NHRI Communications
研究發展
抗糖尿病藥物研發
隨著飲食及生活習慣的改變，許多文明病亦相繼產生，新陳代謝相關疾病與肥胖問題日益嚴重，可預見將導致罹患糖尿病的人數持續增加。目前糖尿病的世界發病率約為3-5﹪，位居全世界第七大死因。根據WHO資料統計，已有超過1.9億人罹患糖尿病，估計到西元2010年，糖尿病病患將增加到1.5-2.2億人口，而到西元2025年則將增加到3億人之多。目前美國約有1,700萬人罹患糖尿病，其中95﹪是第二類型成年型糖尿病，是導致美國人致死的第十五位疾病，預估未來30年病患人數將成長3倍。
至於國內情形，根據衛生署調查，台灣地區2003年主要死亡原因中，糖尿病排名第四，與前一年死亡人數相比較，增加1,995人，較惡性腫瘤增加人數859人更多，且其排名已是連續第四年往上竄升，於2004年之統計資料中亦佔據第四名死亡病因。糖尿病是一種慢性病，雖然疾病的初期少有症狀，但是長期以後所引起的併發症相當多，造成可觀的醫療費用與社會成本支出。
根據中央健保局資料顯示，台灣地區罹患糖尿病人數約為80萬人，每年與糖尿病相關之醫療支出達150億元，但若計算整體醫療費用（包括治療糖尿病併發症）則高達350億元之多。另一方面，糖尿病病患因老年人及肥胖人口的增加而成長，治療用藥市場也將隨之成長，預估2012年將達205億美元，每年成長率達8﹪。因此無論從疾病本身、健保支出及藥品市場來看，糖尿病治療藥物的研發為刻不容緩的工作。
基本上糖尿病可分成兩種：第一型糖尿病，或稱之為胰島素依賴性糖尿病；第二型糖尿病，或稱之為非胰島素依賴性糖尿病。而造成全球糖尿病人口遽增的類型，主要是由於胰島素抵抗或是胰島素分泌異常所導致的第二類型糖尿病，患者佔全數糖尿病患者的90﹪以上，而胰島素抵抗（係指人體胰島素效應組織對胰島素不敏感或敏感性降低）被認為是第二型糖尿病及其併發症發生的主要病因。雖然預防確實可以減少糖尿病所帶來的侵擾，但是絕大多數的糖尿病患還是需要依賴口服降低血糖的藥物，或是靠注射胰島素來控制血糖。
目前在臨床上使用的治療藥物雖可不同程度地降低患者的血糖，於降低心血管疾病等併發症的發生卻無顯著效果，可耐受性低下，同時會伴隨明顯的副作用，例如胰臟功能衰竭、腎衰竭及腹脹等，因此急切需要開發出更新一代的口服降低血糖藥物。
近來有相當多的證據顯示，脂肪堆積在肌肉及肝臟會導致胰島素抗性（insulin resistance），而減輕肥胖及降低脂肪量會增加細胞的胰島素感受性（insulin sensitivity）。PPARs (Peroxisome proliferators-activated receptors)是一群在細胞核內調節脂肪細胞基因表現和分化之主要轉錄因子，在醣類和脂肪代謝過程中扮演重要角色。Thisazolidinediones（TZDs）是PPARγ活化劑，它能提高胰島素感受性、增加胰島素活性及降低血脂肪的功能，同時亦具有能將脂肪保留在脂肪細胞，減低脂肪在肌肉堆積的功效。故篩選具PPARγagonist活性之類的化合物，可能可以找到具有提高胰島素敏感性、治療第二型糖尿病或是具有減肥功效的藥物。
目前市面上屬於PPARγ活化劑且佔銷售第一及第二名之藥物為Actos（Pioglitazone）及Avandia（Rosiglitazone），在2002年的銷售額分別為美金1,294百萬美元及美金1,241百萬美元。由於此兩種藥物具有造成病患體重增加、水腫、脂肪組織激增、骨髓脂肪酸改變等副作用，因此對於PPARs活化劑之研究仍在持續進行。近年來的研究顯示，PPARγ活化劑若再加上PPARα可增加其活性，目前已有一系列化合物（PPARα/γ dual agonists）可同時活化PPARα和γ，臨床試驗結果顯示此類化合物能提高胰島素感受性和降低三酸甘脂的生成。由於PPARδ普遍存在於細胞中，一直很少有此方面的研究，但根據最近研究成果顯示，合成的PPARδ活化劑具有調節脂肪酸代謝、平衡體內能量、減緩體重降低、促進胰島素抗性等功能。故結合PPARα、PPARγ以及PPARδ的「三合一」活化劑（pan agonists），不但可以藉由活化PPARγ來增強胰島素感受性，達到調節血糖的功能；又可以藉由活化PPARα來降低三酸甘脂生成，並進一步利用PPARδ來減緩體重增加的副作用。因此「三合一」活化劑被視為研發抗糖尿病及抗肥胖疾病極具潛力的藥物，目前美國GlaxoSmithKline藥廠已有一類藥物進入治療第二型糖尿病之第二期臨床試驗，Plexxikon藥廠亦有一類此藥物於2005年開始第一期臨床試驗。
