Progrès récents et avenir proche de la production et de la thérapie de l’insuline

L’Organisation mondiale de la santé (OMS) a classé l’insuline comme un « médicament essentiel »; un médicament de base qui « répond aux besoins de santé prioritaires de la population ». Cela indique clairement l’importance de l’insuline pour le traitement des maladies humaines. Avec une augmentation du nombre de patients diabétiques dans le monde entier, de nouvelles méthodes pour une production et une application plus efficaces de l’insuline sont actuellement en cours de recherche. Les techniques d’amélioration de la conception, de la biosynthèse et de l’administration des médicaments insuliniques sont encore des sujets d’actualité dans les domaines de la chimie médicinale, de la pharmacologie et de la pharmacie. Cet éditorial abordera le sujet populaire et intéressant des progrès récents et des perspectives futures de la production et de la thérapie de l’insuline. Il devrait constituer une ressource précieuse pour les chercheurs et les cliniciens dans le domaine du diabète et de l’insulinothérapie.

Historique de l’insuline, signification & structure de base

Une étude de marché de Zion a prédit que le marché de l’insuline atteindrait 43 $.6 milliards USD en 2021. Le métabolisme des glucides et des graisses est principalement régulé par l’insuline, ce qui fait de l’insuline un médicament important et essentiel. Découverte en 1921 par Banting et Mieux comme hormone polypeptidique, l’insuline est produite par les îlots de Langerhans dans le pancréas. L’insuline est synthétisée par les cellules bêta du pancréas sous la forme d’une chaîne unique de trois peptides A, B et C; connue sous le nom de pré-proinsuline. La pré-proinsuline est clivée et le polypeptide est transféré dans le réticulum endoplasmique humain formant de la proinsuline. La conversion en insuline mature est obtenue par des enzymes protéolytiques connues sous le nom de prohormone convertases PC1 / PC3 et PC2, se coupant en deux positions pour libérer le peptide C central. L’insuline mature résultante est composée de 51 acides aminés (30 chaînes d’acides aminés B et 21 chaînes d’acides aminés A) reliés entre eux par deux liaisons disulfures interchaînes pour former un monomère. De plus, la chaîne A contient une liaison disulfure intra-chaîne. Le clivage de l’acide aminé C-terminal de l’une ou l’autre des chaînes et les deux liaisons disulfures inter-chaînes éliminent l’activité de l’insuline mature.

Progression chez les mutants insuliniques: structure & relation fonctionnelle

La sécrétion d’insuline dans le corps culmine 1 h après avoir mangé, suivie de sa diminution dans les 2 h suivantes chez les individus en bonne santé. En revanche, les patients diabétiques ont besoin d’une heure de pointe, d’un début d’action et d’une durée d’action spécifiques pour obtenir un profil d’insuline de 24 heures et éviter l’hypoglycémie nocturne; d’où la nécessité de plusieurs formulations d’insuline. Une fois l’insuline injectée, la molécule forme un hexamère maintenu ensemble par un seul ion zinc. Les hexamères se dissocient en dimères et monomères qui diffusent et pénètrent dans les parois capillaires pour atteindre la circulation sanguine. Le taux de dissociation est manipulé dans différentes formulations. Les formulations d’insuline à action rapide sont produites par la technologie de l’ADN recombinant en changeant un ou deux résidus d’acides aminés dans la molécule d’insuline. La modification des acides aminés n’altère pas la liaison au récepteur, mais inhibe la formation de dimères d’insuline et d’hexamères. De plus grandes quantités de monomères d’insuline sont facilement disponibles pour une absorption rapide. Les exemples actuels du marché incluent Lispro et Aspart. L’analogue de Lispros a ses résidus ProB28 et LysB29 à l’extrémité C-terminale de la chaîne B inversés en LysB28 et ProB29. La proline de l’insuline Asparte en position 28 sur la chaîne B est remplacée par de l’acide aspartique. La modification de l’aspart entraîne une augmentation de la répulsion de charge pour empêcher la formation d’hexamères, créant une insuline à action plus rapide. Les analogues intermédiaires, NPH (Neutre-Protamine-Haledon) et LENTE, présentent un début d’action vers 1-2 h, une action maximale de 6-10 h et une durée d’activité de 10-16 h. Les taux d’absorption sont diminués dans l’HNP en raison de l’ajout de protamine, une petite protéine nucléaire riche en arginine, qui ralentit l’apparition et augmente la durée de l’action de l’insuline. LENTE réalise la même chose par l’ajout de zinc à sa formulation.

