Maailman terveysjärjestö (WHO) on listannut insuliinin ”välttämättömäksi lääkkeeksi”; peruslääkkeeksi, joka ”tyydyttää väestön ensisijaiset terveydenhuollon tarpeet”. Tämä osoittaa selvästi insuliinin merkityksen ihmisten sairauksien hoidossa. Diabetespotilaiden määrän lisääntyessä maailmanlaajuisesti etsitään parhaillaan uusia menetelmiä insuliinin tuotannon ja käytön tehostamiseksi. Tekniikat, joilla parannetaan insuliinilääkkeiden suunnittelua, biosynteesiä ja toimitusta, ovat edelleen kuumia aiheita lääkekemian, farmakologian ja farmasian aloilla. Tämä Pääkirjoitus käsittelee suosittua ja mielenkiintoista aihetta insuliinin tuotannon ja hoidon viimeaikaisista edistysaskeleista ja tulevaisuudennäkymistä. Sen pitäisi tarjota arvokas resurssi tutkijoille ja kliinikoille diabeteksen ja insuliinihoidon alalla.
insuliinin historia, merkitsevyys & perusrakenne
Siionin markkinatutkimus on ennustanut insuliinin markkinoiden nousevan 43 dollariin.6 miljardia dollaria vuonna 2021 . Hiilihydraatti-ja rasva-aineenvaihduntaa säätelee ensisijaisesti insuliini, joten insuliini on tärkeä ja välttämätön lääkitys. Bantingin ja Bestin vuonna 1921 polypeptidihormonina keksimä insuliini tuotetaan Langerhansin haimassa sijaitsevilla luodoilla . Insuliinia syntetisoidaan haiman beetasolujen avulla kolmen peptidin A, B ja C ketjuna, joka tunnetaan nimellä pre-proinsuliini . Pre-proinsuliini pilkkoutuu ja polypeptidi translokoituu ihmisen endoplasmaiseen retikulumiin muodostaen proinsuliinia. Prohormonikonvertaasit PC1/PC3 ja PC2 saavat aikaan kypsän insuliinin muuntumisen proteolyyttisillä entsyymeillä, jotka jakautuvat kahteen asentoon keskeisen C-peptidin vapauttamiseksi . Syntyvä kypsä insuliini koostuu 51 aminohaposta (30 aminohappo B-ketjua ja 21 aminohappo a-ketjua), jotka ovat sitoutuneet toisiinsa kahdella interchain disulfidisidoksella muodostaen monomeerin . Lisäksi a-ketjussa on yksi ketjun sisäinen disulfidisidos. C-terminaalisen aminohapon pilkkoutuminen jommastakummasta ketjusta ja kahden ketjun väliset disulfidisidokset eliminoivat kypsän insuliinin toiminnan.
Insuliinimutanttien eteneminen: rakenne & toimintosuhde
insuliinin eritys elimistössä on huipussaan 1 tunti ruokailun jälkeen, minkä jälkeen se heikkenee seuraavan 2 tunnin kuluessa terveillä henkilöillä . Sitä vastoin diabeetikot tarvitsevat insuliinia tietyn huippuajan, vaikutuksen alkamisen ja vaikutuksen keston saavuttaakseen 24-h insuliiniprofiilin ja välttääkseen yöllisen hypoglykemian; näin ollen tarvitaan useita insuliinivalmisteita . Kun insuliini on pistetty, molekyyli muodostaa heksameerin, jota yksittäinen sinkki-ioni pitää koossa . Heksameerit dissosioituvat dimeereiksi ja monomeereiksi, jotka diffuusioituvat ja tunkeutuvat kapillaariseinämiin päästäkseen verenkiertoon. Dissosiaationopeutta manipuloidaan eri muotoiluissa. Nopeavaikutteiset insuliinivalmisteet on tuotettu yhdistelmä-DNA-tekniikalla vaihtamalla insuliinimolekyylissä yksi tai kaksi aminohappojäämää. Aminohappomuunnos ei muuta reseptorisitoutumista, mutta estää insuliinin dimeerien ja heksameerien muodostumista . Suuret määrät insuliinin monomeerejä on helposti saatavilla nopeaa imeytymistä varten. Nykyisiä markkinaesimerkkejä ovat Lispro ja Aspart. Lisprosin analogissa on sen ProB28-ja LysB29-jäämät B-ketjun C-terminaalisessa päässä käännettynä lysb28: ksi ja ProB29: ksi . Aspartinsuliinin proliini on B-ketjun kohdassa 28 korvautunut asparagiinihapolla . Aspartin modifikaatio lisää varausrepulsiota estääkseen heksameerien muodostumisen, jolloin syntyy nopeavaikutteisempi insuliini. Keskitason analogit, NPH (neutraali protamiini – Haledon) ja pitkävaikutteinen, alkavat lähellä 1 – 2 tuntia, huippuvaikutus 6-10 tuntia ja aktiivisuuden kesto 10-16 tuntia . Imeytymisnopeus vähenee NPH: ssa, koska siihen on lisätty protamiinia, pientä arginiinipitoista ydinproteiinia, joka hidastaa insuliinin puhkeamista ja lisää insuliinin vaikutuksen kestoa. LENTE saavuttaa saman lisäämällä sinkkiä sen muotoiluun.
