胰高血糖素樣肽—1的生物學及相關藥物研究

[摘要] 19世紀60年代發現了腸道對葡萄糖具有調節作用。這種生理現象主要是由兩個被稱為“腸促胰素”的腸內因子：胰高糖素樣肽-1（7-37）/（7-36）酰胺和葡萄糖依賴性促胰島素多肽（1-42）介導的。GLP-1與GLP-1受體的結合，刺激cAMP生成，增加葡萄糖依賴性胰島素分泌。研究還證明在體外人的胰島制備中，GLP-1介導β-細胞凋亡的減弱和胰島素反應性增強。很明顯GLP-1/GLP-1受體軸是葡萄糖代謝的關鍵性生理調節器，因此GLP-1受體激動劑和DPP-4抑制劑成為治療糖尿病藥物研發的焦點。

[關鍵詞] 腸促胰素效應；葡萄糖依賴性促胰島素多肽；胰高血糖素樣肽-1；GLP-1受體激動劑；二肽基肽酶-4抑制劑；糖尿病

[中圖分類號] R977.1 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-0616（2012）21-58-02

Botanical and pharmaceutical research on glucagon-like peptide-1

LI Lei1 LI Li'an2

1.Outpatient Department， Art College of the PLA， Beijing 100081，China；2.Department of Gynaecology and Obstetrics， PLA General Hospital， Beijing 100853，China

[Abstract] The regulating effect of intestinal on glucose was found in 1960s.This physiologic phenomenon is primarily mediated by two enteric factors going by the name of the incretins： glucagon-like peptide-1 （7-37）/（7-36）-amide （GLP-1） and glucose dependent insulinotropic polypeptide （1-42）. The combination of GLP-1 with GLP-1 receptor stimulates the production of cAMP and enhances the secretion of Glucose dependent insulin. It also demonstrates GLP-1 mediateds the attenuation of β-cell apoptosis and enhances the responsiveness of insulin in an ex vivo human islet preparation. It is clear the GLP-1/GLP-1 receptor axis is a key physiologic regulator of glucose metabolism. Therefore GLP-1 agonists and DPP-4 inhibitor become the focus of reserch and development on diabetes drugs.

[Key words] Incretin effect；Gastric inhibitory polypeptide；Glucagon-like peptide-1；GLP-1 receptor agonists； Ddipeptidyl peptidase-4 inhibitors； Diabetes mellitus

腸促胰素（incretin）的發現開啟了糖尿病治療的新篇章，早在上世紀60年代，Mcintyre N等[1-2]發現，口服葡萄糖對胰島素分泌的促進作用明顯高于靜脈注射，證明了腸道對葡萄糖的調節作用，提出了“腸促胰素效應”（incretin effect）。而Perley等證實，這種“腸促胰素效應”所產生的胰島素占進食后胰島素總量的50%以上。腸促胰素由兩種多肽組成。一種命名為葡萄糖依賴性促胰島素多肽（gastric inhibitory polypeptide，GIP）（1-42）。另一種為胰高血糖素樣多肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）。T2DM腸促胰島素效應降低表現為對GIP的治療的抵抗[3]和進餐后GLP-1濃度升高幅度較正常人減小。而注射GLP-1引起強大的胰島素分泌反應并使血糖正常化[4]，因此GLP-1及其類似物可以作為2型糖尿病治療的一個重要靶點。本資料僅就GLP-1的生物學及有關的藥物研究做一下介紹。

1 GLP-1的生理作用

釋放進入血液循環的GLP-1直接作用于胰島，以葡萄糖濃度依賴性方式促進胰島β細胞分泌胰島素（insulin），主要通過以下幾方面發揮降糖作用。（1）GLP-1通過G蛋白激活腺苷酸環化酶（AC），使cAMP水平升高，促進胰島素基因的轉錄、胰島素的合成和分泌，并可刺激胰島β細胞的增殖和分化，抑制胰島β細胞凋亡，增加胰島β細胞數量[5]。作用于胰島α細胞，抑制胰高血糖素的釋放，作用于胰島δ細胞，促進生長抑素的分泌，而生長抑素又可作為旁分泌激素參與抑制胰高血糖素的分泌。（2）GLP-1作用于中樞神經系統，抑制胃腸道蠕動和胃液分泌，抑制食欲及攝食，延緩胃內容物排空，使人產生飽脹感和食欲下降，從而使體重減輕。（3）GLP-1對心血管的作用已吸引了極大注意力。降低血壓、改善脂質和內皮/心肌功能，而且有可能改善心血管疾病的預后。最新動物模型的數據表明，GLP-1的心臟保護和血管舒張作用（7-36）是不依賴于已知的GLP-1R，而是至少部分是由其代謝物GLP-1（9-36）介導的[6]。更令人興奮的是它對中樞神經系統的影響。最新的臨床前數據顯示了GLP-1的神經保護/神經營養功能，或許有可能停止/或逆轉中樞神經系統疾病如阿爾茨海默病（Alzheimer's disease）的神經退行性疾病[7]。

