[背景简介]
年，班廷和贝斯特发现胰岛素周年。这一发现和胰岛素的快速应用有效地将1型糖尿病从致命性疾病转变为可控的慢性疾病。
本文综述了胰岛素在医学史上的关键成就，包括胰岛素在糖尿病中的作用、胰岛素分子特征和胰岛素的临床应用。通过对接受胰岛素治疗的患者的观察，以及过去年来胰岛素药代动力学和递送方式的演变，作者思考了未来胰岛素治疗糖尿病所需应对的挑战，以实现这一变革性发现的潜力。
1.糖尿病病理生理学
伴随临床医生和科研人员的观察研究，人们对糖尿病病理生理学的理解逐步深入（图1）。在胰岛素投入临床使用前，研究人员根据患者年龄、体质和低碳水化合物饮食下的存活率来划分患病个体的分组。胰岛素进入临床后，临床医生将糖尿病患者分为不同的亚组——第一个亚组患有由胰岛素不足引起的疾病，第二个亚组患有由胰岛素不敏感引起的疾病。罗莎琳·耶洛和所罗门·贝尔森开发了一种可靠的放射免疫分析法，可以直接测量胰岛素水平，从而可以根据循环胰岛素的测量结果区分胰岛素缺乏型糖尿病和胰岛素不敏感型糖尿病。但是这些不同疾病类型的实际病因学基础仍然不明确。20世纪50年代，在发现其他内分泌疾病的自身免疫基础后，研究人员才开始将自身免疫视为胰岛素缺乏型（或称依赖型）糖尿病的病因。20世纪70年代末，人们认识到免疫介导的胰岛素分泌细胞缺失是胰岛素依赖型糖尿病的原因。年，国家糖尿病数据小组建议使用今天使用的术语对糖尿病进行分类：1型（胰岛素依赖型）、2型（非胰岛素依赖型）和“其他”（表示不属于这两类的疾病类型）。
在过去的半个世纪里，自发疾病的新动物模型以及人类免疫、代谢和遗传表型的改善继续影响人们对1型和2型糖尿病的理解。20世纪70年代早期，研究发现人类白细胞抗原（HLA）呈递基因在自身免疫性疾病（包括强直性脊柱炎、多发性硬化和1型糖尿病）中的关键作用。迄今为止，包括1型糖尿病在内的许多自身免疫性疾病的一个突出特征是具有少量HLA2类等位基因，该基因对免疫系统抗原呈递至关重要，这很大程度上导致了疾病遗传性。20世纪90年代，对病例和对照的全基因组连锁和全基因组关联研究发现超过60个在HLA区域之外的基因座，这些基因座也与1型糖尿病遗传风险有关。超过40%的1型糖尿病相关基因在胰岛或β细胞中表达，结合对人类胰岛和小鼠疾病模型的分子研究，这些遗传关联突出表明β细胞或免疫系统异常可能是1型糖尿病发病机制的关键驱动因素。
年提出了一个改进的分期系统：1期糖尿病为存在两种或多种自身抗体，2期糖尿病为存在多种自身抗体和血糖异常，3期1型糖尿病进展为显性糖尿病，包括空腹血糖7.0mmoll-1（1.26gl-1），随机血糖11.1mmoll-1（2gl-1）并伴有症状。这种分期方式专注于疾病预防，为发展阶段特异性代谢和免疫信号的机制研究提供了一个调节和概念框架。
自世纪之交以来，全基因组关联研究的规模和深度不断增加，迅速将2型糖尿病相关基因座的列表扩大到多个，有个独立信号。大多数相关基因座与β细胞相关，支持β细胞功能受损对2型糖尿病发病至关重要的观点。然而，目前仍未确定2型糖尿病能否根据遗传关联、机制和表型等分为多个亚型，以及这种分类方法是否会提高干预和治疗的精确度。
图1对胰岛素和糖尿病病理生理学研究的关键进展的时间线
2.胰岛素的分子特征
在发现胰岛素后不久，对于其分子特征的研究与其临床应用研究并步前进。霍奇金斯研究员于年拍摄了第一张胰岛素晶体的衍射图像，最终在年确定其晶体结构，胰岛素是由三个异二聚体组成的六聚体。20世纪50年代早期，桑格确定了胰岛素A链和B链的氨基酸序列。年，他证明了连接A链和B链的两个二硫键以及A链内二硫键的位置。除了是第一个成功测序的蛋白质，胰岛素还是第一个被定性为前激素的分子。年，唐纳德·斯坦纳研究了从芝加哥大学一名患者身上切除的胰岛素瘤，随后将胰岛素原确定为C肽的来源，并表明胰岛素和C肽以等摩尔比从β细胞分泌。年，礼来实验室的罗纳德·吉斯测定了猪胰岛素原分子的序列。
