nya framsteg och nära framtid för insulinproduktion och terapi

Världshälsoorganisationen (WHO) har listat insulin som en ”essentiell medicin”; en grundläggande medicin som ”uppfyller befolkningens prioriterade hälsobehov”. Detta indikerar tydligt betydelsen av insulin för human sjukdomsbehandling. Med en ökning av diabetespatienter över hela världen bedrivs för närvarande nya metoder för effektivare insulinproduktion och applicering. Tekniker för att förbättra insulinläkemedelsdesign, biosyntes och leverans är fortfarande heta ämnen för läkemedelskemi, farmakologi och farmaci. Denna redaktion kommer att ta upp det populära och intressanta ämnet för de senaste framstegen och framtida perspektiv på insulinproduktion och terapi. Det bör ge en värdefull resurs för forskare och kliniker inom diabetes och insulinbehandling.

Insulinhistoria, betydelse& grundstruktur

Zion Market Research har förutspått en marknad för insulin att nå $43.6 miljarder USD 2021 . Kolhydrat-och fettmetabolism regleras främst av insulin, vilket gör insulin till en viktig och viktig medicinering. Upptäckt 1921 av Banting och bäst som ett polypeptidhormon, produceras insulin av Langerhans öar i bukspottkörteln . Insulin syntetiseras av betaceller i bukspottkörteln som en enda kedja av tre peptider A, B och C; känd som pre-proinsulin . Pre-proinsulin klyvs och polypeptiden translokeras till det humana endoplasmatiska retikulumet som bildar proinsulin. Omvandling till moget insulin uppnås genom proteolytiska enzymer som kallas prohormonkonvertaser PC1 / PC3 och PC2, klyvning i två positioner för att frigöra den centrala C-peptiden . Det resulterande mogna insulinet består av 51 aminosyror (30 aminosyra B-kedjor och 21 aminosyra a-kedjor) kopplade ihop med två interkedindisulfidbindningar för att bilda en monomer . Dessutom innehåller A-kedjan en intrakedjig disulfidbindning. Klyvning av C-terminal aminosyra från endera kedjan, och de två interchain disulfidbindningarna eliminerar aktiviteten hos det mogna insulinet.

förskott i insulin mutanter: struktur & funktionsförhållande

insulinsekretion i kroppen Toppar 1 h efter att ha ätit följt av dess nedgång inom de närmaste 2 h hos friska individer . Däremot kräver diabetespatienter insulin att ha en specifik topptid, verkan och verkningstid för att uppnå en 24-timmars insulinprofil och för att undvika nattlig hypoglykemi; således behovet av flera insulinformuleringar . När insulin har injicerats bildar molekylen en hexamer som hålls samman av en enda zinkjon . Hexamererna dissocierar i dimerer och monomerer som diffunderar och tränger igenom kapillärväggar för att nå blodomloppet. Dissociationshastigheten manipuleras i olika formuleringar. Snabbverkande insulinformuleringar produceras genom rekombinant DNA-teknik genom att byta enstaka eller två aminosyrarester i insulinmolekylen. Aminosyramodifieringen förändrar inte receptorbindningen utan hämmar bildandet av insulindimerer och hexamerer . Större mängder insulinmonomerer görs lätt tillgängliga för snabb absorption. Aktuella marknadsexempel inkluderar Lispro och Aspart. Lispros analog har sina ProB28-och LysB29-rester på den C-terminala änden av B-kedjan omvänd till LysB28 och ProB29 . Insulin Aspart har sin prolin vid position 28 på B-kedjan ersatt med asparaginsyra . Asparts modifiering ger en ökning av laddningsavstötningen för att förhindra att hexamerer bildas, vilket skapar ett snabbare verkande insulin. Mellanliggande analoger, NPH (Neutral – protamin – Haledon) och LENTE, uppvisar verkan nära 1-2 h, toppverkan 6-10 h och aktivitetsvaraktighet 10-16 h . Absorptionshastigheterna minskar i NPH på grund av tillsatsen av protamin, ett litet argininrikt kärnprotein, vilket saktar starten och ökar varaktigheten av insulinverkan. LENTE uppnår detsamma genom tillsats av zink till dess formulering.

