图1 患者注射胰岛素

整个20世纪是胰岛素治疗领域变革和创新的时代，从胰岛素的分离、动物胰腺提取物的纯化和浓缩、长效制剂的开发，进展到利用重组DNA技术制造人胰岛素和改良胰岛素类似物。目前可用的胰岛素种类还包括胰岛素混合物、浓缩胰岛素和具有替代给药途径的胰岛素，为糖尿病患者提供了广泛的选择（图2）。

图2 胰岛素发展时间表及其大致历史时间

NPH，中性鱼精蛋白锌胰岛素；rDNA，重组DNA；U，单位。Endocrine Reviews 2020, 41 （5）: 733–755

在临床使用胰岛素的早期，短效常规/regular（也称为“可溶性/soluble”或“多伦多/Toronto”）胰岛素提取物的作用持续时间短至4-6小时，需要每天使用玻璃注射器多次注射胰岛素。为了减少每日（和夜间）胰岛素注射次数，研发长效胰岛素配方被认为是下一步的工作。

哈格多恩（Hagedorn）和延森（Jensen）在1936年成功地将胰岛素与鱼精蛋白结合，鱼精蛋白是一种鱼蛋白，可与胰岛素六聚体一起结晶，并延迟活性胰岛素单体释放到循环中。同年，Scott和Fisher提出在胰岛素中加入锌，形成鱼精蛋白锌胰岛素复合物。此后，这些制剂包括珠蛋白胰岛素（含珠蛋白和锌）、苏尔芬胰岛素（含苏尔芬，即双-2- 甲基-4- 氨基 - 喹啉-6-脲）、鱼精蛋白锌胰岛素（含鱼精蛋白和锌）和长效胰岛素（含锌，在血液 pH 值的醋酸盐缓冲液中）。

然而，直到1946年才引入中性精蛋白Hagedorn（neutral protamine Hagedorn，NPH）胰岛素，也被称为低精蛋白锌胰岛素，注射后最长作用时间为4-12小时。它作为第一种中效胰岛素非常受欢迎，因为它比以前的胰岛素提供了更稳定的葡萄糖曲线，起效更慢，作用时间更长，有利于平稳夜间血糖，并且可以与常规胰岛素联合使用。如今，NPH胰岛素是由人常规胰岛素制成的；需要注意的是，NPH胰岛素是一种含有鱼精蛋白和锌的沉淀物，所以需要在注射前轻轻摇晃12~15次以将其重新悬浮；如果不遵循这种再悬浮过程，可能会大大增加日常的变异性。

20世纪50年代，人们曾尝试制备长效胰岛素，如慢胰岛素混悬液（semilente/半长效、lente/长效和ultralente/超长效），但由于与常规胰岛素联用时的可变性和不稳定性，未能产生持久的产品。由于与笔式注射器和细针不兼容，lente胰岛素混悬液最终在20世纪90年代停止使用。目前主要用于兽医实践。

常规胰岛素和NPH胰岛素每日两次的自重构组合是多年来获得基础和进餐时间的标准治疗。随后，在大多数患者西方饮食基础上需要约30%常规胰岛素和70% NPH胰岛素而开发预混制剂。然而，通过每天一次或两次注射来控制葡萄糖曲线的整个概念被证明存在不利影响，因为它使胰岛素治疗进一步远离正常的胰岛素生理学。使用长效胰岛素的这段时期，被许多人视为胰岛素治疗的黑暗时代（the Dark Ages），糖尿病相关并发症的发生率很高。只有提高对β细胞生理学的认识，临床医生才能理解通过每日多次注射严格控制血糖在预防并发症中的重要性。这一理念最终在糖尿病控制和并发症试验（DCCT；见后面内容）所阐明。

随着每日注射频率的降低，注意力转向商业胰岛素中杂质的存在和高水平的胰岛素抗原性，这是由于其动物（牛或猪）来源以及鱼精蛋白锌胰岛素和NPH胰岛素中的蛋白质添加剂。这种特征导致形成胰岛素抗体和局部注射部位反应，可能发展为严重病变，如脂肪萎缩。为了解决这个问题，高纯度胰岛素，称为单组分或单组分胰岛素于1973年左右生产出来。胰岛素原已被确定为一种主要的免疫原性污染物，其浓度从百万分之50，000降至百万分之一以下。尽管不完全是非免疫原性的，但从上一代胰岛素到这些新的高度纯化胰岛素的变化，确实导致总胰岛素需要量的减少（由于抗体滴度的下降）。

