重组人胰岛素类似物研发进展和安全性特点

2018-12-28

糖尿病是目前严重危害人类健康的三大非传染性疾病之一,重组人胰岛素和胰岛素类似物是目前治疗糖尿病的首选药物。利用重组DNA 技术开发胰岛素类似物大大推进了胰岛素的发展。胰岛素类似物则能更好地模拟人生理状态下胰岛素的分泌模式,降低低血糖风险,实现更灵活的给药时间,提高患者依从性,并减少糖尿病并发症。

1 重组人胰岛素类似物

1 1 研发概述

胰岛素由51 个氨基酸组成,有A B 2 条链。A 链含21 个氨基酸残基,B 链含30 个氨基酸残基,2 条链之间通过2 对二硫键相连,A 链自身还有1对二硫键。

1921 年,Banting 首先从动物胰脏提取出胰岛素,开创了胰岛素治疗糖尿病的时代。临床中使用的胰岛素经历了动物胰岛素、重组人胰岛素和重组人胰岛素类似物3 个研发阶段。动物胰岛素包括猪、牛胰岛素,价格便宜,但由于其易导致注射局部甚至全身过敏反应、胰岛素耐药、血糖不稳定等不良反应,已在美国撤市,国内目前仍有生产。20 世纪80 年代,美国礼来公司利用重组DNA 技术研发生产了重组人胰岛素,并生产了短效胰岛素、中效低精蛋白锌胰岛素、预混胰岛素和长效精蛋白锌胰岛素等不同制剂。因为重组人胰岛素结构与人体自身分泌的胰岛素结构完全一致,所以免疫原性较低,但在起效时间、达峰时间、作用持续时间上不能很好地模拟人体生理性胰岛素的分泌模式,用药后发生低血糖概率较大。20 世纪90 年代,研究者们进一步修饰胰岛素肽链,改变胰岛素的理化和生物学特征,研发出较重组人胰岛素更适合人体生理状态的胰岛素类似物,在胰岛素治疗领域取得重大突破。

1 2 上市胰岛素类似物

1 2 1 速效胰岛素类似物( rapid-acting insulin analogues)速效胰岛素类似物通过改变胰岛素B 链氨基酸组成,阻碍分子聚合、加速胰岛素吸收从而达到速效的作用。上市药物有赖脯胰岛素、门冬胰岛素和谷赖胰岛素。赖脯胰岛素[lisproHumalog( 优泌乐) Eli Lilly 公司],于1996 年在美国和欧盟上市,是将胰岛素B 28 位脯氨酸和29 位赖氨酸互换得到。赖脯胰岛素皮下注射后约15 min 起效,30 70 min 达峰,作用持续2 5 h。门冬胰岛素[aspartNovolog /Novorapid ( 诺和锐) Novo Nordisk公司],于1999 年和2000 年先后在欧盟和美国上市,是将胰岛素B 28 位脯氨酸替换为门冬氨酸得到。门冬胰岛素皮下注射后10 20 min 内起效,最大作用时间为注射后1 3 h,作用持续时间为3 5 h。谷赖胰岛素[glulisineApidra( 艾倍得) Sanofi Aventis公司]于2004 年在美国和欧盟上市,是将胰岛素B 3 位和29 位分别替换为赖氨酸和谷氨酸得到,谷赖胰岛素皮下注射后10 20 min 内起效。

相较于重组人胰岛素,速效胰岛素类似物吸收迅速、起效快、可餐前即时注射、达峰时间早、持续时间短、低血糖发生的机率大大降低,临床上用于餐后血糖的控制。临床上主要有低血糖、低钾血症、体重增加、外周性水肿、过敏反应、注射部位刺激性和脂肪代谢障碍等胰岛素治疗常见不良反应。

