胰島素結(jié)構(gòu)改造的研究進(jìn)展

李修政，林於紅，董家瀟，葉光明，姜云云

(1.安徽醫(yī)科大學(xué)解放軍九八臨床學(xué)院，浙江 湖州 230032；2.杭州康恩貝制藥有限公司，浙江 杭州 310051；3.解放軍101醫(yī)院，江蘇 無(wú)錫 214044)

胰島素結(jié)構(gòu)改造的研究進(jìn)展

李修政1，林於紅2，董家瀟1，葉光明3*，姜云云3*

(1.安徽醫(yī)科大學(xué)解放軍九八臨床學(xué)院，浙江 湖州 230032；2.杭州康恩貝制藥有限公司，浙江 杭州 310051；3.解放軍101醫(yī)院，江蘇 無(wú)錫 214044)

胰島素是一種由胰腺分泌的激素，一直是治療Ⅱ型糖尿病的一線藥物。由于胰島素是一種天然的多肽類化合物，因此存在穩(wěn)定性差、體內(nèi)代謝快等缺陷。針對(duì)這些問(wèn)題，科研人員一直致力于對(duì)胰島素進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造以開發(fā)出新型的胰島素類抗Ⅱ型糖尿病藥物。簡(jiǎn)述了胰島素的結(jié)構(gòu)及作用特點(diǎn)，綜述了近年來(lái)胰島素結(jié)構(gòu)改造的研究進(jìn)展，如對(duì)胰島素二硫鍵的修飾、胰島素序列的改造、胰島素肽鏈N-末端的修飾等，指出了開發(fā)高活性、低成本、高穩(wěn)定性的胰島素結(jié)構(gòu)改造類似物將是該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的主要方向。

胰島素；類似物；結(jié)構(gòu)改造；二硫鍵；糖尿病

Abstract：Insulin is a hormone secreted by the pancreas,which has been a first-line drug for the treatment of type Ⅱ diabetes.As a natural peptide compound,insulin has defects of poor stability and rapid metabolism invivo.Aiming at these problems,researchers have been committed to the structural modification of insulin in order to develop new types of insulin-like anti-type Ⅱ diabetic drugs.We briefly introduce the structure and characteristics of insulin,and emphatically review the research progress in the structural modification of insulin in recent years,such as the modification of disulfide bond of insulin，insulin sequences,and the N-terminus of insulin peptide chain.We also point out that development of insulin structural modification analogues with high activity,low cost，and high stablibity will be the main direction of future development.

Keywords：insulin;analogues;structural modification;disulfide bond;diabetes

1922年，Banting和Best第一次將胰島素用于臨床治療中，并取得了較好的效果。但胰島素最初只能從動(dòng)物的胰腺中提取，而且得到的是粗產(chǎn)品。直到1960年，色譜技術(shù)被發(fā)現(xiàn)后，胰島素的分離純化才逐步被完善。我國(guó)在1965年完成了人工牛胰島素的全合成，這對(duì)于國(guó)際多肽合成領(lǐng)域的發(fā)展具有重大意義；20世紀(jì)70年代末，丹麥諾和諾德公司生產(chǎn)出半合成胰島素；1982年，美國(guó)禮來(lái)公司首次利用DNA重組技術(shù)合成人胰島素。胰島素是一種天然的多肽類化合物，存在穩(wěn)定性差、體內(nèi)代謝快等缺陷。針對(duì)這些問(wèn)題，科研人員一直致力于對(duì)胰島素進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，1996年，第一個(gè)胰島素類似物通過(guò)對(duì)胰島素化學(xué)結(jié)構(gòu)的改造和修飾而得到。目前，已經(jīng)有300多個(gè)胰島素類似物被開發(fā)出來(lái)，有些已進(jìn)入臨床應(yīng)用[1]。作者綜述了近年來(lái)胰島素結(jié)構(gòu)改造的研究進(jìn)展，以期為合成高性能的胰島素類似物提供參考。

1 胰島素的結(jié)構(gòu)及其作用特點(diǎn)

