（一）引 言
西格列汀是近年来最成功的小分子药物之一，根据IMS数据，西格列汀及其复方制剂在2017年的销售额达到98.75亿美元，占全球DPP-4抑制剂市场的61%。截止目前，Januvia/Janumet的累积销售额已经达到590亿美元，不仅如此，该产品的化合物专利2022年才到期（CN1861077），磷酸盐水合物专利和晶型专利要2024年才到期，故Januvia的生命周期还有4-6年，Janumet的生命周期还有6-8年，西格列汀最终有望为默沙东缔造近1000亿美元的销售收入。
西格列汀之所以能够这么成功，一方面是疗效和不良反应方面的优势，另一方面是默沙东成功的开发策略。诺华的维格列汀早在1999年就申请化合物专利了，而默沙东2000年才组建专业团队，2002年才申请化合物专利。但奇迹的是，DPP-4靶点的First in class不是诺华的维格列汀，而是默沙东晚出道3年的西格列汀。2006年，默沙东的西格列汀获得FDA批准，从申请化合物专利到上市仅仅用了4年时间，其研发效率之高不得不令人深思。
除此以外，在西格列汀上市之后，默沙东又相继推出了西格列汀二甲双胍片Janumet，西格列汀辛伐他汀片Juvisync，西格列汀二甲双胍缓释片Janumet XL，西格列汀埃格列净片Steglujan，并通过这一系列产品打造了全面的糖尿病产品线，并形成了完整的专利家族，不但地延长西格列汀的生命周期，实现经济效益的最大化。
“外行看热闹，内行看门道”，西格列汀作为近年来创新药的成功典范，探讨西格列汀的研发过程，可以为我们以后的工作带来或多或少的启示。本文旨在抛砖引玉，不足之处，敬请广大读者指出。
（二）肠促胰素及西格列汀的发现基础
早在1906年，科学家们就发现糖尿病患者十二指肠粘膜提取物能够起到降糖作用。当时有3名患者参与治疗，其中2名较年轻，但最终降糖的效果让大家为之兴奋，受到很大的鼓舞。但限于病例，只有进一步观察才能得出结论。在那时，首次提出了肠内因子具有抗糖尿病能力的假说（图1）。
图1：肠内因子具有抗糖尿病能力的假说
20多年后的1929年，Znnz等进一步研究发现，肠粘膜释放的体液可以降低血浆葡萄糖的浓度。并使用“incretin”（肠促胰素）来命名这类具有降糖作用的肠衍生因子。
1932年，La Barre等在研究中发现，当达到相同血糖水平时，口服葡萄糖相比静脉注射葡萄糖能刺激更多的胰岛素分泌。由此，人们发现了人体自然分泌的肠促胰素是摄食后由小肠内分泌细胞反应性分泌的激素，通过刺激胰岛β细胞分泌胰岛素来降低血糖。所以，我们可以把肠促胰素看作是一种源自人体自身的血糖调节器，只有在血糖升高时，它才会刺激胰岛素分泌，属于一种自然的、内源性的、符合生理机制的降糖机制。
1964年，Elrick等人发现，在相同葡萄糖量的情况下，随着口服葡萄糖的增加，血浆胰岛素的增加越大、持续时间越长，口服刺激的胰岛素分泌明显高于静脉注射所引起的胰岛素分泌。这被解释为胰岛素分泌受到额外刺激的证据，可能是由消化道葡萄糖触发的胃肠道或肝脏因子，并称此现象为“肠促胰素效应”（图2）。
图2：“肠促胰素效应”的研究文献
到了上世纪80年代初，随着科技的发展，Perley等人进一步研究证实，小肠内分泌细胞产生的一种激素可调节胰岛对进餐的反应，该激素在餐后会促进胰岛素的适量分泌，餐后胰岛素总量的60%是在其作用下分泌的，因而命名其为“肠促胰素（Incretin）”。
紧随其后的1986年，Nauck等人发现II型糖尿病患者肠促胰素作用减退，提出了肠促胰素系统异常可能是II型糖尿病的发病机制之一。肠促胰素是一类肠源性激素，包括葡萄糖依赖性促胰岛素多肽（GIP）和胰高血糖素样肽-1(GLP-1）。
经过了快1个世纪，一代又一代的科学家努力地寻找那个未知的发病机制，总算有了一些实际应用。科学家们通过持续输注GLP-1，结果喜人，可显著改善II型糖尿病患者的血糖。但科学的道路总是充满着各种荆棘，他们发现GLP-1在体内的半衰期很短，只有不到2分钟，极大的限制了临床的实际应用。后来发现，GLP-1在体内失活的根本是DPP-4的酶可将GLP-1肽链断裂使其失活。
图3：DDP抑制剂的作用机制
