糖尿病明星靶点GLP-1R

摘要

糖尿病已经成为威胁人类生命健康的最大危害之一，以2型糖尿病（T2D）为主。我们都知道，糖尿病最典型的特征就是血糖的异常升高。胰岛素（Insulin）是人体中天然的降血糖物质，而胰高血糖素（Glucagon）则是升血糖物质，二者相互制衡，调控体内血糖的平衡，当这种平衡被打破，则会出现高血糖。当然，事实远非这么简单，参与血糖调控的因素千千万，今天我们要介绍的是胰高血糖素样肽1（GLP-1），它的发现开辟了糖尿病治疗的一条大道。

GLP1的发现    
上世纪中后期，人们发现肠道提取物具有降低血糖的作用。此外，将葡萄糖注射到肠道比注射到静脉能够刺激产生更多的胰岛素。这些发现使人们开始了对肠促胰岛素激素的研究。上世纪70年代，人们发现了第一种肠促胰岛素激素，葡萄糖依赖性促胰岛素多肽（GIP），随后又发现了第二种，即GLP-1。到了80年代，人们解开了前胰高血糖素（Proglucagon）的氨基酸和基因序列（图1）。可以看到，胰高血糖素并不是由单一的一条基因表达，而是嵌合在一个更大的基因中，当这个大基因表达出一个大肽链（称激素前体）以后，再由特定的酶进行切割，经过翻译后修饰最终获得不同生物活性的片段。    
Proglucagon主要在肠道、胰腺和后脑表达。肠道和大脑细胞中含有前蛋白转化酶1（PC1），能够将proglucagon切割成Glicentin，Oxyntomodulin，GLP-1，GLP-2和IP-2，而胰岛细胞中含有前蛋白转化酶2（PC2），能够将proglucagon切割成Glucagon和MPGF（图1）。因此，人体血液中的GLP-1主要是通过肠道分泌而来。    
图1 人源前胰高血糖素的基因序列以及各器官中表达的片段 （来源：Discovery, characterization, and clinical development of the glucagon-like peptides） 
GLP1的生理作用    
GLP-1主要由肠道L细胞分泌，当肠道受到营养素的刺激，则会大量分泌GLP-1。GLP-1发挥作用依赖于其受体——GLP-1R。GLP-1R广泛地分布在身体各个组织，不仅仅局限于胰腺组织（图2）。在胰腺α细胞中，GLP-1可降低胰高血糖素的分泌，而在胰腺β细胞中，GLP-1可促进胰岛素的分泌，二者共同降低血糖，这使得GLP-1R成为治疗糖尿病的重要靶点之一。此外，GLP-1可促进β细胞增殖，同时保护其免受内质网应激造成的死亡。在肠道内，GLP-1能够刺激隐窝细胞的分裂增殖，起到肠道促生长的作用。肠道上皮内淋巴细胞在GLP-1的作用下，可减弱炎症反应，保护肠道组织。在大脑中，GLP-1能够降低食欲，并减弱对某些食物的成瘾性行为，因而可以用于治疗肥胖。在心血管系统中，GLP-1R也有表达，GLP-1能够提高心率，增加心输出量，具有心脏保护的功能。
图2 GLP-1的生理作用 （来源：Recent Advances in Incretin-Based Pharmacotherapies for the Treatment of Obesity andDiabetes）    
GLP1R激动剂研究现状     Exendine-4是世界上第一个GLP-1R激动剂，它其实是一种毒蜥唾液中的激素，在一次偶然的机会中被发现具有降糖的作用，并且稳定性比GLP-1高了不少，遂开发成药，名为艾塞那肽（Exenatide），于2005年在美国上市。  
目前，全球共有8款单独使用的GLP-1R激动剂获批上市（表1），主要用于治疗糖尿病和肥胖。其中有2款来自中国，一个是豪森药业的聚乙二醇洛塞那肽（PEG-Loxenatide），另一个是仁会生物的贝那鲁肽（Beinaglutide），分别于2019年和2016年在国内获批上市。   这些激动剂大致可分为两类，一类是GLP-1衍生物，包括贝那鲁肽（Beinaglutide）、利拉鲁肽（Lilaglutide）、阿必鲁肽（Albiglutide）、司美格鲁肽（Semaglutide）和杜拉鲁肽（Dulaglutide），另一类是艾塞那肽衍生物，包括利司那肽（Lixisenatide）和聚乙二醇洛塞那肽（PEG-Loxenatide）。    
GLP-1R激动剂的难点及其对策    
GLP-1R激动剂的最大难点就是过短的半衰期，目前的激动剂从总体结构上看都属于GLP-1类似物，即便是艾塞那肽也和GLP-1具有一半以上的同源性，它们的不同就在于使用了不同的手段提高半衰期。    
图3不同药物提高半衰期的策略（来源：Recent Advances in Incretin-Based Pharmacotherapies for theTreatment of Obesity and Diabetes）
（1）防止DPP-4降解。这是最常用的方法，它的策略是在第二个N端氨基酸位置（Ala8）进行修饰，以防止DPP-4降解。这种结构修饰已应用于艾塞那肽、利昔那肽、塞马鲁肽、杜拉鲁肽和阿比鲁肽。    

