nylige fremskridt og nær fremtid for insulinproduktion og terapi

Verdenssundhedsorganisationen (hvem) har opført insulin som en ‘essentiel medicin’; en basismedicin, der “opfylder befolkningens prioriterede sundhedsbehov” . Dette indikerer tydeligt betydningen af insulin til behandling af human sygdom. Med en stigning i diabetespatienter over hele verden forfølges i øjeblikket nye metoder til mere effektiv insulinproduktion og-anvendelse. Teknikker til forbedring af insulinlægemiddeldesign, biosyntese og levering er stadig varme emner inden for medicinsk kemi, farmakologi og farmaceutik. Denne redaktionelle vil behandle det populære og interessante emne for de nylige fremskridt og fremtidige perspektiver for insulinproduktion og terapi. Det bør give en værdifuld ressource for forskere og klinikere inden for diabetes og insulinbehandling.

Insulin historie, betydning& grundlæggende struktur

Sion markedsundersøgelser har forudsagt et marked for insulin at nå $43.6 milliarder USD i 2021 . Kulhydrat – og fedtstofskifte reguleres primært af insulin,hvilket gør insulin til en vigtig og vigtig medicin. Opdaget i 1921 af Banting og Best som et polypeptidhormon, produceres insulin af øerne Langerhans i bugspytkirtlen . Insulin syntetiseres af betaceller i bugspytkirtlen som en enkelt kæde af tre peptider A, B og C; kendt som pre-proinsulin . Pre-proinsulin spaltes, og polypeptidet translokeres til det humane endoplasmatiske retikulum, der danner proinsulin. Omdannelse til modent insulin opnås ved proteolytiske stoffer kendt som PROHORMONKONVERTASER PC1/PC3 og PC2, spaltning i to positioner for at frigive det centrale C-peptid . Det resulterende modne insulin består af 51 aminosyrer (30 aminosyre B-kæder og 21 aminosyre a-kæder) bundet sammen af to interkædedisulfidbindinger til dannelse af en monomer . Derudover indeholder A-kæden en intra-kæde disulfidbinding. Spaltning af C-terminal aminosyre fra begge kæder, og de to interkædedisulfidbindinger eliminerer aktiviteten af det modne insulin.

fremskridt i insulinmutanter: struktur & funktionsforhold

insulinsekretion i kroppen topper 1 time efter at have spist efterfulgt af dens tilbagegang inden for de næste 2 timer hos raske individer . I modsætning hertil kræver diabetespatienter, at insulin har en specifik spidsbelastningstid, virkningens begyndelse og virkningsvarighed for at opnå en 24-timers insulinprofil og for at undgå natlig hypoglykæmi; således behovet for flere insulinformuleringer . Når insulin er blevet injiceret, danner molekylet en sekskamer, der holdes sammen af en enkelt sincion . Geksamrene adskiller sig i dimerer og monomerer, der diffunderer og trænger ind i kapillærvægge for at nå blodbanen. Dissociationshastigheden manipuleres i forskellige formuleringer. Hurtigvirkende insulinformuleringer fremstilles ved rekombinant DNA-teknologi ved at skifte enkelt-eller to aminosyrerester i insulinmolekylet. Aminosyremodifikationen ændrer ikke receptorbindingen, men hæmmer dannelsen af insulindimerer og heksamerer . Større mængder insulinmonomerer gøres let tilgængelige for hurtig absorption. Aktuelle markedseksempler inkluderer Lispro og Aspart. Lispros ‘ analog har sine ProB28-og LysB29-rester på den C-terminale ende af B-kæden vendt til LysB28 og ProB29 . Insulin Aspart har sin prolin i position 28 på B-kæden erstattet af asparaginsyre . Asparts modifikation giver en stigning i ladningsafstødning for at forhindre dannelse af heksamere, hvilket skaber et hurtigere virkende insulin. Intermediære analoger, NPH (Neutral – protamin – Haledon) og LENTE, udviser virkningsdebut nær 1-2 timer, peak action 6-10 timer og aktivitetsvarighed på 10-16 timer . Absorptionshastighederne nedsættes i NPH på grund af tilsætningen af protamin, et lille argininrigt nukleart protein, hvilket nedsætter starten og øger varigheden af insulinvirkningen. LENTE opnår det samme ved tilsætning af sinc til dets formulering.

