科学指导的药物设计

早在1960年代,生物学家们就发现了一个特别反常识的现象。这个现象告诉我们,血糖调节远没有我们想的那么简单。

他们测试了两个让血糖升高的办法:一个是给人吃馒头、米饭这样的主食,让人消化吸收食物里的葡萄糖;另一个是把葡萄糖直接装进针管注射到血管里。结果两种办法相比,吃馒头、米饭反而比直接注射葡萄糖,胰岛素的分泌快得多,血糖下降得也要快得多。这就有点奇怪了。吃下去的食物,要先经过消化系统的破碎、消化、吸收,才会变成血管里的葡萄糖。一般来说,这个消化吸收的过程要持续一两个钟头。照这么说,吃东西刺激胰岛素分泌的速度,应该比注射葡萄糖刺激胰岛素分泌的速度慢得多才对啊。

不合常理的现象,在科学史上往往是重要发现的前奏。

这其实只有一个合理的解释——食物在消化吸收的过程中,在还没有变成葡萄糖之前,就已经能唤醒胰岛素的分泌了。而且很可能,消化系统就能直接激活胰岛素的释放。

在1980年代末,生物学家们就从哺乳动物的消化系统里——更具体点说,是小肠部位——找到了一个蛋白质分子。它由30几个氨基酸组成,比胰岛素分子还小。每次吃饭的时候,小肠一开始蠕动,这个蛋白质分子就开始释放。它能精确地找到胰腺beta细胞,督促胰岛素分泌。从某种程度上可以说,这套信号系统是肠道直接在和胰腺对话:一大波血糖正在路上,请提前做好准备。

因为这套预警系统的存在,吃饭时胰岛素的释放当然就快多了。

而这个神奇的蛋白质分子的名字就叫“胰高血糖素样肽-1,简称GLP-1。既然2型糖尿病人对胰岛素敏感度下降了,也就是说,他们体内的胰岛素相对来说不够用了;恰好GLP-1能促进胰岛素快速释放、降低血糖,那干脆把GLP-1做成药给病人打一针,不就好了么?想法很好但事情没那么简单。GLP-1是一个作用时间窗口极其短暂的分子,它在人体内的半衰期只有短短的一两分钟,很快就会被彻底分解。直接拿它做药,根本就是白费功夫。GLP-1虽然生存期特别短暂,但是它的用处是实实在在的,确实能降低血糖。那能不能想点办法,让GLP-1在人体内的存活时间长一点、作用周期长一点呢?没错。药物开发者发现,如果对天然的GLP-1进行一点定向的化学修饰,就能让它在人体内的半衰期从几分钟延长到十几个小时,甚至一周。这样一来,2型糖尿病患者只需要定期给自己打一针就够了。这种经过改进的GLP-1,也就真正具备了药用价值。

在2018年,丹麦诺和诺德公司推出的一天一针的GLP-1药物诺和力(Victoza)和美国礼来公司推出的一周一次的GLP-1药物Trulicity,全球销售额都超过了30亿美元,在临床和市场上都取得了巨大的成功。

既然我们知道GLP-1在人体中会被快速地降解,那如果我们找出来到底是什么东西破坏了GLP-1,然后有针对性的设计药物阻止它破坏GLP-1,不是也能延长GLP-1的作用时间么?

在1990年代,生物学家们找到了负责让GLP-1降解的元凶——一个叫作“二甲基肽酶”蛋白质剪刀,英文名叫DPP-4。在人体中,它能够精确地剪掉GLP-1末端的两个氨基酸,让它失去功能。在那之后,大大小小的制药公司陆续开发出了几十种针对DPP-4的新药。这些药物能够像钥匙插入锁孔一样,精确地结合这把蛋白质剪刀,让它不能再去破坏GLP-1。如今这些药物已经成为2型糖尿病的首选药物之一,特别是如果患者吃二甲双胍副作用太大,这一类新药就成了他们的救命稻草。而这类抑制DPP-4的药物,化学名称一般结尾都是“格列汀”(gliptin),比如什么西格列汀、维格列汀、沙格列汀等。

如果血糖实在太高,得不到控制,最终这些血糖能去哪儿呢?

你可能会想到“尿”,毕竟糖尿病这个名字就已经提示答案了嘛。确实,糖尿病患者的高血糖如果得不到控制,相当一部分血糖会通过尿液排出体外。但是这样一来就出现了一个反常识的问题:如果糖分可以通过尿液排出,那为什么糖尿病患者的血糖仍然很高呢?一个直接的回答就是:血液里的物质其实不会畅通无阻的进入尿液,否则我们的尿液都应该是红通通的,和血液颜色一样了。在尿液生成的过程里,有一个人体器官起到了过滤和回收的功能,就是肾脏。

血液流经肾脏时,肾脏会通过两个步骤生产尿液。第一步是过滤,先把红细胞、白细胞留下,把血液里的水分和水里面溶解的物质过滤出来;第二步是重新回收,把水分里面的有用物质,包括盐分、氨基酸和葡萄糖,都给重新提取出来、放回血液。这样一来,尿液里就浓缩了一大堆人体不需要的废物,一泡尿就把它们都排泄出去了。

因此在正常条件下,尿液里几乎不会有葡萄糖。这么宝贵的能量物质,不能白白浪费了。只有得了糖尿病的时候,血液里的葡萄糖实在太多了,肾脏的功能又受到影响,怎么开足马力也不足以回收所有的葡萄糖,病人的尿液才会出现大量的糖。

有了肾脏这套血糖的回收装置,血液里的葡萄糖不可能都跑到尿液里排泄掉,大部分还是会被回收、重新利用。这对于健康人来说当然是件好事了,但是对于糖尿病患者来说,这套回收装置反而显得有点多余。因为如果没有它,尿液不就可以排泄更多的葡萄糖了么?血糖不就能降下来了么?沿着这个思路,在过去七八年的时间里,有一批功能类似的药物被开发出来推向市场,比如恩格列净、达格列净、卡格列净——名字带有“格列净”三个字的差不多都是这类药物。

这些药物的打击目标,都是肾脏里负责回收血糖的一种叫作“SGLT-2”的蛋白质,中文叫“钠-葡萄糖共转运蛋白”。

这些药物一起作用,这种蛋白质就会停工,肾脏就不能回收血糖了,所以过剩的血糖随着尿液排出,糖尿病人的血糖就降下来了。而一旦血糖得到了控制,糖尿病的后续危害,特别是那些凶险的并发症,当然就能得到控制了。

这就是生命科学研究和理性制药的魅力。

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