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胰岛素制剂的发展

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摘要:胰岛素制剂的发展
1890年VonMering和Minkowski发现切除狗胰腺可使狗发生糖尿病,从而第一次真正将糖尿病病因和胰腺联系在一起。但1898年Zuelzer及其他学者试图用胰腺提取物治疗糖尿病未获成功,反而引起严重过敏和局部化脓感染。在此后的20余年时间里,大量的实验证据逐步汇集,发现引起糖尿病的病因在于胰腺的内分泌胰岛,胰岛可分泌一种调节血糖稳态的“因子”。1920年加拿大多伦多外科医生Banting和助手Best将狗的胰腺导管结扎,使胰腺腺泡萎缩,从萎缩了的胰腺中提取冷却提取物,再给发生了糖尿病的狗注射,发现狗的血糖确实可以明显下降。在生物化学家JamesCollip帮助下,Banting和Best改进了胰腺提取物的提取和纯化方法,大大减少了提取物的毒副作用。1922年1月Banting和Best给多伦多总医院14岁的糖尿病患者LeonardThompson注射了胰腺提取物,患者的血糖下降到了正常水平。他们将此提取物命名为胰岛素(insulin),1922年5月3日在美国华盛顿召开的全美医师协会上向大会公开报道,得到大家的承认,被认为是现代医学史上最伟大的成就。Banting因此获得1923年诺贝尔医学奖。

一、动物胰岛素和人胰岛素时代

在发现胰岛素后的60余年时间里,胰岛素来源主要从猪和牛的胰腺中提取,由于最初的胰岛素制剂提纯不够,易产生过敏反应、耐药、高血糖和低血糖反复发生以及注射部位皮下脂肪萎缩或增生,另外不同批次间效价变异大。随着蛋白质提纯技术的进步,人们能得到更纯化的“单峰胰岛素”或“单组分胰岛素”,但由于猪和牛胰岛素分子结构和人胰岛素分子结构的差异,仍然没能解决免疫原性的问题。这段时期被称为动物胰岛素时代。

20世纪70年代末,基因重组技术日趋成熟和完善,1978年成功使用基因工程技术合成了人胰岛素,其一级、二级和三级结构与人胰岛素完全相同,并证实具有完全的生物功能。1982年美国礼来公司研制了世界上第一支基因工程合成的人胰岛素——优泌林R并成功上市,这个划时代的产品是人类合成的第一个肽类生物医药制品,人胰岛素的合成解决了动物胰岛素免疫原性问题,胰岛素过敏和抗体产生大大减少,同时也解决了动物胰岛素的产量瓶颈问题。

生理性胰岛素分泌包括进食后发生的餐时胰岛素分泌和非进食状态下的基础胰岛素分泌两部分。无论是动物胰岛素还是人胰岛素,通过在制剂配方中加锌离子或使之与鱼精蛋白结合,可以显著延长胰岛素从皮下吸收的时间,作用时间可超过10~24h,从而作为基础胰岛素使用。这些制剂的发展完全免除1型和2型糖尿病患者生命之忧,也基本使大多数糖尿病患者血糖得以满意控制,延缓了并发症发生。

但生理状态下进餐后胰岛素快速分泌,首先到达肝脏门静脉系统,快速抑制肝糖输出,这对于控制餐后血糖波动极其重要,但无论是注射动物短效胰岛素还是人短效胰岛素均要首先经体循环再到门静脉系统,并且短效胰岛素注射后30min才逐渐起效,高峰作用时间2?4h,持续时间长达6~8h,显然不能很好地模拟生理性餐后胰岛素分泌。生理性基础胰岛素分泌非常稳定,作用曲线平缓,无明显的作用高峰,而无论是长效鱼精蛋白锌人胰岛素(PZI)还是中效鱼精蛋白锌胰岛素(NPH)均存在明显的吸收高峰,并且药代学和药效学研究发现这两种胰岛素在个体内和个体间的吸收、作用变异都非常大。由于短效胰岛素、PZI和NPH的这些局限性,导致患者血糖控制波动较大,低血糖风险较高。

