專利名稱：用于肺送遞的穩定的濃縮胰島素制劑的制作方法
技術領域：
本發明涉及物理和化學穩定性高并且適于肺送遞的濃縮含水胰島素制劑。
自從20世紀20年代胰島素問世以來，人們一直在進行研究以改善糖尿病的治療。為了幫助避免極端的血糖水平，糖尿病患者通常接受多次注射療法，在每次用餐時給藥胰島素。
在溶液中，胰島素的自締合方式受蛋白質濃度、金屬離子、pH值、離子強度和溶劑組成的影響。對于常用的含有U100胰島素、鋅離子、等滲劑和苯酚防腐劑的可溶性制劑，必需考慮如下平衡
已知的胰島素降解方式包括a)原纖維形成；b)在A18、A21和B3脫酰氨基；c)通過轉酰氨基作用或形成Schiff-堿而形成二聚體；d)二硫化物交換反應。
根據Brange的描述(《胰島素的穩定性》(Stability of Insulin),Kluwer Academic Press,1994)，所有這些降解反應在單體的情況下要比六聚體時快得多。因此，穩定胰島素制劑最有效的方法是使上述平衡盡可能地偏向右側。除了該質量作用的總的影響外，選定殘基的反應性還受其直接參與T→R構象轉變的影響。因此，B3Asn在R-狀態時(當殘基在α-螺旋中時)的反應性要比T狀態時低得多。二鋅胰島素六聚體的T6、T3R3和R6構象之間的相互轉變受與T3R3和R6形式結合的配體的調節。陰離子如氯離子對T3R3和R6的金屬離子中的第四配位位置具有親和性，而防腐劑例如苯酚則可以與位于T3R3和R6形式表面附近的疏水性袋結合(Derewenda，《自然》(Nature)338,594,1989和Brzovic，《生物化學》(Biochemistry)33,130557,1994)。通過使用Co2+胰島素，已經證實陰離子和苯酚結合的組合效果在穩定R6狀態時是特別有效的(Brader,Trends Biochem.Sci.30,6636,1991和Bloom，《分子生物學雜志》(J.Mol.Biol.)245,324,1995)。此外，對于Zn2+-和Co2+胰島素均已證實，苯酚比間甲酚在誘導胰島素六聚體的R-狀態時更為有效(Wollmer，《生物化學》(Biol.Chem.)Hoppe-Seyler 368,903,1987和Choi，《生物化學》(Biochemistry)32,11638,1993)。誘導R-狀態的高親和性苯酚衍生物是7-羥基-吲哚((Dodson,Phil.Trans.R.Soc.Lond.A 345,153,1993)、間苯二酚和2,6-及2,7-二羥基-萘((Bloom，《分子生物學雜志》(J.Mol.Biol.)245,324,1995)。胰島素的物理變性稱為原纖維形成。在原纖維狀態，延伸的肽鏈平行或反平行地伸展并在彼此之間形成氫鍵，稱為β-結構或β-折疊片。原纖維通常代表蛋白質的最低能量狀態，只有苛刻的條件例如強堿才可以從該狀態重新生成正確折疊的蛋白質的天然狀態。可以增加原纖維形成速率的因素是升高溫度、增加液相和氣相之間的表面積，對于不含鋅的胰島素，還可以增加濃度。對于六聚的鋅胰島素，原纖維的形成速率隨著濃度的增加而降低。據信可以通過胰島素的單體化促進原纖維的形成。胰島素的原纖維具有凝膠或沉淀狀的外觀。
在B-鏈的C末端截短的胰島素衍生物例如去五肽(B26-B30)胰島素和去八肽(B23-B30)胰島素比人胰島素更傾向于形成原纖維。易于從六聚體單位解離成單體形式的胰島素類似物例如AspB28人胰島素和LysB28-ProB29人胰島素，同樣比人胰島素更傾向于形成原纖維。可以通過形成穩定六聚體單位的條件來穩定胰島素的天然狀態，即存在鋅離子(2-4鋅/六聚體)、苯酚(0.1-0.5％w/v)和氯化鈉(5-150mM)。
