《Journal of Controlled Release》：Molecular engineering of designer diabetes therapeutics
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这篇综述系统阐述了糖尿病生物制剂（胰岛素、GLP-1RA等）的分子工程策略，重点探讨了通过氨基酸替换、肽链订合、糖基化、PEG化等技术增强稳定性、调控药代动力学（如半衰期延长）及开发新型给药途径（口服/吸入）的创新方法。文章还分析了多受体激动剂（如tirzepatide）和葡萄糖响应系统的设计原理，为下一代智能糖尿病治疗提供了分子级设计框架。
2. 工程化分子稳定性
蛋白质和多肽疗法在聚集性、溶解度和物理化学不稳定性方面存在固有挑战。为增强结构稳定性，研究者采用氨基酸替换（如引入D-氨基酸或非经典氨基酸）、共价订合（如环化或钉合肽）等策略。例如，GLP-1受体激动剂（GLP-1RA）通过丙氨酸-2-甘氨酸（A2G）替换或Aib（氨基异丁酸）修饰有效抵抗DPP-4酶降解；胰淀素类似物普兰林肽通过脯氨酸替换（A25P/S28P/S29P）抑制β-片层形成，减少淀粉样纤维聚集。糖基化和PEG化则通过空间屏蔽作用增强酶解抗性和溶解度，如糖基化胰岛素在B链T27位点进行O-甘露糖化可提高蛋白酶抗性。
2.1 氨基酸替换
通过替换天然氨基酸或引入立体异构体（D-氨基酸）可改变肽的构象和稳定性。例如，达西鲁肽（dasiglucagon）通过6个氨基酸替换（R17A/Q20E/D21E等）降低净电荷，结合Aib修饰提高溶解度和抗降解能力。胰岛素类似物中，B28位点替换（如胰岛素利斯普罗的ProB28Lys）可抑制六聚体形成，加速单体吸收。
2.2 共价订合与肽环化
α-螺旋结构（如胰高血糖素）可通过钉合化学（如烯烃复分解、CuAAC反应）稳定其构象，减少β-片层转化。乳酸桥联修饰的胰高血糖素类似物显示α-螺旋稳定性提升，但需平衡活性保留与结构刚性。胰岛素通过二硫键工程（如A10C-B4C附加二硫键）增强构象稳定性，降低聚集倾向。
2.3 糖基化
糖基化修饰可提高肽的蛋白酶抗性和循环半衰期。GLP-1RA在N24、N34位点糖基化（如GlcNAc修饰）能延长降血糖持续时间。S-糖基化（如GLP-1的S18C-GlcNAc）可实现位点特异性修饰，提高生物活性。但目前尚无糖基化糖尿病药物获批，挑战在于规模化合成与纯化。
2.4 PEG化
PEG化通过增加水合层减少聚集和免疫识别。胰岛素B29位点PEG化可延长半衰期，但PEG-胰岛素利斯普罗因肝毒性终止临床。替代策略如超分子PEG化通过可逆结合胰岛素B1苯丙氨酸实现可控释放。
3. 稳定性与药代动力学调控的桥梁
药代动力学特性（如起效时间、作用持续时间）可通过序列修饰（如pI调节）、制剂添加剂（锌离子、表面活性剂）或皮下/血管储库策略精准调控。胰岛素格列净（glargine）通过pI偏移（5.5→6.7）形成皮下沉淀储库；胰岛素德谷（degludec）通过C16脂肪酸链结合血清白蛋白，半衰期延长至25小时。GLP-1RA如司美格鲁肽（semaglutide）利用C18脂肪酸二酸链实现每周一次给药。
3.1 序列修饰
胰岛素类似物通过电荷工程调节溶解性：胰岛素门冬（aspart）的PheB28Asp替换加速解聚；胰岛素格列净的AsnA21Gly及C端精氨酸添加促进中性pH沉淀。
3.2 制剂添加剂
锌离子和酚类添加剂可稳定胰岛素六聚体；EDTA螯合锌可促进单体化，用于速效制剂。胰岛素利斯普罗配方中的枸橼酸盐和曲前列环素可增强血管渗透，实现超速效作用。
3.3 皮下储库
大分子复合物（如NPH胰岛素-鱼精蛋白）或自组装肽（如GLP-1RA）可形成缓释储库。自关联调控（如胰岛素德谷的双六聚体形成）进一步延长作用时间。
3.4 血管储库
白蛋白结合（如脂肪酸链修饰）或Fc融合（如度拉糖肽dulaglutide）可规避肾清除。红细胞载药系统利用其长循环特性（约120天）实现葡萄糖响应性胰岛素递送。
4. 替代给药途径调控生物分布
为改善用药依从性，口服、吸入、鼻内等非注射途径被广泛探索。口服制剂需克服胃肠道降解和低吸收问题，如司美格鲁肽片剂使用渗透增强剂SNAC提高生物利用度。吸入胰岛素（Afrezza）通过 Technosphere?技术实现15分钟内达峰。鼻内给药（如Baqsimi鼻用胰高血糖素）适用于低血糖急救，10-20分钟起效。
4.1 口服给药
渗透增强剂（如癸酸钠、SNAC）可促进肠道吸收，但生物利用度仍低于1%。胰岛素曲格匹（tregopil）通过PEG化和表面活性剂组合提高稳定性。
4.2 腹腔内给药
直接门静脉输注模拟生理胰岛素分布，但侵入性高且易感染。
4.3 吸入给药
肺泡快速吸收实现速效，如Afrezza的胰岛素-富马酰二酮哌嗪粉末制剂。
4.4 鼻内给药
β-环糊精等吸收促进剂用于胰高血糖素制剂，但鼻腔阻塞可能影响吸收可靠性。
5. 动态与集成治疗系统
多受体激动剂和协同复方制剂通过靶向互补通路增强疗效。葡萄糖响应系统则利用分子识别（如ConA、PBA）或酶感应（GOx）实现智能给药。
5.1 复方疗法
胰岛素-GLP-1RA复方（iDegLira）兼具降糖和减重优势；胰岛素-胰高血糖素复方提供双向血糖调控。挑战在于组分相容性和药代动力学匹配。
5.1.2 多受体激动剂
替尔泊肽（tirzepatide）作为GLP-1/GIP双激动剂显示卓越降糖效果；瑞塔鲁肽（retatrutide）（GLP-1/GIP/胰高血糖素三激动剂）进一步整合能量代谢调控。序列设计需保留各受体结合域关键残基。
5.2 葡萄糖响应活性
5.2.1 葡萄糖结合基序
苯硼酸（PBA）与顺式二醇可逆结合用于胰岛素修饰，但缺乏特异性；合成大环分子（Kd=18,000 M-1）通过竞争性结合实现高血糖触发释放。
5.2.2 酶促葡萄糖传感
葡萄糖氧化酶（GOx）催化葡萄糖产酸，触发pH响应水凝胶释药。但H2O2副产物毒性和免疫原性限制临床转化。
6. 结论
糖尿病生物制剂的分子工程已实现从稳定性优化到智能给药的跨越。未来方向包括自主血糖调控的葡萄糖响应胰岛素、多靶点协同激动剂，以及精准递送系统的融合。这些策略也为其他疾病领域的蛋白药物设计提供了通用框架。