1 2 2 长效胰岛素类似物( long-acting insulin analogues)长效胰岛素类似物系通过改变胰岛素等电点或使用可溶性脂肪酸酰化胰岛素改变其动力学特征达到长效。上市药物有甘精胰岛素、地特胰岛素和德谷胰岛素。甘精胰岛素[glargineLantus( 来得时) Sanofi Aventis 公司]于2000 年在美国和欧盟上市,是将胰岛素A 21 位天冬氨酸置换成甘氨酸,B 链末端增加2 个精氨酸改变其等电点,皮下注射后可在生理pH 下形成沉淀,达到缓释的目的。甘精胰岛素起效平稳,药物在循环中几乎不出现明显的峰浓度,作用时间维持约24 h。地特胰岛素[detemirLevemir( 诺和平) Novo Nordisk 公司]于2004 年和2005 年先后在欧盟和美国上市,是将脱B30 苏氨酸胰岛素B 29 位赖氨酸ξ 位上共价连接一个14 碳游离脂肪酸侧链,可在注射部位聚合形成双六聚体复合物,并在吸收入循环后通过脂肪酸侧链与白蛋白可逆性结合,从而实现长效。地特胰岛素半衰期为5 7 h6 8 h 达峰,作用持续时间长达24 h。德谷胰岛素[degludecTresiba( 诺和达) Novo Nordisk 公司]于2013 年和2015 年先后在欧盟和美国上市,是将脱B30 苏氨酸胰岛素B 29 位赖氨酸上通过一个L-γ-Glu 16 碳游离脂肪酸连接,可在注射部位聚合形成可溶、稳定的多六聚体复合物,并在吸收入循环后通过脂肪酸侧链与血白蛋白可逆性结合达到长效。德谷胰岛素半衰期约为25 h,作用持续时间> 42 h

相较于重组人胰岛素,长效胰岛素类似物吸收和扩散缓慢稳定,药动学曲线平稳,药效平稳、无明显峰效应,且作用时间长,能模拟正常人生理性基础胰岛素分泌。临床应用可更好控制血糖,减少个体差异,降低低血糖发生率,缓解体重增加。临床上主要有低血糖、过敏反应、注射部位刺激性和脂肪代谢障碍等胰岛素治疗常见不良反应。

上市胰岛素类似物的药动学特征见表1

1 3 研发趋势

为了更好地控制血糖,减少不良反应,新型胰岛素类似物、复方制剂、非注射胰岛素制剂相继问世。同时,市场对胰岛素的需求促进了胰岛素类似物生物类似药的研发。

1 3 1 超速效胰岛素类似物由于现有速效胰岛素还不能完全模拟生理胰岛素分泌,使得餐后血糖控制不佳,研究者通过改变制剂处方增加胰岛素皮下注射后的吸收速率,得到超速效胰岛素。超速效胰岛素可在就餐当时,甚至可在就餐开始后注射,可更有效地改善餐后血糖的控制。

为进一步提高起效速度,在人胰岛素处方中加入EDTA 螯合锌降低胰岛素六聚体稳定性,并加入柠檬酸盐掩盖胰岛素表面电荷,阻止胰岛素六聚体重聚,从而得到新型超速效重组人胰岛素制剂VIAject(Biodel 公司) ,起效比赖脯胰岛素更快。200912 Biodel 公司向FDA 递交了上市申请,经审评,FDA 认为所提供数据不足支持其上市,要求补充资料。重组人透明质酸酶( rHuPH20) 可破坏皮下脂肪层中透明质酸,与rHuPH20 共注射,可加快速效胰岛素类似物吸收及起效。门冬胰岛素处方中加入烟酰胺和L-精氨酸可加速单体形成,得到超速效胰岛素FiAsp( Novo Nordisk 公司) ,已进入Ⅲ期临床试验。Eli Lilly 公司和Adocia 公司利用Biochaperon 技术物理修饰门冬胰岛素,得到的Biochaperonlispro 起效更快,作用时间较短。

1 3 2 长效胰岛素类似物为提高降糖平稳性,减少个体间及个体内差异,增加日间重现性和降低夜间低血糖风险,减少不良反应,研究者致力于新型长效胰岛素类似物的研发。

Eli Lilly 公司研发的LY2605541 PEG lispro。临床数据显示,相比glargineLY2605541 的降糖效果为非劣效,个体变异小,低血糖风险降低,体重增加缓解,但由于其可能引起转氨酶升高及血脂紊乱,已于2015 年停止开发。Sanofi Aventis 公司研发的glargine U300 ( Toujeo) 不是通过分子修饰,而是通过增加胰岛素浓度使作用时间长达36 h。临床数据显示,glargine U300 glargine 降糖效果相当,夜间低血糖风险降低,体重增加减少,耐受性提高。