Advance i rekombinant insulinproduktion

rekombinant human insulinproduktion produceres primært i E. coli-eller Saccharomyces cerevisiae-ekspressionssystemer . I Første Omgang, E. coli var det foretrukne ekspressionssystem til storskala rekombinant insulinproduktion på grund af dets høje udbytte og omkostningseffektivitet . Genetechs produktionsmetode anvendte kemisk syntetiseret cDNA-kodning for insulin A-og B-kæder separat . Således blev de to kæder oprenset og co-inkuberet under Foretrukne betingelser for at fremskynde generationsvækst af intakt disulfidbindingsdannelse . Alternativt anvendte Eli Lilly en enkelt kemisk syntetiseret cDNA-kodning for humant proinsulin med efterfølgende oprensning og udskæring af C-peptidet, hvilket gav et aktivt insulinprodukt . S. cerevisiae-ekspressionssystemer indeholder konstruerede insulinkonstruktioner med native A-og B-kæder, der mangler den C-terminale B30-threonin, smeltet eller bundet af et lille syntetisk C-peptid . Konstruktionen er lavet af cDNA-sekvensen fusioneret med alfafaktorsignalsekvensen i S. cerevisiae til ekspression af proinsulin . Dette proinsulinprodukt renses og transformeres til aktivt insulin ved en trypsinmedieret transpeptidationsreaktion i nærvær af threoninester . Transgene planter bruges som ekspressionssystemer på grund af deres omkostningseffektivitet, proteinbehandling af høj kvalitet, fravær af humane patogener og tilstedeværelse af eukaryote maskiner til posttranslationelle modifikationer . Rekombinant humant insulin er produceret i plante Arabidopsis thaliana via olielegemer . Olielegemer er placeret inde i oliefrø, som består af en hydrofob triacylglycerolkerne indkapslet af en phospholipidmembran og en ydre væg af proteiner kendt som oleosiner . Oliefrøene er genetisk manipuleret med det rekombinante protein rettet mod olielegemer som oleosinfusion . Yderligere behandling involverer adskillelse af olielegemer via væske-flydende faseseparation for at reducere kromatografistrin i oprensningen af insulin . Derefter renses olielegemet, derefter spaltes rekombinant insulin fra oleosinfusionspartneren og modnes ved trypsinfordøjelse, hvilket giver et aktivt insulinprodukt. En alternativ tilgang omfatter omdannelse af tobak og salatchloroplaster med humant proinsulin bestående af A -, B-og C-kæder fusioneret med koleratoksin B-underenhed . Produktionen kan give op til 47% proinsulin i salatblade, mens proinsulin fra tobaksblade er ekstraheret med 98% renhed . Det høje niveau af biologisk aktivt proinsulin, der udtrykkes i transgene planter, giver billig produktion af injicerbar og oral proinsulinafgivelse .

Advance ved anvendelse af insulin

Insulin administreres primært subkutant via hætteglas og sprøjter . På grund af begrænsninger i brugen af et hætteglas eller en sprøjte til injektion begyndte udviklingen af insulinpenne imidlertid at stige. Insulinpenne kan genbruges, øger patientens overholdelse og er mere nøjagtige . Avancerede insulinpenne inkluderer smart teknologi, der holder styr på de sidste 16 doser til patienten gennem indbyggede regnemaskiner . Injicerbart insulin har stadig ulemper, hvilket fører forskere til at tage nye tilgange til at levere insulin. Inhalerede insulinprodukter gennemgås i øjeblikket af FDA til godkendelse, da lungeveje giver fordele. Inhaleret humant insulin er af rDNA-oprindelse og bruger Technosphere drug delivery til at nå lungerne . Nærmere oplysninger om denne pulmonale insulintilførsel inkluderer åndedrætsaktiverede inhalatorer, der indeholder forudmålte enhedsdoser af insulin. Når dette møder den neutrale pH i det alveolære epitel, spredes det i flydende form . En fordel, der ses her, er fraværet af gastrointestinale peptidaser, der nedbryder insulin i mave-tarmkanalen og efterfølgende omgår first-pass metabolismesystemet . Transdermal administration af insulin er en nyere metode, der anvendes, hvor iontoforese, sonophereis eller fonophereis teknikker anvendes . I modsætning til insulinafgivelse undersøges stamcelleterapi som en mulighed for at vende insulinresistens. Stamceller har kapacitet til at differentiere sig til insulinproducerende celler (IPC ‘ er), Forbedre bugspytkirtelregenerering og forbedre insulinresistens-tilbyder et alternativ til holmcelletransplantation . Specifikt har mesenkymale stamceller (MSC ‘ er) fået berygtethed på grund af deres evne til at regenerere pancreasøer-celler, beskytte dem mod apoptose og forbedre insulinresistens i perifere væv ved at skabe et optimalt miljø ved sekretion af paracrine faktorer . MSC ‘er differentieres til IPC’ er ved omprogrammering af vigtige transkriptionsfaktorer, såsom PDK-1, Ngn-3, NeuroD1, Paks4 og Paks6 placeret i den endokrine del af bugspytkirtlen . Flere eksperimenter er blevet udført for at demonstrere effektiviteten af at bruge MSC ‘ er med Moriscot et al. at være den første til at inducere human knoglemarv MSCS (BM-MSC) differentiering i IPC ‘ er . Sammenlignende undersøgelser har med succes differentieret MSc (MSc) fra jelly til modne fænotyper af celler. MSC ‘ er evne til at fremme regenerering af endogen pancreasø-lartscelle via sekretion af cytokiner og vækstfaktorer, der har parakrine og autokrine aktiviteter . Lee et al. diabetiske mus, hvor MSC ‘ er accelererede vævsreparation ved at tillade endogene celler at proliferere og genvinde deres normale funktion . Disse alternative insulinapplikationer har ført til nye insulinprodukter på markedet.

