胰島素及其合成技術應用與發(fā)展

王戰(zhàn)強

諾和諾德中國制藥有限公司，天津 300457

糖尿病是一種由遺傳或后天胰腺分泌胰島素不足或胰島素抵抗所致的慢性病，其并發(fā)癥包括心腦血、管病變、腎衰竭、視網(wǎng)膜病變、足潰瘍、感染以及神經(jīng)系統(tǒng)障礙[1]。近些年來，糖尿病的患病率在世界各國迅速增長，已成為一種全球性疾病，估計全球糖尿患者總數(shù)已突破3億。胰島素是目前最有效的糖尿病治療藥物之一，胰島素治療以對肝臟的副作用小，有及時促進蛋白質合成，改善機體營養(yǎng)狀態(tài)等優(yōu)勢，已成為全球糖尿病治療中的首選藥物。本文將從胰島素及其合成技術發(fā)展歷程以及最新研究進展進行文獻闡述。

1 胰島素及其人工合成技術發(fā)展歷程

1902年，倫敦大學醫(yī)學院生理學家Bayliss和Starling在動物胃腸道內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一種能刺激胰液分泌的胰泌素[2]。這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了多肽在內(nèi)分泌學中的功能性研究，為日后人工合成胰島素產(chǎn)品的開發(fā)和研究產(chǎn)生了導向性影響。他們的發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾生理學獎。加拿大科學家Banting和Best于1921年發(fā)現(xiàn)的胰島素作為第一個蛋白質激素，應用于治療糖尿病，獲得了諾貝爾獎[3]。在此之后的80多年內(nèi)，根據(jù)胰島素來源和化學結構不同，胰島素產(chǎn)品經(jīng)歷了有代表性的三代產(chǎn)品：

1.1 第一代產(chǎn)品

第一代產(chǎn)品為動物源性胰島素，主要從豬和牛等動物胰臟中提取而來。加拿大醫(yī)生Banting等人在1921年首先從牛的胰腺中分離出了胰島素，用于治療糖尿患者并取得成功。從此開啟了動物源性胰島素治療糖尿病時代。在1923年，美國禮來就商品化生產(chǎn)了世界上第一個動物胰島素產(chǎn)品因蘇林。

1.2 第二代產(chǎn)品

第二代產(chǎn)品為基因重組人胰島素，1979～1981年，通過DNA技術生物合成人胰島素，商業(yè)化的基因重組人胰島素首先由禮來公司于1982年推出，目前諾和諾德、美國禮來、賽諾菲安萬特三家公司占據(jù)了全球90%以上的市場份額。

1.3 第三代產(chǎn)品

第三代產(chǎn)品為人胰島素類似物，20世紀90年代末，科研人員通過對人的胰島素基因進行改造獲得合成速效胰島素類似物和長效胰島素類似物。胰島素類似物具有起效更快，作用更持久，副作用小等優(yōu)勢。禮來于1996年推出了世界上第一個超短效人胰島素類似物優(yōu)泌樂，賽諾菲安萬特于2000年推出了第一個長效基礎人胰島素類似物（來得時），諾和諾德的長效胰島素類似物（諾和平）于2004年上市銷售。

2 胰島素產(chǎn)品及其合成技術發(fā)展現(xiàn)狀

目前市場廣泛應用的為人胰島素和胰島素類似物，全球市場份額中，人胰島素權重在下降，胰島素類似物權重在上升，胰島素類似物憑借其諸多的優(yōu)點正在吞食人胰島素的市場份額，但是在發(fā)展中國家人胰島素的需求依舊強勁，仍然占市場主導地位。

2.1 人胰島素

人胰島素具有與人體分泌的胰島素完全一致的結構，克服了動物胰島素免疫原性高，過敏反應嚴重，動物傳媒傳染風險等缺點[4]，目前市場普遍應用的有短效人胰島素，中效人胰島素以及預混人胰島素等三種。

