Nedávné pokroky a v blízké budoucnosti z produkce inzulínu a terapie

Světová Zdravotnická Organizace (WHO) zařadila inzulin jako základní lék‘; základní lék, který „splňuje prioritou zdravotní potřeby obyvatelstva“ . To jasně ukazuje význam inzulínu pro léčbu lidských onemocnění. S nárůstem diabetických pacientů na celém světě se v současné době provádějí nové metody pro účinnější produkci a aplikaci inzulínu. Techniky ke zlepšení designu inzulínových léčiv, biosyntéza a dodávka jsou stále horkými tématy pro oblasti léčivé chemie, farmakologie a farmacie. Tento úvodník se bude zabývat populárním a zajímavým tématem nedávných pokroků a budoucích perspektiv produkce a terapie inzulínu. To by mělo poskytnout cenný zdroj pro výzkumné pracovníky a lékaři v oblasti diabetu a inzulínové terapie.

Inzulín historie, význam & základní struktura

Zion Výzkum Trhu předpověděl trhu pro inzulín dosáhnout $43.6 miliard USD v roce 2021 . Sacharidů a tuků metabolismus je primárně regulována inzulinem, což inzulín důležité a nezbytné léky. Objevený v roce 1921 Bantingem a nejlépe jako polypeptidový hormon, inzulín je produkován Langerhansovými ostrůvky v pankreatu . Inzulín je syntetizován beta buňkami pankreatu jako jediný řetězec tří peptidů A, B A C; známý jako pre-proinzulin . Pre-proinzulinu je štěpen, a polypeptid je přípravek pro lidské endoplazmatické retikulum tvoří proinzulinu. Konverze na zralý inzulín je dosažena proteolytickými enzymy známými jako prohormonové konvertázy PC1/PC3 a PC2, štěpením ve dvou polohách, aby se uvolnil centrální C-peptid . Výsledný zralý inzulínu se skládá z 51 aminokyselin (30 aminokyselin B řetězy a 21 aminokyselin A řetězce) spolu spojeny dva interchain disulfidové vazby k formě monomeru . Kromě toho obsahuje a-řetězec jednu intra-řetězcovou disulfidovou vazbu. Štěpení C-koncové aminokyseliny z obou řetězců a dvě meziřetězcové disulfidové vazby eliminují aktivitu zralého inzulínu.

Předem inzulínu mutanti: struktura & funkce vztah

sekrece Inzulínu v těle vrcholy 1 h po jídle následuje jeho pokles během následujících 2 hodin u zdravých jedinců . V kontrastu, diabetici potřebují inzulín, aby konkrétní peak time, nástup účinku a délka trvání akce k dosažení 24 h inzulínu profil a vyhnout se noční hypoglykémie; to znamená, že je třeba pro více inzulínu formulace . Po injekci inzulínu tvoří molekula hexamer držený pohromadě jediným zinkovým iontem . Na hexamer disociují na dimery a monomery, které difundovat a proniknout kapilární stěny dostat do krevního řečiště. Rychlost disociace je manipulována v různých formulacích. Rychle působící inzulínové formulace se vyrábějí technologií rekombinantní DNA změnou jednoho nebo dvou aminokyselinových zbytků v molekule inzulínu. Modifikace aminokyselin nemění vazbu na receptor, ale inhibuje tvorbu inzulinových dimerů a hexamerů . Větší množství monomerů inzulínu je snadno dostupné pro rychlou absorpci. Mezi současné příklady na trhu patří Lispro a Aspart. Lisprosův analog má své zbytky ProB28 a LysB29 na C-koncovém konci B-řetězce obrácené na LysB28 a ProB29 . Inzulin Aspart má svůj prolin v poloze 28 na B-řetězci nahrazen kyselinou asparagovou . Tyto změny přináší zvýšení poplatku odpor, aby se zabránilo hexamer z tváření, vytváří rychleji působící inzulín. Mezilehlé analogy, NPH (Neutral-protamin-Haledon) a LENTE, vykazují nástup účinku v blízkosti 1-2 h, vrcholový účinek 6-10 h a trvání aktivity 10-16 h . Rychlost absorpce je snížena v NPH v důsledku přidání protaminu, malého jaderného proteinu bohatého na arginin, který zpomaluje nástup a prodlužuje trvání účinku inzulínu. LENTE dosahuje toho samého přidáním zinku k jeho formulaci.