胰島素含有2條肽鏈，共有51個(gè)氨基酸殘基(圖1)。A鏈由11種21個(gè)氨基酸殘基組成，N端到C端依次是GIVEQCCTSICSLYQLENYCN，其中A6-A11由二硫鍵相連成環(huán)；B鏈由16種30個(gè)氨基酸殘基組成，從N端到C 端依次是 FVNQHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKT，而A鏈和B鏈又通過(guò)2個(gè)二硫鍵在CysA7-CysB7和CysA20-CysB19上相連構(gòu)成胰島素分子。不同動(dòng)物胰島素的組成中，氨基酸殘基的排列順序大都不相同[2]。研究發(fā)現(xiàn)，在諸多動(dòng)物胰島素中，豬胰島素結(jié)構(gòu)與人胰島素比較接近，所以早期人們常常使用豬胰島素作為臨床上的治療劑，也在此基礎(chǔ)上進(jìn)行合成和改造。

圖1 胰島素的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structure of insulin

2 胰島素結(jié)構(gòu)改造的研究進(jìn)展

目前，市場(chǎng)上使用的胰島素大多通過(guò)DNA重組技術(shù)生產(chǎn)[3]，以滿足巨大的全球需求。然而，如果化學(xué)合成的新型胰島素有效，則可以作為小眾市場(chǎng)(熱穩(wěn)定性是一個(gè)區(qū)域性的問(wèn)題)的治療劑。由于常規(guī)胰島素及其類似物有3個(gè)完全保守的二硫鍵的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)對(duì)胰島素的穩(wěn)定性至關(guān)重要，所以研究人員致力于開發(fā)較穩(wěn)定且高效的胰島素及其類似物。胰島素及其類似物進(jìn)入人體后，也存在許多潛在的問(wèn)題：二硫鍵對(duì)某些還原劑(如硫醇)以及二硫化物異構(gòu)酶不穩(wěn)定，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重排和活性喪失?；谶@種情況，研究人員向胰島素分子中引入更穩(wěn)定的電子等排體，例如，用三唑[4-6]、硫醚[7]、硒醚[8]、內(nèi)酰胺[9-10]等替換結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或幾個(gè)二硫鍵，以使其具有更好的熱穩(wěn)定性。此外，胰島素序列的改造、末端修飾也具有重要意義。

2.1 基于二硫鍵的修飾

2.1.1 三唑替換CysA7-CysB7 中的二硫鍵

研究表明，CysA7-CysB7二硫鍵不同于其它2個(gè)二硫鍵，其占據(jù)胰島素的表面和空間結(jié)構(gòu)中不整齊的區(qū)域，潛在地允許用一些穩(wěn)定的模擬物替代這個(gè)二硫鍵。基于這個(gè)因素，Williams等[11]在前人工作的基礎(chǔ)上，提出了一種用1,2,3-三唑替換CysA7-CysB7二硫鍵的新的修飾方法。這種方法是通過(guò)固相肽合成(solid phase peptide synthesis,SPPS)方法在A鏈中的A7位置上形成一個(gè)炔丙基，在A20位置上用Acm作巰基的保護(hù)基。而B鏈?zhǔn)窃陬愃朴赪ang樹脂的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行，使其在B7位置上形成一個(gè)疊氮，B19同樣用Acm作巰基的保護(hù)基。在一定條件下，這2條鏈可形成一個(gè)多肽，然后對(duì)其切割，緊接著進(jìn)行固相氧化，形成二硫鍵，再加入CuI通過(guò)Click反應(yīng)[12]最終實(shí)現(xiàn)用三唑替換二硫鍵的結(jié)構(gòu)修飾(圖2)。Williams等[11]在芋螺毒素MrIA中用三唑替換二硫鍵，使去甲腎上腺素的抑制活性功能保留，由此推測(cè)是由于對(duì)部分結(jié)構(gòu)的還原和相關(guān)的空間折疊敏感性降低。Holland-Nell等[4]在Tachypiesin I中，用三唑替換二硫鍵，使抗菌肽的結(jié)構(gòu)更接近完美的模擬，并且還顯示出較好的抗微生物活性。在A7和B7位置上成功引入1,2,3-三唑環(huán)，說(shuō)明用三唑作為一個(gè)替代物在理論上是可行的，甚至在體內(nèi)有耐降解的可能性，但分析結(jié)果表明，該替代物在體內(nèi)的作用不明顯。所以，該模擬物在鏈中的位置以及替代的基團(tuán)需要進(jìn)一步研究。

圖2 三唑替換二硫鍵的胰島素化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.2 Chemical structure of insulin with triazole replace of disulfide bond

