对于糖尿病患者来说，控制血糖水平是一项至关重要但要求很高的任务。据估计，全世界有 4.22 亿糖尿病患者，其中很大一部分需要注射胰岛素。
在正常人群中，饭后葡萄糖的升高导致胰腺将胰岛素分泌到血液中，促进脂肪和肌肉中葡萄糖的代谢和储存，并阻止肝脏产生葡萄糖。这些作用共同将葡萄糖降低到正常水平，从而阻止胰岛素释放。
尤其是对于 1 型糖尿病患者（无法产生胰岛素），可以通过每天注射几次胰岛素来实现这种控制，但这种方法会增加发生低血糖的风险.问题是，胰腺释放的胰岛素在几分钟内被代谢并迅速从血液中清除，而注射到皮下的胰岛素被缓慢吸收并且需要很长时间才能进入循环，之后它可以在体内保持活性长达 40 小时并将血糖降低到危险的低水平。
诺和诺德公司（Novo Nordisk）的首席科学家丽塔·斯拉比（Rita Slaaby）及其同事设计了一种胰岛素分子，这种分子有一个开关，可以根据血液中的葡萄糖浓度开启或关闭其活性。
这个开关由两部分组成：一个环形结构，称为大环（macrocycle），以及一个从葡萄糖衍生出来的分子——葡萄糖苷（glucoside）。当血糖浓度较低时，葡萄糖苷与环结合，使胰岛素保持在一个封闭的非活性状态。但当血糖水平上升时，葡萄糖会取代葡萄糖苷并改变胰岛素的形状，使其激活。
胰岛素晶体结构
2024年10月16日，《Nature》在线发表了以上研究结果，文章题目为Glucose-sensitive insulin with attenuation of hypoglycaemia。同时，nature另外两篇文章对此做出了评论。
文章解析
设计了一个环状分子，这个环状分子连接到desB30人胰岛素上，选择了胰岛素的B29位赖氨酸（B29 Lys）作为连接点，通过一种化学反应（形成三唑环），把大环顶部的一个叠氮基团连接器与胰岛素上的一个炔基连接器结合起来，同时在 B 链 N 端氨基（PheB1）处通过相应的溴三氟甲磺酸苯酯在 pH7.5 时连接带有短连接基的 O1 - 葡萄糖苷，并去除乙酰基，制备出NNC2215。
测试化合物和葡萄糖结合程度
自由的大环结构与葡萄糖的结合较弱（Kd = 98 μM）。
当大环结构与胰岛素结合形成NNC2215时，其与葡萄糖的结合能力进一步减弱（Kd = 2.1 mM）。
对照化合物NNC2215a（不含葡萄糖基团）与葡萄糖的结合能力较强（Kd = 0.5 mM）。
总体而言，与自由大环结构相比，NNC2215与葡萄糖的结合能力大约降低了20倍，而对照化合物NNC2215a的结合能力降低了约5倍。这表明，通过这种结构设计，实现了合适的开关动态（即在不同浓度的葡萄糖下，化合物的活性会发生变化）。
建了一个3D模型，用于展示NNC2215与胰岛素受体结合的情况。这个模型展示了当开关处于打开或关闭状态时的不同结合情况。
开关关闭状态：
当开关处于关闭状态时，NNC2215的B链C端部分与胰岛素受体的C端域（α-CT域）之间会发生碰撞。
α-CT域是胰岛素结合的关键区域。
这种空间阻碍（steric hindrance）导致了在低葡萄糖浓度下，NNC2215与受体的亲和力较低，即开关主要处于关闭状态时。
开关打开状态：
相比之下，当开关处于打开状态时，NNC2215可以与胰岛素受体完全结合，表现出与正常胰岛素相同的活性。
这意味着在高葡萄糖浓度下，开关打开，NNC2215能够与受体正常结合。
NNC2215体外生物学研究
通过体外实验来研究NNC2215在不同葡萄糖浓度下与胰岛素受体结合的能力，以及其对细胞信号传导路径的影响。
实验方案
实验设计：
在不同葡萄糖浓度下进行了胰岛素受体结合实验。
比较了NNC2215、人胰岛素和长效基础胰岛素（如德谷胰岛素）与人类胰岛素受体A亚基（hIR-A）的结合情况。
结果：
在不同葡萄糖浓度下，NNC2215的结合能力表现出显著变化。
当葡萄糖浓度从0 mM增加到20 mM时，NNC2215与hIR-A的结合能力从0.75%增加到了9.2%，增幅达到了12.5倍。
相比之下，德谷胰岛素与hIR-A的结合能力在不同葡萄糖浓度下保持不变。
血清白蛋白的影响
实验中加入了1.5%的血清白蛋白，这是实验能够容忍的最大浓度（人体血液中约有4%的血清白蛋白）。
在没有血清白蛋白的情况下，NNC2215的结合能力增幅减少到6.8倍。
