肠促胰岛素类药物Exendin-4的研究综述

肠促胰岛素类药物Exendin-4的研究综述

白桦1陆菊明2

白桦1陆菊明2

1解放军总医院第一附属医院(北京100048)2解放军总医院内分泌科

［中图分类号］R969.2［文献标识码］A［文章编号］1810－5734(2010)5-0075-03

肠促胰岛素（Incretin）是一类中等长度的直链多肽激素,因其最初被发现在肠道生成且具有促胰岛素分泌作用而得名。人体肠促胰岛素包括胰高血糖素样肽-1（Glucagon-LikePeptide-1，以下简称GLP-1）和胃泌肽（Glucose-dependentInsulinotropicPolypeptide，GIP）［１，２］。GLP-1为是人体自身分泌的肽类激素，是胰高血糖素前原(Preproglucagon)基因表达产物在肠粘膜的朗罕氏细胞内被降解而产生。GLP-1于1980年在胰高血糖素原基因序列分析工作中被发现，因其与胰高血糖素有相似的空间构象［３］和50%的氨基酸同源性［４］而得名。胰高血糖素原在肠道的降解产生了含69个氨基酸残基的肠高血糖素（Glicentin）,35个氨基酸残基的GLP-2及30个氨基酸残基的GLP-1(7-37)。一部分GLP-1(7-37)肽链的C末端氨基酸截断并被酰胺化成为GLP-1(7-36)-NH2。GLP-1的基因序列极为保守，在哺乳动物体内保持100%的同源性［５］，由于GLP-1受体广泛分布于机体各器官，GLP-1的药理作用和相应的作用机制较多Exendin-4是一条39个氨基酸组成的直链多肽，最初由南美巨蜥的唾液分离提取获得。它的氨基酸残基与哺乳动物GLP-1序列有52％的同源性［９］，其与GLP-1的最大不同之处在于N端第2位的甘氨酸(Gly)耐血液中二肽基肽酶（DPP-Ⅳ）［１０］，GLP-1的相同位置则为极易被DPP-Ⅳ切断的丙氨酸（Ala），故Exendin-4被吸收入血后的半衰期较长（t1/2=2.4h）。Exendin-4是一种强效GLP-1受体激动剂，能模拟GLP-1这种内源性多肽的糖调控作用，降低空腹和餐后血糖。Exenatide的活性主要通过与人体胰脏GLP-1受体结合而介导，由环腺苷酸（cAMP）依赖和β细胞分化机制引发葡萄糖依赖的胰岛素合成和分泌。因为Exendin-4的氨基酸结构及生物活性与GLP-1均具有相关性，故通常它也被视为肠促胰岛素的一种。

由于Exendin-4的降糖作用时间较长，延缓胃排空和抑制摄食冲动对肥胖病人体重的有益作用又有别于传统的降糖药物，因此其作为2型糖尿病治疗药物开发的潜力巨大。随着Exendin-4结构为活性单体的药物（英文通用名为Exenatide）于2005年在美国上市，诸多研究工作遂快速进入轨道。目前对Exendin-4进行的药物研究主要为制备工艺，作用机制，内分泌代谢病临床，分子药理学和药剂学研究。

已上市的Exendin-4药物（Exenatide）采用的是多肽合成法的制备工艺。由于基因工程发酵技术在制备中长度多肽药物方面相对化学合成法具有成本优势且不存在专利纠纷，近年来国内研究者运用大肠杆菌［１1，1２］和毕赤酵母［１３］进行Exendin-4表达。有文献报道重组Exendin-4的表达量达到3.15mg/10g菌体［１1］。

Exendin-4的作用机制基本与GLP-1相同。一项试验以离体β细胞和Irs2基因敲除小鼠为工具的研究分析了这个长效GLP-1受体激动剂与胰岛素/IGF信号级联的IRS分支的相互关系［１4］。Exendin-4提高人体胰岛和Min6细胞的cAMP水平，该作用提升Irs2表达和Akt磷酸化。Exendin-4对小鼠28天连续给药能2倍提升β细胞集落。与之对照的是其无法逆转Irs2-/-小鼠β细胞的进行性损失，动物最终发展到致死性糖尿病；然而它可通过提高剩余胰岛的胰岛素分泌延缓糖尿病进程达3周。结论是GLP-1受体激动剂的一些短期治疗效应可能不依赖Irs2，但影响β细胞生长和存活的长期效应却是由该信号级联分支调控的。

