ostatnie postępy i bliska przyszłość produkcji i terapii insuliny

Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) wymieniła insulinę jako „niezbędny lek”; podstawowy lek, który „zaspokaja priorytetowe potrzeby zdrowotne ludności”. Wskazuje to wyraźnie na znaczenie insuliny w leczeniu chorób u ludzi. Wraz ze wzrostem liczby pacjentów z cukrzycą na całym świecie, obecnie prowadzone są nowe metody bardziej skutecznej produkcji i stosowania insuliny. Techniki poprawy projektowania leków insulinowych, biosyntezy i dostarczania są nadal gorącymi tematami w dziedzinie chemii medycznej, farmakologii i farmacji. Artykuł ten poruszy popularny i interesujący temat najnowszych osiągnięć i przyszłych perspektyw produkcji i terapii insuliny. Powinien on stanowić cenne źródło dla naukowców i klinicystów w dziedzinie cukrzycy i insulinoterapii.

Historia insuliny, znaczenie & podstawowa struktura

Zion Market Research przewiduje, że rynek insuliny osiągnie 43 dolary.6 mld USD w 2021 r . Metabolizm węglowodanów i tłuszczów jest regulowany głównie przez insulinę, dzięki czemu insulina jest ważnym i niezbędnym lekiem. Odkryta w 1921 roku przez Bantinga i najlepiej jako hormon polipeptydowy, insulina jest wytwarzana przez wysepki Langerhansa w trzustce . Insulina jest syntetyzowana przez komórki beta trzustki jako pojedynczy łańcuch trzech peptydów A, B I C; znany jako pre-proinsulina . Pre-proinsulina jest rozszczepiana, a polipeptyd jest przenoszony do ludzkiego retikulum endoplazmatycznego, tworząc proinsulinę. Konwersja do dojrzałej insuliny jest osiągana przez enzymy proteolityczne znane jako prohormony konwertujące PC1 / PC3 i PC2, rozszczepiające się w dwóch pozycjach w celu uwolnienia centralnego peptydu C. Otrzymana Dojrzała insulina składa się z 51 aminokwasów (30 łańcuchów aminokwasowych B i 21 łańcuchów aminokwasowych a) połączonych ze sobą dwoma wiązaniami dwusiarczkowymi między łańcuchami tworząc monomer . Ponadto A-chain zawiera jedno wewnątrz łańcuchowe Wiązanie dwusiarczkowe. Rozszczepienie C-końcowego aminokwasu z obu łańcuchów i dwa wiązania dwusiarczkowe między łańcuchami eliminują aktywność dojrzałej insuliny.

postęp w mutantach insuliny: struktura & zależność funkcji

sekrecja insuliny w organizmie osiąga szczyt 1 h po jedzeniu, a następnie jej spadek w ciągu następnych 2 h u zdrowych osób . W przeciwieństwie do tego, pacjenci z cukrzycą wymagają, aby insulina miała określony czas szczytowy, początek działania i czas trwania działania, aby osiągnąć 24-godzinny profil insuliny i uniknąć nocnej hipoglikemii; w ten sposób potrzeba wielu preparatów insuliny . Po wstrzyknięciu insuliny cząsteczka tworzy heksamer trzymany razem przez pojedynczy jon cynku . Heksamery dysocjują na dimery i monomery, które dyfundują i przenikają przez ściany naczyń włosowatych, aby dotrzeć do krwiobiegu. Szybkość dysocjacji jest manipulowana w różnych formułach. Szybko działające preparaty insuliny są wytwarzane metodą rekombinacji DNA poprzez zmianę pojedynczych lub dwóch reszt aminokwasowych w cząsteczce insuliny. Modyfikacja aminokwasów nie zmienia wiązania z receptorem, ale hamuje tworzenie dimerów insuliny i heksamerów. Większe ilości monomerów insuliny są łatwo dostępne w celu szybkiego wchłaniania. Obecne przykłady rynku to Lispro i Aspart. Analog Lispros ma swoje pozostałości ProB28 i Lysb29 na C-końcowym końcu łańcucha B odwrócone do LysB28 i ProB29 . Insulina Aspart ma swoją prolinę w pozycji 28 w łańcuchu B zastąpioną przez kwas asparaginowy . Modyfikacja asparta powoduje wzrost odpychania ładunku, aby zapobiec tworzeniu się heksamerów, tworząc szybciej działającą insulinę. Pośrednie analogi, NPH (Neutral – Protamine-Haledon) i LENTE, wykazują początek działania w pobliżu 1-2 h, działanie szczytowe 6-10 h i czas działania 10-16 h . Szybkość wchłaniania jest zmniejszona w NPH z powodu dodania protaminy, małego bogatego w argininę białka jądrowego, które spowalnia początek i wydłuża czas działania insuliny. LENTE osiąga to samo poprzez dodanie cynku do swojej formuły.