1 3 3 生物类似药为降低治疗成本、扩大市场竞争以及满足市场需求,许多药企致力于胰岛素类似物生物类似药的开发。胰岛素类似物生物类似药的关键是与原研相似的质量、安全及有效性,生产工艺微小变化、给药装置等均会影响其与原研的可比性。

上市glargine 的生物类似药有Eli Lilly 公司的abasaglar( Basaglar) Merck 公司的lusduna ( MK-1293) lispro 的生物类似药有Sanofi Aventis 公司研发的insulin lispro sanofi( SA342434Admelog)

1 3 4 胰岛素类似物复方制剂复方制剂可减少胰岛素注射次数,简化治疗方案,当前的预混胰岛素类似物受限于鱼精蛋白胰岛素成分,不能提供有效的血糖控制基础覆盖。上市新型复方制剂,包括速效胰岛素与长效胰岛素组合德谷胰岛素/门冬胰岛素注射液( yzodeg 70 /30Novo Nordisk 公司) 、长效胰岛素与非胰岛素类降糖药组合德谷胰岛素/利拉鲁肽注射液( Xultophy 100 /3 6Novo Nordisk 公司) 和甘精胰岛素/利司那肽注射液( SOLIQUATM100 /33Sanofi Aventis 公司) ,在更好控制血糖的同时,不仅可降低患者注射负担,增加用药依从性,还可降低胰岛素剂量,降低单药使用时的低血糖、体重改变等不良反应,具有临床优势。

1 3 5 非注射胰岛素制剂胰岛素制剂一般采取皮下注射给药,可能引起注射部位反应、脂肪代谢障碍等不良反应,长期注射会给患者带来一定的心理和身体影响。为减少或避免这些不良反应,实现微创或无创,提高依从性,国内外研究者正致力于非注射胰岛素的开发,给药途径包括肺部吸入、口服、黏膜、透皮吸收及腹腔内植入泵等方式。

肺吸入给药吸收面积大,可避免首过效应。2006FDA EMA 批准首个吸入胰岛素Exubera上市,但因给药灵活性差、接受度低,于次年撤市。2014 年,FDA 批准Afrezza 上市,相较于赖脯胰岛素起效较快,生物活性峰值较低。这类药物需关注长期用药对肺功能的影响。

口服给药是目前公认最理想的非注射临床给药方式,经口给药后药物在肝门静脉内浓度较高,更接近生理状态下的胰岛素分泌和代谢模式。同时,口服给药可使患者摆脱胰岛素注射的痛苦,提高治疗依从性,具有明显的临床优势。但是,由于口服胰岛素制剂的生物利用度低和每次给药后吸收的不确定性,限制了其临床使用。因此,研发者通过改良和开发胰岛素新剂型、载体材料和制药技术,降低胃肠道酶解,促进肠道可穿透性,提高其口服生物利用度。2014 年,Diasome Pharmaceuticals 公司的HDV-I 获得FDA 批准开展Ⅲ期临床试验。此外,处于临床试验阶段的口服胰岛素候选药还有CapsulinOMD-0801 IN-105 Eligen。但目前口服胰岛素制剂研发仍面临巨大挑战,许多问题仍未解决,如临床给药剂量大、超大剂量胰岛素及胃肠道给药增加了致癌性风险; 饮食对口服胰岛素的影响尚不清楚; 某些因素( 如饮食变化、运动等) 可导致胰岛素暂时性吸收增加、低血糖风险增大等。

黏膜给药可避免首过效应,经鼻给药无创无痛,不影响肺功能,但吸收差,由于鼻纤毛快速清除造成个体差异大。口腔黏膜给药吸收面积大,生物利用度高。目前已有相关制剂进入临床开发阶段,安全性问题主要是黏膜刺激性。透皮给药制剂需克服角质层渗透的问题,给药方便,依从性高,但可能引起局部刺激性。

