Nylige fremskritt og nær fremtid for insulinproduksjon og terapi

Verdens Helseorganisasjon (WHO) har oppført insulin som en «essensiell medisin» ; en grunnleggende medisin som «tilfredsstiller befolkningens prioriterte helsebehov». Dette indikerer tydelig betydningen av insulin for human sykdomsbehandling. Med en økning i diabetespasienter over hele verden, blir nye metoder for mer effektiv insulinproduksjon og-anvendelse for tiden forfulgt. Teknikker for å forbedre insulin narkotika design, biosyntese og levering er fortsatt hot tema for innen medisinsk kjemi, farmakologi og farmasi. Denne redaksjonen vil ta opp det populære og interessante temaet for de siste fremskrittene og fremtidige perspektiver for insulinproduksjon og terapi. Det bør gi en verdifull ressurs for forskere og klinikere innen diabetes og insulinbehandling.

Insulin historie, betydning & grunnleggende struktur

Zion Market Research har spådd et marked for insulin å nå $ 43.6 milliarder dollar i 2021 . Karbohydrat-og fettmetabolismen reguleres primært av insulin, noe som gjør insulin til en viktig og viktig medisin. Oppdaget i 1921 Av Banting Og Best som et polypeptidhormon, produseres insulin av øyene Langerhans i bukspyttkjertelen . Insulin syntetiseres av betaceller i bukspyttkjertelen som en enkelt kjede av tre peptider A, B og C; kjent som pre-proinsulin . Pre-proinsulin spaltes, og polypeptidet translokeres til det humane endoplasmatiske retikulum som danner proinsulin. Konvertering til modent insulin oppnås ved proteolytiske enzymer kjent som prohormonkonvertaser PC1 / PC3 OG PC2, spalting i to posisjoner for å frigjøre det sentrale c-peptidet . Det resulterende modne insulin består av 51 aminosyrer (30 aminosyre b-kjeder og 21 aminosyre a-kjeder) koblet sammen av to interkjede disulfidbindinger for å danne en monomer . I tillegg inneholder A-kjede en intra-kjede disulfidbinding. Spaltning Av C-terminal aminosyre fra enten kjede, og de to interchain disulfidbindingene eliminerer aktiviteten til det modne insulinet.

Fremskritt i insulinmutanter: struktur & funksjonsforhold

Insulinsekresjon i kroppen topper 1 h etter å ha spist etterfulgt av nedgang innen de neste 2 h hos friske individer . I motsetning krever diabetespasienter at insulin har en spesifikk topptid, virkningstid og virkningstid for å oppnå en 24-h insulinprofil og for å unngå nattlig hypoglykemi, og dermed behovet for flere insulinformuleringer . Når insulin er injisert, danner molekylet en heksamer holdt sammen av en enkelt sinkion . Hexamers dissocierer i dimerer og monomerer som diffunderer og trenger gjennom kapillærvegger for å nå blodbanen. Graden av dissosiasjon er manipulert i forskjellige formuleringer. Hurtigvirkende insulinformuleringer fremstilles ved rekombinant DNA-teknologi ved å bytte enkelt-eller to aminosyrerester i insulinmolekylet. Aminosyremodifikasjonen endrer ikke reseptorbindingen, men hemmer dannelsen av insulindimere og hexamere . Større mengder insulin monomerer er lett gjort tilgjengelig for rask absorpsjon. Nåværende markedseksempler inkluderer Lispro og Aspart. Lispros ‘ analog har Sine ProB28-og LysB29-rester på Den C-terminale enden av b-kjeden reversert Til LysB28 og ProB29 . Insulin Aspart har sin prolin i posisjon 28 På b-kjeden erstattet av asparaginsyre . Asparts modifikasjon gir en økning i ladningsavstøting for å hindre at hexamers dannes, noe som skaper et raskere virkende insulin. Intermediære analoger, Nph (Nøytral – Protamin – Haledon) og LENTE, viser virkningsstart nær 1-2 h, toppvirkning 6-10 h og aktivitetsvarighet på 10-16 h . Absorpsjonshastigheter reduseres I NPH på grunn av tilsetning av protamin, et lite argininrikt nukleært protein, noe som reduserer utbruddet og øker varigheten av insulinvirkningen. LENTE oppnår det samme ved tilsetning av sink til formuleringen.

