文章作者：洪汀，朱大龙（南京大学医学院附属鼓楼医院 内分泌科，南京 210008）
糖尿病是一种胰岛素分泌相对或绝对不足所致的代谢性疾病，患者血糖水平不断升高，危及心血管、神经、肾脏等诸多组织及器官，发病率逐年上升，目前已成为我国重大的公共卫生问题。胰岛素制剂是目前治疗糖尿病历史最长且疗效广获肯定的重要降糖药物，统计数据显示美国每800万例糖尿病患者中就有300万例需要接受胰岛素治疗。胰岛素制剂问世后历经90余年不断改进，其研发已有长足的进展。本文主要阐述胰岛素及其合成技术的发展历程及新剂型的研发进展。
胰岛素由加拿大科学家Banting和Best于1921年发现，并将其用于糖尿病的治疗中。随着胰岛素的来源、纯度、制备方法等的不断提升，历经“动物胰岛素—半合成及合成人胰岛素—胰岛素类似物”三代的发展，如今新一代注射型胰岛素也已崭露头角。
1.1 动物胰岛素 动物胰岛素为第一代胰岛素产品，主要由猪、牛等动物的胰腺提取或纯化而来。1923年，美国礼来公司成功上市第一支动物胰岛素产品因苏林?，因普通结晶的动物胰岛素与人胰岛素结构不同，极易激活人体免疫反应，目前在发达国家已逐步被淘汰，而在发展中国家由于动物胰岛素价格低廉尚占有一定市场。随后取而代之的是单组分胰岛素，即经凝胶过滤处理后的胰岛素，再利用离子交换色谱法进行纯化，进一步降低胰岛素原的含量并去除部分杂质。早期胰岛素作用时间短，患者每日需多次注射。为减少这种不便，20世纪30年代，科学家向胰岛素中添加了鱼精蛋白和锌离子，开启了对中、长效胰岛素的探索。
1.2 基因重组人胰岛素 20世纪80年代，基因重组技术的出现开启了胰岛素发展的第二个时代。利用生物工程技术获得高纯度的生物合成人胰岛素，其氨基酸排列顺序及生物活性与人体自身分泌的胰岛素完全相同。1982年，美国礼来公司上市了世界上第一支重组人胰岛素——优泌林?，克服了动物胰岛素免疫原性高、过敏反应严重、注射部位脂肪萎缩等不良反应。
目前应用较普遍的重组人胰岛素包括短效、中效及预混人胰岛素3种。短效胰岛素为可溶性制剂，以六聚体形式溶解于中性无色澄清溶液中，六聚体可于皮下解聚形成二聚体或单体，并通过毛细血管壁进入血液循环而发挥作用。注射后30分钟起效，峰值作用时间为1～3小时，整个作用持续时间为5～8小时，可用于皮下、肌内注射及静脉滴注。中效胰岛素为低精蛋白锌中性白色混悬液，只可皮下注射，注射前须充分混匀。注射后1.5小时起效，作用高峰为4～12小时，持续时间为18～24小时。预混胰岛素为双时相低精蛋白锌人胰岛素，是含标示百分比的短效胰岛素和中效胰岛素。但是，基因重组人胰岛素在人体内的利用过程仍与生理性胰岛素的分泌、利用有明显差异，无法完全模拟人生理状态下胰岛素的分泌模式，表现出皮下注射后起效缓慢、高峰延迟、作用时间长的局限性，导致餐后高血糖、注射时间不便、迟发性低血糖发生风险增加。
1.3 人胰岛素类似物 20世纪90年代末，科学家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，研发出人胰岛素类似物，其与人胰岛素相比具备了更加精细、有效的模拟胰岛素生理性分泌的特性。1996年，礼来公司推出世界上第一支胰岛素类似物——优泌乐?。2000年，法国赛诺菲安万特公司上市世界上第一支长效胰岛素类似物——来得时?。