2 安全性特点

胰岛素类似物可更好地模拟人体正常生理状态下胰岛素分泌,降低临床使用中低血糖风险,用药耐受性提高,胰岛素治疗可能引起抗胰岛素抗体形成。由于这些胰岛素抗体的存在,可能需要调整胰岛素剂量,以纠正高血糖或低血糖的倾向。未见胰岛素类似物因结构改变而使免疫原性增加的报道。临床主要为胰岛素治疗常见不良反应,如低血糖、过敏反应、注射部位反应、脂肪营养不良、体重增加等。但由于胰岛素类似物改变了正常胰岛素的分子结构,可能会带来潜在致癌性及致畸性等方面的安全隐患。

2 1 潜在的致癌性

胰岛素除调节糖代谢外,还能促进细胞有丝分裂。胰岛素类似物由于分子组成和/或结构的改变,可能造成与胰岛素受体和结构相似的胰岛素生长因子-1( IGF-1) 受体结合动力学特征的改变,增强有丝分裂而诱导肿瘤形成。胰岛素的这一作用特点,使得致癌性成为胰岛素类似物安全评估的重要内容。

有文献报道,AspB10 人胰岛素是将胰岛素B 10 位组氨酸替换为天门冬氨酸得到,可诱发大鼠乳腺癌。而且,其与I IGF-1 体外结合的亲和力增强,促细胞有丝分裂活性强于人胰岛素,但具体致癌作用机制尚不明确。回顾性临床试验数据显示,长期使用甘精胰岛素可能增加患癌( 特别是乳腺癌) 风险。但受限于方法学等问题,试验结果仍存在争议,试验结果与临床肿瘤发生的相关性也不明确。鉴于该类药物使用人群广泛且通常为终身用药,新胰岛素类似物在上市前均需要进行全面的致癌性评估。

根据已上市同类药物的致癌性安全性数据,速效胰岛素类似物赖脯胰岛素、门冬胰岛素、谷赖胰岛素与I IGF-1 的亲和力及促有丝分裂活性与人胰岛素相似,遗传毒性试验均未见致突变性。在重复给药毒性试验中,门冬胰岛素、谷赖胰岛素与阴性对照组相比,雌性动物的乳腺肿瘤发生率增加,但在临床应用中未见患癌风险增加。长效胰岛素类似物地特胰岛素、德谷胰岛素与I IGF-1 的亲和力及促有丝分裂活性均低于人胰岛素,非临床研究和临床应用均未见致癌性风险增加。

甘精胰岛素的体外研究显示,甘精胰岛素及其代谢物M1 M2 I 的亲和力与人胰岛素相似,但甘精胰岛素与IGF-1 的亲和力比人胰岛素高约5 8 倍,M1 M2 IGF-1 的亲和力稍低于人胰岛素。2009 FDA 公布的4 项观察性临床试验研究中,3 项研究结果提示甘精胰岛素可增加癌症风险,但受方法学限制,结果不能充分证明甘精胰岛素与癌症的相关性。之后FDA 评估了一项为期5 年、在2 型糖尿病并发视网膜病变的患者中评价口服降糖药联合胰岛素治疗的有效和安全性的临床试验结果。结果显示,相比NPH 重组人胰岛素,甘精胰岛素未导致致癌性风险增加。但是,也有文献报道,长期使用甘精胰岛素可增加患癌( 特别是乳腺癌) 风险,但结果存有争议,需临床数据进一步确证。目前对甘精胰岛素是否会增加患癌风险尚未得出明确结论。因此,建议仅在需要更好控制血糖的情况下使用长效胰岛素,并关注其潜在的致癌性风险。

针对胰岛素类似物的致癌性研究,EMA 200111 月颁布了《胰岛素类似物潜在致癌性的非临床评价》指导原则,建议根据构效关系信息设计最优的体外/体内试验方案来评价安全和有效性,并设置天然人胰岛素及AspB10 胰岛素对照组开展对比研究,慎重评估每一个分子结构改变对胰岛素类似物的药物代谢行为及有丝分裂的潜在影响。