二、胰岛素类似物时代

溶液中存在的胰岛素分子是由两个胰岛素分子形成二聚体、然后3个二聚体和2个锌离子围绕着三重轴形成对称排列的六聚体,因此注射到皮下以后,胰岛素六聚体要逐渐解离为单体才能吸收入血液。通过不断地对胰岛素分子一级结构、空间三维结构与胰岛素功能研究,了解到胰岛素靠近A链C-末端和B链N-末端的数个氨基酸与胰岛素和其受体亲和力有关;而B链靠近C-末端的数个氨基酸,尤其是B28、B29为氨基酸与胰岛素分子间的聚合有关。因此可以用基因工程或其他分子生物学方法对胰岛素分子进行修饰,增强或减弱胰岛素分子间的聚合能力,从而得到符合临床需要的超长效或超短效的胰岛素类似物,而生物活性和免疫原性不变。

目前已上市的短效胰岛素类似物有赖脯胰岛素、门冬胰岛素和谷赖胰岛素,短效胰岛素类似物在药代学和药效学特性方面均优于普通人短效胰岛素长效胰岛素。以门冬胰岛素为例,给予腹部皮下注射餐前大剂量门冬胰岛素或可溶性人胰岛素0.2U/kg,门冬胰岛素的峰值浓度是可溶性人胰岛素的两倍,注射后60min门冬胰岛素已经下降,而可溶性人胰岛素直到注射后180min才开始下降;在最初2h,门冬胰岛素药-时曲线下面积(AUC)是可溶性人胰岛素的2倍,但是10h的AUC二者没有差别。葡萄糖钳夹技术药效学研究显示,达到葡萄糖最大输注率(GIR)—半时间门冬胰岛素较可溶性人胰岛素早20min,GIR从峰值下降到50%的时间门冬胰岛素较可溶性人胰岛素早80min。因此短效胰岛素能更好地模拟餐时胰岛素作用。

长效胰岛素类似物有甘精胰岛素和地特胰岛素,其作用持续时间可达24h,作用平稳,与NPH比其个体间的作用变异小,不易产生低血糖,是更好的基础胰岛素制剂。但目前的长效胰岛素类似物和短效胰岛素类似物不能做成预混制剂注射。

三、未来超长效胰岛素制剂

1.insulin degludec:degludec是将人膜岛素B30位 苏氨酸去掉,将一个16碳脂肪二酸通过谷氨酸与人胰岛素B29位赖氨酸连接而形成的超长效胰岛素类似物。degludec胰岛素在制剂中以双六聚体的形式存在。注射至皮下后,由于苯酚迅速弥散,degludec胰岛素独特的侧链结构(谷氨酸和脂肪酸)使其在锌离子存在的情况下容易形成多六聚体链(multi-hexamerchains)。之后随着锌离子缓慢的弥散,多六聚体链缓慢解离为二聚体和单体而通过毛细血管壁吸收人循环[5]。形成多六聚体链是其最主要的延迟作用的机制,另外由于脂肪酸链结构使其能可逆性地与白蛋白结合而进一步起到延迟作用。degludec消除半衰期超过25h,有效作用时间超过40h。在一项为期16周的多中心随机对照临床试验中,245例2型糖尿病患者在 二甲双胍治疗基础上合用degludec每日1次、每周3次或甘精胰岛素每日1次注射,试验结束时3组HbAlc、日间9点血糖谱无显著差异,但degludec每日1次组低血糖率显著低于degludec每周3次或甘精胰岛素每日1次注射组。最近在Lancet上发表了2项分别在1型糖尿病和2型糖尿病患者中进行的为期1年的多中心、随机对照、开放治疗达标试验,比较了degludec和甘精胰岛素分别联合餐时胰岛素的降糖疗效。无论1型还是2型糖尿病,两组治疗终点时HbAlc下降幅度相似,但degludec组较甘精胰岛素组的空腹血糖下降更为理想,同时总体低血糖和夜间低血糖事件更少。与现有的长效胰岛素类似物不同,degludec可以与短效胰岛素类似物进行预混合注射,并且低血糖事件较预混门冬胰岛素30更少。

