progresele recente și viitorul apropiat al producției și terapiei cu insulină

Organizația Mondială a Sănătății (OMS) a enumerat insulina ca „medicament esențial”; un medicament de bază care „satisface nevoile prioritare de asistență medicală ale populației”. Acest lucru indică în mod clar semnificația insulinei pentru tratamentul bolilor umane. Cu o creștere a pacienților diabetici la nivel mondial, în prezent sunt urmărite metode noi pentru producerea și aplicarea mai eficientă a insulinei. Tehnicile de îmbunătățire a designului, biosintezei și livrării medicamentelor pentru insulină sunt încă subiecte fierbinți pentru domeniile chimiei medicinale, farmacologiei și farmaceuticii. Acest editorial va aborda tema populară și interesantă a progreselor recente și a perspectivelor viitoare ale producției și terapiei cu insulină. Ar trebui să ofere o resursă valoroasă pentru cercetători și clinicieni în domeniul diabetului și terapiei cu insulină.

Istoricul insulinei, semnificație& structura de bază

cercetarea pieței Zion a prezis o piață pentru insulină pentru a ajunge la $43.6 miliarde USD în 2021 . Metabolismul carbohidraților și grăsimilor este reglementat în primul rând de insulină, făcând insulina un medicament important și esențial. Descoperită în 1921 de Banting și Best ca hormon polipeptidic, insulina este produsă de insulele Langerhans din pancreas . Insulina este sintetizată de celulele beta ale pancreasului ca un singur lanț de trei peptide A, B și C; cunoscut sub numele de pre-proinsulină . Pre-proinsulina este scindată, iar polipeptida este translocată la reticulul endoplasmatic uman care formează proinsulină. Conversia la insulină matură se realizează prin enzime proteolitice cunoscute sub numele de prohormone convertaze PC1/PC3 și PC2, scindându-se în două poziții pentru a elibera peptida C centrală . Insulina matură rezultată este compusă din 51 de aminoacizi (30 de lanțuri de aminoacizi B și 21 de lanțuri de aminoacizi A) legate între ele prin două legături disulfurice inter-lanț pentru a forma un monomer . În plus, lanțul A conține o legătură disulfură intra-lanț. Scindarea aminoacidului C-terminal din oricare lanț și cele două legături disulfurice inter-lanț elimină activitatea insulinei mature.

avansarea mutanților insulinei: structura & relația funcțională

secreția de insulină în organism atinge 1 oră după masă, urmată de scăderea acesteia în următoarele 2 ore la persoanele sănătoase . În schimb, pacienții diabetici necesită insulină pentru a avea un timp de vârf specific, debutul acțiunii și durata acțiunii pentru a obține un profil de insulină de 24 de ore și pentru a evita hipoglicemia nocturnă; astfel, necesitatea mai multor formulări de insulină . Odată ce insulina a fost injectată, molecula formează un hexamer ținut împreună de un singur ion de zinc . Hexamerii se disociază în dimeri și monomeri care difuzează și pătrund în pereții capilari pentru a ajunge în fluxul sanguin. Rata disocierii este manipulată în diferite formulări. Formulările de insulină cu acțiune rapidă sunt produse prin tehnologia ADN recombinant prin comutarea reziduurilor unice sau două de aminoacizi în molecula de insulină. Modificarea aminoacizilor nu modifică legarea receptorilor, dar inhibă formarea dimerilor și hexamerilor insulinei . Cantități mai mari de monomeri de insulină sunt ușor disponibile pentru o absorbție rapidă. Exemplele actuale de piață includ Lispro și Aspart. Analogul lui Lispros are reziduurile sale ProB28 și LysB29 pe capătul C-terminal al lanțului B inversat la LysB28 și ProB29 . Insulina Aspart are prolina sa în poziția 28 pe lanțul B înlocuită cu acid aspartic . Modificarea Aspart produce o creștere a repulsiei de încărcare pentru a preveni formarea hexamerilor, creând o insulină cu acțiune mai rapidă. Analogii intermediari, NPH (neutru – protamină – Haledon) și LENTE, prezintă debutul acțiunii aproape de 1-2 ore, acțiunea de vârf 6-10 ore și durata activității de 10-16 ore . Ratele de absorbție sunt scăzute în NPH datorită adăugării de protamină, o mică proteină nucleară bogată în arginină, care încetinește debutul și crește durata acțiunii insulinei. LENTE realizează același lucru prin adăugarea de zinc la formularea sa.

