糖尿病是一种以长期高血糖为特征的代谢紊乱疾病，是全球最常见的慢性病之一。国际糖尿病联盟2019年发布的全球糖尿病数据显示[1]，全球共计有约7亿成人糖尿病患者（20-79岁），每11个成人就有1人患有糖尿病（4.63亿），成人糖尿病患者最多的国家依次是中国、印度和美国，其中中国成人糖尿病人数高达1.16亿。
2019年，首个口服GLP-1受体激动剂（GLP-1 receptor agonist, GLP-1RA）——诺和诺德的口服索马鲁肽（Semaglutide）被FDA批准上市，口服的给药方式可减少糖尿病人给药的创伤，大大提高用药依从性和便利性，有望改变糖尿病药物市场格局。本文概述了重要靶点GLP-1受体的发现，索马鲁肽皮下注射制剂和口服制剂的开发和相应的药代动力学特征。
一、GLP-1受体及GLP-1受体激动剂
胰高血糖素样肽-1（Glucagon-like Peptide 1，GLP-1），是由三十个氨基酸组成，由人胰高血糖素基因编码，肠道L细胞分泌的一种肽类激素。当GLP-1与胰岛β细胞表面的GLP-1受体结合后，β细胞质内的钙离子浓度升高，增强胞内胰岛素贮藏颗粒的胞吐作用，促进胰岛素释放。GLP-1还可以刺激胰岛β细胞的增殖和分化，抑制β细胞凋亡。然而，不是生物体内所有形式的GLP-1都具有降糖作用，体内有生物活性的GLP-1有两种形式，即图2中的GLP1 7-37和7-36。GLP-1会迅速被细胞表面的DPP-4蛋白酶水解，从而失去降糖活性，因而不具备稳定性。因此，针对GLP-1受体的降糖药物不仅需要与GLP-1具有相同或者类似的生物活性，且应不易被DPP-4蛋白酶水解，即GLP-1受体激动剂（GLP-1 receptor agonist, GLP-1RA）。
图1: GLP-1的不同结构形式[2]
二、索马鲁肤皮下注射制剂的开发
索马鲁肽（Semaglutide）由诺和诺德研发，最初被设计为一种强有力的、持久的皮下注射类抗糖尿病药物，其用药频率为每周一次，以提高便利性。索马鲁肽于2017年12月获FDA批准上市，是继艾塞那肽、利拉鲁肽、阿必鲁肽、度拉糖肽、利司那肽、贝那鲁肽之后，全球第七个获批的GLP-1RA。
作为诺和诺德的第二款GLP-1RA药物，索马鲁肽的研发策略借鉴了公司第一款GLP-1RA药物利拉鲁肽，在内源GLP-1的序列结构上进行改变，并通过在肽链骨架上修饰脂肪酸侧链与人白蛋白结合来延长血浆半衰期[3]。
具体来讲，首先索马鲁肽以内源GLP-1的序列和结构为出发点，以降低免疫原性风险。随后，通过丙氨酸扫描突变技术，研究人员发现，将内源GLP-1第8位丙氨酸替换为α-氨基异丁酸（一种非天然氨基酸），不仅能够保持药物与GLP-1受体结合亲和力，同时还可以保护多肽在N端不被DPP-4降解。然而，进行脂肪酸修饰的实验中，研究人员发现，GLP-1RA与白蛋白之间的强亲和力会影响GLP-1RA与GLP受体的结合，因此如何平衡半衰期与药效之间的关系是非常关键的问题。经过对连接子和脂肪酸进行大量的筛选和对比，最后确定在26号赖氨酸使用γGlu-2xOEG连接子和C18二元脂肪酸侧链进行修饰，能够同时保证白蛋白的高亲和性和对GLP-1受体的高效力。另外，研究人员还用精氨酸替换第34位的赖氨酸，以防止脂肪酸侧链连接到错误的位置。索马鲁肽的分子示意图见图3 [4]，其对GLP-1受体的亲和力为0.38± 0.06 nM，比利拉鲁肽减弱三倍，但对白蛋白的亲和性是利拉鲁肽的6倍，在人体的半衰期长达165小时[5]。
图2：索马鲁肽药物分子结构示意图（皮下给药制剂）[4]
2019年9月，全球首个非注射型GLP-1RA药物口服索马鲁肽片获FDA批准上市，每日早餐前半小时空腹服用一次，用于结合饮食控制和运动，以改善Ⅱ型糖尿病成人患者的血糖控制。索马鲁肽口服制剂的出现改变了GLP-1RA药物的给药方式，它减少糖尿病人给药的创伤，提高了用药依从性和便利性。