Předem v rekombinantní produkci inzulínu

Rekombinantní lidský inzulín výroba je primárně produkován v E. coli nebo Saccharomyces cerevisiae výraz systémů . Zpočátku E. coli byla preferovaným expresním systémem pro velkovýrobu rekombinantního inzulínu vzhledem k jeho vysokému výtěžku a nákladové efektivitě . Genetechova metoda výroby používala chemicky syntetizované kódování cDNA pro řetězce inzulínu a A B odděleně . Oba řetězce byly tedy purifikovány a současně inkubovány za výhodných podmínek pro urychlení generačního růstu tvorby intaktní disulfidové vazby . Alternativně, Eli Lilly použit jeden chemicky syntetizovaných cDNA kódování pro lidská proinzulinu s následným čištěním a vyštěpení C-peptidu, dávat aktivní inzulín produktu . S. cerevisiae výraz systémy obsahují inženýrství inzulínu konstrukce s rodilými a a B řetězců chybí C-terminální B30 threonin, tavený či s malým syntetické C-peptidu . Konstrukt je vytvořen sekvencí cDNA fúzovanou se sekvencí signálu alfa faktoru V S. cerevisiae pro expresi proinzulinu . Tento proinzulinový produkt se čistí a transformuje na aktivní inzulín transpeptidační reakcí zprostředkovanou trypsinem v přítomnosti esteru threoninu . Transgenní rostliny se používají jako expresní systémy kvůli jejich nákladové efektivitě, vysoce kvalitnímu zpracování bílkovin, nepřítomnosti lidských patogenů a přítomnosti eukaryotických strojů pro posttranslační modifikace . Rekombinantní lidský inzulín byl produkován v rostlině Arabidopsis thaliana prostřednictvím olejnatých tělísek . Olej orgány jsou umístěny uvnitř olejnatých semen, které jsou složeny z hydrofobní triacylglycerolu jádro zapouzdřené do fosfolipidové membrány a vnější stěny bílkoviny známé jako oleosins . Olejnatá semena jsou geneticky upravena s rekombinantním proteinem zaměřeným na olejová těla jako oleosinová fúze . Další zpracování zahrnuje separaci olejových těles pomocí separace kapalina-kapalina, aby se snížily chromatografické kroky při čištění inzulínu . Poté, oleje, tělo se očistí, pak se rekombinantní inzulin, se odštěpí od oleosin fusion partner a zrál trypsin trávení výtěžkem aktivní inzulín produktu. Alternativní přístup zahrnuje transformaci tabáku a salát chloroplasty s lidskou proinzulinu skládá z A, B a C řetězců mísil s cholera toxinu B podjednotky . Produkce může přinést až 47% proinzulinu v listech salátu, zatímco proinzulin z tabákových listů byl extrahován s čistotou 98%. Vysoká hladina biologicky aktivního proinzulinu exprimovaná v transgenních rostlinách poskytuje levnou produkci injekčního a perorálního podání proinzulinu .

Advance in insulin application

inzulin je primárně podáván subkutánně injekčními lahvičkami a injekčními stříkačkami . Z důvodu omezení použití injekční lahvičky nebo injekční stříkačky však začal růst vývoj inzulínových per. Inzulínová pera jsou opakovaně použitelná, zvyšují shodu pacientů a jsou přesnější . Pokročilá inzulínová pera zahrnují inteligentní technologii, která sleduje posledních 16 dávek pro pacienta pomocí vestavěných kalkulaček . Injekční inzulín má stále nedostatky, vedoucí výzkumní pracovníci, aby se nové přístupy k dodání inzulínu. Inhalační inzulínové produkty jsou v současné době přezkoumávány FDA ke schválení, protože plicní cesty nabízejí výhody. Inhalační lidský inzulín je původem z rDNA a využívá dodávání léků technosféry k dosažení plic . Podrobnosti o této aplikaci plicního inzulínu zahrnují inhalátory aktivované dechem obsahující předem odměřené jednotkové dávky inzulínu. Jakmile to narazí na neutrální pH alveolárního epitelu, rozptýlí se do kapalné formy . Výhodou je nepřítomnost gastrointestinálních peptidáz, které rozkládají inzulín v GI traktu a následně obcházejí systém metabolismu prvního průchodu . Transdermální podávání inzulínu je novější přístup používaný tam, kde se používají techniky iontoforézy, sonophereis nebo fonophereis . Na rozdíl od podávání inzulínu je terapie kmenovými buňkami zkoumána jako možnost zvrácení inzulínové rezistence. Kmenové buňky mají schopnost diferencovat se na buňky produkující inzulín (IPC), zlepšit regeneraci pankreatu a zlepšit inzulínovou rezistenci – nabízejí alternativu k transplantaci buněk ostrůvků . Konkrétně, mezenchymální kmenové buňky (MSCs) získal proslulost díky své schopnosti k regeneraci pankreatických ostrůvků β buněk, chrání je před apoptózou a zlepšení inzulínové rezistence periferních tkání tím, že vytvoří optimální prostředí tím, že sekrece parakrinní faktory . Molekulárně se MSc diferencují na IPC přeprogramováním klíčových transkripčních faktorů, jako jsou Pdx-1, Ngn-3, NeuroD1, Pax4 a Pax6, umístěných v endokrinní části pankreatu . Bylo provedeno několik experimentů k prokázání účinnosti použití MSc, s Moriscot et al. být první, kdo indukuje diferenciaci MSc lidské kostní dřeně (BM-MSC) na IPC . Srovnávací studie úspěšně diferencovaly Whartonovo želé odvozené MSC (WJ-MSC) na zralé fenotypy β-buněk . MSCs schopnost podporovat regeneraci endogenní pankreatických ostrůvků β buněk prostřednictvím sekrece cytokinů a růstových faktorů, které mají parakrinní a autokrinní činnosti . Lee a kol. pozorované MSCs migrují směrem k ostrůvku streptozocin (STZ)-indukovaných diabetických myší, kde MSCs zrychlené opravy tkání tím, že endogenních buněk se množit a získat jejich normální funkci . Tyto alternativní aplikace inzulínu vedly k novým inzulinovým produktům na trhu.

