综述：GLP-1递送的设计：优化治疗的结构视角与制剂方法

《Nutrition & Diabetes》：Designing GLP-1 delivery: structural perspectives and formulation approaches for optimized therapy

本综述系统阐述了为克服天然GLP-1半衰期短（1-2分钟）的局限性，通过N/C末端修饰（如Exenatide）、脂肪酸侧链缀合（如Liraglutide、Semaglutide）及大分子融合（如Dulaglutide）等策略开发GLP-1受体激动剂（GLP-1 RAs）的进展。文章进一步探讨了纳米制剂、微球、微针、可注射水凝胶及植入剂等新型递药系统在延长作用时间、提高患者依从性方面的潜力，为糖尿病等代谢性疾病的优化治疗提供了全面视角。

　　

3. GLP-1

3.1 起源

胰高血糖素样肽-1（GLP-1）是一种内源性的肠促胰岛素激素，由胰高血糖素原（proglucagon）经过组织特异性翻译后加工产生。在肠道L细胞和部分脑区，前激素转化酶1/3（PC1/3）将胰高血糖素原加工成具有生物活性的GLP-1。最初，GLP-1被认为来源于主要胰高血糖素片段（MPGF）的N端区域，但后续研究证实内源性GLP-1对应于胰高血糖素原的第78至107位氨基酸。胰高血糖素原加工产生的激素在葡萄糖代谢和稳态中扮演着关键作用。

3.2 受体结合与作用机制

GLP-1的主要信号机制是通过G_αs亚基激活腺苷酸环化酶，导致环磷酸腺苷（cAMP）水平升高。升高的cAMP激活蛋白激酶A（PKA）和Epac2通路，分别增强葡萄糖依赖性胰岛素分泌和胰岛素胞吐作用。GLP-1与其受体结合后引发受体构象变化，从而激活G蛋白并产生第二信使。丙氨酸扫描研究发现，His⁷、Gly¹⁰、Phe¹²、Thr¹³、Asp¹⁵、Phe²⁸和Ile²⁹等特定氨基酸在受体结合和激活中起关键作用。GLP-1的N端区域对受体激活至关重要，而C端区域主要促进受体结合。

3.3 代谢

GLP-1在循环中会被二肽基肽酶-4（DPP-4）快速代谢，导致其血浆半衰期极短，仅约2分钟。DPP-4在Ala⁸-Glu⁹之间的肽键处切割GLP-1，产生代谢物GLP-1(9-36)-NH₂。该代谢物的结合亲和力和激动活性显著降低，较完整肽低100倍以上。因此，只有约10-20%的血浆GLP-1以其生物活性形式存在，大部分被DPP-4快速灭活。

4. GLP-1受体激动剂

GLP-1受体激动剂（GLP-1 RAs）是经过结构修饰的肠促胰岛素模拟物，旨在克服天然GLP-1的药代动力学局限性。目前的GLP-1类似物制剂主要依赖皮下注射，这可能给患者便利性和长期依从性带来挑战。

4.1 N端和C端修饰

4.1.1 艾塞那肽（Exenatide）

艾塞那肽是Exendin-4的合成变体，与天然人GLP-1有53%的同源性。其关键修饰包括在第8位用甘氨酸（Gly）替代丙氨酸（Ala），以及在C端用天冬氨酸（Asp）替代天冬酰胺（Asn）。这些修饰显著增强了对酶降解的抵抗力，使其半衰期延长至2-3小时。

4.1.2 利西那肽（Lixisenatide）

利西那肽基于Exendin-4的结构，由44个氨基酸组成，其C端经过修饰，增加了六个赖氨酸（Lys）残基并移除了一个脯氨酸（Pro）残基。这种结构修饰增强了其对DPP-4生理降解的抵抗力，半衰期约为2-4小时，其结合亲和力是天然人GLP-1的四倍。

4.1.3 他司鲁肽（Taspoglutide）

他司鲁肽通过在第八位用α-氨基异丁酸（Aib）替代丙氨酸（Ala），并在第35位用Aib替代甘氨酸（Gly）进行有效修饰。Aib模拟d-氨基酸的结构，显著提高了对DPP-4等蛋白酶的抗性，半衰期延长至5天。

