【时讯】血糖“长安”十二时辰：长效甘精胰岛素的故事

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编辑:日常生活中不可缺少的药是怎么产生的？ 科学家必须经历多大的困难呢？？ 面对未知的病毒，普通人能做什么？ 通俗易懂的语言、科幻小说的笔调、自然探险般的叙事诗、新药开发第一线的科学家梁贵柏带领我们探索生命科学的前沿，一览了世界健康事业的内部运营 摘要:对糖尿病患者来说，保证24小时的血糖值“既不高也不低”很重要 为了模仿人体的基础胰岛素分泌，最直接的方法是患者全天候拿着注射针和输液瓶进行静脉输液，但这种方法显然没有在医院外实际操作的意义。 因此，在近百年的历史中，医药界一直在研究如何使胰岛素变长和变长 随着生物工程技术的飞跃进步，到2000年新世纪，实现人类历史上第一个全天候“昼夜护卫”的甘精胰岛素终于上市了 2019年下半年，电视剧《长安十二点》热播了电视画面 你知道短时间胰岛素到“12小时”( 24小时365天)的长期胰岛素经历了78年的科学研究吗？ 越长越好吗？ 最初有正常的胰岛素。是在1922年。而且我们有有效的胰岛素。 那是1946年。后来我们有很长的胰岛素。 那是2000年的事了 通常(天然)的胰岛素是“短时间效应”，在体内半衰期只有4~6分钟，进入血液循环约1小时就完全分解了 为了比较有效地控制血糖，糖尿病(包括I型和ii型糖尿病)患者必须一天注射几次，影响了生活质量 中效胰岛素( intermediate-acting insulin )顾名思义，延长了胰岛素在体内的比较有效的时间 在不改变胰岛素化学结构的情况下，通过添加剂改变微观晶体结构，实现皮下注射后胰岛素的缓释，增强和延长血糖控制，提高糖尿病(包括I型和ii型糖尿病)患者的疾病管理和生活质量。 长期胰岛素( long-acting insulin )通过修饰胰岛素本身的化学结构，使胰岛素的缓释“比较有效”，模拟人体内“基础胰岛素( basal insulin )”的活动模式，一天 为什么从常规胰岛素到中效胰岛素需要20年，从中效胰岛素到长期胰岛素需要50年以上？ 这始于一百年前胰岛素的发现 在胰脏发现胰岛素之前，聚焦于糖尿病，当时第一是1型糖尿病，基本上没有治疗药物，只有“饥饿疗法”对一些患者(现在我们认识“非胰岛素依赖型”糖尿病患者)有一定的缓解作用，几乎 晚期糖尿病患者进入昏迷状态，失去生命 糖尿病是一种旧病，复印件的记载可以追溯到公元前1500年的古埃及 从那以后，我们的祖先开始了糖尿病的探索。 上述“饥饿疗法”就是其中之一 到了19世纪末叶，一些现代科学对糖尿病研究的重要结果终于使医学界的观察力集中在当时不显眼的小器官——胰脏上 根据进一步的研究，如果切除狗的胰脏，这只狗几乎表现出所有糖尿病的典型症状的时候，如果把小胰脏组织种在这只狗的皮下，各种糖尿病症状就会减轻，而且，如果从皮下取出这个胰脏组织，这条狗的糖尿病症状很快就会再现。 新世纪开始，医学界不断努力从胰脏中寻找缓解糖尿病的活性物质 他们开始用酒精提取从狗身上切除的胰脏，把这个提取液注射给糖尿病的狗，结果发现可以缓解糖尿病的症状。 他们成功地用狗的胰脏提取液使昏迷的晚期糖尿病患者再次苏醒 第一次世界大战后，被迫暂时中断的糖尿病研究活跃起来 两名加拿大科学家最终于1921年从胰岛小体中发现了这种活性物质，命名为“胰岛素( insulin )”，翻开了糖尿病治疗的新篇章 仅仅两年后，发现胰岛素的加拿大科学家们获得了诺贝尔生理医学奖。 这在诺奖历史上似乎也很少见 匆忙去胰岛素的发现彻底改变了糖尿病患者的治疗和预后，从不治之症变成了可控的慢性病 但是胰岛素治疗也有点副作用。 