糖尿病是一種以高血糖為特征的代謝性疾病，目前全球糖尿病患者總數(shù)超 5.37 億人，國內糖尿病患者總數(shù)超 1.4 億人，現(xiàn)階段糖尿病仍是國內乃至全球主要的健康和經(jīng)濟負擔之一。

糖尿病主要分為1 型糖尿?。═1D）和2 型糖尿病（T2D），現(xiàn)階段，針對 T1D 的治療大都依賴于外源胰島素注射，此外，T2D 患者隨著病程延長、胰島功能逐漸衰退，多數(shù)也需要長期頻繁注射胰島素以維持血糖穩(wěn)態(tài)，然而，這種方法難以精準調控機體血糖水平，還可能會出現(xiàn)低血糖等副作用，如何長效、精準、穩(wěn)定地控糖是當今治療糖尿病面臨的一大挑戰(zhàn)。

近期，四川大學生物醫(yī)學工程學院王剛教授領導的研究團隊設計出一種單鏈胰島素類似物（SIA）釋放開關系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)長效、精準的血糖調控，有望開發(fā)成為治療糖尿病的新型療法。目前，這項研究成果已經(jīng)以“Glucose-Activated Switch Regulating Insulin Analog Secretion Enables Long-term Precise Glucose Control in Mice With Type 1 Diabetes”為題發(fā)表在Diabetes期刊上。

（來源：Diabetes）

近日，生輝采訪到了王剛教授和該論文第一作者、四川大學生物醫(yī)學工程學院謝麗芳博士，他們圍繞這項研究的發(fā)現(xiàn)、意義、未來研究方向，以及臨床轉化等多個方面進行了解讀分享。

王剛在四川大學生命科學學院獲得博士學位，隨后進入國家生物醫(yī)學材料工程技術研究中心（NECBM）從事博士后研究，歷任 NECBM 副研究員、研究員，期間曾赴耶魯大學醫(yī)學院做訪問學者。

截至目前，他已在PNAS, Biomaterials, Diabetes, ACS Applied Materials & Interfaces等期刊發(fā)表論文 50 余篇，授權發(fā)明專利 6 項。現(xiàn)階段，課題組專注于設計和構建新型技術平臺，用于在體內進行蛋白類藥物的生產(chǎn)和免疫細胞的修飾改造，以建立新型基因治療體系并推進臨床轉化。

▲圖｜四川大學生物醫(yī)學工程學院王剛教授（來源：受訪者）

此前，王剛課題組已經(jīng)建立了高效骨骼肌細胞原位基因遞送/表達體系，通過肌注可將功能基因（質粒）高效遞送到機體骨骼肌細胞中，并以該細胞為“工廠”在體內持續(xù)、高效“生產(chǎn)”治療性“藥物”，比如抗體、多肽等。

“這個體系最大的特點是使用質粒作為表達載體，而非目前被廣泛使用的病毒載體。病毒載體雖然可以讓基因遞送和表達變得簡單、高效，但其安全性是后續(xù)臨床應用的一大障礙。”王剛指出。

“通過前期研究，我們基本解決了質粒體系遞送效率低、目標蛋白表達量低等難題，當把該體系的藥物產(chǎn)率提高到一定程度后，需要檢測它是否能真正用來治療疾病，我們首先考慮到的是 T1D?！彼榻B說，“由于目前針對 T1D 治療手段單一但有效，即提供外源胰島素，而胰島素是一種肽類激素，可以利用這種質粒體系來生產(chǎn)；肌肉在人體分布廣、體量大、血管豐富，細胞壽命也較長，因此我們最初的設想是可否利用肌肉細胞替代胰島 β 細胞來生產(chǎn)胰島素，進而有望通過一次肌注，肌肉細胞可以較長時間為機體生產(chǎn)胰島素?！彼a充道。

▲圖｜GAIS 體系運作機制示意（來源：Diabetes）

據(jù)介紹，他們在開展此次研究之前進行了一個概念驗證試驗，觀察一次肌注質粒能否降低血糖水平。試驗結果顯示，質粒原位遞送效率和 SIA 表達量都能滿足降糖要求，對 T1D 小鼠一次肌注可持續(xù)控糖長達一個多月。

