recente vooruitgang en nabije toekomst van insulineproductie en-therapie

de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) heeft insuline vermeld als een “essentieel geneesmiddel”; een basisgeneesmiddel dat “voldoet aan de prioritaire gezondheidsbehoeften van de bevolking”. Dit wijst duidelijk op het belang van insuline voor de behandeling van humane ziekten. Met een toename van diabetespatiënten wereldwijd, worden momenteel nieuwe methoden voor een effectievere insulineproductie en-toepassing nagestreefd. Technieken ter verbetering van het ontwerp van insulinegeneesmiddelen, biosynthese en levering zijn nog steeds hot topics voor de gebieden van medicinale chemie, farmacologie en farmacie. Dit artikel zal ingaan op het populaire en interessante onderwerp van de recente ontwikkelingen en toekomstperspectieven van insulineproductie en-therapie. Het zou een waardevolle bron voor onderzoekers, en clinici op het gebied van diabetes en insulinetherapie moeten verstrekken.

Insulinegeschiedenis, significantie & basisstructuur

Zion marktonderzoek heeft voorspeld dat de markt voor insuline $ 43 zal bereiken.6 miljard dollar in 2021 . Het koolhydraatmetabolisme en het vetmetabolisme worden voornamelijk gereguleerd door insuline, waardoor insuline een belangrijk en essentieel medicijn is. Ontdekt in 1921 door Banting en beste als polypeptide hormoon, insuline wordt geproduceerd door de eilandjes van Langerhans in de alvleesklier . Insuline wordt gesynthetiseerd door bètacellen van de alvleesklier als een enkele keten van drie peptiden a, B en C; bekend als pre-pro-insuline . Pre-proinsuline wordt gespleten, en het polypeptide wordt getransloceerd aan het menselijke endoplasmic reticulum die proinsulin vormen. Omzetting naar Rijpe insuline wordt bereikt door proteolytische enzymen die bekend staan als prohormoneconvertasen PC1/PC3 en PC2, die op twee posities splitsen om het centrale C-peptide vrij te geven . De resulterende Rijpe insuline bestaat uit 51 aminozuren (30 aminozuurb-ketens en 21 aminozuur a-ketens) die met elkaar verbonden zijn door twee interchaindisulfidebindingen om een monomeer te vormen . Bovendien bevat a-chain één intra-chain disulfidebinding. De splitsing van C-eind aminozuur van één van beide keten, en de twee interchaindisulfidebindingen elimineren activiteit van de rijpe insuline.

vooruitgang in insuline mutanten: structuur & functieverhouding

de insulinesecretie in het lichaam piekt 1 uur na het eten, gevolgd door een daling binnen 2 uur bij gezonde personen . Diabetespatiënten daarentegen hebben insuline nodig om een specifieke piektijd, aanvang van de werking en werkingsduur te hebben om een 24-uur insulineprofiel te bereiken en nachtelijke hypoglykemie te vermijden; daarom is er behoefte aan meerdere insulineformuleringen . Zodra insuline is geïnjecteerd, vormt het molecuul een hexamer die door één enkel zinkion bij elkaar wordt gehouden . De hexameren dissociëren in dimeren en monomeren die diffunderen en capillaire wanden binnendringen om de bloedbaan te bereiken. De snelheid van de dissociatie wordt gemanipuleerd in verschillende formuleringen. Snelwerkende insulineformuleringen worden geproduceerd met behulp van recombinant-DNA-technologie door over te schakelen van enkele of twee aminozuurresiduen in het insulinemolecuul. De aminozuur modificatie verandert de receptorbinding niet, maar remt de vorming van insuline dimeren en hexameren . Grotere hoeveelheden insuline monomeren zijn direct beschikbaar voor een snelle absorptie. Huidige marktvoorbeelden zijn onder andere Lispro en Aspart. Lispros ‘ analoog heeft zijn ProB28 en LysB29 residuen op de C-eind van de B-keten omgekeerd LysB28 en ProB29 . Insuline Aspart heeft zijn proline op positie 28 op de B-keten vervangen door asparaginezuur . De modificatie van Aspart geeft een toename van de ladingsafstoting om de vorming van hexameren te voorkomen, waardoor een sneller werkende insuline ontstaat. Intermediaire analogen, NPH (Neutral – Protamine – Haledon) en LENTE, vertonen aanvang van de werking in de buurt van 1-2 uur, piekwerking 6-10 uur en activiteitsduur van 10-16 uur . De absorptiesnelheden in NPH worden verlaagd door de toevoeging van protamine, een klein arginine-rijk kerneiwit, dat het begin vertraagt en de duur van de insulinewerking verlengt. LENTE bereikt hetzelfde door de toevoeging van zink aan de formulering.