2 GLP-1受體（GLP-1R）

GLP-1的生理功能主要是通過激活細胞表面的GLP-1受體（GLP-1R）而引發的。GLP-1是α-螺旋肽，通過與GLP-1R的細胞外多個接觸點結合并相互作用引起受體信號[8]。GLP-1R是B族G蛋白偶聯受體（GPCRs），包括N端區域和中心區域兩部分。GLP-1R的N端區域保存了α-β-βα蛋白質組成的3層折疊的B1級GPCRs，這種結構，簡稱為“胞外域”（ECD）。GLP-1R利用N-末端的胞外域（ECD）作為“親和力陷阱（affinity trap）”以識別并結合肽類配體[8]。GLP-1與受體結合過程可歸為兩步走：第1步是GLP-1的C端與受體N端結合，第2步則是N端與受體中心區域結合而激活受體。GLP-1的His7等殘基為其與受體結合的關鍵位點[9]，而GLP-1R的N端的Trp殘基對配體的親和力有重要影響。

3 作用于GLP-1R的藥物研究

隨著腸促胰島素激素領域取得的重要進展及對GLP-1葡萄糖依賴性促胰島素的分泌和在2型糖尿病病理學中的作用的認識，以及天然的GLP-1被無處不在的蛋白酶DPP-4迅速降解的發現，導致了對DPP-4降解抵抗的GLP-1R激動劑和DPP-4活性的選擇性抑制劑作為治療藥物的研發。

3.1 GLP-1受體肽類激動劑

改善GLP-1類似物代謝特性的常見方法是在N-末端引入取代基團進行修飾以減少對DPP-4的靈敏度[10]。到目前為止，通過置換天然的GLP-1肽鏈中的氨基酸，以研發作用時間長的分子已取得了成功。艾塞那肽（exenatide）和利拉魯肽（liraglutide）已獲得多個政府監管機構批準上市用于治療T2DM。

艾塞那肽是一個39個氨基酸肽的GLP-1R激動劑，在細胞分析和與天然GLP-1受體競爭性結合研究中證明是充分有效的[11]。它較GLP-1有更長的作用時間，生物半衰期約為4 h。2005年4月，艾塞那肽以商品名Byetta成為第1個由美國食品和藥物管理局（FDA）批準用于治療T2DM的GLP-1類似物。利拉魯肽這種分子，“脂肪酸衍生”策略被用來延長GLP-1在體內的作用。利拉魯肽的血漿消除半衰期為11～15 h[12]。利拉魯肽商品名Victoza，在2010年1月由FDA批準上市用于治療T2DM。

3.2 二肽基肽酶-4（DPP-4）抑制劑

現在已研發的DPP-4抑制劑有西他列汀（sitagliptin）、維格列汀（vildagliptin）、沙格列汀（saxagliptin）和利格列汀（linagliptin）。與GLP-1受體激動劑必須按時皮下注射不同，它們的共同特點是口服有效，因而倍受糖尿病患者的歡迎。

DPP-4抑制劑沒有GLP-1受體激動劑減緩胃排空、增加果腹感、促進適度減肥的作用[13]。可能是由于DPP-4抑制劑阻斷了多肽如GIP和神經肽Y的降解，以及對胃蠕動和中樞神經系統（CNS）對食欲的控制發揮相反的影響[14]，故DPP-4抑制劑vildagliptin能顯著降低低血糖的發病率，老年患者（年齡>65歲）此作用更為明顯。從目前的臨床數據看，GLP-1類似物升高GLP-1水平、降低HbA1C和餐后血糖的效果很可能優于DPP-4抑制劑，并可較DPP-4抑制劑更有效地發揮延遲胃排空、減少熱量攝入和改善胰島功能等作用。