“與此同時也出現(xiàn)了一個問題，即這種持續(xù)的、不受調控的 SIA 供給會帶來低血糖風險，比如動物試驗中在 SIA 表達量最高的時間段有多只小鼠出現(xiàn)嚴重低血糖事件?！蓖鮿傊赋?，“所以，讓 SIA 供給量配合血糖濃度自行變化，即如何根據(jù)體內血糖水平波動對胰島素供給進行仿生理性智能化實時調控，是我們這項研究面臨的一大挑戰(zhàn)?！?/p>

為此，他們設計并構建出一種葡萄糖激活的 SIA 分泌開關體系（GAIS）。“在設計 GAIS 時又遇到新的問題，即把表達的 SIA 臨時儲存在何處。胰島 β 細胞是把胰島素儲存在囊泡中，能夠在血糖升高時迅速分泌釋放胰島素形成第一時相，然而肌肉細胞沒有這種功能的分泌囊泡?！彼赋觥?/p>

隨后，他們通過篩選并將內質網(wǎng)作為 SIA 的臨時儲存庫：讓質粒編碼含 SIA 的融合蛋白 CAD-FCS-SIA。低血糖時，該融合蛋白通過 CAD 與內質網(wǎng)中的 GRP78 蛋白結合實現(xiàn)暫時儲存；高血糖時，GRP78 與 CAD 解離，融合蛋白通過細胞正常的加工、分選流程進入高爾基體，被 Furin 酶從 FCS 處切開形成單獨的 SIA 并被分泌出細胞外進入血液循環(huán)發(fā)揮降糖功能?！捌渲?，CAD 肽段需要優(yōu)化，我們選擇了不同種類與長度的 CAD 肽段，進行細胞與生化實驗分析后，又在小鼠體內進行了大量篩選與驗證，最終設計并確定了目前這套 GAIS 體系?！蓖鮿傉f道。

胰島素分泌的兩個時相

正常生理情況下，胰島素的分泌過程通常分為兩個時相：第一時相是快速過程，高血糖刺激后儲存在立即釋放池（RRP Readily Releasable Pool, RRP）中的胰島素迅速釋放，而第二時相發(fā)生在胰島素分泌的第一時相后，通常在進食后 15 分鐘到幾個小時內發(fā)生。第二時相胰島素分泌的速度比第一時相低，持續(xù)時間卻更長，可以促進攝入食物后的血糖代謝和能量儲存。

“胰島素分泌第一時相響應時間快、持續(xù)時間短，數(shù)分鐘內胰島素出現(xiàn)峰值，隨后的第二時相中，胰島素供給相對平緩但持續(xù)時間較長?！敝x麗芳說道。

“我們此次研究是模擬胰島素分泌的第一時相來設計的，質粒編碼的含 SIA 的融合蛋白先臨時儲存在骨骼肌細胞的內質網(wǎng)中，當血糖升高時融合蛋白與內質網(wǎng)解離并被加工成獨立的 SIA，釋放出細胞并分泌到血液中發(fā)揮降糖功能?！彼硎?。

▲圖｜肌內表達的 GAIS 對 T1D 小鼠的長期治療效果（來源：Diabetes）

他們通過研究發(fā)現(xiàn)，該 GAIS 體系可使骨骼肌細胞在高血糖刺激時可重復、脈沖式激活 SIA 的分泌，即血糖調節(jié)型的胰島素分泌。動物試驗表明，通過 2 次注射治療（30 天 1 次肌注）的 T1D 模型小鼠可穩(wěn)定控制血糖長達 2 個月，其 HbA1c 水平與健康小鼠一致，并且還提高了葡萄糖耐量、改善了體內氧化應激和三多一少癥狀等。

“與此同時，我們還進行了完整、嚴格的生物安全性檢測，包括病理、免疫、內質網(wǎng)應激、血常規(guī)、血液生化、肝功、腎功等，證實了該 GAIS 體系的安全性?！蓖鮿傊赋觥?/p>

“從臨床應用角度來看，這項研究還需要有機地整合胰島素分泌第二時相等一系列問題，而我們目前已經(jīng)完成了模擬胰島素分泌第二時相的 SIA 基因轉錄調控（GAIT）的研究工作，試驗顯示整體效果較好，同樣具備智能、長效、安全等優(yōu)勢。”謝麗芳表示。

總的來說，該研究證明了這種質粒遞送/表達體系可將骨骼肌細胞改造成胰島 β 細胞外的一個理想的 SIA 生產(chǎn)替代細胞，通過合理的仿生理性設計可讓骨骼肌細胞具備血糖響應性 SIA 釋放功能，從而實現(xiàn)長效、安全的血糖調控。

