胰岛素及其合成技术应用与发展

王战强

诺和诺德中国制药有限公司，天津 300457

糖尿病是一种由遗传或后天胰腺分泌胰岛素不足或胰岛素抵抗所致的慢性病，其并发症包括心脑血、管病变、肾衰竭、视网膜病变、足溃疡、感染以及神经系统障碍[1]。近些年来，糖尿病的患病率在世界各国迅速增长，已成为一种全球性疾病，估计全球糖尿患者总数已突破3亿。胰岛素是目前最有效的糖尿病治疗药物之一，胰岛素治疗以对肝脏的副作用小，有及时促进蛋白质合成，改善机体营养状态等优势，已成为全球糖尿病治疗中的首选药物。本文将从胰岛素及其合成技术发展历程以及最新研究进展进行文献阐述。

1 胰岛素及其人工合成技术发展历程

1902年，伦敦大学医学院生理学家Bayliss和Starling在动物胃肠道内发现了一种能刺激胰液分泌的胰泌素[2]。这一发现开创了多肽在内分泌学中的功能性研究，为日后人工合成胰岛素产品的开发和研究产生了导向性影响。他们的发现获得了诺贝尔生理学奖。加拿大科学家Banting和Best于1921年发现的胰岛素作为第一个蛋白质激素，应用于治疗糖尿病，获得了诺贝尔奖[3]。在此之后的80多年内，根据胰岛素来源和化学结构不同，胰岛素产品经历了有代表性的三代产品：

1.1 第一代产品

第一代产品为动物源性胰岛素，主要从猪和牛等动物胰脏中提取而来。加拿大医生Banting等人在1921年首先从牛的胰腺中分离出了胰岛素，用于治疗糖尿患者并取得成功。从此开启了动物源性胰岛素治疗糖尿病时代。在1923年，美国礼来就商品化生产了世界上第一个动物胰岛素产品因苏林。

1.2 第二代产品

第二代产品为基因重组人胰岛素，1979～1981年，通过DNA技术生物合成人胰岛素，商业化的基因重组人胰岛素首先由礼来公司于1982年推出，目前诺和诺德、美国礼来、赛诺菲安万特三家公司占据了全球90%以上的市场份额。

1.3 第三代产品

第三代产品为人胰岛素类似物，20世纪90年代末，科研人员通过对人的胰岛素基因进行改造获得合成速效胰岛素类似物和长效胰岛素类似物。胰岛素类似物具有起效更快，作用更持久，副作用小等优势。礼来于1996年推出了世界上第一个超短效人胰岛素类似物优泌乐，赛诺菲安万特于2000年推出了第一个长效基础人胰岛素类似物（来得时），诺和诺德的长效胰岛素类似物（诺和平）于2004年上市销售。

2 胰岛素产品及其合成技术发展现状

目前市场广泛应用的为人胰岛素和胰岛素类似物，全球市场份额中，人胰岛素权重在下降，胰岛素类似物权重在上升，胰岛素类似物凭借其诸多的优点正在吞食人胰岛素的市场份额，但是在发展中国家人胰岛素的需求依旧强劲，仍然占市场主导地位。

2.1 人胰岛素

人胰岛素具有与人体分泌的胰岛素完全一致的结构，克服了动物胰岛素免疫原性高，过敏反应严重，动物传媒传染风险等缺点[4]，目前市场普遍应用的有短效人胰岛素，中效人胰岛素以及预混人胰岛素等三种。

短效胰岛素为可溶性制剂，其以六聚体形式溶解于中性无色澄清溶液中。六聚体在皮下解聚形成二聚体或单体通过毛细血管壁进入血液循环而发挥作用[5]。本品注射后30 min开始作用，峰值作用时间1～3 h，整个作用持续时间5～8 h，可用于皮下、肌肉注射及静脉点滴。诺和灵R、优泌林R和甘舒霖R为目前市场上的短效人胰岛素。

中效胰岛素为低精蛋白锌中性白色混悬液，不溶于水，只能皮下注射，注射后1.5 h开始起效，作用高峰4～12 h，持续时间18～24 h，中效胰岛素为混悬液，在注射前必须充分混匀[6]。诺和灵N、优泌林N和甘舒霖N为中效人胰岛素。

预混胰岛素为双时相低精蛋白锌人胰岛素白色混悬液，含有标示百分比的短效胰岛素和中效胰岛素。诺和灵30 R是含30%的短效R和70%的中效N胰岛素；诺和50 R是含50%的短效R和中效N胰岛素；优泌林70/30是含30%的短效R和70%的中效N胰岛素；选择30/70或50/50、70/30是根据患者早餐后，午餐后以及晚餐后血糖水平来决定早餐前以及晚餐前注射剂量[7]。

2.2 人胰岛素类似物

胰岛素类似物是利用基因工程技术对人胰岛素的氨基酸序列及结构进行局部调整。通过调整，人胰岛素类似物与人胰岛素相比具备了更加精细、更加有效的模拟胰岛素的生理性分泌特性。速效胰岛素类似物和长效胰岛素类似物为两种典型代表。

