Avances recientes y futuro próximo de la producción y terapia de insulina

La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha incluido la insulina como un «medicamento esencial»; un medicamento básico que «satisface las necesidades sanitarias prioritarias de la población». Esto indica claramente la importancia de la insulina para el tratamiento de enfermedades humanas. Con el aumento del número de pacientes diabéticos en todo el mundo, se están aplicando métodos novedosos para una producción y aplicación más eficaces de insulina. Las técnicas para mejorar el diseño, la biosíntesis y la administración de fármacos insulínicos siguen siendo temas candentes en los campos de la química medicinal, la farmacología y la farmacia. Este editorial abordará el tema popular e interesante de los avances recientes y las perspectivas futuras de la producción y la terapia de insulina. Debe proporcionar un recurso valioso para los investigadores y los médicos en el campo de la diabetes y la terapia con insulina.

Historia de la insulina, significación & estructura básica

El estudio de mercado de Zion ha predicho que el mercado de la insulina alcanzará los 4 43.6 mil millones de dólares en 2021 . El metabolismo de los carbohidratos y las grasas está regulado principalmente por la insulina, por lo que la insulina es un medicamento importante y esencial. Descubierta en 1921 por Banting y Mejor como hormona polipéptida, la insulina es producida por los islotes de Langerhans en el páncreas . La insulina es sintetizada por las células beta del páncreas como una sola cadena de tres péptidos A, B y C; conocida como pre-proinsulina . La pre-proinsulina se escinde, y el polipéptido se trasloca al retículo endoplásmico humano formando proinsulina. La conversión a insulina madura se logra mediante enzimas proteolíticas conocidas como prohormonas convertasas PC1/PC3 y PC2, que se rompen en dos posiciones para liberar el péptido C central . La insulina madura resultante se compone de 51 aminoácidos (30 cadenas de aminoácidos B y 21 cadenas de aminoácidos A) unidas entre sí por dos enlaces disulfuro de cadena para formar un monómero . Además, la cadena A contiene un enlace disulfuro dentro de la cadena. La escisión del aminoácido C-terminal de cualquiera de las cadenas, y los dos enlaces disulfuro entre cadenas eliminan la actividad de la insulina madura.

Avance en mutantes de insulina: estructura & relación funcional

La secreción de insulina en el cuerpo alcanza su punto máximo 1 h después de comer, seguido de su disminución dentro de las siguientes 2 h en individuos sanos . En contraste, los pacientes diabéticos requieren insulina para tener un tiempo pico específico, inicio de acción y duración de acción para lograr un perfil de insulina de 24 h y evitar la hipoglucemia nocturna; por lo tanto, la necesidad de formulaciones de insulina múltiples . Una vez inyectada la insulina, la molécula forma un hexámero unido por un solo ion de zinc . Los hexámeros se disocian en dímeros y monómeros que se difunden y penetran en las paredes capilares para llegar al torrente sanguíneo. La tasa de disociación se manipula en diferentes formulaciones. Las formulaciones de insulina de acción rápida se obtienen mediante tecnología de ADN recombinante, cambiando los residuos de uno o dos aminoácidos en la molécula de insulina. La modificación de aminoácidos no altera la unión al receptor, pero inhibe la formación de dímeros y hexámeros de insulina . Grandes cantidades de monómeros de insulina están disponibles fácilmente para una absorción rápida. Los ejemplos actuales del mercado incluyen Lispro y Aspart. El análogo de Lispros tiene sus residuos ProB28 y LysB29 en el extremo C-terminal de la cadena B invertidos a LysB28 y ProB29 . La insulina Aspart tiene su prolina en la posición 28 de la cadena B reemplazada por ácido aspártico . La modificación de Aspart produce un aumento en la repulsión de carga para evitar que se formen hexámeros, creando una insulina de acción más rápida. Análogos intermedios, NPH (Neutra-Protamina-Haledon) y LENTE, muestran inicio de acción cerca de 1-2 h, acción máxima 6-10 h y duración de la actividad de 10-16 h . Las tasas de absorción disminuyen en la NPH debido a la adición de protamina, una pequeña proteína nuclear rica en arginina, que ralentiza el inicio y aumenta la duración de la acción de la insulina. LENTE logra lo mismo mediante la adición de zinc a su formulación.

