胰島素百年發(fā)展歷程

戈夢佳，劉婉婷，孫忠實(shí)

(1.賽諾菲(中國)投資有限公司醫(yī)學(xué)部，北京 100022；2.解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學(xué)中心藥劑科，北京 100037)

近年來，糖尿病發(fā)病率不斷升高，已成為全球性的健康問題。2019年，全球20～79歲人群中，糖尿病發(fā)病率為9.3%，患者數(shù)約為4.63億例，其中我國的糖尿病發(fā)病率為10.9%，患者數(shù)約為1.164億例，居第1位。預(yù)計2045年全球糖尿病患者數(shù)將達(dá)7億例，其中我國約1.47億例[1]。

糖尿病可引發(fā)多種大血管并發(fā)癥(如冠心病、腦卒中和外周血管疾病)和微血管并發(fā)癥(如終末期腎病、視網(wǎng)膜病變和神經(jīng)病變)，給患者帶來沉重的健康和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。數(shù)據(jù)顯示，糖尿病使多種血管性疾病發(fā)生風(fēng)險增加約1倍，如冠心病風(fēng)險比為2.00(95%置信區(qū)間為1.83～2.19)，缺血性卒中風(fēng)險比為2.27(95%置信區(qū)間為1.95～2.65)，并大大增加多種非血管性疾病(如惡性腫瘤、腎病、肝病、感染、精神疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等)患者的過早死亡風(fēng)險[2-3]。多種糖尿病并發(fā)癥風(fēng)險隨著病程的延長而增加，如糖尿病視網(wǎng)膜病變(30歲以后發(fā)病的糖尿病患者中，病程<5年、>15年的患者糖尿病視網(wǎng)膜病變發(fā)生率分別為28.8%、77.8%)[4]、遠(yuǎn)端對稱性多發(fā)性神經(jīng)病(新診斷2型糖尿病患者中的發(fā)生率為10%～15%，糖尿病進(jìn)展10年后其發(fā)生率達(dá)到50%)[5]和下肢動脈粥樣硬化性病變(我國>50歲2型糖尿病患者下肢動脈粥樣硬化性病變的總患病率為21.2%，病程>10年者患病率>30%)[6]等。并發(fā)癥還大大增加了糖尿病疾病負(fù)擔(dān)，2019年我國在糖尿病方面的健康支出約為1 090億美元，糖尿病導(dǎo)致的死亡人數(shù)約為82.4萬人[1]。

盡管人類對糖尿病知之已久，但在100年以前，糖尿病并沒有有效的治療藥物。在當(dāng)時，糖尿病患兒通常在確診1年內(nèi)死亡，成年患者中5%在2年內(nèi)死亡，僅不到20%的患者能生存超過10年[7]?；颊咧荒芡ㄟ^“饑餓療法”(禁食和熱量限制飲食)盡可能改善癥狀，延緩死亡，但是長期的“饑餓療法”帶來了其他危害，如影響兒童患者的生長發(fā)育，甚至因饑餓導(dǎo)致患者死亡[8]。1921年，科學(xué)家從狗的胰腺中成功獲取了胰島素提取物，并于1922年完成人類歷史上首次胰島素治療，從此改變了糖尿病無藥可治的局面，開啟了糖尿病治療新紀(jì)元[8-9]。在此后的一個世紀(jì)里，糖尿病的治療取得了世人矚目的成績，一方面，新型口服降糖藥層出不窮，藥物選擇逐漸多樣化；另一方面，胰島素也在發(fā)展創(chuàng)新，從動物胰島素到人胰島素，再到胰島素類似物，其有效性、安全性和便利性不斷提升。盡管近年來新靶點(diǎn)口服降糖藥發(fā)展迅速，但胰島素在糖尿病治療中的作用和地位仍不可取代，胰島素依然是1型糖尿病患者賴以生存的治療手段，也是2型糖尿病患者(尤其是病程長的患者)控制血糖、減少并發(fā)癥風(fēng)險的有效手段[10-11]。本文對100年來胰島素的發(fā)展歷程進(jìn)行回顧，并對其未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 動物源性胰島素

20世紀(jì)20年代以前，科學(xué)家們對胰腺與糖尿病的關(guān)系已有一定認(rèn)識，且針對胰島素的提取進(jìn)行了一系列相對粗糙的實(shí)驗(yàn)。1921年，胰島素的糖尿病治療之旅正式開啟，加拿大醫(yī)師Frederick Banting等從狗的胰腺中成功獲取了胰島素提取物，并將提取物經(jīng)靜脈注射至切除胰腺的狗體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)其血糖降低。1922年，F(xiàn)rederick Banting等首次將提取的胰島素應(yīng)用于人體，14歲的糖尿病患者Leonard Thompson在接受胰島素治療10余日后，血糖降至正常水平，尿糖以及尿酮體消失，患者也因此變得愉悅且更有活力[12]。從此，胰島素登上糖尿病治療的舞臺，糖尿病治療的歷史由此改寫，F(xiàn)rederick Banting等也因發(fā)現(xiàn)胰島素而獲得1923年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。1923年，胰島素開始被大規(guī)模生產(chǎn)；至1925年，有12家制藥公司進(jìn)行胰島素的生產(chǎn)[13]。