对此，研究者们提出了两种策略：合成长效GLP-1类似物以增加GLP-1活性；或抑制DPP-4作用以阻止其对内源性GLP-1和GIP的灭活效应。
（三）、西格列汀的药物特性及药物化学过程
团队成立与研发策略：2000年元旦前后，为了加快DPP-4抑制剂在研发，默沙东在美国新泽西州默克研究实验室组成了相当规模的多学科综合性研发团队。起始，化学家们通过两种不同途径寻找目标化合物：（1）、对已发表的DPP-4抑制剂化学物文献和结构进行分析；（2）、对默沙东现有化合物库进行高通量筛选。
当时，已有文献报道的DDP-4抑制剂化合物有：①、NVP-728；②、LAF237；③、(S)-isoleucine thiazolidide；④、(S)-cyclohexylglycine pyrrolidide。
图4：开发初期已报道的DDP-4抑制剂相关化合物
改造初始的碰壁：NVP-728和LAF237对DPP-4都有很好的抑制作用，可能是由于DPP-4活性位点处的丝氨酸残基与NVP-728和LAF237中氰基形成共价键，但其对DPP-7、DPP-8和DPP-9的相关酶的选择性不高，会引发大鼠、狗的脾脏和胃肠道等多器官毒性，减弱T细胞的活性，影响机体免疫功能。当分子结构中缺少氰基，其稳定性会增加，而对DPP-4的抑制作用会有所降低。最后，研究人员决定对(S)-cyclohexylglycine pyrrolidide的结构进行改造，在环己烷的4位引入氨基和将吡咯环3位碳原子替换成杂原子，通过活性检测，最终的化合物对DPP-4有很好的抑制作用。但研究人员并未止步于此，而是齐头并进开展高通量筛选。
高通量筛选齐头并进：除了对文献进行分析以及结构改造，默克团队加快步伐筛选了80余万种化合物，通过合成改通过合成改良2000多个化合物，最终确定了两个化合物，如下图所示。其中一个是化合物A（β-氨基酸与脯氨酸的酰胺类衍生物），另一个是化合物B（β-氨基哌嗪类衍生物）。
图5：β-氨基酸类化合物的初始面貌
科学家们通过对β-氨基酸类化合物的构效关系研究发现：①、β-氨基及其手性碳原子的构型对活性是必须的，R型化合物活性优于S型；②、1位羰基是活性必需基团；③、苯基是活性必需基团，若用芳杂环或环烷基取代，活性下降，多取代优于单取代；④、噻唑烷类化合物增加或减少苯基与氨基之间连接链的碳原子都会使活性减低。
β-氨基酸与脯氨酸的酰胺类衍生物的改造：科学家们结合改造后的(S)-cyclohexylglycine pyrrolidide构效关系，对化合物A的结构进行优化，替换四氢吡咯环上的取代基，或者将四氢吡咯环换成噻唑烷，确保其对DPP-4的抑制活性变化不大。在研究中发现，芳环上有氟原子时，对活性有比较大的促进作用，但大鼠体内药动学表现不佳，消除率高，半衰期短，口服生物利用度低。
β-氨基哌嗪类衍生物的改造：由此同时，另一团队对化合物B结构进行改造并设计了一系列化合物。研究发现，哌嗪环2位引入某些取代基团有利于提高化合物活性，如苄基取代由于H、Me、4-氟苯基取代的化合物。由于哌嗪环易氧化，这些化合物在动物体内的PK数据不好，清除率高、半衰期短、口服利用度低，成药性差。
对上述化合物在肝微粒体酶中的代谢物研究发现，主要的代谢位点发生在哌嗪环上。于是Kim等对哌嗪环进行结构修饰，以不易氧化稠合杂环（三唑并哌嗪）代替哌嗪环，这样一来不仅可以保持较高的活性，同时还能增强其代谢稳定性。结果表明，三唑并哌嗪的3位引入三氟甲基活性最佳，也就是本文的主角：西格列汀（Sitagliptin）。
图6：磷酸西格列汀化学结构式
（四）西格列汀的临床研究
在临床研究阶段，默沙东的科学家们又大胆采用了I/II期临床试验齐头并进，和多项注册研究同时展开策略，仅用2年又1个季度的时间证实口服单药或与二甲双胍及其他降糖药物联用西格列汀均可显著改善血糖控制。
我们熟知，改善糖尿病现状需解决三大难题：
（1）提高HbA1c达标率，降低低血糖风险；
（2）保护胰岛功能，延缓糖尿病进展；
（3）控制糖尿病与心血管相关的潜在风险。