framsteg i rekombinant insulinproduktion

rekombinant humaninsulin produceras främst i E. coli-eller Saccharomyces cerevisiae expressionssystem . Initialt, E. coli var det föredragna expressionssystemet för storskalig rekombinant insulinproduktion på grund av dess höga utbyte och kostnadseffektivitet . Genetechs produktionsmetod använde kemiskt syntetiserad cDNA-kodning för insulin A-och B-kedjor separat . Således renades de två kedjorna och saminkuberades under föredragna betingelser för att påskynda generationstillväxten av intakt disulfidbindningsbildning . Alternativt använde Eli Lilly en enda kemiskt syntetiserad cDNA som kodar för humant proinsulin med efterföljande rening och excision av C-peptiden, vilket gav en aktiv insulinprodukt . S. cerevisiae expression-system innehåller konstruerade insulinkonstruktioner med infödda A-och B-kedjor som saknar C-terminal B30-treonin, smält eller länkad av en liten syntetisk C-peptid . Konstruktionen är gjord av cDNA-sekvensen smält med alfafaktorsignalsekvensen i S. cerevisiae för uttryck av proinsulin . Denna proinsulinprodukt renas och transformeras till aktivt insulin genom en trypsinmedierad transpeptidationsreaktion i närvaro av treoninester . Transgena växter används som expressionssystem på grund av deras kostnadseffektivitet, högkvalitativ proteinbehandling, frånvaro av humana patogener och närvaro av eukaryota maskiner för post–translationella modifieringar . Rekombinant humant insulin har producerats i växt Arabidopsis thaliana via oljekroppar . Oljekroppar finns inuti oljeväxter, som består av en hydrofob triacylglycerolkärna inkapslad av ett fosfolipidmembran och en yttervägg av proteiner som kallas oleosiner . Oljefröna är genetiskt konstruerade med det rekombinanta proteinet som riktar sig mot oljekroppar som oleosinfusion . Vidare bearbetning innebär att oljekroppar separeras via flytande fasseparation för att minska kromatografisteg vid rening av insulin . Därefter renas oljekroppen, sedan klyvs rekombinant insulin från oleosinfusionspartnern och mognas genom trypsinsmältning vilket ger en aktiv insulinprodukt. Ett alternativt tillvägagångssätt innefattar omvandling av tobaks-och salladkloroplaster med humant proinsulin bestående av A -, B-och C-kedjor smält med kolera toxin B-subenhet . Produktionen kan ge upp till 47% proinsulin i salladsblad medan proinsulin från tobaksblad har extraherats med 98% renhet . Den höga nivån av biologiskt aktivt proinsulin som uttrycks i transgena växter ger billig produktion av injicerbar och oral proinsulinleverans .

förskott i insulinansökan

Insulin administreras primärt subkutant via injektionsflaskor och sprutor . På grund av begränsningar av att använda en injektionsflaska eller spruta för injektion började utvecklingen av insulinpennor stiga. Insulinpennor är återanvändbara, ökar patientens efterlevnad och är mer exakta . Avancerade insulinpennor inkluderar smart teknik som håller reda på de senaste 16 doserna för patienten genom inbyggda räknare . Injicerbart insulin har fortfarande nackdelar, ledande forskare att ta nya metoder för att leverera insulin. Inhalerade insulinprodukter granskas för närvarande av FDA för godkännande, eftersom lungvägar erbjuder fördelar. Inhalerat humant insulin är av rDNA-ursprung och använder Technosphere drug delivery för att nå lungorna . Detaljer om denna lunginsulinleverans inkluderar andningsaktiverade inhalatorer som innehåller fördoserade enhetsdoser av insulin. När detta möter det neutrala pH-värdet i det alveolära epitelet försvinner det i flytande form . En fördel som ses här är frånvaron av gastrointestinala peptidaser som bryter ner insulin i GI-kanalen och därefter kringgår det första passmetabolismsystemet . Transdermal administrering av insulin är en nyare metod som används där jontofores, sonophereis eller fonophereis tekniker används . Till skillnad från insulinleverans undersöks stamcellsterapi som ett alternativ för att vända insulinresistens. Stamceller har kapacitet att differentiera till insulinproducerande celler (IPCs), förbättra pankreatisk regenerering och förbättra insulinresistensen-erbjuder ett alternativ till öcellstransplantation . Specifikt har mesenkymala stamceller (MSC) blivit kända på grund av deras förmåga att regenerera pankreasöar-celler, skydda dem från apoptos och förbättra insulinresistensen hos perifera vävnader genom att skapa en optimal miljö genom utsöndring av parakrinfaktorer . Molekylärt differentierar MSC till IPC genom omprogrammering av nyckeltranskriptionsfaktorer såsom Pdx-1, Ngn-3, NeuroD1, Pax4 och Pax6 belägna i den endokrina delen av bukspottkörteln . Flera experiment har genomförts för att visa effekten av att använda MSC, med Moriscot et al. att vara den första som inducerar mänsklig benmärgs MSC (BM-MSC) differentiering till IPCs . Jämförande studier differentierade framgångsrikt Whartons jelly-derived MSC (WJ-MSC) till mogna fenotyper av fenotyper av celler . MSCs förmåga att främja regenerering av endogen pankreatisk ö-celler via utsöndring av cytokiner och tillväxtfaktorer som har parakrin och autokrina aktiviteter . Lee et al. observerade MSCs migrerar mot Holmen av streptozocin (STZ)-inducerade diabetiska möss där MSCs accelererade vävnadsreparation genom att tillåta endogena celler att proliferera och återfå sin normala funktion . Dessa alternativa insulintillämpningar har lett till nya insulinprodukter på marknaden.

