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胰高血糖素样肽-1及其类似物的结构改造研究进展

2024-08-23 来源:华拓网
医学研究杂志2010年7月 第39卷第7期 ・医学蓟沿・ 胰高血糖素样肽一1及其类似物的结构改造研究进展 孙灵芝 阮学平 阿丽塔 近年来,胰高血糖素样肽一1(glucagon—like peptide一1,GLP一1)以其独特的作用机制成为2型 糖尿病治疗领域的研究热点。GLP一1是一种重要的 肠促胰岛素,由30个氨基酸组成,能通过多种机制降 低血糖。虽然GLP一1具有传统降糖药物无可比拟 的优势,但是其在体内可迅速被二肽基肽酶一Ⅳ (dipeptidyl peptidase—IV,DPP—IV)降解而失去生物 活性,半衰期不足2min,从而限制其在临床上的应 用。因此,如何延长GLP一1的血浆半衰期,同时保 持或增强其生物活性成为各国制药公司和科研人员 的研究目标。 Exendin一4是从钝尾毒蜥的毒液中分离出来的 GLP一1天然类似物,其氨基酸序列与哺乳动物的 GLP一1具有较高的同源性,且具有与GLP一1完全 相同降血糖的功能。Exendin一4的C端多出9个氨 基酸,不易被肽链内切酶降解;N端第2个氨基酸为 甘氨酸,也不会被DPP—IV降解,血浆半衰期为 9.57h。研究者在Exendin一4的基础上进行了各种 结构改造及对肽链的修饰,以提高产量、增加稳定性 和生物活性以及便于制剂等。 本文通过调研国内外的相关文献,对GLP一1及 其天然类似物Exendin一4结构改造方面的研究进行 了较为全面的综述,以期为从事相关研究的制药企业 和科研人员提供参考。 一、GLP一1的结构改造研究 目前国内外研究者主要从两方面着手进行GLP 一1及其类似物的结构改造研究:一是对抗DPP—IV 的水解,主要办法是对GLP一1的N端易被水解的位 置进行氨基酸替换或修饰;另一方面是延缓GLP一1 的肾脏消除速率,以此为出发点进行的结构改造有脂 肪酸修饰、聚乙二醇修饰、与大分子蛋白结合等。 1.GLP一1的N端结构修饰:DPP一1V可特异性 识别GLP一1 N端的Ala 残基,并切除其N端的二肽 作者单位:100020北京,中国医学科学院/北京协和医学院医学 信息研究所 生成没有生物活性的酶解产物,因此对GLP一1的N 端进行结构修饰,可对抗DPP—IV的水解作用。 Green等 对GLP一1的N端进行修饰所得到的衍生 物中,N一焦谷氨酰一GLP一1降血糖作用最强,且不 易被DPP—IV降解;(Val )GLP一1也抵抗DPP—IV 的降解,具有较长的半衰期,且生物活性比内源性 GLP一1高。Sarrauste等 将GLP一1的L—Ala 用 D—Ala 替代,并去掉36位精氨酸后得到¥23521,其 生物活性较GLP一1有所增强,且具有较长半衰期。 2.脂肪酸修饰GLP一1:用脂肪酸修饰GLP一1 后,可促进其与血浆蛋白(如清蛋白)结合,延缓肾小 球对GLP一1的滤过作用,从而延长血浆半衰期。 Chou等 将GLP一1的Lys 和His 分别替代为 Arg 。和des—His ,且将Lys”与辛酸酰化后得到 LY315902,其具有与GLP一1相似的生物活性,半衰 期为3~6h。将GLP一1的Lys”替换成Arg”,并在 Lys 残基上连接16碳酰基链得到Liraglutide,从而在 保留GLP一1活性的同时克服了其易降解的缺点。 Liraglutide的半衰期为11~15h,仅需每日口服一次 就能起到良好的降糖作用。 3.聚乙二醇修饰GLP一1:聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)修饰又称分子的PEG化,GLP一1经PEG 化后相对分子质量增大,肾小球滤过作用减慢,血浆 半衰期延长。GLP一1分子中有3个位点可进行PEG 修饰:His 、Lys 和Lys 。