Recenti progressi e prossimo futuro della produzione e terapia di insulina

L’Organizzazione mondiale della sanità (OMS) ha elencato l’insulina come una “medicina essenziale”; una medicina di base che “soddisfa i bisogni sanitari prioritari della popolazione”. Ciò indica chiaramente l’importanza dell’insulina per il trattamento delle malattie umane. Con un aumento dei pazienti diabetici in tutto il mondo, sono attualmente in corso nuovi metodi per la produzione e l’applicazione di insulina più efficaci. Le tecniche per migliorare la progettazione di farmaci insulinici, la biosintesi e la consegna sono ancora argomenti caldi per i campi della chimica medicinale, della farmacologia e della farmaceutica. Questo editoriale affronterà il tema popolare e interessante dei recenti progressi e delle prospettive future della produzione e della terapia insulinica. Dovrebbe fornire una risorsa preziosa per i ricercatori e i medici nel campo del diabete e della terapia insulinica.

Storia dell’insulina, significato & struttura di base

Z La ricerca di mercato ha previsto un mercato per l’insulina per raggiungere 4 43.6 miliardi di dollari nel 2021 . Il metabolismo dei carboidrati e dei grassi è regolato principalmente dall’insulina, rendendo l’insulina un farmaco importante ed essenziale. Scoperto nel 1921 da Banting e Best come ormone polipeptidico, l’insulina è prodotta dalle isole di Langerhans nel pancreas . L’insulina è sintetizzata dalle cellule beta del pancreas come una singola catena di tre peptidi A, B e C; noto come pre-proinsulina . La pre-proinsulina viene scissa e il polipeptide viene traslocato nel reticolo endoplasmatico umano formando proinsulina. La conversione all’insulina matura è ottenuta mediante enzimi proteolitici noti come convertasi proormone PC1 / PC3 e PC2, che si scindono in due posizioni per rilasciare il peptide C centrale . L’insulina matura risultante è composta da 51 aminoacidi (30 catene di aminoacidi B e 21 catene di aminoacidi A) collegati tra loro da due legami disolfuro interchain per formare un monomero . Inoltre, A-chain contiene un legame disolfuro intra-catena. La scissione dell’amminoacido C-terminale da entrambe le catene e i due legami disolfuro interchain eliminano l’attività dell’insulina matura.

Advance in insulin mutants: struttura & funzione relationship

La secrezione di insulina nei picchi del corpo 1 h dopo aver mangiato seguita dal suo declino entro il prossimo 2 h in individui sani . Al contrario, i pazienti diabetici richiedono l’insulina per avere un tempo di picco specifico, l’inizio dell’azione e la durata dell’azione per ottenere un profilo di insulina 24-h e per evitare l’ipoglicemia notturna; quindi, la necessità di più formulazioni di insulina . Una volta iniettata l’insulina, la molecola forma un esamero tenuto insieme da un singolo zinc zinco . Gli esameri si dissociano in dimeri e monomeri che diffondono e penetrano nelle pareti dei capillari per raggiungere il flusso sanguigno. Il tasso di dissociazione è manipolato in diverse formulazioni. Le formulazioni di insulina ad azione rapida sono prodotte con la tecnologia del DNA ricombinante commutando singoli o due residui di amminoacidi nella molecola di insulina. La modifica dell’amminoacido non altera il legame del recettore, ma inibisce la formazione di dimeri di insulina ed esameri . Grandi quantità di monomeri di insulina sono prontamente disponibili per un rapido assorbimento. Esempi di mercato attuali includono Lispro e Aspart. L’analogo di Lispros ha i suoi residui ProB28 e LysB29 sull’estremità C-terminale della catena B invertita in LysB28 e ProB29 . L’insulina Aspart ha la sua prolina in posizione 28 sulla catena B sostituita dall’acido aspartico . La modifica di Aspart produce un aumento della repulsione di carica per impedire la formazione di esameri, creando un’insulina ad azione più rapida. Gli analoghi intermedi, NPH (Neutral-Protamine-Haledon) e LENTE, mostrano l’inizio dell’azione vicino a 1-2 h, l’azione di picco 6-10 h e la durata dell’attività di 10-16 h . I tassi di assorbimento sono diminuiti nell’NPH a causa dell’aggiunta di protamina, una piccola proteina nucleare ricca di arginina, che rallenta l’insorgenza e aumenta la durata dell’azione dell’insulina. LENTE ottiene lo stesso con l’aggiunta di zinco alla sua formulazione.

