2020年內分泌學界Rolf Luft Award大獎得主，賓夕法尼亞大學糖尿病、肥胖與代謝研究所創始人Franz Matschinsky教授一直致力于葡萄糖激酶(GK)的研究，被譽為GK之父，盡管研究歷程漫長，現在“GK是人體的葡萄糖傳感器”這一原理已經成為了理解血糖穩態及相應疾病和治療的核心[1]。Matschinsky教授于2012年在Diabetes, Obesity and Metabolism發表的一篇綜述《Repair of diverse diabetic defects of β-cells in man and mouse by pharmacological glucokinase activation》，追溯了GK的結構、生化酶動力學及分子生物學特征，薈萃了葡萄糖激酶激動劑(GKA) Piragliatin改善β細胞功能障礙的相關數據，為我們正確認識和展望GKA在T2DM治療中的應用地位及前景提供了新的思路。
緣起——尋根究底：看胰島細胞GK的酶動力學及分子生物學特征GK作為己糖激酶家族中獨特的單體變構酶，與其底物葡萄糖在酶動力學上有正協同作用 （希爾系數為1.7[2]），S0.5值約為7 mM，位于人體正常血糖濃度區間。GK與葡萄糖結合后，酶的構象發生改變，新的構象有利于后續葡糖糖分子與GK酶結合及酶親和力的提高。該過程中GK隨葡萄糖水平變化會出現相應的酶的構像及對應的催化活性的變化，使得當葡萄糖濃度即使發生微小變化時，GK能夠控制反應速率，發揮葡萄糖傳感器的作用[3]。這些生化結構及酶動力學特性是GK作為葡萄糖傳感器調節血糖穩態的基礎，使得GK在生理最重要的葡萄糖濃度區間 （4-10mM)對于血糖濃度變化具有高的敏感性，從而保證了葡萄糖的代謝水平緊隨血糖濃度的變化而變化。GK基因突變的MODY-2患者GK活性降低，血糖升高；同時，糖尿病患者胰島和肝臟GK表達下降與血糖異常直接相關，并造成胰島素分泌時相明顯滯后于GSIR閾值。這些都為GKA治療糖尿病提供了科學基礎。
1、GK基因突變小鼠研究——GKA改善β細胞功能初見端倪在乙烷基亞硝基脲（ENU）誘導的GK失活基因突變MODY-2小鼠及PNDM糖尿病模型的研究[3]發現，GK基因失活突變P417R降低了GK的催化活性和酶的熱穩定性，從而導致小鼠糖尿病。而GKA Piragliatin 治療可降低P417R突變糖尿病小鼠的血糖。進一步對P417R突變小鼠的胰島進行離體培養，發現其表現為葡萄糖刺激的胰島素分泌缺乏；而在經過高糖及GKA持續培養后可修復這種β細胞功能損傷。分析發現，GKA Piragliatin干預增加突變GK蛋白的穩定性，提高GK的催化活性，改善葡萄糖代謝，修復β細胞分泌缺陷。
2、磺脲類藥物失效相關機理研究——GKA可改善格列本脲誘導的β細胞功能障礙眾所周知，磺脲類藥物會隨著應用時間延長而出現失效問題。據2010年文獻報道，GKA（化合物B)可降低磺脲類藥物繼發失效大鼠的血糖水平[4]。為了解釋這個過程的基本生化藥理學機理，研究者采用通過誘導磺脲類藥物急性失效的胰島培養模型來探索這種現象，在離體胰島灌注試驗中，格列本脲連續幾天持續作用可以導致胰島對葡萄糖的敏感性減低，葡萄糖刺激的最大胰島素分泌減少75%，而在此由格列本脲引起功能損傷的胰島中加用GKA Piragliatin后，顯著增加β細胞對葡萄糖的敏感性，葡萄糖刺激的胰島素釋放閾值修復至大約為5mM，接近正常生理值。當葡萄糖濃度達到10 mM時，3 μM GKA Piragliatin能最大程度地刺激葡萄糖代謝及能量產生，且去除高糖刺激后仍是如此。這提示，去除高糖刺激后，第二信使鈣離子及代謝耦聯因子仍然持續維持在升高后的水平。這種持續的激活效果可以解釋β 細胞對葡萄糖和氨基酸的刺激所做出的迅速的雙相反應。