Advance in rekombinant insuliini production
rekombinantti ihmisinsuliini tuotetaan ensisijaisesti E. coli-tai Saccharomyces cerevisiae expression-järjestelmissä . Aluksi E. coli oli ensisijainen ilmentymäjärjestelmä laajamittaisessa rekombinanttisessa insuliinituotannossa sen suuren tuoton ja kustannustehokkuuden vuoksi . Genetechin valmistusmenetelmässä käytettiin kemiallisesti syntetisoitua cDNA-koodausta A-ja B-insuliiniketjuille erikseen . Näin nämä kaksi ketjua puhdistettiin ja inkuboitiin yhdessä suotuisissa olosuhteissa ehjän disulfidisidoksen muodostumisen nopeuttamiseksi. Vaihtoehtoisesti Eli Lilly käytti yhtä kemiallisesti syntetisoitua cDNA-koodausta ihmisen proinsuliinille, minkä jälkeen C-peptidi puhdistettiin ja poistettiin, jolloin saatiin aktiivinen insuliinivalmiste . S. cerevisiae expression systems sisältää suunniteltuja insuliinirakenteita, joissa on native A-ja B-ketjuja, joista puuttuu C-terminaalinen B30-treoniini, ja jotka on fuusioitu tai yhdistetty pienellä synteettisellä C-peptidillä . Konstruktio tehdään cDNA-sekvenssillä, joka on fuusioitu S. cerevisiae: n alfakertoimisen signaalijakson kanssa proinsuliinin ilmentymiseksi . Tämä proinsuliinituote puhdistetaan ja muutetaan aktiiviseksi insuliiniksi trypsiinivälitteisellä transpeptidaatioreaktiolla treoniiniesterin läsnä ollessa . Transgeenisiä kasveja käytetään ilmaisujärjestelminä niiden kustannustehokkuuden, korkealaatuisen proteiininkäsittelyn, ihmispatogeenien puuttumisen ja translaation jälkeisissä muutoksissa käytettävien eukaryoottisten koneiden vuoksi . Yhdistelmä-DNA-tekniikalla valmistettua ihmisinsuliinia on tuotettu kasvi-Arabidopsis thalianassa öljykasvien välityksellä . Öljykappaleet sijaitsevat öljysiementen sisällä, jotka koostuvat hydrofobisesta triasyyliglyseroliytimestä, jota kapseloi fosfolipidikalvo ja oleosiineina tunnettujen proteiinien Ulkoseinä . Öljysiemenet on geenimuunneltu rekombinantilla proteiinilla, joka kohdistuu öljyrunkoihin oleosiinifuusiona . Jatkojalostukseen kuuluu öljykappaleiden erottaminen neste-nestefaasierotuksella kromatografiavaiheiden vähentämiseksi insuliinin puhdistuksessa . Tämän jälkeen öljyrunko puhdistetaan, sen jälkeen oleosiinifuusiokumppanista pilkkotaan rekombinantti insuliini ja kypsytetään trypsiini-digestiolla, jolloin saadaan aktiivinen insuliinivalmiste. Vaihtoehtoiseen lähestymistapaan kuuluu tupakan ja lehtisalaatin kloroplastien muuttaminen ihmisen proinsuliinilla, joka koostuu Koleratoksiini B: n alayksikköön fuusioituneista A -, B-ja C-ketjuista . Tuotanto voi tuottaa jopa 47% proinsuliinia salaatinlehdissä, kun taas tupakanlehdistä saatu proinsuliini on uutettu 98% puhtaudella . Biologisesti aktiivisen proinsuliinin korkea taso, joka ilmaistaan siirtogeenisissä kasveissa, tarjoaa edullisen tuotannon injektoitavasta ja suun kautta annettavasta proinsuliinista .