胰岛素结构的确定推动了对于胰岛素与其受体相互作用的研究，并有助于人们理解胰岛素基因突变导致的糖尿病单基因形式，这种突变产生基于结构影响的不同表型。结构异常的胰岛素与胰岛素受体相互作用的改变导致胰岛素作用的改变、高胰岛素血症和伴有常染色体显性遗传的成人型糖尿病。相反，影响胰岛素生物合成的隐性突变导致新生儿糖尿病。杂合子突变还会损害胰岛素前体的正常折叠，产生以显性-阴性方式作用的异常分子，从而损害所有胰岛素原从内质网的排出。这最初导致胰岛素缺乏，随后是严重的β细胞内质网应激和凋亡。最后，相对于胰岛素或C肽，胰岛素原分泌增加被认为是β细胞应激和功能障碍的血清替代物，也是1型和2型糖尿病的预测性生物标志物。
3.胰岛素的临床应用
胰岛素的分子特征对糖尿病的临床治疗影响极大。在患者首次临床使用“常规”胰岛素后，胰腺提取物得到进一步纯化，胰岛素的来源转移到猪和牛胰腺，浓度从最初的市售U-5胰岛素（5单位/mL）增加到U-10、U-20、U-40和U-80制剂。20世纪70年代初，最常见的胰岛素制剂为U-。浓度更高的胰岛素用于严重胰岛素抵抗的患者（U-，U-和U-）。虽然外源性胰岛素可以挽救生命，但其药代动力学与内源性人胰岛素不一致。外源性胰岛素的达峰时间通常延迟60-90分钟。除了作用延迟，这些一代胰岛素都是短效的（图2），每天需要多次注射。
第一个长效胰岛素是由H.C.哈格多恩在20世纪30年代开发的。这是一种悬浮鱼精蛋白锌胰岛素，其通过添加从河鳟鱼内获得的鱼精蛋白延长胰岛素的作用时间至24-36小时。年，Nordisk开发了一种中性鱼精蛋白哈格多恩胰岛素，这种胰岛素形成微晶，可与普通胰岛素混合，并持续18-24小时。20世纪50年代，使用不含鱼精蛋白的锌悬浮液开发了名为ultralente的胰岛素，这是第一种“无峰值”基础胰岛素（属于胰岛素lente家族）。然而，这些基于悬浮液制备的胰岛素的日常作用各不相同，导致它们的临床应用变得复杂，并且它们仍然需要每天不止一次给药。
20世纪80年代以前，所有胰岛素制剂都来源于动物。目前，研究人员试图利用重组DNA技术生产人胰岛素。细菌中的胰岛素克隆是一个复杂的过程。首先需要合成A链和B链，而后需要将A链和B链连接在一起，最后需要切断将胰岛素插入大肠杆菌所需的β-半乳糖苷酶，从而实现商业用途。年，基因泰克大卫·戈德尔、亚瑟·里格斯和同事合作生产了第一个重组DNA人胰岛素。随后，基因泰克和礼来同意将这种新的胰岛素商业化。年，HumulinR和N胰岛素上市。年和年相继推出NovolinR和InsumanR胰岛素。这些胰岛素仍然是锌基制剂，其药代动力学特征比天然分泌的胰岛素慢。
因此，人们开始致力于改善外源性胰岛素的药代动力学和药效学特性（吸收率、达峰时间和作用持续时间）。随着时间的推移，通过重组DNA技术和基因工程，并添加赋形剂，已经实现了这一点（图2）。调整天然胰岛素分子中的氨基酸位点或组成改变其药代动力学，使得吸收更快、达峰时间更短和消除更快。年，通过用天冬氨酸取代B28脯氨酸而产生合成胰岛素，天冬氨酸有利于快速解离二聚胰岛素链。年，第一种速效胰岛素——赖脯胰岛素（通过转化B29赖氨酸和B28脯氨酸生产）上市。接下来是0年上市的天冬氨酸胰岛素和4年上市的glulisine。随后通过添加烟酰胺和l-精氨酸作为赋形剂，开发了一种超快速起效的门冬胰岛素，以提高胰岛素的稳定性和吸收率。通过使用前列环素类似物来增强血管舒张和吸收，以及使用柠檬酸盐来增强局部血管渗透性，开发了超快速胰岛素lispro。
第一种每日单次给药的长效基础胰岛素——甘精胰岛素于0年被批准上市。它通过两条链中的氨基酸修饰延长作用时间（A链A21天冬酰胺被甘氨酸取代，B链添加两个精氨酸）。这些变化通过改变等电点来延长作用时间，使胰岛素在酸性条件下可溶，但在pH为7.4的注射部位沉淀，从而允许其缓慢解离。第二种长效基础胰岛素——地特胰岛素于5年获批。它的侧链B29位有一个脂肪酸（肉豆蔻酸），便于自我结合，对白蛋白有亲和力，可以延长作用时间。10年后开发的degludec胰岛素能够在注射部位形成可溶性多聚体贮库，使其具有超长（42小时）的降糖效果。