最重要的是，使用不当会导致低血糖，有生命危险。 另外，胰岛素在体内的半衰期只有5分钟左右，进入血液循环后1小时左右就会完全分解 为什么呢？ 其实这是人类进化过程的必然结果 在人类漫长的进化过程中，我们的祖先长期处于吃不消的状态 其次为了成功捕获猎物和采集足够的果实，我们的身体必须保证在不吃饭的期间(旧的是一整天，甚至几天)保持正常的功能 大脑是最重要的器官，优先获得能量，直接从血液中吸收葡萄糖，所以低血糖直接影响大脑的功能，非常危险。 为了不吃饭，保持血糖值一定，饮食后马上储存摄取的能量，慢慢释放是胰岛素的第一功能 我们的饮食是间歇性的，而且持续时间相对较短，所以胰岛素的分泌也是间歇性的，饭后血糖上升时达到高峰，把血液中的葡萄糖变成糖原保存。 血糖下降后，胰岛素的分泌必须及时下降，已经在血液中循环的胰岛素也必须及时除去。 否则血糖值会继续下降，产生危险 因此，餐后胰岛素的及时分泌和快速分解是人类在生活环境压力下长时间进化的必然产物 到了现代社会，发达国家和地区的食品供给得到保障，储存能量已经不是生存所必需的，如果无限制地摄取过剩的能量，反而会给身体的能量代谢系统(主要是胰脏)带来很大的负担，长时间的话会导致胰脏功能的衰退，血 在不高不低的疾病早期，2型糖尿病患者的胰岛素分泌能力有点崩溃 这种分泌缺陷随着时间的推移而发展，胰岛素的产生不足以维持血糖的控制 这个过程的病理学还没有完全阐明，高血糖在对胰脏细胞功能起破坏性作用的同时，似乎有可能引起细胞的脱分化和凋亡 细胞损失及其引起的相对胰岛素不足引起葡萄糖不耐受，迅速发展成典型的糖尿病 当初，2型糖尿病患者是用口服降糖药治疗的，随着疾病的发展，很多患者最终需要用施加的胰岛素控制血糖 但是，由于通常胰岛素的迅速释放和迅速分解等特征，糖尿病的治疗有很多限制，例如，口服通常的胰岛素在血液中得不到有效的浓度(口服的生物利用度低)，因此无效。 通常胰岛素经过注射进入血液，可以很快达到有效浓度，但之后的分解也很快，所以患者必须在高血糖时注射 为了避免注射后出现低血糖的危险，注射前可以测定血糖，明确剂量，不方便，影响了患者的生活质量 进一步研究表明，胰腺细胞分泌胰岛素的正常生理模型，餐后血糖上升时除了大量间歇性分泌外，饮食间隔中还有平稳持续的少量胰岛素分泌，被称为基础胰岛素( basal insulin )，全天持续 由此可见，为了保证24小时血糖的“既不高也不低”，模仿胰岛素分泌的正常生理模式的治疗可能是实现糖尿病患者严格血糖控制的最好方法 要想不着急地模仿基础胰岛素分泌，最直接的方法是静脉输液在血糖测试的反馈电路中进行“钳制” 这是正确的，但患者必须有全天候注射针和输液瓶。 很明显在医院外实际操作没有意义。 因此医药界开始研究胰岛素的修饰，希望延缓吸收，延缓分解，发挥基础胰岛素那样的效果 以前，研究者使用阿拉伯胶溶液、油悬浊液、卵磷脂乳液等添加剂，为了减少皮下注射后的吸收等，尝试了各种各样的制剂，通过投用胰岛素溶液、垂体后叶素和肾上腺素等血管收缩剂，进行胰岛素作用。 20世纪30年代开发了鱼精蛋白锌胰岛素( protamine zinc insulin )制剂 是含有过剩的鱼精蛋白和少量锌离子( zinc ion )的胰岛素制剂，降糖作用持续24小时以上 尽管有这样的长期作用，鱼精蛋白锌胰岛素的采用受到更大的低血糖风险的限制 1946年，中性蛋白nph(neutral potamine hagedorn )胰岛素(在中性条件下等比例混合蛋白和胰岛素的胰岛素制剂)上市 该稳定制剂的比较有效期不足24小时，被称为“中效胰岛素”，多数情况下，可以通过1天皮下注射2次来给药 nph胰岛素的不着急释放模式比较有效地模仿了基础胰岛素的效果，减轻了低血糖的风险 但是，个人之间和个人内部的差异显着，吸收也不稳定等，还有一点缺陷 皮下注射后也会出现血浆浓度的峰值，因此有低血糖的风险，特别是在晚饭前和睡觉前采用 我们有进一步提高的空之间吗？ 