动物模型血糖被控长达一天，浙大团队制备口服胰岛素制剂，小鼠连续给药7天未出现低血糖

科技 2024-11-01 17:54 北京

“当看到口服胰岛素能够降血糖那一刻，看到胶束聚集于肝脏那一刻，看到小鼠血糖钳夹试验和糖耐量试验验证了体内糖响应那一刻，我确信我们取得了比较激动的进展。”浙江大学百人研究员王金强表示。

他继续说道：“通过口服胰岛素，让实验动物模型能够远离低血糖状态，并且能让动物模型在 90% 的时间里将血糖控制在正常范围内，我至今都觉得挺兴奋。”

图 | 王金强（来源：王金强）

近日，他和所在团队打造出一款口服胰岛素制剂，能够进一步减轻糖尿病患者对于注射胰岛素的恐惧，也能减轻该类患者对于低血糖和注射疼痛的恐惧。

与此同时，这款新型制剂能潜在进一步提升糖尿病患者的血糖控制效果，并能提升“糖友”们的生活质量。此外，该制剂也可用于其他多肽或蛋白类药物的口服递送。

人体究竟如何有效利用胰岛素实现血糖控制？

王金强表示，自己从 2016 年开始在美国北卡罗来纳大学教堂山分校及加州大学洛杉矶分校，跟随当时在那里工作的顾臻教授从事博士后研究。

自那时起，王金强就聚焦于糖响应胰岛素及其递释系统的研发。

据他介绍，人体体内的胰岛素之所以能安全地控制血糖，其中一个原因是因为人体胰岛素的分泌是随着血糖的波动而同步波动的。

也就是说，糖响应胰岛素——是解决现有普通胰岛素制剂易于低血糖和血糖控制不佳等问题的重要途径。

2020 年，顾臻回国加入浙江大学担任讲席教授和该校药学院院长，王金强也随之加入浙江大学担任百人研究员。

自顾臻回国成立团队至今，该课题组已经研发出多种基于不同糖响应机制的创新胰岛素递释系统，既涵盖了微针制剂和注射制剂，并证明它们存在良好的体外和体内的糖响应胰岛素释放能力。

在此基础上，如何让糖响应胰岛素递释系统更好地发挥控制高血糖和降低低血糖风险的作用，是王金强一直在思考的问题。

王金强一直很好奇的是：人体到底是如何有效利用胰岛素进行控制血糖的？

他表示，自己对于人体如何既安全又高效地利用胰岛素的好奇心，并没有因为成功构建了糖响应胰岛素而终止。相反，他对于其背后工作原理的好奇心一直在逐日增加。

搜索血糖相关数据时可以发现，对于健康人的血糖来说，它被人体控制得十分完美，几乎总是被控制在正常范围内。

尽管王金强和同事做了很多努力，也证明了多种糖响应机制，但是让注射的胰岛素达到像健康人体一样的水平去控制血糖是他们的终极目标。

事实上，人体存在多种调控手段去控制糖代谢，包括胰高血糖素、生长激素、肾上腺素、胰岛素等等。

而通过进一步的调研他们发现：人体在分泌胰岛素的时候，会首先进入肝脏。这时，高浓度的胰岛素可以有效地抑制肝脏的糖原分解，并能促进肝糖原的合成。

然后，胰岛素会再次进入全身，进而靶向脂肪组织和肌肉组织。胰岛素在经过肝脏的时候，大约 50% 的胰岛素会留在肝脏，从而能够降低周体的胰岛素暴露量，进而只让适量的胰岛素去刺激脂肪细胞和肌肉细胞摄取葡萄糖。

也就是说，人体内的胰岛素存在一个肝脏到周体的胰岛素浓度梯度。

这让团队意识到，胰岛素就像是一个开关，能让肝脏组织像一个葡萄糖的蓄水池一样工作。即它在餐后把糖存起来，然后在空腹时把糖释放出来。

而人体中的所有肌肉细胞和脂肪细胞，只会摄取葡萄糖，基本不释放葡萄糖。

该团队的前期研究结果表明：只要能够构建体内响应的糖响应胰岛素，就能在人体出现低血糖时减少胰岛素的释放量，从而降低对于肌肉组织和脂肪组织的刺激作用，进而减缓低血糖发生的概率和程度。

那么，要想进一步地完善胰岛素的血糖控制水平，或许可以通过仿生手段让肝脏成为人体胰岛素制剂的主要靶点。

基于此，他们希望验证这样一个问题：即肝脏靶向的胰岛素递释系统是否真如预料的一样，可以减缓低血糖的发生？

（来源：资料图）

实现 10 倍的促进血糖代谢作用

为此，王金强等人设计、制备并验证了口服糖响应胰岛素。

他表示：“这个口服胰岛素纳米颗粒的形状是弯弯的棒状。载体疏水嵌段利用其疏水性和正电性能够保护胰岛素远离酶，减缓其在胃肠道中的酶解速率，从而留出足够的时间穿透粘液并被肠道吸收，使得生物利用度能达到 18.9%。”

其发现当这个递释系统被肠道吸收后，可以在肝脏内建立胰岛素储库。被释放出来的胰岛素会首先进入肝脏组织，然后再进入全身从而实现“形成从肝脏到全身由高到低的胰岛素浓度梯度”的目的。