Avance en la producción de insulina recombinante

La producción de insulina humana recombinante se produce principalmente en sistemas de expresión de E. coli o Saccharomyces cerevisiae . Inicialmente, E. coli fue el sistema de expresión preferido para la producción de insulina recombinante a gran escala debido a su alto rendimiento y rentabilidad . El método de producción de Genetech utiliza la codificación cDNA sintetizada químicamente para las cadenas de insulina A y B por separado . Por lo tanto, las dos cadenas se purificaron y co-incubaron en las condiciones preferidas para acelerar el crecimiento de la generación de enlaces de disulfuro intactos. Alternativamente, Eli Lilly utilizó un único ADNc sintetizado químicamente que codifica la proinsulina humana con la posterior purificación y escisión del péptido C, produciendo un producto de insulina activo . S. los sistemas de expresión cerevisiae contienen construcciones de insulina diseñadas con cadenas nativas A y B que carecen de la treonina B30 terminal C, fusionadas o unidas por un pequeño péptido C sintético . El constructo está formado por la secuencia de ADNc fusionada con la secuencia de señales del factor alfa en S. cerevisiae para la expresión de proinsulina . Este producto de proinsulina se purifica y transforma en insulina activa mediante una reacción de transpeptidación mediada por tripsina en presencia de éster de treonina . Las plantas transgénicas se utilizan como sistemas de expresión debido a su rentabilidad, procesamiento de proteínas de alta calidad, ausencia de patógenos humanos y presencia de maquinaria eucariótica para modificaciones postraduccionales . La insulina humana recombinante se ha producido en la planta Arabidopsis thaliana a través de cuerpos oleosos . Los cuerpos de aceite se encuentran dentro de las semillas oleaginosas, que se componen de un núcleo hidrofóbico de triacilglicerol encapsulado por una membrana fosfolípida y una pared exterior de proteínas conocidas como oleosina . Las semillas oleaginosas están modificadas genéticamente con la proteína recombinante dirigida a los cuerpos oleosos como fusión de oleosina . El procesamiento posterior implica separar los cuerpos de aceite a través de la separación de fases líquido–líquido para reducir los pasos de cromatografía en la purificación de la insulina . A partir de entonces, el cuerpo del aceite se purifica, luego la insulina recombinante se separa del socio de fusión de oleosina y madura mediante la digestión de tripsina, dando lugar a un producto de insulina activo. Un enfoque alternativo incluye la transformación de cloroplastos de tabaco y lechuga con proinsulina humana compuesta de cadenas A, B y C fusionadas con la subunidad B de la toxina del cólera . La producción puede producir hasta un 47% de proinsulina en las hojas de lechuga, mientras que la proinsulina de las hojas de tabaco se ha extraído con un 98% de pureza . El alto nivel de proinsulina biológicamente activa que se expresa en las plantas transgénicas proporciona una producción de bajo costo de administración de proinsulina inyectable y oral .

Avance en la aplicación de insulina

La insulina se administra principalmente por vía subcutánea en viales y jeringas . Sin embargo, debido a las limitaciones del uso de un vial o jeringa para inyección, el desarrollo de plumas de insulina comenzó a aumentar. Las plumas de insulina son reutilizables, aumentan la conformidad del paciente y son más precisas . Las plumas de insulina avanzadas incluyen tecnología inteligente que realiza un seguimiento de las últimas 16 dosis para el paciente a través de calculadoras incorporadas . La insulina inyectable todavía tiene inconvenientes, lo que lleva a los investigadores a adoptar enfoques novedosos para administrar insulina. Los productos de insulina inhalados están siendo revisados actualmente por la FDA para su aprobación, ya que las rutas pulmonares ofrecen ventajas. La insulina humana inhalada es de origen ADNr y utiliza la administración de fármacos de la Tecnosfera para llegar a los pulmones . Los detalles de esta administración de insulina pulmonar incluyen inhaladores activados por el aliento que contienen dosis unitarias de insulina pre-medidas. Una vez que este encuentra el pH neutro del epitelio alveolar, se disipa en forma líquida . Una ventaja que se observa aquí es la ausencia de peptidasas gastrointestinales que descomponen la insulina en el tracto gastrointestinal, eludiendo posteriormente el sistema metabólico de primer paso . La administración transdérmica de insulina es un enfoque más reciente que se utiliza cuando se utilizan técnicas de iontoforesis, sonoféresis o fonoferesis . A diferencia de la administración de insulina, se está investigando la terapia con células madre como una opción para revertir la resistencia a la insulina. Las células madre tienen la capacidad de diferenciarse en células productoras de insulina (IPCs), mejorar la regeneración pancreática y mejorar la resistencia a la insulina, lo que ofrece una alternativa al trasplante de células de islotes . Específicamente, las células madre mesenquimales (MSC) han ganado notoriedad debido a su capacidad para regenerar las células β de los islotes pancreáticos, protegerlas de la apoptosis y mejorar la resistencia a la insulina de los tejidos periféricos al crear un entorno óptimo mediante la secreción de factores paracrinos . Molecularmente, las MSC se diferencian en IPCs reprogramando factores de transcripción clave como Pdx-1, Ngn-3, NeuroD1, Pax4 y Pax6 ubicados en la sección endocrina del páncreas . Se han llevado a cabo varios experimentos para demostrar la eficacia del uso de MSC, con Moriscot et al. ser el primero en inducir la diferenciación de CMM de médula ósea humana (MSC-BM) en IPCs . Estudios comparativos diferenciaron con éxito el MSC derivado de gelatina de Wharton (WJ-MSC) en fenotipos de células β maduras . MSCs capacidad para promover la regeneración de células β de islotes pancreáticos endógenos a través de la secreción de citocinas y factores de crecimiento que tienen actividades paracrinas y autocrinas . Lee et al. Las CMM observadas migran hacia los islotes de estreptozocina (ZST) inducidos por ratones diabéticos donde las CMM aceleran la reparación del tejido al permitir que las células endógenas proliferen y recuperen su función normal . Estas aplicaciones alternativas de insulina han dado lugar a nuevos productos de insulina en el mercado.