第二次世界大战后分子生物学的迅速发展使得直接修饰胰岛素成为可能 到目前为止，通过化学修饰胰岛素来延长其作用的战略主要有两个。 一是在胰岛素分子中加入不同长度的脂肪酸，这些油性脂肪酸链与白蛋白结合，延缓游离胰岛素的释放。 另一种是通过取代胰岛素分子中的氨基酸残基来改变其衍生物的理化性质，例如降低生理条件下的溶解度，甘精胰岛素是其中最成功的残基取代引起的长期胰岛素衍生物 残基替代1950年代初，英国著名生物化学家弗雷德里克·桑格和他的小组完成了胰岛素氨基酸序列的测定，获得了1958年的诺贝尔化学奖 这是第一次完全的蛋白质氨基酸序列测定，揭开了现代分子生物学的序幕 20世纪60年代多萝西·霍奇金( dorothy hodgkin )及其同事通过x射线晶体学揭示了胰岛素的三维化学结构 中国联合胰岛素团队率先完成了牛胰岛素的人工全合成，罗伯特·梅里菲尔德( robert merrifield )发明了革命性的蛋白质固相合成方法，根据这些发明和胰岛素分子本身的结构变化延长了其作用时间 从20世纪70年代开始，生物工程技术取得了更大的进步 根据dna重组技术的发明，研究者可以任意代替蛋白质任一部位的氨基酸残基 所有蛋白质都是由20个天然氨基酸链接的，已知这些氨基酸的连接顺序由相关的dna (基因)碱基顺序决定，每3碱基序列对应特定的天然氨基酸 找到胰岛素的相关基因，通过生物化学方法改变dna的碱基序列，将胰岛素中与原来的天然氨基酸对应的3个dan碱基序列置换为不同的序列，从而利用该新基因用适当的载体微生物(大肠杆菌或酵母菌)进行残基置换 赛诺菲制药的前身赫斯特企业( heochst ag )在胰岛素两条肽链上的障碍替代的研究中使用该技术，在胰岛素b链的末端加入两个碱性精氨酸残基，可以使胰岛素的等电点从酸性变为中性 使用甘氨酸代替胰岛素a链末端的天冬酰胺残基，可以使胰岛素结晶的含水量从天然胰岛素的49.8%降低到45.5% 这种新的胰岛素衍生物是由甘氨酸( glycine )和精氨酸( arginine )残基取代产生的，因此被命名为“甘精胰岛素( insulin glargine )” 微晶缓释性胰岛素在这些结构上的一些变化不仅改变了溶解度而且改变了晶体结构和生物代谢过程 化学动力学研究表明，根据等电点的变化，甘精胰岛素注射液在酸性( ph 4.0 )条件下为澄清的溶液 将该溶液注入皮下时，胰岛素在中性( ph 7.4 )的皮下组织中自动凝集，形成相当稳定的六聚体微细沉淀 由于结晶中含水量的降低，这些微晶的填充密度比天然胰岛素高，溶解速度降低，使得成块方糖的溶解速度比松散的糖慢得多 这些微晶在皮下组织随着时间的推移逐渐溶解，首先产生少量游离的六聚体，然后分解为二聚体，最后作为单体分子进入血液循环 进入血液循环的胰岛素单体在肝脏中被代谢酶迅速转换成活性高的代谢产物，真正起到降低血糖值的作用的就是这个代谢产物。 