Технология получения инсулина

 

раздельное получение обеих цепей

разделение мизоформ

получение                                                                                                                                                                 

проинсулина

 

Рисунок 1 – Схема способы получения инсулина человека

 
Инсулин оказался первым белком, полученным для коммерческих целей с использованием технологии рекомбинантной ДНК. Существует два основных подхода для получения генно-инженерного инсулина человека. В первом случае осуществляют раздельное (разные штаммы-продуценты) получение обеих цепей с последующим фолдингом молекулы (образование дисульфидных мостиков) и разделением мизоформ. Во втором - получение в виде предшественника (проинсулина) с последующим ферментативным расщеплением трипсином и карбоксипептидазой. В до активной формы гормона. Наиболее предпочтительным в настоящее время является получение инсулина в виде предшественника, обеспечивающее правильность замыкания дисульфидных мостиков (в случае раздельного получения цепей проводят последовательные циклы денатурации, разделения мизоформ и ренатурации[3]. 
При обоих подходах возможно как индивидуальное получение исходных компонентов (А- и В-цепи или проинсулин), так и в составе гибридных белков. Помимо А- и В-цепи или проинсулина, в составе гибридных белков могут присутствовать:  
1) белок носитель - обеспечивающий транспортировку гибридного белка в периплазматическое пространство клетки или культуральную среду;  
2) аффинный компонент - существенно облегчающий выделение гибридного белка.  
При этом оба эти компонента могут одновременно присутствовать в составе гибридного белка. Кроме этого, при создании гибридных белков может использоваться принцип мультимерности, (то есть, в гибридном белке присутствует несколько копий целевого полипептида), позволяющий существенно повысить выход целевого продукта[4].

 

1.4Экспрессия проинсулина в клетках Е.coli.

В работе использовали штамм JM 109 N1864 со встроенной в плазмиду нуклеотидной последовательностью, экспрессирующей гибридный белок, который состоит из линейного проинсулина и присоединенного к его N-концу через остаток метионина фрагмента белка АStaphylococcusaureus. Культивирование насыщенной биомассы клеток рекомбинантного штамма обеспечивает начало производства гибридного белка, выделение и последовательная трансформация которого intube приводят к инсулину. Другая группа исследователей получала в бактериальной системе экспрессии слитой рекомбинантный белок, состоящий из проинсулина человека и присоединенного к нему через остаток метионина полигистидинового "хвоста". Его выделяли, используя хелатную хроматографию на колонках с Ni-агарозой из телец включения и расщепляли бромцианом. Авторы определили, что выделенный белок является S-сульфурированным. Картирование и масс-спектрометрический анализ полученного проинсулина, очищенного ионнообменной хроматографией на анионите и ОФ (обращеннофазовой) ВЭЖХ (высокоэффективной жидкостной хроматографией), показали наличие дисульфидных мостиков, соответствующих дисульфидным мостикам нативного проинсулина человека. Также сообщается о разработке нового, усовершенствованного способа получения инсулина человека методами генной инженерии в прокариотических клетках. Авторами установлено, что полученный инсулин по своему строению и биологической активности идентичен гормону, выделенному из поджелудочной железы[5]. 
В последнее время пристальное внимание уделяется упрощению процедуры получения рекомбинантного инсулина методами генной инженерии. Так получили слитой белок, состоящий из лидерного пептида интерлейкина присоединенного к N-концу проинсулина, через остаток лизина. Белок эффективно экспрессировался и локализовался в тельцах включения. После выделения белок расщеплялся трипсином с получением инсулина и С-пептида. Другая группа исследователей действовала аналогичным способом. Слитой белок, состоящий из проинсулина и двух синтетических доменов белка А стафилококков, связывающих IgG, локализовался в тельцах включения, но обладал более высоким уровнем экспрессии. Белок выделялся аффинной хроматографией с использованием IgG и обрабатывался трипсином и карбоксипептидазой В. Полученные инсулин и С-пептид очищались ОФ ВЭЖХ. При создании слитых конструкций весьма существенным является соотношение масс белка носителя и целевого полипептида. Так описано конструирование слитых конструкций, где в качестве полипептида - носителя использовали белок, связывающий сывороточный альбумин человека. К нему присоединяли один, три и семь С-пептидов. С-пептиды соединялись по принципу "голова-хвост" с помощью аминокислотных спейсеров, несущих сайт рестрикции Sfi I и два остатка аргинина в начале и в конце спейсера для последующего расщепления белка трипсином. ВЭЖХ продуктов расщепления показала, что отщепление С-пептида проходит количественно, а это позволяет использовать способ мультимерных синтетических генов для получения целевых полипептидов в промышленном масштабе.  
Получение мутанта проинсулина, который содержал замену Arg32Tyr. При совместном расщеплении этого белка трипсином и карбоксипептидазой В образовывался нативный инсулин и С-пептид содержащий остаток тирозина. Последний, после мечения 125I, активно используется в радиоиммунном анализе[6].