临床研究包括安慰剂对照的Exenatide与各类口服降糖药物合用的药效试验，以甘精胰岛素为对照的Exenatide单独治疗试验和以为对照的试验等。其中合用的口服降糖药物包括二甲双胍［１5］、磺脲药［１6}和噻唑烷二酮类胰岛素增敏剂［１7］，这三种药物与Exenatide合用在血糖和体重控制方面都取得了较单一治疗更好的疗效。Exenatide一天两次注射（10μg）对餐后血糖的控制优于甘精胰岛素（一种胰岛素类似物，临床一天一次注射适量单位），后者对空腹血糖的改善优于Exenatide。两者的最大区别在于26周治疗后Exenatide组病人的体重减轻而甘精胰岛素组增加，然而胃肠道反应也相应的高于甘精胰岛素组，两组的恶心和呕吐发生率的对比分别为42.6%比3.1%和9.6%比3.1%［１8］。药动学试验主要研究了肾功能不全［１9］及合用常用药物（华法林［20］、地高辛［21］、对乙酰氨基酚［22］）等因素对Exenatide药代动力学的影响。

分子药理学研究围绕Exendin-4多肽链末端氨基酸序列与受体亲和力的关系展开。人体GLP-1(7-36)和Exendin-4在N端的氨基酸序列具有很强的保守性，仅在第2位有不同。两者的差别集中在中央部分的相应残基以及Exendin-4的C端剩余9个氨基酸残基。由于结构不同，两者与GLP-1受体的结合也不尽相同：首先是GLP-1需要全部长度结合来维持高亲和力，尤其是N端不可缺，反观Exendin-4的N端8个氨基酸残基对结合活力的影响不大［23］。其次Exendin-4结合到受体的N端区域即可达到全长亲和力，而GLP-1则需要结合到N、J两个区域［24］。

现在对这种较高亲和力现象的解释有两种，一种是其C端Trp区域可与GLP-1受体产生附加结合。另一种是配体中央部分的相应残基不同决定了两者的亲和力不同。当然有一点是可以明确的，那就是Exendin-4的C端9个氨基酸残基对于其亲和力及活性的影响都很明显。Exendin-4(1-30)相对Exendin-4(1-39)的亲和力常数半有效浓度(IC50)及活性半有效浓度（EC50）分别升高25倍和10倍，提示C端9个氨基酸的缺失使其受体亲和力和活性大大减小［25］。上述研究对目前肠促胰岛素类药物聚乙二醇（PEG）化结构修饰的结合位点选择具有重要意义。聚乙二醇（PEG）结合的治疗类多肽/蛋白已经显示出比未结合母药更优越的特性。文献报道了一种MAL-FMS-OSU的设计和合成［26］。这个双官能团物质能通过一种缓慢的水解化学结合使PEG连上多肽和蛋白质。这样生成的PEG-FMS-多肽/蛋白质配体在pH8.5，37℃的环境下自发水解，其速度缓慢，反应的t1/2为8-14±2小时，生成改构前的母药分子。对小鼠单次皮下注射PEG40000-FMS-exendin-4使血糖水平的控制得到延长并且稳定（t1/2=30±2h），药效要超越同剂量未改构母药7-8倍。

长效剂型研究是获得肠促胰岛素类药物取得良好用药依从性的重要途径，通过聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）微球包埋制备的长效Exenatide（ExenatideLAR）已完成Ⅲ期临床试验。其用法为单剂7天一次给药，每次2mg，10周后可获得稳定的血药坪浓度（71.7pmol/L），而10μg一天两次给药所能达到的最大血药浓度约为50pmol/L［27］。

综上所述，Exenatide是一类新兴的2型糖尿病治疗用多肽生物药，相对传统治疗药物有自身特点。由于应用肠促胰岛素类药物的低血糖反应较少，对体重的益处较多，临床上存在潜在的以该类药物替代胰岛素的应用倾向。剂型变更方面以长效药物为开发方向以克服注射剂用药依从性差的缺点。

参考文献

［１］McIntyreN,HoldsworthCD,TurnerDS.Intestinalfactorsinthecontrolofinsulinsecretion.JClinEndocrinol1965;25:1317–24.

［2］NauckMA,HombergerE,SiegelEG,AllenRC,EatonRP,EbertR,etal.IncretineffectsofincreasingglucoseloadsinmancalculatedfromvenousinsulinandC-peptideresponses.JClinEndocrinolMetab1986;63:492–8.

［3］HolstJJ.Glucagon-likepeptide-1(GLP-1)anewlydiscoveredGIhormone.Gastroenterology19941071848±1855.

［4］BellGI,SanterreRF,MullenbachGT.Hamsterpreproglucagoncontainsthesequenceofglucagonandtworelatedpeptides.Nature.1983;302:716-718

［5］OrsakovC.Glucagon-likepeptide-1,anewhormoneoftheenteroinsularaxis.Diabetologia199235701±711

［6］HolzGG,LeechCA&HabenerJF.ActivationofacAMP-regulatedCa2+-signalingpathwayinpancreaticbeta-cellsbytheinsulinotropichormoneglucagon-likepeptide-1.JournalofBiologicalChemistry199527017749±17757.

