一文盡覽：脂肪酸酰化技術(shù)助力全球首個胰島素周制劑實現(xiàn)創(chuàng)新突破

天堂鶴 2024-01-19 發(fā)布于山西

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多肽和蛋白質(zhì)類藥物已被發(fā)現(xiàn)可用于多種疾病治療，但只能通過注射給藥以及較短的作用時間限制了其在臨床的廣泛應(yīng)用。研究人員利用各種分子工程學技術(shù)對其進行改造，旨在克服以上限制，其中一項被稱為“脂肪酸?；钡募夹g(shù)已成功應(yīng)用于多種肽類藥品的研發(fā)，胰島素是其應(yīng)用最成功的領(lǐng)域之一。近期，成功利用該技術(shù)研發(fā)的全球首個胰島素周制劑——依柯胰島素即將問世。那么，這個潛力無限的技術(shù)的基本原理是什么？有哪些結(jié)構(gòu)要素？其延長藥物作用時間的具體機制有哪些？基礎(chǔ)胰島素又是如何通過這項技術(shù)實現(xiàn)從日制劑到周制劑的突破？一篇發(fā)表在著名雜志Nature子刊的綜述^[1]對該技術(shù)進行了全面介紹，本刊特邀北京協(xié)和醫(yī)院內(nèi)分泌科肖新華教授擇其部分精要撰寫成稿，以饗讀者。

編者按

什么是脂肪酸?；夹g(shù)？

肽類藥物可用于治療多種疾病，藥物開發(fā)潛力巨大，但因其在體內(nèi)容易被酶降解，或因腎臟清除及受體介導的清除作用而導致半衰期較短，因此在臨床應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)為需要頻繁注射給藥，這嚴重影響了患者的治療依從性^[2,3]。為了延長肽類制劑的半衰期，科研工作者使用多種分子工程學技術(shù)對肽類分子進行改造，通過大量研究而取得了重大進展，其中脂肪酸?；夹g(shù)是成功應(yīng)用的代表之一。

脂肪酸?；夹g(shù)的基本原理是脂化過程?！爸逼毡榇嬖谟诟鞣N蛋白質(zhì)翻譯和翻譯后的修飾過程中，不同脂肪酸側(cè)鏈通過與肽鏈連接，賦予蛋白質(zhì)獨特的屬性。脂肪酸?；夹g(shù)就是基于這一原理，通過人工手段，為肽類連接脂肪酸側(cè)鏈，增加其自我聚合力以及與白蛋白的結(jié)合力，降低腎臟和受體介導的清除率，最終達到延長其半衰期的目的^[4]。

脂肪酸酰化技術(shù)的結(jié)構(gòu)要素包括脂肪酸側(cè)鏈、連接子、間隔子和主鏈（圖1）。

圖1. 脂肪酸酰化技術(shù)的結(jié)構(gòu)要素

脂肪酸側(cè)鏈

研究發(fā)現(xiàn)，與一元脂肪酸側(cè)鏈相比，二元脂肪酸側(cè)鏈與白蛋白的親和力更強，并由于烷基鏈ω端增加的羧基而獲得更長的半衰期^[5,6]。此外，白蛋白的親和力與脂肪酸的長度呈強相關(guān)性。迄今為止，研究發(fā)現(xiàn)1,18-十八烷二酸（C18二元酸）和1,20-二十烷二酸（C20二元酸）是與白蛋白親和力最強的兩種脂肪酸。

連接子

連接子是指將脂肪酸側(cè)鏈連接至間隔子或肽類主鏈的結(jié)構(gòu)。

間隔子

間隔子存在于肽鏈與連接子之間，目的是增加空間距離以減輕結(jié)合白蛋白后對目標受體結(jié)合力的影響。如無間隔子，由于肽鏈與白蛋白距離較近，可能導致與同源受體的結(jié)合受到負面影響。在多數(shù)情況下，較長的間隔子使得白蛋白對肽類和受體結(jié)合的負面影響較小，但另一方面，較短的間隔子或無間隔子使得肽類與白蛋白之間的物理距離更近，因而可能在空間上保護肽類，避免被降解，從而延長其半衰期。因此，所選擇的間隔子的長度非常重要，一定要綜合考慮所需的受體結(jié)合水平和期望的半衰期，在二者之間找到一個平衡點。

主鏈

蛋白質(zhì)或肽類的主鏈中與脂肪酸側(cè)鏈結(jié)合的位置非常重要，會對最佳效力和半衰期產(chǎn)生直接的影響。

總之，脂肪酸?；夹g(shù)通過以上結(jié)構(gòu)的改變達到延長肽類半衰期的目標，其主要作用機制包括：首先，通過形成白蛋白-多肽復合物，脂肪酸?；@著增加肽類的分子量，皮下注射后組織內(nèi)擴散速率和透過毛細血管壁的速率顯著下降，同時分子量的增加也會降低肽類經(jīng)腎臟的清除；其次，脂肪酸?；夹g(shù)可以介導肽類單體之間的自我聚合，形成“多聚體”，更高程度的自我聚合同樣可以降低藥物的皮下吸收速率；最后，脂肪酸?；碾念愃幬锟梢耘c循環(huán)中的白蛋白發(fā)生強力且可逆的結(jié)合，從而在循環(huán)中形成“儲庫”，進而延長藥代動力學半衰期。