ennakko insuliinin annostelussa
insuliini annetaan ensisijaisesti ihon alle injektiopullojen ja ruiskujen kautta . Insuliinikynien kehitys alkoi kuitenkin lisääntyä johtuen injektiopullon tai ruiskun käytön rajoituksista injektiota varten. Insuliinikynät ovat uudelleenkäytettäviä, lisäävät potilaiden vaatimustenmukaisuutta ja ovat tarkempia . Pitkälle kehitetyt insuliinikynät sisältävät älyteknologiaa, joka pitää kirjaa potilaan viimeisistä 16 annoksesta sisäänrakennettujen laskimien avulla . Ruiskeena insuliini on edelleen haittoja, johtavat tutkijat ottamaan uusia lähestymistapoja toimittaa insuliinia. Inhaloitavat insuliinivalmisteet ovat parhaillaan FDA: n arvioitavana hyväksyntää varten, sillä keuhkojen reitit tarjoavat etuja. Inhaloitava ihmisinsuliini on rDNA alkuperää ja käyttää Technosphere huumeiden toimitus päästä keuhkoihin . Tämän keuhkoinsuliinin annostelun yksityiskohdat sisältävät hengityksen aktivoivia inhalaattoreita, jotka sisältävät ennalta mitattuja yksikköannoksia insuliinia. Kun tämä kohtaa alveolaarisen epiteelin neutraalin pH: n, se hajoaa nestemäiseen muotoon . Etuna tässä on ruoansulatuskanavan peptidaasien puuttuminen, jotka hajottavat insuliinia ruoansulatuskanavassa, ohittaen sen jälkeen ensikierron metaboliajärjestelmän . Insuliinin ihon läpi antaminen on uudempi lähestymistapa, jossa käytetään iontoforeesi -, sonophereis-tai phonofereis-tekniikoita . Toisin kuin insuliiniresistenssiä, kantasoluhoitoa tutkitaan vaihtoehtona kääntää insuliiniresistenssi. Kantasoluilla on kyky erilaistua insuliinia tuottaviksi soluiksi (IPCs), parantaa haiman uudistumista ja parantaa insuliiniresistenssiä-tarjoten vaihtoehdon saarten solusiirrolle . Erityisesti mesenkymaaliset kantasolut (MSCs) ovat saaneet mainetta johtuen niiden kyvystä uudistaa haiman saarekkeiden β-soluja, suojata niitä apoptoosilta ja parantaa perifeeristen kudosten insuliiniresistenssiä luomalla optimaalisen ympäristön parakriinitekijöiden erittymisellä . Molekulaarisesti MSC: t erilaistuvat IPC: ksi ohjelmoimalla uudelleen Keskeiset transkriptiotekijät, kuten PDX-1, Ngn-3, NeuroD1, Pax4 ja pax6, jotka sijaitsevat haiman endokriinisessä osassa . Useita kokeita on tehty osoittamaan tehokkuutta käyttämällä MSCs, moriscot et al. on ensimmäinen, joka indusoi ihmisen luuytimen MSCs (BM-MSC) erilaistumista IPCs: ksi . Vertailevat tutkimukset eriyttivät onnistuneesti Whartonin hyytelöperäisen MSC: n (WJ-MSC) kypsiksi β-solujen fenotyypeiksi . MSCs: n kyky edistää endogeenisen haimasaaren β-solun uusiutumista sytokiinien ja kasvutekijöiden erityksen avulla, joilla on parakriini-ja autokriinitoimintoja . Lee ym. havaitut MSC: t vaeltavat kohti streptotsosiinin (STZ) indusoimien diabeettisten hiirten saareketta, jossa MSC: t nopeuttivat kudosten korjaantumista sallimalla endogeenisten solujen lisääntyä ja palauttaa normaalin toimintakykynsä . Nämä vaihtoehtoiset insuliinisovellukset ovat johtaneet uusien insuliinivalmisteiden markkinoille.