nylige fremskridt inden for insulinpatenter & fremtid

mange nye metoder er blevet patenteret for at forbedre leveringen af insulin. Fordi oral insulinlevering er udsat for nedbrydning, har forskere kigget på nanopartikelbaserede tilgange. Denne fremgangsmåde forbedrer biotilgængeligheden ved at beskytte insulin mod gastrointestinale tilstande og øge permeabiliteten af lægemidlet. Dette gøres ved cellulær optagelse af nanopartikler eller paracellulær transport over stramme kryds. Et eksempel på et nuværende nanopartikelpatent er en anionisk naturlig polymer med mellemkædede fedtsyrer, der absorberes gennem tarmcellevæggen. Dette er en af de mest almindelige måder at forhindre insulin i at blive absorberet på .

ud over brugen af nanopartikler som en metode til insulinafgivelse er andre systemer, såsom det bioresponsive insulinafgivelsessystem, blevet patenteret. Dette system omfatter en kunstig betacelle med en glukosefølsom hydrogelmembran til feedback-kontrolleret levering af insulin. Denne membran fanger glucose i en hydrogelpolymer, reducerer membranens pH og øger permeabiliteten af hydrogelmembranen til insulin. Systemet arbejder således for at fremskynde frigivelsen af insulin med stigende niveauer af glukose .

for nylig har forskere undersøgt brugen af liposomer, biliosomer og proliposomer til insulinafgivelse. Disse fungerer ved at indkapsle insulin ved hjælp af det passende phospholipid/kolesterolforhold for at forhindre lækage af insulin fra liposomkernen og nedbrydning ved hjælp af f.eks. Bilosomer inkorporerer galdesalte til liposomerne for at stabilisere bilosomet mod galdesaltnedbrydning i GI-kanalen og forbedre membranens fluiditet. Proliposomer dannes ved filmdispersion-frysetørring for at danne tørrede og fristrømmede partikler. Disse metoder inkorporerer brugen af liposomer for at forbedre gastrointestinal absorption og oral biotilgængelighed af insulin .

selvom dette kun er nogle få eksempler på nylige fremskridt inden for insulinleveringspatenter, findes der mange andre produkter. Nogle andre eksempler inkluderer inkorporering af insulin i en vand-i-olie-emulsion ved højtrykshomogenisering for at beskytte insulin mod gastrisk nedbrydning, indkapsling af insulin i en lille blød gelatinekapsel og belægning med en polyacrylpolymer for at beskytte mod nedbrydning og mange flere produkter, der hjælper med at forhindre nedbrydning af insulin ved det barske gastrointestinale miljø .

konklusion

de seneste fremskridt i produktionen af insulin via MSC ‘ er har vist sig at være lovende. Resultater fra test af effektiviteten af MSC-anvendelse hos dyr har givet fordele, men der findes stadig nogle ulemper. Fordele inkluderer MSc ‘ers evne til at håndtere hyperglykæmiske episoder ved at differentiere sig til IPC’ er, bugspytkirtelregenerering og forbedring af insulinresistens i dyremodeller . Dyr er ikke replikaer af humane patienter med type 2-diabetes mellitus, men de tilvejebringer lignende virkningsmekanismer for MSC ‘ er. Ud over MSc insulin applikationer har nye produktionssystemer givet fremragende fordele for patienter med diabetes mellitus. Transgene plantebaserede ekspressionssystemer giver højkapacitetsproduktion af insulin med lave produktionsomkostninger. Denne fordel vil være gavnlig, da antallet af diabetespatienter fortsætter med at vokse.