隨著腸促胰素，特別是胰高血糖素樣肽-1的生物學的進一步闡明，以及新的以胰高血糖素樣肽-1為靶點的藥物的不斷涌現，為糖尿病的治療產生了新的理念。血糖達標率低是全球面臨的共同難題，我國糖尿病患者中僅有不到1/3的人達標。世界范圍內大約80%的2型糖尿病患者糖化血紅蛋白無法控制在7%以內。原因是傳統降糖藥物不能有效地保護β-細胞，使得β-細胞分泌胰島素的功能逐漸減退。而以GLP-1為靶點的藥物能夠刺激胰島β細胞的增殖和分化，抑制胰島β細胞凋亡，增加胰島β細胞數量，促進胰島素的合成和分泌，因而可長期穩定的控制血糖水平，為糖尿病患者帶來了新的希望。

[參考文獻]

[1] Mcintyre N，Holdsworth CD，Turner DS.New interpretation of oral glucose tolerance[J].The Lancet，1964，2（7349）：20-21.

[2] Elrick H，Stimmler L，Hlad CJ，et al.Plasma insulin response to oral and intravenous glucose administration[J].The Journal of Clinical Endocrinology Metabolism，1964，24：1076-1082.

[3] Krarup T，Saurbrey N，Moody AJ.Effect of porcine gastric inhibitory polypeptide on beta-cell function in type I and typeⅡ diabetes mellitus[J].Metabolism，1987，36（7）：677-682.

[4] Nauck MA，Kleine N，Orskov C，et al.Normalisation of fasting hyperglycaemia by exogenous glucagon-like peptide 1（7–36 amide）in type 2（non-insulin-dependent） diabetic patients[J].Diabetologia，1993，36：741-744.

[5] Islam D，Zhang N，Wang P，et al.Epac is involved in cAMP stimulated proglucagon expression and hormone production but not hormone secretion in pancreatic alpha and intestinal L cell lines[J].Am J Physiol Endocrinol Metab，2009，296（1）：174-181.

[6] Ban K，Noyan-Ashraf MH，Hoefer J，et al.Cardioprotective and vasodilatory actions of glucagon-like peptide 1 receptor are mediated through both glucagon-like peptide 1 receptor-dependent and -independent pathways[J].Circulation，2008，117：2340-2350.

[7] Li Y，Duffy KB，Ottinger MA et al.GLP-1 receptor stimulation reduces amyloid-beta peptide accumulation and cytotoxicity in cellular and animal models of Alzheimer's disease[J].J Alzheimers Dis，2010，19：1205-1219.

[8] Underwood CR，Garibay P，Knudsen LB，et al.Crystal structure of glucagon-like peptide-1 in complex with the extracellular domain of the glucagon-like peptide-1 receptor[J].The Journal of Biological Chemistry，2010，285（1）：723-730.

[9] Xiao Q，Giguere J，Parisien M，et al.Biological activities of glucagon-like peptide-1 analogues in vitro and in vivo[J].Bioiochem，2001，40（9）：2860-2869.

[10] Siegel EG，Gallwitz B，Scharf G，et al.Biological activity of GLP-1-analogues with N-terminal modifications[J].Regulatory Peptides，1999，79（2-3）：93-102.

[11] Goke R，Fehmann HC，Linn T，et al.Exendin-4 is a high potency agonist and truncated exendin-（9–39）-amide an antagonist at the glucagon-like peptide 1-（7–36）-amide receptor of insulin- secreting beta-cells[J].The Journal of Biological Chemistry，1993，268（26）：19650-19655.

[12] Elbrond B，Jakobsen G，Larsen S，et al.Pharmacokinetics，pharmacodynamics，safety，and tolerability of a single-dose of NN2211，a long-acting glucagon-like peptide 1 derivative，in healthy male subjects[J].Diabetes Care，2002，25（8）：1398-1404.

[13] Drucker DJ，Nauck MA.The incretin system：glucagon-like peptide-1 receptor agonists and dipeptidyl peptidase-4 inhibitors in type 2 diabetes[J].The Lancet，2006，368：1696-1705.

[14] Nauck MA.Incretin-based therapies for type 2 diabetes mellitus：properties，functions，and clinical implications[J].Am J Med，2011，124（1Suppl）：S3-18.

（收稿日期：2012-09-14）