科技 | 浙江大學顧臻團隊開發可口服的血糖響應性智能胰島素

　　糖尿病影響著全球超5億人的生活質量和生命健康。其中，對于1型糖尿病患者以及進展期2型糖尿病患者，外源性胰島素的補充是必要的治療手段。

　　然而，現有的胰島素制劑通常經皮下注射給藥，吸收后進入外周血液循環，到達脂肪、肌肉組織及肝臟起效。胰島素的治療指數窄，疊加外周體循環起效特點，導致胰島素給藥后患者低血糖頻發，嚴重時會危及生命。因此，改變胰島素給藥方式，優化其外周起效的特點，能夠提高胰島素治療的安全性及有效性，對于胰島素治療具有重要意義。

　　2024年9月2日，浙江大學藥學院、金華研究院和先進藥物遞釋系統全國重點實驗室顧臻教授、王金強研究員團隊(博士研究生季康凡為第一作者)在 Nature Nanotechnology 期刊發表了題為：An orally administered glucose-responsive polymeric complex for high-efficiency and safe delivery of insulin in mice and pigs 的研究論文。

　　該研究開發出一種可口服糖響應膠束制劑，可經胃腸道遞送胰島素至體內。膠束可在胃腸道中保護負載的胰島素，減少其突釋及降解，增強胰島素的胃腸道吸收率，并在肝臟形成血糖響應的胰島素儲庫;儲庫可依據血糖高低實時調整胰島素速率，將適量胰島素釋放至肝臟，再進入外周循環。在1型糖尿病的小鼠和豬模型中，該制劑可以實現一天的血糖控制效果，且無低血糖發生的癥狀。

　　人體胰臟中胰島的β細胞能實時感知血糖變化，并依據血糖水平動態調控胰島素分泌速率。分泌的胰島素由肝門靜脈進入肝臟，結合肝臟實質細胞的胰島素受體，發揮降糖作用;未與之結合的胰島素進入體循環，達到肌肉和脂肪組織，發揮外周降糖作用。這一由肝臟到外周組織逐漸降低的胰島素濃度梯度，保障了肝臟器官在降糖中的核心作用，使得人體能夠高效安全地控制血糖水平。

　　通常而言，口服藥物具有肝臟首過效應，經過肝門靜脈進入肝臟后再進行分布，因此口服胰島素制劑可以模擬內源性胰島素的分布過程，將胰島素首先遞送至肝臟，隨后再進入外周組織。此外，進一步構建口服型葡萄糖響應性胰島素，模擬β細胞的胰島素動態智能分泌模式，可增強胰島素治療的安全性和有效性。然而，胃腸道的極端酸性環境、酶的降解作用、以及粘液和腸上皮細胞所構成的屏障，均是實現糖響應胰島素制劑高效口服的重要障礙。

　　在這項最新研究中，研究團隊合成了一種兩親性的兩嵌段聚合物(命名為PPF)，其親水端為兩性離子型聚甜菜堿，疏水端為4-羧基-3-氟苯硼酸(FPBA)修飾的聚2-氨基乙基甲基丙烯酸酯。膠束制劑由PPF與胰島素-鋅離子六聚體通過靜電相互作用和疏水相互作用自組裝形成，其流體力學尺寸約50 nm。該膠束可顯著緩解胰島素在胃腸道中的突釋并減少酶降解。獨特的蠕蟲狀結構、較小的粒徑以及兩性離子表面，促進胰島素在腸道內高效吸收，并通過肝門靜脈進入肝臟，在肝臟形成糖響應的胰島素儲庫。

　　圖1、糖響應性胰島素膠束制劑的形成及糖響應釋放胰島素示意圖

　　在正常血糖條件下，聚合物與胰島素-鋅離子六聚體之間形成了緊密的相互作用，這種作用使得胰島素得以緩慢而穩定地釋放，從而有效維持基礎血糖的穩定。然而，在高血糖狀態下，葡萄糖會與FPBA迅速結合形成苯硼酸酯鍵，從而降低聚合物疏水端的正電荷密度及疏水性，刺激胰島素快速釋放，調節血糖恢復正常水平。值得注意的是，由于該制劑首先將胰島素釋放至肝臟組織，可以形成從肝臟到外周組織逐漸降低的濃度梯度，因此可顯著減少低血糖事件的發生。