胰岛素治疗的改进也通过给药方法的改变得以实现。最初，胰岛素只能通过小瓶和注射器给药。年，NovoNordisk推出了第一支胰岛素笔。最近开发的“智能”胰岛素笔允许跟踪胰岛素浓度，并与智能手机应用程序集成以进行提醒、与血糖数据集成以提供剂量建议。胰岛素递送的进步还包括吸入胰岛素的发展，其起效和抵消作用比任何注射胰岛素都快。第一款Exubera于6年上市，但由于市场占有率低而迅速退市。吸入型胰岛素Afrezza在接下来的十年中由Mannkind推出，但是高成本、有限的给药灵活性和对肺部的影响限制了它的临床使用。
可以说，胰岛素递送领域最具影响力的技术驱动是利用胰岛素泵进行连续皮下胰岛素输注的技术。阿诺德·卡迪什于年设计了第一个包含自动血糖检测的闭环胰岛素泵，但是它很大（像一个“*用背包”），不适合日常使用。20世纪70年代末开始对胰岛素泵进行严格测试，得到了第一类可穿戴系统，包括“大蓝砖”。到20世纪80年代，持续皮下胰岛素输注已经成为一种可行的胰岛素递送方式。年，MiniMed将第一台商用泵推向市场。未来几十年的改进包括多家制造商推出无管补片泵等新型泵、修改胰岛素推注输送时间/持续时间的能力以及设备可用性的改进。可靠和准确的连续葡萄糖监测器的发展使得葡萄糖数据与胰岛素泵输送的整合成为可能，并推动开发闭环系统的安全有效算法。现在，越来越多的泵采用混合闭环技术，泵根据连续的葡萄糖读数和趋势自动输送胰岛素。
图2胰岛素药代动力学的改善历程：a.人胰岛素原的天然结构；b.皮下注射可用胰岛素的代表性药代动力学特征；c.胰岛素类似物的结构变化和在美国的引入年限，包括速效胰岛素类似物（绿色方框）和长效胰岛素类似物（红色方框）
4.挑战
年，在对成功预防糖尿病进行了近30年的探索后，抗CD3抗体替普利珠单抗的1型糖尿病试验网研究显示，在血糖异常（即2期1型糖尿病）的高危多重自身抗体阳性个体中，单个14天疗程的药物可将临床糖尿病（即3期1型糖尿病）的发病时间中值延迟32.5个月。这项开创性研究的结果强调了确定正确的干预治疗窗口的重要性，但也提出了如何在研究环境之外识别高危个体的实际问题。
自从发现胰岛素以来的年里，人们治疗1型和2型糖尿病的能力有了显著进步，这得益于对该疾病病理生理学的更好理解以及胰岛素配方和递送方式的改进。但是未来仍需不断努力改进胰岛素治疗（图3），包括开发更好的胰岛素，例如药代动力学更快的胰岛素、每周给药一次的胰岛素、口服胰岛素，以及最终在高血糖条件下增加循环浓度的葡萄糖响应“智能”胰岛素；也包括引用更先进的技术，例如自动胰岛素输送装置、植入式装置和双激素系统（胰岛素和胰高血糖素）的改进。最后，通过从诱导多能干细胞或胚胎干细胞产生β样细胞来开发胰岛素的可再生细胞来源也很有前景。虽然尚未得到与正常β细胞生理学完全一致的β样细胞，但在过去20年中，定向分化策略有了一系列稳步的改进。与此同时，大量的工作集中在开发理想的细胞生态位和包封策略，以支持激素分泌的正常模式，同时保护这些细胞植入物免受自身免疫破坏。胰岛素输送和监测的改善以及基于细胞的胰岛素替代来源有可能广泛影响糖尿病管理，并将使1型和2型糖尿病以及更罕见的疾病受益。
最后，当庆祝这一非凡的百年纪念时，不要忽略在可及性和公平性方面仍然存在严峻的挑战，而糖尿病护理技术的进步只会加剧这些挑战。最近对美国1型糖尿病儿童和成人的一项分析显示，与糖尿病相关的月平均费用近美元，其中近50%为药费。即使是糖尿病治疗中最基本的组成部分——胰岛素本身，对许多人来说也已经负担不起了。从年到年，美国胰岛素的平均标价每年增长14-17%。这些增长通常是由标价和制造商最终收到的净价之间的差距驱动的，这在很大程度上归因于透明度差的供应链中利益相关方之间谈判的回扣和折扣。因此，当我们展望那些需要胰岛素才能生存的人的未来时，重要的是不能忘记班廷的利他主义，应牢记他所说的“胰岛素属于世界，而不是我”。只有建立全球患者的平等机会，过去一个世纪围绕胰岛素取得的显著成就才能真正实现其最大影响。
图3胰岛素和糖尿病治疗的未来
文章来源：
SimsEK,CarrALJ,OramRA,etal.yearsofinsulin:celebratingthepast,presentandfutureofdiabetestherapy.NatureMedicine,,27(7):-.
DOI:10./s---2
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