Fremskritt i rekombinant insulinproduksjon

Rekombinant humaninsulinproduksjon produseres primært I e. coli eller Saccharomyces cerevisiae expression systems . I Utgangspunktet, E. coli var det foretrukne uttrykkssystemet for rekombinant insulinproduksjon i stor skala på grunn av dets høye utbytte og kostnadseffektivitet . Genetechs produksjonsmetode brukte kjemisk syntetisert cDNA-koding for insulin A-Og b-kjeder separat . Dermed ble de to kjedene renset og ko-inkubert under foretrukne forhold for å akselerere generasjonsvekst av intakt disulfidbindingsdannelse . Alternativt brukte Eli Lilly en enkelt kjemisk syntetisert cDNA-koding for humant proinsulin med etterfølgende rensing Og eksisjon Av C-peptidet, noe som ga et aktivt insulinprodukt . S. cerevisiae expression systems inneholder konstruerte insulinkonstruksjoner med innfødte a-og b-kjeder som mangler c-terminal B30-treonin, smeltet eller koblet sammen av et lite syntetisk c-peptid . Konstruksjonen er laget av cDNA-sekvensen smeltet sammen med alfa-faktorsignalsekvensen I S. cerevisiae for ekspresjon av proinsulin . Dette proinsulinproduktet renses og omdannes til aktivt insulin ved en trypsin-mediert transpeptidasjonsreaksjon i nærvær av treoninester . Transgene planter brukes som uttrykkssystemer på grunn av deres kostnadseffektivitet, proteinbehandling av høy kvalitet, fravær av humane patogener og tilstedeværelse av eukaryotisk maskineri for post–translasjonelle modifikasjoner . Rekombinant humant insulin er produsert i planten Arabidopsis thaliana via oljeorganer . Oljekropper er plassert inne i oljefrø, som består av en hydrofob triacylglycerolkjerne innkapslet av en fosfolipidmembran og en ytre vegg av proteiner kjent som oleosiner . Oljefrøene er genetisk konstruert med rekombinant protein rettet mot oljekropper som oleosinfusjon . Videre behandling innebærer separering av oljelegemer via væske – væskefaseseparasjon for å redusere kromatografitrinnene i rensingen av insulin . Deretter renses oljekroppen, deretter spaltes rekombinant insulin fra oleosinfusjonspartneren og modnes av trypsinfordøyelse som gir et aktivt insulinprodukt. En alternativ tilnærming inkluderer å transformere tobakk og salatkloroplaster med humant proinsulin bestående av a -, B-og C-kjeder smeltet sammen med koleratoksin B-underenhet . Produksjonen kan gi opptil 47% av proinsulin i salatblader mens proinsulin fra tobakkblader er ekstrahert med 98% renhet . Det høye nivået av biologisk aktiv proinsulin som uttrykkes i transgene planter gir lavkostproduksjon av injiserbar og oral proinsulinlevering .

Advance in insulin application

Insulin administreres primært subkutant via hetteglass og sprøyter . På grunn av begrensninger ved bruk av hetteglass eller sprøyte til injeksjon begynte imidlertid utviklingen av insulinpenner å stige. Insulin penner er gjenbrukbare, øke pasient etterlevelse, og er mer nøyaktig . Avanserte insulinpenner inkluderer smart teknologi som holder styr på de siste 16 dosene for pasienten gjennom innebygde kalkulatorer . Injiserbar insulin har fortsatt ulemper, ledende forskere til å ta nye tilnærminger for å levere insulin. Inhalerte insulinprodukter blir for tiden vurdert AV FDA for godkjenning, da lungeveier gir fordeler. Inhalert humant insulin er av rDNA-opprinnelse og bruker Technosphere drug delivery for å nå lungene . Detaljer om denne tilførselen av pulmonal insulin omfatter pusteaktiverte inhalatorer som inneholder målte enhetsdoser med insulin. Når dette møter den nøytrale pH i alveolar epitelet, forsvinner den i flytende form . En fordel sett her er fraværet av gastrointestinale peptidaser som bryter ned insulin i GI-systemet, og deretter omgå førstepasseringssystemet . Transdermal administrering av insulin er en nyere tilnærming som brukes der iontoforese, sonophereis eller phonophereis teknikker brukes . I motsetning til insulintilførsel blir stamcelleterapi undersøkt som et alternativ for å reversere insulinresistens. Stamceller har kapasitet til å differensiere til insulinproduserende celler( IPCs), forbedre bukspyttkjertelregenerering og forbedre insulinresistens-noe som gir et alternativ til øycelletransplantasjon . Spesielt har mesenkymale stamceller (MSCs) fått berømmelse på grunn av deres evne til å regenerere pankreatiske øyer, beskytte dem mot apoptose og forbedre insulinresistens i perifert vev ved å skape et optimalt miljø ved sekresjon av parakrinfaktorer . Molekylært skiller MSCs Seg inn I IPCs ved å omprogrammere viktige transkripsjonsfaktorer Som Pdx-1, Ngn-3, NeuroD1, Pax4 og Pax6 lokalisert i den endokrine delen av bukspyttkjertelen . Flere eksperimenter har blitt utført for å demonstrere effekten av å bruke MSCs, Med Moriscot et al. å være den første til å indusere human benmarg MSCs (BM-MSC) differensiering I IPCs . Komparative studier differensierte vellykket Whartons jelly-derived MSC (WJ-MSC) til modne β-cellefenotyper . MSCs evne til å fremme regenerering av endogen pankreatisk holme β celle via sekresjon av cytokiner og vekstfaktorer som har parakrin og autokrin aktivitet . Lee et al. observert MSCs migrerer mot islet av streptozocin (STZ)-induserte diabetiske mus hvor MSCs akselerert vevsreparasjon ved å tillate endogene celler å proliferere og gjenvinne sin normale funksjon . Disse alternative insulinapplikasjonene har ført til nye insulinprodukter på markedet.