1963年，胰岛素成为第一种化学合成的人类蛋白质。1979年，使用重组DNA技术在大肠杆菌中通过基因工程实现了实验室合成人胰岛素，该技术于此前2年建立，用于生产生长抑素。1982年，礼来公司在商业上推出了第一种合成人胰岛素。其他制药商紧随其后（Novo Nordisk和Hoechst），动物源胰岛素的使用迅速减少。

这些年来，胰岛素浓度有所变化，但通过全球范围内的共同努力，已形成了胰岛素的标准浓度，以提高安全性。多年来浓度的变化，从每毫升40个单位，到每毫升100个单位是标准浓度。然而，由于意识到严重胰岛素抵抗的患者在使用这些浓度时需要注射高剂量，导致产生超浓缩形式的胰岛素。然而，浓缩人胰岛素通常会导致其作用时间延长。药效学研究表明，增加注射胰岛素的剂量也会影响胰岛素的作用特征。此外，超浓缩人胰岛素（例如，人常规胰岛素U500）的药代动力学特征介于U100和NPH之间。

在胰岛素治疗取得成功的最初几年后，高血糖的慢性并发症，如视网膜病、肾病、神经病和心血管疾病，开始引起注意。

1993年，DCCT的结果表明，在T1DM患者中，每日多次注射胰岛素或持续皮下输注胰岛素的强化胰岛素治疗可预防这些慢性并发症。与常规治疗（当时每天注射一次或两次）相比，强化胰岛素治疗改善了血糖控制。与常规治疗组相比，HbA1c从常规治疗组的9%降至胰岛素强化治疗组的7%，导致微血管并发症发生率显著降低，范围为35%-76%。第一个胰岛素类似物（designer insulins）的详细综述是在1988年，而DCCT的研究结果将糖尿病管理的重点从试图减少每天胰岛素注射次数转向开发可改善血糖控制的工具。这一概念导致了此后胰岛素继续迭代、胰岛素能够更好地模拟β细胞胰岛素特征（胰岛素类似物），改进的胰岛素给药工具（笔和泵）的引入和更广泛的使用，而可能最重要的是，允许频繁检测血糖水平的工具的制造（毛细血管血糖测定，最终是皮下连续血糖检测）。

1.速效胰岛素类似物

1996年，第一种人合成胰岛素类似物问世——胰岛素Lispro（赖脯胰岛素/Humalog®）。在这种类似物中，胰岛素B链的脯氨酸和赖氨酸的中性氨基酸序列在28和29位的反转导致自缔合倾向降低，解离成二聚体和单体的能力增加，因此，比普通人胰岛素更快地被吸收到血流中（图3）。这种改变在皮下注射后的第一小时内产生更快的峰值和两倍高的峰值血浆浓度，可使餐后血糖峰值更低。2000年诺和诺德公司的门冬胰岛素（insulin aspart/ NovoLog®/ NovoRapid®）和2004年赛诺菲公司的胰岛素glulisine（谷赖胰岛素/Apidra®）紧随其后。在门冬胰岛素中，脯氨酸在B链的残基28处被天冬氨酸取代。在胰岛素glulisine中，3位天冬酰胺在被赖氨酸取代，赖氨酸在B链29位被谷氨酸取代（图3）。一旦在皮下组织中稀释，这些变化会增加六聚体溶解为二聚体和单体的速率（图4）。与赖脯胰岛素和门冬胰岛素不同，胰岛素glulisine（谷赖胰岛素）使用聚山梨酯20代替锌作为赋形剂，以实现稍快的起效。锌的去除会破坏胰岛素六聚体，从而促进吸收。此外，聚山梨酯20是作为稳定剂添加的表面活性剂，以平衡在除去锌时发生的稳定性降低。使用聚山梨酯20的缺点是，据报道，当在胰岛素的连续皮下输注中使用时，与赖脯胰岛素和门冬胰岛素相比，glulisine胰岛素（谷赖胰岛素）会导致更频繁的导管阻塞。

