那格列奈独特的药效学作用机制

那格列奈独特的药效学作用机制S.Hui，2,B.R.Boettcher2,B.E.Dunning2NovartisInstituteforBiomedicalResearch,NewHersey,USAMetabolicandCardiovascularDiseases,NovartisInstituteforBiomedicalResearch,NewJersey,USA摘要那格列奈，苯丙氨酸衍生物，属于新一代快速、短效的胰岛素促泌剂。这类药物的特点是减少与药物控制相关的低血糖发生的危险性，以及减少胰岛B细胞衰竭的可能性。那格列奈介导的胰岛B细胞分泌胰岛素是通过与细胞上的磺脲类药物受体相结合，导致ATP敏感的K+通道关闭。越来越多地来自受体结合、机制和体内外胰岛素的研究证据显示那格列奈具有独特的药效学和药代动力学特点。与磺脲类药物不同，那格列奈关闭B细胞Katp通道所需的时间和格列苯脲相似，是瑞格列奈的3倍、格列美脲的5倍。此外，作用恢复时间亦快，是格列苯脲和格列美脲的2倍、瑞格列奈的5倍。这些特性导致快而短的胰岛素反应，形成餐时生理模式的胰岛素释放。那格列奈发挥作用无需进入到6细胞中，该药的动力学特点是选择性恢复早期时相的胰岛素分泌。因此那格列奈的预期作用是控制餐后血糖，并使低血糖发生的危险性最低化。关键词：2型糖尿病餐后高血糖胰岛素分泌糖耐量低减磺脲类药物胰岛素分泌反应背景餐后血糖水平是整个血糖的重要组成部分，餐后高血糖是发生糖尿病大血管并发症的独立危险因素［1］。胰岛素分泌动力学受损失糖耐量低减和2型糖尿病时餐后高血糖的主要原因。事实上，胰岛素分泌早期时相受损的进行性发展会使从糖耐量正常进展到糖耐量低减，最终发展成临床2型糖尿病［2］。能够改善或逆转早期胰岛素释放的药物将会成为有价值的治疗手段。但是，亦有的胰岛素促泌剂如磺脲类药物不能增加或替代早期胰岛素分泌，但是它们能够增加全天胰岛素分泌的水平，与此作用相一致，磺脲类药物对餐后血糖波动的控制能力较差。与磺脲类药物不同，那格列奈（氨基酸衍生物）和瑞格列奈（氯茴苯酸）作为餐时血糖调节剂使用，改变了以往的使用模式（餐前），吸收快速、清除快，作用持续的时间短而快速使它们成为胰岛素分泌的增强剂［3］。那格列奈和瑞格列奈是‘磺脲类药物受体’（SUR）的配体，当然也包括磺脲类药物如甲苯磺丁脲、格列苯脲和格列美脲，同样是SUR的配体。SUR是一个细胞膜上的受体一效应器系统，由配体结合亚单位（SUR1）和成孔的K+通道亚单位（Kir6.2）构成。有功能的B细胞Katp通道有4个亚单位构成，每个包含SUR1和Kir6.2（SUR1/Kir6.2）4。Kir6.2在细胞膜形成钾离子通道，SUR1是通道发挥功能所必需的［4、5］。促胰岛素分泌的配体和SUR1蛋白的相互作用导致Katp通道关闭、细胞膜去极化和细胞外钙离子通过电压依赖型（L-型）Ca++通道进入细胞内，细胞内游离Ca++浓度升高，促进含胰岛素的分泌颗粒的胞吐作用［6、7］。尽管作为有效的胰岛素分泌增强剂的SUR1配体，但那格列奈和瑞格列奈都不是磺脲类药物，因为（图1）这些药物不含有磺脲类的基团。苯甲酸衍生物瑞格列奈，是通过对苯甲酸衍生物氯茴苯酸优化而来，常被描述为没有磺脲基团的格列苯脲，因此瑞格列奈恰当的定义为氯茴苯酸的类似物［8］。已知氯茴苯酸在体外［9］和体内［10］通过阻断胰腺B细胞的Katp通道发挥磺脲类药物的活性［11］。S-对映异构体的瑞格列奈低血糖作用仍很强，在S-对映异构体中羧基（COOH）和氨基（CONH）基团主要同SUR两个位点相结合［12］。