Avanzamento nella produzione di insulina ricombinante

La produzione di insulina umana ricombinante è prodotta principalmente nei sistemi di espressione di E. coli o Saccharomyces cerevisiae . Inizialmente, E. coli è stato il sistema di espressione preferito per la produzione di insulina ricombinante su larga scala grazie alla sua elevata resa ed economicità . Il metodo di produzione di Genetech utilizzava la codifica cDNA sintetizzata chimicamente per le catene di insulina A e B separatamente . Pertanto, le due catene sono state purificate e co-incubate nelle condizioni preferite per accelerare la crescita della generazione di formazione di legami disolfuro intatti . In alternativa, Eli Lilly ha utilizzato un singolo cDNA sintetizzato chimicamente che codifica per la proinsulina umana con successiva purificazione ed escissione del peptide C, ottenendo un prodotto insulinico attivo . S. i sistemi di espressione di cerevisiae contengono costrutti di insulina ingegnerizzati con catene native A e B prive della treonina B30 C-terminale, fuse o collegate da un piccolo peptide C sintetico . Il costrutto è costituito dalla sequenza cDNA fusa con la sequenza del segnale del fattore alfa in S. cerevisiae per l’espressione di proinsulina . Questo prodotto di proinsulina è purificato e trasformato in insulina attiva da una reazione di transpeptidazione mediata dalla tripsina in presenza di estere di treonina . Le piante transgeniche sono utilizzate come sistemi di espressione grazie alla loro economicità, all’elaborazione di proteine di alta qualità, all’assenza di agenti patogeni umani e alla presenza di macchinari eucariotici per le modifiche post–traduzionali . L ‘insulina umana ricombinante è stata prodotta nell’ Arabidopsis thaliana vegetale attraverso corpi oleosi . I corpi oleosi si trovano all’interno di semi oleosi, che sono costituiti da un nucleo idrofobo di triacilglicerolo incapsulato da una membrana fosfolipidica e da una parete esterna di proteine note come oleosine . I semi oleosi sono geneticamente modificati con la proteina ricombinante che mira ai corpi petroliferi come fusione di oleosina . L’ulteriore elaborazione comporta la separazione dei corpi oleosi tramite separazione di fase liquido–liquido per ridurre le fasi della cromatografia nella purificazione dell’insulina . Successivamente, il corpo dell’olio viene purificato, quindi l’insulina ricombinante viene scissa dal partner di fusione dell’oleosina e maturata dalla digestione della tripsina producendo un prodotto insulinico attivo. Un approccio alternativo include la trasformazione dei cloroplasti del tabacco e della lattuga con proinsulina umana costituita da catene A, B e C fuse con la subunità B della tossina del colera . La produzione può produrre fino al 47% di proinsulina nelle foglie di lattuga mentre la proinsulina dalle foglie di tabacco è stata estratta con purezza del 98%. L’alto livello di proinsulina biologicamente attiva espressa nelle piante transgeniche fornisce una produzione a basso costo di somministrazione di proinsulina iniettabile e orale .

Anticipo dell ‘applicazione di insulina

L’ insulina viene somministrata principalmente per via sottocutanea tramite flaconcini e siringhe . Tuttavia, a causa delle limitazioni dell’uso di una fiala o di una siringa per iniezione, lo sviluppo delle penne per insulina ha iniziato a salire. Le penne per insulina sono riutilizzabili, aumentano la conformità del paziente e sono più accurate . Le penne per insulina avanzate includono una tecnologia intelligente che tiene traccia delle ultime 16 dosi per il paziente attraverso calcolatrici integrate . L’insulina iniettabile presenta ancora degli inconvenienti, portando i ricercatori a adottare nuovi approcci per fornire insulina. I prodotti di insulina inalati sono attualmente in fase di revisione da parte della FDA per l’approvazione, in quanto le vie polmonari offrono vantaggi. L’insulina umana inalata è di origine rDNA e utilizza la somministrazione di farmaci Technosphere per raggiungere i polmoni . I dettagli di questa somministrazione polmonare di insulina includono inalatori attivati dal respiro contenenti dosi unitarie di insulina pre-dosate. Una volta che questo incontra il pH neutro dell’epitelio alveolare si dissipa in forma liquida . Un vantaggio visto qui è l’assenza di peptidasi gastrointestinali che scompongono l’insulina nel tratto GASTROINTESTINALE, bypassando successivamente il sistema del metabolismo di primo passaggio . La somministrazione transdermica di insulina è un approccio più recente utilizzato in cui vengono utilizzate tecniche di ionoforesi, sonofereis o fonofereis . In contrasto con la somministrazione di insulina, la terapia con cellule staminali viene ricercata come opzione per invertire la resistenza all’insulina. Le cellule staminali hanno la capacità di differenziarsi in cellule produttrici di insulina (IPCS), migliorare la rigenerazione pancreatica e migliorare la resistenza all’insulina-offrendo un’alternativa al trapianto di cellule insulari . In particolare, le cellule staminali mesenchimali (MSC) hanno acquisito notorietà grazie alla loro capacità di rigenerare le cellule β dell’isolotto pancreatico, proteggerle dall’apoptosi e migliorare la resistenza all’insulina dei tessuti periferici creando un ambiente ottimale per secrezione di fattori paracrini . Molecolarmente, le MSC si differenziano in IPCs riprogrammando fattori di trascrizione chiave come Pdx-1, Ngn-3, NeuroD1, Pax4 e Pax6 situati nella sezione endocrina del pancreas . Diversi esperimenti sono stati condotti per dimostrare l’efficacia dell’uso di MSC, con Moriscot et al. essendo il primo a indurre la differenziazione del midollo osseo umano MSC (BM-MSC) in IPCs . Studi comparativi hanno differenziato con successo la MSC derivata dalla gelatina di Wharton (WJ-MSC) in fenotipi di cellule β mature . MSCs capacità di promuovere la rigenerazione delle cellule β dell’isolotto pancreatico endogeno attraverso la secrezione di citochine e fattori di crescita che hanno attività paracrine e autocrine . Lee et al. MSC osservati migrando verso l’isolotto di topi diabetici indotti da streptozocina (STZ) in cui le MSC hanno accelerato la riparazione dei tessuti consentendo alle cellule endogene di proliferare e riguadagnare la loro normale funzione . Queste applicazioni alternative di insulina hanno portato a nuovi prodotti insulinici sul mercato.

