由日本東海大學理學部化學系的荒井堅太講師、巖岡道夫教授，日本東北大學跨學科科學前沿研究所的奧村正樹副教授，該大學多元物質科學研究所的稻葉謙次教授，大阪大學蛋白質研究所的北條裕信教授，韓國基礎科學支援研究院的李映昊教授組成的國際合作研究團隊，成功地通過僅混合構成胰島素的2條不同的多肽鏈，便高效合成出了人工胰島素（硒胰島素、Serenium Insulin）。研究證實，合成的硒胰島素由于形成了分子集合體而不易被分解，具有長時間降血糖作用。這為新型長效制劑的設計方向提供了選擇。相關項研究成果已發表在了《Communications Chemistry》的電子版上。
硒胰島素的化學合成（供圖：東海大學）
長效機制（供圖：東海大學）
世界衛生組織（WHO）稱，截至2021年，全球的成年糖尿病患者數量已達5億3700萬人，目前每10名成年人中就有1人是糖尿病患者。胰島素制劑目前是通過培養轉基因細胞來收獲胰島素并加以化學修飾來制造的。與此相對，僅通過化學反應合成胰島素的技術開發也在推進之中。
東海大學、東北大學和大阪大學的研究團隊于2017年成功地將構成胰島素的2條不同多肽鏈（A鏈和B鏈）之間形成的暴露在分子表面的二硫鍵中的硫原子替換為硒原子，化學合成了硒胰島素，而且發現硒胰島素對胰島素分解酶（IDE）具有分解耐受性。但當時的合成收率低至27%，且硒胰島素不易被IDE分解的原因也不清楚。此后，研究團隊探討了野生型胰島素化學合成的高效化，并于2018年確立了胰島素的高效化學合成法（NCA法）。NCA法只需混合未經化學修飾的天然A鏈和B鏈，即可以49%的收率獲得胰島素。
在本次的研究中，進一步通過應用NCA法的反應條件，研究人員成功地從反應溶液中未經化學修飾的硒胰島素A鏈和B鏈中以72%的高收率一步合成了硒胰島素（只需混合）。
研究人員還通過改變硒胰島素的濃度，詳細研究了合成的硒胰島素的IDE耐受性。硒胰島素在所有應用的濃度條件下都表現出比野生型胰島素更高的IDE耐受性。而且，當將硒胰島素與野生型胰島素混合時，野生型胰島素的IDE耐受性也提高到了與硒胰島素相當的水平。鑒于IDE是通過將單體胰島素納入反應口袋來分解胰島素的，硒胰島素有形成多聚體的可能。
對此，為研究胰島素多聚體形成的詳細情況，在韓國基礎科學支援研究院（KBSI）的協助下，研究人員利用分析型超速離心（AUC）法和圓二色光譜儀（CD）調查了可溶性多聚體的形成狀況及其熱穩定性。AUC分析結果顯示，與野生型胰島素相比，硒胰島素在低濃度下形成了二聚體和六聚體等。此外，研究表明，硒胰島素和野生型胰島素在低濃度條件下形成了類似的多聚體。
研究認為，不易分解的硒胰島素長時間停留在體內，因而產生的降血糖作用能夠長時間持續。據此，研究人員將不同種類的胰島素分別皮下注射到正常大鼠和糖尿病大鼠體內并監測血糖值的變化，結果發現，硒胰島素與野生型胰島素相比，能夠持續更久地發揮降血糖作用。
迄今為止的長效胰島素制劑，要么通過使胰島素凝聚以延緩其在血液中的擴散，要么通過將胰島素與其他蛋白質結合以抑制其分解。而本次的研究，是通過對胰島素分子表面進行化學修飾，使之形成可溶性多聚體而抑制IDE的分解，使胰島素的長時間體內停留成為可能，發現了長時間的藥理作用。這為長效胰島素制劑開發，提供了新的設計理念。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文信息】
雜志：Communications Chemistry
論文：Diselenide-bond replacement of the external disulfide bond of insulin increases its oligomerization leading to sustained activity
DOI：10.1038/s42004-023-01056-4