［7］RedondoA,TrigoMV,AcitoresA,ValverdeI,Villanueva-Pe?acarrilloML.CellsignallingoftheGLP-1actioninratliver.MolCellEndocrinol.2003Jun30;204(1-2):43-50.

［8］RandyJ.Seeley,KathleenBlake,PaulA.Rushing,etal.TheRoleofCNSGlucagon-LikePeptide-1(7-36)AmideReceptorsinMediatingtheVisceralIllnessEffectsofLithiumChlorideTheJournalofNeuroscience,February15,2000,20(4):1616-1621

［9］EngJ,KleinmanWA,SinghL,SinghG,RaufmanJP.Isolationandcharacterizationofexendin-4,anexendin-3analogue,fromHelodermasuspectumvenom.Furtherevidenceforanexendinreceptorondispersedacinifromguineapigpancreas.JBiolChem1992;267:7402–5.

［１0］Fineman,M.S.,Bicsak,T.A.,Shen,L.Z.,Taylor,K.,Gaines,EVarns,A.,etal.(2003).Effectonglycemiccontrolofexenatide(syntheticexendin-4)additivetoexistingmetforminand/orsufonylureatreatmentinpatientswithtype2diabetes.Diab.Car26,2370–2377.

［１1］Expressionandpurificationofexendin-4,aGLP-1receptoragonist,inEscherichiacoli.ProteinExprPurif.2005Jun;41(2):259-65.YinX,WeiD,YiL,TaoX,MaY.

［１2］Expressionandpurificationofexendin-4dimerinEscherichiacoliand

itsinteractionwithGLP-1receptorinvitro.ProteinPeptLett.2006;13(8):823-7

［１3］Purificationandbioactivityofexendin-4,apeptideanalogueofGLP-1,expressedinPichiapastoris.BiotechnolLett.2007Dec1

［１4］SunminPark,XiaochengDong,TracyL.Fisher,SarahDunn,A.KadirOmer,GordonWeirandMorrisF.White.Exendin-4UsesIrs2SignalingtoMediatePancreaticβCellGrowthandFunction.JBC.November4，2005

［１5］EffectsofExenatide(Exendin-4)onGlycemicControlandWeightOver30WeeksinMetformin-TreatedPatientsWithType2Diabetes.DiabetesCare28:1092–1100,2005

［１6］EffectsofExenatide(Exendin-4)onGlycemicControlOver30WeeksinSulfonylurea-TreatedPatientsWithType2Diabetes.DiabetesCare27:2628–2635,2004

［１7］TheEffectofAddingExenatidetoaThiazolidinedioneinSuboptimallyControlledType2Diabetes.AnnInternMed.2007;146:477-485

［１8］BarnettAH,BurgerJ,JohnsD,BrodowsR,KendallDM,RobertsA,TrautmannMETolerabilityandefficacyofexenatideandtitratedinsulinglargineinadultpatientswithtype2diabetespreviouslyuncontrolledwithmetforminorasulfonylurea:amultinational,randomized,open-label,two-period,crossovernoninferioritytrialClinTher.2007Nov;29(11):2333-48.

［１9］Effectofrenalimpairmentonthepharmacokineticsofexenatide.BrJClinPharmacol.2007Sep;64(3):317-27.Epub2007Apr10.

［20］EffectofexenatideonthepharmacokineticsandpharmacodynamicsofwarfarininhealthyAsianmen.JClinPharmacol.2006Oct;46(10):1179-87

［2１］Effectofexenatideonthesteady-statepharmacokineticsofdigoxin.JClinPharmacol.2005Sep;45(9):1032-7.

［22］Pharmacokineticsofanoraldrug(acetaminophen)administeredatvarioustimesinrelationtosubcutaneousinjectionofexenatide(exendin-4)inhealthysubjects.JClinPharmacol.2005May;45(5):570-7.

［23］PeptidebindingattheGLP-1receptor.BiochemSocTrans.2007Aug;35(Pt4):713-6.

［24］DifferentialstructuralpropertiesofGLP-1andexendin-4determinetheirrelativeaffinityfortheGLP-1receptorN-terminalextracellulardomain.Biochemistry.2007May15;46(19):5830-40.Epub2007Apr20.

［25］Amodelforreceptor-peptidebindingattheglucagon-likepeptide-1(GLP-1)receptorthroughtheanalysisoftruncatedligandsandreceptorsBritishJournalofPharmacology(2003)140,339-346

［26］ProlongingtheActionofProteinandPeptideDrugsbyaNovelApproachofReversiblePolyethyleneGlycolModification.THEJOURNALOFBIOLOGICALCHEMISTRYVol.279,No.37,IssueofSeptember10,pp.38118-38124,2004

［27］DruckerDJ,etal.Lancet.2008;372:1240-1250.