 

1.5 Очистка инсулина

Инсулин, предназначенный для изготовления лекарственных препаратов, должен быть высокой чистоты. Поэтому необходим высокоэффективный контроль за чистотой получаемых продуктов на каждой стадии производства. Ранее с помощью ОФ и ИО (ионообменной) ВЭЖХ были охарактеризованы проинсулин-S-сульфонат, проинсулин, отдельные А- и В-цепи и их S-сульфонаты [5]. Также особое внимание уделяется флуоресцентным производным инсулина [6]. В работе авторы исследовали применимость и информативность хроматографических методов при анализе продуктов всех стадий производства инсулина человека и составили регламент хроматографических операций позволяющий эффективно разделять и охарактеризовывать полученные продукты. Авторы разделяли производные инсулина используя бифункциональные сорбенты (гидрофобная и ионообменная ОФ ВЭЖХ) и показали возможность управления селективностью разделения путем варьирования вклада каждого из взаимодействий, благодаря чему достигается большая эффективность при разделении близких аналогов белка. Кроме того, разрабатываются подходы для автоматизации и ускорения процессов определения чистоты и количества инсулина. Сообщается об исследованиях возможности применения ОФ жидкостной хроматографии с электрохимическим детектированием для определения инсулина и разработана методика определения инсулина, выделенного из островка Лангерганса методом иммуноаффинной хроматографии со спектрометрическим детектированием. В работе  исследовали возможность применения быстрого микроопределения инсулина с использованием капиллярного электрофореза с лазерно-флуоресцентным детектированием. Анализ выполняется путем добавления к пробе известного количества инсулина, меченного фенилизотиоцианатом (ФИТЦ) и фрагмента Fab моноклональных антител на инсулин. Меченый и обычный инсулины конкурентно вступают в реакцию образования комплекса с Fab. Меченый ФИТЦ инсулин и его комплекс с Fab разделяют за 30 секунд[7]. 
В последнее время большое количество работ посвящено усовершенствованию способов получения инсулина, а также созданию лекарственных форм на его основе. Например, в США запатентованы гепатоспецифические аналоги инсулина, структурно отличающиеся от природного гормона за счет введения в положения 13 - 15 и 19 А-цепи и в положение 16 В-цепи иных аминокислотных остатков. Полученные аналоги используются в составе различных парентеральных (внутривенных, внутримышечных, подкожных), интраназальных лекарственных форм или имплантации в виде специальных капсул при лечении сахарного диабета. Особо актуальным является создание лекарственных форм вводящихся без инъекций. Сообщается о создании макромолекулярной системы перорального применения, представляющей собой инсулин иммобилизованный в объеме полимерного гидрогеля, модифицированного ингибиторами протеолитических ферментов. Эффективность такого препарата составляет 70-80 % от эффективности подкожно введенного нативного инсулина. В другой работе лекарственный препарат получают одноэтапной инкубацией инсулина с эритроцитами, взятыми в соотношении 1-4:100, в присутствии связывающего агента. Авторы сообщают о получении лекарственного препарата с активностью 1000 ед./г., полном сохранении активности при пероральном введении и хранении в течение нескольких лет в лиофилизированном виде.  
Кроме создания новых лекарственных препаратов и лекарственных форм на основе инсулина, разрабатываются новые подходы к решению проблемы сахарного диабета. Так, трансфицировали кДНК белка переносчика глюкозы GLUT2 предварительно стабильно трансфицированные полноразмерной кДНК инсулина клетки НЕР G2 ins. В полученных клонах НЕР G2 Insgl глюкоза стимулирует близкую к нормальной секрецию инсулина и потенцирует секреторный ответ на другие стимуляторы секреции. При иммуноэлектронной микроскопии в клетках обнаружены содержащие инсулин гранулы, морфологически сходные с гранулами в b-клетках островков Лангерганса. В настоящий момент серьезно обсуждается возможность применения для лечения сахарного диабета 1 типа "искусственной b-клетки", полученной методами генной инженерии [7]. 
Наряду с решением практических проблем изучаются и механизмы действия инсулина, а также структурно-функциональные отношения в молекуле. Одним из способов исследования является создание различных производных инсулина и изучение их физико-химических и иммунологических свойств. Как уже говорилось выше, ряд методов производства инсулина основан на получении данного гормона в виде предшественника (проинсулина) с последующим ферментативным расщеплением до инсулина и С-пептида. В настоящее время для С-пептида показано наличие биологической активности, что позволяет использовать его в терапевтических целях наряду с инсулином. В следующих статьях этой серии будут рассмотрены физико-химические и биологические свойства С-пептида, а также методы его получения.  
Значителен вклад биотехнологии и в промышленное производство непептидных гормонов, в первую очередь стероидов. Методы микробиологической трансформации позволили резко сократить число этапов химического синтеза кортизона, гормона надпочечников, применяемого для лечения ревматоидного артрита. При производстве стероидных гормонов широко используют иммобилизованные микробные клетки, например Arthrobacterglobiformis, для синтеза преднизолона из гидрокортизона. Имеются разработки по получению гормона щитовидной железы тироксина из микроводорослей[6].