胰島素的大規(guī)模生產(chǎn)給更多糖尿病患者帶來了新生的希望，但此時引入臨床的胰島素為短效制劑，需要1日多次注射，患者依從性差。為延長胰島素的作用時間，科學(xué)家們嘗試將胰島素與不同物質(zhì)(如阿拉伯膠溶液、油懸浮液、膽固醇和卵磷脂乳液等)混合，但收效甚微。后來，科學(xué)家們又嘗試將胰島素與鋅離子和(或)魚精蛋白等高堿性蛋白質(zhì)結(jié)合，延緩胰島素吸收進(jìn)入血液，從而延長胰島素的作用時間。1946年，中性魚精蛋白胰島素問世，與當(dāng)時可用的常規(guī)胰島素制劑相比，中性魚精蛋白胰島素起效較慢，作用時間較長，可持續(xù)12～18 h[13]。但其作用持續(xù)時間仍不夠長，不能模仿人體生理胰島素分泌，且生物利用度變異性大，低血糖風(fēng)險較高[14-15]。此外，科學(xué)家們將非晶型豬胰島素(30%)和結(jié)晶型牛胰島素顆粒(70%)混合，注射后可在皮下儲存數(shù)日，作用持續(xù)時間與中性魚精蛋白胰島素相似[13]。

在探索延長胰島素作用時間的同時，胰島素的純化技術(shù)也在不斷進(jìn)展。20世紀(jì)70年代，色譜處理技術(shù)的進(jìn)步使胰島素與胰島素原和其他免疫原性肽的分離成為可能[16]。高純度動物胰島素由此問世，減少了胰島素的給藥劑量，也在一定程度上減少了動物源性胰島素免疫原性引起的不良反應(yīng)[17]。整體而言，動物源性胰島素生物活性低，具有免疫原性，易出現(xiàn)過敏反應(yīng)和注射部位脂肪萎縮[18]；而且產(chǎn)量低，不能滿足臨床需求。1955年，英國科學(xué)家Frederick Sanger完成了牛胰島素的一級結(jié)構(gòu)測定，并由此獲得了1958年的諾貝爾化學(xué)獎[19]；1965年，我國科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶牛胰島素的人工全合成，這也是世界上首個體外合成的蛋白質(zhì)[20]。此外，英國科學(xué)家David S Nicol等在1960年明確了人胰島素的氨基酸序列，為人胰島素的人工合成奠定了基礎(chǔ)[21]。

2 人胰島素

20世紀(jì)60年代，人胰島素的化學(xué)合成也得到實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了初步的臨床研究[22]。但隨著重組DNA技術(shù)的誕生，其光芒很快被掩蓋。1978年，科學(xué)家們利用基因工程技術(shù)，生產(chǎn)出首個與人胰島素序列完全相同的胰島素產(chǎn)品[9]。重組的人胰島素純度更高，大大減少了胰島素注射引起的過敏和脂肪萎縮，并具有更好的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)潛能[17，23]。1982年，第1種重組人胰島素產(chǎn)品獲得批準(zhǔn)[16]。人胰島素逐漸取代動物胰島素被應(yīng)用于臨床。

隨著血糖監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，人們認(rèn)識到需要長效胰島素來獲得更好的餐間血糖控制，而在進(jìn)餐時需要使用起效迅速且作用短暫的胰島素(基礎(chǔ)/餐時概念)。20世紀(jì)80年代，C肽水平被用于評估機(jī)體生理性胰島素水平變化。根據(jù)C肽水平檢測結(jié)果，學(xué)者們認(rèn)為人體生理性基礎(chǔ)胰島素分泌約占胰島素全天分泌總量的50%，并建議開發(fā)基礎(chǔ)胰島素以模擬生理性基礎(chǔ)胰島素分泌[24]。此時的基礎(chǔ)胰島素主要為基于重組人胰島素的中性魚精蛋白胰島素。此外，學(xué)者們將人胰島素中性魚精蛋白胰島素和短效人胰島素按不同比例進(jìn)行混合(即雙時相預(yù)混胰島素)，以在減少給藥次數(shù)的情況下達(dá)到同基礎(chǔ)-餐時給藥的治療效果。