图3 速效胰岛素类似物结构中的氨基酸变化

图4 与常规胰岛素相比六聚体在赖脯胰岛素（例）的间隙中溶解更快

速效胰岛素类似物的引入主要提供更大的灵活性，它们可以在餐前即刻注射，因为它们会迅速出现在血液中。此外，可给予校正剂量而保持胰岛素堆积风险较低（胰岛素堆积风险，指的是间隔较短时间重复给予校正剂量的速效胰岛素，会伴有有随之而来的低血糖风险）。在各自的临床试验中，与常规胰岛素相比，速效胰岛素类似物还可改善总体血糖控制（降低HbA1c水平）并降低低血糖风险，而速效胰岛素之间无相关差异。

如果不考虑因地区差异而造成的成本或可用性问题，注射次数对某些患者可能非常重要。因此， NPH胰岛素与速效胰岛素的混合制剂随之出现。速效胰岛素lispro+鱼精蛋白胰岛素lispro，以及速效胰岛素aspart+鱼精蛋白aspart的组合可作为预混胰岛素以不同比例提供。这些预混制剂仍然很受欢迎，特别是在世界许多地区（如南亚，包括我国）需要胰岛素治疗的T2DM病患者中。某些预混比例的优势在世界各地有所不同，具体取决于地区的碳水化合物摄入量。由于混合制剂中速效成分的药代动力学和药效学特征保持不变，因此可在餐前注射。值得注意的是，与不具有这些获益的人胰岛素制剂相比，使用赖脯胰岛素和门冬胰岛素混合制剂可保留血糖控制和夜间低血糖的益处。然而，这些预混制剂限制了灵活性，NPH的存在导致了这些产品作用的可变性，从而导致低血糖的频率更高，血糖控制比单一治疗更差。

在过去的5年里，添加赋形剂以加快从皮下空间的吸收，从而出现速效类似物的新配方。这些类似物的目的是通过实现更快的作用起始和更快的作用完成，更接近生理进餐时间的胰岛素分泌。而最初的速效胰岛素类似物旨在通过改变胰岛素使其在注射后更快解离来改善吸收。更快的门冬胰岛素于2017年推出，含有作为稳定剂的L-精氨酸，以及通过增加皮下血流量来增加吸收的烟酰胺（niacinamide）。与现在我们通常应用的门冬胰岛素相比，该配方可使作用提前5分钟开始，在注射后前半小时的早期降糖作用增强74%，降糖作用提前14分钟消退。在T1DM患者中，与门冬胰岛素相比，这些作用可使HbA1c降低0.08%，餐后血糖控制改善，后期低血糖事件更少。然而，其在持续皮下输注胰岛素中的应用令人失望，总体血糖控制没有改善。

第二种超速效胰岛素（ultra-rapid-acting insulin），超速效lispro，含有额外的柠檬酸盐，可通过增强局部血管通透性增加吸收，以及曲前列环素（treprostinil），可增加局部血管舒张。PRONTO-T1D研究中，超快速lispro首先与原始胰岛素lispro进行比较，然后与所有其他速效类似物（包括更快的门冬胰岛素）进行比较，显示超快速lispro能够在注射后13分钟达到半最大剂量浓度，比更快速门冬胰岛素早6分钟，并且比更快速门冬胰岛素在餐后2小时实现更大的餐后葡萄糖降低。一项持续皮下输注胰岛素的小型研究显示了使用的安全性，但同样对总体血糖控制没有重大影响。这些作用特征差异微小，由此对临床实践中使用这些制剂的附加值的影响需要得到证明。将超快胰岛素lispro的浓度增加至200单位/毫升不会改变其药代动力学和药效学特征，从而可与其他胰岛素lispro制剂互换。