rekombinowana insulina ludzka jest wytwarzana głównie w systemach ekspresji E. coli lub Saccharomyces cerevisiae . Początkowo E. coli był korzystnym systemem ekspresji w produkcji rekombinowanej insuliny na dużą skalę ze względu na wysoką wydajność i opłacalność . W metodzie produkcji Genetech zastosowano chemicznie zsyntetyzowane kodowanie cDNA dla łańcuchów insuliny a i B oddzielnie . Tak więc, dwa łańcuchy oczyszczono i współkubowano w korzystnych warunkach, aby przyspieszyć wzrost wytwarzania nienaruszonego wiązania dwusiarczkowego . Alternatywnie, Eli Lilly zastosował pojedyncze chemicznie zsyntetyzowane kodowanie cDNA dla ludzkiej proinsuliny z późniejszym oczyszczeniem i wycięciem peptydu C, dając Aktywny produkt insulinowy . S. systemy ekspresji cerevisiae zawierają skonstruowane konstrukcje insuliny z natywnymi łańcuchami a i B pozbawionymi treoniny C-końcowej B30, skondensowane lub połączone małym syntetycznym peptydem C. Konstrukt jest wytwarzany przez sekwencję cDNA połączoną z sekwencją sygnału czynnika alfa w S. cerevisiae do ekspresji proinsuliny . Ten produkt proinsuliny jest oczyszczany i przekształcany do aktywnej insuliny w reakcji transpeptydacji zależnej od trypsyny w obecności estru treoniny . Rośliny transgeniczne są stosowane jako systemy ekspresji ze względu na ich opłacalność, wysoką jakość przetwarzania białka, brak ludzkich patogenów i obecność eukariotycznych maszyn do modyfikacji potranslacyjnych . Rekombinowana insulina ludzka została wytworzona w roślinach Arabidopsis thaliana przez ciała olejowe . Ciała olejowe znajdują się wewnątrz nasion oleistych, które składają się z hydrofobowego rdzenia triacyloglicerolu otoczonego błoną fosfolipidową i zewnętrzną ścianą białek znanych jako oleozyny . Nasiona oleiste są genetycznie modyfikowane z rekombinowanym białkiem ukierunkowanym na ciała oleiste jako fuzja oleozyny . Dalsze przetwarzanie obejmuje oddzielenie ciał olejowych poprzez oddzielenie fazy ciecz-ciecz w celu zmniejszenia etapów chromatografii w oczyszczaniu insuliny . Następnie ciało olejowe jest oczyszczane, a następnie rekombinowana insulina jest oddzielana od partnera fuzyjnego oleozyny i dojrzewana przez trawienie trypsyny, dając Aktywny produkt insulinowy. Alternatywne podejście obejmuje przekształcanie chloroplastów tytoniu i sałaty z ludzką proinsuliną złożoną z łańcuchów A, B I C połączonych podjednostką toksyny B cholery . Produkcja może przynieść do 47% proinsuliny w liściach sałaty, podczas gdy proinsulina z liści tytoniu została wyekstrahowana z czystością 98%. Wysoki poziom biologicznie aktywnej proinsuliny wyrażany w roślinach transgenicznych zapewnia tanie wytwarzanie wstrzykiwanej i doustnej proinsuliny .