Lee等 对这3个位点 PEG化的最佳反应条件进行了研究,并证实GLP一1 的PEG修饰物都具有较长的半衰期,且保持了良好 的生物活性。Youn 等发现Lys”一PEG—GLP一1 具有促进胰岛素分泌、维持血糖浓度、抗蛋白水解酶 等作用,有潜力成为2型糖尿病治疗药物。Chae 等 研究者用biotin(生物素)以及biotin—PEG修饰 GLP一1的Lys 和Lys”,得到的修饰物具有良好的生 物活性。国内也有PEG化GLP一1的研究,迟玉石 等 将GLP一1易被酶水解的位置Ala 和Ala 。分别 用Gly和Cys替代,然后将Cys 的硫醇基PEG化,得 到的产物具有较长的半衰期和良好的降血糖作用。 ・1 7・ ・医学蓟沼・ 糖的耐受性并控制血糖,同时保留胰岛B细胞的功 能。 4.与大分子蛋白结合:通过化学或生物合成的方 法使GLP一1与大分子蛋白(如人清蛋白等)结合,可 延长其在体内滞留的时间,从而延长半衰期。CJC一 1131是Ala 替换成D—Ala ,且Gly 被Lys”残基取 代的GLP一1类似物。Kim等 在动物皮下注射CJC 一4.PEG和(或)FMS修饰Exendin一4:Amylin公 司的研究者将一个或多个PEG聚合物与Ex一4赖氨 酸上的e一氨基相连,以降低免疫原性,抵抗蛋白酶 水解,增加生物利用度,降低毒性并提高稳定性。 Shechter等 将3个FMS(2一sulfo一9一fluorenylme— 1131后,其C端的赖氨酸残基与体内清蛋白共价 结合,产生一种药物亲和复合物。该复合物既保留了 GLP一1的活性,又能拮抗DPP—IV的降解作用,其半 thoxy—carbony)与Ex一4的3个功能氨基进行共价 衰期约为10天。Albugon是人GLP一1/清蛋白重组 蛋白,半衰期为几个小时至几天,表现出较强的GLP 一1受体激动活性。GLP一1一Tf是GLP一1与转铁 蛋白融合的复合物,由Biorexis生物制药公司开发, 其半衰期长达7天[9 3。GLP一1/IgG—Fc是GLP一1 与IgG重链结合蛋白(IgG—Fc)结合后形成的大分子 复合物,其具有较长的半衰期,而且能增加体内的胰 岛素和GLP一1水平,并增加胰岛B细胞数量 。 二、Exendin一4的结构改造研究 1.Exendin一4的化学合成类似物Exenatide:Ex— enatide(商品名为Byetta)是首个化学全合成的肠促 胰岛素类似物,也是第1个经美国FDA批准的GLP 一1类似物药物,用于对二甲双胍、磺酰脲类无效的2 型糖尿病的辅助治疗。 Exenatide体内半衰期比GLP一1更长,但仍然需 要每日皮下注射1次才能有效控制血糖,与传统降血 糖药物的给药频率相当。为此几大制药公司共同开 发出聚合物微球包裹的Exenatide长效制剂——Ex— enatide LAR,可每周注射1次,全天持续控制2型糖 尿病患者血糖并能降低体重 。 2.截短型Exendin一4:缩短Exendin一4(Ex一4) 碳端肽链长度可使其保持降血糖活性,并易于满足化 学合成和基因工程方法生产的要求,提高产量、降低 成本。在德国曼海姆灵格公司申请的专利中,报道了 一系列截短型的Ex一4多肽片段,包括Ex一4(1— 30)的氨基酸序列¨ 。 3.替换或添加氨基酸:为了降低给药频率,研究 者将Exenatide的Met“替换为Leu“得到AC3174,其 合理的结构设计消除了Met 被氧化的可能,从而提 高了自身的稳定性。Hargrove等” 的研究表明 AC3174具有与Exenatide和GLP~1相似的体内生物 活性和血糖调节活性,且在人体血浆中表现出较高的 稳定性。在Ex一4的N端和C端分别添加组氨酸和 赖氨酸残基可得到AVE0010/ZP10,该化合物可导致 剂量依赖性的空腹血糖降低,同时能有效地改善葡萄 .1 R. 结合,生成一种无治疗活性但可抵抗蛋白酶降解作用 的前药化合物——FMs /Ex一4。体内研究表明,在 单剂量单次注射该化合物的小鼠体内,Ex一4半衰期 明显延长。