avansarea producției de insulină recombinantă

producția de insulină umană recombinantă este produsă în principal în sistemele de Expresie E. coli sau Saccharomyces cerevisiae . Inițial, E. coli a fost sistemul de Expresie preferat pentru producția de insulină recombinantă la scară largă datorită randamentului ridicat și rentabilității sale . Metoda de producție a lui Genetech a folosit codificarea ADNc sintetizată chimic pentru lanțurile de insulină a și B separat . Astfel, cele două lanțuri au fost purificate și co-incubate în condiții preferate pentru a accelera creșterea generării formării legăturii disulfidice intacte . Alternativ, Eli Lilly a utilizat o singură codificare ADNc sintetizată chimic pentru proinsulina umană cu purificarea și excizia ulterioară a peptidei C, producând un produs activ de insulină . S. sistemele de Expresie cerevisiae conțin construcții de insulină proiectate cu lanțuri native a și B lipsite de treonina C-terminală B30, topite sau legate de o mică peptidă C sintetică . Construcția este realizată de secvența ADNc fuzionată cu secvența semnalului factorului alfa în S. cerevisiae pentru exprimarea proinsulinei . Acest produs de proinsulină este purificat și transformat în insulină activă printr-o reacție de transpeptidare mediată de tripsină în prezența esterului treoninic . Plantele transgenice sunt utilizate ca sisteme de Expresie datorită rentabilității lor, procesării proteinelor de înaltă calitate, absenței agenților patogeni umani și prezenței mașinilor eucariote pentru modificări post–translaționale . Insulina umană recombinantă a fost produsă în planta Arabidopsis thaliana prin intermediul corpurilor petroliere . Corpurile de ulei sunt situate în interiorul semințelor de ulei, care sunt alcătuite dintr-un nucleu hidrofob de triacilglicerol încapsulat de o membrană fosfolipidică și un perete exterior de proteine cunoscute sub numele de oleozine . Semințele de ulei sunt proiectate genetic cu proteina recombinantă care vizează corpurile petroliere ca fuziune oleozină . Prelucrarea ulterioară implică separarea corpurilor de ulei prin separarea fazei lichid–lichid pentru a reduce etapele de cromatografie în purificarea insulinei . Ulterior, corpul de ulei este purificat, apoi insulina recombinantă este scindată de partenerul de fuziune a oleozinei și maturată prin digestia tripsinei, obținându-se un produs activ de insulină. O abordare alternativă include transformarea cloroplastelor de tutun și salată cu proinsulină umană formată din lanțuri A, B și C fuzionate cu subunitatea B a toxinei holerice . Producția poate produce până la 47% Din proinsulină în frunzele de salată, în timp ce proinsulina din frunzele de tutun a fost extrasă cu o puritate de 98%. Nivelul ridicat de proinsulină biologic activă exprimat în plantele transgenice asigură o producție cu costuri reduse de livrare a proinsulinei injectabile și orale .

avans în aplicarea insulinei

insulina se administrează în principal subcutanat prin flacoane și seringi . Cu toate acestea, din cauza limitărilor utilizării unui flacon sau a unei seringi pentru injecție, dezvoltarea stilourilor de insulină a început să crească. Stilourile cu insulină sunt reutilizabile, cresc conformitatea pacientului și sunt mai precise . Stilourile avansate de insulină includ o tehnologie inteligentă care ține evidența ultimelor 16 doze pentru pacient prin intermediul calculatoarelor încorporate . Insulina injectabilă are încă dezavantaje, determinând cercetătorii să ia abordări noi pentru a furniza insulină. Produsele de insulină inhalate sunt în prezent revizuite de FDA pentru aprobare, deoarece căile pulmonare oferă avantaje. Insulina umană inhalată este de origine ADNR și utilizează livrarea de medicamente Technosphere pentru a ajunge la plămâni . Detaliile acestei administrări de insulină pulmonară includ inhalatoarele activate prin respirație care conțin doze unitare pre-măsurate de insulină. Odată ce acesta întâlnește pH-ul neutru al epiteliului alveolar, acesta se disipează în formă lichidă . Un avantaj văzut aici este absența peptidazelor gastrointestinale care descompun insulina în tractul GI, ocolind ulterior sistemul de metabolizare la prima trecere . Administrarea transdermică a insulinei este o abordare mai nouă utilizată în cazul în care se utilizează tehnici de iontoforeză, sonophereis sau fonophereis . Spre deosebire de administrarea insulinei, terapia cu celule stem este cercetată ca o opțiune de inversare a rezistenței la insulină. Celulele Stem au capacitatea de a se diferenția în celule producătoare de insulină (IPC), de a îmbunătăți regenerarea pancreatică și de a ameliora rezistența la insulină-oferind o alternativă la transplantul de celule insulare . Mai exact, celulele stem mezenchimale (MSC) au căpătat notorietate datorită capacității lor de a regenera celulele insulelor pancreatice, de a le proteja de apoptoză și de a ameliora rezistența la insulină a țesuturilor periferice prin crearea unui mediu optim prin secreția de factori paracrini . Molecular, MSC-urile se diferențiază în IPC prin reprogramarea factorilor cheie de transcripție, cum ar fi Pdx-1, Ngn-3, NeuroD1, Pax4 și Pax6 situate în secțiunea endocrină a pancreasului . Au fost efectuate mai multe experimente pentru a demonstra eficacitatea utilizării MSC-urilor, cu Moriscot și colab. fiind primul care induce diferențierea MSCS a măduvei osoase umane (BM-MSC) în IPCs . Studiile Comparative au diferențiat cu succes MSC-ul derivat din Jeleu (WJ-MSC) al lui Wharton în fenotipuri Mature cu celule de tip XV . MSCs capacitatea de a promova regenerarea celulelor endogene pancreatice insulita prin secreția de citokine și factori de creștere care au paracrină și autocrine activități . Lee și colab. MSC-urile observate migrând spre insula șoarecilor diabetici induși de streptozocină (STZ), unde MSC-urile au accelerat repararea țesuturilor, permițând celulelor endogene să prolifereze și să-și recapete funcția normală . Aceste aplicații alternative de insulină au condus la noi produse de insulină pe piață.