insulinę podaje się głównie podskórnie przez fiolki i strzykawki . Jednak ze względu na ograniczenia stosowania fiolki lub strzykawki do wstrzykiwań, rozwój wstrzykiwaczy insuliny zaczął wzrastać. Wstrzykiwacze insuliny są wielokrotnego użytku, zwiększają zgodność pacjenta i są dokładniejsze . Zaawansowane wstrzykiwacze insuliny zawierają inteligentną technologię, która śledzi ostatnie 16 dawek dla pacjenta za pomocą wbudowanych kalkulatorów . Insulina do wstrzykiwania nadal ma wady, co prowadzi naukowców do podjęcia nowatorskich podejść do dostarczania insuliny. Wziewne produkty insulinowe są obecnie weryfikowane przez FDA do zatwierdzenia, ponieważ drogi płucne oferują korzyści. Wziewna insulina ludzka jest pochodzenia rDNA i wykorzystuje technologię dostarczania leków do płuc . Szczegóły dotyczące podawania insuliny do płuc obejmują inhalatory aktywowane oddechem zawierające wstępnie odmierzone dawki jednostkowe insuliny. Gdy to napotka neutralne pH nabłonka pęcherzykowego, rozprasza się do postaci płynnej . Zaletą jest brak peptydaz żołądkowo-jelitowych, które rozkładają insulinę w przewodzie pokarmowym, a następnie omijają układ metabolizmu pierwszego przejścia . Przezskórne podawanie insuliny jest nowszym podejściem stosowanym w przypadku Technik jonoforezy, sonoferezy lub fonoferezy . W przeciwieństwie do dostarczania insuliny, terapia komórkami macierzystymi jest badana jako opcja odwrócenia oporności na insulinę. Komórki macierzyste mają zdolność do różnicowania się w komórki produkujące insulinę (IPCs), poprawy regeneracji trzustki i poprawy insulinooporności – oferując alternatywę dla przeszczepu komórek wysepek . W szczególności, mezenchymalne komórki macierzyste (MSCs) zyskały rozgłos ze względu na ich zdolność do regeneracji komórek β wysp trzustkowych, ochrony ich przed apoptozą i łagodzenia insulinooporności tkanek obwodowych poprzez tworzenie optymalnego środowiska poprzez wydzielanie czynników parakrynowych . Cząsteczkowo, MSCs różnicują się w IPC przez przeprogramowanie kluczowych czynników transkrypcyjnych, takich jak Pdx-1, NGN-3, NeuroD1, Pax4 i Pax6 znajdujących się w endokrynologicznym odcinku trzustki . Przeprowadzono kilka eksperymentów w celu wykazania skuteczności stosowania MSCs, z Moriscot et al. będąc pierwszym, który indukuje różnicowanie MSCS szpiku kostnego (BM-MSC) w IPCs . Badania porównawcze z powodzeniem rozróżniły msc pochodzące z galaretki Whartona (WJ-MSC) na Dojrzałe fenotypy komórek β . Zdolność MSCs do promowania regeneracji endogennej komórki β wysepki trzustkowej poprzez wydzielanie cytokin i czynników wzrostu, które mają aktywność parakrynną i autokrynną . Lee et al. zaobserwowano MSCS migrujące w kierunku wysepki myszy cukrzycowych wywołanych streptozocyną (STZ), gdzie MSCS przyspieszały naprawę tkanek, umożliwiając endogennym komórkom proliferację i odzyskanie normalnej funkcji . Te alternatywne zastosowania insuliny doprowadziły do powstania nowych produktów insulinowych na rynku.