速效胰岛素类似物包括赖脯胰岛素、门冬胰岛素以及谷赖胰岛素3种主要类型。赖脯胰岛素是利用基因工程技术将人胰岛素氨基酸链B28位与B29位的氨基酸互换而得，因此改变了胰岛素B链末端的空间结构，使胰岛素在生理浓度下不易聚合。门冬胰岛素同样采用基因工程技术合成，将人胰岛素氨基酸链B28位的脯氨酸替换为门冬氨酸，利用电荷的排斥作用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。谷赖胰岛素是以赖氨酸替代B3位的天冬酰氨酸、以谷氨酸替代B29位的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，速效胰岛素类似物具有下述优点：①起效快，可于餐前即刻或餐后立即注射，患者依从性好；②达峰快，更符合餐后胰岛素分泌时相；③药效持续时间短，降低餐后低血糖的发生风险。
常见长效胰岛素类似物为甘精胰岛素和地特胰岛素。甘精胰岛素通过人胰岛素分子内氨基酸的置换（A21位门冬氨酸被甘氨酸替代）及在B链羧基末端增加2个精氨酸，改变了多肽的等电点（pH＝5.4～6.7），使其在酸性溶液（pH＝4.0）中能够完全溶解，保持结构稳定；而在中性溶液中溶解度很低，注射入皮下组织（pH＝7.4）后可形成细小的胰岛素微沉淀物，延长吸收及作用时间。此外，这种结构的修饰使其六聚体结构更加稳定，可缓慢、持续地释放药物，不产生血浆峰浓度值，药物释放更接近基础胰岛素分泌特点，同时夜间发生低血糖的概率较低。与普通人胰岛素相比，地特胰岛素去除了B30位的氨基酸，并在B29位的赖氨酸上增加了1个豆蔻酸侧链（C14脂肪酸链），使六聚体在皮下组织的扩散和吸收减慢。在单体状态下，C14脂肪酸链又会与清蛋白结合，进一步减慢胰岛素分子进入血液循环的速度。
此外，预混胰岛素类似物是双相胰岛素类似物预混制剂，可同时模拟基础及餐时胰岛素分泌，能更好地控制血糖，临床应用日渐广泛。
1.4 新一代注射型胰岛素 诺和诺德公司生产的德谷胰岛素为新型超长效基础胰岛素，半衰期达25小时，持续作用超过42小时，呈现超长效无峰的药物代谢动力学特征。研究发现，每日1次不定时给予德谷胰岛素（2次给药间隔为8～40小时）的疗效不劣于甘精胰岛素每日固定时间给药，因此用药更加灵活。
礼来公司研发的基础胰岛素类似物LY2605541，每日注射1次，可用于1型和2型糖尿病的治疗。该类似物为聚乙二醇修饰的赖脯胰岛素，修饰后水合粒径增大，可延缓吸收，降低胰岛素清除率，延长作用时间（至少维持24小时）。LY2605541的2项Ⅱ期临床试验发现，成人1型糖尿病患者用药8周后，使用LY2605541的患者较使用甘精胰岛素的患者血糖控制情况更好；在2型糖尿病患者中，超过12周的时间，LY2605541降低患者每日平均空腹自测血糖水平和糖化血红蛋白（HbA1c）水平的能力与甘精胰岛素相当。
2 口服及吸入型胰岛素：新剂型、新突破
由于使用胰岛素治疗的患者大部分需要终身用药，长期皮下注射胰岛素不仅给患者带来身体上的痛苦，同时也对其心理造成不良影响，很大程度上降低了患者的治疗依从性。因此，越来越多的研究者致力于非注射型胰岛素的研发，其中口服和吸入型胰岛素制剂备受关注。
2.1 口服胰岛素的研发进展
2.1.1?口服胰岛素的独特优势 早在1922～1923年，Joslin曾尝试应用口服胰岛素制剂治疗糖尿病，但未能成功。口服胰岛素一直是糖尿病患者和临床医师向往的理想制剂类型，其具有以下优势：①口服给药方式更方便、灵活，易被患者接受；②简化胰岛素治疗过程，完全无痛，可提高患者的治疗依从性，减少或延缓糖尿病相关并发症的发生，提高患者的生活质量；③口服胰岛素通过肠道吸收，可直接经门静脉进入肝脏，在肝脏局部形成较高浓度，抑制肝糖原分解，减少外周高胰岛素血症的发生，符合人体正常生理状态。