加入可以降低氣-液界面表面張力的物質可以進一步降低原纖維形成的傾向。因此，平均分子量為約1800的聚乙二醇、聚丙二醇及其共聚物可在用于輸注泵的濃縮胰島素溶液中用作穩定劑(Grau,1982:Neue Insuline(編者Petersen,SchlLiter&Kerp),FreiburgerGraphische Betriebe,411-419頁和Thurow,1981專利DE2952119A1)。關于胰島素物理穩定性的綜合評論參見Brange 1994，《胰島素的穩定性》(Stability of Insulin),Kluwer Academic Publisher,18-23頁。制劑中胰島素的化學降解大部分是由于涉及天冬酰胺殘基，特別是殘基B3和A21的甲酰胺功能基的反應。酰胺基團的水解生成脫酰胺基的衍生物，涉及另一個分子的氨基的轉酰氨基作用導致共價連接的二聚體的形成，并在類似的連續反應后，生成三聚體或更高級的聚合物。
在酸性溶液中，AsnA21是最活潑的，導致AspA21胰島素的生成(Sundby，《生物化學雜志》(J.Biol.Chem.)237,3406,1962)。在通過酸醇萃取得到的來自牛和豬的粗品胰島素中，分離出的含量最多的二聚體是AspA21-GlyA1和AspA21-PheB1連接的(Helbig 1976,Insulindimere aus der B-Komponente von Insulinpraparationen,Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule的論文，Aachen)。在中性溶液(該溶液是用于注射治療的胰島素制劑的優選方式)中，AsnB3是最易受影響的殘基。降解產物包括AspB3胰島素、AspB3-GlnB4-異肽胰島素和其中AspB3提供羰基部分與另一個分子的氨基之間形成肽鍵的二聚體和更高級的聚合物。關于胰島素化學穩定性的綜合評論參見Brange 1994，《胰島素的穩定性》(Stability ofInsulin),Kluwer Academic Publisher,23-26頁。至于穩定六聚體單位的物理穩定性條件，即存在鋅離子(2-4鋅/六聚體)、苯酚(0.1-0.5％w/v)和氯化鈉(5-150mM)，可以降低在中性pH下存放過程中降解產物的形成速率。
當不采用穩定六聚體單位的條件時，可以觀察到不同類型的聚合反應。因此，在不含鋅、苯酚和氯化鈉并采用50℃的溫度時，二硫鍵連接的二聚體和高分子量的聚合物是主要的形成產物。形成機制是二硫化物互變反應，這是由二硫化物的β-消除引起的(Brems，《蛋白質工程》(Protein Engineering)5,519,1992)。
胰島素的穩定性受pH、金屬離子濃度、離子強度、苯酚類物質、溶劑組成(多元醇、乙醇和其它溶劑)、純度和品種(牛、豬、人、其它類似物)的影響。綜述參見Brange《胰島素的蓋倫制劑》(Galenics ofInsulin),Springer-Verlag 1987,18和46頁。
胰島素在接近其等電位pH的pH值下、即4.0-7.0的pH范圍內溶解性很低。高濃度的豬胰島素溶液(5000U/ml～30mM)被調至酸性pH(Galloway，《糖尿病護理》(Diabetes Care)4,366,1981)，但制劑中的胰島素由于在AsnA21脫酰氨基化而是高度不穩定的。在中性pH下可以制備高濃度的不含鋅的胰島素溶液，但這些溶液由于高的聚合速率以及在AsnB3的脫酰氨基化而是不穩定的。據報道，含有苯酚的中性pH的豬鋅胰島素溶液在濃度為1000U/ml時在升高的溫度下是穩定的，但當溫度低達4℃時會出現過度飽和(Brange和Havelund，《胰島素送遞的人工系統》(Artificial Systems for Insulin Delivery),Brunetti等編，Raven Press 1983)。