各类胰岛素类似物的作用实践见下表（表1）。

表1 速效胰岛素类似物与人常规胰岛素作用时间的比较

2.长效胰岛素类似物

前面已经提到，由于需要再悬浮，原始动物和人长效/中效胰岛素（包括NPH）的作用具有显著的可变性，且药代动力学特征不平坦，在注射后4-6小时具有峰值活性。这些特征导致餐间低血糖的风险增加，尤其是夜间低血糖。此外，这些制剂的作用无法覆盖24小时。首个长效类似物出现了，并且显示可降低夜间低血糖的风险，从而改善糖尿病患者的安全性和生活质量，但与NPH胰岛素相比，总体上HbA1c的降低有限。

2000年，赛诺菲的甘精胰岛素（insulinglargine）成为第一种被批准用于临床的基础胰岛素类似物。通过在B-链的31和32位添加两个精氨酸分子，并在A-链的21位用甘氨酸取代天冬酰胺（图5上），分子的等电点移至pH 6.7。因此，沉淀仅在中性pH（注射部位）下发生（图5b下），而分子在酸性pH（储液瓶中）下可溶。甘精胰岛素的药效学特征比NPH胰岛素更平坦，平均作用持续时间在单次首次给药后为20小时，在维持治疗期间会增加。从NPH胰岛素转换为甘精胰岛素可更好地控制总体血糖，这反应在降低空腹血糖水平和减少夜间低血糖事件。

图5.甘精胰岛素

A.甘精胰岛素的氨基酸结构。B.甘精胰岛素延长的机制：在SC空间的pH诱导的沉淀

诺和诺德的地特胰岛素（Insulin detemir）于 2005 年获得FDA批准上市，并在2010-2016年在其他各地区上市，是一种pH中性的胰岛素类似物，其中B链30位的苏氨酸被去除，B链29位的赖氨酸中加入了一种14碳肉豆蔻酰脂肪酸（myristoyl fatty acid）（图6）。这种游离脂肪酸的添加导致胰岛素六聚体在注射部位自缔合为胰岛素双六聚体，并由于与白蛋白的非共价结合而延长了在血流中的循环时间（图6）。

平均作用时间在稳定状态下最长为23小时，常常需要每日两次给药以满足基础需要，尤其是对1 型糖尿病患者。与NPH胰岛素相比，地特胰岛素可使血糖水平更稳定，体现在临床试验中的总体血糖控制更好，空腹血糖水平更低，夜间和重度低血糖更少。与甘精胰岛素相比，还观察到夜间和严重低血糖的减少。相对于甘精胰岛素，地特胰岛素每日基础胰岛素剂量较高，但增加的体重略少。

图6 地特胰岛素

A.地特胰岛素的氨基酸结构。B.延长机制：在SC空间形成双六聚体并与白蛋白结合

浓度更高的甘精胰岛素U300/Toujeo®（300 U/mL）于2015年得到FDA批准上市，稳态作用持续时间延长至32小时，这归因于其皮下贮库更紧凑，比甘精胰岛素U100的表面积更小。在T1DM患者中进行的三项EDITION研究的事后荟萃分析比较了甘精胰岛素U100与甘精胰岛素U300，结果显示甘精胰岛素U300的HbA1c降低相似，但严重低血糖风险较低，尤其是在治疗开始后的前8周。在稳定状态下，U-300 甘精胰岛素的降糖效果似乎低于相同剂量水平下的 U-100 甘精胰岛素。从低血糖管理的角度，要注意当从U-300转换为U-100甘精胰岛素时，建议最多需要减少20%的剂量以降低低血糖的发生风险。此外，在1型糖尿病患者中观察到了U-300甘精胰岛素的剂量依赖性动力学，这符合前述机制。

