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糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢性疾病，目前全球糖尿病患者总数超 5.37 亿人，国内糖尿病患者总数超 1.4 亿人，现阶段糖尿病仍是国内乃至全球主要的健康和经济负担之一。 糖尿病主要分为 1 型糖尿病（T1D）和 2 型糖尿病（T2D），现阶段，针对 T1D 的治疗大都依赖于外源胰岛素注射，此外，T2D 患者随着病程延长、胰岛功能逐渐衰退，多数也需要长期频繁注射胰岛素以维持血糖稳态，然而，这种方法难以精准调控机体血糖水平，还可能会出现低血糖等副作用，如何长效、精准、稳定地控糖是当今治疗糖尿病面临的一大挑战。 近期，四川大学生物医学工程学院王刚教授领导的研究团队设计出一种单链胰岛素类似物（SIA）释放开关系统，能够实现长效、精准的血糖调控，有望开发成为治疗糖尿病的新型疗法。目前，这项研究成果已经以“Glucose-Activated Switch Regulating Insulin Analog Secretion Enables Long-term Precise Glucose Control in Mice With Type 1 Diabetes”为题发表在 Diabetes 期刊上。  （来源：Diabetes） 近日，生辉采访到了王刚教授和该论文第一作者、四川大学生物医学工程学院谢丽芳博士，他们围绕这项研究的发现、意义、未来研究方向，以及临床转化等多个方面进行了解读分享。 王刚在四川大学生命科学学院获得博士学位，随后进入国家生物医学材料工程技术研究中心（NECBM）从事博士后研究，历任 NECBM 副研究员、研究员，期间曾赴耶鲁大学医学院做访问学者。 截至目前，他已在 PNAS, Biomaterials, Diabetes, ACS Applied Materials & Interfaces 等期刊发表论文 50 余篇，授权发明专利 6 项。现阶段，课题组专注于设计和构建新型技术平台，用于在体内进行蛋白类药物的生产和免疫细胞的修饰改造，以建立新型基因治疗体系并推进临床转化。  ▲图｜四川大学生物医学工程学院王刚教授（来源：受访者） 开发智能化体系可随血糖高低调控 SIA 释放 此前，王刚课题组已经建立了高效骨骼肌细胞原位基因递送/表达体系，通过肌注可将功能基因（质粒）高效递送到机体骨骼肌细胞中，并以该细胞为“工厂”在体内持续、高效“生产”治疗性“药物”，比如抗体、多肽等。 “这个体系最大的特点是使用质粒作为表达载体，而非目前被广泛使用的病毒载体。病毒载体虽然可以让基因递送和表达变得简单、高效，但其安全性是后续临床应用的一大障碍。”王刚指出。 “通过前期研究，我们基本解决了质粒体系递送效率低、目标蛋白表达量低等难题，当把该体系的药物产率提高到一定程度后，需要检测它是否能真正用来治疗疾病，我们首先考虑到的是 T1D。”他介绍说，“由于目前针对 T1D 治疗手段单一但有效，即提供外源胰岛素，而胰岛素是一种肽类激素，可以利用这种质粒体系来生产；肌肉在人体分布广、体量大、血管丰富，细胞寿命也较长，因此我们最初的设想是可否利用肌肉细胞替代胰岛 β 细胞来生产胰岛素，进而有望通过一次肌注，肌肉细胞可以较长时间为机体生产胰岛素。”他补充道。  ▲图｜GAIS 体系运作机制示意（来源：Diabetes） 据介绍，他们在开展此次研究之前进行了一个概念验证试验，观察一次肌注质粒能否降低血糖水平。试验结果显示，质粒原位递送效率和 SIA 表达量都能满足降糖要求，对 T1D 小鼠一次肌注可持续控糖长达一个多月。 “与此同时也出现了一个问题，即这种持续的、不受调控的 SIA 供给会带来低血糖风险，比如动物试验中在 SIA 表达量最高的时间段有多只小鼠出现严重低血糖事件。”王刚指出，“所以，让 SIA 供给量配合血糖浓度自行变化，即如何根据体内血糖水平波动对胰岛素供给进行仿生理性智能化实时调控，是我们这项研究面临的一大挑战。” 为此，他们设计并构建出一种葡萄糖激活的 SIA 分泌开关体系（GAIS）。“在设计 GAIS 时又遇到新的问题，即把表达的 SIA 临时储存在何处。胰岛 β 细胞是把胰岛素储存在囊泡中，能够在血糖升高时迅速分泌释放胰岛素形成第一时相，然而肌肉细胞没有这种功能的分泌囊泡。”他指出。 随后，他们通过筛选并将内质网作为 SIA 的临时储存库：让质粒编码含 SIA 的融合蛋白 CAD-FCS-SIA。低血糖时，该融合蛋白通过 CAD 与内质网中的 GRP78 蛋白结合实现暂时储存；高血糖时，GRP78 与 CAD 解离，融合蛋白通过细胞正常的加工、分选流程进入高尔基体，被 Furin 酶从 FCS 处切开形成单独的 SIA 并被分泌出细胞外进入血液循环发挥降糖功能。“其中，CAD 肽段需要优化，我们选择了不同种类与长度的 CAD 肽段，进行细胞与生化实验分析后，又在小鼠体内进行了大量筛选与验证，最终设计并确定了目前这套 GAIS 体系。”王刚说道。 胰岛素分泌的两个时相 正常生理情况下，胰岛素的分泌过程通常分为两个时相：第一时相是快速过程，高血糖刺激后储存在立即释放池（RRP Readily Releasable Pool, RRP）中的胰岛素迅速释放，而第二时相发生在胰岛素分泌的第一时相后，通常在进食后 15 分钟到几个小时内发生。