葡萄糖钳夹技术：胰岛素研究的金标准
转自：甘李药业(51.510, 0.27, 0.53%)
糖尿病，作为一种全球性的流行病，影响着数亿人的生活。随着医学研究的不断深入，了解并精确评估胰岛素的生理作用及其在糖尿病发病过程中的角色变得尤为重要。葡萄糖钳夹技术（Glucose Clamp Technique），作为一种评估胰岛素分泌和胰岛素作用的实验方法，在糖尿病的基础和临床研究中占据着不可或缺的地位。本文旨在全面解析葡萄糖钳夹技术的原理、分类、应用及其在现代医学研究中的重要性。
历史与背景
20世纪70年代末，Andres R及其同事基于葡萄糖-胰岛素的负反馈调节机制提出了葡萄糖钳夹技术的概念，一种开放性的、可受研究者控制的定量分析胰岛素敏感性和胰岛素分泌和作用的方法。
在葡萄糖钳夹技术的初期，科学家主要关注的是通过外源性胰岛素的持续输注来维持血糖水平在一定目标范围内，从而评估机体对胰岛素的反应。直到1979年，DeFronzo RA等人通过他们的工作，展示了葡萄糖钳夹技术在糖尿病、代谢研究和胰岛素敏感性评估中的巨大潜力。他们的贡献加速了葡萄糖钳夹技术的发展，使其成为当今研究胰岛素作用和评估胰岛素治疗效果的“金标准”之一1-3。
通过他们的努力，葡萄糖钳夹技术不仅能够用于基础医学研究，了解糖尿病和其他代谢疾病的生理机制，也为临床试验提供了一种重要的工具，用于评估新药物的效果和安全性。此外，随着技术的进步，葡萄糖钳夹技术已经从最初的手动操作发展到现在的半自动化和自动化操作，大大提高了实验的准确性和重复性4。
葡萄糖钳夹技术的原理
葡萄糖钳夹技术的基本原理是通过持续输注可控制浓度及速率的外源性胰岛素和（或）葡萄糖，实现对血糖水平的精确控制。在此过程中，通过调节葡萄糖的输注速率（Glucose Infusion Rate, GIR）来“钳夹”血糖在一个预定的目标水平，从而能够在排除其他干扰因素的情况下，单独评估胰岛素的效果从而评价葡萄糖、胰岛素以及其他相关物质的代谢过程。
图1 葡萄糖钳夹技术原理示意图
葡萄糖钳夹技术的主要类型
高胰岛素-正葡萄糖钳夹（Hyperinsulinemic-euglycemic Clamp, HEGC）：此方法通过提高血中胰岛素浓度，维持血糖在预定的正常水平，在胰岛素-葡萄糖代谢平衡状态下精确测定胰岛素敏感性及其对葡萄糖代谢的影响。（“高胰岛素”一词用于表示外源性胰岛素诱导的血清胰岛素浓度超过生理水平，从而产生降血糖作用）1。
高葡萄糖钳夹（Hyperglycemic Clamp）：通过输注外源性葡萄糖，在指定时间内使血浆葡萄糖水平迅速升高超过基础水平，观察机体如何调节胰岛素分泌来降低血糖，从而评估胰岛β细胞对葡萄糖刺激后的胰岛素分泌功能，以及评级胰岛素对葡萄糖的作用1。
低血糖钳夹（Hypoglycemic Clamp）：此方法用于研究低血糖条件下的生理反应，通过输入高浓度胰岛素，刺激葡萄糖代谢，使血糖水平可控地、逐步地降至要求的低血糖范围内，从而分析触发低血糖反应的血糖阈值和对抗调节激素的作用1。
胰腺钳夹（Pancreatic Clamp): 此方法用于确定胰岛α和β细胞激素的代谢角色，侧重于胰腺激素的具体作用4。
扩展葡萄糖钳夹技术（Extensions to the Glucose Clamp）：此方法是在葡萄糖钳夹技术的基础上，根据研究目的，结合其他方法以更全面理解胰岛素敏感性的技术，例如正葡萄糖钳夹
1）联合放射性同位素稀释追踪技术和间接测热技术，分析胰岛素作用下，机体能量物质代谢途径的改变；
2）联合局部插管法，定量分析肌肉或内脏组织的葡萄糖交换；
3）联合局部组织活检术，研究胰岛素作用缺陷的发生部位等1。
葡萄糖钳夹技术的应用
葡萄糖钳夹技术在糖尿病的研究中具有广泛的应用，包括但不限于
1）糖尿病的早期诊断：通过评估个体的胰岛素敏感性，有助于早期发现糖尿病前期状态；
2）胰岛素制剂的评估：为新型胰岛素或改良胰岛素制剂的药效提供精确的评估，特别是其起效时间、持续时间以及峰值作用等关键药效动力学学参数；
3）了解胰岛素抵抗机制：通过分析不同类型和阶段的糖尿病患者或高风险个体的胰岛素反应，揭示胰岛素抵抗发展的生理和分子机制；
4）研究其他代谢状态对胰岛素敏感性的影响：包括肥胖、妊娠、多囊卵巢综合症等状态下胰岛素敏感性的变化5。
图2 高胰岛素-正葡萄糖钳夹试验的临床应用示意图
在钳夹技术的众多应用中，高胰岛素-正葡萄糖钳夹（HEGC）模式在胰岛素制剂药效评价中有着独到的应用价值。通过控制实验条件下的血糖水平，研究人员可以精确测量在特定胰岛素浓度下所需的外源性葡萄糖输注速率（GIR），以维持血糖在目标水平。GIR的变化反映了胰岛素制剂的药效动力学（PD）特征，主要的GIR参数包括：
体药效（AUCGIR）：通过计算整个实验过程中GIR的面积下曲线来评估；
作用峰值（GIRmax）：GIR达到最大值时，对应的胰岛素作用的峰值强度；
达峰时间（t-GIRmax）：GIR达到最大值时所需要的时间。
葡萄糖钳夹技术的临床研究应用案例
在讨论了葡萄糖钳夹技术的各种类型后，接下来我们将通过具体案例来深入了解其在临床研究中的应用。甘李药业在开发其胰岛素生物类似药时，采用了高胰岛素-正葡萄糖钳夹（HEGC）技术，该技术在评价新型胰岛素制剂的生物相似性方面发挥了关键作用。