这是许多复杂的体内动态平衡，每一步的转换速度决定了血液中活性胰岛素衍生物的浓度，最终实现皮下注射后人体内无峰缓慢释放，比较有效的时间超过了24小时365天 1988年赫斯特企业申请了甘精胰岛素的发明专利，经过广泛深入的临床试验，于1999年4月在美国和欧洲提出了新药申请 2000年甘精胰岛素被美国fda和欧洲药品管理局批准用于治疗1型和2型糖尿病，成为临床治疗中使用的每日1次皮下注射的长期胰岛素衍生物 昼夜护卫临床药效学研究表明，甘精胰岛素能更好地模拟生理性基础胰岛素分泌，是控制基础血糖(空腹血糖)指标的比较有效的药品使用 人的血糖指标可以分为基础血糖和餐后血糖两种 对2型糖尿病患者来说，基础血糖上升是决定整体血糖水平的主要因素，主要来源于基础肝糖输出的增加，对糖化血红蛋白( hba1c )的贡献更大 基础高血糖的原因比较简单，管理也比较容易，所以采用基础胰岛素控制基础血糖后，达成后血糖下降，整体血糖正常化，所谓“空腹达成，落水船低” 在大型多中心和随机对照临床试验中，为了甘精胰岛素平稳的高峰缓释，除了比较有效地降低糖化血红蛋白和空腹血糖外，在夜间和整体低血糖方面也有明显的特征，真的是全天候“昼夜护卫” 对于可以进行血糖监测、感知低血糖、进行自我管理的患者，医生可以指导简便容易执行的自我胰岛素量调整 甘精胰岛素注射次数少，血糖监测要求少，剂量调整也更简单，因此显着提高患者用药依从性，低血糖风险，特别是哪个严重，需要去医院的低血糖，相应的医疗费用大幅减少， 具有甘精胰岛素抵抗良好、免疫原性低、急性心肌梗死风险降低等优点，在2型糖尿病患者的治疗中占有越来越重要的地位 年，美国糖尿病协会( ada )和欧洲糖尿病研究协会( easd )推荐基础胰岛素作为胰岛素开始治疗的优先事项 知难上改革开放40年来，中国大陆经济飞跃，在很多行业超过世界先进水平，又获得了一个“世界第一”，非常骄傲。 但是，一个“世界第一”令人担心的是，2型糖尿病患者数居世界第一 2型糖尿病是一种生活习惯病 在中国沿海发达地区林立的写字楼里，不同年龄的上班族们坐在办公室的电脑前，长期紧张地工作，喝着各种各样的高糖可乐饮料。 午休也不起床，用手机画面刺穿手指，快递的兄弟们就一溜烟跑了，送来了高脂肪高盐的午餐便当。 下班回家，坐在沙发上，抬起脚，追韩剧，玩游戏。 成功者意义更加交错，葡萄酒呈绿色……这样，2型糖尿病的发病率与各喜人的经济指标一样，同步直线上升，在很多专家眼里达到了“非常危险”的严重状态。 我们必须知道困难，积极行动，挑战型2糖尿病带来的健康威胁 2003年，中国发布了第一版2型糖尿病防治指南，实现降糖的理念逐渐深入临床 继2004年之后，甘精胰岛素在中国上市，成为中国第一个长期胰岛素类似物，为中国糖尿病患者的降糖提供了新的选择 甘精胰岛素对亚洲人的临床验证也逐一展开，其中ORBIT ( OBERVational registry OFBASASalinsulint reatment )研究是国内迄今为止判断基础胰岛素临床效果和安全性的最大规模的现实世界 目前，与中国循证临床实践还有差距 面对规范化治疗和临床实践的差距，行业专家应该积极推进治疗路径在临床实践中的普及，提高人们对糖尿病及其治疗的认识。 除了包括胰岛素在内的各种药物治疗，我们应该更积极地行动，以更健康的方式生活和工作，远离糖尿病。 2019年8月初稿是新泽西2019年11月新泽西参考文献rolf hilgenfeld，gerhard seipke， 发布在harald berchtold and david owens上的“Theevolution Ofinsuling Largineandits continuing Contribution Diabetescare”drugs，74，911。 《basalinsulintherapyintype2diabetes》j.AM.BoardFamPract，2005，18，199–204 .书名:《新药故事2》作者:梁贵柏出版年月:年5月