短效胰島素為可溶性制劑，其以六聚體形式溶解于中性無色澄清溶液中。六聚體在皮下解聚形成二聚體或單體通過毛細血管壁進入血液循環(huán)而發(fā)揮作用[5]。本品注射后30 min開始作用，峰值作用時間1～3 h，整個作用持續(xù)時間5～8 h，可用于皮下、肌肉注射及靜脈點滴。諾和靈R、優(yōu)泌林R和甘舒霖R為目前市場上的短效人胰島素。

中效胰島素為低精蛋白鋅中性白色混懸液，不溶于水，只能皮下注射，注射后1.5 h開始起效，作用高峰4～12 h，持續(xù)時間18～24 h，中效胰島素為混懸液，在注射前必須充分混勻[6]。諾和靈N、優(yōu)泌林N和甘舒霖N為中效人胰島素。

預混胰島素為雙時相低精蛋白鋅人胰島素白色混懸液，含有標示百分比的短效胰島素和中效胰島素。諾和靈30 R是含30%的短效R和70%的中效N胰島素；諾和50 R是含50%的短效R和中效N胰島素；優(yōu)泌林70/30是含30%的短效R和70%的中效N胰島素；選擇30/70或50/50、70/30是根據(jù)患者早餐后，午餐后以及晚餐后血糖水平來決定早餐前以及晚餐前注射劑量[7]。

2.2 人胰島素類似物

胰島素類似物是利用基因工程技術對人胰島素的氨基酸序列及結構進行局部調(diào)整。通過調(diào)整，人胰島素類似物與人胰島素相比具備了更加精細、更加有效的模擬胰島素的生理性分泌特性。速效胰島素類似物和長效胰島素類似物為兩種典型代表。

2.2.1 速效胰島素類似物

速效胰島素類似物包括賴脯胰島素（Lispro）、門冬胰島素（Aspartm）以及賴谷胰島素（Glulisine）三個主要類型。賴脯胰島素（Lispro）是用基因工程技術將人胰島素B28位與B29位的氨基酸互換而得[8]。互換改變了B鏈末端的空間結構，致使胰島素在生理濃度下不易聚合。門冬胰島素（Aspartm）是用基因工程技術將人胰島B28位的脯氨酸替換為門冬氨酸,利用電荷的排斥作用來阻止胰島素單體或二聚體的自我聚合，使分子間的聚合減少[9]。賴谷胰島素（Glulisine）是用賴氨酸替代B3位天冬酰氨酸，谷氨酸替代B29位賴氨酸的一類新型快速作用的胰島素類似物。

與普通人胰島素相比胰島素類似物具備了吸收快，迅速形成高的胰島素吸收峰（在15 min內(nèi)起效，1～3 h達峰）[10]等特點，更接近正常生理狀態(tài)餐時胰島素分泌狀態(tài)。目前市場上賴脯胰島素（Lispro）由美國禮來（Eli Lilly）公司研制生產(chǎn)，商品名為優(yōu)泌樂（Humalog）。Aspartm由丹麥諾和諾德（Novo Nordisk）公司研制生產(chǎn)，商品名為諾和銳（NovoRapid），也稱門冬胰島素。

2.2.2 長效胰島素類似物

長效胰島素類似物包括甘精胰島素（Glargine），地特胰島素（Detemir）以及預混胰島素類似物。甘精胰島素是一種利用重組DNA技術生產(chǎn)的生物合成人胰島素類似物。通過胰島素分子內(nèi)氨基酸的置換（A21位門冬氨酸被甘氨酸替代）且在人胰島素B鏈羧基末端增加了兩個精氨酸，改變了等電點（pH=5.4～6.7），這使甘精胰島素在酸性溶液（pH=4.0）中完全溶解，保持結構穩(wěn)定；在中性溶液中溶解度很低，注射到皮下組織（pH=7.4）后可形成細小的胰島素微沉淀物，可延長吸收及作用時間[11]；其顯著改善Glargine的生物活性，并使其六聚體結構更穩(wěn)定，可較慢持續(xù)地釋放藥物，不產(chǎn)生血漿峰濃度值，藥物釋放比傳統(tǒng)胰島素制劑更接近正常基礎的人胰島素，同時在夜間發(fā)生低血糖的概率較低。