人胰島素類產(chǎn)品的發(fā)展進(jìn)一步改善了糖尿病患者的治療。但是，人胰島素仍具有諸多局限性。如常規(guī)人胰島素作用較緩，需餐前30～45 min注射，不能模擬正常的餐時胰島素分泌模式[25]；人胰島素中性魚精蛋白胰島素在不同注射部位的吸收速率存在差異，不同放置方式以及是否混勻均會影響其效力，濃度-時間曲線有明顯峰值，低血糖發(fā)生率較高等[26-28]?？茖W(xué)家們萌發(fā)了研發(fā)理想基礎(chǔ)胰島素的設(shè)想，希望能獲得真正模擬基礎(chǔ)胰島素生理性分泌、平穩(wěn)無峰的胰島素。

3 胰島素類似物

20世紀(jì)90年代，學(xué)者們對胰島素的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)對肽鏈進(jìn)行修飾可改變胰島素的理化性質(zhì)和生物學(xué)特征[29]。通過基因工程和重組DNA技術(shù)，改變?nèi)艘葝u素分子的氨基酸結(jié)構(gòu)，使藥動學(xué)和藥效學(xué)特性(作用時間、峰值和持續(xù)時間)改變，同時保持胰島素分子的生物學(xué)特性和穩(wěn)定性，由此獲得胰島素類似物[16]。1996年，首個胰島素類似物獲批。胰島素類似物的問世是胰島素研發(fā)史上的又一個里程碑，為糖尿病患者提供了更接近生理性胰島素作用模式的治療手段。

3.1 速效胰島素類似物

首個胰島素類似物賴脯胰島素于1996年上市，門冬胰島素和谷賴胰島素于1999年和2004年相繼獲批。所有速效胰島素類似物都是在人胰島素基礎(chǔ)上替換1或2個氨基酸而獲得[30]。該類改變使賴脯胰島素和門冬胰島素二聚體之間的結(jié)合力減小，從而加速六聚體的解離及單體的吸收[16]。谷賴胰島素中，替換后的賴氨酸誘導(dǎo)單體間形成輕微的靜電排斥與空間排斥，從而使胰島素更多地以單體形式存在，起效更快，可在餐前0～15 min或餐后立即注射[31-32]。總體而言，與常規(guī)人胰島素相比，胰島素類似物起效更快，作用持續(xù)時間更短，更適合在進(jìn)餐時應(yīng)用。

3.2 雙時相預(yù)混胰島素類似物

同人胰島素預(yù)混制劑類似，通過將速效胰島素類似物及其魚精蛋白懸浮液按不同比例混合，制得雙時相預(yù)混胰島素類似物。目前，賴脯胰島素和門冬胰島素均有相應(yīng)的雙時相預(yù)混制劑被應(yīng)用于臨床。雙時相預(yù)混胰島素類似物可同時具有短效和長效胰島素的作用，可減少注射次數(shù)，簡化治療方案，但由于各成分的劑量不能單獨(dú)調(diào)整，該類胰島素更適合于那些食物攝入量和用餐時間較為固定的患者[16]。

3.3 基礎(chǔ)胰島素類似物

2000年，首個長效胰島素類似物甘精胰島素100 U/ml獲批應(yīng)用于臨床，成功填補(bǔ)了“理想基礎(chǔ)胰島素”的空白，具有里程碑意義。甘精胰島素用甘氨酸代替人胰島素的A21位門冬氨酸，并在B鏈羧基末端增加2個精氨酸，可溶于酸性溶液中，皮下注射后形成微沉淀，并在生理pH下形成一個皮下儲庫，可持續(xù)緩慢地釋放和吸收[33]。甘精胰島素作用持續(xù)24 h，平穩(wěn)無峰，能更好地模擬生理性胰島素分泌，其臨床療效和安全性在長期臨床研究中得到了有力驗(yàn)證，是目前臨床常用的基礎(chǔ)胰島素[26，34]。2005年，另一種長效胰島素類似物地特胰島素獲批，其通過與外周血白蛋白可逆性結(jié)合而延長作用時間[35]。

總體而言，長效胰島素類似物濃度-時間曲線更平滑，作用持續(xù)時間延長，在模擬內(nèi)源性基礎(chǔ)胰島素分泌方面優(yōu)于中效胰島素(如中性魚精蛋白胰島素)。

3.4 新型胰島素類似物

為得到與生理胰島素分泌更接近、作用更快的胰島素，在速效胰島素類似物基礎(chǔ)上制得了超速效胰島素類似物。2017年和2020年，超速效門冬胰島素和超速效賴脯胰島素先后在國外上市。超速效門冬胰島素是在門冬胰島素制劑中加入L-精氨酸和煙酰胺，L-精氨酸可促進(jìn)溶液穩(wěn)定，而煙酰胺可促進(jìn)單體形成，加速胰島素吸收[36]。超速效賴脯胰島素是在賴脯胰島素制劑中加入曲前列環(huán)素和枸櫞酸鹽，加速胰島素吸收[37]。超速效胰島素可在餐前甚至餐中給藥，給藥時間更靈活。