2.1.2 口服胰岛素吸收的主要障碍 目前，包括胰岛素在内的蛋白质生物利用率往往不足1%。研究认为，只有将蛋白质药物的生物利用率提高至30%～40%，才能发挥其使用价值。导致口服胰岛素生物利用率低的主要原因是其易被降解，且肠道吸收率低。解决这一问题的方法是选择合适的载药系统，提高蛋白质及多肽药物在胃肠道的吸收率（克服物理障碍），抑制消化道蛋白酶的活性（克服酶作用屏障），同时尽量克服其他影响因素。近年相关研究涉及油相制剂、酶抑制剂或保护剂、吸收促进剂、微球与毫微囊、脂质体、微乳等的探索。这些新型制剂的开发如能解决口服胰岛素制剂在胃肠道的生物活性、稳定性等问题，将成为非注射型胰岛素研究的重大突破，具有巨大的理论和商业价值。
2.1.3 口服胰岛素制剂的研究进展 目前，国内外关于口服胰岛素制剂的研究报道相对较少，仅有极少数能够获得专利授权、进入临床试验。几款经口给药的胰岛素新药尚处于开发阶段，如诺和诺德公司研发的2款1型和2型糖尿病口服胰岛素——NN1953和NN1954。我国蓝心医药（Biolaxy）科技有限公司研发的纳米微粒的长效胰岛素——Nodlin尚处于Ⅰ期临床试验阶段，Nodlin技术核心是在具有生物黏附性的纳米颗粒中包埋药物，从而有助于避免酶类作用及肠道吸收等问题。令人鼓舞的是，2013年以色列Oramed公司宣布独家新药口服胰岛素ORMD-0801Ⅱ期临床试验成功，将被允许在欧洲以及承认欧洲药监局条例的主要国家作为1型糖尿病的治疗药物使用。但是，目前进入临床试验阶段的药物大多为针对2型糖尿病或1型糖尿病的短效胰岛素，以期能取代餐前注射短效胰岛素，从而控制餐后血糖，大部分患者仍需注射基础胰岛素，无法摆脱胰岛素注射。
2.2 吸入型胰岛素的研发进展
2.2.1 吸入型胰岛素的机制及优点 目前正在研究的吸入型胰岛素包括干粉状和可溶性液态2种剂型。通过专用器械将胰岛素粉末化或雾化，随呼吸经气管到达肺部，后释放胰岛素并迅速吸收进入血液循环，达到降低血糖的目的。吸入型胰岛素与皮下注射型胰岛素相比具有下述优点：①吸收迅速、起效快，无需餐前半小时给药，提高患者治疗依从性；②具有可携带性且使用方便，免除注射痛苦；③粉末化药物可于室温保存；④器具可重复使用，无需严格消毒；⑤低血糖发生率较低。
2.2.2 吸入型胰岛素的疗效及安全性 在一项纳入335例1型糖尿病患者的随机试验中，治疗24周后，吸入治疗组患者平均HbA1c水平为（7.9±1.1）%，常规治疗组则为（7.7±0.9）%；吸入治疗组与常规治疗组患者每月低血糖发生率分别为8.6事件/组及9.0事件/组。在另一项纳入299例2型糖尿病患者的随机试验中，治疗24周后吸入治疗组患者平均HbA1c水平为7.4%，较治疗前下降0.7%，而常规治疗组患者的平均HbA1c水平为7.6%，下降0.6%；吸入治疗组与常规治疗组每月低血糖发生率分别为1.4事件/组及1.6事件/组。上述2项研究表明，吸入型胰岛素与皮下注射胰岛素具有相同的疗效，在低血糖发生率方面，吸入给药方式优于皮下注射，治疗满意度亦高于皮下注射。
目前，临床研究发现吸入型胰岛素最常见的不良反应为咳嗽、咽喉痛或咽部刺激症状，因此不建议有吸烟史及慢性肺部疾病史的患者使用。另一方面，长期吸入胰岛素是否会导致肺功能下降以及肺部疾病的发生，尚有待于长期的临床追踪。此外，尽管各种吸入器给药的精确率已大幅提升，但每例患者胰岛素使用剂量差异较大，如何精确地给予每例患者适当剂量以期更有效、稳定地控制血糖，也是吸入型胰岛素的研发关键。