地特胰島素與普通人胰島素相比 Detemir去除B30值的氨基酸，在B29位的賴氨酸上增加一個豆蔻酸側鏈（含C14-脂肪酸鏈）[12]。在有鋅離子存在的藥液中，胰島素分子仍以六聚體形式存在，而C14-脂肪酸鏈的修飾，會使六聚體在皮下組織的擴散和吸收減慢。在單體狀態(tài)下，含C14-脂肪酸鏈又會與白蛋白結合，進一步減慢吸收入血循環(huán)的速度。在血糖中98%～99%的地特胰島素與白蛋白結合。因此，向靶組織的擴散也較未結合白蛋白的胰島素要慢。

預混胰島素類似物是雙相胰島素類似物預混制劑，同時模似基礎和餐時胰島素分泌。諾和銳30是由30%門冬胰島素（諾和銳）+70%精蛋白結合門冬胰島素組成，MIX 25優(yōu)伴筆是由25%賴脯胰島素（優(yōu)泌樂）+70%精蛋白的結合賴脯胰島素組成，而MIX 50優(yōu)伴筆是由50%賴脯胰島素+50%精蛋白結合賴脯胰島素組成，以上預混制劑同時提供基礎和餐時胰島素分泌，更好控制血糖，改善了患者的生活質量和依從性，目前已逐漸廣泛用于臨床。

2.3 胰島素合成技術最新研究進展

近十幾年來，美國一些生物工程制藥公司已經(jīng)開始利用轉基高產(chǎn)作物研究抗病毒疫苗，但迄今為止，上述產(chǎn)品中尚未有被FDA正式批準上市的先例。近期，加拿大SemBioSys生物工程公司宣稱，其已成功利用北美洲常見的一種油料植物——紅花（可榨取食用紅花油）經(jīng)轉基因技術改造后生產(chǎn)出人胰島素產(chǎn)品。據(jù)悉，SemBioSys公司已在2008年初正式向美國FDA提出其轉基因紅花人胰島素產(chǎn)品在美進行臨床試驗的申請。現(xiàn)該產(chǎn)品正在做Ⅰ～Ⅱ期臨床試驗。從理論上講，利用轉基因植物生產(chǎn)蛋白質類藥品要比利用大腸桿菌等真核細菌轉基因生產(chǎn)的藥品更容易，且很容易獲得高產(chǎn)。如果該人胰島素通過臨床試驗并上市，將會極大降低胰島素制劑成本，對當前國際胰島素市場帶來巨大變革。與此同時，植物胰島素作為胰島素發(fā)展的一個方向，從中藥中尋找高效、安全、無依賴性的植物胰島素也受到制藥行業(yè)的廣泛關注。苦瓜、葫蘆巴、人參、仙人掌、蘆薈、越桔、大蒜和洋蔥等具有降血糖活性的植物已經(jīng)成為人們研究的熱點，如何從這些植物中提取胰島素，從而達到豐富胰島素合成方式和減低胰島素成本儼然已經(jīng)成為人們的研究方向。基因療法及其他多方面的研究也正在為糖尿病防治及胰島素應用展現(xiàn)嶄新的前景。

3 小結

80余年來胰島素產(chǎn)品經(jīng)歷了動物源性胰島素，人胰島素以及人胰島素類似物的變革，在胰島素的制劑、品種、給藥方法等方面產(chǎn)生了長足進步。但所有的給藥方法均為藥物進入體循環(huán)，而不是像胰島素生理分泌那樣首先進入門靜脈。因此，目前所有的治療方法仍是非生理性的。開發(fā)能與胰島素受體結合并激活其生物效應的藥物可能取得與胰島素同樣的效果。基因療法等多方面的研究正在為糖尿病防治及胰島素應用開辟嶄新的方向。

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