指导原则建议,体外试验应研究受试物与IR,IGF-1 及混合受体的结合/解离的动力学特征、受体激活特征,通过对受体结合动力学和对信号通路的研究,更好地理解化合物的作用特征。以人胰岛素为对照,系统研究受试物对体外/离体细胞的促有丝分裂潜力,包括检测和区分IR, IGF-1 及混合受体介导的促有丝分裂作用,并测定受体亲和力。采用体内试验进一步评价受试物的致癌潜力,如开展为期6 个月的重复给药毒性试验研究。若体外试验和/或重复给药毒性试验显示受试物可诱导有丝分裂增强或引起其他与致癌性相关的安全性担忧,而重复给药毒性试验未见肿瘤发生增加,就有必要进一步开展体内致癌性试验,并在重复给药毒性试验或致癌性试验中考察细胞增殖敏感指标。

2 2 生殖毒性

妊娠期糖尿病可导致母体和胎仔毒性。为预防不良妊娠结局,需严格控制血糖。胰岛素是控制妊娠期高血糖的首选药物。胰岛素类似物由于在胰岛素基础上有不同的分子组成和/或结构的改变,可能改变机体的代谢与有丝分裂活性,从而引起生殖毒性。

药物的生殖毒性试验至今通常使用健康动物进行评估,而胰岛素类药物的药理作用相关的母体降糖作用会影响亲代生殖系统的营养支持和子代营养摄入,从而导致母体生育力毒性和致畸性。因此,通过生殖毒性试验来甄别胰岛素类药物作用本身的来源,或是药理作用降糖引起的致畸性变得困难。

为评估新研发胰岛素类似物妊娠期使用的安全性,EMA 2002 3 月颁布了《胰岛素类似物生殖毒性的非临床评价》指导原则,专门谈论新胰岛素类似物非临床生殖毒性问题。指导原则指出采用健康动物适用于评价胰岛素类似物的致畸性。但是,鉴于药物引起的低血糖可导致畸形,生殖毒性试验应选择合适的给药剂量,便于区分是药物本身或是低血糖来源的致畸性。建议选择最大药效剂量开展试验。此外,还可开展体外试验评价受试物对体外培养胚胎发育的直接作用,或采用妊娠糖尿病模型动物,更好地模拟妊娠糖尿病患者的情况。目前,尚缺乏足够的用妊娠动物疾病模型开展生殖毒性安全评价的经验,该试验的意义有待进一步论证。

上市胰岛素类药物,赖脯胰岛素、门冬胰岛素、谷赖胰岛素、甘精胰岛素、地特胰岛素、德谷胰岛素相比人胰岛素均未显示出额外的非临床生殖毒性担忧。临床数据显示,赖脯胰岛素、门冬胰岛素、地特胰岛素妊娠期使用具有一定的安全性,因此FDA 批准赖脯胰岛素、门冬胰岛素、地特胰岛素用于妊娠期糖尿病的治疗。而甘精胰岛素因缺少孕妇使用的临床安全性数据以及致癌性的不确定性,在FDA 妊娠安全性分级中为C 类,不推荐用于妊娠期妇女。谷赖胰岛素和德古胰岛素还未进行相关研究。

3 展望

研究者们利用基因重组技术研制生产出重组人胰岛素,并进一步修饰胰岛素肽链,改变胰岛素的理化和生物学特征,研发出更适合人体生理需要的胰岛素类似物。新型胰岛素类似物及其制剂提供了更灵活的用药时间,提高了患者用药的依从性,降低了不良反应。为满足更科学合理地控制血糖的临床需求,新型胰岛素类似物研发正往新处方实现更合理的血糖控制时效性,复方联合给药减少给药次数、降低不良反应,以及寻求更便捷的给药途径提高依从性等多方面不断努力。需要研发者和药品监管机构关注的是,胰岛素类似物因其结构方面的不同改变,可能诱导机体代谢改变,并可能具有促有丝分裂活性,因而具有潜在的致癌或致畸风险。因此,胰岛素类似物早期研发过程中非临床致癌性和生殖毒性是安全性方面需要重点评估的内容。由于目前尚缺乏胰岛素类似物临床致癌性和生殖毒性的评估数据,其长期用药的临床安全性需在未来进一步确证。

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