Инсулин: биология, производство и новые терапии

Биологическая роль

Инсулин — пептидный гормон, регулирующий глюкозу крови и необходимый для клеточного энергетического обмена. Секретируется β-клетками поджелудочной железы (островки Лангерганса). Базальная серекция поддерживает глюкозу натощак, постпрандиальные пики реагируют на повышение глюкозы после еды.

После приема пищи глюкоза растет в крови, запуская выработку инсулина. Инсулин связывается с рецепторами клеточных мембран, запуска каскад транспорта глюкозы и аминокислот в клетки для получения энергии. Без инсулина глюкоза накапливается в крови, клетки голодают — симптомы: усталость, размытое зрение, покалывания, жажда, медленное заживление ран.

Хронический дефицит заставляет организм метаболизировать жиры, образуя кетоны, которые при неконтролируемом ходе приводят к диабетической кетоацидозе и коме.

Типы диабета и инсулинотерапия

Диабет I типа (юношеский) — абсолютный дефицит инсулина; пациенты вводят короткодействующий инсулин 3–4 раза в сутки, дозировка по глюкометру.

Диабет II типа — относительный дефицит или резистентность. Многие справляются образом жизни и пероральными препаратами, но инсулиновые инъекции — обычно 1–2 раза в сутки — могут понадобиться при прогрессировании.

Инсулиновые препараты различаются по началу действия, пику и длительности. По Американской ассоциации диабета:

• Ультракороткие: начало 15 мин, пик 30–90 мин, длительность ~5 ч.
• Короткие: начало 30 мин, пик 2–4 ч, длительность 4–8 ч.
• Промежуточные: начало 2–6 ч, пик 4–14 ч, длительность 14–20 ч.
• Длительные: начало 6–14 ч, пик минимален, длительность 20–24 ч.

Исторические вехи

1921: Фредерики Бэнтинг и Чарльз Бест очистили инсулин из поджелудочной железы собаки — первое успешное лечение диабета I типа. Последующие прорывы: протамин для задержанного действия (1936), промежуточные формулы (1950), аналоги, имитирующие естественный профиль (1970-е).

Раннее производство опиралось на экстракцию из бычьих и свиных поджелудочных желез. 1980-е принесли революцию рекомбинантной ДНК: в 1982 году Eli Lilly выпустила первый человеческий инсулин из генетически модифицированных бактерий, устранив животные примеси и риски передачи болезней. Сегодня >95 % мирового инсулина — человеческий или аналоговый.

Сырьё и производство

Человеческий инсулин производят в рекомбинантной Escherichia coli или дрожжах. Процесс начинается синтезом гена инсулина — двух цепей (А-цепь: 21 аминокислота; В-цепь: 30 аминокислот) или прекурсора проинсулина. Ген вставляют в плазмиды, вводят в бактерии трансфекцией.

Бактериальные культуры растут в крупных ферментерах, делясь каждые ~20 мин. После сбора клетки лизируют, цепи инсулина экстрагируют, очищают хроматографией (ионообмен, обратная фаза HPLC, гель-фильтрация) и собирают, формируя дисульфидные мостики.

Для аналогов генетическую последовательность незначительно меняют для улучшения фармакокинетики (например, гларгин для пролонгированного действия). Добавки вроде оксида цинка модулируют скорость всасывания.

Контроль качества и регуляторные стандарты

Произведенный инсулин проходит строгое тестирование: ВВХС для чистоты, рентгеноструктурный анализ, гель-фильтрация, секвенирование аминокислот подтверждают структуру. Целостность упаковки проверяется, все продукты должны соответствовать рекомендациям NIH и получать одобрение FDA.

Будущие системы доставки

Инновации нацелены на удобство и имитацию эндогенной серекции:

• Шприц-ручки — компактные, с предзаполненными картриджами для одиночной дозы.
• Иглёвые инжекторы — устройства с давлением, вводящие инсулин без иглы.
• Инсулиновые насосы — носимые приборы для непрерывной базальной инфузии и болюсных доз до еды.
• Ингаляционный инсулин — тонкие частицы для глубокого легкого всасывания.
• Буккальные (щечные) спреи — всасывание через слизистую щеки.
• Трансдермальные пластыри — ультразвук или микроиглы для повышения проницаемости кожи.

Долгосрочные цели: стволовые терапии для восстановления β-клеток поджелудочной и генная редакция для исправления мутаций инсулинового гена, потенциально исключающие нужду в экзогенном инсулине.

Источники для дополнительного изучения

Книги

• Кларк, Дэвид П., и Лонни Д. Рассел. Molecular Biology Made Simple and Fun, 2-е изд. Вена, IL: Cache River Press, 2000.
• Консидин, Дуглас М., ред. Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia, 8-е изд. Нью-Йорк: International Thomson Publishing, 1995.

Периодика

Динсмор, Роберт С. «Инсулин: бесконечная эволюция». Countdown (весна 2001).

Веб-ресурсы

• Diabetes Digest (15 ноя 2001)
• Discovery of Insulin (16 ноя 2001)
• Eli Lilly Diabetes (16 ноя 2001)
• Novo Nordisk Diabetes (15 ноя 2001)

Дополнительная ссылка

Eli Lilly Corporation. Humulin and Humalog Development, CD‑ROM, 2001.