胰岛素的应用及发展前景

PAGE1胰岛素的应用及发展前景指导教师：xx姓名：懒猫学号：20xxxx院系：xxxx专业：xxxx胰岛素的应用及发展前景【摘要】1922年提取得到一种较纯的降血糖物质，命名为胰岛素，1923年开始供应临床使用。迄今为止，胰岛素仍为治疗胰岛素依赖性糖尿病的特效药物。据不完全统计，目前全世界糖尿病患者已超过一亿，而且发病率呈逐年增长的趋势。随着胰岛素的发展，人胰岛素类似物应运而生，更为糖尿病人带来了希望。【关键词】蛋白类药物胰岛素应用发展前景一、胰岛素的基本概念1.胰岛素的基本定义1922年提取得到一种较纯的降血糖物质，命名为胰岛素，1923年开始供应临床使用。迄今为止，胰岛素仍为治疗胰岛素依赖性糖尿病的特效药物。据不完全统计，目前全世界糖尿病患者已超过一亿，而且发病率呈逐年增长的趋势。我国在1965年完成了牛结晶胰岛素的全合成工作，并具有与天然牛结晶胰岛素相同的生物活性。胰岛素是世界上第一个人工合成的蛋白质。胰岛素是由胰岛β细胞受内源性或外源性物质如葡萄糖、乳糖、核糖、精氨酸、胰高血糖素等的刺激而分泌的一种蛋白质激素。胰岛素是机体内唯一能降低血糖的激素，同时促进糖原、脂肪、蛋白质合成。正常人空腹时胰岛素浓度为10-20微单位，进餐后可升高5倍。胰岛素一旦缺乏或作用不能正常发挥，就会发生糖尿病。外源性胰岛素主要用于糖尿病的治疗。糖尿病患者早期使用胰岛素和超强抗氧化剂如（注射用硫辛酸、口服虾青素等）有望出现较长时间的蜜月期，胰岛素注射不会有成瘾性和依赖性。2.胰岛素的基本结构胰岛素是在胰岛β细胞的内质网膜结合型核糖体上合成的，核糖体上最初形成的产物是一个比胰岛素分子大一倍多的前胰岛素原单链多肽，其N端区域含有20个氨基酸左右的疏水性信号肽。当新生肽链进入内质网腔后，信号肽酶便切除信号肽，形成胰岛素原，后者被运输至高尔基体，以颗粒的形式储存备用。胰岛素就像一把钥匙，开启葡萄糖进入细胞的大门，只有进入细胞的葡萄糖才能为细胞提供动力，使人体具有正常的各种生理功能。胰岛素分泌不足，会造成血糖升高，引起糖尿病，因此许多糖尿病患者需要补充胰岛素维持正常血糖范围。胰岛素广泛存在于人和动物的胰脏中，正常人的胰脏约含有200万个胰岛，约占胰脏总重量的1.5%。胰岛由α-、β-和δ-三种细胞组成，其中β-细胞制造胰岛素，α-细胞制造胰高血糖素和胰抗脂肝素，δ-细胞制造生长激素抑制因子。胰岛素在β-细胞中开始时是以活性很弱的前体胰岛素原存在，进而分解为胰岛素进入血液循环。胰岛素由51个氨基酸组成，有A和B两条链，A链含21个氨基酸残基，B链含20个氨基酸残基，两链之间由两个二硫键相连，A链本身还有一个二硫键。不同种属动物的胰岛素分子结构大致相同，主要差别在A链二硫桥中间的第8、9和10位上的三个氨基酸及B链C末端的一个氨基酸上，它们随种属而异。表1-1仅列出人和几种动物的氨基酸差异，但它们的生理功能是相同的。表1-1不同种属动物的胰岛素结构胰岛素来源氨基酸排列顺序的部分差异A8A9A10B30人ThrSerILeThr猪、狗ThrSerILeAla牛AlaSerValAla羊AlaGlyValAla马ThrGlyILeAla兔ThrSerILeSer由于猪与人的胰岛素相比只有B30位的一个氨基酸不同，人的是苏氨酸，猪的是丙氨酸，因此我国目前临床应用的是以猪胰脏为原料来源的胰岛素，抗原性比其他来源的胰岛素要低。