4.2 脂肪酸侧链修饰

4.2.1 利拉鲁肽（Liraglutide）

利拉鲁肽通过与脂肪酸链缀合来显著增强其与人血清 albumin（HSA）的结合亲和力。具体修饰包括在第26位Lys残基上通过Glu残基连接一个C16棕榈酸部分，此外，第8位的Ala被Gly取代，第34位的Arg被Lys取代。这些改变使其与天然人GLP-1具有约97%的序列同源性。在体循环中，仅约1-2%的利拉鲁肽以未结合（游离）形式存在，其余部分可逆地与 albumin 结合，从而实现持续的药理作用，消除半衰期约为13小时，支持每日一次给药方案。

4.2.2 司美格鲁肽（Semaglutide）

司美格鲁肽在利拉鲁肽的基础上进行了战略性的结构修饰以增强其药代动力学特征。与利拉鲁肽类似，司美格鲁肽在第8位用Aib替代Ala，从而赋予其对DPP-4酶降解的抗性。此外，第34位的Arg被Lys取代以容纳位点特异性酰化。一个关键区别特征是通过间隔基将C18脂肪酸连接到第26位的Lys上，促进了与 albumin 的强结合，从而显著延长血浆半衰期至约160小时，支持每周一次皮下给药。

4.2.3 替尔泊肽（Tirzepatide）

替尔泊肽是一种新型合成肽，设计用于实现葡萄糖依赖性促胰岛素多肽（GIP）受体和GLP-1受体的双重激动作用。这个39个氨基酸的分子包含了源自天然GIP和GLP-1的结构元件，并进行了优化的氨基酸替换。其C端与艾塞那肽具有同源性，并通过Lys连接亲水性间隔基与一个C20脂肪酸二酸部分缀合，修饰策略与司美格鲁肽相似。这些修饰使其消除半衰期约为116.7小时，支持每周一次给药。此外，替尔泊肽对GLP-1R的亲和力优于天然GLP-1，同时能激活GIP受体，从而在血糖控制和减重方面增强其疗效。

4.3 大分子缀合修饰

4.3.1 度拉糖肽（Dulaglutide）

度拉糖肽是一种长效GLP-1受体激动剂，采用Fc融合蛋白技术实现 prolonged systemic exposure。该分子由一个经过修饰的GLP-1类似物（包含三个关键氨基酸替换：Ala⁸→Gly, Gly²²→Glu, Arg³⁶→Gly）与人免疫球蛋白G亚类4（IgG4）的Fc（恒定）区共价融合而成。该Fc结构域具有双重功能：空间位阻阻碍DPP-4接近，从而保护GLP-1部分免受酶降解；以及结合新生儿Fc受体（FcRn），促进受体介导的再循环并在细胞摄取后防止溶酶体降解。其消除半衰期约为90小时（约4天），支持每周一次皮下给药方案。

4.3.2 阿必鲁肽（Albiglutide）

阿必鲁肽通过与HSA基因融合实现延长的系统活性，这与利拉鲁肽和司美格鲁肽使用的基于脂肪酸的 albumin 结合策略不同。阿必鲁肽由两个串联的GLP-1(7-36)类似物序列以确定的分子构型共价融合到一个HSA分子上。这种设计确保了GLP-1 N端与 albumin 部分的空间分离，保留了受体结合能力并维持了完整的生物活性。此外，通过在第8位用谷氨酸替代丙氨酸，阿必鲁肽表现出对DPP-4酶降解的增强稳定性。结合对DPP-4的结构抗性和通过HSA融合延长的半衰期，允许每周一次给药。

4.3.3 艾菲格列肽（Efpeglenatide）

艾菲格列肽是一种新型长效GLP-1受体激动剂，利用专有的LAPSCOVERY?（长效蛋白/肽发现）技术平台开发。该技术通过位点特异性将半胱氨酸- albumin -缀合的Exendin-4类似物（CA-Exendin-4）与IgG4的Fc片段通过柔性肽间隔基连接起来。柔性连接子确保Fc区与GLP-1受体结合域之间的空间分离，保留了受体可及性和生物活性。Fc结构域不仅提供对蛋白水解酶的空间保护，还可能通过最大限度地减少抗药抗体的产生来降低免疫原性。此外，Fc缀合构建体分子量的增加减少了肾滤过和清除。这些联合机制有助于实现约5.6至7.5天的延长消除半衰期。