Nedávné pokroky v inzulínu patenty & budoucnost

Mnoho nových metod byly patentované zvýšit dodávku inzulinu. Protože orální podávání inzulínu podléhá enzymatické degradaci, vědci se podívali na přístupy založené na nanočásticích. Tento přístup zlepšuje biologickou dostupnost tím, že chrání inzulín před gastrointestinálními stavy a zvyšuje propustnost enzymu. To se provádí buněčnou absorpcí nanočástic nebo paracelulárním transportem přes těsné křižovatky. Jedním z příkladů současného nanočásticového patentu je aniontový přírodní polymer s mastnými kyselinami se středním řetězcem, které jsou absorbovány střevní buněčnou stěnou. Polymer blokuje uvolňování inzulinu do žaludku, aby se zabránilo degradaci enzymu a je schopen otevření tight junctions pro zvýšení absorpce inzulínu paracellularly .

kromě použití nanočástic jako způsob dodání inzulínu, jiné systémy, jako je bioresponsive inzulín dodávat systém, byly patentovány. Tento systém obsahuje umělou beta buňku s hydrogelovou membránou citlivou na glukózu pro zpětnou vazbou řízenou dodávku inzulínu. Tato membrána pasti glukóza-oxidáza enzymů v hydrogel polymeru, snižuje pH membrány a zvyšuje propustnost hydrogelové membrány na inzulín. Systém tak pracuje na urychlení uvolňování inzulínu se zvyšujícími se hladinami glukózy .

v poslední době vědci zkoumali použití liposomů, biliosomů a prolipozomů pro dodávání inzulínu. Tyto práce zapouzdřují inzulín pomocí vhodného poměru fosfolipid / cholesterol, aby se zabránilo úniku inzulínu z jádra lipozomu a degradaci enzymy. Bilosomy začleňují žlučové soli do liposomů, aby stabilizovaly bilosom proti degradaci žlučových solí v GI traktu a zvýšily tekutost membrány. Prolipozomy jsou tvořeny filmovou disperzí-lyofilizací za vzniku sušených a volně proudících částic. Tyto metody zahrnují použití liposomů ke zvýšení gastrointestinální absorpce a perorální biologické dostupnosti inzulínu .

i když se jedná jen o několik příkladů nedávného pokroku v patentech na podávání inzulínu, existuje mnoho dalších produktů. Některé další příklady zahrnují začlenění inzulínu do voda-olej emulze pomocí vysokotlaké homogenizace chránit inzulín před žaludeční degradace, zapouzdření inzulínu v malé, měkké želatinové kapsle a povlak s polyakrylové polymery chrání před enzymatické poruchy, a mnoho dalších produktů, které pomáhají zabránit odbourávání inzulinu o drsném gastrointestinální prostředí .

závěr

nedávné pokroky ve výrobě inzulínu prostřednictvím MSc se ukázaly jako slibné. Výsledky testování účinnosti použití MSC u zvířat poskytly výhody, ale některé nevýhody stále existují. Mezi výhody patří schopnost MSc zvládat hyperglykemické epizody diferencováním na IPC, regenerace pankreatu a zlepšení inzulínové rezistence na zvířecích modelech . Zvířata nejsou repliky lidských pacientů s diabetes mellitus 2. Typu, ale poskytují podobné mechanismy akce pro MSCs. Kromě aplikací inzulínu MSC poskytly nové výrobní systémy vynikající výhody pro pacienty s diabetes mellitus. Transgenní rostlinné expresní systémy poskytují vysokokapacitní produkci inzulínu s nízkými výrobními náklady. Tato výhoda bude prospěšná, protože počet diabetických pacientů stále roste.