По степени очистки

• традиционные - экстрагируются кислым этанолом, а в процессе очистки фильтруются, высаливаются и многократно кристаллизуются (метод не позволяет очистить препарат от примесей других гормонов, содержащихся в поджелудочной железе)
• монопиковые (MP) - после традиционной очистки фильтруются на геле (при проведении гельхроматографии образуют всего один «пик»: содержание вышеперечисленных примесей не более 1·10−3
• Монокомпонентные (MC) - подвергаются ещё более глубокой очистке с помощью молекулярного сита и метода ионообменной хроматографии на DEAE-целлюлозе, что позволяет добиться 99 % степени их чистоты (1·10−6) [8](рисунок 2)

Очистка инсулина

 

Традиционные      Монопиковые       Монокомпонентные

Рисунок 2- Схема очистки инсулина

 

1.6 Способ применения  и дозы

Определяются и регулируются строго под медицинским наблюдением в соответствии с состоянием пациента. Все препараты хумулина могут вводиться подкожно или внутривенно; хумулин Р в ампулах вводится внутривенно. Подкожное введение, предпочтительное пациентам, следует делать в верхнюю часть руки, бедра, ягодицы или в брюшную область. Места укола нужно менять, чтобы одна и та же часть тела использовалась не чаще одного раза в месяц. При этом не должны затрагиваться капилляры. Место укола не требует массажа. Патрончики с хумулином используются только для инъекции в Пенах Бектон Дикинсона. При этом необходимо тщательно придерживаться указаний производителя, отмеченных на Пенах при их заправке и применении. Пациенты должны всегда иметь под рукой запасной шприц и ампулу с хумулином на случай, если Пен - устройство для инъекции или патрончик будут утеряны. Профили действия хумулина. Хумулин Р: начало действия через 10 минут, максимум действия - между 1 и 3 часами, длительность действия - от 5 до 7 часов. Хумулин Н: начало действия - через 30 минут, максимум действия - между 2 и 8 часами, длительность действия - от 18 до 20 часов. Хумулин М1: начало действия - через 30 минут, максимум действия - между 2 и 9 часами, длительность действия - от 16 до 18 часов. Хумулин М2: начало действия - через 30 минут, максимум действия между 1,5 и 9 часами, длительность действия - от 14 до 16 часов. Хумулин М3: начало действия - через 30 минут, максимум действия - между 1 и 8,5 часами, длительность действия - от 14 до 15 часов. Хумулин М4: начало действия - через 30 минут, максимум действия - между 1 и 8 часами, длительность действия - от 14 до 15 часов. Хумулин Л: начало действия - через 2 часа, максимум действия - между 4 и 16 часами, длительность действия - около 24 часов. Хумулин У: начало действия - через 3 часа, максимум действия - между 3 и 18 часами, длительность действия - от 24 до 28 часов. Терапия одним препаратом. Хумулин Р можно вводить без других видов инсулина, используя многоразовые ежедневные инъекции. Хумулин Н, Л и У также можно вводить самостоятельно 1-2 раза в день. Комбинированная терапия. Для усиления первоначального эффекта некоторым пациентам дополнительно к хумулину Р назначают хумулины Н, Л и У. Одновременное применение инсулинов животной группы, выпущенных различными фирмами не рекомендуется. Хумулин М не требует комбинационной терапии, его вводят два раза в день (2/3 ежедневной потребности утром, остальное - вечером). Для любого введения доза не должна превышать 50 единиц. Пациент обязан информировать врача о беременности. В этот период необходим строгий контроль за состоянием здоровья инсулинозависимой пациентки. Потребность в препарате обычно уменьшается в первом триместре и увеличивается во втором и третьем. Пациенткам с диабетом в период лактации требуется коррекция дозы инсулина (и диеты) [9].