為了減少胰島素注射液的不便之處，人們開始廣泛關注其它給藥途徑(概述參見Brange和Langkjaer，《蛋白質送遞物理學系統》(Protein Delivery:Physical Systems),Sanders和Hendren編，PlenumPress 1997)。肺送遞系統似乎是這些系統中最有前途的(Service，《科學》(Science)277,1199,1997)。胰島素可以以霧化成干粉的形式給藥，或以霧化小滴的形式從胰島素溶液給藥。其效果可以通過訓練呼吸(Gonda，美國專利5,743,250)和加入吸收促進劑(Baekstroem，美國專利5,747,445)或蛋白酶抑制劑(Okumura，《國際藥學雜志》(Int.J.Pharm.)88,63,1992)增強。
與皮下注射相比，霧化的濃縮胰島素溶液(500U/ml)的生物利用度為20-25％(Elliot，《澳大利亞兒科雜志》(Aust.Paediatr.J.)23,293,1987)。使用每次噴霧30-50μl胰島素溶液時，胰島素溶液的濃度必需比常用的0.6mM的濃度高5-20倍。通過使用單劑量容器例如凸泡包裝(Gonda，美國專利5,743,250)，可以不使用防腐劑。大部分胰島素制劑通過有毒性的、粘膜刺激性和有令人不愉快氣味的苯酚和間甲酚來防腐。但是，不用苯酚類物質將會產生穩定性的問題。除了抑制細菌的作用外，苯酚類物質與鋅離子組合還起物理-化學穩定劑的作用。因此，優選用于吸入的胰島素制劑用最低濃度的苯酚制備或將苯酚用更易接受的物質代替。
文中所用的“人胰島素衍生物”(以及類似的表達方式)是指其中至少有一個有機取代基與一個或多個氨基酸結合的人胰島素或其類似物。
文中所用的“酚類分子”是指苯酚或其衍生物，例如間甲酚或氯甲酚。
通過提供其中的氯化物濃度保持在50mM以下并且其中的其它陰離子例如磷酸根的濃度減到最少的胰島素制劑，出人意料地實現了該目的。
因此，本發明涉及含水胰島素制劑，所述制劑含有3至20mM人胰島素或其類似物或衍生物，低于50mM的氯化物，低于10mM的除氯離子和乙酸根之外的其它陰離子，每6分子胰島素2至5個Zn2+離子和每6分子胰島素至少3個酚類分子。優選的實施方案本發明的胰島素制劑優選含有3至15，更優選4至15mM，仍更優選5至15mM，特別優選6至15mM的人胰島素或其類似物或衍生物。
在某些優選的實施方案中，本發明的制劑含有約3mM、約6mM、約9mM、約12mM或約15mM的人胰島素或其類似物或衍生物。
當本發明的胰島素制劑準備用多劑量容器給藥時，需要進行防腐，因此最好含有最多50mM的酚類分子。但令人驚奇的是，通過使用相對低濃度的酚類分子，例如每6分子胰島素3至12個酚類分子、優選每6分子胰島素3至9個酚類分子，可以獲得足夠的穩定性。當不需要或需要很少的防腐作用時(例如在單劑量的容器中)，可以使用低濃度的酚類分子。使用低用量酚類分子的另一個優點是增加了患者的舒適性。
本發明的胰島素制劑優選含有低于40mM，更優選低于30mM氯化物，仍更優選5至20mM氯化物，以保證最佳的穩定性。
在具體的實施方案中，胰島素可以含有少量磷酸鹽緩沖液，優選最多5mM磷酸鹽。
每6分子胰島素含有2至4個Zn2+離子，優選2.2至3.2個Zn2+離子的本發明的胰島素制劑是非常穩定的。
每6分子胰島素含有3至5個Zn2+離子，優選3.5至5個Zn2+離子的本發明的胰島素制劑也是適宜的。
