编者按:日常生活中必不可缺的药物是如何诞生的?创造一种药物,科学家要经历多少艰辛?面对未知病毒,普通人可以做些什么?通俗易懂的语言、科幻小说的笔调和自然探险般的叙事,新药研发一线科学家梁贵柏带领我们探索生命科学前沿,一窥全球健康事业内部运作。
摘要:对糖尿病患者来说,保证全天候实现血糖“不高不低”非常重要。要想模仿人体基础胰岛素分泌,最直接的方法是病人24小时带着注射针和输液瓶,进行静脉滴注,但这样的做法显然没有医院外实际操作的意义。于是在长达近100年的历程中,医药界不断研究如何让胰岛素变得长效、更长效一点。随着生物工程技术的突飞猛进,到2000年新世纪,人类历史上第一个实现24小时“昼夜护航”的甘精胰岛素终于获批上市。
2019年下半年,电视剧《长安十二时辰》热播荧屏。大家是否知道,从短效胰岛素到“十二时辰”(24小时)的长效胰岛素,经历了长达78年的科学研究。
越长越好?
起初,我们有了常规胰岛素,那是1922年的事;
然后,我们有了中效胰岛素,那是1946年的事;
再后,我们有了长效胰岛素,那是2000年的事。
常规(天然)胰岛素是“短效”的,它在人体内的半衰期只有4-6分钟,进入血液循环后大约1小时左右就被完全降解了。为了有效控制血糖,糖尿病(包括I型和II型糖尿病)患者必须一天多次注射,影响了生活质量。
中效胰岛素(intermediate-acting insulin),顾名思义,延长了胰岛素在体内的有效时间。它在不改变胰岛素化学结构的情况下,通过添加剂改变微观晶体结构,实现了皮下注射之后胰岛素的缓慢释放,增强和延长了血糖控制,提高了糖尿病(包括I型和II型糖尿病)患者的疾病控制和生活质量。
长效胰岛素(long-acting insulin),则是通过对胰岛素本身化学结构的修饰,来实现“有效”胰岛素的缓慢释放,从而模拟人体内“基础胰岛素(basal insulin)”的活动模式,实现了一天一次皮下注射的给药方式,进一步提高了糖尿病(包括I型和II型糖尿病)患者的疾病控制和生活质量。
为什么从常规胰岛素到中效胰岛素用了20年,而从中效胰岛素到长效胰岛素却足足用了50多年?这就要从100年前胰岛素的发现讲起了。
聚焦胰脏
在胰岛素被发现之前,糖尿病,那时主要是1型糖尿病,是一种绝症,基本上无药可治,只有“饥饿疗法”能让一小部分患者(现在我们知道那些是“非胰岛素依赖型”的糖尿病患者)有一定的缓解作用,而绝大部分糖尿病患者都是(现在我们知道)“胰岛素依赖型”的,经确诊后的生存期大不到两年。晚期的糖尿病患者会进入昏迷,并失去生命。
糖尿病是一种古老的疾病,文字记载可以追溯到公元前1500年的古埃及。从那时起,我们的祖先就开始了对糖尿病的探索,上面提到的“饥饿疗法”就是其中一个很无奈的尝试。到了19世纪末叶,好几项现代科学对于糖尿病研究的重要结果终于把医学界的注意力集中到了一个当时并不起眼的小器官—胰脏上。
进一步的研究发现,把狗的胰脏切除后,这只狗就会表现出几乎所有糖尿病的典型症状;这时,如果把一小块胰脏组织种植到这只狗的皮下,它的各种糖尿病症状就会减轻;接着,如果再把这块胰脏组织从皮下取出来,这只狗的糖尿病症状又会立刻重现,于是科学家们认定,胰脏里一定存在着与血糖调控紧密相关的活性物质。
新世纪开始了,医学界愈发努力地从胰脏中寻找能缓解糖尿病的活性物质。他们开始尝试用酒精萃取从狗的身上切除下来的胰脏,在把这种萃取液注射到糖尿病的狗中,发现这样做可以缓解糖尿病的症状。他们甚至成功地用狗的胰脏萃取液使一名已经进入昏迷状态的晚期糖尿病患者重又苏醒过来。
第一次世界大战的之后,一度被迫中断的糖尿病研究又活跃起来。两位加拿大科学家最终在1921年,从胰岛小体中找到了这种活性物质,把它命名为“胰岛素(Insulin)”,揭开了糖尿病治疗的新篇章。仅仅两年之后,这两位发现胰岛素的加拿大科学家就获得了诺贝尔生理或医学奖,这在诺贝尔奖的历史上好像也是绝无仅有的。
来去匆匆
胰岛素的发现从根本上改变了糖尿病患者的治疗和预后,从一个不治之症变成了可控的慢性病。但是,胰岛素治疗也会出现一些不良反应,最主要的是使用不当会造成低血糖,这是有生命危险的。另外,胰岛素在人体内的半衰期只有5分钟左右,进入血液循环后在1小时左右就被完全降解了。