瑞格列奈与格列苯脲或格列美脲在亲水性方面的差别可能是这些药物与SUR位点亲和力不同的原因，同时也导致了药效学方面的差别［13］。那格列奈，N-（反-4-异丙基环已基）羧基-D-苯丙氨酸，是N-苯基-苯丙氨酸类药物的最佳化合物，通过筛查氨基酸衍生物寻找快速、短效抗糖尿病药物而发现［14、15］。研究发现R-对映异构体而非S-对映异构体具有刺激胰岛素分泌的活性，羧基和苯甲基集团是降血糖活性的必要结构。此外，苯甲酰胺结构变成环已基脲，并将异丙基基团导入环已基脲的trans-4位置上，使降血糖活性达到最大。由于那格列奈并非来源于氯茴苯酸，不是氯茴丙酸的类似物，尽管结构分析显示二者的三维结构有相似之处［16］。本篇文章的目的是对临床前的研究进行综述，强调那格列奈和瑞格列奈快进、快出的特性，重点在于作用的基本机制。尽可能把那格列奈和瑞格列奈的作用机理与磺脲类药物进行对比和比较。与SUR的相互作用那格列奈、瑞格列奈和各种磺脲类药物能替换表达人SUR的RIN-m5F细胞系和HEK293细胞系细胞膜上的［3H］-格列苯脲［17］。稳态竞争结合实验研究显示出的［3H］-格列苯脲的相对作用强度的顺序与SUR1竞争性相互作用的模式相一致。那格列奈和瑞格列奈对［3H］-格列苯脲解离动力学参数没有任何影响。这些结果提示那格列奈和瑞格列奈对SUR1上的格列苯脲的结合位点竞争性结合，这些数据和分子模型研究结果相一致，这些研究显示磺脲类药物和瑞格列奈的结合位点相重叠［13］。由于采用各种分析方法都不能直接测定特异的［3H］-那格列奈结合，提示那格列奈能够快速从磺脲类药物受体上解离下来［17］。这一发现与竞争性研究显示那格列奈结合力较弱的结果相一致。表达人SUR1的大鼠RIN-m5F细胞膜Ki=170nM;HEK293细胞膜Ki=1300nM。估算出的那格列奈的解离速率大约34min-1(t1/2〜1s)，而瑞格列奈大约为0.36min-1(t1/2~2min)［17］o亲和力和估算的受体结合半衰期的显著差异可能是那格列奈和瑞格列奈药理学方面的动力学不同的部分原因。RIN-m5F细胞系进行的细胞膜结合研究显示那格列奈和磺脲类药物的Hill系数接近一致(>0.85)，相反瑞格列奈的Hill系数显著低于这一数值，大约0.60±0.009,与AZ-DF265在RIN-m5F细胞系所作的竞争性结合实验显示相对低的Hill系数(0.51±0.04)相一致，AZ-DF265是瑞格列奈的类似物［18］。这种现象的两个可能原因是高亲和力受体为异质性的，也就是高亲和力的SUR以两种形式存在于RIN-m5F细胞膜上或一种SUR以互相转化的两种状态存在。瑞格列奈能够与两种形式或状态的受体以不同亲和力相结合，而其他的SUR1配体如那格列奈则不能。这一解释与JBryan等根据通道开关的电生理学研究所提出的KATP通道两种状态模型相一致，这些作者提出SUR1/2调节Katp通道从静止到开放状态的转变［15］。与B细胞Katp通道的相互作用促胰岛素分泌的配体与SUR1结合后，B细胞刺激分泌偶联，下一步是关闭ATP敏感的K+通道（现已知为Kir6.2），减少K+内流使细胞膜去极化。KATP通道的活动可直接通过膜片钳技术测定［20］。单个大鼠胰岛B细胞打孔全细胞结构膜电位的电生理记录显示那格列奈（10umol/L）在弱刺激葡萄糖浓度（2.8mmol/L）存在下使细胞快速去极化（＜30S）,当去除那格列奈后作用迅速恢复正常［21］。细胞膜电极点测定的单个通道电流亦显示那格列奈能够快速关闭KatpATP通道，作用迅速消失，IC50为0.23umol/L，而甲磺丁脲为12.8umol/L［21］。