甘李药业的三项I期临床试验是针对其开发的三种胰岛素生物类似药：门冬胰岛素锐秀霖®（GL-Asp）、赖脯胰岛素速秀霖®（GL-Lis）和甘精胰岛素长秀霖®（GL-Gla）。这些试验均采用随机、双盲、单剂量、三交叉设计，通过与欧盟和美国市场上的各自原研参照药进行比较，来验证候选生物类似药的生物等效性。在使用HEGC技术的过程中，研究人员通过持续输注胰岛素来维持受试者血糖水平在正常范围内，同时精确测量所需的GIR，以评估胰岛素的PD特性6。
在甘李药业的试验中，每个受试者在受控条件下接受不同剂量的胰岛素治疗，具体为0.2 U/kg（GL-Asp和GL-Lis）或0.5 U/kg（GL-Gla）。钳夹的持续时间分别为12小时和30小时，这种长时间的维持有助于更全面地评估胰岛素的药效。通过测量胰岛素浓度和葡萄糖输注速率，研究人员能够计算出主要的PK/PD参数，如胰岛素浓度曲线下的总面积（AUCins.total）、最大胰岛素浓度（Cins.max）、葡萄糖输注速率曲线下的总面积（AUCGIR.total）和最大葡萄糖输注速率（GIRmax）6。
试验结果显示，甘李胰岛素生物类似药与其参照药在主要PK/PD终点上的表现接近，最小二乘（LS）均值比率接近100%，且其90%和95%置信区间均位于等效界值80%至125%的范围内。这表明，甘李药业的胰岛素生物类似药与原研药品具有很高的生物相似性，同时在安全性方面也与参照药相当，没有报告任何严重不良事件6。
通过这一案例，我们可以看到高胰岛素-正葡萄糖钳夹技术在确保新型胰岛素制剂能达到与原研药相同的治疗效果和安全性标准中的重要作用。这一技术不仅为胰岛素生物类似药的开发提供了一种可靠的评估方法，也进一步证实了其在临床前和临床试验中的应用价值。
图4甘李药业胰岛素生物类似药与原研参照药PK/PD等效且安全性良好
葡萄糖钳夹操作的基本考量
实施葡萄糖钳夹技术时，需要考虑多个关键因素以确保实验的准确性和可重复性：
目标血糖水平的设定：根据研究目的和被研究对象的特点，合理选择目标血糖水平。
胰岛素和葡萄糖的输注速率：需要精确控制，通常通过计算机程序自动调节，以保持血糖水平接近目标值从而保证钳夹质量。
实验过程的监测：包括血糖水平、胰岛素浓度、可能的应激反应等，确保实验条件的稳定和安全。
数据分析：使用专业统计软件对获得的数据进行分析，以获得准确可靠的结论。
图5 钳夹的质量在于整个过程中尽可能地保持血糖水平接近目标值总结
葡萄糖钳夹技术是糖尿病研究领域的重要工具，它不仅有助于深入理解胰岛素的生理作用和糖尿病的病理机制，还对新型糖尿病治疗药物的开发和评价提供了关键支持。随着技术的不断进步和优化，葡萄糖钳夹技术在未来的糖尿病研究和治疗中将发挥更加重要的作用。
►参考文献
1. 陈蕾, 贾伟平, 项坤三. 葡萄糖钳夹技术在糖尿病研究中的应用 [J] . 中华内分泌代谢杂志, 2003, 19(1) : 74-76.
2. DeFronzo RA, Tobin JD, Andres R. "Glucose clamp technique: a method for quantifying insulin secretion and resistance." Am J Physiol. 1979;237(3):E214-23.
3. Bergman RN, Ider YZ, Bowden CR, Cobelli C. "Quantitative estimation of insulin sensitivity." Am J Physiol. 1979 Jun;236(6):E667-77.
4. Benesch, C., 2015. How to assess the quality of glucose clamps? Evaluation of clamps performed with ClampArt, a novel automated clamp device. Journal of Diabetes Science and Technology 2015. DOI:10.1177/1932296815576957dst.sagepub.com.
5. Glucose Clamp Technique: Types & Applications. Analox Instruments. https://www.analox.com/blog/glucose-clamp-technique-types--applications/
6. Chen W, Lu J, Plum-Mörschel L, Andersen G, Zijlstra E, He A, Xie T, Li L, Hao C, Gan Z, Heise T. Pharmacokinetic and pharmacodynamic bioequivalence of Gan & Lee insulin analogues aspart (rapilin®), lispro (prandilin®) and glargine (basalin®) with EU- und US-sourced reference insulins. Diabetes Obes Metab. 2023 Dec;25(12):3817-3825. doi: 10.1111/dom.15281. Epub 2023 Sep 21. PMID: 37735841.
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