progrese recente în brevetele de insulină& viitor

multe metode noi au fost brevetate pentru a spori livrarea de insulină. Deoarece administrarea orală de insulină este supusă degradării enzimatice, oamenii de știință au analizat abordările bazate pe nanoparticule. Această abordare îmbunătățește biodisponibilitatea prin protejarea insulinei de afecțiunile gastro-intestinale și prin creșterea permeabilității enzimei. Acest lucru se face prin absorbția celulară a nanoparticulelor sau transportul paracelular prin joncțiuni strânse. Un exemplu de brevet actual de nanoparticule este un polimer natural anionic cu acizi grași cu lanț mediu care sunt absorbiți prin peretele celular intestinal. Polimerul blochează eliberarea insulinei în stomac pentru a preveni degradarea enzimei și este capabil să deschidă joncțiuni strânse pentru a spori absorbția insulinei paracelular .

în plus față de utilizarea nanoparticulelor ca metodă de administrare a insulinei, au fost brevetate alte sisteme, cum ar fi sistemul de eliberare a insulinei bioresponsive. Acest sistem cuprinde o celulă beta artificială cu o membrană hidrogel sensibilă la glucoză pentru eliberarea controlată de feedback a insulinei. Această membrană captează enzimele de glucoză-oxidază într-un polimer hidrogel, reduce pH-ul membranei și crește permeabilitatea membranei hidrogel la insulină. Astfel, sistemul funcționează pentru a accelera eliberarea de insulină cu creșterea nivelului de glucoză .

mai recent, cercetătorii au explorat utilizarea lipozomilor, biliozomilor și prolipozomilor pentru administrarea insulinei. Acestea acționează prin încapsularea insulinei utilizând raportul fosfolipid/colesterol adecvat pentru a preveni scurgerea insulinei din miezul lipozomilor și degradarea de către enzime. Bilozomii încorporează săruri biliare în lipozomi pentru a stabiliza bilozomul împotriva degradării sării biliare în tractul GI și pentru a spori fluiditatea membranei. Prolipozomii sunt formați prin dispersie de film-uscare prin congelare pentru a forma particule uscate și cu curgere liberă. Aceste metode includ utilizarea lipozomilor pentru a spori absorbția gastrointestinală și biodisponibilitatea orală a insulinei .

deși acestea sunt doar câteva exemple de progrese recente în brevetele de livrare a insulinei, există multe alte produse. Alte exemple includ încorporarea insulinei într-o emulsie apă-în-ulei prin omogenizare la presiune înaltă pentru a proteja insulina împotriva degradării gastrice, încapsularea insulinei într-o mică capsulă de gelatină moale și acoperirea cu un polimer poliacrilic pentru a proteja de descompunerea enzimatică și multe alte produse care ajută la prevenirea degradării insulinei de către mediul gastrointestinal dur .

concluzie

progresele recente în producția de insulină prin MSC s-au dovedit a fi promițătoare. Rezultatele testării eficacității utilizării MSC la animale au oferit avantaje, dar există încă unele dezavantaje. Avantajele includ capacitatea MSC – urilor de a gestiona episoadele hiperglicemice prin diferențierea în IPC-uri, regenerarea pancreatică și ameliorarea rezistenței la insulină la modelele animale . Animalele nu sunt replici ale pacienților umani cu diabet zaharat de tip 2, dar oferă mecanisme similare de acțiune pentru MSC. În plus față de aplicațiile de insulină MSC, noile sisteme de producție au oferit beneficii excelente pacienților cu diabet zaharat. Sistemele de expresie bazate pe plante transgenice asigură producția de insulină de mare capacitate cu costuri reduse de producție. Acest avantaj va fi benefic, deoarece numărul pacienților diabetici continuă să crească.