为什么会这样呢?其实这是人类的进化过程的必然结果。
在人类漫长的进化过程中,我们的祖先长期处于吃了上顿没下顿的状态之下。为保证下一次成功捕获猎物或者采集足够的果实,我们的身体必须在没有进食的这段时间(古时候很可能是一整天,甚至几天)里保持的正常功能。大脑是最重要的器官,它优先获得能量,直接从血液中吸收葡萄糖,所以低血糖直接影响大脑功能,是非常危险的。
为了在没有进食的条件下保持一定的血糖水平,我们必须能在进食后很快地把摄取的能量储存起来再慢慢释放,这就是胰岛素的主要功能。因为我们进食是间歇性的,而且持续时间相对都很短,所以胰岛素的分泌也是间歇性的,在餐后血糖升高时达到峰值,把血液中的葡萄糖转化为糖原储存起来。血糖水平降下来之后,胰岛素的分泌必须及时下降,已经循环在血液里的胰岛素也必须被及时地清除出去,要不然血糖就会继续降低,发生危险。所以说,进食后胰岛素的及时分泌和快速降解是人类在生活环境的压力下长期进化的必然产物。
到了现代社会,发达国家和地区的食物供应是有保障的,储存能量早已不再是生存之必须,而无节制地摄取过多的能量,反而会给身体的能量代谢系统(主要是胰脏)增加很大的负担,久而久之,就会造成胰脏功能的衰退,不再能够对血糖的变化做出灵敏的反应:对不起,你得了2型糖尿病。
不高不低
在疾病早期,二型糖尿病患者的胰岛素分泌能力发生了一些衰变。 这种分泌缺陷随着时间的推移而进展,导致胰岛素的产生不足以维持血糖的调控。 尽管这个过程的病理学尚未完全阐明,但高血糖似乎对胰脏的-细胞功能具有破坏性的作用,并且可能导致-细胞的去分化或凋亡。 -细胞的损失和由此导致的相对胰岛素缺乏造成葡萄糖不耐受,发展成典型的糖尿病。
起初,2型糖尿病的患者通常用口服降糖(非胰岛素)药物治疗,随着疾病的进展,大多数患者最终需要用外加的胰岛素来控制血糖。但是,常规胰岛素快速释放和快速降解等特性使得它在糖尿病的治疗中受到不少限制,比如口服常规胰岛素是无效的,因为它不能在血液中达到起效的浓度(口服的生物利用度很低)。常规胰岛素经过注射后进入血液,可以很快达到起效浓度,但是随后的降解也很快,所以患者必须在高血糖时才能注射。为了避免注射后出现低血糖的危险,注射前还要测一下血糖,才能确定剂量,很不方便,影响了患者的生活质量。
进一步的研究发现,胰脏-细胞分泌胰岛素的正常生理模式,除了餐后血糖升高时较大量的间歇式分泌,还有在进食间隔里平稳而持续的少量胰岛素分泌,称为基础胰岛素(Basal Insulin),以实现全天持续的血糖控制。
由此看来,为了保证全天候血糖的“不高不低”,模仿胰岛素分泌的正常生理模式的治疗可能是实现糖尿病患者的严格血糖控制的最佳方式。
不急不缓
要想模仿基础胰岛素分泌,最直接的方法应该是静脉滴注,用血糖测试的反馈回路进行“钳位(clamping)”。这样做虽然精准,但是病人却不得不24小时带着注射针和输液瓶,显然没有医院外实际操作的意义。于是医药界开始研究胰岛素的修饰,希望能减缓它的吸收,延迟它的降解,从而起到类似于基础胰岛素的功效。
早先,研究人员尝试了各种不同制剂以减少每日所需的注射次数,比如使用阿拉伯树胶溶液、油悬浮液和卵磷脂乳液等添加剂来延迟皮下注射后的吸收,还尝试通过给予胰岛素溶液与血管收缩剂如垂体后叶素或肾上腺素来延长胰岛素的作用,然而所有这些努力都没有取得实质性的突破。
在1930年代,鱼精蛋白锌胰岛素(protamine zinc insulin)制剂得到了开发。这是一款含有过量鱼精蛋白(Protamine)和少量锌离子(Zinc Ion)的胰岛素制剂,其降糖作用可持续24小时以上。尽管有这么长时间的作用,鱼精蛋白锌胰岛素的使用却受到了更大的低血糖风险的限制。1946年,中性的鱼精蛋白NPH(Neutral Potamine Hagedorn)胰岛素(一种将鱼精蛋白和胰岛素在中性条件下等比例混合的胰岛素制剂)上市了。这种稳定制剂的有效时间不到24小时,被称为“中效胰岛素”,大多数情况下可以通过每天两次皮下注射的方式给药。