2.1.2 硫醚替換二硫鍵

基于胰島素及其類似物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究人員選用硫醚替換二硫鍵[13-15]，因?yàn)榱蛎迅咏谀M生物活性肽和蛋白質(zhì)中的二硫鍵(圖3)。研究人員通過(guò)SPPS方法，使A鏈上的二硫鍵脫去一個(gè)硫[S-CH2]。二硫鍵的脫硫是形成硫醚的一種方法[16]，這個(gè)反應(yīng)在固相載體[17]上進(jìn)行。通過(guò)游離硫醇鹽和鹵化側(cè)鏈之間發(fā)生的SN2反應(yīng)，最終形成一個(gè)大環(huán)。但由于鹵素的空間位阻較大和易發(fā)生水解反應(yīng)，反應(yīng)的產(chǎn)率較低。針對(duì)這個(gè)弊端，使用預(yù)先形成的具有正交保護(hù)的硫醚結(jié)構(gòu)單元[13-14]，與內(nèi)酰胺反應(yīng)，最后生成大環(huán)。類似的替換方法還有很多，例如，Araujo等[8]發(fā)現(xiàn)硒醚可以很好地模擬胰島素中的二硫鍵，并且使其更加穩(wěn)定。這種方法的功效已經(jīng)在肽(催產(chǎn)素)中得到證實(shí)，其中合成的硒醚類似物的熱穩(wěn)定性增加了20倍。

Cui等[13]制備了多種二碳環(huán)肽，其結(jié)構(gòu)接近于天然產(chǎn)物，并且可以增強(qiáng)在生物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖3 硫醚替換二硫鍵的胰島素化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.3 Chemical structure of insulin with thioether replace of disulfide bond

2.2 基于胰島素序列的改造

Brems等[18]將B29位的賴氨酸與脯氨酸的殘基進(jìn)行交換獲得修飾物1(圖4)。該修飾物能降低寡聚形式的穩(wěn)定性，使胰島素更快地解離，進(jìn)入到循環(huán)系統(tǒng)中，達(dá)到治療效果。類似的策略在天冬胰島素和谷氨酸胰島素中也被應(yīng)用，在其B鏈上含有2個(gè)取代：天冬酰胺取代B3中的賴氨酸(修飾物2，圖4)，谷氨酸取代B29中的賴氨酸(修飾物3，圖4)。第一種作為長(zhǎng)效藥物上市的是NPH胰島素[19]，其作用時(shí)間大約持續(xù)15～18 h;但是這種藥物也存在問(wèn)題，因?yàn)橐葝u素在進(jìn)入人體內(nèi)6 h后達(dá)到峰值，因此，它不能在睡前服用，以避免夜間低血糖的發(fā)生。為此，Vague等[20]開發(fā)了甘精胰島素，A21位的天冬酰胺被甘氨酸取代，2個(gè)精氨酸殘基被添加到B鏈的C-末端(修飾物4，圖4)。甘精胰島素的等電點(diǎn)向中性pH值移動(dòng)，減慢了毛細(xì)血管對(duì)藥物的吸收，在很大程度上降低了夜間低血糖的發(fā)生率。然而，由于該制劑顯酸性，不能與其它短效制劑混合使用，并且可能在注射期間導(dǎo)致疼痛。后來(lái)Kurtzhals[21]在甘精胰島素的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改造，將B鏈的C-末端截短，消除了B30處的蘇氨酸殘基，B29處的賴氨酸被肉豆蔻基部分?；?修飾物5，圖4)。使其不僅具有類似甘精胰島素的藥代動(dòng)力學(xué)分布，而且可以配制成pH中性溶液。Kalra[22]進(jìn)一步用脂肪二酸替換肉豆蔻基(修飾物6，圖4)，使它在體內(nèi)形成一個(gè)低聚物，這樣可以大大增強(qiáng)藥物的穩(wěn)定性，使胰島素的生物活性在體內(nèi)可持續(xù)24 h。

圖4 基于胰島素序列改造的系列化合物結(jié)構(gòu)Fig.4 Structures of serial compounds based on the modification of insulin sequences