2.humalog-PEG(LY2605541):humalog-PEG是在优泌乐B28位赖氨酸上共价结合了相对分子质量20000的聚乙二醇分子,从而形成一个约75000的大分子,超过了白蛋白,注射到皮下缓慢吸收,肾脏清除减慢,作用半衰期可长达2~3d,并且作用的变异性很低。由于较大的分子结构特点也改变了其在组织中的分布,在体内它易于被肝窦上皮所吞噬,因而在肝脏内的分布浓度较外周组织更高,理论上可以提供更符合生理的胰岛素补充。一项为期12周的多国、多中心、随机对照n期临床试验结果显示,huraalog-PEG和甘精胰岛素比,两者对空腹血糖和HbAlc下降作用相似,但前者夜间低血糖风险减少48%,体重较甘精胰岛素组平均显著降低0.84kg。另一方面也发现humalog-PEG治疗组肝脏转氨酶水平在正常值参考范围内显著升高,甘油三醋水平也显著升高(男性平均升高0.4mmol/L,女性平均升高0.3mmol/L)。

3.Biodel长效基础胰岛素:Biodel公司是一家专门致力于改良肽类、蛋白类分子给药技术的生物高科技公司。该公司开发的“可调节的基础胰岛素”(BIOD-adjustablebasalinsulin)是在甘精胰岛素中加人专利技术GRAS赋形剂,可以改变甘精胰岛素作用时间,使之作用时间变长或变短,以适应不同患者对基础胰岛素作用时间的不同需求,并且具有更平和、更稳定的药代动力学特征。Biodel公司新开发的另一处于临床前期的“聪明基础胰岛素”(BIOD-smartbasalinsulin)可随周围组织中葡萄糖的水平不同吸收率发生改变。其主要配方为甘精胰岛素、葡萄糖氧化酶和过氧化物酶(pH4)。我们知道甘精胰岛素的溶解度和吸收率是pH依赖的,pH越低则甘精胰岛素更易解离为单体而吸收。当组织液中葡萄糖水平升高时,上述反应体系会生成更多的葡萄糖酸,微环境的pH值下降,从而使胰岛素吸收增加;反之血糖降低,生成葡萄糖酸减少,微环境的pH值升高,使胰岛素吸收减少。这一药效特点已在猪体内试验中得到证实。

4.SraartInsulin:这是SmartCells公司开发的另一可能的“聪明”基础胰岛素,这种葡萄糖反应性的胰岛素原理是:胰岛素可以和葡萄糖竞争性地与一种专利化合物“SmartInsulin多聚物”可逆性地结合,将SmartInsulin注射到皮下后,组织液中的葡萄糖可以将胰岛素从多聚物结合位点上置换成游离状态被吸收入血,血糖越高被置换出的胰岛素越多。

5.FT105:FT105是Flamel高科技公司基于其独创的“Medusa给药平台”(Medusa Drug Delivery Platform)的一种超长效基础胰岛素。Medusa是一种多聚谷氨酸链上连接维生素E的生物可降解聚合物,在水溶液中与肽类或蛋白类药物混合后,两者以非共价键结合,形成纳米水凝胶。当被注射到皮下后形成“药物储库”(depot),之后药物被组织液中蛋白逐步置换而吸收,作用可稳定持续长达14d。FT105采用重组人胰岛素与Medusa药物平台结合,使胰岛素在人体作用更平缓、持续作用时间超过48h,注射后3~4d可达到稳态胰岛素水平,个体内变异非常小,可显著减少低血糖事件,注射局部无不良反应,由于Medusa在体内可生物降解为谷氨酸和维生素E,因而具有较高的安全性。