令人驚奇的是，可以向本發明的胰島素制劑中加入相對高濃度的兩性離子例如N-甘氨酰甘氨酸和甘氨酸而不會降低胰島素的溶解度。N-甘氨酰甘氨酸在中性pH值下起緩沖劑的作用，并且由于其中度的鋅螯合作用，可以增加鋅胰島素在中性至堿性pH下的溶解速率。此外，N-甘氨酰甘氨酸還可以在存放過程中起到胺反應清除劑的作用。因此，在優選的實施方案中，本發明的胰島素制劑還含有5至150mM的兩性離子胺，優選N-甘氨酰甘氨酸或甘氨酸。
在優選的實施方案中，本發明的胰島素制劑還含有5至50mM的三羥基甲基氨基甲烷，該化合物在中性pH值下起緩沖劑的作用，并且可以起到胺活潑化合物的清除劑的作用。
在另一個優選的實施方案中，本發明的胰島素制劑含有鈉離子作為陽離子。鈉離子具有低的鹽析作用。
在另一個優選的實施方案中，本發明的胰島素制劑含有鉀或鉀和鈉離子的混合物作為陽離子。濃度高于4-5mM的血漿濃度的鉀離子可以增加胰島素通過肺的轉運。
在另一個優選的實施方案中，濃度高于4-5mM的鉀離子與中度的支氣管擴張劑如薄荷醇合用。
在另一個優選的實施方案中，本發明的胰島素制劑含有0.001％(重量)至1％(重量)的非離子表面活性劑，優選吐溫20或Polox 188。可以加入非離子型去污劑以穩定胰島素，防止其在存放和霧化過程中形成原纖維。
在另一個優選的實施方案中，本發明的胰島素制劑含有1mM至10mM的陰離子表面活性劑，優選牛磺膽酸鈉，以進一步增加胰島素的生物利用度。
在一個優選的實施方案中，使用的胰島素是人胰島素。
在另一個優選的實施方案中，使用的胰島素是人胰島素的類似物，其中位置B28是Asp、Lys、Leu、Val或Ala，位置B29是Lys或Pro；或是去(B28-B30)、去(B27)或去(B30)人胰島素。
優選的人胰島素類似物是其中的位置B28是Asp或Lys，位置B29是Lys或Pro的人胰島素，優選AspB28人胰島素或LysB28ProB29人胰島素。
在另一個優選的實施方案中，胰島素選自可溶性長效胰島素衍生物，例如帶有一個或多個親脂性取代基的人胰島素衍生物，優選乙酰化的胰島素。
該實施方案的胰島素衍生物優選選自B29-Nε-肉豆蔻酰-去(B30)人胰島素、B29-Nε-棕櫚酰-去(B30)人胰島素、B29-Nε-肉豆蔻酰人胰島素、B29-Nε-棕櫚酰人胰島素、B28-Nε-肉豆蔻酰LysB29ProB29人胰島素、B28-Nε-棕櫚酰LysB29ProB29人胰島素、B30-Nε-肉豆蔻酰-ThrB29LysB30人胰島素、B30-Nε-棕櫚酰-ThrB29LysB30人胰島素、B29-Nε-(N-棕櫚酰-γ-谷氨酰基)-去(B30)人胰島素、B29-Nε-(N-石膽酰-γ-谷氨酰基)-去(B30)人胰島素、B29-Nε-(ω-羧基十七烷酰基)-去(B30)人胰島素和B29-Nε-(ω-羧基十七烷酰基)人胰島素。
首選的胰島素衍生物是B29-Nε-肉豆蔻酰-去(B30)人胰島素或B29-Nε-(N-石膽酰-γ-谷氨酰基)-去(B30)人胰島素。
上述可溶性長效胰島素衍生物是與白蛋白結合的，并且設計成可以提供恒定的基礎胰島素供給(Markussen；Diabetologia 39,281,1996)。每天皮下給藥一次或兩次可以保證所需的基礎胰島素供給，而對于肺給藥則推薦每天吸入數次，優選在進餐時給藥。
胰島素衍生物的起效會延遲，因此會抵銷通常與肺給藥有關的血漿胰島素非常迅速的增加。通過仔細選擇胰島素的類型，本發明可以對給藥時間進行調整，以獲得所需的胰島素作用形式。
在本發明的具體實施方案中，胰島素制劑含有胰島素類似物或人胰島素以及胰島素衍生物。
胰島素制劑中的酚類分子優選選自苯酚、間甲酚、氯甲酚、百里酚或其混合物。
本發明的胰島素制劑的pH值優選在7至8.5之間，更優選7.4至7.9。
通過以下實施例對本發明進行進一步的描述，但不應將這些實施例看作是限定性的。