胰岛素的前体是胰岛素原，胰岛素原可以看成是由一条连接肽（C肽）的一端与胰岛素A链的N-末端相连，另一端与B链的C-末端相连，不同种属动物的C肽也不同，如人的C肽为31肽，牛的为26肽，猪的为29肽。胰岛素原通过酶的作用，C肽两端的4个碱性氨基酸被水解去除后，即形成一分子胰岛素和一分子无活性的C端。人胰岛素原的结构件图1-1甘谷亮丙亮脯谷胺亮丝甘丙甘脯甘甘甘亮丝C肽谷亮缬谷胺SSA链谷胺赖精COOH甘SS21缬SS谷胺H2N精精谷丙谷天亮B链3.胰岛素的分类3.1按来源不同分类（1）动物胰岛素：从猪和牛的胰腺中提取，两者药效相同，但与人胰岛素相比，猪胰岛素中有1个氨基酸不同，牛胰岛素中有3个氨基酸不同，因而易产生抗体。（2）半合成人胰岛素：将猪胰岛素第30位丙氨酸，置换成与人胰岛素相同的苏氨酸，即为半合成人胰岛素。（3）生物合成人胰岛素（现阶段临床最常使用的胰岛素）：利用生物工程技术，获得的高纯度的生物合成人胰岛素，其氨基酸排列顺序及生物活性与人体本身的胰岛素完全相同。3.2按药效时间长短分类超短效：注射后15分钟起作用，高峰浓度1~2小时。（2）短效(速效)：注射后30分钟起作用，高峰浓度2~4小时，持续5~8小时。（3）中效(低鱼精蛋白锌胰岛素)：注射后2~4小时起效，高峰浓度6~12小时，持续24~28小时。（4）长效(鱼精蛋白锌胰岛素)：注射后4~6小时起效，高峰浓度4~20小时，持续24~36小时。（5）预混：即将短效与中效预先混合，可一次注射，且起效快(30分钟)，持续时间长达16~20小时。市场常见的有30%短效和70%中效预混，和短、中效各占50%的预混两种。4.胰岛素的基本性质胰岛素的主要性质有：①胰岛素为白色或类白色结晶粉末，为扁斜形六面体。②牛胰岛素的法分子量为5733，猪为5764，人为5784。胰岛素的等电点为5.30~5.35。③胰岛素在pH4.5~6.5范围内几乎不溶于水，在室温下溶解度为10μɡ/ml；易溶于稀酸或稀碱溶液；在80%以下乙醇或丙酮中溶解；在90%以上乙醇或80%以上丙酮中难溶；在乙醚中不溶。④胰岛素闷在弱酸性水溶液或中性缓冲液中较为稳定。在pH8.6时，溶液煮沸10min即失活一半，而在0.25%硫酸溶液中药煮沸60min才能导致同等程度的失活。⑤在水溶液中胰岛素分子受pH、温度、离子强度的影响产生聚合和解聚现象。在低胰岛素浓度的酸性溶液（pH≤2）时呈单体状态。锌胰岛素在pH2的水溶液中呈二聚体，聚合作用随pH增高而增加，在pH4~7时聚合成不溶解状态的无定形沉淀。在高浓度的锌溶液中，pH6~8时胰岛素溶解度急剧下降。锌胰岛素在pH7~9时呈六聚体或八聚体，pH大于9时则解聚并由于单体结构改变而失活。⑥在pH为2的酸性水溶液中加热至80~100℃，可发生聚合而转变为无活性纤维状胰岛素。如及时用冷0.05mol/L氢氧化钠处理，仍可恢复为有活性的胰岛素结晶。⑦胰岛素具有蛋白质的各种特殊反应。高浓度的盐，如饱和氯化钠、半饱和硫酸铵等使其沉淀析出；也能被蛋白质沉淀剂如三氯醋酸、苦味酸、鞣酸等沉淀；并有茚三酮、双缩脲等蛋白质的显色反应。胰岛素能被胰岛素酶、胃蛋白酶、糜蛋白酶等蛋白水解酶水解而失活。⑧还原剂如硫化氢、甲酸、醛、酸酐、硫代硫酸钠、维生素C及多数重金属（除锌、铬、钴、镍、银、金外）都能使胰岛素失活。破坏活性的主要原因是分子中二硫键被还原、游离氨基被酰化、游离羧基被酯化和肽键水解。