因此，GKA是通過增強葡萄糖誘導的胰島素釋放的觸發機制以及放大機制來發揮改善胰島β細胞功能的作用[5]。3、T2DM人群研究——GKA改善β細胞生物能量學指標、鈣離子代謝及胰島素分泌為探討GKA治療2型糖尿病的生化藥理作用，Doliba NM等人觀察了GKA Piragliatin對T2DM患者離體胰島葡萄糖刺激的胰島素釋放、呼吸作用及鈣代謝的影響[8]。結果發現，與健康人群相比，T2DM患者的胰島暴露于葡萄糖時，葡萄糖刺激的胰島素釋放減少，葡萄糖誘導的細胞呼吸作用顯著減弱，細胞內鈣離子反應顯著降低（圖1A、B）。GKA Piragliatin可以改善T2DM患者胰島中葡萄糖誘導的胰島素早相分泌，同時提高和改善T2DM患者胰島的耗氧量對葡萄糖濃度變化的敏感性，從而達到修復T2DM患者胰島功能的效果（圖1C、D、E、F)，同時GKA不增加健康人群胰島的耗氧量。值得一提的是，GKA Piraglitin幾乎可以使得胰島細胞氧耗率恢復到正常健康者的水平，而這一點即使是極高濃度（25 mM）葡萄糖都難以實現的。這些證據充分說明GKA具有修復T2DM患者胰島細胞生物能量代謝缺陷的能力。
圖1.GKA可改善T2DM患者胰島的生物能量學指標、鈣離子代謝及胰島素分泌
隨著相關研究的不斷發展進步，過去20年間，不斷涌現出越來越多不同種類的GKA。匯總現有文獻可見，最新一代GKA Dorzagliatin具有獨特的作用機制，能夠修復葡萄糖傳感器、改善胰島素早相分泌、重塑血糖穩態，有望成為改良糖尿病疾病進程的新療法。糖尿病大鼠實驗中，Dorzagliatin治療4周顯著降低糖尿病大鼠的空腹和餐后血糖，并明顯提升糖尿病大鼠胰島中胰島素分泌細胞的數量[9]。朱大龍教授等在中國2型糖尿病患者中評估第四代GKA Dorzagliatin對胰島β細胞功能影響的臨床研究中[10]，用業界廣為接受的穩態模型方法計算胰島β細胞功能指數（HOMA2 -β）代表β細胞功能，口服用藥75mg BID組HOMA2 -β增加36.31%，同時用ΔC30/ΔG30代表的早相胰島素/C肽早相分泌指數較基線相比增加167.67%。在另一項劑量探索研究結果中[11]，將53例T2DM患者隨機分為Dorzagliatin治療組（n=43，25mg 8例、50mg 10例、100mg 10例、150mg 8例、200mg 7例）和安慰劑組（n=10，每個隊列2例），每日口服兩次，連續服藥7天后，T2DM患者胰島對血糖的敏感性明顯改善，C肽分泌時相前移，胰島素早相分泌得以改善。2018年底發表在Lancet Diabetes Endocrinol上的2期臨床研究結果[12]顯示，相比安慰劑組，在第12周75mg BID組T2DM患者的HOMA-IR顯著下降，葡萄糖處置指數（DI）顯著升高；此外，結束治療1周之后，無降糖藥史的75mg BID組T2DM患者的HOMA-IR相比安慰劑組仍有顯著改善。近期公布的Dorzagliatin的兩項III期臨床研究結果[13,14]進一步在擴大患者人群中展示了GKA Dorzagliatin修復血糖傳感性后的優異血糖控制結果。聯合二甲雙胍治療的研究（HMM0302）頂線結果顯示Dorzagliatin仍然能夠快速起效，有效且持續降低HbA1c水平，24周時HbA1c較基線降低1.02%，優于安慰劑對照組的0.36% (P<0.0001)；且Dorzagliatin治療組的HOMA2-β、HOMA2-IR指標也有顯著改善。以上臨床研究證明Dorzagliatin能改善β細胞早相分泌和胰島素抵抗，有望有效且持續改善2型糖尿病患者的血糖水平。未來，有關Dorzagliatin與其他降糖藥物聯合應用在不同T2DM患者中的研究結果，也將有望拓寬GKA在T2DM治療領域的應用，為更多患者提供個性化的精準治療方案。