nya framsteg inom insulinpatent & future

många nya metoder har patenterats för att förbättra leveransen av insulin. Eftersom oral insulinleverans är föremål för enzymatisk nedbrytning har forskare tittat på nanopartikelbaserade tillvägagångssätt. Detta tillvägagångssätt förbättrar biotillgängligheten genom att skydda insulin från gastrointestinala tillstånd och förbättra enzymets permeabilitet. Detta görs genom cellulärt upptag av nanopartiklar eller paracellulär transport över snäva korsningar. Ett exempel på ett aktuellt nanopartikelpatent är en anjonisk naturlig polymer med medelkedjiga fettsyror som absorberas genom tarmcellväggen. Polymeren blockerar frisättningen av insulin i magen för att förhindra nedbrytning av enzymet och kan öppna täta korsningar för att förbättra insulinabsorptionen paracellulärt .

förutom användningen av nanopartiklar som en metod för insulinleverans har andra system, såsom det bioresponsiva insulinleveranssystemet, patenterats. Detta system innefattar en artificiell betacell med ett glukoskänsligt hydrogelmembran för återkopplingskontrollerad tillförsel av insulin. Detta membran fångar glukosoxidasenzymer i en hydrogelpolymer, minskar membranets pH och ökar permeabiliteten hos hydrogelmembranet till insulin. Således arbetar systemet för att påskynda frisättningen av insulin med ökande nivåer av glukos .

på senare tid har forskare undersökt användningen av liposomer, biliosomer och proliposomer för insulinleverans. Dessa fungerar genom att inkapsla insulin med lämpligt fosfolipid / kolesterolförhållande för att förhindra läckage av insulin från liposomkärnan och nedbrytning av enzymer. Bilosomer inkorporerar gallsalter till liposomerna för att stabilisera bilosomen mot gallsaltnedbrytning i GI-kanalen och förbättra membranets fluiditet. Proliposomer bildas genom filmdispersion-frystorkning för att bilda torkade och fritt flödade partiklar. Dessa metoder innefattar användningen av liposomer för att förbättra gastrointestinal absorption och oral biotillgänglighet av insulin .

även om dessa bara är några exempel på de senaste framstegen inom insulinleveranspatent finns det många andra produkter. Några andra exempel inkluderar införlivandet av insulin i en vatten-i-olja-emulsion genom högtryckshomogenisering för att skydda insulin mot gastrisk nedbrytning, inkapsling av insulin i en liten mjuk gelatinkapsel och beläggning med en polyakrylpolymer för att skydda mot enzymatisk nedbrytning och många fler produkter som hjälper till att förhindra nedbrytning av insulin genom den hårda gastrointestinala miljön .

slutsats

de senaste framstegen i produktionen av insulin via MSC har visat sig vara lovande. Resultat från att testa effekten av MSC-användning hos djur har gett fördelar, men vissa nackdelar finns fortfarande. Fördelar inkluderar MSCs förmåga att hantera hyperglykemiska episoder genom att differentiera till IPCs, bukspottskörtelregenerering och förbättra insulinresistensen i djurmodeller . Djur är inte kopior av humana patienter med typ 2-diabetes mellitus, men de ger liknande mekanismer för åtgärder för MSC. Förutom MSC-insulinapplikationer har nya produktionssystem gett utmärkta fördelar för patienter med diabetes mellitus. Transgena växtbaserade expressionssystem ger högkapacitetsproduktion av insulin med låg produktionskostnad. Denna fördel kommer att vara fördelaktig eftersom antalet diabetespatienter fortsätter att växa.