治療２型糖尿病的神奇小分子

摘要：重點介紹了胰高血糖素樣肽-1受體(glucagon-like peptide-1 receptor， GLP-1R)激動劑-Boc5這種小分子的特性及其發現過程，以及它的藥用價值和廣闊的應用前景。

關鍵詞：2型糖尿病；胰高血糖素樣肽－1受體；非肽類小分子激動劑；高通量篩選

文章編號：1005－6629(2007)12－0048－03 中圖分類號：RP99.1+5 文獻標識碼：E

2007年1月1日，從中國科學院上海藥物研究所獲悉，我國科學家在全球率先成功發現有效治療2型糖尿病的胰高血糖素樣肽-1受體（GLP-1R）非肽類小分子激動劑（代號為Boc5，見圖1），它的神奇之處在于能模擬體內的肽類大分子胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1 receptor ，GLP-1） 發揮血糖調節作用，開辟了以口服非肽類小分子模擬肽類激素作用的治療糖尿病的新紀元。

1目前糖尿病藥物治療面臨的困境

迄今，全世界2型糖尿病患者約1.6億，我國為3600多萬，已成為一種嚴重威脅人類生命的重大疾病，其主要病理表現為胰島素抵抗和由胰島細胞功能失調所致的胰島素分泌相對不足，形成持久的高血糖，并可產生多種致命性并發癥。

臨床上，采用胰島素療法較為有效，但是胰島素是由51個氨基酸組成的蛋白質多肽類大分子，使用有其自身不足[1]：（1）如果經皮下和靜脈注射，胰島素先經毛細血管、靜脈系統到心臟，再經動脈系統到肝臟代謝及全身各效應細胞發揮作用，使胰島素在外周血管滯留時間較長，不能模仿生理性胰島素分泌。同時注射具有創傷性，其吸收也因注射部位、深淺、皮溫、運動甚至煙酒等因素而受影響；（2）如果經口服途徑給藥，一方面胰島素會在消化道內被蛋白水解酶分解、消化，失去生物活性，這主要發生在上消化道部位。另一方面胰島素分子較大，有很強的分子間聚合趨勢，形成較大分子量的寡聚體（分子量約為6000），難以通過消化道粘膜進入循環發揮效應。另外還有如胃酸、膽汁酸、粘液屏障、粘膜上皮細胞、內皮細胞、刷狀緣肽酶等因素限制口服蛋白質多肽類藥物的臨床使用。

研究表明，2型糖尿病發病的主要原因是胰島素分泌功能缺陷，因此促進胰島素分泌便成為主攻方向之一。自20世紀50年代磺酰脲類（SU）口服降糖藥問世以來，雙胍類（BG）、 噻唑烷二酮類（TD）、餐時血糖調節劑（PRG）等藥物相繼出現，用于刺激胰島素的分泌或提高胰島素敏感性。

然而，目前開發上市的抗糖尿病藥物，或因引發低血糖癥、水腫，或因效率低、適用人群小，或因注射使用不便，效果無法令人滿意。且相關 的藥理研究和治療方法尚不能涵蓋該疾病所涉及的所有代謝性缺陷，新的藥物作用靶點有待開發，用以尋找能提高胰島素敏感性，促進糖和脂質代謝或增加葡萄糖依賴性胰島素分泌的新藥。尋找胰高血糖素樣肽-1受體（GLP-1R）非肽類小分子激動劑成為近年來在這一領域內較受關注的研究熱點。

2探尋非肽類小分子激動劑 ——Boc5

Boc5是一種非肽類小分子取代環丁烷化合物，其分子式是C54H52N4O16S2，相對分子質量為1077.140，屬于胰高血糖素樣肽-1受體（GLP-1R）激動劑，在體內能模擬多肽大分子胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）， 調動體內GLP-1R發揮作用，控制血糖濃度（見表1）。為了更深入地理解非肽類小分子Boc5這一模仿特性，我們先來認識GLP-1及其受體GLP-1R。

圖1非肽類小分子激動劑 ——Boc5的結構[2]

2.1 血糖調控高手——多肽大分子“GLP-1”

