治疗2型糖尿病药物葡萄糖激酶激活剂的研究进展

３葡萄糖激酶：他Ｄ的治疗靶标 ＧＬｕ乾是胰腺Ｂ细胞和肝实质细胞中的主要
细胞膜葡萄糖转运蛋白，发挥将葡萄糖转运出细胞 膜的作用。在生理葡萄糖浓度下，这一过程不影响 这些细胞葡萄糖整体摄取率。葡萄糖在ＧＫ催化下 磷酸化转化成Ｇ一６．Ｐ，葡萄糖摄取率受限于其磷酸 化比率。ＧＫ与葡萄糖亲和力低，其Ｋ，为６一１０ ｍｍ０１．Ｌ～。在葡萄糖生理浓度范围内，ＧＫ不受产 物Ｇ石．Ｐ的反馈性抑制。葡萄糖磷酸化引起肝脏糖 原合成和胰腺Ｂ细胞中糖酵解，葡萄糖代谢转成葡 萄糖丙酮酸。三羧酸循环和电子转移的增加导致 ＡＴＰ／ＡＤＰ比例增加，从而使ＡＴＰ敏感性Ｋ＋通道关 闭，膜去极化，ｃａ２＋内流。这将导致胰岛素“颗粒储 备”库转换成“随时释放”库，并最终从ｐ胰岛释放 胰岛素进入血液循环。
自发现ＧＫ在葡萄糖稳态中的关键作用以来， 寻找口服有效的小分子ＧＫ激活剂已成为诸多制药 公司药物研发的重要方向，在过去短短几年中，已发 现一些ＧＫ激活剂（图２）。罗氏公司的苯乙酰胺衍 生物１（Ｒｏ＿２８—１６７５，Ｒｏｃｈｅ公司）口服有效，ＥＣ蚰为 Ｏ．７５ ｍｍ０１．Ｌ。。，可剂量依赖性高效激活人重组 ＧＫ，而不影响脑部和肌肉组织中的其他己糖激酶。 多种糖尿病啮齿动物模型口服耐糖试验（ＯＧｌＴＩ＇）表 明，其可使升高的血糖值显著降低。但由于潜在的 心血管风险（ｈＥＲＧ的ＩＣ５０＝２．８斗ｍ０１．Ｌ－。，浦肯 野纤维△ＡＰＤ∞＝２０％），该化合物研发被终止。该 公司的另一化合物２为１吡啶替换后衍生物，其与 ＧＫ晶体结构显示，激活剂与ＧＫ变构位点结合，距 葡萄糖的结合位点约２０ Ａ。该项研同时也揭示ＧＫ 的变构位点为一个相对较小但明确的口袋。
协同作用。最近ＧＫ激活剂．ＧＫ复合物晶体结构的 确定证实ｒ ＧＫ协同作用的这种传统的酶动力学特 性，同时也揭示ＧＫ存在“超开启”、“开启”和“关 闭”３种构象（图１ａ）。目前ＧＫ“开启”构象的晶体 结构还未被揭示，每一种构象与葡萄糖结合的动力 学参数不同。在低血糖浓度下，ＧＫ倾向于低亲和 “超开启”构象，因此催化循环缓慢。然而，ＧＫ与葡 萄糖底物的结合可诱导ＧＫ形成“开启”和“关闭” 这２种激活催化构象。换句话说，高糖浓度支持高 亲和“开启”和“关闭”构象，催化循环快速。ＧＫ激 活剂与酶的２个结构域中间凹槽连接域内的变构位 点结合。因此，ＧＫ激活剂町稳定酶“开启”和“关 闭”这２种高亲和力构象，从而激活酶的催化活性。 在“超开启”构象ＧＫ不会在铰链区形成变构口袋， 不具有ＧＫ激活剂结合位点。这是ＧＫ激活剂选择 性的基础，通过选择性稳定酶的高亲和力构象增加 ＧＫ与葡萄糖的亲和力。
１．５）ｍｍｏｌ·Ｌ“降低至（５．８±０．５）ｎｍ０１．Ｌ＿‘，对雌 性ＺＤＦ（ｚｕｃｋｅｒ ｄｉａｂｅｔｉｃ ｆａｔｔｙ）大鼠无论喂食与否均 可产生显著影响。此外，该化合物还可改善０６／０６ 小鼠糖耐量。目前化合物６已作为ｒ１２Ｄ治疗药物 进入临床试验。