vooruitgang in de recombinante insulineproductie

Recombinant humane insulineproductie wordt voornamelijk geproduceerd in E. coli of Saccharomyces cerevisiae expressiesystemen . Aanvankelijk, E. coli was het voorkeursuitdruksysteem voor grootschalige recombinante insulineproductie vanwege de hoge opbrengst en kosteneffectiviteit . De productiemethode van Genetech gebruikte chemisch gesynthetiseerde cDNA-codering voor insuline A en B-ketens afzonderlijk . Aldus, werden de twee ketens gezuiverd en mede-geïncubeerd onder voorkeursomstandigheden om de generatiegroei van intacte disulfidebandvorming te versnellen . Als alternatief gebruikte Eli Lilly een enkele chemisch gesynthetiseerde cDNA die codeert voor humane pro-insuline met daaropvolgende zuivering en excisie van het C-peptide, wat een actief insulineproduct opleverde . S. cerevisiae-expressiesystemen bevatten geconstrueerde insulineconstructies met inheemse A-en B-ketens zonder de C-terminale B30 threonine, gefuseerd of verbonden door een klein synthetisch C-peptide . De construct wordt gemaakt door de cDNA-sequentie gefuseerd met de alfafactorsignaalsequentie in S. cerevisiae voor expressie van pro-insuline . Dit pro-insulineproduct wordt gezuiverd en omgezet in actieve insuline door een trypsine-gemedieerde transpeptidatiereactie in aanwezigheid van threonine-ester . Transgene installaties worden gebruikt als expressiesystemen vanwege hun kosteneffectiviteit, hoogwaardige eiwitverwerking, afwezigheid van menselijke pathogenen en aanwezigheid van eukaryotische machines voor post-translationele wijzigingen . Recombinant humane insuline werd in plant Arabidopsis thaliana geproduceerd via olielichamen . De olielichamen worden gevestigd binnen oliehoudende zaden, die van een hydrophobic triacylglycerolkern worden samengesteld die door een phospholipidemembraan en een buitenwand van proteã nen wordt ingekapseld die als oleosins worden bekend . De oliehoudende zaden zijn genetisch gemanipuleerd met het recombinante eiwit gericht op olie lichamen als oleosine fusie . De verdere verwerking impliceert het scheiden van olielichamen via vloeistof-vloeibare fasescheiding om chromatografiestappen in de zuivering van insuline te verminderen . Daarna wordt het olielichaam gezuiverd, waarna recombinante insuline wordt gesplitst uit de oleosinetransfusie-partner en gerijpt door de vertering van trypsine, waardoor een actief insulineproduct ontstaat. Een alternatieve aanpak omvat het transformeren van bladgroenten van tabak en sla met menselijke pro-insuline bestaande uit A -, B-en C-ketens gefuseerd met choleratoxine B-subeenheid . De productie kan tot 47% pro-insuline opleveren in slabladeren, terwijl de pro-insuline uit tabaksbladeren is geëxtraheerd met een zuiverheid van 98%. Het hoge niveau van biologisch actieve pro-insuline dat wordt uitgedrukt in transgene planten zorgt voor goedkope productie van injecteerbare en orale pro-insuline levering .

