低血糖（hypoglycaemia）的发生一直是糖尿病在胰岛素治疗过程中的主要挑战，胰岛素剂量必须谨慎调整以确保血糖值维持在正常范围。但是将胰岛素剂量与波动的血糖值进行合理地匹配是较困难的，轻微的胰岛素过量很容易导致低血糖的发生。根据血糖值的变化自动地（auto-adjust）调节自身生物活性的新胰岛素，可以更好地实现血糖的控制避免低血糖的发生。2024年10月，诺和诺德公司在Nature发表题为"Glucose-sensitive insulin with attenuation of hypoglycaemia"的研究论文 [1]，设计发现了新胰岛素NNC2215，可以根据糖尿病人的血糖范围作出可逆地动态地响应。
——生物学背景——
从1922年人类第一次发现使用胰岛素，到1982年首次作为临床药物批准使用，再到近几十年以诺和诺德公司为代表的各种胰岛素类药物推陈出新 [2]，胰岛素的结构修饰与功能也是不断地锦上添花。2015年批准使用的德谷胰岛素（Degludec）在体内持续作用时间超过42 h，2021年研究发现的口服胰岛素Icodec 在人体内半衰期达到196 h [3]，目前已经处于临床三期试验中 [4]。然而通过胰岛素来解决糖尿病人血糖的问题目前存在低血糖的风险，血糖的波动受很多因素的影响而难以实时预测，包括三餐的时机和性状，锻炼情况，健康或生病状况，胰岛素的敏感性等。
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这篇文章描述了动态调节血糖的NNC2215的分子设计：是将胰岛素连上一个葡萄糖开关Switch，分别在B1Phe的N端通过短linker以O1糖苷键连有葡萄糖分子，以及B29Lys侧链上安装容纳结合葡萄糖的大环（图2a）。当葡萄糖浓度升高时，游离态的葡萄糖竞争性结合在大环上，使得NNC2215为打开状态（也就是正常状态的胰岛素构象），对胰岛素受体的亲和力较高；当葡萄糖浓度降低时，NNC2215转为关闭状态（此时扭曲拧紧了胰岛素构象）减弱了对胰岛素受体的结合能力，进而减缓了细胞对葡萄糖的摄取，避免了低血糖的发生。（图1a）当血糖浓度从0-20 mM升高时，NNC2215对胰岛素受体的亲和能力提高了12.5倍，当血糖浓度从3-20 mM升高时，NNC2215对胰岛素受体的亲和能力提高了3.2倍。![]()
图1：a. NNC2215的作用机制；b. 基于PDB 6PXV搭建的结构模型图2a展示了NNC2215的结构，O1糖苷键连接的葡萄糖分子以及Click反应连接的大环。对照分子NNC2215a仅连接大环，不连接糖。图2b通过ITC实验测得大环对葡萄糖的结合解离常数为98 μM。图2c通过Native MS测得NNC2215和NNC2215a对葡萄糖的结合解离常数分别为2.1 mM和0.5 mM。![]()
图2：a. NNC2215的结构；b.c. ITC和MS测定Kd接着在体外实验测定了NNC2215、insulin、Degludec在不同浓度的葡萄糖下对人胰岛素受体（human insulin receptor A，hIR-A）的结合水平变化。可以看到相较于其它胰岛素，NNC2215随着葡萄糖浓度的升高，对胰岛素受体的结合能力显著增强。（图3）![]()
图3：不同葡萄糖浓度下各类胰岛素对其受体的结合能力测定L型葡萄糖（非天然）较难被代谢，但是可以结合到NNC2215的大环中，以L-葡萄糖作为工具探究动物体内NNC2215对血糖的影响。随着L型葡萄糖浓度增加，NNC2215对大鼠体内葡萄糖（D型葡萄糖）浓度下调能力显著增强。（图4a.b.）随后在猪模型上研究两种胰岛素对葡萄糖的敏感性，在暂停摄入葡萄糖后，相比于Degludec，NNC2215对葡萄糖下调的速度也在减缓。这证明了其生物活性，可以避免低血糖的发生。![]()
图4：a.b. 大鼠模型中NNC2215对血糖的动态调节；c. 在LYD猪模型上研究葡萄糖暂停和重启过程中胰岛素的血糖调节影响；d. Pharmacokinetic/pharmacodynamic模建结果全文总结，诺和诺德公司通过在胰岛素上引入开关Switch得到的胰岛素衍生物NNC2215，具有随血糖变化动态调节其结合胰岛素受体的能力，该设计可以显著降低传统胰岛素给药后出现低血糖的风险，快速地满足三餐期间血糖波动时对胰岛素更高功能的需求。[1] Hoeg-Jensen, T., Kruse, T., Brand, C.L. et al. Glucose-sensitive insulin with attenuation of hypoglycaemia. Nature 634, 944–951 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08042-3[2] Muttenthaler, M., King, G.F., Adams, D.J. et al. Trends in peptide drug discovery. Nat Rev Drug Discov 20, 309–325 (2021). https://doi.org/10.1038/s41573-020-00135-8[3] Kjeldsen, Thomas B et al. “Engineering of Orally Available, Ultralong-Acting Insulin Analogues: Discovery of OI338 and OI320.” Journal of medicinal chemistry. 64,1 (2021): 616-628. doi:10.1021/acs.jmedchem.0c01576[4] Kjeldsen, Thomas B et al. “Molecular Engineering of Insulin Icodec, the First Acylated Insulin Analog for Once-Weekly Administration in Humans.” Journal of medicinal chemistry. 64,13 (2021): 8942-8950. doi:10.1021/acs.jmedchem.1c00257