在采用膜片钳技术研究大鼠胰腺B细胞之外，还可采用常规的细胞或打孔的全细胞结构，这样可最佳地消除katp电流之外其他通道的对全细胞电流的影响，现已经用于那格列奈和其他磺脲类药物对katp电流的直接作用的研究。研究显示瑞格列奈关闭katp通道的作用强度和格列美脲非常相近，比格列苯脲略强，而那格列奈的作用要显著低于其他的药物［17、22］。在固定的同等效力的浓度下（2IC505mmol/L葡萄糖水平时）研究SUR配体的动力学，所有研究都毫无疑问的显示那格列奈关闭katp通道起效和作用的恢复都是最快的［17,22］。达到抑制Katp电流最大值一半所需要的时间（T1/2-起效）和恢复一半作用所需要的时间（T1/2-消失）列于表1，那格列奈关闭KatpATP通道所需的时间和格列苯脲相似、比瑞格列奈快3倍、比格列美脲快5倍，这一特性在机体中的反应表现为那格列奈起效快速。尽管格列苯脲和那格列奈在快速关闭katp通道方面具有相似的作用，但是已经知道格列苯脲在体内作用缓慢、持续时间较长，可能是由于吸收缓慢。此外，那格列奈在清除后katp通道作用快速恢复，快于磺脲类药物和瑞格列奈，那格列奈的作用消除率为格列苯脲和格列美脲的2倍、瑞格列奈的5倍。因此那格列奈的促胰岛素分泌作用的持续时间短于瑞格列奈，尽管两个药物的药代动力学相似［3］。那格列奈间隔大约60分钟反复作用于B细胞，关闭Katp通道的强度和速度和开始作用时相同［22］。这一发现与那格列奈体内［24］和体外［23］研究中均能维持恒定的胰岛素分泌强度相一致。内移与不同的药物动力学相关那格列奈和磺脲类药物增加胰岛素分泌作用的独特药物动力学的差别至少部分是由于它们插入细胞膜磷脂部分的能力或细胞膜穿越能力不同所致。已经了解到磺脲类药物如格列苯脲、格列美脲为了发挥促胰岛素分泌的作用需要进入到B细胞中去［25、26］；而那格列奈无需内移入细胞［27］。磺脲类药物内移过程可以认为是造成接触胰岛B细胞和促进胰岛素分泌之间时间差的原因，因此磺脲类药物持续存在于B细胞中，而那格列奈从循环中快速清除，这是磺脲类药物在关闭KATP通道和刺激胰岛素分泌水平持续时间较长的主要原因。目前尚不十分清楚瑞格列奈的促胰岛素分泌作用是否需要内移进入细胞内。体外胰岛素分泌作用在小鼠、大鼠和豚鼠的离体灌注胰腺中研究那格列奈的作用，体外实验可以充分研究胰岛素分泌的动力学。暴露于那格列奈（3umol/L）后，胰岛素迅速分泌，1〜3分钟达到峰值，30分钟内恢复到基线水平［28］。那格列奈（30umol/L）刺激离体灌注的大鼠胰腺双相分泌胰岛素，当去除药物后作用迅速消失。尽管格列苯脲（3umol/L）的反应强度与那格列奈相似，但是起效缓慢、缺乏双相、药物清除后不能迅速恢复［29］。离体灌注大鼠的其他研究也显示那格列奈和瑞格列奈刺激胰岛素分泌方式存在很大的差别［30、31］。在葡萄糖存在的条件下，那格列奈具有快速、双相的胰岛素分泌作用，而且作用迅速清除，与瑞格列奈相对缓慢、单相的胰岛素分泌作用和不完全的清除有显著的不同（图2）［30］。原位灌注的仓鼠胰腺实验也显示那格列奈双相胰岛素分泌的特点［32］，那格列奈（30umol/L）和格列苯脲0.3umol/L作用强度相似，但是那格列奈的起效和作用恢复均快于格列苯脲。那格列奈作用的特异性表现在第一时相胰岛素分泌，而格列苯脲只能恢复受抑制的第二时相胰岛素分泌，进一步显示出两种药物的动力学的不同。体外研究显示的那格列奈促胰岛素分泌的快速起效和消失的动力学和与SUR1/Kir6.2复合体分子相互作用的独特的特性是完全一致的。体内胰岛素分泌作用很多研究描述了口服那格列奈对啮齿类动物尤其是大鼠血浆胰岛素和葡萄糖浓度的影响，空腹状态下那格列奈的胰岛素刺激作用起效迅速、作用持续的时间短［33］。