20世紀80年代，科學家發現了GLP-1，其刺激胰島素分泌的作用依賴于血糖濃度，不會因為持續分泌而發生低血糖，只有當血糖濃度超過“警戒線”，GLP-1才會產生降糖效應。這意味著如果將具有GLP-1活性的化合物作為抗糖尿病藥物，就能避免注射胰島素所引起的低血糖癥和肥胖等副作用，使2型糖尿病的治療發生了重大變革。

GLP-1 屬于腸肽激素，是早期高血糖素前體（Preproglucagon）在腸中發生蛋白水解的產物，由30個氨基酸組成的一種多肽，氨基酸序列為[3]： His7-Ala-Glu-Gly10-Thr-Phe-Thr-Ser-Asp15-Val-Ser-Ser-Tyr-Leu20-Glu-Gly-Gln-Ala-Ala25-Lys-Glu-Phe-lle-Ala30-Trp-Leu-Val-Lys-Gly-Arg-Gly37 。其生物作用是[4]：（1）促進胰島素的分泌。機理是：在胰島β細胞中，葡萄糖通過葡萄糖載體GLUT2 進入細胞，在葡萄糖激酶作用下磷酸化并進一步代謝，生成ATP，造成ATP比率發生改變，致使ATP依賴性K+通道關閉，細胞膜去極化，Ca2+通道開放，Ca2+內流，膜兩邊產生勢差，促進細胞分泌胰島素。當GLP-1 與其受體GLP-1R結合后，就促進細胞內環腺苷3，5-磷酸（cAMP）的生成，從而激活cAMP 依賴型蛋白激酶（PKA）。蛋白激酶通過磷酸化作用可增強葡萄糖促進胰島素分泌，如促進葡萄糖吸收，促進ATP依賴型的K+通道對葡萄糖的反應，增強細胞對Ca2+敏感性，使Ca2+通道活性增加，并促進細胞分泌“器官”分泌胰島素。在胰島β細胞中，還可以促進胰島素基因轉錄以及使胰島素在分泌顆粒中累積，利于胰島素分泌。（2）GLP-1 可抑制高血糖素分泌，抑制肝糖產生。（3）GLP-1可強有力的抑制胃腸道分泌和蠕動，這可能是它與大腦中受體結合后產生的作用。

2.2GLP-1的親密戰友——“GLP-1R”

GLP-1R屬于G蛋白偶聯受體B家族，這是人體內最大的膜受體蛋白家族，其配體涉及核酸、脂肪酸、脂類、肽類和多糖等多種化學物質，存在于人的胰島、大腦、肺及心臟中。GLP-1R基因位于人染色體的6p21，基因組全長40kb，至少有7個外顯子。人和大鼠的GLP-1R均含有463個氨基酸，同源性為91%。[5]

1985年GLP-1R一經發現，就被公認為最重要的抗糖尿病藥物作用靶點之一，因為：當食物進入人體后，腸內分泌細胞就會釋放GLP-1；而GLP-1只認識特定的受體GLP-1R，它會同受體進行高特異度結合而使之活化；處于活化狀態的GLP-1能刺激胰島素的分泌，從而降低糖尿病罪魁禍首—血糖的濃度，并將其維持在恒定水平，同時還能促進胰島β細胞的增殖和分化，從根本上改善糖尿病患者的狀況。

因此，GLP-1 的生理功能離不開GLP-1R的介導（見表2），沒有GLP-1R在胰島、大腦等人體器官中的緊密配合，GLP-1將失去其特有的生理功能。

2.3 令人欣喜的意外發現

研究發現單一皮下注射GLP-1 治療效果令人失望，原因是GLP-1 在血液循環中半衰期很短（大約為5min），代謝清除率約為13ml·kg-1min-1，同時GLP-1能被二肽基肽酶IV（DDP-IV）迅速降解，這又進一步阻止了其長時間發揮生理作用，極大的限制了相關的臨床應用。為了克服GLP-1 的上述缺點，國際科研領域的專家們長期努力開發GLP-1 類創新類藥物（如GLP-1 衍生物Liraglutide、GLP-1 類似物Exenatide）來作為GLP-1R的激動劑，可最為遺憾的是它們均為多肽，口服效果不佳，注射至體內也會被迅速代謝掉，因而尋找GLP-1R的非肽類小分子激動劑就稱為國際研究的熱點。