（2）与白蛋白结合。Albilutide（葛兰素史克）是由两个GLP-1分子与人类白蛋白融合而成，增加了GLP-1的水解稳定性，并减慢了肾脏清除，半衰期延长到120h。白蛋白以pH依赖的方式与新生儿Fc受体（FcRn）结合，从而避免被降解。药物被内皮细胞内吞后，由于内吞体中为弱酸性，白蛋白与FcRn结合，GLP-1跟随白蛋白从溶酶体中分离出来，并返回质膜，再次进入全身循环（图4）。  
图4 白蛋白与IgG通过FcRn逃避降解（GLP-1融合到白蛋白或IgG可延长半衰期 （来源：Theneonatal Fc receptor: Key to homeostasic control of IgG and IgG-relatedbiopharmaceuticals）

（3）脂肪酸酰化。通过将特定氨基酸残基进行脂肪酸酰化，促进分子自缔合，从而延长药物从注射部位的扩散时间，此外，脂肪酸部分可以人血清白蛋白（HSA）发生可逆的非共价结合，减缓肾脏清除。该策略已应用于利拉鲁肽和塞马鲁肽，半衰期分别达到12h和160h。
（4）聚乙二醇化。聚乙二醇（PEG）是一种水溶性惰性聚合物，可降低药物的肾脏清除率，延长半衰期，此外，还能增强水溶性，防止蛋白质水解。PEG和药物分子之间的连接可以是稳定的，也可以是可降解的，后者通常用于前药。最重要的是，它不影响结合蛋白的折叠稳定性。豪森的洛塞那肽（PEG-Loxenatide）用的就是这种策略。
（5）与Fc融合。前面已经讲到GLP-1与白蛋白融合，能够逃避溶酶体降解。类似的方法，将GLP-1与IgG融合能够达到同样的的效果（图4）。这一策略已应用于杜拉鲁肽，即将两个GLP-1分子融合到IgG4的Fc片段，增加了半衰期，同时由于分子量的增加，减少了肾脏消除。
（6）缓释剂。Bydureon®（阿斯利康）是艾塞那肽的缓释（ER）制剂，只需要一周一次给药。通过将艾塞那肽（exendin-4）掺入直径为0.06 mm的可生物降解微球中实现缓释，该微球包含50:50的聚（D，L-丙交酯-共-乙交酯）（PLG）聚合物和蔗糖。在人体内，PLG聚合物通过酯键的非催化水解缓慢降解为乳酸和乙醇酸，最终以二氧化碳和水的形式消除。
（7）口服制剂。我们都知道多肽药物一般无法口服，因为胃酸会直接将其降解，但塞马鲁肽实现了突破。在Rybelsus®（诺和诺德）中，Semalutide与N-[8-（2-羟基苯甲酰）氨基辛酸钠（SNAC）形成非共价连接，SNAC保护多肽免受酶和酸的降解，并加速其在胃中的定点释放和吸收（图5）。
图5 SNAC协助Semaglutide穿过胃壁 （来源：IntestinalPermeation Enhancers for Oral Delivery of Macromolecules: A Comparison betweenSalcaprozate Sodium (SNAC) and Sodium Caprate (C10)）
 

总结

从发现GLP-1到现在，已经过去了半个世纪，它的出现为人类对抗糖尿病提供了一种新的途径。如今，还有一大批进入临床试验的GLP-1R激动剂，未来将迎来一次大爆发，让我们一起拭目以待。

主要参考文献 

[1]    Tan, Q., Akindehin, S. E.,Orsso, C. E., Waldner, R. C., DiMarchi, R. D., Müller, T. D., & Haqq, A. M.(2022). Recent Advances in Incretin-BasedPharmacotherapies for the Treatment of Obesity and Diabetes. Frontiers inendocrinology, 13, 838410. 
 [2]    Drucker, D. J., Habener, J. F.,& Holst, J. J. (2017). Discovery, characterization,and clinical development of the glucagon-like peptides. The Journal ofclinical investigation, 127(12), 4217–4227.

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