PEG/Ex一4的半衰期是同等剂量Ex一4 的7~8倍,但由于空间位阻效应遏制了蛋白酶对 PEG/Ex一4多肽的降解,其活性大大降低。为此, Tsubery等 对PEG/Ex一4进行改造并得到PEG/ FMS/Ex一4,该产物能保持长效而稳定地降低血糖 (半衰期约为30h),与同等剂量的Ex一4相比,其活 性提高了7~8倍。 5.与大分子蛋白结合的Ex一4:Ex一4/IgG—Fc 是Ex一4与IgG重链结合蛋白(IgG—Fc)结合后形成 的大分子复合物,能增加体内的胰岛素和GLP一1水 平,并大大增加胰岛B细胞数量,同时半衰期延长。 CJC1134是Ex一4与重组人体白蛋白的共价结合物, 由ConjuChem公司开发 16 3。CJC1134具有良好的耐 受性和降血糖活性,且溶解度大、半衰期较长,可每周 皮下注射给药1次。 三、结构信息暂未公布的GLP一1类似物 还有一些GLP一1类似物处于临床前或已进入 临床试验阶段,出于商业保密或其他原因,研究者尚 未公布其具体的结构信息。LY548806由礼来开发, 其抗DPP一Ⅳ水解能力是GLP一1的25倍,生物活 性与GLP一1相当。BIM51077最初由法国Ispen公 司开发,后被罗氏公司购买。BIM51077的半衰期长, 可~周注射1次,目前已进入Ⅲ期临床试验阶段。 JC003是合成的GLP一1类似物,通过保护试验性糖 尿病大鼠胰岛细胞免受链脲佐菌素的伤害和增加胰 岛B细胞数量来增加胰岛素的表达和分泌,从而降 低血糖浓度 。 虽然目前对GLP一1及其类似物的结构改造研 究已取得可喜的成果,但也要看到不足之处:如多数 药物仍存在不良反应,最常见的是胃肠道反应,即恶 心、呕吐;Exenatide还可能导致部分患者出现急性胰 腺炎。另外,目前的GLP一1类似物药物(如Exenati. 医学研究杂志2010年7月 第39卷第7期 de和Liraglutide)的给药频率为每日1次,与传统降 糖药物给药频率相当,且多为皮下注射。因此在今后 对GLP一1进行结构改造研究时,除延长其作用时间 并改善生物活性以外,还应考虑降低不良反应以及适 合口服等方面。 参考文献 1 Green BD,Mooney MH,Gauh VA,et a1.N—terminal His7一modiif. 医学前沿・ 8 Tiessen RG,Castaigne JP,Dreyfus JF,et a1.Pharmaeokineties and tolerability of a novel long—acting glucagon—like peptide一1 analog, CJC一1 131,in healthy and diabetic subjects[J].Int J Clin Pharma— col Ther,2008,46(9):443—452 9 Green BD,Flatt PR.Incretin hormone mimetics and analogues in dia- betes therapeutics[J].Best Pract Res Clin Endocrinol Metab,2007, 21(4):497—516 Sohani N,Kumar M,Glinka Y,et al In vivo expression of GLP—l/ l mass and protects against lgG—Fc fusion protein enhances beta celcation of glucagon—like peptide一1(7—36)amide generates dipepti— dyl peptidase IV—・stable analogues with potent antihyperglycaemic ac- streptozotocin—induced diabetes[J]. 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