Avances recientes en patentes de insulina & futuro

Se han patentado muchos métodos novedosos para mejorar la administración de insulina. Debido a que la administración oral de insulina está sujeta a degradación enzimática, los científicos han buscado enfoques basados en nanopartículas. Este enfoque mejora la biodisponibilidad al proteger la insulina de enfermedades gastrointestinales y mejorar la permeabilidad de la enzima. Esto se realiza mediante la captación celular de nanopartículas o el transporte paracelular a través de uniones estrechas. Un ejemplo de patente actual de nanopartículas es un polímero natural aniónico con ácidos grasos de cadena media que se absorben a través de la pared celular intestinal. El polímero bloquea la liberación de insulina en el estómago para evitar la degradación de la enzima y es capaz de abrir uniones estrechas para mejorar la absorción de insulina paracelular .

Además del uso de nanopartículas como método de administración de insulina, se han patentado otros sistemas, como el sistema de administración de insulina biorrespuesta. Este sistema comprende una célula beta artificial con una membrana de hidrogel sensible a la glucosa para la administración controlada de insulina por retroalimentación. Esta membrana atrapa las enzimas de glucosa-oxidasa en un polímero de hidrogel, reduce el pH de la membrana y aumenta la permeabilidad de la membrana de hidrogel a la insulina. Por lo tanto, el sistema trabaja para acelerar la liberación de insulina con el aumento de los niveles de glucosa .

Más recientemente, los investigadores han explorado el uso de liposomas, biliosomas y proliposomas para la administración de insulina. Estos funcionan encapsulando insulina utilizando la proporción de fosfolípidos/colesterol adecuada para evitar la fuga de insulina del núcleo del liposoma y la degradación por enzimas. Los bilosomas incorporan sales biliares a los liposomas para estabilizar el bilosoma contra la degradación de la sal biliar en el tracto gastrointestinal y mejorar la fluidez de la membrana. Los proliposomas se forman por dispersión de película, liofilización para formar partículas secas y de flujo libre. Estos métodos incorporan el uso de liposomas para mejorar la absorción gastrointestinal y la biodisponibilidad oral de la insulina .

Si bien estos son solo algunos ejemplos de avances recientes en patentes de administración de insulina, existen muchos otros productos. Algunos otros ejemplos incluyen la incorporación de insulina en una emulsión de agua en aceite mediante homogeneización a alta presión para proteger la insulina contra la degradación gástrica, la encapsulación de insulina en una pequeña cápsula de gelatina blanda y el recubrimiento con un polímero poliacrílico para protegerla de la degradación enzimática, y muchos más productos que ayudan a prevenir la degradación de la insulina por el entorno gastrointestinal hostil .

Conclusión

Los avances recientes en la producción de insulina a través de CMM han demostrado ser prometedores. Los resultados de las pruebas de eficacia del uso de MSC en animales han proporcionado ventajas, pero aún existen algunas desventajas. Las ventajas incluyen la capacidad de las CMM para controlar los episodios hiperglucémicos mediante la diferenciación en CPPi, la regeneración pancreática y la mejora de la resistencia a la insulina en modelos animales . Los animales no son réplicas de pacientes humanos con diabetes mellitus tipo 2, pero proporcionan mecanismos de acción similares para las CMM. Además de las aplicaciones de insulina MSC, los nuevos sistemas de producción han proporcionado excelentes beneficios para los pacientes con diabetes mellitus. Los sistemas de expresión transgénicos a base de plantas proporcionan una producción de insulina de alta capacidad con un bajo costo de producción. Esta ventaja será beneficiosa a medida que el número de pacientes diabéticos siga creciendo.