提高HbA1c达标率，降低低血糖风险：临床实验对西格列汀的安全性和有效性进行了评估，包括单药治疗和与现有抗糖尿病药物联用治疗。这项临床实验是四项随机、双盲、安慰剂、对照实验，涉及到至少2000名II型糖尿病患者。评估了多项血糖控制相关指标，包括糖化血红蛋白(HbAIC)水平的平均变化，该指标能反应过去3-4月平均血糖水平。
在用作单药疗法时，每日剂量为100或200毫克即可显著减少HbAIC，几乎没有不良反应，且低血糖也没有显著增加。对于每日服用至少1500mg二甲双胍，但仍然无法完全控制血糖（平均HbAIC为8%）的患者，若每天再添加服用100mg西格列汀，即可使47%的患者的HbAIC降至7%之下；安慰剂治疗对照组只有18.3%的患者的HbAIC降低了0.65%。
在24周的研究中，西格列汀作为吡格列酮（每日30或45mg）的附加疗法，并未完全控制血糖（平均HbAIC约8.1%）。与单用吡格列酮的患者相比，西格列汀与低血糖或体重增加的发生率增加无关。
保护胰岛功能，延缓糖尿病进展：II型糖尿病进展的一个重要原因是胰岛功能的进行性衰退，主要是指胰岛β细胞胰岛素分泌缺陷和α细胞胰高血糖素分泌过高所造成的胰岛素与胰高血糖素比例失调。Riche等在研究西格列汀延缓糖尿病进程机制时发现，西格列汀通过延缓胰岛β细胞的凋亡来上调其在胰岛中的比例，同时抑制胰岛α细胞的增殖，发挥双重调控作用，从而有效延缓糖尿病进展。
控制糖尿病与心血管相关的潜在风险：为了确保II型糖尿病降糖药物的安全性，美国FDA建议降糖药物对心血管风险的影响需进行全面评价，以及证明新开发的降糖药物不会带来不可接受的心血管风险。
FDA于2008年出台法规，要求新药申报需提供心血管安全性研究数据。西格列汀、沙格列汀、阿格列汀、利格列汀等DPP-4抑制剂据此开展了相应的心血管终点（CVOT）研究。
2016年3月，NEJM在线发表的一项跨国性研究发现，肠促胰素类降糖药（包括DPP-4抑制剂西格列汀、和利格列汀，以及GLP-1受体激动剂艾塞那肽和利拉鲁肽）并不增加心力衰竭住院风险。
图8：在基线无心力衰竭病史的患者中，肠促胰岛素类药物治疗与心力衰竭住院率增加无关
图9：在基线伴心力衰竭病史的患者中，肠促胰岛素类药物治疗不增加心力衰竭住院率
（五）结束语
根据世界卫生组织（WHO）数据 ，在2014年全球有4.22亿糖尿病患者，超过80%的糖尿病死亡发生在低收入和中等收入国家；到2030年，糖尿病将成为全球第七大死亡原因。
Januvia（捷诺维）作为全球首个上市的DPP-4抑制剂，能够抑制胰高血糖素样肽-1(GLP-1)和葡萄糖依赖性促胰岛素分泌多肽(GIP)的灭活，提高内源性GLP-1和GIP的水平，促进胰岛β细胞释放胰岛素，同时抑制胰岛α细胞分泌胰高血糖素，从而提高胰岛素水平，降低血糖，且不易诱发低血糖和增加体重。
自2006年上市至今，不仅为Merck公司创下了高额的销售额，在2017年的全球销售额为59亿美元，较上一年度下降3.43%，2018年总体销售额与2017年持平。凭借上市十多年的显著临床疗效，西格列汀经受住了全球市场的考验，还引领了大批DPP-4抑制剂上市，也为其他DPP-4抑制剂的开发提供了一些绝佳机会。
新药发现之旅是艰辛的，默沙东是幸运的，很快就获得了他们想要的结果。但幸运的背后，是他们多少年的沉淀和积累，却无法计算。研发从来没有一瞬间的幸运，所谓的幸运都是常年累月的付出。
参考文献
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6. Dicker D. DPP-4 Inhibitors Impact on glycemic control and cardiovascular risk factors. Diabetes care, 2011, 34(Supplement 2): S276-S278.
7. 肠胰岛素在2型糖尿病治疗中的作用.
8. DDP-4抑制剂有望解决2型糖尿病三大难题.
9. GLP-1类似物及DPP-4抑制剂国内上市情况分析.
10. 二肽基肽酶-4抑制剂构效关系研究进展.
11. 盘点2018年全球最畅销的10款糖尿病药物.
征稿启事
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