為尋找更理想的長效基礎(chǔ)胰島素，2015年，2種長效胰島素類似物甘精胰島素300 U/ml和德谷胰島素相繼問世。甘精胰島素300 U/ml是在甘精胰島素100 U/ml基礎(chǔ)上研發(fā)而成的新型長效基礎(chǔ)胰島素類似物，給予相同劑量時，前者的給藥容積僅為后者的1/3[38]。與甘精胰島素100 U/ml相比，甘精胰島素300 U/ml皮下注射后形成更緊湊的微沉淀，其表面積更小，胰島素單體從微沉淀儲庫表面釋放更為緩慢和持久，因而藥動學(xué)/藥效學(xué)更平穩(wěn)持久，半衰期為19 h，作用時間可持續(xù)36 h[39-40]。甘精胰島素300 U/ml更平穩(wěn)持久的藥動學(xué)/藥效學(xué)有助于實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的血糖控制，以及更低的低血糖風(fēng)險[16，40-41]。葡萄糖鉗夾試驗(yàn)結(jié)果顯示，甘精胰島素300 U/ml的日內(nèi)變異度較德谷胰島素低20%[41]。臨床研究結(jié)果顯示，甘精胰島素300 U/ml的血糖控制效果與甘精胰島素100 U/ml、德谷胰島素相似，但低血糖風(fēng)險更低[42-43]。

3.5 其他胰島素的發(fā)展

臨床上會采用餐時胰島素和基礎(chǔ)胰島素混合給藥的方式控制空腹和餐后血糖，目前上市的雙胰島素類似物有德谷門冬雙胰島素，含70%的德谷胰島素和30%的門冬胰島素，2種胰島素成分獨(dú)立存在，各自發(fā)揮作用[16，44]。

此外，基礎(chǔ)胰島素與胰高血糖素樣肽1受體激動劑按固定比例組成的復(fù)方制劑已獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)，目前已經(jīng)有2種該類制劑(iGlarLixi：甘精胰島素/利司那肽復(fù)方制劑；IDegLira：德谷胰島素/利拉魯肽復(fù)方制劑)在美國上市[45-46]?；A(chǔ)胰島素與胰高血糖素樣肽1受體激動劑的作用機(jī)制互補(bǔ)，在協(xié)同改善血糖控制的同時，減少2種藥物成分常見的不良反應(yīng)(如低血糖、體重增加和胃腸道反應(yīng)等)，可簡化給藥方案，提高患者治療依從性[47-48]。

4 總結(jié)與展望

100年前，胰島素的發(fā)現(xiàn)改變了糖尿病患者的命運(yùn)，也改變了糖尿病學(xué)史。新的糖尿病治療藥物相繼涌現(xiàn)，而胰島素也在不斷發(fā)展，其療效、安全性及使用便利性持續(xù)提高，胰島素仍是各類糖尿病的核心治療手段之一。如今糖尿病患者的壽命大幅延長，生活質(zhì)量顯著提高，胰島素發(fā)展的腳步卻不曾停歇，更多創(chuàng)新胰島素制劑得到研發(fā)，如胰島素周制劑在臨床試驗(yàn)中顯示出良好的療效和安全性，有望在不遠(yuǎn)的將來被用于臨床[49]。

另一方面，胰島素注射設(shè)備和技術(shù)也在不斷發(fā)展，從最開始的注射器，到筆和泵，再到閉環(huán)胰島素輸送系統(tǒng)，胰島素給藥劑量越來越精準(zhǔn)，患者舒適性越來越高。人工智能也開始被用于輔助胰島素治療策略。研究結(jié)果顯示，人工智能決策支持系統(tǒng)指導(dǎo)的胰島素劑量調(diào)整不劣于醫(yī)師指導(dǎo)的劑量調(diào)整[50]。另外，胰島素吸入劑、口服制劑及透皮貼片等胰島素非注射劑型也取得不少進(jìn)展。目前，已有吸入型胰島素在國外上市；口服胰島素在Ⅱ期試驗(yàn)中顯示了良好的降糖效果和安全性特性[51]；胰島素透皮貼片的療效也已在動物模型中得到證實(shí)[52]。

胰島素的不斷演變和豐富，將給糖尿病患者帶來更多治療選擇，也將推動糖尿病管理朝更精準(zhǔn)、更高效的方向邁進(jìn)。