人工合成了具有全部生物活力的結(jié)晶牛胰島素，它是第一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室中用人工方法合成的蛋白質(zhì)。稍后美國(guó)和聯(lián)邦德國(guó)的科學(xué)家也完成了類似的工作。70年代初期，英國(guó)和中國(guó)的科學(xué)家又成功地用X射線衍射方法測(cè)定了豬胰島素的立體結(jié)構(gòu)。這些工作為深入研究胰島素分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。人們用化學(xué)全合成和半合成方法制備類似物，研究其結(jié)構(gòu)改變對(duì)生物功能的影響；進(jìn)行不同種屬胰島素的比較研究；研究異常胰島素分子病，即由于胰島素基因的突變使胰島素分子中個(gè)別氨基酸改變而產(chǎn)生的一種分子病。這些研究對(duì)于闡明某些糖尿病的病因也具有重要的實(shí)際意義。九十年來,胰島素的劑型不斷推陳出新,目前已發(fā)展為速效、短效、中效、長(zhǎng)效和預(yù)混胰島素等多種劑型。從U-40、U-80、U-100等不同濃度,到牛、豬、重組人胰島素等不同來源;從結(jié)晶胰島素、純化胰島素、人工合成胰島素等不同純度到皮下注射、胰島素筆、胰島素泵以及口服、經(jīng)鼻、經(jīng)眼、經(jīng)直腸、經(jīng)皮膚等無創(chuàng)途徑,人類對(duì)胰島素探索的腳步從未停歇。讓我們記住這一偉大歷史階段中的重要時(shí)刻:?1921年:加拿大科學(xué)家Banting、Best、MacLeod和Collip發(fā)現(xiàn)并提純胰島素。?1922年:胰島素首次應(yīng)用于人類糖尿病的治療。?1923年:胰島素上市。?1926年:美國(guó)生化學(xué)家Abel制得胰島素結(jié)晶。?1936年:首個(gè)長(zhǎng)效胰島素——精蛋白鋅胰島素(PZI)問世。?1946年:中效低精蛋白胰島素問世。?1955年:英國(guó)生化學(xué)家FrederickSanger完成了世界上第一個(gè)蛋白質(zhì)(胰島素)的一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定,揭示了胰島素的化學(xué)結(jié)構(gòu),因此榮獲1958年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。?1963~1966年:中國(guó)、德國(guó)和美國(guó)科學(xué)家致力于化學(xué)合成胰島素的研究。中國(guó)學(xué)者于1965年首次人工合成了具有全部生物活性的結(jié)晶牛胰島素。?1969年:DorothyHodgkin應(yīng)用X線衍射晶體分析法確定了胰島素的三級(jí)結(jié)構(gòu)。?1974年:高純度動(dòng)物胰島素(蛋白雜質(zhì)<1pmol/L)研制成功。?1978年:通過重組DNA技術(shù),人胰島素首次在大腸桿菌中合成。?1982年:FDA批準(zhǔn)重組人胰島素在美國(guó)上市。?1996年:FDA批準(zhǔn)首個(gè)重組人胰島素類似物——賴脯胰島素上市。自此,300余種胰島素類似物被研制成功,包括70種動(dòng)物胰島素,80種化學(xué)改良胰島素和150余種生物合成胰島素。?2004年:首個(gè)長(zhǎng)效重組人胰島素類似物——甘精胰島素獲準(zhǔn)上市。?2006年:首個(gè)吸入型胰島素(Exubera)獲準(zhǔn)上市,該藥于2007年撤市。三、胰島素的發(fā)展前景九十年來，胰島素的發(fā)展從早期的動(dòng)物胰島素到人胰島素，直到現(xiàn)在的胰島素類似物，拯救了無數(shù)糖尿病患者的生命。尤其是胰島素類似物的發(fā)現(xiàn)和使用，堪稱胰島素治療的革命。1.動(dòng)物胰島素動(dòng)物胰島素在胰島素治療的早期發(fā)揮過重要的作用，然而，由于生物種屬的不同，動(dòng)物胰島素與人體內(nèi)自然產(chǎn)生的人胰島素在氨基酸結(jié)構(gòu)上存在著差異，部分患者可能產(chǎn)生胰島素抗體，需要更多劑量的胰島素來控制其血糖水平。另外，抗體與胰島素的結(jié)合在時(shí)間和數(shù)量上無法預(yù)料，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致明顯的血糖波動(dòng)。為了得到足夠供應(yīng)眾多糖尿病患者使用的藥用胰島素，科學(xué)家與大型制藥廠合作，成功地發(fā)展了工業(yè)化提取技術(shù)，從屠宰場(chǎng)的牛、豬等動(dòng)物的胰臟中取得了足夠的原料，解決大量生產(chǎn)的原料來源問題。早期的動(dòng)物胰島素有較強(qiáng)刺激性，作用時(shí)間短，20世紀(jì)30年代后，研究者使用魚精蛋白結(jié)合胰島素，使之作用時(shí)間延長(zhǎng)，每天只需1～2次注射即可。在其后的幾十年里，胰島素在世界各地的醫(yī)院使用，取得空前的成效。2.人胰島素正由于上述問題的存在，動(dòng)物胰島素的生產(chǎn)需要向更安全可靠的人胰島素轉(zhuǎn)換。由于基因重組技術(shù)生物合成的人胰島素結(jié)構(gòu)與人體內(nèi)胰島素的結(jié)構(gòu)完全相同，因而解決了免疫原性問題，減少了胰島素的不良反應(yīng)。但人們并沒有停止前進(jìn)的腳步。雖然人胰島素給糖尿病的治療帶來巨大的幫助，但現(xiàn)有的人胰島素注射后并不能模擬正常人的胰島素分泌。如短效胰島素皮下注射后，由于吸收緩慢，即使餐前30分鐘注射，其胰島素高峰也可能出現(xiàn)延遲。這就導(dǎo)致了餐后高血糖不能及時(shí)控制，以及兩餐間有可能發(fā)生低血糖反應(yīng)。另有研究顯示，超過3/4的患者由于感覺不方便，無法在餐前30分鐘注射胰島素，從而使其治療效果不很理想。而中效胰島素注射后具有峰值，存在不能模擬生理的基礎(chǔ)胰島素分泌模式等問題。上述問題的存在，使得胰島素臨床應(yīng)用后并不能達(dá)到最佳的治療效果，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)低血糖反應(yīng)和血糖控制欠佳的情況。20世紀(jì)60年代，研究人員又設(shè)法提取人胰島素。因?yàn)閯?dòng)物胰島素與人胰島素存在細(xì)微差異，抗原性降低了它的效能。但人胰島素的來源數(shù)量有限，不能滿足需要。到了70年代，研究者突破性地使用生物技術(shù)人工合成了人胰島素?；蚝铣傻?/p>