5. 药物递送系统：变革GLP-1类似物

5.1 纳米制剂

纳米制剂是先进的药物递送系统，其中活性药物成分（APIs）在纳米尺度（通常粒径小于1μm）进行制剂。这些纳米系统为改善包括GLP-1 RAs在内的各种药物的药理学和生物药剂学性能提供了一个变革性平台。常见的纳米制剂类型包括脂质体、聚合物纳米粒、固体脂质纳米粒（SLNs）、纳米结构脂质载体（NLCs）、纳米乳、胶束、树枝状聚合物、纳米晶和纳米复合物。每种系统都可以定制以实现特定目标，如延长循环时间、增强组织靶向性、防止蛋白水解酶降解以及控制或持续释药。

在GLP-1类似物方面，纳米制剂在解决其固有的药代动力学局限性方面显示出巨大潜力。例如，已开发出用于包封艾塞那肽和利拉鲁肽的脂质体载体，在皮下或鼻内给药后表现出改善的稳定性和持续释放。聚合物纳米粒，尤其是那些源自PLGA（聚乳酸-羟基乙酸共聚物）的纳米粒，已被用于制备长效GLP-1制剂，单次给药可将释放期延长至数周，减少注射频率并提高患者依从性。

最近的进展探索了PEG化脂质纳米粒，它结合了隐形特性（以逃避免疫清除）和控制释放的优点。另一个有前景的方向是黏膜粘附纳米载体，它能锚定在肠上皮上，并以位点特异性方式释放GLP-1类似物，最大限度地减少系统降解。难溶性GLP-1类似物的纳米晶悬浮液也正在研究中，以提高溶出速率并促进淋巴吸收。此外，还提出了用于精密控制GLP-1递送的温敏纳米凝胶和刺激响应性纳米载体（响应pH或葡萄糖水平），实现基于血糖波动的智能药物释放。

这些基于纳米的策略不仅优化了药代动力学和治疗效果，而且为无创递送途径（包括口服、颊粘膜、透皮和肺部给药）提供了潜力。因此，纳米制剂代表了推进下一代基于GLP-1的疗法用于有效管理2型糖尿病及相关代谢疾病的关键前沿。

5.2 微球

微球是典型的直径从10μm到1 mm不等的离散球形实体，被广泛用作药物递送系统。在结构上，它们可分为微囊（API包裹在聚合物或脂质壳内）和微球（API均匀分布在聚合物基质中）。这些系统使用各种材料制造，包括可生物降解的聚合物、脂质和无机化合物，具体取决于所需的释放曲线和给药途径。微粒递送系统的主要优点包括控制和持续释药、提高生物利用度、改善物理化学稳定性以及位点特异性靶向，所有这些都有助于优化治疗结果和提高患者依从性。微球可以配制成多种剂型，如干粉、可注射混悬液（例如，微球和脂质体），并且适用于多种给药途径，包括口服、肺部和非肠道递送。

5.3 微针

微针（MNs）是经过设计的微米级凸起（通常长度在25μm至2mm之间）的微创装置，旨在促进治疗剂通过皮肤和其他生物屏障的精确无痛递送。与传统的皮下注射针不同，微针系统创建了瞬时的微通道，绕过角质层，能够高效地透皮输送多种分子，包括肽、蛋白质和小分子药物，而不会到达神经丰富的深层，从而最大限度地减少疼痛和感染风险。

最近的进展扩展了微针在GLP-1 RAs中的应用，这类药物传统上因口服生物利用度差而受限，需要频繁的皮下注射。创新性研究已经证明了包含艾塞那肽和利拉鲁肽等GLP-1类似物的可生物降解微针贴片的可行性，在临床前模型中实现了持续的降血糖效果。这些系统通常使用生物相容性聚合物，如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠或明胶，并且可能包含功能性成分，如卵源性蛋白或丝素蛋白，以模拟生物学特性并增强机械强度和药物稳定性。

