2020年内分泌学界Rolf Luft Award大奖得主，宾夕法尼亚大学糖尿病、肥胖与代谢研究所创始人Franz Matschinsky教授一直致力于葡萄糖激酶(GK)的研究，被誉为GK之父，尽管研究历程漫长，现在“GK是人体的葡萄糖传感器”这一原理已经成为了理解血糖稳态及相应疾病和治疗的核心[1]。Matschinsky教授于2012年在Diabetes, Obesity and Metabolism发表的一篇综述《Repair of diverse diabetic defects of β-cells in man and mouse by pharmacological glucokinase activation》，追溯了GK的结构、生化酶动力学及分子生物学特征，荟萃了葡萄糖激酶激动剂(GKA) Piragliatin改善β细胞功能障碍的相关数据，为我们正确认识和展望GKA在T2DM治疗中的应用地位及前景提供了新的思路。
缘起——寻根究底：看胰岛细胞GK的酶动力学及分子生物学特征GK作为己糖激酶家族中独特的单体变构酶，与其底物葡萄糖在酶动力学上有正协同作用 （希尔系数为1.7[2]），S0.5值约为7 mM，位于人体正常血糖浓度区间。GK与葡萄糖结合后，酶的构象发生改变，新的构象有利于后续葡糖糖分子与GK酶结合及酶亲和力的提高。该过程中GK随葡萄糖水平变化会出现相应的酶的构像及对应的催化活性的变化，使得当葡萄糖浓度即使发生微小变化时，GK能够控制反应速率，发挥葡萄糖传感器的作用[3]。这些生化结构及酶动力学特性是GK作为葡萄糖传感器调节血糖稳态的基础，使得GK在生理最重要的葡萄糖浓度区间 （4-10mM)对于血糖浓度变化具有高的敏感性，从而保证了葡萄糖的代谢水平紧随血糖浓度的变化而变化。GK基因突变的MODY-2患者GK活性降低，血糖升高；同时，糖尿病患者胰岛和肝脏GK表达下降与血糖异常直接相关，并造成胰岛素分泌时相明显滞后于GSIR阈值。这些都为GKA治疗糖尿病提供了科学基础。
1、GK基因突变小鼠研究——GKA改善β细胞功能初见端倪在乙烷基亚硝基脲（ENU）诱导的GK失活基因突变MODY-2小鼠及PNDM糖尿病模型的研究[3]发现，GK基因失活突变P417R降低了GK的催化活性和酶的热稳定性，从而导致小鼠糖尿病。而GKA Piragliatin 治疗可降低P417R突变糖尿病小鼠的血糖。进一步对P417R突变小鼠的胰岛进行离体培养，发现其表现为葡萄糖刺激的胰岛素分泌缺乏；而在经过高糖及GKA持续培养后可修复这种β细胞功能损伤。分析发现，GKA Piragliatin干预增加突变GK蛋白的稳定性，提高GK的催化活性，改善葡萄糖代谢，修复β细胞分泌缺陷。
2、磺脲类药物失效相关机理研究——GKA可改善格列本脲诱导的β细胞功能障碍众所周知，磺脲类药物会随着应用时间延长而出现失效问题。据2010年文献报道，GKA（化合物B)可降低磺脲类药物继发失效大鼠的血糖水平[4]。为了解释这个过程的基本生化药理学机理，研究者采用通过诱导磺脲类药物急性失效的胰岛培养模型来探索这种现象，在离体胰岛灌注试验中，格列本脲连续几天持续作用可以导致胰岛对葡萄糖的敏感性减低，葡萄糖刺激的最大胰岛素分泌减少75%，而在此由格列本脲引起功能损伤的胰岛中加用GKA Piragliatin后，显著增加β细胞对葡萄糖的敏感性，葡萄糖刺激的胰岛素释放阈值修复至大约为5mM，接近正常生理值。当葡萄糖浓度达到10 mM时，3 μM GKA Piragliatin能最大程度地刺激葡萄糖代谢及能量产生，且去除高糖刺激后仍是如此。这提示，去除高糖刺激后，第二信使钙离子及代谢耦联因子仍然持续维持在升高后的水平。这种持续的激活效果可以解释β 细胞对葡萄糖和氨基酸的刺激所做出的迅速的双相反应。