ＡｓｔｒａＺｅｎｅｃａ公司发现了具有ＧＫ激活活性的几 种新型１，３，５一三取代苯衍生物７—１０。大鼠肝细胞 检测表明，化合物７和８叮浓度依赖性增加游离ＧＫ 水平、葡萄糖磷酸化、糖酵解和糖原合成。在１．０和 １０ ｍｍ０１．Ｌ～，化合物７可使ＧＫ与葡萄糖的亲和 力分别增加２和４倍，化合物８分别增加４和ｌｌ 倍。这些化合物以“葡萄糖样”效应类似的方式使 ＧＫ从细胞核转入细胞质。雌性小鼠禁食过夜后单 次口服化合物７，血糖水平可剂量依赖性降低。噻 吩衍生物９体外活性良好，激活ＧＫ的Ｅｃ∞值为 ０．０９ ｍｍ０１．Ｌ～，理化性质也较好。体内药代动力 学性质良好，对雌性Ｈａｎ—ｗｉｓｔａｒ大鼠，Ｆ＝１００％，且 抗高血糖作用理想。尽管该化合物在单剂量口服便 可改善雌性ｚｕｃｋｅｒ大鼠糖耐量，但要显著降低 ＯＧＴＴ需要剂量在３０ ｍｇ·ｋｇ～。为增加化合物９的 活性进行了构效关系研究。通过在异丙基上引入具 有ｓ构型的手性侧链并变更烷氧基侧链以使之具有 理想的立体结构，最终得到了化合物１０。该化合物 具有良好的体外活性（Ｅｃ５０＝０．０３ ｍｍ０１．Ｉ．叫）和药 代动力学性质（大鼠，Ｆ＝９９％；家犬，Ｆ＝１００％）， 在雌性ｚｕｃｋｅｒ大鼠高脂饮食后的急性０Ｇ订实验 中，当剂量低至１．０ ｍｇ·ｋｇ一亦具有抗高血糖作 用。
Ｂａｎｙｕ报道的ＧＫ激活剂３、４和５是一类新型 氨基苯酰胺类衍生物。体外ＭＩＮ６细胞（胰腺Ｂ细 胞）和啮齿动物体内评价结果表明，化合物６可将 ＧＫ活性提高４．３倍，Ｅｃ５０为１３０ ｎｍｏｌ－Ｌ一，并可增 加胰岛素分泌。通过原代大鼠肝细胞，利用２一脱氧－ Ｄ一［３Ｈ］葡萄糖（２一ＤＧ）摄取试剂盒研究了其对肝脏 葡萄糖代谢的影响，研究表明２．ＤＧ摄取增加６倍。 Ｃ５７８１／６小鼠口服１和１０ ｍｇ·ｋｇ。１化合物６，每日 １次，可通过胰腺和肝脏双重机制降低血糖，提高胰 岛素水平。其还可使ｄ６／舶小鼠血糖从（２０．５±
ＧＫ为单体酶，仅具单个活性位点，动力学曲线 为Ｓ状，与葡萄糖在动力学上有协同性，到达底物浓 度的半数最大速率＆，＜７．５ ｍｍ０１．Ｌ～。这表示 ＧＫ构象的改变可提高其催化活性。也就是是说， ＧＫ存在不同的构象，在与底物结合时相互缓慢转 换。由于与整个催化周期相比这种构象转化速度缓 慢，其中一种构象主要处于稳态，从而导致动力学正
中图分类号：Ｒ９１６．２；Ｒ９７７．１５；Ｒ３６４．２文献标识码：Ａ文章编号：１６７４旬４４０（２００９）０６舭５２－０５
ｌ 引言 ２型糖尿病（Ｔ２Ｄ）约占糖尿病的９０％一９５％，
是一种慢性代谢功能紊乱性疾病，涉及到糖代谢失 调、Ｂ细胞功能障碍和胰岛素敏感性受损。近年来 随肥胖症的急剧增加，ｒ１２Ｄ正越来越普遍。，１２Ｄ常 伴有～些并发症，例如：（１）引起自高血脂症到高血 压的一系列大血管病变，并可能最终导致终末期肾 病、截肢和动脉粥样硬化恶化；（２）慢性微血管病 变，如视网膜病变（失明）、肾病和神经病变。虽然 目前有几种方法可用于治疗他Ｄ，但没有一个药物 能在多数他Ｄ患者中实现持久性血糖控制。因此， 随着病情发展，最初的单一疗法可能会扩展到复杂 的组合疗法。葡萄糖激酶（ＧＫ）作为葡萄糖磷酸化 酶，是治疗他Ｄ的一个颇具吸引力的靶标，本文简 要概述小分子ＧＫ激活剂的研究进展，并介绍该领 域一些先导物或临床候选物的研究现况。