脂肪酸酰化技術(shù)在胰島素研發(fā)中的最新應(yīng)用

脂肪酸?；夹g(shù)應(yīng)用最成功的領(lǐng)域主要為多肽和小分子蛋白質(zhì)，基礎(chǔ)胰島素類似物是其重要代表。人胰島素是分子量為5808 Da的小分子蛋白質(zhì)，包含A鏈和B鏈，分別包含21個和30個氨基酸殘基，兩條肽鏈之間以兩個二硫鍵相連接^[7]。胰島素的氨基酸序列高度保守，人胰島素分子中有3個位置可以酰化，分別為A1、B1和B29。其中，B29位是最適合進行修飾的，因為A1位?；瘜⒏蓴_胰島素與受體的結(jié)合，而B1位?；瘯黾右葝u素分子的疏水性，進而影響溶解度^[8]。

利用脂肪酸?；夹g(shù)延長胰島素作用時間的首個成功實例是將一種肉豆蔻酸（C14脂肪酸）連接到人胰島素分子上，形成一種長效基礎(chǔ)胰島素類似物，即地特胰島素^[9]。通過將肉豆蔻酸（C14脂肪酸）改成C16二元脂肪酸后，得到了半衰期更長的新一代超長效基礎(chǔ)胰島素類似物——德谷胰島素^[10]。

為了進一步延長基礎(chǔ)胰島素類似物的作用時間，減少注射次數(shù)，研究人員在胰島素的B29位上通過“L-γGlu-2×Ado”這一“連接子-間隔子”結(jié)構(gòu)，連接了一個二十烷二酸（C20二元酸）側(cè)鏈，進一步增加胰島素與白蛋白的親和力。另外，通過將A14位的酪氨酸替換為谷氨酸（A14E）、B16位的酪氨酸替換為組氨酸（B16H）、B25位的苯丙氨酸替換為組氨酸（B25H），進一步降低了胰島素與受體的親和力，從而減少受體介導的清除^[11,12]。

經(jīng)過這一系列調(diào)整，研究者成功研發(fā)出了首個每周僅需注射一次的基礎(chǔ)胰島素周制劑——依柯胰島素，其與白蛋白結(jié)合的親和力比地特胰島素高10倍^[13]。在白蛋白濃度為1.5%的情況下，與人胰島素相比，依柯胰島素與受體的相對親和力為0.03%，大幅降低了受體介導的清除^[13]。

一項在2型糖尿病患者中進行的雙盲、雙模擬Ⅰ期多劑量遞增試驗發(fā)現(xiàn)，分別每周注射一次依柯胰島素12、20、24 nmol/kg，其半衰期可達196 h，滿足每周一次注射需求^[14]（圖2）；并且，依柯胰島素每周一次注射，穩(wěn)態(tài)下葡萄糖鉗夾試驗顯示的降糖療效在一周7天內(nèi)日間分布接近平均^[14]（圖3）。

圖2. 依柯胰島素多次注射后的藥代動力學特征曲線

圖3. 穩(wěn)態(tài)時依柯胰島素在一周7天內(nèi)降糖療效的日間分布

目前，依柯胰島素已完成全部3a期臨床研究（ONWARDS研究項目）^[15-20]，正等待美國、歐盟和中國等多地的上市批準。即將到來的胰島素周制劑將有望重塑基礎(chǔ)胰島素治療模式，注射次數(shù)從日制劑的每年365次減少到52次，這將大大減少患者注射負擔，提高患者治療的依從性和持續(xù)性。

綜上，通過脂肪酸?；夹g(shù)，全球首個基礎(chǔ)胰島素周制劑——依柯胰島素在皮下注射后，獲得強大且可逆的與白蛋白結(jié)合的能力，在循環(huán)中與白蛋白結(jié)合形成儲庫，并通過降低與胰島素受體的親和力，減少受體介導的清除。在多種機制共同作用下，活性胰島素單體從儲庫中緩慢、持續(xù)地釋放，如“涓涓細流”作用于靶器官和組織，在保留降糖療效的同時有效延長體內(nèi)藥代動力學半衰期，率先實現(xiàn)從日制劑到周制劑的創(chuàng)新性突破。

展望

脂肪酸?；且豁椊?jīng)過臨床驗證的具有多用途的研發(fā)技術(shù)，可用于優(yōu)化多肽和蛋白質(zhì)類藥物的藥理學特性，已成功應(yīng)用于一系列藥物研發(fā)。該技術(shù)可以延長天然肽類分子的半衰期，從而實現(xiàn)每日一次、每周一次甚至更低頻率的給藥。未來，脂肪酸?；€可應(yīng)用于輔助生物藥品的口服遞送，并可能改變其在不同組織中的分布等。

脂肪酸酰化技術(shù)安全可靠，改造后的藥物化學性質(zhì)明確，并可以通過多種藥用化學方法優(yōu)化，實現(xiàn)具有成本效益的大規(guī)模生產(chǎn)。隨著該技術(shù)在藥物研發(fā)中的廣泛應(yīng)用，其未來有望在肽類生物制藥領(lǐng)域釋放出更大的潛能。

參考文獻

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（來源：《國際糖尿病》編輯部）