因此，GKA是通过增强葡萄糖诱导的胰岛素释放的触发机制以及放大机制来发挥改善胰岛β细胞功能的作用[5]。3、T2DM人群研究——GKA改善β细胞生物能量学指标、钙离子代谢及胰岛素分泌为探讨GKA治疗2型糖尿病的生化药理作用，Doliba NM等人观察了GKA Piragliatin对T2DM患者离体胰岛葡萄糖刺激的胰岛素释放、呼吸作用及钙代谢的影响[8]。结果发现，与健康人群相比，T2DM患者的胰岛暴露于葡萄糖时，葡萄糖刺激的胰岛素释放减少，葡萄糖诱导的细胞呼吸作用显著减弱，细胞内钙离子反应显著降低（图1A、B）。GKA Piragliatin可以改善T2DM患者胰岛中葡萄糖诱导的胰岛素早相分泌，同时提高和改善T2DM患者胰岛的耗氧量对葡萄糖浓度变化的敏感性，从而达到修复T2DM患者胰岛功能的效果（图1C、D、E、F)，同时GKA不增加健康人群胰岛的耗氧量。值得一提的是，GKA Piraglitin几乎可以使得胰岛细胞氧耗率恢复到正常健康者的水平，而这一点即使是极高浓度（25 mM）葡萄糖都难以实现的。这些证据充分说明GKA具有修复T2DM患者胰岛细胞生物能量代谢缺陷的能力。
图1.GKA可改善T2DM患者胰岛的生物能量学指标、钙离子代谢及胰岛素分泌
随着相关研究的不断发展进步，过去20年间，不断涌现出越来越多不同种类的GKA。汇总现有文献可见，最新一代GKA Dorzagliatin具有独特的作用机制，能够修复葡萄糖传感器、改善胰岛素早相分泌、重塑血糖稳态，有望成为改良糖尿病疾病进程的新疗法。糖尿病大鼠实验中，Dorzagliatin治疗4周显著降低糖尿病大鼠的空腹和餐后血糖，并明显提升糖尿病大鼠胰岛中胰岛素分泌细胞的数量[9]。朱大龙教授等在中国2型糖尿病患者中评估第四代GKA Dorzagliatin对胰岛β细胞功能影响的临床研究中[10]，用业界广为接受的稳态模型方法计算胰岛β细胞功能指数（HOMA2 -β）代表β细胞功能，口服用药75mg BID组HOMA2 -β增加36.31%，同时用ΔC30/ΔG30代表的早相胰岛素/C肽早相分泌指数较基线相比增加167.67%。在另一项剂量探索研究结果中[11]，将53例T2DM患者随机分为Dorzagliatin治疗组（n=43，25mg 8例、50mg 10例、100mg 10例、150mg 8例、200mg 7例）和安慰剂组（n=10，每个队列2例），每日口服两次，连续服药7天后，T2DM患者胰岛对血糖的敏感性明显改善，C肽分泌时相前移，胰岛素早相分泌得以改善。2018年底发表在Lancet Diabetes Endocrinol上的2期临床研究结果[12]显示，相比安慰剂组，在第12周75mg BID组T2DM患者的HOMA-IR显著下降，葡萄糖处置指数（DI）显著升高；此外，结束治疗1周之后，无降糖药史的75mg BID组T2DM患者的HOMA-IR相比安慰剂组仍有显著改善。近期公布的Dorzagliatin的两项III期临床研究结果[13,14]进一步在扩大患者人群中展示了GKA Dorzagliatin修复血糖传感性后的优异血糖控制结果。联合二甲双胍治疗的研究（HMM0302）顶线结果显示Dorzagliatin仍然能够快速起效，有效且持续降低HbA1c水平，24周时HbA1c较基线降低1.02%，优于安慰剂对照组的0.36% (P<0.0001)；且Dorzagliatin治疗组的HOMA2-β、HOMA2-IR指标也有显著改善。以上临床研究证明Dorzagliatin能改善β细胞早相分泌和胰岛素抵抗，有望有效且持续改善2型糖尿病患者的血糖水平。未来，有关Dorzagliatin与其他降糖药物联合应用在不同T2DM患者中的研究结果，也将有望拓宽GKA在T2DM治疗领域的应用，为更多患者提供个性化的精准治疗方案。