Nylige fremskritt i insulinpatenter & future

Mange nye metoder har blitt patentert for å forbedre leveransen av insulin. Fordi oral insulinlevering er gjenstand for enzymatisk nedbrytning, har forskere sett på nanopartikkelbaserte tilnærminger. Denne tilnærmingen forbedrer biotilgjengeligheten ved å beskytte insulin fra gastrointestinale forhold og øke permeabiliteten til enzymet. Dette gjøres ved cellulær opptak av nanopartikler eller paracellulær transport over tette veikryss. Et eksempel på et nåværende nanopartikkelpatent er en anionisk naturlig polymer med mellomkjedede fettsyrer som absorberes gjennom tarmcelleveggen. Polymeren blokkerer frigjøringen av insulin i magen for å forhindre nedbrytning av enzymet og er i stand til å åpne tette veikryss for å forbedre insulinabsorpsjonen paracellulært .

i tillegg til bruk av nanopartikler som en metode for insulinlevering, har andre systemer, som det bioresponsive insulinleveringssystemet, blitt patentert. Dette systemet består av en kunstig betacelle med en glukosesensitiv hydrogelmembran for tilbakemeldingskontrollert tilførsel av insulin. Denne membranen fanger glukose-oksidase enzymer i en hydrogelpolymer, reduserer ph i membranen og øker permeabiliteten av hydrogelmembranen til insulin. Dermed fungerer systemet for å akselerere frigivelsen av insulin med økende nivåer av glukose .

Mer nylig har forskere utforsket bruken av liposomer, biliosomer og proliposomer for insulinlevering. Disse virker ved å innkapsle insulin ved å bruke riktig fosfolipid / kolesterolforhold for å forhindre lekkasje av insulin fra liposomkjernen og nedbrytning av enzymer. Bilosomer inkorporerer gallesalter til liposomene for å stabilisere bilosomet mot gallesaltforringelse i GI-kanalen og øke membranets fluiditet. Proliposomer dannes ved filmdispersjon-frysetørking for å danne tørkede og frittflytende partikler. Disse metodene inkluderer bruk av liposomer for å forbedre gastrointestinal absorpsjon og oral biotilgjengelighet av insulin .

selv om disse bare er noen få eksempler på nylige fremskritt innen insulinleveringspatenter, finnes det mange andre produkter. Noen andre eksempler inkluderer inkorporering av insulin i en vann-i-olje-emulsjon ved høytrykkshomogenisering for å beskytte insulin mot gastrisk nedbrytning, innkapsling av insulin i en liten myk gelatinkapsel og belegg med en polyakrylpolymer for å beskytte mot enzymatisk nedbrytning, og mange flere produkter som bidrar til å forhindre nedbrytning av insulin ved det harde gastrointestinale miljøet .

Konklusjon

nylige fremskritt i produksjon av insulin via MSCs har vist seg å være lovende. Resultater fra testing av EFFEKTEN AV MSC-bruk hos dyr har gitt fordeler, men noen ulemper eksisterer fortsatt. Fordeler inkluderer MSCs evne til å håndtere hyperglykemiske episoder ved å differensiere I IPCs, bukspyttkjertelregenerering og forbedre insulinresistens i dyremodeller . Dyr er ikke kopier av humane pasienter Med type 2 diabetes mellitus, men de gir lignende virkningsmekanismer for MSCs. I TILLEGG TIL MSC-insulinapplikasjoner har nye produksjonssystemer gitt gode fordeler for pasienter med diabetes mellitus. Transgene plantebaserte ekspresjonssystemer gir høykapasitetsproduksjon av insulin med lave produksjonskostnader. Denne fordelen vil være gunstig da antall diabetespasienter fortsetter å vokse.