由於PPARα/γ/δ「三合一」活化劑具有發展為抗新陳代謝方面藥物的潛力，因此近三年來本院生技藥研組針對PPARs為分子標的 (drug target)已開發出一類新穎口服降血壓先導藥物「BPR1H」，其中BPR1H036在in vitro binding及transactivation之分析，與已上市藥Rosiglitazone比較後結果顯示其對於PPARα、PPARγ以及PPARδ皆具有相當好的活性。在藥物動力試驗方面，BPR1H036在BALB/c小鼠中顯示非常好的藥物動力反應結果。研究顯示此候選藥物無論是利用口服或靜脈注射方式給藥，其半衰期時間長短差異不大，AUC值甚至較上市藥Rosiglitazone為佳，並且其生體可利用率高達100﹪，顯示此先導藥物具有發展為口服劑型候選藥物之潛力。而在KKAy具有糖尿病之基因鼠實驗模型中，我們發現經由連續十天口服給藥，BPR1H036可有效降低血糖；停止給藥後，老鼠血糖又慢慢回復到高血糖症狀。從此一簡單動物模型證明口服先導藥物BPR1H036的確可以有效降低血糖。
為了要更進一步了解BPR1H036與PPARγ蛋白質之間的交互作用，我們利用structure-based drug design(以蛋白質結構為基礎的藥物設計)的技術，解出BPR1H036與PPARγ複合體結構 (complex structure)，進而找出藥物最佳化修飾的條件 (Lead optimization)。
Structure-based drug design在新藥研發過程中扮演著重要的角色，此研究方法能有效降低研發新藥時的高成本支出與時間浪費。其原理是利用X光結晶繞射技術解出先導化合物(drug lead)與分子標的(Drug target)複合體的三度空間結構，進而了解藥物與分子標的之間的作用，此技術能幫助設計具有更高專一性及更少副作用的藥物。大多數的藥廠及衛生研究組織自1990年已開始著手進行structure-based drug design計畫，並在此研究領域中持續地投入大量心血及努力。現階段一些採用此研發方法之新藥研發成功的例子也相繼被報導，並已發展至臨床試驗階段。因此，structure-based drug design計畫預計將會持續增加，而日新月異的X光結晶繞射與核磁共振技術，配合炙手可熱的蛋白質體計畫，輔以一日千里的電腦設備發展，將更加速新藥研究並拓展藥物研發的領域。
Structure-based drug design有時亦被稱做循理性藥物設計(rational drug design)，主要原理為如果分子標的(通常是個重要功能的蛋白質)活化部位(active site)的結構能被清楚的了解，那麼這些從結構得到的資訊就可用來設計與蛋白質結合並影響其活性的化學藥物。我們可以利用X光繞射技術得到蛋白質活化部位(active site)的完整資訊，包含其位置、距離、氫鍵性(hydrogen-bonded)、疏水性(hydrophobic)及靜電性(electrostatic)。
以BPR1H036的研究為例，首先需表達及純化PPARγ，純化後的蛋白質再與BPR1H036共結晶(co-crystallized)。我們總共試過近百種的結晶條件，最後發現可以用一化學試劑PEG3350長出合適的晶體，此晶體再送到台灣及日本的同步輻射中心，利用其高能量的X-ray光源得到晶體的繞射圖案(diffraction pattern)並解出其結構。由PPARγ與BPR1H036的複合結構可清楚了解我們的藥物BPR1H036如何與PPARγ作用。其中BPR1H036的carboxylic acid group可與胺基酸Tyr473，His449，His323及Ser289形成氫鍵，這些氫鍵亦存在於其他已知的PPAR活化劑中，且對活化PPAR非常重要。另外，BPR1H036的indole ring和PPARγ上的胺基酸His449形成很強的疏水作用；此疏水作用非常特殊，因為其他複合體結構均只有與His449形成氫鍵，而非疏水鍵。BPR1H036的indole ring提供了與PPARγ蛋白交互作用中主要的疏水作用力，並可能是在與蛋白質結合時不可或缺的一個基團(functional group)。由BPR1H036與PPARγ的複合結構，我們可以得知哪些作用力是重要的，並且可針對這些重要的作用力進行研究，以幫助設計更好的藥物。
此項研究的主要目標即在經由篩選具PPARγ agonist活性之類的化合物，以研發治療第二型糖尿病的有效新型藥物，目前在生技藥研組團隊合作下，已有良好的階段性成果，也持續致力於進行抗糖尿病藥物研發計畫，以期使我國在新藥研製及學術研究上能有所突破與發展。
此研究成果已發表在Journal of Medicinal Chemistry, J. Med. Chem. 48：8194-8208 , 2005 and J. Med. Chem. 49,1212-1216,2006
《文/圖：伍素瑩，陳琦雯；此抗糖尿病藥物研發計畫由生技藥研組謝興邦、伍素瑩、陳炯東、葉燈光等實驗室研究團隊共同合作進行》