NPH胰岛素不急不缓的释放模式,有效地模仿了基础胰岛素的功效,减少了低血糖的风险。但是它仍旧存在着一些缺陷,例如个体间和个体内的差异比较显著,吸收也不是很稳定。皮下注射后仍旧会出现一个血浆浓度的峰值,所以还是会有低血糖的风险,尤其是在晚餐前或临睡前使用。
我们还有进一步提升的空间吗?二次世界大战之后分子生物学的迅猛发展使直接修饰胰岛素成为可能。迄今为止,通过化学修饰胰岛素来延长其作用的策略主要有两种:一种是给胰岛素分子加上不同长度的脂肪酸,这些油性的脂肪酸链可与白蛋白结合,从而减缓游离胰岛素的释放;另一种是通过替换胰岛素分子中的氨基酸残基而改变其衍生物的理化性质,比如降低在生理条件下的溶解度,甘精胰岛素就是其中最成功的一个经过残基替代而得到的长效胰岛素衍生物。
残基替代
1950年代初,英国著名生物化学家弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)和他的小组完成了胰岛素氨基酸序列的测定,获得了1958年的诺贝尔化学奖。这是第一个完整的蛋白质氨基酸序列测定,揭开了现代分子生物学的序幕。
1960年代多萝西·霍奇金(Dorothy Hodgkin)及其同事通过X射线晶体学确定胰岛素的三维化学结构。中国的联合胰岛素团队率先完成了牛胰岛素的人工全合成,罗伯特·梅里菲尔德(Robert Merrifield)又发明了革命性的蛋白质固相合成方法,这些发明与发现为开发基于胰岛素分子本身结构改变而延长其作用时间的新型胰岛素衍生物铺平了道路。
从1970年代开始,生物工程技术更是突飞猛进。DNA重组技术的发明使得研究人员可以任意替代蛋白质中任何一个位点上的氨基酸残基。我们知道所有的蛋白质都是由20个天然氨基酸链接而成的,而这些氨基酸的连接顺序又是由相关的DNA(基因)碱基的顺序决定的,每3个碱基序列对应于一个特定的天然氨基酸。我们找到胰岛素的相关基因,通过生物化学的方法改变DNA的碱基排序,把胰岛素里原本天然氨基酸所对应的3个DAN碱基序列替换成一个不同的序列,就可以用这个新的基因在适当的载体微生物(大肠杆菌或酵母菌)里表达出残基替代的新型胰岛素衍生物。
赛诺菲制药的前身赫斯特公司(Heochst AG)把这项技术用于胰岛素两条肽链上的残疾替代的研究,他们发现在胰岛素B链的末端加上了两个碱性的精氨酸残基可以将胰岛素的等电点从酸性变成中性;而用甘氨酸替代胰岛素A链末端的天冬酰胺残基,则可以使胰岛素晶体的含水量从天然胰岛素的49.8%下降到了45.5%。因为这款新型胰岛素衍生物是通过甘氨酸(Glycine)和精氨酸(Arginine)的残基替代而产生的,所以被命名为“甘精胰岛素(Insulin Glargine)”。
微晶缓释
甘精胰岛素这些结构上的变化不仅改变了它的溶解度,也改变了它的晶体结构和生物代谢过程。
化学动力学研究显示,由于等电点的改变,甘精胰岛素注射液在酸性(pH 4.0)条件下是澄清的溶液。该溶液注入皮下后,甘精胰岛素会在中性(PH 7.4)的皮下组织中自动聚集,形成相当稳定的六聚体微细沉淀。由于晶体中含水量的降低,这些微晶体的填充密度比天然胰岛素有所提高,溶解的速度就会下降,就像被压成块状的方糖的溶解速度要比松散的砂糖慢许多一样。
这些微晶体在皮下组织里随着时间的推移缓慢溶解,先是产生少量游离的六聚体,然后再分解为二聚体,最后以单体分子的形式进入血液循环。与此同时,进入血液循环的甘精胰岛素单体,又会在肝脏中被代谢酶迅速转换成一个高度活性的代谢产物,而真正起到降低血糖作用的正是这个代谢产物。这是一系列很复杂的体内动态平衡,每一个步骤的转换速度决定了血液中活性胰岛素衍生物的浓度,最终实现了皮下注射后在人体内无峰值的缓慢释放,有效时间超过24小时。
1988年赫斯特公司申请了甘精胰岛素的发明专利,经过广泛和深入的临床试验之后,于1999年4月在美国和欧洲递交了新药申请。2000年甘精胰岛素被美国FDA和欧洲药品管理局批准用于治疗1型和2型糖尿病,成为第一个被用于临床治疗的每日一次皮下注射的长效胰岛素衍生物。