索马鲁肽从皮下注射制剂到口服制剂，远比想象中困难。胃肠道中丰富的蛋白酶，会迅速水解多肽，且多肽药物分子量大，渗透性低，吸收困难，因此口服给药难度极大，此前已上市的GLP-1RA药物用药方式多数为皮下注射。但是从方便病人服药的角度来说，口服给药是一种相当理想的递送方法。通常口服药物为小分子，需要具有一定的疏水性。对于GLP-1RA来说，一种方法是开发激活GLP-1受体的小分子激动剂，但小分子激动剂的效力不足、与GLP-1R结合缺乏特异性以及半衰期不理想。另一种策略是使用吸收增强剂。由Emisphere公司开发的N-[8-（2-羟基苯甲酰基）氨基]辛酸盐（SNAC）是一种公认安全的小分子吸收促进剂（图4），可以协助口服递送药物。SNAC在药学领域并不活跃，主要用做食品补充剂、维生素和膳食成分。SNAC已经之前也用于和肝素、伊班膦酸盐和维生素B12共同配制以增加药物的吸收[6-8]。
图3：N-[8-(2-羟基苯甲酰基)氨基]辛酸盐的结构式
索马鲁肽作的口服制剂就是和SNAC一起构成的配方。肽类药物主要在肠道中被吸收而口服索马鲁肽改变了肽的吸收部位，使其在胃部被吸收，而不是在肠道中。在吸收的过程中，SNAC在胃部的溶解能够局部升高胃的pH值，进而提高索马鲁肽的溶解度，且将胃中酸性环境改变为中性环境，使肽酶失活，避免索马鲁肽被胃中的肽酶降解。实验表明，SNAC的亲脂性使其能够嵌入到细胞膜上，帮助索马鲁肽被细胞快速吸收。索马鲁肽在胃中的溶解如图5所示[9]。
图4：索马鲁肽在胃中溶解示意图
通过比较正常犬和幽门结扎犬口服索马鲁肽片剂后药时曲线如图6，幽门结扎后对索马鲁肽的吸收并没有显著的影响[9]。为了进一步证实索马鲁肽在胃部吸收，研究人员将犬脾静脉底端和右侧胃网膜静脉结扎，此时脾静脉血全部来自于胃部，而门静脉血主要来自于小肠。口服索马鲁肽后分别采集脾静脉血和肝门静脉血。结果所示，脾静脉中索马鲁肽的浓度远高于肝门静脉，说明索马鲁肽最初的摄取是发生在胃部，而不是小肠。
图5：正常犬和幽门结扎犬口服索马鲁肽片剂后的浓度曲线
药代动力学方面，图7总结了口服索马鲁肽与皮下注射索马鲁肽的药代动力学参数[6]。口服索马鲁肽采用连续用药的方式（前5天5毫克/日，后5天10毫克/日，共10天），而后持续取样21天，Cmax为15 nM，Tmax为1 h，半衰期为1周；皮下注射索马鲁肽单次用药0.5毫克，Cmax为10 nM，Tmax为24 h，半衰期为1周。归功于良好的药代动力学性质，皮下注射索马鲁肽每周用药一次即可，为糖尿病人提供了极大的便利。而口服索马鲁肽是目前唯一可以口服的GLP-1RA药物，每日餐前半小时空腹服用一次即可，这无疑为糖尿病患者提供了更多的选择。
索马鲁肽主要通过DPP-4蛋白及中性肽链内切酶的水解和脂肪酸二酸侧链的氧化进行代谢，代谢产物通常通过粪便及尿液排出[10]。鉴于糖尿病病人常常需要联合用药，临床上也考察了索马鲁肽对包括华法林和二甲双胍等在内的多种常用药暴露量的影响，并未观察到索马鲁肽与之产生药物-药物相互作用[11,12]。
图6：口服索马鲁肽与皮下注射索马鲁肽的药代动力学参数
索马鲁肽的各项指标基本都优于或持平于其他GLP-1RA药物，但其最亮眼的优势还是在于给药方式除了皮下注射以外还可以口服。值得一提的是，除了二型糖尿病，多项研究表明，索马鲁肽在减肥、降低Ⅱ型糖尿病患者重大心血管事件（Major Adverse Cardiovascular Events, MACE）风险、治疗非酒精性脂肪性肝炎（Nonalcoholic Fatty Liver Disease, NASH）以及肾功能受益等方面也有积极影响。
在索马鲁肽及其口服制剂的研发过程中，主要关键点有两个，一是如何提高药物半衰期，二是如何实现口服。首先，为了解决多肽半衰期短的弊端，替换酶作用位点的氨基酸，以抵抗酶的水解；链接脂肪酸侧链，以增强与白蛋白的结合，从而延缓系统清除，以达到长效的目的。为了实现口服用药，使用一种小分子吸收增强剂，成功使口服索马鲁肽达到了足够的生物利用度。SNAC可以局部提高胃内pH值，防止索马鲁肽被胃中的肽酶降解，同时促进索马鲁肽的吸收，突破了多肽口服不能吸收的限制。
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