　　圖2、糖響應性胰島素膠束的肝臟靶向聚集和清除

　　在向小鼠灌胃Cy5熒光標記的膠束后，可于小鼠腹部清晰觀察到熒光分布，且該熒光強度隨時間推移逐步減弱，直至36小時后完全消退。進一步對小鼠離體器官進行成像分析，結果顯示膠束特異性地聚集于肝臟區域，而在其它器官則未觀察到明顯的熒光信號。

　　圖3、a, b，糖尿病小鼠在口服糖響應制劑后，腹腔注射葡萄糖耐量實驗中的血糖變化和血漿胰島素水平變化情況。c，小鼠血糖鉗夾實驗中，為維持正常血糖狀態和高血糖狀態，不同給藥組別所需的葡萄糖輸注速率

　　在鏈脲佐菌素誘導的1型糖尿病小鼠模型中，給予口服糖響應制劑3小時后，通過腹腔注射1.5 g/kg葡萄糖，觀察到糖尿病小鼠展現出接近健康小鼠的葡萄糖清除效率，且其血漿胰島素濃度較注射前提升了2.6倍。在隨后的血糖鉗夾實驗中，健康小鼠在口服糖響應制劑或皮下注射甘精胰島素后，為維持血糖于100 mg/dl，口服制劑組所需的葡萄糖輸注量僅為甘精胰島素組的6%。而對于糖尿病小鼠，為維持其血糖在400 mg/dl，口服制劑組所需的葡萄糖輸注量卻達到甘精胰島素組的60%。這10倍的輸糖量差異提示，高血糖環境可以顯著增強口服制劑對血糖的調控能力。進一步證明了該制劑具備體內糖響應胰島素釋放能力。

　　圖4、a，糖尿病小鼠在連續七日接受口服糖響應制劑治療后的血糖變化情況(藍色箭頭表示食物的供給，紅色箭頭表示口服糖響應制劑灌胃，黑色箭頭表示PBS灌胃)。b，糖尿病小豬口服糖響應膠束膠囊后的血糖變化情況。c，糖尿病小豬在治療后的一天內，低血糖、正常血糖和高血糖狀態的持續時間

　　在自發1型糖尿病小鼠模型中，連續七天每日口服一次該劑型，可以有效控制小鼠的餐后血糖，并持續維持正常血糖，顯示該制劑具備連續有效控糖的能力。在鏈脲佐菌素誘導的1型糖尿病小豬模型中，每日一次飼喂膠束膠囊，同樣能夠有效控制空腹血糖長達一天。其中，口服膠束膠囊能夠維持正常血糖狀態達10小時，且在此過程中未觀察到低血糖情況。相比之下，皮下注射的甘精胰島素則會導致糖尿病小豬出現平均約3.2小時的低血糖。

　　另外，該制劑具有較高的生物相容性。實驗結果顯示，接受治療的小鼠與正常對照組小鼠在血液生化指標、脂質水平及血液學評估上均無顯著性差異。對小鼠的主要器官，進行H&E和Masson染色檢測，均未發現明顯的毒性反應。同時，在小鼠肝臟及腸道組織中，對相關炎癥因子的免疫熒光染色分析結果，排除了該制劑引發急性或慢性炎癥反應的可能。

　　總的來說，該研究開發的血糖響應性胰島素智能口服制劑顯著提升了胰島素給藥的便捷性，一次口服可維持一天的基礎血糖穩定，并有效控制餐后血糖波動。這為減輕糖尿病患者的用藥負擔，提出了一種便捷、安全的治療方案。

　　來源：生物世界