昼夜护航
临床药效学研究显示,甘精胰岛素能更好地模拟生理性基础胰岛素分泌,是控制基础血糖(空腹血糖)指标的有效用药。
人的血糖指标可以分成基础血糖和餐后血糖两部分。对于二型糖尿病患者来说,基础血糖升高是决定整体血糖水平的首要因素,主要源于基础肝糖输出的增加,对糖化血红蛋白(HbA1c)的贡献更大。因为基础高血糖的成因相对简单,也相对易于管理,使用基础胰岛素控制基础血糖,达标后餐后血糖就会随之下降,进而实现整体血糖得正常化,所谓“空腹达标、水落船低”。
大型的多中心和随机对照临床试验表明,因为甘精胰岛素的平稳无峰缓释,除了有效降低糖化血红蛋白和空腹血糖之外,在夜间和整体低血糖方面的风险也有明显的优势,真正起到了24小时“昼夜护航”的作用。
对于能够进行血糖监测、感知低血糖、进行自我管理的患者,医生可指导其进行简便易行的自我胰岛素剂量调整。因为甘精胰岛素注射次数少、血糖监测要求少、剂量调整也更为简单,显著提高了患者用药的依从性,明显降低了低血糖的风险,尤其是那些较为严重,需要去医院治疗的低血糖事件,相应的医疗费用就因此而大大减少,对整个社会医疗资源的合理分配起到了非常积极的作用。
甘精胰岛素耐受性良好,免疫原性低,急性心肌梗死风险降低等优点,在2型糖尿病患者的治疗中占据了越来越重要的地位。2018年,美国糖尿病协会(ADA)和欧洲糖尿病研究协会(EASD)一致推荐基础胰岛素作为胰岛素起始治疗的首选。
知难而上
改革开放这40多年来,中国大陆的经济腾飞,在众多领域里赶超世界先进水平,取得了一项又一项“世界第一”,十分令人骄傲。但是,有一项“世界第一”却是令人担忧的,那就是二型糖尿病患者人数世界第一。
2型糖尿病是一种生活方式疾病。在中国沿海发达地区林立的写字楼里,不同年龄的上班族们坐在办公室里的电脑前,长时间地紧张工作,不停地喝着各种高糖的可乐饮料;午休时也不起身,在手机屏上指指戳戳,快递小哥们便一溜小跑,送来了高脂肪高盐的午餐盒饭;下班回到家里,瘫坐到沙发里,翘起双腿,追韩剧、打游戏;成功人士更是觥筹交错,灯红酒绿……
就这样,2型糖尿病的发病率与各项喜人的经济指标一样,同步直线上升,达到了很多专家眼里“十分危险”的严重状态。我们必须知难而上,积极采取行动,挑战型2糖尿病带来的健康威胁。
2003年,中国发布了第一版2型糖尿病防治指南,降糖达标的理念开始逐渐深入临床。紧接着2004年,甘精胰岛素在中国上市,成为中国第1支长效胰岛素类似物,为中国糖尿病患者降糖提供了新的选择。甘精胰岛素在亚洲人群的临床验证也逐项展开,其中ORBIT(Observational Registry of Basal Insulin Treatment )研究为国内迄今为止评估基础胰岛素临床效果和安全性的最大规模的真实世界研究,纳入了全国209家医院的18995例患者,随访时间为6个月,为中国特色的甘精胰岛素糖尿病治疗提供了有力的依据。
目前我国循证与临床实践尚存差距。面对规范化治疗与临床实践的差距,业界的专业人员应该积极推动治疗路径在临床实践的普及,提高民众对糖尿病及其治疗的认知。
除了包括甘精胰岛素在内的各种药物治疗之外,我们更应该积极行动起来,以更健康的方式生活和工作,远离糖尿病。
2019年8月初稿于新泽西
2019年11月定稿于新泽西
参考文献
Rolf Hilgenfeld, Gerhard Seipke, Harald Berchtold and David Owens, “The Evolution of Insulin Glargine and its Continuing Contribution to Diabetes Care” Drugs, 2014, 74, 911–927.
M. Angelyn Bethel and Mark N. Feinglos, “Basal Insulin Therapy in Type 2 Diabetes” J. Am. Board Fam Pract, 2005, 18, 199–204.
书名:《新药的故事2》
作者:梁贵柏
出版年月:2020年5月