四、未来超短效胰岛素制剂

1.重组人透明质酸酶与短效胰岛素类似物的合剂(rHuPH20-insulin):透明质酸是细胞外基质的成分之一,在皮下它形成一道天然屏障,可阻止注射的药物扩散至间质组织,从而减慢药物从毛细血管吸收。透明质酸酶可以催化水解透明质酸中N-乙酰氨基葡萄糖和葡萄糖醛酸残基间的P-1,4糖苷键,使透明质酸长链降解,降低其黏度,而增加组织的渗透性。因此可以将透明质酸酶与其他药物组合而增加药物扩散和吸收速度。rHuPH20是重组的人透明质酸酶,可以将它与当前的胰岛素产品(包括重组人胰岛素和速效胰岛素类似物)结合形成合剂,使胰岛素或胰岛素类似物的吸收更迅速、起效更快、作用时间更短,个体间和个体内的胰岛素作用变异性更低。一项在14名健康志愿者中进行的双盲、6次交叉试验比较了3种速效胰岛素类似物(门冬胰岛素、谷赖胰岛素、赖脯胰岛素)合用或不合用rHuPH20的药代动力学和药效学参数,结果显示合用rHuPH20可以使速效胰岛素类似物起效时间快13-25min,作用时间缩短40?49min。

2.Linjeta和BIOD-123:Linjeta是Biodel生物医药公司早期开发的基于普通人胰岛素的超短效胰岛素专利配方原型,也被称为“VIAject”,于2009年12月提交美国FDA新药申请,但未获批准,FDA要求补充两项关键的1H期临床试验。2011年Biodel公司重新改良了原型配方,分别开发了BIOD-123和BIOD-125两个新配方,I期临床试验显示与赖脯胰岛素相比,BIOD-123和BIOD-125达峰时间快近1倍以上,注射部位局部反应相似,似乎BIOD-123耐受性更好。1项在美国30个中心参加的随机、开放标签BIOD-123与赖脯胰岛素对比的II期临床试验已于2013年3月底完成病例招募,结果将于2013年9月底公布。

五、胰岛素的其他给药途径

由于胰岛素注射给药给患者带来心理恐惧和不变,科学家们一直以来致力于研究非注射途径给药的可能性,如口服制剂或舌下含服制剂(IN-105、4-CNAB、VIAtab、Oraliri等)、透皮给药制剂,但这些给药方式普遍存在生物利用度低、降糖疗效弱、个体内变异性大等缺点,目前还不能满足临床需要。另一可能的给药途径是胰岛素吸入制剂,2006年曾经上市首个胰岛素吸入制剂“Exubera",但由于商业原因或其他某些原因生产商于1年后自行撤市。与皮下注射常规胰岛素或赖脯胰岛素相比,Exubera起效快、达峰快(约49min)、持续时间短。理论上吸入胰岛素更适合餐时胰岛素的补充,但吸入胰岛素普遍生物利用度较低,一般只有8%~15%。Afrezza是MannKind公司采用独特的“Technosphere"胰岛素粉末的吸入胰岛素,其生物利用度可高达24%~28%,达峰时间约14min,持续作用时间2~3h。最近发表的一项由10个国家参加的、为期52周的m期临床试验M显示Technosphere吸入胰岛素与门冬胰岛素30具有相似的降糖疗效(平均降低HbAlcO.68%),而轻至中度低血糖和严重低血糖发生率显著低于对照组。它是最有可能近期上市的吸入胰岛素。

总之,在过去的90年间胰岛素治疗取得了巨大的进步。最初的动物胰岛素挽救了无数糖尿病患者的生命;基因重组人胰岛素克服了免疫原性;人胰岛素类似物更好地模拟了生理胰岛素分泌模式,更加方便和安全;下一代起效更快速的餐时胰岛素和作用时间更长而平缓的基础胰岛素有望提供更平稳的血糖控制、更少的低血糖反应,减少糖尿病的并发症和病死率;而吸入或口服胰岛素有可能提供部分患者更为友好的给药方式,提高患者生活质量。
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