2.2.3 2种标志性吸入型胰岛素制剂 2006年1月，美国食品药品监督管理局（FDA）批准辉瑞公司研发的雾化吸入型胰岛素——Exubera?用于治疗成人1型和2型糖尿病，这是自1921年胰岛素被发明以来第一个被批准上市的非注射途径给药剂型。但研究显示该药上市仅1年后，因给药装置较大、患者携带不便、剂量换算烦琐、价格昂贵等原因退市，而用药安全性是Exubera退市的主要因素。Exubera吸入后90%的药物残留于肺部，尚不知这些残留的药物是否会对患者造成遗留效应而影响肺功能，且胰岛素有促有丝分裂作用，长时间使用是否会增加肺癌的发生率尚不清楚，对有呼吸系统疾病的糖尿病患者使用这一药物可能影响更大。
2014年6月，FDA正式批准MannKind公司开发的吸入型胰岛素制剂——Afrezza?用于成人1型和2型糖尿病患者的血糖控制。Afrezza?是一种迅速起效的吸入型胰岛素输入设备，于餐前或餐后20分钟给药，但无法替代长效胰岛素，对于1型糖尿病患者，Afrezza?须与长效胰岛素联用。同时，作为超速效胰岛素，Afrezza?具有快进快出的特点。研究显示，吸入Afrezza? 8 U后的tmax中位时间和血浆胰岛素水平恢复至基线的时间分别为15分钟和180分钟，而皮下注射赖脯胰岛素8 U后的tmax中位时间和血浆胰岛素水平恢复至基线的时间分别为60分钟和300分钟，这一特点说明Afrezza?不仅能快速降糖，而且可以避免出现下一餐前低血糖。但Afrezza?说明书中含有加黑框的警告性文字，提示伴哮喘及慢性阻塞性肺疾病的糖尿病患者服用该药后可能出现急性支气管痉挛，而糖尿病酮症酸中毒患者及吸烟糖尿病患者亦不宜服用该药。临床试验中，Afrezza?最常见的不良反应包括低血糖、咳嗽、咽喉痛或咽部刺激症状等。
2.2.4 其他类型胰岛素给药新剂型 Ling等开发的可溶解微针技术可以在皮肤角质及表皮层创建暂时性的亲水通道，帮助小分子、多肽等药物透过皮肤，微针技术处理糖尿病大鼠，其相对生物利用度达92%，说明微针技术在药物包埋及释放方面的可行性。Itea Therapeutics公司开发的经皮递药系统（PassPort）在开启电源后，其敷贴器发出的单脉冲电能转化为热能并快速传导至皮肤表面，创造出数百个微小通道，能快速、持续地将贴片中的药物输入体内。此外，还有Oak等开发了可注射的原位温敏水凝胶缓释体系，Gu等利用静电相互作用制取可以包埋药物、具有葡萄糖响应性的纳米复合材料等，均为实现胰岛素单次注射后保持长效、稳定的作用奠定基础。
3 结语
目前普遍认为胰岛素治疗是最有效的降糖手段，然而在世界范围内使用胰岛素治疗的糖尿病患者的血糖控制达标率仍不令人满意，主要原因包括低血糖发生风险高、患者使用不便、现有胰岛素制剂无法完全模拟生理性胰岛素分泌节律等。口服、吸入型等其他类型胰岛素制剂的研究是一个充满挑战和憧憬的领域，在提倡尽早使用胰岛素强化治疗的今天，无疑提供了具有良好依从性及更接近生理性分泌模式的胰岛素剂型，但在其成为糖尿病患者的正式治疗药物之前，仍需接受更多考验。首先，应通过进一步研究，优化胰岛素制剂的生物利用度和稳定性等参数指标；其次，应在大规模临床试验中，对药物的安全性和对糖尿病及其并发症的控制情况进行长期随访观察。而客观评价这些新型胰岛素制剂的疗效和不良反应，未来将其应用于合适人群及合适的治疗方案中是重中之重。对于新型胰岛素制剂未来发展的方向，临床医师及糖尿病患者将拭目以待。
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