摘要：葡萄糖激酶是己糖激酶家族成员，在细胞内司职葡萄糖磷酸化生成６．磷酸葡萄糖，对体内葡 萄糖稳态起关键性作用。肝脏中，在葡萄糖激酶作用下葡萄糖磷酸化以促进糖原合成；而在ｐ细 胞中，其刺激诱导胰岛素释放。葡萄糖激酶激活剂可增加该酶对葡萄糖的敏感性及胰岛素分泌和 肝脏糖原的合成，减少肝脏葡萄糖输出。在２型糖尿病动物模型中，一些小分子葡萄糖激酶激活剂 已证实是有效的降糖剂，有的已经进入临床试验。 关键词：葡萄糖激酶；葡萄糖稳态；葡萄糖激酶激活剂；２型糖尿病
如Ⅱｍｏｆ ｏ，盹ｅｍｏ￡面舰ｆ｜Ｐ地ｒｒ托凹ｅ眦泌ｏｆ鼢ｅｏｒｃ矗 ２００９ Ｄｅｃ；３６（６）
治疗２型糖尿病药物葡萄糖激酶激活剂的研究进展
赵文丽１，苏畅２，李美英３‘ （１．太原『仃妇幼保健院皮肤科，山西太原０３０００６；２．军事医学科学院放射与辐射医学研究所；
３．毒物药物研究所，北京１００８５０）
２葡萄糖激酶：对葡萄糖稳态的作用 ＧＫ是相对分子质量为５０ ｋｕ的胞质酶，为哺乳
动物中发现的４个己糖激酶之一，在糖代谢首步中 催化葡萄糖转化为６一磷酸葡萄糖（Ｇ石一Ｐ）。除部分
表达于神经形神经内分泌细胞外，ＧＫ主要选择性
表达于胰腺Ｂ细胞和肝实质细胞，二者均在全身血
收稿日期：２００９旬８．２７ 作者简介：赵文丽，女，主治医师，研究方向：皮肤病的预防和治 疗。 ·通讯作者：李美荚，女，助理研究员，研究方向：药物化学，Ｅ一—ｌｉｌ：
ＧＫ基因的突变可引起严重的糖尿病症状。例 如，功能丧失性突变导致青年期发病的成年２型糖 尿病（ＭＯＤＹ－２）和永久性新生儿糖尿病。ＭＯＤＹ－２ 患者胰腺和肝脏均在葡萄糖利用上存在缺陷，从而 导致患者高血糖。这砦缺陷还会提高葡萄糖刺激胰 岛素分泌的阀值。相比之下，人ＧＫ功能获得性或 激活性突变则引起低血糖和高胰岛素血症。因此， 激活作为“葡萄糖敏感器”的ＧＫ就可上调胰腺分泌 的胰岛素水平，并在血糖升高时促进肝脏将葡萄糖 存储为糖原。这可能成为１２Ｄ有前景的治疗方法。 目前已发现一些小分子ＧＫ激活剂，可诱发Ｂ细胞 和胰岛葡萄糖刺激胰岛素分泌（ＧｓＩｓ）。与磺酰脲 类药物不同的是，在低血糖浓度下ＧＫ激活剂不影 响ＧＳＩＳ，出现低血糖的可能性小。 ４．２葡萄糖激酶激活剂一葡萄糖激酶复合物
Ｅ１ｉ Ｌｉｌｌｙ公司报道一系列环丙基乙酰胺衍生物， 如化合物１１和１２，也具有ＧＫ激活活性。化合物 １１激活ＧＫ的ＥＣ铀值为Ｏ．１６ ｍｍ０１．Ｌ～。通过新 分离啮齿动物胰岛实验表明，化合物１２可增加胰岛 素的分泌。ｘ．射线晶体结构显示，同其他ＧＫ激活 剂一样，化合物１２同样与ＧＫ的变构位点结合。利 用２．ＤＧ摄取试剂盒，以原代大鼠肝细胞测试表明， 在葡萄糖浓度为５ ｍｍｏｌ·Ｌ。１时，该化合物使２一ＤＧ 摄取增加４０％，ＥＣ∞＝（１．７±０．４）ｍｍ０１．Ｌ～。禁 食过夜Ｗｉｓｔａｒ大鼠ＯＧｌＴｒ实验表明，其口服剂量５０ ｍｇ·ｋｇ。可使葡萄糖曲线峰下面积减少２８％。此 外，其还使胰腺６细胞中ＧＫ蛋白水平增加２倍。 烯烃衍生物１３是Ｅｌｉ Ｌｉｌｌｙ公司报道的另一个ＧＫ激 活剂。