⑨胰岛素对高能辐射非常敏感，容易失活；紫外线能破坏胱氨酸和络氨酸基团。光氧化作用能导致分子中组氨酸被破坏。超声波能引起其非专一性降解。⑩胰岛素能被活性炭、白陶土、氢氧化铝、磷酸钙、CMC和DEAE-C吸附。胰岛素的发展历史及应用糖尿病是历史悠久的人类疾病，问题出在身体不能利用最重要的能源——葡萄糖，以致有大量的葡萄糖堆积在血液，造成血管病变及病菌滋生；同时过多的葡萄糖从尿液流失，带走大量水分，造成病人又饥又渴。就算吃喝不断，患者仍然不断消瘦（蛋白质及脂肪都分解用来制造更多的葡萄糖），增加饮食只会使情况变得更糟，因此中医称此疾为“消渴症”。在长期“饥饿”下，身体组织开始利用酮体；大量由脂肪及胺基酸生成的酮体带有酸性，而造成患者酸中毒。在胰岛素发现以前，常用的糖尿病控制方法就是禁食。在每日不到一千大卡的热量、不含什么碳水化合物的严格饮食下，原本已经消瘦不堪的糖尿病患者更是骨瘦如材，形同饿莩。这些人的体重可低至二十来公斤，成天躺在床上，连抬个头的力气也无。他们就算不死于酸中毒造成的昏迷，迟早也是饿死。这些坐以待毙的悲惨情状，绝非现代人所能想像。直到上世纪20年代初，糖尿病仍被视为一种令人谈虎色变的不治之症。胰岛素于1921年由加拿大人F.G.班廷和C.H.贝斯特首先发现。1923年开始用于临床，使过去不治的糖尿病患者得到挽救。班廷后来在多伦多大学与麦克劳德合作，获得治疗糖尿病效果稳定的激素。他和麦克劳德两人因发现胰岛素而共获1923年诺贝尔生理学或医学奖。他将部分奖金分给贝斯特。班廷1941年2月21日在二战一次执行任务时因飞机失事而遇难，享年50岁。中国科学院肾病检测研究所主治直至80年代初，用于临床的胰岛素几乎都是从猪、牛胰脏中提取的。不同动物的胰岛素组成均有所差异，猪的与人的胰岛素结构最为相似，只有B链羧基端的一个氨基酸不同。80年代初已成功地运用遗传工程技术由微生物大量生产人的胰岛素，并已用于临床。1955年英国F.桑格小组测定了牛胰岛素的全部氨基酸序列，开辟了人类认识蛋白质分子化学结构的道路。1965年9月17日，中国科学家人工合成了具有全部生物活力的结晶牛胰岛素，它是第一个在实验室中用人工方法合成的蛋白质。稍后美国和联邦德国的科学家也完成了类似的工作。70年代初期，英国和中国的科学家又成功地用X射线衍射方法测定了猪胰岛素的立体结构。这些工作为深入研究胰岛素分子结构与功能关系奠定了基础。人们用化学全合成和半合成方法制备类似物，研究其结构改变对生物功能的影响；进行不同种属胰岛素的比较研究；研究异常胰岛素分子病，即由于胰岛素基因的突变使胰岛素分子中个别氨基酸改变而产生的一种分子病。这些研究对于阐明某些糖尿病的病因也具有重要的实际意义。九十年来,胰岛素的剂型不断推陈出新,目前已发展为速效、短效、中效、长效和预混胰岛素等多种剂型。从U-40、U-80、U-100等不同浓度,到牛、猪、重组人胰岛素等不同来源;从结晶胰岛素、纯化胰岛素、人工合成胰岛素等不同纯度到皮下注射、胰岛素笔、胰岛素泵以及口服、经鼻、经眼、经直肠、经皮肤等无创途径,人类对胰岛素探索的脚步从未停歇。让我们记住这一伟大历史阶段中的重要时刻:•1921年:加拿大科学家Banting、Best、MacLeod和Collip发现并提纯胰岛素。•1922年:胰岛素首次应用于人类糖尿病的治疗。•1923年:胰岛素上市。