voortijdig aanbrengen van insuline

insuline wordt voornamelijk subcutaan toegediend via injectieflacons en spuiten . Echter, als gevolg van beperkingen van het gebruik van een injectieflacon of spuit voor injectie, begon de ontwikkeling van insulinepennen te stijgen. Insulinepennen kunnen opnieuw worden gebruikt, verhogen de therapietrouw van de patiënt en zijn nauwkeuriger . Geavanceerde insulinepennen bevatten slimme technologie die de laatste 16 doses voor de patiënt bijhoudt door middel van ingebouwde rekenmachines . Injecteerbare insuline heeft nog steeds nadelen, toonaangevende onderzoekers om nieuwe benaderingen te nemen om insuline te leveren. Insuline voor inhalatie producten worden momenteel beoordeeld door de FDA voor goedkeuring, als pulmonale routes bieden voordelen. De humane insuline voor inhalatie is van rDNA oorsprong en gebruikt de levering van de Technosphere drug om de longen te bereiken . Details van deze pulmonale insulinetoediening zijn inclusief inhalatoren die door de adem worden geactiveerd en die vooraf afgemeten eenheidsdoses insuline bevatten. Zodra dit de neutrale pH van het alveolaire epitheel tegenkomt, verdwijnt het in vloeibare vorm . Een voordeel dat hier wordt gezien is de afwezigheid van gastro-intestinale peptidases die insuline in het maagdarmkanaal afbreken, waarna het first-pass-metabolismesysteem wordt omzeild . Transdermale toediening van insuline is een nieuwere benadering waarbij iontoforese, sonofere of fonofere technieken worden gebruikt . In tegenstelling tot insuline levering, wordt de therapie van de stamcel onderzocht als optie om insulineresistentie om te keren. De cellen van de stam hebben de capaciteit om in insuline-producerende cellen (IPCs) te differentiëren, alvleesklierregeneratie te verbeteren en insulineresistentie te verbeteren – die een alternatief aan de transplantatie van de eilandjecel aanbieden . Specifiek, hebben mesenchymal stamcellen (MSCs) bekendheid toe te schrijven aan hun capaciteit gekregen om pancreatische eilandje β cellen te regenereren, hen tegen apoptosis te beschermen en insulineweerstand van randweefsels te verbeteren door een optimaal milieu door afscheiding van paracrinefactoren te creëren . Moleculair, differentiëren MSCs in IPCs door belangrijke transcriptiefactoren zoals Pdx-1, Ngn-3, NeuroD1, Pax4 en Pax6 te herprogrammeren die in de endocriene sectie van de alvleesklier worden gevestigd . Verscheidene experimenten zijn uitgevoerd om de doeltreffendheid van het gebruiken van MSCS, met Moriscot et al aan te tonen. het zijn de eerste om menselijke beenmerg MSCS (BM-MSC) differentiatie in IPCs te veroorzaken . Vergelijkende studies onderscheidden met succes Wharton ‘ s jelly-derived MSC (WJ-MSC) in volwassen β-celfenotypen . De capaciteit van MSCs om regeneratie van endogene alvleeskliereiland β-cel via afscheiding van cytokines en de groeifactoren te bevorderen die paracrine en autocrine activiteiten hebben . Lee et al. waargenomen MSC ’s die migreren naar eilandje van streptozocin (STZ)-geïnduceerde diabetische muizen waar MSC’ s weefselherstel versnelde door endogene cellen toe te staan zich te vermenigvuldigen en hun normale functie te herwinnen . Deze alternatieve insulinetoepassingen hebben geleid tot nieuwe insulines op de markt.