Progrès dans la production d’insuline recombinante

La production d’insuline humaine recombinante est principalement produite dans les systèmes d’expression d’E. coli ou de Saccharomyces cerevisiae. Initialement, E. coli était le système d’expression préféré pour la production d’insuline recombinante à grande échelle en raison de son rendement élevé et de son rapport coût–efficacité. La méthode de production de Genetech utilisait un ADNc synthétisé chimiquement codant pour les chaînes A et B de l’insuline séparément. Ainsi, les deux chaînes ont été purifiées et co-incubées dans des conditions préférentielles pour accélérer la croissance de la formation de liaisons disulfures intactes. Alternativement, Eli Lilly a utilisé un seul ADNc synthétisé chimiquement codant pour la proinsuline humaine avec purification et excision ultérieures du peptide C, donnant un produit d’insuline actif. S. les systèmes d’expression de cerevisiae contiennent des constructions d’insuline d’ingénierie avec des chaînes A et B natives dépourvues de thréonine B30 C-terminale, fusionnées ou liées par un petit peptide C synthétique. La construction est faite par la séquence d’ADNc fusionnée avec la séquence signal du facteur alpha chez S. cerevisiae pour l’expression de la proinsuline. Ce produit proinsulin est purifié et transformé en insuline active par une réaction de transpeptidation médiée par la trypsine en présence d’ester de thréonine. Les plantes transgéniques sont utilisées comme systèmes d’expression en raison de leur rentabilité, de leur traitement protéique de haute qualité, de l’absence d’agents pathogènes humains et de la présence de machines eucaryotes pour les modifications post–traductionnelles. L’insuline humaine recombinante a été produite dans la plante Arabidopsis thaliana via des corps huileux. Les corps pétroliers sont situés à l’intérieur des graines oléagineuses, qui sont constituées d’un noyau de triacylglycérol hydrophobe encapsulé par une membrane de phospholipides et une paroi externe de protéines appelées oléosines. Les graines oléagineuses sont génétiquement modifiées avec la protéine recombinante ciblant les corps pétroliers sous forme de fusion d’oléosines. Un traitement ultérieur implique la séparation des corps d’huile via une séparation de phase liquide–liquide pour réduire les étapes de chromatographie dans la purification de l’insuline. Ensuite, le corps de l’huile est purifié, puis l’insuline recombinante est clivée du partenaire de fusion de l’oléosine et mûrie par digestion de la trypsine donnant un produit d’insuline actif. Une autre approche consiste à transformer les chloroplastes de tabac et de laitue avec de la proinsuline humaine composée de chaînes A, B et C fusionnées avec la sous-unité B de la toxine cholérique. La production peut produire jusqu’à 47% de proinsuline dans les feuilles de laitue tandis que la proinsuline des feuilles de tabac a été extraite avec une pureté de 98%. Le niveau élevé de proinsuline biologiquement active exprimée dans les plantes transgéniques permet une production à faible coût de proinsuline injectable et orale.

Avance dans l’application d’insuline

L’insuline est principalement administrée par voie sous-cutanée via des flacons et des seringues. Cependant, en raison des limitations de l’utilisation d’un flacon ou d’une seringue pour injection, le développement de stylos à insuline a commencé à augmenter. Les stylos à insuline sont réutilisables, augmentent l’observance du patient et sont plus précis. Les stylos à insuline avancés incluent une technologie intelligente qui permet de suivre les 16 dernières doses pour le patient grâce à des calculatrices intégrées. L’insuline injectable présente toujours des inconvénients, ce qui a conduit les chercheurs à adopter de nouvelles approches pour administrer l’insuline. Les insulines inhalées sont actuellement examinées par la FDA pour approbation, car les voies pulmonaires offrent des avantages. L’insuline humaine inhalée est d’origine ADNr et utilise l’administration de médicaments Technosphériques pour atteindre les poumons. Les détails de cette administration d’insuline pulmonaire comprennent des inhalateurs activés par l’haleine contenant des doses unitaires d’insuline pré-dosées. Une fois que cela rencontre le pH neutre de l’épithélium alvéolaire, il se dissipe sous forme liquide. Un avantage observé ici est l’absence de peptidases gastro-intestinales qui décomposent l’insuline dans le tractus gastro-intestinal, contournant par la suite le système métabolique de premier passage. L’administration transdermique d’insuline est une approche plus récente utilisée lorsque des techniques d’iontophorèse, de sonophérèse ou de phonophérèse sont utilisées. Contrairement à l’administration d’insuline, la thérapie par cellules souches est étudiée comme une option pour inverser la résistance à l’insuline. Les cellules souches ont la capacité de se différencier en cellules productrices d’insuline (CIP), d’améliorer la régénération pancréatique et d’améliorer la résistance à l’insuline – offrant une alternative à la greffe de cellules d’îlots. Plus précisément, les cellules souches mésenchymateuses (CSM) ont acquis une notoriété en raison de leur capacité à régénérer les cellules β des îlots pancréatiques, à les protéger de l’apoptose et à améliorer la résistance à l’insuline des tissus périphériques en créant un environnement optimal par sécrétion de facteurs paracrine. Sur le plan moléculaire, les CSM se différencient en iPCS en reprogrammant des facteurs de transcription clés tels que Pdx-1, Ngn-3, NeuroD1, Pax4 et Pax6 situés dans la section endocrinienne du pancréas. Plusieurs expériences ont été menées pour démontrer l’efficacité de l’utilisation de MSCs, avec Moriscot et al. être le premier à induire la différenciation des CSM de la moelle osseuse humaine (BM-MSC) en iPCS. Des études comparatives ont réussi à différencier le MSC dérivé de la gelée de Wharton (WJ-MSC) en phénotypes de cellules β matures. Capacité des CSM à favoriser la régénération des cellules β de l’îlot pancréatique endogène via la sécrétion de cytokines et de facteurs de croissance ayant des activités paracrine et autocrine. Lee et coll. on a observé des CSM migrant vers un îlot de souris diabétiques induites par la streptozocine (STZ) où les CSM accéléraient la réparation des tissus en permettant aux cellules endogènes de proliférer et de retrouver leur fonction normale. Ces applications alternatives de l’insuline ont conduit à la mise sur le marché de nouveaux produits à base d’insuline.