此外，智能微针系统已经出现，集成了葡萄糖响应材料，如苯硼酸或葡萄糖氧化酶修饰的水凝胶。这些平台能够由升高的血糖水平触发按需胰岛素或GLP-1释放，提供了一个闭环反馈机制，增强了治疗精确度并降低了低血糖风险。另一个有前景的方向涉及溶解性微针，它在给药后完全降解，消除了处理需求并提高了患者依从性。体内研究表明，微针介导的司美格鲁肽类似物递送在糖尿病动物模型中产生了与皮下注射相当或更优的血糖控制和体重减轻效果，突出了其临床转化潜力。微针设计可以根据肽药物的特定需求和分子特性进行定制。这些进展将微针技术定位为一种变革性的GLP-1受体激动剂递送方法，具有改善治疗依从性、最小化系统副作用和支持糖尿病去中心化护理模式的潜力。

5.4 可注射水凝胶

可注射水凝胶是刺激响应性聚合物网络，设计用于在生理条件下发生溶胶-凝胶转变，从而通过微创皮下给药实现局部和持续的药物递送。这些系统通常采用温敏或pH敏感的可生物降解聚合物，这些聚合物在原位形成粘弹性储库，促进如GLP-1 RAs等治疗剂的控释，同时规避系统毒性。

通过调节带电肽类药物与聚合物基质之间的静电相互作用，这些水凝胶能够在较长时间内（从数天到数周）实现持续稳定的药物洗脱，显著将给药频率从每日一次降低到每周一次甚至每月一次。其剪切稀化特性允许通过标准注射器针头给药，而其可生物降解性确保从体内逐渐清除而不会引起局部炎症。各种水凝胶制剂，根据其物理化学性质和释放动力学的不同。

5.5 植入剂

可植入的皮下植入剂和渗透泵代表了用于持续药物递送的先进技术，利用不同的机制实现长期疗效。例如，Vivani的NanoPortal?技术利用具有垂直排列纳米管的纳米结构氧化钛膜，通过孔径依赖性扩散动力学实现持续、可调的药物递送。这种皮下植入平台消除了泵和电子设备，转而依靠可定制的纳米管尺寸来实现肽和蛋白质的长期稳定释放曲线。通过将孔径维持略大于药物分子，该系统确保近乎恒定的洗脱速率。渗透泵已被证明是另一种可实现持续疗效的植入式解决方案。它们利用盐基核心产生的渗透压梯度，通过半透膜驱动药物释放，实现不依赖于生理条件的精确动力学。两种技术都通过其皮下放置消除了每日给药的需要，避免了首过代谢和胃肠道降解。

5.6 当前上市制剂

5.6.1 司美格鲁肽（Rybelsus?， Ozempic?， 和 Wegovy?）

口服给药在患者依从性方面具有显著优势，特别是在T2DM的慢性管理中。这一领域的一个重大进展是Emisphere的Eligen?技术，该技术采用N-（8-[2-羟基苯甲酰]氨基）辛酸钠（SNAC）作为吸收促进剂，以促进肽类药物的口服生物利用度。该技术是口服司美格鲁肽（Rybelsus?）制剂的基础，使其能够在胃中被有效吸收。SNAC通过多方面的机制发挥作用：它缓冲局部胃液pH，从而保护司美格鲁肽免受酸降解和蛋白水解酶作用，并增强药物溶解度和单体化。重要的是，SNAC瞬时流化胃上皮细胞膜，促进司美格鲁肽的跨细胞吸收，同时保持紧密连接完整性。

临床前药代闪烁扫描成像和犬类模型研究表明，司美格鲁肽主要在胃中被吸收，在脾静脉中检测到的药物浓度高于门静脉，表明存在位点特异性摄取。这种创新方法有效绕过了口服肽递送的传统障碍，为注射制剂提供了一种临床可行且患者更易接受的替代方案。

司美格鲁肽也有注射剂型，包括Ozempic?和Wegovy?，两者因其在管理T2DM和肥胖方面的功效而广为人知。由于司美格鲁肽的长半衰期（约一周），两种制剂均以每周一次皮下注射给药。此外，Ozempic?主要用于糖尿病患者的血糖控制，而Wegovy?通过激活GLP-1受体减少饥饿感和增强饱腹感，以体重管理为目标。这些制剂的药代动力学特征表明，皮下给药后最大血浆浓度通常在1至3天内达到，而稳态血浆水平通常在每周一次给药4至5周后实现。两种产品的给药方案都涉及逐步滴定以优化治疗效果；Ozempic?从0.25 mg进展至最高1 mg的维持剂量，而Wegovy?则达到更高的2.4 mg维持剂量以支持减重目标。

