胰島素也能口服？澳洲WEHI研究所與禮來合作，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性高、能夠激活胰島素受體的胰島素替代分子

作者|白州 來源|生輝(ID：SciPhi)

在糖尿病研究領(lǐng)域，科學(xué)家長期致力于尋求一種能夠替代胰島素的分子，想要以此制造出口服的胰島素藥物，從而取代注射胰島素。

制備口服胰島素的阻礙主要是由于胰島素是一種典型的蛋白質(zhì)，而動物的消化道內(nèi)充斥著胃蛋白酶、胰蛋白酶、蛋白水解酶等各種酶類。因此經(jīng)口服的胰島素會在消化道內(nèi)被消化吸收，完全起不到降糖的作用。

“自從一百年前胰島素被發(fā)現(xiàn)以來，開發(fā)胰島素藥丸一直是糖尿病研究人員的夢想，然而經(jīng)過數(shù)十年的嘗試，人們在該研究道路上一直收效甚微。”來自澳大利亞 WEHI 醫(yī)學(xué)研究所（以下簡稱“WEHI”）的高級研究員 Nicholas Kirk 介紹道。

不過，隨著冷凍電子顯微鏡（cryo EM）的發(fā)展，對于胰島素替代分子的研究或?qū)⒌玫斤@著加速。日前，在一項由 WEHI 的 Nicholas Kirk 與 Michael Lawrence 教授領(lǐng)導(dǎo)的最新研究中，研究團(tuán)隊使用冷凍電鏡展示了一些胰島素模擬分子作用于胰島素受體的 3D 圖像。該研究證實，使用胰島素的替代分子可以激活胰島素受體從而吸收葡萄糖，完全繞過了對于胰島素的需求。

該研究同時與美國制藥公司禮來的部分研究人員合作，論文 Activation of the human insulin receptor by non-insulin-related peptides 已發(fā)布于 Nature Communications 期刊。

（來源：Nature Communications）

總體而言，該項研究通過圖像精確地獲知了胰島素模擬分子如何激活胰島素受體從而調(diào)節(jié)血糖水平，該進(jìn)展為開發(fā)用于替代 1 型糖尿病患者的注射胰島素藥物開辟了新途徑。

一

用“簡單的分子”模擬胰島素

在人體代謝方面，人胰島素受體（hIR）在調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)方面起到關(guān)鍵作用。人胰島素受體屬于受體酪氨酸激酶類，其能夠由胰島素、類胰島素一號生長因子（IGF-I）、類胰島素二號生長因子（IGF-II）等激活。

長期以來，眾多研究人員致力于尋找更多種能夠激活胰島素受體通路的分子。2002 年，一項發(fā)布于Mechanisms of Signal Transduction 的論文表明，一些非胰島素相關(guān)的肽家族在動物模型中既可以激活胰島素受體通路，又可以降低血糖水平。這一發(fā)現(xiàn)為胰島素替代藥物的挖掘點燃了希望。

早期的研究者將胰島素和胰島素受體之間的結(jié)合進(jìn)一步拆解成為蛋白質(zhì)之間的相互作用，并且針對胰島素受體表面的關(guān)鍵作用位點展開探索。其中，一種特殊的融合肽（同時具有 site 1 和 site 2 結(jié)構(gòu)）被認(rèn)為是 IR 激動劑。然而，由于缺乏對該類融合肽如何結(jié)合并激活 hIR 實際構(gòu)象的了解，研究人員很難對這些肽家族展開進(jìn)一步的開發(fā)工作。

在最新研究中，研究團(tuán)隊展示了兩種 IR 激動劑，即 IM459 和 IM172 與胰島素受體相互作用的高分辨率視圖。基于單粒子冷凍電子顯微鏡圖像表明，IM459 能夠?qū)?hIR 結(jié)構(gòu)域 L1 與 hIR 結(jié)構(gòu)域 FnIII-1' 交聯(lián)，而 IM172 的 Site 2 組分（“IM172N22”）則能夠與 hIR 胞外域復(fù)合?？傊?，這些數(shù)據(jù)闡明了開發(fā)可用于治療糖尿病的新型 hIR 激動劑的途徑。

▲圖丨胰島素模擬分子（紫色）與部分胰島素受體（灰色）相互作用的 3D 圖像。一旦受體被激活，當(dāng)身體的糖水平過高時，受體就會引導(dǎo)細(xì)胞吸收葡萄糖（來源：WEHI）

具體到兩種分子上看，對于 IM459 復(fù)合胰島素受體的圖像研究是基于肽和被稱為 hIR-Aecto 的受體結(jié)合域構(gòu)建圖像。該圖像中呈現(xiàn)出兩個管狀密度特征，夾在結(jié)構(gòu)域 L1 和 FnIII-1' 之間。其中，首個管狀密度特征經(jīng)分析認(rèn)為是 IM459 的 site 1 組件，域 FnIII-1' 上的第二個管狀密度特征被暫時解釋為 IM459 的 site 2 組件，其結(jié)構(gòu)可能呈螺旋構(gòu)象。

▲圖丨IM459 結(jié)合 hIR-Aecto 的冷凍電鏡圖（來源：Nature Communications）

對于 IM172 而言，研究團(tuán)隊未能獲得與其 site 2 結(jié)構(gòu) IM172N22 復(fù)合的 IR 胞外域圖像。不過，在將 IM172N22 綁定到與胰島素和單克隆抗體 83-7 的可變結(jié)構(gòu)域進(jìn)行預(yù)復(fù)合后發(fā)現(xiàn)，其與 IR 上多個位點發(fā)生相互作用，并且與結(jié)構(gòu)域 FnIII-1 的相互作用十分穩(wěn)定，其螺旋二級結(jié)構(gòu)保持完整。