Progrès récents dans les brevets sur l’insuline & future

De nombreuses méthodes nouvelles ont été brevetées pour améliorer l’administration de l’insuline. Étant donné que l’administration orale d’insuline est soumise à une dégradation enzymatique, les scientifiques se sont tournés vers des approches basées sur les nanoparticules. Cette approche améliore la biodisponibilité en protégeant l’insuline des affections gastro-intestinales et en améliorant la perméabilité de l’enzyme. Cela se fait par absorption cellulaire de nanoparticules ou par transport paracellulaire à travers des jonctions serrées. Un exemple de brevet actuel de nanoparticules est un polymère naturel anionique avec des acides gras à chaîne moyenne qui sont absorbés par la paroi cellulaire intestinale. Le polymère bloque la libération d’insuline dans l’estomac pour empêcher la dégradation de l’enzyme et est capable d’ouvrir des jonctions serrées pour améliorer l’absorption d’insuline par voie paracellulaire.

En plus de l’utilisation de nanoparticules comme méthode d’administration d’insuline, d’autres systèmes, tels que le système d’administration d’insuline bioresponsable, ont été brevetés. Ce système comprend une cellule bêta artificielle avec une membrane hydrogel sensible au glucose pour l’administration contrôlée par rétroaction de l’insuline. Cette membrane emprisonne les enzymes glucose-oxydase dans un polymère d’hydrogel, réduit le pH de la membrane et augmente la perméabilité de la membrane d’hydrogel à l’insuline. Ainsi, le système fonctionne pour accélérer la libération d’insuline avec des niveaux croissants de glucose.

Plus récemment, des chercheurs ont exploré l’utilisation de liposomes, de biliosomes et de proliposomes pour l’administration d’insuline. Ceux-ci fonctionnent en encapsulant l’insuline en utilisant le rapport phospholipide / cholestérol approprié pour empêcher la fuite d’insuline du noyau du liposome et la dégradation par les enzymes. Les bilosomes incorporent des sels biliaires aux liposomes pour stabiliser le bilosome contre la dégradation des sels biliaires dans le tractus gastro-intestinal et améliorer la fluidité de la membrane. Les proliposomes sont formés par dispersion de film – lyophilisation pour former des particules séchées et à écoulement libre. Ces méthodes intègrent l’utilisation de liposomes pour améliorer l’absorption gastro-intestinale et la biodisponibilité orale de l’insuline.

Bien que ce ne soient que quelques exemples de progrès récents dans les brevets d’administration d’insuline, de nombreux autres produits existent. D’autres exemples incluent l’incorporation d’insuline dans une émulsion eau-dans-huile par homogénéisation à haute pression pour protéger l’insuline contre la dégradation gastrique, l’encapsulation de l’insuline dans une petite capsule de gélatine molle et l’enrobage d’un polymère polyacrylique pour protéger de la dégradation enzymatique, et de nombreux autres produits qui aident à prévenir la dégradation de l’insuline par l’environnement gastro-intestinal difficile.

Conclusion

Les progrès récents dans la production d’insuline par MSCs se sont révélés prometteurs. Les résultats des tests de l’efficacité de l’utilisation du SMC chez les animaux ont fourni des avantages, mais certains inconvénients subsistent. Les avantages incluent la capacité des CSM à gérer les épisodes hyperglycémiques en se différenciant en CIP, en régénérant le pancréas et en améliorant la résistance à l’insuline dans les modèles animaux. Les animaux ne sont pas des répliques de patients humains atteints de diabète sucré de type 2, mais ils fournissent des mécanismes d’action similaires pour les CSM. En plus des applications d’insuline MSC, les nouveaux systèmes de production ont fourni d’excellents avantages aux patients atteints de diabète sucré. Les systèmes d’expression à base de plantes transgéniques fournissent une production d’insuline à haute capacité avec un faible coût de production. Cet avantage sera bénéfique à mesure que le nombre de patients diabétiques continuera de croître.