当血糖升高时，储库中的胰岛素被快速释放，并且同样会首先经过肝脏组织，与肝脏细胞表面的胰岛素受体结合，而部分胰岛素也会被肝脏代谢，剩余部分进入全身。

一开始，王金强和同事打算做一些能够悬浮稳定的纳米糖响应胰岛素制剂，以用于该团队的另外一个课题。

后续实验也证明这些制剂在体内外具有糖响应释放能力。也就是说，纳米尺寸并不影响其糖响应释放胰岛素的能力。

“不过，我们在选择亲水段的时候藏了个心眼，我们用了一个具备穿透粘液层、并且能够被肠道高效吸收的亲水聚合物，想着万一以后或许还能用于口服胰岛素的递送。”王金强说。

“当我看到这个制剂的棒状胶束形状时，我心想这确实有点意思。因为我们以前做过棒状胶束相关课题，了解到棒状胶束与等流体力学体积的球状胶束相比，它的穿透能力和扩散能力的确更强。”他补充说。

因此，他让组里的博士研究生季康凡尝试研究一下这个制剂在 1 型糖尿病小鼠上是否具有口服降糖效果。

（来源：资料图）

尝试之后发现效果确实不错：即这个胶束能够在胃肠道被吸收，同时还能进入血液。

随后，他们在细胞实验、体外粘液渗透实验和体内实验方面进行进一步的深入研究，发现了胶束促进胰岛素的肠道吸收的原因（保护作用和促渗透作用）。

此外，通过观察肝脏切片，他们发现这个胶束在肠道吸收后可以进入肝脏，从而能够形成一个储库，进而将胰岛素慢慢释放出来。

最令人兴奋的是，在糖耐量试验中，小鼠血液中的胰岛素浓度随着血糖的升高而升高，这证明本次体系确实在小鼠体内发挥了作用。

具体来说，该团队将递释系统在自发 1 型糖尿病模型即在 NOD（non-obese diabetic）小鼠中，连续喂药 7 天，期间基本没有发生低血糖，并且 90% 左右的时间小鼠血糖维持在正常范围内。

这个结果不仅非常出乎意料，还意味着肝脏靶向对于补充糖响应性能具有重要作用。

随后，论文一稿返修之后，他们按照审稿人的意思，做了难度较高的小鼠血糖钳夹试验。

王金强说：“这里要感谢论文第一作者季康凡同学。他花了整整一个月时间，DIY 出来一套小鼠血糖钳夹试验装置。”

最后的实验结果证明口服糖响应胰岛素制剂能够在高糖条件下，展现出高于正常血糖条件下 10 倍的促进血糖代谢作用。

据季康凡回忆：“在连续 18 小时的糖尿病小鼠血糖监测实验中，第一次验证了我们的胶束制剂能够实现口服长效的血糖控制作用。”

那一天做完实验已经是凌晨，季康凡向王金强汇报了这个结果。当夜，王金强迅速回复消息并规划了下一步的工作方向。

（来源：资料图）

最终，相关论文以《一种口服葡萄糖反应性聚合物复合物，能在小鼠和猪中高效、安全地输送胰岛素》（An orally administered glucose-responsive polymeric complex for high-efficiency and safe delivery of insulin in mice and pigs）为题发在 Nature Nanotechnology[1]。

季康凡是第一作者，浙江大学百人研究员王金强和浙江大学顾臻教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Nanotechnology）

如前所述，他们在小鼠葡萄糖钳夹试验中，发现口服胰岛素制剂能够产生糖浓度依赖的血糖代谢效果。

也就是说，血糖越高，口服制剂的降糖能力越强，这意味着口服制剂能够产生体内糖响应效果，进而对于提升餐后血糖控制具有重要价值。

“同时，这个体系也告诉我们肝脏靶向和糖响应胰岛素的联合应用，将产生非常积极和乐观的结果。因此，我们也在努力地构建类似系统。”王金强表示。

目前，他们正在进一步优化载体结构，希望能够加速成果临床转化的步伐。

王金强补充称：“最近有媒体报道中国科学家利用转分化的胰岛细胞进行了 1 型糖尿病的治疗，取得了非常大的成功。”

很多人也问他，同行的这一研究成果是否意味着以后所有糖尿病人都不需要使用胰岛素了？

对此，他表示：“首先，我觉得同行的这一工作意义重大，也希望从此以后所有糖尿病人都可以不再使用胰岛素。”

但是，所有疗法都有其适应的人群，同时要考虑风险、费用、后期护理等因素。因此，胰岛素在将来一段时间内，将依然是大部分糖尿病人的主要治疗手段。

这就像肿瘤中的细胞治疗、免疫治疗的意义非常重大，但是依然没有影响靶向药和化疗药物在当下以及未来的重要价值。

总的来说，通过本次研究他们已经获悉糖响应和肝靶向，对于胰岛素的安全高效控糖都非常重要。

因此，他们拟在下一步研究中，继续提升口服胰岛素制剂的生物安全性、制备的简易性以及生物利用度，推动其临床转化。

此外，王金强和顾臻团队也在考虑能否制备一款可皮下注射的肝靶向糖响应胰岛素制剂，目前相关工作也正在进行中。

参考资料：

1.Ji, K., Wei, X., Kahkoska, A.R.et al.An orally administered glucose-responsive polymeric complex for high-efficiency and safe delivery of insulin in mice and pigs. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01764-5

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