作用持续时间超过24小时和有更平坦的胰岛素曲线的基础胰岛素是研发的方向。最近上市的长效胰岛素类似物德谷胰岛素（insulin degludec/Tresiba®/诺和诺德）与地特胰岛素相似，具有一条与人胰岛素相连的游离脂肪酸链，其胰岛素分子中，B30位苏氨酸删除，侧链连接到由谷氨酸和具有末端羧酸基团的16碳脂肪酸组成的B29位赖氨酸上。该配方产生了独特的长效机制，在酚类（phenol）和锌存在的情况下，可在小瓶中形成可溶且稳定的双六聚体，但当注射时，酚类会扩散开，并在注射储库中形成多六聚体链（图7）。目前有具有相似药代动力学特性的两种浓度的德谷胰岛素可用（U100和U200）。德谷胰岛素是目前市场上作用时间最长的胰岛素类似物，其作用时间延长至42小时（半衰期为25小时），德谷胰岛素的特点是降血糖曲线稳定且分布均匀。临床上，与甘精胰岛素U100相比，该特征降低夜间低血糖的风险。比较甘精胰岛素U300和德谷胰岛素的药代动力学和药效学特征的研究显示出相互矛盾的结果，研究设计主要导致关于这两种胰岛素的作用持续时间和日常变异性差异的结论相互矛盾。仅在T2DM患者中进行了甘精胰岛素U300与德谷胰岛素之间的头对头比较，总体血糖控制相似。然而，BRIGHT试验发现，在滴定期间甘精胰岛素U300的低血糖风险低于地特胰岛素，而CONCLUDE试验遇到了技术问题，妨碍了对其结果的解释。长效德谷与速效门冬的混合制剂于2015年在国外获得批准，随后也在国内上市，这是目前第一种也是唯一一种不含鱼精蛋白成分的类似物-类似物胰岛素混合制剂，该配方降低了低血糖风险，尤其是夜间低血糖。

图7 德谷胰岛素

A德谷胰岛素的氨基酸结构。B.缓释机制利用多六聚体的形成和与白蛋白的结合

中/长效胰岛素/类似物作用时间见表2。

表2 中效胰岛素和长效胰岛素的时间-作用（100U/L）

a 起效时间不适用于长效胰岛素

3.胰岛素联合

联合使用GLP1激动剂和基础胰岛素是为了进一步降低低血糖风险，减少注射次数，并限制与使用胰岛素相关的体重增加。事实上，GLP1激动剂联合基础胰岛素已被证明对T2DM病患者有效。目前，市场上可买到或即将上市有两种基础胰岛素与GLP1激动剂的混合制剂:甘精胰岛素联合利西那肽（IGlarLixi）和德谷胰岛素联合利拉鲁肽（IDegLira）。在T2DM患者中，与单一治疗中的任一组分相比，两种联合用药均可改善HbA1c，且与单一疗法中的胰岛素组分相比，iGlarLixi可减轻体重1.5kg，IDegLira可减轻体重2.2kg。

为减少注射次数，混合短效/速效餐时胰岛素和中效NPH 胰岛素在以往是常见方案，同时覆盖基础和餐时追加。预混胰岛素制剂原理相同但更便利，也会一定程度避免混合错误。

预混胰岛素制剂目前是一种公认的治疗2型糖尿病的方法，可以在餐前每天给药一次、两次或三次。与基础 / 餐时疗法相比，预混胰岛素制剂具有注射次数少的优势。临床上，预混胰岛素制剂最适合食物摄入和进餐时间一致的患者，因为其中的胰岛素成分不能单独调整。

预混胰岛素可以基于人胰岛素或胰岛素类似物（表3）。

表3 目前的预混胰岛素

人胰岛素混合物中，NPH 胰岛素（70%）与人常规胰岛素（30%）结合。一些常规胰岛素与制剂中的NPH胰岛素结合，但一旦注射混合物，这种结合就会逆转。鉴于混合物中人常规胰岛素的动力学，需要在饭前30 ~ 45分钟注射预混剂。

速效胰岛素类似物也可作为预混胰岛素中的组分。赖脯胰岛素及其鱼精蛋白悬浮液、中性鱼精蛋白赖脯（Neutral Protamine Lispro，NPL）胰岛素（专门开发用于与赖脯胰岛素混合）的混合物，可作为赖脯胰岛素 75/25 和 50/50 的混合物（Humalog® Mix 75/25  和 Humalog® Mix 50/50 ）；门冬胰岛素也有类似的预混物，含有其鱼精蛋白混悬液（Novolog® 70/30 ）。

由速效门冬胰岛素（30%）和长效德谷胰岛素（70%）组成的混合物Ryzodeg®/德谷门冬于2015 年上市，配方中不含鱼精蛋白。基于胰岛素类似物混合物的优点是，可在更靠近用餐的时间注射，进而增加了患者的便利性。