5.6.2 度拉糖肽（Trulicity?）

度拉糖肽，商品名Trulicity?，是一种Fc融合蛋白。其约4.7天的延长半衰期归因于其结构设计。这种药代动力学特征支持每周一次皮下给药，通过预充式自动注射笔提供，剂量规格为0.75 mg、1.5 mg、3.0 mg和4.5 mg/0.5 mL。该制剂使用柠檬酸、甘露醇和聚山梨酯80等辅料稳定，同时自动针头机制通过延伸和回缩针头便于自我注射，从而提高了患者依从性和使用便利性。

在临床上，度拉糖肽表现出剂量依赖性疗效。其GLP-1活性降低血糖水平，同时其GIP成分可能增强胰岛素分泌并促进体重减轻，共同发挥其双重降糖和减重益处。此外，度拉糖肽的安全性与其他GLP-1受体激动剂一致，暂时性恶心是最常报告的不良事件（发生率为14.6%）。建议在至少四周后根据个体血糖控制需求将剂量从0.75 mg递增至1.5 mg。

5.6.3 艾塞那肽（Byetta? 和 Bydureon?）

艾塞那肽目前主要有两种市售制剂：Byetta?和Bydureon?，分别代表速释和缓释剂型。Byetta?通过皮下注射每日给药两次，提供快速、短效的GLP-1受体激活。相比之下，Bydureon?是一种长效、每周一次制剂，采用基于微球的递送系统开发。缓释（ER）制剂将艾塞那肽包封在可生物降解的聚（D, L-丙交酯-乙交酯）（PLGA）微球内，形成聚合物基质，在皮下注射后允许药物持续释放。PLGA基质经历逐渐水解，随时间释放肽。药代动力学数据表明，空腹血糖（FPG）水平在两周内开始下降，稳态血浆浓度通常在每周给药六周后达到。有趣的是，每周一次艾塞那肽ER达到的血浆浓度与单次注射速释艾塞那肽（Byetta?）相当。这种缓释递送不仅改善了血糖控制，而且通过将注射频率从每日两次减少到每周一次，提高了患者依从性。

5.7 已停产的制剂

5.7.1 艾菲格列肽（Efpeglenatide）和他司鲁肽（Taspoglutide）

艾菲格列肽和他司鲁肽曾是用于治疗T2DM的有前景的长效GLP-1受体激动剂，均设计为每周一次给药。尽管显示出强大的降糖功效，但两种药物最终因不同的耐受性和安全性问题而停止开发，其严重程度和临床意义各异。

艾菲格列肽采用先进的Fc-PEG缀合技术制成，表现出与GLP-1类药物特征一致的剂量依赖性胃肠道不良事件。报告的发生率包括恶心（5.9-22.2%）、腹泻（8.8-25.3%）、呕吐（2.9-9.1%）和便秘（8.8-16.2%），高剂量每月方案（8-16 mg）的停药率高达19%。重要的是，艾菲格列肽的免疫原性相对较低，很少有患者产生具有临床意义的抗药抗体，使其安全性在同类药物预期范围内被视为可控。然而，这些耐受性问题最终阻碍了其监管和临床进展。

相比之下，他司鲁肽的研发因严重的免疫原性和超敏反应并发症而中止。高达55%的患者产生了抗药抗体，其中约5%的病例与系统性过敏反应相关，并且报告了注射部位反应，包括需要提前终止试验的过敏反应。这些免疫介导事件还伴有难以忍受的胃肠道副作用，包括59%的患者出现恶心和37%的患者出现呕吐，以及急性胰腺炎的报道，导致III期试验中退出率达26-34%。

虽然两种药物都面临GLP-1 RAs固有的胃肠道负担，但艾菲格列肽的局限性主要与剂量相关且在可控预期内，而他司鲁肽严重的免疫原性和超敏反应的组合使其在临床上不可行。

