Nature | 感应葡萄糖的智能开关胰岛素，减轻低血糖反应
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糖尿病作为一种全球性健康问题，不仅影响患者的生活质量，还可能导致一系列严重并发症，例如心血管疾病、肾脏损害和神经病变。使用胰岛素控制糖尿病虽然有效，但也带来了低血糖的风险。这一风险源于血糖波动的不可预测性，受到多种因素的影响，包括进餐的时间和性质、运动、感染以及个体胰岛素敏感性的变化。为改善血糖控制并避免低血糖风险，自20世纪70年代以来，科学家们开始探索设计能够根据血糖水平变化调节生物活性的胰岛素。
值得注意的是，血糖的变化范围相对狭窄，糖尿病患者的血糖水平通常在2至20-30 mM之间。因此，胰岛素生物活性的变化需要相对陡峭，以便葡萄糖敏感型胰岛素能够产生显著影响。多年来，研究者们一直在探索将葡萄糖敏感开关引入胰岛素分子的可能性。这一开关的设计包括将葡萄糖结合基序（glucose-binding motif）和其结合成分（binding partner，结合到insulin）双重连接到胰岛素上，以便在低血糖状态下诱导胰岛素处于闭合的低活性状态，而在较高血糖浓度时则平衡至开放的高活性状态。为了实现这一目标，葡萄糖结合基序必须在糖尿病患者的狭窄血糖范围内同时对葡萄糖和结合成分具有良好的亲和力。
目前已有尝试使用硼酸盐作为葡萄糖结合体，但该设计的葡萄糖敏感性仍不足以用于药理学应用。之前一个较有前景的例子是与胰岛素配合使用的碳水化合物敏感开关，虽然在高浓度果糖下表现出敏感性，但对葡萄糖则不敏感。
为开发出更具功能性的胰岛素，丹麦Novo Nordisk公司研发部门的Rita Slaaby团队设计了一种名为NNC2215的胰岛素偶联分子，体内实验显示其具有葡萄糖敏感性，能够有效减轻猪的低血糖反应，并在糖尿病大鼠的糖耐量试验（glucose tolerance tests，GTTs）中减少葡萄糖波动。相关研究成果“Glucose-sensitive insulin with attenuation of hypoglycaemia”已于2024年10月16日发表在《自然》期刊上。
图1 NNC2215的功能原理和三维模型
NNC2215是一种具有葡萄糖敏感性开关的胰岛素分子，主要通过在B29Lys位置引入大环化合物，并在B1Phe位置连接一个短链引入O1-葡萄糖苷。该设计结合了葡萄糖结合物、葡萄糖苷、连接体和偶联位点，使NNC2215在葡萄糖浓度变化时表现出葡萄糖敏感的生物活性。当葡萄糖浓度从0增加到20 mM时，胰岛素受体的结合亲和力提高了12.5倍，而在3到20 mM的范围内，这一亲和力提高了3.2倍。
图2 NNC2215的葡萄糖结合特性
等温滴定量热法（isothermal titration calorimetry，ITC）的结果表明，游离的大环化合物与葡萄糖的解离常数（dissociation constant，Kd）为98 µM。通过天然质谱（Native MS）分析了NNC2215与葡萄糖的结合情况。如预期所示，双重偶联体中葡萄糖苷的引入改变了NNC2215相较于游离大环化合物的葡萄糖亲和性，结果表明NNC2215与葡萄糖的解离常数为2.1 mM，这在糖尿病情况下被视为严重低血糖。对照化合物NNC2215a（仅含大环化合物）与葡萄糖的解离常数为0.5 mM。将大环化合物与胰岛素偶联后，其葡萄糖亲和性发生适度变化并不令人意外。总体来看，天然质谱测定结果表明，NNC2215和对照化合物NNC2215a的葡萄糖亲和力分别比游离的大环化合物弱约20倍和5倍，这表明开关动力学得到了有效实现。
在0至20 mM葡萄糖范围内，NNC2215和NNC2215a的葡萄糖结合以及开关的同步开启可通过天然质谱结合图进行追踪，结合曲线的最陡部分对应于低血糖状态（低于4 mM葡萄糖）。
图4 体内实验中NNC2215对葡萄糖浓度敏感性的激活和失活
在大鼠实验中，研究人员使用L-葡萄糖来激活NNC2215，而不会引发内源性胰岛素的释放。给药结果显示，在静脉注射相同剂量的NNC2215后，再给予不同剂量的L-葡萄糖，NNC2215的胰岛素作用以剂量依赖的方式激活，从而降低D-葡萄糖浓度。此外，L-葡萄糖激活后，NNC2215在血浆中的浓度随着L-葡萄糖剂量的增加而逐渐降低，揭示其在体内被清除的过程。
为了评估NNC2215在健康的长白猪（Landrace）–约克猪（Yorkshire）–杜洛克猪（Duroc）中的体内活性，并从根本上消除D-葡萄糖波动对内源性激素释放的影响，实验通过注射生长抑素（somatostatin）来抑制胰高血糖素和胰岛素的分泌。此外，该研究是在不同速率持续输注NNC2215的情况下进行的，同时进行胰高血糖素替代和持续输注葡萄糖。输注5h后，当胰岛素（degludec或NNC2215）和葡萄糖的血浆浓度接近稳定时，停止D-葡萄糖输注。该过程导致血浆D-葡萄糖水平下降，这种下降是由于持续的胰岛素输注所促进的，但与degludec相比，NNC2215的下降幅度较小，从而显示出胰岛素生物活性的葡萄糖敏感开关特性。
总体而言，该研究通过新型胰岛素偶联分子NNC2215，阐明了如何设计分子开关，即使在狭窄的范围内（如血糖水平），使其能够自动调节生物活性，以响应另一分子浓度的变化。NNC2215有望减轻低血糖的风险，并在用餐时部分满足对快速作用胰岛素的需求，从而改善与糖尿病相关的短期和长期风险及并发症。
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08042-3
供稿 | 黄隽豪
责编 | 囡囡
设计 / 排版 | 可洲
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