ostatnie postępy w patentach na insulinę & przyszłość

wiele nowatorskich metod zostało opatentowanych w celu zwiększenia dostarczania insuliny. Ponieważ doustne dostarczanie insuliny podlega degradacji enzymatycznej, naukowcy przyjrzeli się podejściom opartym na nanocząstkach. Takie podejście poprawia biodostępność poprzez ochronę insuliny przed chorobami przewodu pokarmowego i zwiększenie przepuszczalności enzymu. Odbywa się to poprzez wychwytywanie przez komórki nanocząstek lub transport parakomórkowy przez ciasne połączenia. Jednym z przykładów obecnego patentu na nanocząstki jest anionowy naturalny polimer ze średniołańcuchowymi kwasami tłuszczowymi, które są wchłaniane przez ścianę komórkową jelita. Polimer blokuje uwalnianie insuliny do żołądka, aby zapobiec degradacji enzymu i jest zdolny do otwierania ciasnych połączeń w celu zwiększenia wchłaniania insuliny paracelularnie .

oprócz zastosowania nanocząstek jako metody dostarczania insuliny, inne systemy, takie jak bioreaktywny system dostarczania insuliny, zostały opatentowane. System ten składa się ze Sztucznej komórki beta z wrażliwą na glukozę membraną hydrożelową do kontrolowanego sprzężenia zwrotnego dostarczania insuliny. Membrana ta zatrzymuje enzymy oksydazy glukozowej w polimerze hydrożelowym, obniża pH membrany i zwiększa przepuszczalność membrany hydrożelowej na insulinę. W ten sposób system działa w celu przyspieszenia uwalniania insuliny wraz ze wzrostem poziomu glukozy .

ostatnio naukowcy zbadali zastosowanie liposomów, biliosomów i proliposomów do dostarczania insuliny. Działają one poprzez kapsułkowanie insuliny przy użyciu odpowiedniego stosunku fosfolipidu do cholesterolu, aby zapobiec wyciekowi insuliny z rdzenia liposomu i degradacji przez enzymy. Bilosomy zawierają sole żółciowe do liposomów, aby ustabilizować bilosom przed degradacją soli żółciowej w przewodzie pokarmowym i zwiększyć płynność błony. Proliposomy są tworzone przez dyspersję filmową-liofilizację, tworząc wysuszone i swobodne cząstki. Metody te obejmują zastosowanie liposomów w celu zwiększenia wchłaniania żołądkowo-jelitowego i biodostępności insuliny po podaniu doustnym .

chociaż to tylko kilka przykładów ostatnich postępów w patentach na dostarczanie insuliny, istnieje wiele innych produktów. Niektóre inne przykłady obejmują włączenie insuliny do emulsji woda w oleju przez homogenizację wysokociśnieniową w celu ochrony insuliny przed degradacją żołądka, kapsułkowanie insuliny w małej miękkiej kapsułce żelatynowej i powlekanie poliakrylowym polimerem w celu ochrony przed rozpadem enzymatycznym oraz wiele innych produktów, które pomagają zapobiegać degradacji insuliny przez trudne środowisko żołądkowo-jelitowe .

wniosek

ostatnie postępy w produkcji insuliny za pośrednictwem MSCs okazały się obiecujące. Wyniki badań skuteczności stosowania MSC u zwierząt dostarczyły korzyści, ale nadal istnieją pewne wady. Zalety obejmują zdolność MSCs do zarządzania epizodami hiperglikemii poprzez różnicowanie w IPCs, regenerację trzustki i łagodzenie oporności na insulinę w modelach zwierzęcych . Zwierzęta nie są replikami pacjentów z cukrzycą typu 2, ale zapewniają podobne mechanizmy działania dla MSCs. Oprócz zastosowań insuliny MSC, nowe systemy produkcyjne zapewniły doskonałe korzyści dla pacjentów z cukrzycą. Transgeniczne systemy ekspresji oparte na roślinach zapewniają wysoką wydajność produkcji insuliny przy niskich kosztach produkcji. Ta zaleta będzie korzystna, ponieważ liczba pacjentów z cukrzycą nadal rośnie.