insuliinipatenttien viimeaikaiset edistysaskeleet & tulevat
monia uusia menetelmiä on patentoitu parantamaan insuliinin annostelua. Koska suun kautta annettava insuliini hajoaa entsymaattisesti, tutkijat ovat etsineet nanohiukkaspohjaisia lähestymistapoja. Tämä lähestymistapa parantaa biologista hyötyosuutta suojaamalla insuliinia ruoansulatuskanavan sairauksilta ja lisäämällä entsyymin läpäisevyyttä. Tämä tapahtuu nanohiukkasten soluunotolla tai parasellulaarisella kuljetuksella tiukoissa liitoksissa. Yksi esimerkki nykyisestä nanopatentista on anioninen luonnonpolymeeri, jossa on keskiketjuisia rasvahappoja, jotka imeytyvät suolen soluseinän läpi. Polymeeri estää insuliinin vapautumisen vatsaan entsyymin hajoamisen estämiseksi ja pystyy avaamaan tiiviitä liittymiä insuliinin imeytymisen parantamiseksi parasellulaarisesti .
nanohiukkasten käytön lisäksi myös muita järjestelmiä, kuten biovasteinsuliinin annostelujärjestelmä, on patentoitu. Tämä järjestelmä koostuu keinotekoisesta beetasolusta, jossa on glukoosille herkkä hydrogeelikalvo insuliinin takaisinkytkennän säätelemää annostelua varten. Tämä kalvo vangitsee hydrogeelipolymeeriin glukoosi-oksidaasientsyymejä, alentaa kalvon pH: ta ja lisää hydrogeelikalvon läpäisevyyttä insuliiniksi. Näin järjestelmä toimii nopeuttaakseen insuliinin vapautumista glukoosipitoisuuden kasvaessa .
viime aikoina tutkijat ovat selvittäneet liposomien, biliosomien ja proliposomien käyttöä insuliinin annostelussa. Nämä vaikuttavat kapseloimalla insuliinia käyttämällä sopivaa fosfolipidi / kolesteroli-suhdetta, jotta insuliini ei pääse vuotamaan liposomiytimestä ja entsyymien vaikutuksesta hajoamaan. Bilosomit sisältävät liposomeihin sappisuoloja stabiloidakseen bilosomin sappisuolan hajoamista vastaan ruoansulatuskanavassa ja parantaakseen kalvon juoksevuutta. Proliposomit muodostuvat kalvodispersiolla-pakastekuivauksella kuivattujen ja vapaasti virtaavien hiukkasten muodostamiseksi. Näihin menetelmiin sisältyy liposomien käyttö parantamaan insuliinin imeytymistä ruoansulatuskanavasta ja suun kautta otettavaa biologista hyötyosuutta .
vaikka nämä ovat vain muutamia esimerkkejä viimeaikaisista edistysaskeleista insuliinin annostelupatenteissa, monia muita tuotteita on olemassa. Joitakin muita esimerkkejä ovat insuliinin lisääminen vesi-öljy-emulsioon korkeapainehomogenisoinnilla insuliinin suojaamiseksi mahalaukun hajoamiselta, insuliinin kapselointi pieneen pehmeään gelatiinikapseliin ja polyakryylipolymeeripinnoitus entsymaattiselta hajoamiselta sekä monet muut tuotteet, jotka auttavat estämään insuliinin hajoamista Ankarassa ruoansulatuskanavan ympäristössä .
johtopäätös
MSCs: n kautta tapahtuvan insuliinin tuotannon viimeaikaiset edistysaskeleet ovat osoittautuneet lupaaviksi. MSC: n käytön tehokkuuden testaamisesta eläimillä saadut tulokset ovat tuoneet etuja, mutta joitakin haittoja on edelleen olemassa. Etuja ovat MSCS: n kyky hallita hyperglykeemisiä jaksoja erilaistumalla IPCs: ksi, haiman uudistuminen ja insuliiniresistenssin paraneminen eläinmalleissa . Eläimet eivät ole tyypin 2 diabetes mellitusta sairastavien ihmisten kopioita, mutta MSCs: n vaikutusmekanismit ovat samanlaiset. MSC-insuliinisovellusten lisäksi uudet tuotantojärjestelmät ovat tarjonneet erinomaisia etuja diabetespotilaille. Siirtogeeniset kasvipohjaiset ilmaisujärjestelmät mahdollistavat insuliinin suuren kapasiteetin tuotannon alhaisilla tuotantokustannuksilla. Tästä edusta on hyötyä, kun diabeetikkojen määrä jatkaa kasvuaan.
Financial & competing interests disclosure
the authors have no relevant affiliates or financial Attributions with any organization or entities with a financial interest in or financial conflict with the subject or materials considered in the manuscript. Tämä sisältää työsuhde, konsultointi, kunnia, osakeomistusoikeudet tai optiot, asiantuntijalausunto, avustukset tai patentit saatu tai vireillä, tai rojalteja.
tämän käsikirjoituksen laatimisessa ei käytetty kirjoitusapua.