那格列奈快速的起效-消失的药物动力学特点使得那格列奈能够减少或消除血糖波动（葡萄糖耐量试验或进餐期间），而不会发生持续的或延迟的高胰岛素血症和/或低血糖。当给于正常空腹大鼠口服那格列奈，那格列奈和甲苯磺丁脲最大葡萄糖-降低作用分别发生在服用后2和3小时，血糖在4和6小时恢复正常［24］。在另一项比较几种胰岛素促泌剂的药物动力学（包括对血糖和胰岛素浓度的作用）的研究中，采用长期插管的正常大鼠，结果显示出服用药物后药物动力学的显著差别［33］（图3）。那格列奈（60mg/kg）刺激胰岛素分泌、4分钟达到峰值、90分钟内恢复到基线水平；与之相应的是服用那格列奈后45分钟内血糖降到最低，90分钟内血糖恢复到正常；相反，口服格列毗嗪（1mg/kg）直到服用后60分钟胰岛素分泌达到峰值，达到稳定的高胰岛素血和低血糖通常在60分钟左右；瑞格列奈（0.2mg/kg）的药物动力学特点介于那格列奈和格列毗嗪之间，尽管胰岛素最高浓度出现在服药后10分钟，高胰岛素血症和低血糖在取样的20分钟内持续存在。因此，在啮齿类动物中格列毗嗪和瑞格列奈作用持续的时间相对较长。由于那格列奈是餐时血糖波动的调节剂，很多研究都集中在那格列奈在葡萄糖负荷后和进餐过程中的作用上。正常空腹大鼠单剂量腹腔注射葡萄糖（1g/kg）后，那格列奈降低血糖波动（包括峰值水平和增加的曲线下面积），并有剂量依赖性，没有发生明显低血糖的倾向［24］。短效的磺脲类药物甲磺丁脲也能够降低血糖波动的峰值，但是能够产生明显而持续的低血糖，甚至在降糖作用低于那格列奈的小剂量时也会这样。格列毗嗪和格列苯脲在降低血糖波动方面的作用低于那格列奈，两个磺脲类药物都能发生明显的低血糖反应，而且在6小时的试验期间不能恢复［24］。猴的体内研究显示出相近的那格列奈研究结果，在最近的临床研究［35、36、37］和这本副刊［34］中重点阐述。正常大鼠进餐耐量试验期间，餐前给予降糖药物，那格列奈消除餐时血糖波动，吸收后的葡萄糖水平和对照大鼠水平一致。；胰岛素波动和对照大鼠相似，除了餐前有一小的高峰，提示那格列奈降低餐时血糖波动是由于，至少部分是由于喂食前胰岛素水平的增加。格列苯脲对早期胰岛素释放和餐时血糖波动没有作用，但是增加餐后胰岛素的水平，从而引起延迟的低血糖反应。这些发现不仅说明早期胰岛素分泌对餐时血糖控制的重要性，而且提示那格列奈将有助于提高安全性和耐受性，以及发挥更好的餐时血糖的控制，作用优于长效或短效磺脲类药物或瑞格列奈。同时在胰岛素抵抗和糖耐量低减的啮齿类动物模型的研究中发现那格列奈有快速而短暂的胰岛素分泌和餐时血糖控制作用。喂食高脂肪食物大鼠和Zucker肥胖大鼠进行OGTT期间，那格列奈刺激胰岛素分泌的作用要快于格列毗嗪，但是总体的胰岛素分泌量要低。那格列奈降低餐后血糖波动的作用强于格列毗嗪，而发生持续的、吸收后低血糖的可能性更少［38］。尽管在其他动物比较各种胰岛素促分泌剂的研究有限，但是在正常狗的研究中显示那格列奈能够具有快速而短暂的促胰岛素分泌作用，快于甲磺丁脲；KK小鼠研究显示那格列奈比甲磺丁脲更能有效控制餐后血糖波动，n-STZ糖尿病大鼠研究显示那格列奈比格列苯脲对餐后血糖波动的控制更为有效［39］。总之，很多动物研究都显示那格列奈新的药物动力学特征与选择性增加早期时相胰岛素分泌有关，因此那格列奈能够有效控制餐后的高血糖。结论那格列奈以独特的动力学特点作用在SUR1和B细胞Katp通道，该特点转化为快速而短暂的胰岛素分泌作用，该药物通过恢复正常的生理餐后胰岛素分泌，特征是起效快速、持续时间短，预期的效果将是针对餐后高血糖发挥作用以及纠正2型糖尿病早期时相胰岛素分泌的缺失。动物模型的研究显示那格列奈的作用对早期时相胰岛素分泌的重要性和有效性，与晚期胰岛素分泌时相相