•1926年:美国生化学家Abel制得胰岛素结晶。•1936年:首个长效胰岛素——精蛋白锌胰岛素(PZI)问世。•1946年:中效低精蛋白胰岛素问世。•1955年:英国生化学家FrederickSanger完成了世界上第一个蛋白质(胰岛素)的一级结构测定,揭示了胰岛素的化学结构,因此荣获1958年诺贝尔化学奖。•1963~1966年:中国、德国和美国科学家致力于化学合成胰岛素的研究。中国学者于1965年首次人工合成了具有全部生物活性的结晶牛胰岛素。•1969年:DorothyHodgkin应用X线衍射晶体分析法确定了胰岛素的三级结构。•1974年:高纯度动物胰岛素(蛋白杂质<1pmol/L)研制成功。•1978年:通过重组DNA技术,人胰岛素首次在大肠杆菌中合成。•1982年:FDA批准重组人胰岛素在美国上市。•1996年:FDA批准首个重组人胰岛素类似物——赖脯胰岛素上市。自此,300余种胰岛素类似物被研制成功,包括70种动物胰岛素,80种化学改良胰岛素和150余种生物合成胰岛素。•2004年:首个长效重组人胰岛素类似物——甘精胰岛素获准上市。•2006年:首个吸入型胰岛素(Exubera)获准上市,该药于2007年撤市。三、胰岛素的发展前景九十年来，胰岛素的发展从早期的动物胰岛素到人胰岛素，直到现在的胰岛素类似物，拯救了无数糖尿病患者的生命。尤其是胰岛素类似物的发现和使用，堪称胰岛素治疗的革命。1.动物胰岛素动物胰岛素在胰岛素治疗的早期发挥过重要的作用，然而，由于生物种属的不同，动物胰岛素与人体内自然产生的人胰岛素在氨基酸结构上存在着差异，部分患者可能产生胰岛素抗体，需要更多剂量的胰岛素来控制其血糖水平。另外，抗体与胰岛素的结合在时间和数量上无法预料，严重时可能会导致明显的血糖波动。为了得到足够供应众多糖尿病患者使用的药用胰岛素，科学家与大型制药厂合作，成功地发展了工业化提取技术，从屠宰场的牛、猪等动物的胰脏中取得了足够的原料，解决大量生产的原料来源问题。早期的动物胰岛素有较强刺激性，作用时间短，20世纪30年代后，研究者使用鱼精蛋白结合胰岛素，使之作用时间延长，每天只需1～2次注射即可。在其后的几十年里，胰岛素在世界各地的医院使用，取得空前的成效。2.人胰岛素正由于上述问题的存在，动物胰岛素的生产需要向更安全可靠的人胰岛素转换。由于基因重组技术生物合成的人胰岛素结构与人体内胰岛素的结构完全相同，因而解决了免疫原性问题，减少了胰岛素的不良反应。但人们并没有停止前进的脚步。虽然人胰岛素给糖尿病的治疗带来巨大的帮助，但现有的人胰岛素注射后并不能模拟正常人的胰岛素分泌。如短效胰岛素皮下注射后，由于吸收缓慢，即使餐前30分钟注射，其胰岛素高峰也可能出现延迟。这就导致了餐后高血糖不能及时控制，以及两餐间有可能发生低血糖反应。另有研究显示，超过3/4的患者由于感觉不方便，无法在餐前30分钟注射胰岛素，从而使其治疗效果不很理想。而中效胰岛素注射后具有峰值，存在不能模拟生理的基础胰岛素分泌模式等问题。上述问题的存在，使得胰岛素临床应用后并不能达到最佳的治疗效果，时常会出现低血糖反应和血糖控制欠佳的情况。20世纪60年代，研究人员又设法提取人胰岛素。因为动物胰岛素与人胰岛素存在细微差异，抗原性降低了它的效能。但人胰岛素的来源数量有限，不能满足需要。到了70年代，研究者突破性地使用生物技术人工合成了人胰岛素。基因合成的