長期以來，王剛課題組專注于利用自主建立的技術平臺開發(fā)糖尿病和腫瘤的新型基因和免疫治療策略?！拔覀冞^去、現(xiàn)在以及將來都在集中精力做一件事：設計和構建便捷、高效、安全、穩(wěn)定的技術平臺，將蛋白類藥物的生產(chǎn)和（免疫）細胞的修飾或改造這兩類復雜、昂貴、耗時的事情從體外工廠轉移到體內的‘細胞工廠’，進而建立安全、有效、經(jīng)濟、便捷的全新的基因治療體系，并努力向應用方向推進?！蓖鮿傉f道。

▲圖｜課題組部分成員：左起張嫣菡博士，謝麗芳博士，盧宛翎碩士（來源：受訪者）

據(jù)介紹，圍繞這項研究，他們目前正在整理葡萄糖激活的 SIA 基因轉錄調控體系（GAIT）的相關數(shù)據(jù)，具體而言：

其一，整合 GAIS 體系和 GAIT 體系（分別對應機體胰島素分泌第一/第二時相兩種調控方式）以期能獲得更接近生理水平的血糖調控效果和響應速度；

其二，在先前設計的高效骨骼肌細胞原位基因遞送材料的基礎上，通過計算機模擬對材料分子進行大量優(yōu)化設計，用新材料進行基因遞送，可以省掉原來的低壓電場推動 DNA 分子入胞步驟，使操作更簡單，進一步提升穩(wěn)定性和安全性；

其三，設計多種速效 SIA來進一步提高響應速度。

“在完成以上三項工作后，我們計劃在大型靈長類動物中對這種治療體系的效果和安全性等進行全面評估及優(yōu)化，為下一步申請臨床試驗提供支持。”他說道。

關于接下來的研究方向，王剛表示，“我們發(fā)現(xiàn)通過 GAIT 體系治療后的 T1D 小鼠實現(xiàn)了‘痊愈’，這些小鼠所有糖尿病相關檢測指標完全正常且存活滿一年，它們胰腺中出現(xiàn)與正常小鼠胰島 β 細胞團相同的胰島素表達陽性細胞團。但是，我們現(xiàn)階段還不確定這種再生的胰島 β 細胞是否會再次受到自身免疫系統(tǒng)的攻擊?！?/p>

“基于這些發(fā)現(xiàn)，我們下一步計劃深入探索這些再生的胰島 β 細胞的來源以及產(chǎn)生機制，以及這些細胞逃避免疫系統(tǒng)攻擊的機制，這可能會為真正‘治療’T1D 提供重要線索，同時我們將繼續(xù)探索構建針對胰島的靶向遞送系統(tǒng)，為后續(xù)開展體內原位誘導胰島 β 細胞再生的研究工作打下基礎。”他說道，“此外，我們還計劃用基因編輯技術將 GAIS-GAIT 體系的基因表達單元定點整合到骨骼肌細胞基因組的安全位點，建立更長效的 SIA 智能供應體系。”

“T1D 患者在發(fā)病早期可能還有 β 細胞殘存，由于免疫系統(tǒng)對 β 細胞的攻擊是一個漸進的過程，因此，胰島 β 細胞再生這條路我們會堅持走下去，這可能將會是一個真正能夠“治愈”1 型或 2 型重癥糖尿病的方向。當然，這需要配合免疫調節(jié)的策略，并且也存在很多重要基礎科學問題和技術難點需要攻克?！彼赋觥?/p>

（來源：Pixabay）

臨床轉化方面，王剛表示，“我們最初開展此次 T1D 的研究工作就是朝著臨床應用方向推動的，因此在研究過程中實時地申請了一系列專利，目前已經(jīng)授權 4 項。目前，我們正在與一些醫(yī)藥公司和投資機構進行溝通、商談，希望能夠展開合作加速推進臨床轉化，同時也能夠創(chuàng)造更好的條件推進其他一些前沿的、重要的研究工作，盡早盡快造?；颊??！彼f道。

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網(wǎng)址: 專訪川大王剛｜開發(fā)體內「細胞工廠」分泌胰島素類似物治療糖尿病 http://www.u1s5d6.cn/newsview767985.html