實施例1將337mg不含鋅的人胰島素溶于1237μl水并加入263μl 0.1MZnCl2和637μl水，然后用38μl 0.2M NaOH調整pH，最后加水至2.5ml制得2.5ml 21mM的胰島素儲備液，計算出胰島素的比體積為0.7μl/mg。然后加入350μl 0.16M間甲酚、175μl 0.32M苯酚和鹽或去污劑至表1所示的濃度制得15mM的制劑，然后用溶媒稀釋至12、9、6、3和0.6mM并于5℃下存放。
實施例2將鋅胰島素在冰浴上分散在水中(1∶10)，加入N-甘氨酰甘氨酸(7/15)當量和氫氧化鈉(3.1當量)，然后在5℃下緩慢攪拌過夜。然后加入0.1當量的氯化鋅和去污劑，用0.8當量的鹽酸將pH調至7.5，調整體積，然后加入苯酚和水并在最后將15mM的制劑用含有氯化鈉、N-甘氨酰甘氨酸和去污劑的溶媒稀釋得到12、9、6和3mM的人胰島素(表2和3)。
結果如下表1至3所示。
表1的數據表明，即使少量的磷酸鹽(例如5mM)也會降低胰島素的穩定性，并且用三羥基甲基氨基甲烷鹽酸鹽代替氯化鈉也傾向于降低胰島素的溶解度。與鹽相反，兩性離子N-甘氨酰甘氨酸和甘氨酸可以增加胰島素的溶解度，并且可以加入出人意料的高濃度的兩性離子N-甘氨酰甘氨酸和甘氨酸而不會破壞對胰島素的穩定作用。N-甘氨酰甘氨酸在中性pH下起緩沖劑的作用，并且由于其中度的鋅螯合作用，可以增加鋅胰島素在中性至堿性pH下的溶解速率。N-甘氨酰甘氨酸還可以在存放過程中起到胺反應清除劑的作用。加入最多1％(重量)的非離子型去污劑吐溫20和泊咯沙姆188以及3mM的陰離子型去污劑牛磺膽酸鈉不會降低在5℃存放時的穩定性。
表2中顯示了加入與胰島素等摩爾量的酚類物質時的影響。有三種酚類分子可以增加6至15mM或更高濃度的胰島素在低溫下的物理穩定性并使升高溫度下的聚合物形成減少2-3倍(在低氯化物濃度下)。在另一組實驗(表3)中，增加化學穩定性的苯酚或氯甲酚的相對量從0至2/胰島素變化。
實施例3將441mg B29-Nε-(N-石膽酰-γ-谷氨酰基)-去(B30)人胰島素(143nmol/mg)于0℃下懸浮在5ml水中并加入220μl 1N NaOH。當胰島素類似物溶解后，加入295μl 0.1 M ZnCl2并將溶液攪拌至暫時出現的沉淀溶解。依次加入315μl 0.32mM苯酚和98μl 0.5MN-甘氨酰甘氨酸和70μl 1％吐溫20，測得pH為7.60。最后加入693μl水并將溶液通過無菌的0.22μm Millex-GV濾器得到7ml 9mM的B29-Nε-(N-石膽酰-γ-谷氨酰基)-去(B30)人胰島素。該溶液在5℃下3個月后仍然保持穩定。
表1人胰島素溶液在常規的苯酚/甲酚濃度(用于多劑量容器)下的穩定性與鹽濃度、離子電荷和去污劑濃度的關系。
*)每mg胰島素加入1μl 1N鹽酸，相當于約6當量氯化物。**)用鹽酸中和。
表2人胰島素在等摩爾濃度的酚類防腐劑存在下的穩定性
表3人胰島素在各種酚類防腐劑濃度下的穩定性
權利要求
1．一種含水胰島素制劑，含有3至20mM人胰島素或其類似物或衍生物，低于50mM的氯化物，低于10mM的除氯離子和乙酸根之外的其它陰離子，每6分子胰島素2至5個Zn2+離子和每6分子胰島素至少3個酚類分子。
2．權利要求1的胰島素制劑，含有3至15mM人胰島素或其類似物或衍生物，優選約3mM、約6mM、約9mM、約12mM或約15mM人胰島素或其類似物或衍生物。
3．權利要求2的胰島素制劑，含有4至15mM，優選5至15mM，更優選6至15mM人胰島素或其類似物或衍生物。
4．前述權利要求任意一項所述的胰島素制劑，含有至多50mM酚類分子，優選每6分子胰島素3至12個酚類分子，更優選每6分子胰島素3至9個酚類分子。
5．前述權利要求任意一項所述的胰島素制劑，含有低于40mM，優選低于30mM的氯化物，更優選含有5至20mM氯化物。