總體而言，這些分子能夠與胰島素受體相互作用，并將其保持在“活性”位置。“我們使用的肽能夠成對地激活胰島素受體，就像一只手將鉗子夾在一起。”Kirk 對此介紹道。

從生化角度來看，IM459 與 IM172 對于 hIR 的親和力與生物合成的人胰島素具有相當(dāng)?shù)乃?，但它們的結(jié)構(gòu)中包含能夠降低蛋白水解敏感性的突變，這就使得其在穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢。

二

多種 1 型糖尿病的簡便療法獲得快速進(jìn)展

“事實證明，胰島素與受體之間的相互作用比人們預(yù)測的要復(fù)雜得多，胰島素及其受體在合作時會發(fā)生巨大的形狀變化。”Kirk 表示，“借助冷凍電鏡，我們現(xiàn)在可以直接比較包括胰島素在內(nèi)的不同分子如何與胰島素受體發(fā)生作用。”

盡管該項研究成果距離落地轉(zhuǎn)化與治療還很遙遠(yuǎn)，但其發(fā)現(xiàn)或?qū)?1 型糖尿病口服藥物的研究打開大門，從而減少糖尿病患者對注射的需求。

多年以來，科學(xué)家始終致力于為 1 型糖尿病患者帶來更加便捷的治療方式。

今年 11 月，澳大利亞政府向 Garvan 醫(yī)學(xué)研究所提供了數(shù)億美金，以支持 1 型糖尿病基因療法研究。據(jù)悉，該項研究是全球首次將工程化胰島細(xì)胞移植到人類體內(nèi)以治療 1 型糖尿病的臨床試驗，旨在通過 GARV-AAV2-A20 病毒遞送系統(tǒng)，將制造 A20 的基因轉(zhuǎn)運(yùn)到供體胰島細(xì)胞中，然后移植到患者體內(nèi)以達(dá)到治療目的。

▲圖丨胰腺 β 細(xì)胞產(chǎn)生調(diào)節(jié)血糖水平的胰島素（來源：Garvan 研究所）

Garvan 研究所移植免疫學(xué)實驗室負(fù)責(zé)人、首席研究員 Shane Grey 及其團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，一種名為 A20 的蛋白質(zhì)參與自身免疫性疾病的發(fā)生，并對人體免疫系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)作用。Grey 教授因此指出，可以通過 A20 抑制機(jī)體免疫系統(tǒng)，從而阻止其對胰島細(xì)胞的損害并治療 1 型糖尿病。

雖然該基因療法有望減少患者對于胰島素的依賴，然而移植的胰島細(xì)胞的有效性通常會在五年內(nèi)消退。此外，還需要免疫抑制劑來幫助減少排異的風(fēng)險，但這會使患者容易受到嚴(yán)重的副作用，包括感染和腎臟損傷。

除了基因療法之外，通過藥物延緩 1 型糖尿病的發(fā)作成為了另一種治療策略。同樣在 11 月，納斯達(dá)克上市公司 Provention Bio Inc.（Nasdaq：PRVB，以下簡稱為“Provention Bio”）旗下藥物 TZIELD（teplizumab）獲得了 FDA 批準(zhǔn)，成為了首個也是唯一一個用于延緩兒童和成人 1 型糖尿病（T1D）病程的免疫調(diào)節(jié)劑。

（來源：Provention Bio 官網(wǎng)）

TZIELD 是一種靶向 CD3 的抗體藥物，通過靜脈內(nèi)注射給藥，可通過使已對胰腺 β 細(xì)胞發(fā)生自身反應(yīng)的淋巴細(xì)胞失活來延緩 T1D III 期癥狀的發(fā)作。

據(jù) Provention Bio 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Ashleigh Palmer 介紹，TZIELD 是通過阻止自身免疫疾病過程和潛在的 β 細(xì)胞破壞，在癥狀出現(xiàn)之前延緩了疾病的發(fā)生。這種治療實質(zhì)上是重新啟動免疫系統(tǒng)，保留了 β 細(xì)胞功能。

根據(jù)官方資料，TZIELD 注射液是無菌、無防腐劑、透明無色溶液，裝在 2 mg/2 mL（1 mg/mL）單劑量小瓶中，應(yīng)通過靜脈輸注（至少 30 分鐘以上），每天一次，持續(xù) 14 天。目前，每瓶 TZIELD 的售價為 13,850 美元，14 瓶的定價是 193,900 美元。顯然，該價格令部分潛在患者望而生畏。

近期，部分針對 1 型糖尿病的研究表明，同一疾病在不同患者之間存在疾病生理學(xué)的異質(zhì)性。因此，患者將更加需要那些能夠適應(yīng)個性化方案的治療策略，而口服用藥或?qū)⒊蔀槠渲幸豁椨辛Φ慕鉀Q途徑。相關(guān)研究者指出，“我們需要制定多種策略來針對血糖、血糖波動、低血糖并調(diào)整胰島素劑量，這些策略可以根據(jù) 1 型患者的異質(zhì)生理學(xué)和患者偏好進(jìn)行調(diào)整。”

參考資料：

1.https://doi.org/10.1038/s41467-022-33315-8

2.https://doi.org/10.1074/jbc.M202119200

3.https://www.garvan.org.au/news-events/news/world-first-gene-therapy-clinical-trial-for-type-1-diabetes

3.https://www.garvan.org.au/news-events/news/world-first-gene-therapy-clinical-trial-for-type-1-diabetes

編者按：本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號：生輝(ID：SciPhi)，作者：白州