这表明血清白蛋白对NNC2215的葡萄糖敏感性有一定贡献。
专一性
胰岛素样生长因子1受体（IGF-1R）的结合：
NNC2215对IGF-1R的亲和力远低于其对胰岛素受体的亲和力，大约只有10%。
这表明NNC2215对胰岛素受体具有更高的特异性，有助于避免潜在的促增殖效应。
信号传导路径
激活胰岛素信号传导路径：
在表达人类胰岛素受体的仓鼠卵巢细胞（CHO-hIR）中测试了NNC2215的信号传导能力。
NNC2215能够刺激人类胰岛素受体的酪氨酸磷酸化，其效力约为人胰岛素的57.1%。
下游AKT和ERK信号传导的激活也分别约为人胰岛素的68.4%和48.0%。
葡萄糖敏感性
在大鼠脂肪细胞中测量了NNC2215诱导的葡萄糖摄取和脂质合成（脂质生成）。
使用了生理活性葡萄糖的对映异构体L-葡萄糖，因为细胞不会显著摄取L-葡萄糖。
L-葡萄糖对NNC2215的亲和力与D-葡萄糖相同，但其激活NNC2215的效果较弱。
在低葡萄糖浓度（3 mM）和高葡萄糖浓度（20 mM）下，NNC2215诱导的脂质生成差异约为2.2倍。
NNC2215在不同葡萄糖浓度下表现出明显的葡萄糖敏感性，其与胰岛素受体的结合能力随葡萄糖浓度升高而增强，并且在细胞信号传导和代谢反应中显示出类似的行为。相比之下，长效基础胰岛素（如德谷胰岛素）在这方面没有表现出葡萄糖敏感性。
NNC2215体内生物学研究
设计了三个不同的实验方案来观察NNC2215在不同血糖浓度下的激活和失活情况。
大鼠模型：
实验通过静脉注射（IV）给予大鼠NNC2215，随后给予L-葡萄糖来触发NNC2215的作用。
结果显示，随着L-葡萄糖剂量的增加，NNC2215能够剂量依赖性地降低D-葡萄糖水平。
猪模型：
使用健康LYD（Landrace-Yorkshire-Duroc）猪来评估NNC2215的体内活性。
通过输注生长抑素来抑制胰高血糖素和胰岛素的分泌，以消除内源性激素释放的影响。
在达到稳态血浆胰岛素（NNC2215或德谷胰岛素）和葡萄糖浓度后，停止葡萄糖输注。
结果显示，在停止葡萄糖输注后，NNC2215引起的血糖下降程度小于德谷胰岛素，表明其具有葡萄糖敏感性，能够保护免于低血糖。
糖尿病大鼠模型：
使用胰岛素缺乏的链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病大鼠进行研究，以排除内源性胰岛素的影响。
在禁食过夜的大鼠中进行静脉葡萄糖耐量试验（GTT），观察NNC2215在高血糖浓度下的效果。
结果显示，在GTT期间，NNC2215组的血糖升高幅度比人胰岛素组小约20%，表明在高血糖浓度下，NNC2215具有更大的胰岛素效应。
NNC2215的特点：
NNC2215具有葡萄糖浓度敏感性，能够在血糖浓度较高时激活，在血糖浓度较低时失活。
NNC2215能够提供更好的血糖控制，并有助于预防低血糖事件。
最后总结下，文章的主要研究成果就是，设计了一个新型的智能胰岛素，在胰岛素上加了一个可以结合葡萄糖的小环。另外还有一个葡萄糖类似的小分子也连在上面。当血糖低的时候，这个小分子会占据环的位置，使胰岛素不活跃。当血糖高时，血糖中的葡萄糖会把小分子挤走，使胰岛素变得活跃。NNC2215 是一种很有潜力的新胰岛素，它能根据血糖高低调节自身活性。
但是，NNC2215这个分子是否可以在临床上实现该目标呢？
NNC2215必须能在临床相关的血糖浓度范围内起反应。但是研究中的大部分数据都是在0到20毫摩尔每升的血糖范围内得到的，但实际上用胰岛素的人在饭后的血糖通常在4到14毫摩尔每升之间，他们试图保持在4.4到7.2毫摩尔每升之间。
NNC2215是否足够灵敏，能检测并响应这么窄的血糖变化范围还不清楚。其次，治疗的目标是模仿胰腺释放胰岛素的方式，即当血糖翻倍时，胰岛素分泌量增加7到10倍。根据提供的数据，还不明显NNC2215能达到这种效果。还需要临床试验来确定NNC2215是否安全有效。
参考文献：Hoeg-Jensen, T., Kruse, T., Brand, C.L. et al. Glucose-sensitive insulin with attenuation of hypoglycaemia. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08042-3