2.2.1 速效胰岛素类似物

速效胰岛素类似物包括赖脯胰岛素（Lispro）、门冬胰岛素（Aspartm）以及赖谷胰岛素（Glulisine）三个主要类型。赖脯胰岛素（Lispro）是用基因工程技术将人胰岛素B28位与B29位的氨基酸互换而得[8]。互换改变了B链末端的空间结构，致使胰岛素在生理浓度下不易聚合。门冬胰岛素（Aspartm）是用基因工程技术将人胰岛B28位的脯氨酸替换为门冬氨酸,利用电荷的排斥作用来阻止胰岛素单体或二聚体的自我聚合，使分子间的聚合减少[9]。赖谷胰岛素（Glulisine）是用赖氨酸替代B3位天冬酰氨酸，谷氨酸替代B29位赖氨酸的一类新型快速作用的胰岛素类似物。

与普通人胰岛素相比胰岛素类似物具备了吸收快，迅速形成高的胰岛素吸收峰（在15 min内起效，1～3 h达峰）[10]等特点，更接近正常生理状态餐时胰岛素分泌状态。目前市场上赖脯胰岛素（Lispro）由美国礼来（Eli Lilly）公司研制生产，商品名为优泌乐（Humalog）。Aspartm由丹麦诺和诺德（Novo Nordisk）公司研制生产，商品名为诺和锐（NovoRapid），也称门冬胰岛素。

2.2.2 长效胰岛素类似物

长效胰岛素类似物包括甘精胰岛素（Glargine），地特胰岛素（Detemir）以及预混胰岛素类似物。甘精胰岛素是一种利用重组DNA技术生产的生物合成人胰岛素类似物。通过胰岛素分子内氨基酸的置换（A21位门冬氨酸被甘氨酸替代）且在人胰岛素B链羧基末端增加了两个精氨酸，改变了等电点（pH=5.4～6.7），这使甘精胰岛素在酸性溶液（pH=4.0）中完全溶解，保持结构稳定；在中性溶液中溶解度很低，注射到皮下组织（pH=7.4）后可形成细小的胰岛素微沉淀物，可延长吸收及作用时间[11]；其显著改善Glargine的生物活性，并使其六聚体结构更稳定，可较慢持续地释放药物，不产生血浆峰浓度值，药物释放比传统胰岛素制剂更接近正常基础的人胰岛素，同时在夜间发生低血糖的概率较低。

地特胰岛素与普通人胰岛素相比 Detemir去除B30值的氨基酸，在B29位的赖氨酸上增加一个豆蔻酸侧链（含C14-脂肪酸链）[12]。在有锌离子存在的药液中，胰岛素分子仍以六聚体形式存在，而C14-脂肪酸链的修饰，会使六聚体在皮下组织的扩散和吸收减慢。在单体状态下，含C14-脂肪酸链又会与白蛋白结合，进一步减慢吸收入血循环的速度。在血糖中98%～99%的地特胰岛素与白蛋白结合。因此，向靶组织的扩散也较未结合白蛋白的胰岛素要慢。

预混胰岛素类似物是双相胰岛素类似物预混制剂，同时模似基础和餐时胰岛素分泌。诺和锐30是由30%门冬胰岛素（诺和锐）+70%精蛋白结合门冬胰岛素组成，MIX 25优伴笔是由25%赖脯胰岛素（优泌乐）+70%精蛋白的结合赖脯胰岛素组成，而MIX 50优伴笔是由50%赖脯胰岛素+50%精蛋白结合赖脯胰岛素组成，以上预混制剂同时提供基础和餐时胰岛素分泌，更好控制血糖，改善了患者的生活质量和依从性，目前已逐渐广泛用于临床。

2.3 胰岛素合成技术最新研究进展

近十几年来，美国一些生物工程制药公司已经开始利用转基高产作物研究抗病毒疫苗，但迄今为止，上述产品中尚未有被FDA正式批准上市的先例。近期，加拿大SemBioSys生物工程公司宣称，其已成功利用北美洲常见的一种油料植物——红花（可榨取食用红花油）经转基因技术改造后生产出人胰岛素产品。据悉，SemBioSys公司已在2008年初正式向美国FDA提出其转基因红花人胰岛素产品在美进行临床试验的申请。现该产品正在做Ⅰ～Ⅱ期临床试验。从理论上讲，利用转基因植物生产蛋白质类药品要比利用大肠杆菌等真核细菌转基因生产的药品更容易，且很容易获得高产。如果该人胰岛素通过临床试验并上市，将会极大降低胰岛素制剂成本，对当前国际胰岛素市场带来巨大变革。与此同时，植物胰岛素作为胰岛素发展的一个方向，从中药中寻找高效、安全、无依赖性的植物胰岛素也受到制药行业的广泛关注。苦瓜、葫芦巴、人参、仙人掌、芦荟、越桔、大蒜和洋葱等具有降血糖活性的植物已经成为人们研究的热点，如何从这些植物中提取胰岛素，从而达到丰富胰岛素合成方式和减低胰岛素成本俨然已经成为人们的研究方向。基因疗法及其他多方面的研究也正在为糖尿病防治及胰岛素应用展现崭新的前景。

3 小结

80余年来胰岛素产品经历了动物源性胰岛素，人胰岛素以及人胰岛素类似物的变革，在胰岛素的制剂、品种、给药方法等方面产生了长足进步。但所有的给药方法均为药物进入体循环，而不是像胰岛素生理分泌那样首先进入门静脉。因此，目前所有的治疗方法仍是非生理性的。开发能与胰岛素受体结合并激活其生物效应的药物可能取得与胰岛素同样的效果。基因疗法等多方面的研究正在为糖尿病防治及胰岛素应用开辟崭新的方向。

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