Recenti progressi nei brevetti di insulina & futuro

Molti nuovi metodi sono stati brevettati per migliorare la somministrazione di insulina. Poiché la somministrazione orale di insulina è soggetta a degradazione enzimatica, gli scienziati hanno esaminato approcci basati su nanoparticelle. Questo approccio migliora la biodisponibilità proteggendo l’insulina dalle condizioni gastrointestinali e migliorando la permeabilità dell’enzima. Questo viene fatto mediante assorbimento cellulare di nanoparticelle o trasporto paracellulare attraverso giunzioni strette. Un esempio di un brevetto di nanoparticelle corrente è un polimero naturale anionico con acidi grassi a catena media che vengono assorbiti attraverso la parete cellulare intestinale. Il polimero blocca il rilascio di insulina nello stomaco per prevenire la degradazione dell’enzima ed è in grado di aprire giunzioni strette per migliorare l’assorbimento dell’insulina in modo paracellulare .

Oltre all’uso di nanoparticelle come metodo di somministrazione di insulina, sono stati brevettati altri sistemi, come il sistema di erogazione di insulina bioresponsiva. Questo sistema comprende una cellula beta artificiale con una membrana idrogel sensibile al glucosio per la somministrazione di insulina controllata dal feedback. Questa membrana intrappola gli enzimi glucosio-ossidasi in un polimero idrogel, riduce il pH della membrana e aumenta la permeabilità della membrana idrogel all’insulina. Così il sistema lavora per accelerare il rilascio di insulina con l’aumento dei livelli di glucosio .

Più recentemente, i ricercatori hanno esplorato l’uso di liposomi, biliosomi e proliposomi per la somministrazione di insulina. Questi funzionano incapsulando l’insulina usando il rapporto fosfolipide/colesterolo appropriato per prevenire la perdita di insulina dal nucleo del liposoma e la degradazione da parte degli enzimi. I bilosomi incorporano sali biliari ai liposomi per stabilizzare il bilosoma contro la degradazione del sale biliare nel tratto gastrointestinale e migliorare la fluidità della membrana. I proliposomi sono formati dalla dispersione del film-liofilizzazione per formare particelle essiccate e a flusso libero. Questi metodi incorporano l’uso di liposomi per migliorare l’assorbimento gastrointestinale e la biodisponibilità orale dell’insulina .

Mentre questi sono solo alcuni esempi di recenti progressi nei brevetti di consegna di insulina, esistono molti altri prodotti. Alcuni altri esempi includono l’incorporazione di insulina in un acqua-in-olio emulsione ad alta pressione di omogeneizzazione per proteggere insulina contro gastrico degrado, incapsulamento di insulina in un piccolo e morbido capsula di gelatina e con un rivestimento poliacrilico polimero per proteggere dalla ripartizione enzimatica, e molti altri prodotti che aiutano a prevenire la degradazione dell’insulina dalle dure gastrointestinale ambiente .

Conclusione

I recenti progressi nella produzione di insulina tramite MSC hanno dimostrato di essere promettenti. I risultati dei test sull’efficacia dell’uso di MSC negli animali hanno fornito vantaggi, ma alcuni svantaggi esistono ancora. I vantaggi includono la capacità delle MSC di gestire gli episodi iperglicemici differenziandosi in IPCS, rigenerazione pancreatica e miglioramento della resistenza all’insulina nei modelli animali . Gli animali non sono repliche di pazienti umani con diabete mellito di tipo 2, ma forniscono meccanismi di azione simili per MSC. Oltre alle applicazioni di insulina MSC, i nuovi sistemi di produzione hanno fornito eccellenti benefici per i pazienti con diabete mellito. I sistemi di espressione a base vegetale transgenici forniscono una produzione ad alta capacità di insulina a basso costo di produzione. Questo vantaggio sarà vantaggioso in quanto il numero di pazienti diabetici continua a crescere.