第二时相胰岛素分泌的速度比第一时相低，持续时间却更长，可以促进摄入食物后的血糖代谢和能量储存。 “胰岛素分泌第一时相响应时间快、持续时间短，数分钟内胰岛素出现峰值，随后的第二时相中，胰岛素供给相对平缓但持续时间较长。”谢丽芳说道。 “我们此次研究是模拟胰岛素分泌的第一时相来设计的，质粒编码的含 SIA 的融合蛋白先临时储存在骨骼肌细胞的内质网中，当血糖升高时融合蛋白与内质网解离并被加工成独立的 SIA，释放出细胞并分泌到血液中发挥降糖功能。”她表示。  ▲图｜肌内表达的 GAIS 对 T1D 小鼠的长期治疗效果（来源：Diabetes） 他们通过研究发现，该 GAIS 体系可使骨骼肌细胞在高血糖刺激时可重复、脉冲式激活 SIA 的分泌，即血糖调节型的胰岛素分泌。动物试验表明，通过 2 次注射治疗（30 天 1 次肌注）的 T1D 模型小鼠可稳定控制血糖长达 2 个月，其 HbA1c 水平与健康小鼠一致，并且还提高了葡萄糖耐量、改善了体内氧化应激和三多一少症状等。 “与此同时，我们还进行了完整、严格的生物安全性检测，包括病理、免疫、内质网应激、血常规、血液生化、肝功、肾功等，证实了该 GAIS 体系的安全性。”王刚指出。 “从临床应用角度来看，这项研究还需要有机地整合胰岛素分泌第二时相等一系列问题，而我们目前已经完成了模拟胰岛素分泌第二时相的 SIA 基因转录调控（GAIT）的研究工作，试验显示整体效果较好，同样具备智能、长效、安全等优势。”谢丽芳表示。 总的来说，该研究证明了这种质粒递送/表达体系可将骨骼肌细胞改造成胰岛 β 细胞外的一个理想的 SIA 生产替代细胞，通过合理的仿生理性设计可让骨骼肌细胞具备血糖响应性 SIA 释放功能，从而实现长效、安全的血糖调控。 寻求企业机构合作以加速临床转化 长期以来，王刚课题组专注于利用自主建立的技术平台开发糖尿病和肿瘤的新型基因和免疫治疗策略。“我们过去、现在以及将来都在集中精力做一件事：设计和构建便捷、高效、安全、稳定的技术平台，将蛋白类药物的生产和（免疫）细胞的修饰或改造这两类复杂、昂贵、耗时的事情从体外工厂转移到体内的'细胞工厂’，进而建立安全、有效、经济、便捷的全新的基因治疗体系，并努力向应用方向推进。”王刚说道。  ▲图｜课题组部分成员：左起张嫣菡博士，谢丽芳博士，卢宛翎硕士（来源：受访者） 据介绍，围绕这项研究，他们目前正在整理葡萄糖激活的 SIA 基因转录调控体系（GAIT）的相关数据，具体而言： 其一，整合 GAIS 体系和 GAIT 体系（分别对应机体胰岛素分泌第一/第二时相两种调控方式）以期能获得更接近生理水平的血糖调控效果和响应速度； 其二，在先前设计的高效骨骼肌细胞原位基因递送材料的基础上，通过计算机模拟对材料分子进行大量优化设计，用新材料进行基因递送，可以省掉原来的低压电场推动 DNA 分子入胞步骤，使操作更简单，进一步提升稳定性和安全性； 其三，设计多种速效 SIA 来进一步提高响应速度。 “在完成以上三项工作后，我们计划在大型灵长类动物中对这种治疗体系的效果和安全性等进行全面评估及优化，为下一步申请临床试验提供支持。”他说道。 关于接下来的研究方向，王刚表示，“我们发现通过 GAIT 体系治疗后的 T1D 小鼠实现了'痊愈’，这些小鼠所有糖尿病相关检测指标完全正常且存活满一年，它们胰腺中出现与正常小鼠胰岛 β 细胞团相同的胰岛素表达阳性细胞团。但是，我们现阶段还不确定这种再生的胰岛 β 细胞是否会再次受到自身免疫系统的攻击。” “基于这些发现，我们下一步计划深入探索这些再生的胰岛 β 细胞的来源以及产生机制，以及这些细胞逃避免疫系统攻击的机制，这可能会为真正'治疗’T1D 提供重要线索，同时我们将继续探索构建针对胰岛的靶向递送系统，为后续开展体内原位诱导胰岛 β 细胞再生的研究工作打下基础。”他说道，“此外，我们还计划用基因编辑技术将 GAIS-GAIT 体系的基因表达单元定点整合到骨骼肌细胞基因组的安全位点，建立更长效的 SIA 智能供应体系。” “T1D 患者在发病早期可能还有 β 细胞残存，由于免疫系统对 β 细胞的攻击是一个渐进的过程，因此，胰岛 β 细胞再生这条路我们会坚持走下去，这可能将会是一个真正能够“治愈”1 型或 2 型重症糖尿病的方向。当然，这需要配合免疫调节的策略，并且也存在很多重要基础科学问题和技术难点需要攻克。”他指出。  （来源：Pixabay） 临床转化方面，王刚表示，“我们最初开展此次 T1D 的研究工作就是朝着临床应用方向推动的，因此在研究过程中实时地申请了一系列专利，目前已经授权 4 项。目前，我们正在与一些医药公司和投资机构进行沟通、商谈，希望能够展开合作加速推进临床转化，同时也能够创造更好的条件推进其他一些前沿的、重要的研究工作，尽早尽快造福患者。”他说道。 免责声明：本文旨在传递生物医药最新讯息，不代表平台立场，不构成任何投资意见和建议，以官方/公司公告为准。本文也不是治疗方案推荐，如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。 |
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