Science：胰岛素改造新花样

导读:

至今，胰岛素从发现到临床应用已有100年历史。作为机体内唯一降血糖的激素，胰岛素的发现及药物应用结束了糖尿病无药可治的窘境。科学家们对胰岛素应用的研究从组织提取，人工合成，发展到现在的胰岛素类似物，逐步地优化了糖尿病的临床治疗策略。天然胰岛素是包含两条肽链的小分子蛋白，其临床应用多存在半衰期短、药代动力学差等局限性。因此，针对胰岛素肽链的结构修饰可以有效地优化胰岛素的各种药代动力学性质。

作者 | 胡飘飘

胰岛素的发现发展史

胰岛素的药物应用包括三个阶段

第一阶段 (胰岛素的组织提取)

1922年，胰岛素首次从狗胰腺中提取，并直接应用到糖尿病人身上。出人意料的是在首次注射半个小时后，就使得糖尿病人的血糖值下降了25%，尿糖症状近乎消失，精神、体力明显恢复。由此开启了胰岛素在治疗糖尿病上的新篇章。在随后的20多年间，胰岛素的组织提取一直是糖尿病治疗的主流策略。但天然胰岛素治疗指数窄，半衰期短，并且使用剂量难以把控。

第二阶段 (胰岛素的人工合成)   

1950-1980年间，科学家们先后完成了胰岛素的测序、胰岛素的结构解析、高纯度结晶牛胰岛素的合成、以及人胰岛素的合成。人工合成的人胰岛素结构与人体自身分泌的胰岛素一样，临床应用起来更加安全有效。

第三阶段 (胰岛素类似物的修饰)

目前，胰岛素发展到第三代，通过对胰岛素进行特定位点的修饰来提升其药效活性，即胰岛素类似物。相比于前两代，三代类似物半衰期更长，药代动力学特性更好，使用更加方便，发生意外的风险也更低。

胰岛素单体基本结构包含A，B两条链。A链包含21个氨基酸残基，B链包含30个氨基酸残基，A链上的C7（简称为A7）与B链上C7 (简称为B7) 以及A链上的C20（简称为A20）与B链上C19 (简称为B19) 分别形成两对分子间二硫键，将A与B链连接起来。此外，A链上还包含第三对分子内二硫键（A6-A11）。

胰岛素结构

受益于多肽和蛋白质类药物的发展，许多临床疾病的治疗有了极大的发展，尤其是针对蛋白质药物的特定部位的化学修饰，为优化其功能提供了诸多的可能性。以胰岛素为例，针对胰岛素的化学修饰多为A链和B链上的两个N端氨基酸以及B链上的K29三个位点。为了选择性地修饰氨基，目前几乎所有已报道的方法只靶向了可用氨基中的一种或少数几种。

美国食品和药物管理局（FDA）批准的胰岛素药物，如地特胰岛素 (insulin detemir) 和德谷胰岛素 (insulin degludec)，均对B链的K29 Nϵ氨基有脂肪族修饰，用以增强与血清白蛋白的亲和力从而达到延长血清半衰期的目的。然而，目前针对两个N端氨基基团的选择性修饰仍没办法实现有效的大规模修饰，甚至实现多点修饰都比较困难。

接下来，介绍一种新的胰岛素修饰方法：

青霉素G酰化酶（penicillin G acylase, PGA）能够酰化和水解肽链上的氨基，但由于其活性较低，在蛋白功能化修饰中的应用始终受限。Fryszkowska等人使用定向进化技术鉴定了多个PGA变体，可以选择性地保护天然胰岛素上B链的K29 Nϵ氨基基团，或选择性地解除对K29 Nϵ氨基基团和任一链的N端氨基的保护。通过一步酶反应，这些PGA变体可以产生所有可能的单保护（任意一个氨基位点）胰岛素类似物，三种双保护（任意两个氨基位点）胰岛素类似物，以及三保护（三个氨基位点）胰岛素类似物，同时能实现量化的效果。

PGA对胰岛素的修饰     

利用该方法，合成的胰岛素候选药物包括MK-1092和MK-5160。MK-1092和MK5160均为基于胰岛素的耦合物，在糖尿病小鼠模型中具有明显的激动活性和代谢优势。并且通过对PGA的进一步定向优化，MK1092和MK5160的合成步骤得以简化，产量和纯度均有极大的提升。

胰岛素候选药物MK-1092和MK-5160

该研究证明了高效修饰胰岛素上任意氨基的可行性，大大拓宽了胰岛素生物偶联物研究的可行性及胰岛素衍生物的范围，比如，通过在PGA上添加葡萄糖识别组分加速葡萄糖循环中对胰岛素的识别；在A链羧基端添加抗体片段，提高耐受，以期实现除改进药代动力学之外的更多功能等，具有较好的应用前景。

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/science

参考文献

1. Ikle JM, Gloyn AL. 100 YEARS OF INSULIN: A brief history of diabetes genetics: insights for pancreatic beta-cell development and function. J Endocrinol. 2021 Jul 22;250(3): R23-R35.

2. Fryszkowska A, et, al. A chemoenzymatic strategy for site-selective functionalization of native peptides and proteins. Science. 2022 Jun 17;376(6599):1321-1327.

3. Pissarnitski DA, et, al. Discovery of Insulin Receptor Partial Agonists MK-5160 and MK-1092 as Novel Basal Insulins with Potential to Improve Therapeutic Index. J Med Chem. 2022 Apr 14;65(7):5593-5605.

4. Chen YS, et, al. Insertion of a synthetic switch into insulin provides metabolite-dependent regulation of hormone-receptor activation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 Jul 27;118(30):e2103518118.

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