2.3 基于胰島素肽鏈N-末端的修飾

胰島素的2條鏈各有一個(gè)N-末端，分別是甘氨酸和苯丙氨酸，此外，其內(nèi)部還有一個(gè)賴氨酸。Chen等[23]通過(guò)還原胺基化或?；瘉?lái)選擇性地合成修飾胰島素A鏈的N-末端(圖 5)，B鏈的N-末端用Fmoc保護(hù)起來(lái)。所得到N-芐基的修飾物7和N-苯甲酰基的修飾物8具有相似的結(jié)構(gòu)，但是通過(guò)HEK293細(xì)胞測(cè)量Ser473的p-Akt水平可以發(fā)現(xiàn)，修飾物7比修飾物8的活性高5倍，并且與HI(人胰島素)也有相似的活性。這表明對(duì)于胰島素N-末端的修飾是可行的。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)果，將標(biāo)有熒光素的胰島素在HEK293的細(xì)胞培養(yǎng)物中溫育30 min，然后觀察到修飾物7可以結(jié)合胰島素受體并且進(jìn)入細(xì)胞，這表明該修飾不影響受體結(jié)合。雖然現(xiàn)在還沒(méi)有對(duì)此做進(jìn)一步的臨床試驗(yàn)，但為胰島素的N-末端修飾提供了一個(gè)生物學(xué)研究依據(jù)。

圖5 胰島素肽鏈N-末端的修飾Fig.5 Modification of the N-terminus of the insulin peptide chain

2.4 其它類型的修飾

研究表明，額外添加二硫鍵的胰島素類似物具有更好的熱穩(wěn)定性和功能活性[24]。Vinther等[25]在A鏈的第10個(gè)氨基酸和B鏈的第4個(gè)氨基酸加入一個(gè)二硫鍵(圖6)，所得到的胰島素類似物對(duì)胰島素受體的親和力增強(qiáng)，并且在動(dòng)物(大鼠)體內(nèi)的藥效動(dòng)力學(xué)效能顯著增強(qiáng)。加入二硫鍵之后的胰島素類似物的熔融溫度升高了34.6 ℃，并且在高物理應(yīng)力下阻止了胰島素原纖維的形成，這表明直接參與原纖維形成的B鏈的C-末端未被改變。重要的是，該胰島素類似物在加入Zn2+時(shí)能夠形成六聚體(六聚體形式的胰島素更穩(wěn)定)，其晶體結(jié)構(gòu)與經(jīng)典胰島素的結(jié)構(gòu)僅存在微小差別。

圖6 胰島素附加二硫鍵的結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of insulin with additional disulfide bond

Hua等[26]通過(guò)一條多肽鏈(1-2：RKQLSGELALPQLSGAGPGGGLEVQGVQLDEAERR)將胰島素2條鏈連接在一起(圖7)。該肽鏈?zhǔn)菃捂溓绑w胰島素原的產(chǎn)物，其含有A鏈和B鏈連接的無(wú)序多肽序列。雖然胰島素原保留了天然胰島素的部分，但其活性比胰島素低50倍。將連接肽(胰島素原中的35個(gè)殘基)切除后，激素可以通過(guò)專門的通道在含有Zn2+的六聚體中儲(chǔ)存。六聚體在門靜脈循環(huán)中解離，使激素能夠作為無(wú)鋅單體在血液中發(fā)揮作用。

圖7 單鏈胰島素的結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of single chain insulin

3 結(jié)語(yǔ)

作為治療Ⅱ型糖尿病的一線藥物，胰島素的結(jié)構(gòu)改造已成為當(dāng)前糖尿病藥物開發(fā)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著對(duì)胰島素及其類似物構(gòu)效關(guān)系的進(jìn)一步闡明以及多肽合成技術(shù)的快速發(fā)展，人們通過(guò)胰島素結(jié)構(gòu)修飾必將獲得高活性、低成本和穩(wěn)定性強(qiáng)的胰島素替代物，以便更好地造福糖尿病患者。

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ResearchProgressinStructuralModificationofInsulin

LI Xiu-zheng1,LIN Yu-hong2,DONG Jia-xiao1,YE Guang-ming3*，JIANG Yun-yun3*

(1.PLA98thClinicalCollege,AnhuiMedicalUniversity,Huzhou230032,China;2.HangzhouCONBAPharmaceuticalCo.,Ltd.,Hangzhou310051,China;3.PLA101Hospital,Wuxi214044,China)

TQ467.2

A

1672-5425(2017)09-0015-04

2017-04-09

李修政(1992-)，男，山東棗莊人，碩士研究生，研究方向：藥物化學(xué)，E-mail:1826881912@qq.com；通訊作者：葉光明，副主任藥師，副教授，E-mail：shygm98@163.com；姜云云，副主任藥師，E-mail：20791374@qq.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.09.003

李修政，林於紅，董家瀟，等.胰島素結(jié)構(gòu)改造的研究進(jìn)展[J].化學(xué)與生物工程，2017，34(9)：15-18，23.