5.7.2 阿必鲁肽（Tanzeum）

阿必鲁肽，商品名Tanzeum，是一种与度拉糖肽相似的融合蛋白。该药物通过双室预充式注射笔给药，笔内包含阿必鲁肽冻干粉和稀释剂。粉末在使用前用稀释剂重构，产生由甘露醇、聚山梨酯80、磷酸钠和海藻糖二水合物等辅料稳定的黄色溶液。临床试验已证明阿必鲁肽在降低HbA1c水平和改善血糖控制方面的功效。在Harmony项目下的III期研究中，接受阿必鲁肽治疗的患者与安慰剂相比显示出统计学上显著的HbA1c降低。第52周时，HbA1c降低值为：30 mg剂量组-0.7%，50 mg剂量组-0.9%，而安慰剂组为+0.2%。此外，30 mg剂量组49%的患者HbA1c水平低于7%，而安慰剂组仅为21%。空腹血浆葡萄糖水平也显著改善，30 mg剂量组降低-16 mg/dL，50 mg剂量组降低-25 mg/dL，而安慰剂组增加+18 mg/dL。Harmony Outcomes试验进一步显示，在患有2型糖尿病和心血管疾病的患者中，中位随访1.6年期间，阿必鲁肽将主要不良心血管事件（MACE）风险降低了22%。虽然阿必鲁肽表现出良好的降糖功效和耐受性，但不良事件包括上呼吸道感染、腹泻、恶心和注射部位反应。体重变化极小，与安慰剂无显著差异。这些发现强调了阿必鲁肽作为T2DM管理中血糖控制和心血管风险降低的有效辅助疗法的潜力。

6. 未来方向

GLP-1 RAs的演进日益转向口服制剂，旨在通过消除注射需求并解决与传统肽疗法相关的物流复杂性来提高患者依从性。GLP-1受体激动剂的临床前研究已得到全面总结。尽管在临床试验开发中观察到显著进展，但已发表的临床数据仍然匮乏，特别是关于长期安全性、在不同人群中的有效性以及真实世界有效性。值得注意的是，迄今为止仅有一项注册临床研究，评估基于植入的艾塞那肽递送系统，目前处于I期阶段，状态为“主动，不再招募”，于2024年12月20日启动，预计于2025年8月完成。

与通常需要冷链储存的注射制剂不同，口服GLP-1 RAs绕过了冷藏限制，从而降低了在资源有限环境下的生产和分销成本，并改善了可及性。此外，小分子GLP-1 RAs为解决口服肽类药物面临的生物利用度限制提供了解决方案，后者通常依赖吸收促进剂（如SNAC）和严格的禁食协议。其紧凑且化学稳定的结构有助于有效的胃肠道吸收，不受饮食限制，这简化了患者给药和大规模生产。

（原文此处关于Orforglipron的段落似乎不完整，提及了体重减轻约16.0磅超过40周，预计2025年末提交肥胖适应症注册申请，2026年提交T2DM适应症。Orforglipron的口服给药途径和可扩展的生产能力使其成为普及基于肠促胰岛素的疗法的领跑者。）

7. 结论

本综述全面阐述了GLP-1及其类似物在代谢性疾病，特别是T2DM管理中的治疗潜力。天然GLP-1固有的药代动力学局限性，如其短暂的生物半衰期，通过对其生理学、分泌动力学和分子特征的深入研究，催生了显著的技术进步。为克服这些限制，本综述讨论了一系列结构修饰策略，包括N端和C端替换、脂肪酸缀合和大分子融合，这些策略显著增强了酶稳定性、改善了受体亲和力，并保持或增强了GLP-1类似物的生物活性。此外，综述还探讨了新型药物递送策略，如微球包封、可注射水凝胶、Fc融合和口服小分子制剂，旨在实现持续和控释，以降低给药频率并提高患者依从性。

除了血糖控制，综述还强调了GLP-1在各种器官和代谢通路上的多效性作用，说明了其在解决心血管、肾脏和肥胖相关并发症方面的潜在效用。总之，这些见解将GLP-1及其类似物定位为在更广泛的代谢疾病管理背景下的多功能且有前景的药物。