為了走在世界前列，2003年春，國家新藥篩選中心的科研人員在王明偉研究員的帶領下開始了這條“敢為天下先”的艱苦征程。他們以GLP-1R為靶點，建立了相應的分子和細胞水平高通量藥物篩選模型，希望通過對化合物樣品大規模篩選，獲得有意義的發現。“科學有險阻，苦戰能過關”，經過4年來的努力與拼搏，他們共進行了75，640樣次的藥物篩選，發現小分子活性化合物5個，其中僅有2個化合物的生物活性經受體結合試驗及功能性模型復篩得到確認。接著他們又以其中1個具有較好活性化合物的母核為基礎，進行了一系列結構優化改造，合成出近百個小分子衍生物來，經GLP-1R結合活力、報告基因表達活化和細胞內cAMP水平檢測發現其中2個小分子化合物（見圖2）在細胞培養和活體動物模型上具有很好的類胰高血糖素樣肽-1活性。

圖2以SH14800為母核進行優化，篩選出2個

具有良好活性的小分子[2]

圖3 NC133909分子在光照條件下二聚化為Boc5分子[2]

但研究并非一帆風順。這兩種化合物的活性變化無常，在研究過程中，它們的活性一會兒能檢測到，一會兒又消失了。這一情況重復出現了多次，研究一度陷入困境，甚至讓科研人員產生了放棄的想法。突破性的進展發生在2005年春節期間。當時，一位科研人員將其中一種化合物2.2克溶解到15毫升的溶液中，并隨意放置在陽光直射的地方，然后外出旅游了10多天。回來后，她驚奇地發現，化合物的活性顯著增強，究其原因是該化合物單體在陽光照射下形成了二聚體-Boc5（見圖3）。這一意外發現令科研人員士氣大振。目前，科研人員已經找到一個適合的單波段光照射單體化合物，從而使人工合成的效率大幅度提高。

Boc5使GLP-1R活化的機制較復雜，還不是很清楚，但它具有完全的GLP-1活性，能刺激腺苷酸環化酶，使細胞內環腺苷3，5-磷酸（cAMP）水平升高和蛋白激酶（PKA）活化，并引起一系列級聯反應，包括離子通道活性改變、細胞內鈣流變化、胰島素分泌小泡釋放等。體內外實驗顯示，不僅能夠在高糖條件下刺激離體大鼠胰島細胞分泌胰島素，而且在急性條件下可以抑制正常小鼠的進食活動，并且口服有效，血中半衰期為7.4小時。對2型糖尿病db/db小鼠進行慢性治療后發現，Boc5能夠劑量依賴性地降低血糖、減少進食及控制體重，治療3－4周后可使糖化血紅蛋白（HbA1c）和糖耐量試驗正常化，同時具有降低血脂、改善胰島素敏感性等效應。

3結語

十幾年來，國際藥物研究領域里的科學家們對口服有效的GLP-1R非肽類小分子激動劑的發現夢寐以求，卻因為以小分子探針模擬蛋白或多肽生理功能的難度極大，一直未能成功。雖然在這一領域的起步較國外晚了10多年，但這顆“皇冠上的明珠”最終被我國科學家摘得，為我國藥物創新史揭開了展新的一頁。目前已進入開發成藥階段，我們期盼這種神奇小分子早日應用于臨床，為千百萬2型糖尿病患者解除病痛。

參考文獻：

[1]陳敏. 口服胰島素研究進展[J]. 中國糖尿病雜志，2001，9（6）：360-361.

[2]Desu Chen . A nonpeptidic agonist of glucagon-like peptide 1 receptors with efficacy in diabetic db/db mice[J]. PNAS，2007，104（3）：943-948.

[3]盧曦，張城編譯. 治療2型糖尿病的新穎化合物胰高血糖素樣肽-1衍生物：NN2211在臨床上的發展[J]. 國外醫學藥學分冊， 2002， 29（4）：228-231.

[4]陳磊. 抗糖尿病新藥-胰高血糖素類肽-1的研究進展[J]. 藥學實踐雜志，1996，14（6）：324-326.

[5]周彩紅. 胰高血糖素樣肽1受體-治療糖尿病新藥的研究熱點[J]. 生命科學，2004，16（2）：90-95.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”