对ＧＫ与其激活剂晶体结构的研究揭示ＧＫ结 构为手掌形，由一小一大两个域组成，中间由一个连 接域空间分隔（图１ｂ）：大域Ｇ１ｕ２５６和Ｇｌｕ２９０、小 域’ｒ｝ｌｒｌ６８和Ｌｙｓｌ６９以及中间连接域Ａｓｎ２０４和 Ａｓｐ２０５在与葡萄糖结合作用中起关键性作用。变 构点外周为大域（Ｂ１链和击螺旋）与小域（ｄ１３螺 旋）的接连区包围，顶端由氨基酸残基６５～６８组成， 这也是ＧＫ两域问首个连接区的组成部分，底端则 由疏水性残基Ｍｅｔ２３５、Ｍｅｔ２１０、Ｉｌｅ２１１、Ｖａｌ６２、Ｖａｌ４５２ 和Ｉｌｅｌ５９组成。 ４．３主要的葡萄糖激酶激活剂
万方数据
国际药学研究杂志２００９年１２月 第３６卷第６期
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肝脏ＧＫ的活性及其在胞内的位置受肝细胞产 生的葡萄糖激酶凋节蛋白（ＧＫＲＰ）控制。小分子 可直接激活ＧＫ，或能通过破坏ＧＫ．ＧＫＲＰ复合物的 稳定性激活ＧＫ。前类化合物既可在肝脏又可在胰 腺刺激葡萄糖的利用，而后者则只能在肝脏发挥作 用。由于他Ｄ的典型特征是在２种组织中均存在 葡萄糖利用缺陷，前一类化合物可能对他Ｄ治疗更 有效。
４小分子葡萄糖激酶激活剂 ＧＫ的变构ｆ１袋距其与葡萄糖结合位点约２０
Ａ，这也是ＧＫ激活剂的结合位点。研究表明，最近 发现的ＧＫ激活剂所致血糖降低作用均归因于其与 这一口袋的结合。许多ＧＫ激活剂对啮齿动物表现 出强的抗高血糖作用，其机制在于增加了胰腺胰岛 素的分泌和加强了肝脏葡萄糖的代谢。６一磷酸果 糖－２一激酶／果糖－２，６－二磷酸酶（６ＰＦ２Ｋ／Ｆ２６Ｐ２ａｓｅ） 这个双功能酶也是ＧＫ激活剂，但其作为一个内源 性ＧＫ激活剂，激活机制是否与ＧＫ激活剂相同的 还有待进一步研究阐明。 ４．１葡萄糖激酶基因突变
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ห้องสมุดไป่ตู้
糖稳态中发挥关键作用。转基因动物研究证实ＧＫ 在全身葡萄糖稳态中发挥了关键性作用。不表达 ＧＫ的动物出生数天后因严重的糖尿病死亡，而ＧＫ 过度表达的动物糖耐量得到改善。胰腺Ｂ细胞缺 陷小鼠因严重高血糖而死亡，而肝缺乏ＧＫ小鼠的 胰岛素分泌受损。相比之下，无论是糖尿病还是非 糖尿病小鼠，肝脏ＧＫ过度表达均使其糖耐量增加。 在Ｂ细胞中ＧＫ通常称为“葡萄糖敏感器”。ＧＫ呈 半数最大活性的血糖浓度约为８．０ ｍｍ０１．Ｌ～，而 其他３个己糖激酶葡萄糖饱和浓度要低得多，＜１．０ ｍｍｏ卜Ｌ一。随血液中葡萄糖浓度增加，ＧＫ催化下 葡萄糖代谢增加。
在肝细胞，ＧＫｆｕＰ与ＧＫ‘‘超开启”构象结合，从
图１ （ａ）ＧＫ的二种构型与变构激活；（ｂ）ＧＫ结合位点和ＧＫ激 活剂一ＧＫ．Ｇ】ｕ共晶结构图 Ｇｌｕ：葡萄糖
万方数据
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而抑制ＧＫ活性。ＧＫ激活剂与ＧＫ“开启”和“关 闭”构象结合，阻止其转变为“超开启”构象，激活 ＧＫ的催化活性。最近有研究认为，ＧＫ激活剂与 ＧＫ变构位点结合时ＧＫＲＰ－ＧＫ复合物分解。值得 注意的是，尽管理论上ＧＫ激活剂可直接或通过破 坏ＧＫＲＰ．ＧＫ复合物稳定性间接激活ＧＫ活性，但目 前所报道的所有ＧＫ激活剂均表现出双重活性。