6．前述權利要求任意一項所述的胰島素制劑，含有至多5mM磷酸鹽。
7．前述權利要求任意一項所述的胰島素制劑，含有每6分子胰島素2至4個Zn2+離子，優選2.2至3.2個Zn2+離子。
8．前述權利要求任意一項所述的胰島素制劑，還含有5至150mM兩性離子胺，優選N-甘氨酰甘氨酸或甘氨酸。
9．前述權利要求任意一項所述的胰島素制劑，還含有5至50mM三羥基甲基氨基甲烷。
10．前述權利要求任意一項所述的胰島素制劑，含有鈉離子、鉀離子或其混合物作為陽離子。
11．前述權利要求任意一項所述的胰島素制劑，還含有0.001％(重量)至1％(重量)的非離子表面活性劑，優選吐溫20或Polox 188。
12．前述權利要求任意一項所述的胰島素制劑，還含有1mM至10mM的陰離子表面活性劑，優選牛磺膽酸鈉。
13．前述權利要求任意一項所述的胰島素制劑，含有人胰島素。
14．前述權利要求任意一項所述的胰島素制劑，含有人胰島素類似物，其中位置B28是Asp、Lys、Leu、Val或Ala，位置B29是Lys或Pro；或是去(B28-B30)、去(B27)或去(B30)人胰島素。
15．權利要求14的胰島素制劑，含有人胰島素類似物，其中的位置B28是Asp或Lys，位置B29是Lys或Pro，優選AspB28人胰島素或LysB28ProB29人胰島素。
16．權利要求1-12中任意一項所述的胰島素制劑，含有帶有一個或多個親脂性取代基的人胰島素衍生物，優選酰化的胰島素。
17．權利要求16的胰島素制劑，其中的胰島素衍生物選自B29-Nε-肉豆蔻酰-去(B30)人胰島素、B29-Nε-棕櫚酰-去(B30)人胰島素、B29-Nε-肉豆蔻酰人胰島素、B29-Nε-棕櫚酰人胰島素、B28-Nε-肉豆蔻酰LysB28ProB29人胰島素、B28-Nε-棕櫚酰LysB28ProB29人胰島素、B30-Nε-肉豆蔻酰-ThrB29LysB30人胰島素、B30-Nε-棕櫚酰-ThrB29LysB30人胰島素、B29-Nε-(N-棕櫚酰-γ-谷氨酰基)-去(B30)人胰島素、B29-Nε-(N-石膽酰-γ-谷氨酰基)-去(B30)人胰島素、B29-Nε-(ω-羧基十七烷酰基)-去(B30)人胰島素和B29-Nε-(ω-羧基十七烷酰基)人胰島素。
18．權利要求17的胰島素制劑，其中的胰島素衍生物是B29-Nε-肉豆蔻酰-去(B30)人胰島素或B29-Nε-(N-石膽酰-γ-谷氨酰基)-去(B30)人胰島素。
19．前述權利要求中任意一項所述的胰島素制劑，含有胰島素類似物或人胰島素以及胰島素衍生物。
20．前述權利要求中任意一項所述的胰島素制劑，其中的酚類分子選自苯酚、間甲酚、氯甲酚、百里酚或其混合物。
21．前述權利要求中任意一項所述的胰島素制劑，其pH值在7至8.5、優選7.4至7.9的范圍內。
22．治療Ⅰ型或Ⅱ型糖尿病的方法，該方法包括，向需要所述治療的患者施用前述權利要求中任意一項所述的胰島素制劑。
23．權利要求22所述的方法，其中的胰島素在用餐時給藥。
全文摘要
本發明公開了物理和化學穩定性高的濃縮含水胰島素制劑。該制劑適于肺送遞。通過提供其中的氯化物濃度保持在50mM以下并且其中的其它陰離子例如磷酸根的濃度減到最少的胰島素制劑實現了該目的。該含水胰島素制劑含有3至20mM人胰島素或其類似物或衍生物,低于50mM的氯化物,低于10mM的除氯離子和乙酸根之外的其它陰離子,每6分子胰島素2至5個Zn
文檔編號A61K9/12GK1323219SQ99812208
公開日2001年11月21日 申請日期1999年10月15日 優先權日1998年10月16日
發明者S·海弗侖德 申請人:諾沃挪第克公司