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сахарный диабет – хроническое заболевание, обусловленное абсолютной или относительной недостаточностью инсулина. Оно характеризующееся глубоким нарушением обмена углеводов с гипергликемией и гликозурией, а также другими нарушениями обмена веществ в результате воздействия ряда генетических и внешних факторов.

Инсулин до настоящего времени служит радикальным, а в большинстве случаев единственным средством для поддержания жизни и трудоспособности больных сахарным диабетом. До получения и внедрения инсулина в клинику в 1922-1923 гг. больных сахарным диабетом I типа ждал летальный исход в течение одного-двух лет с начала заболевания, несмотря на применение самых изнурительных диет. Больные сахарным диабетом I типа нуждаются в пожизненной заместительной терапии препаратами инсулина. Прекращение в силу тех или иных причин регулярного введения инсулина ведет к быстрому развитию осложнений и скорой гибели больного.

В настоящее время сахарный диабет по распространенности находится на 3-м месте после сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний. По данным Всемирной организации здравоохранения, распространенность сахарного диабета среди взрослого населения в большинстве регионов мира составляет 2-5 % и имеется тенденция увеличения количества больных почти в два раза каждые 15 лет. Несмотря на очевидный прогресс в области здравоохранения, численность инсулинозависимых больных увеличивается с каждым годом и на текущий момент только в России составляет около 2 миллионов человек.

Создание препаратов отечественного генно-инженерного инсулина человека открывает новые возможности решения многих проблем для спасения жизни миллионов людей, страдающих сахарным диабетом.

Сахарный диабет занимает третье место в мире после сердечнососудистых и онкологических недугов. По различным источникам, в мире насчитывается от 120 до 180 млн. больных диабетом, что составляет 2-3 процентов от всего населения планеты. По прогнозам ученых, каждые 15 лет ожидается двукратное увеличение числа больных.

По моему мнению, инсулин является одним из наиболее изученных гормонов. С момента открытия того факта, что инсулин, вырабатываемый поджелудочной железой, отвечает за снижение уровня сахара в крови, до настоящего времени прошло уже более 80 лет. Тем не менее, и по сей день этот гормон вызывает огромный интерес.

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рэ, Л. Оптимизация биотехнологического производства субстанций рекомбинантных интерферонов человека; пер. с франц.- М.:Мир,2002.-С. 140-143. 
2. Шевелуха, В. С. Сельскохозяйственная биотехнология/В. С. Шевелуха, Е. А. Калашникова, 4-е изд.- М.:Изд-во  Высшая школа,2003.-437 с.

3. Смит ,О. Государственный реестр лекарственных средств; пер. с англ.- М.:Мир, 2003.-С. 37-39.

4. Грищенко, В. И. . Молекулярная биотехнология интерферонов  - 2008.-Т. 11,вып. 7.-Харьков. 238.

5. Садченко, Л. С. Современные достижения биотехнологии в медицинской промышленности. -2008.-М. 31,вып. 5.-Л. 213.

6.Современная биотехнология [Электронный ресурс]: сайт по биотехнологии. -  Режим доступа: http://www.bionews.ru/news/Bio.htm

7. Маринива А.К. Производство белковых веществ. Биотехнология - 2007.-Т. 51,вып. 5.-СПб. 17.  

8.http://ru.wikipedia.org/wiki/

9.http://www.medichelp.ru/ 
10.http://mikrobio.ho.ua/