recente ontwikkelingen in insulineoctrooien & toekomstige

vele nieuwe methoden zijn gepatenteerd om de afgifte van insuline te verbeteren. Omdat de mondelinge insulinelevering aan enzymatische degradatie onderworpen is, hebben de wetenschappers naar nanoparticle-gebaseerde benaderingen gekeken. Deze aanpak verbetert de biologische beschikbaarheid door insuline te beschermen tegen gastro-intestinale aandoeningen en de permeabiliteit van het enzym te verbeteren. Dit wordt gedaan door cellulaire opname van nanoparticles of paracellulair vervoer over strakke verbindingen. Één voorbeeld van een huidig nanoparticleoctrooi is een anionisch natuurlijk polymeer met middelgrote kettingsvetzuren die door de intestinale celwand worden geabsorbeerd. Het polymeer blokkeert de afgifte van insuline in de maag om afbraak van het enzym te voorkomen en is in staat om tight junctions te openen om de insulineabsorptie paracellulair te verbeteren .

naast het gebruik van nanodeeltjes als methode voor de afgifte van insuline zijn ook andere systemen, zoals het bioresponsieve insulinetoedieningssysteem, gepatenteerd. Dit systeem bestaat uit een kunstmatige bètacel met een glucose-gevoelig hydrogel membraan voor de feedback-gecontroleerde afgifte van insuline. Dit membraan vangt glucose-oxidase enzymen in een hydrogel polymeer, vermindert de pH van het membraan en verhoogt de permeabiliteit van het hydrogel membraan voor insuline. Zo werkt het systeem om de afgifte van insuline met stijgende niveaus van glucose te versnellen .

onlangs hebben onderzoekers het gebruik van liposomen, biliosomen en proliposomen voor insulinetoediening onderzocht. Deze werken door insuline in te kapselen met behulp van de juiste fosfolipide/cholesterolverhouding om lekkage van insuline uit de liposoomkern en afbraak door enzymen te voorkomen. Bilosomes nemen galzouten aan liposomes op om bilosome tegen degradatie van het galzout in het GI-darmkanaal te stabiliseren en de vloeibaarheid van het membraan te verbeteren. Proliposomen worden gevormd door filmdispersie-vriesdrogen om gedroogde en vrij-vloeide deeltjes te vormen. Deze methodes omvatten het gebruik van liposomen om gastro-intestinale absorptie en mondelinge biologische beschikbaarheid van insuline te verbeteren .

dit zijn slechts enkele voorbeelden van recente ontwikkelingen op het gebied van octrooien voor de afgifte van insuline, maar er bestaan nog veel andere producten. Enkele andere voorbeelden omvatten de opname van insuline in een water-in-olie emulsie door hoge druk homogenisatie om insuline tegen maagdegradatie te beschermen, het inkapselen van insuline in een kleine zachte gelatinecapsule en een coating met een polyacrylpolymeer om tegen enzymatische afbraak te beschermen, en nog veel meer producten die helpen de afbraak van insuline door de barre gastro-intestinale omgeving te voorkomen .

conclusie

recente ontwikkelingen in de productie van insuline via MSC ‘ s zijn veelbelovend gebleken. Resultaten van het testen van de werkzaamheid van MSC-gebruik bij dieren hebben voordelen opgeleverd, maar sommige nadelen bestaan nog steeds. De voordelen omvatten de capaciteit van MSCs om hyperglycemische episodes te beheren door in IPCs, alvleesklierregeneratie te onderscheiden en insulineresistentie in dierlijke modellen te verbeteren . De dieren zijn geen replica ‘ s van menselijke patiënten met diabetes mellitus type 2, maar zij verstrekken gelijkaardige mechanismen van acties voor MSCs. Naast MSc-insulinetoepassingen hebben nieuwe productiesystemen uitstekende voordelen opgeleverd voor patiënten met diabetes mellitus. Transgene plantaardige expressiesystemen zorgen voor de productie van insuline met een hoge capaciteit en lage productiekosten. Dit voordeel zal gunstig zijn als het aantal diabetespatiënten blijft groeien.