Insulin (Deutsch)

Hintergrund

Insulin ist ein Hormon, das die Glukosemenge (Zucker) im Blut reguliert und für eine normale Funktion des Körpers erforderlich ist. Insulin wird von Zellen in der Bauchspeicheldrüse produziert, die Langerhans-Inseln genannt werden. Diese Zellen setzen kontinuierlich eine kleine Menge Insulin in den Körper frei, setzen jedoch als Reaktion auf einen Anstieg des Blutzuckerspiegels Überspannungen des Hormons frei.,

Bestimmte Zellen im Körper verändern die aufgenommene Nahrung in Energie oder Blutzucker, die Zellen verwenden können. Jedes Mal, wenn eine Person isst, steigt der Blutzucker. Erhöhter Blutzucker löst die Zellen in den Langerhans-Inseln aus, um die notwendige Insulinmenge freizusetzen. Insulin ermöglicht den Transport des Blutzuckers aus dem Blut in die Zellen. Zellen haben eine Außenwand, eine Membran genannt, die steuert, was in die Zelle eindringt und austritt. Die Forscher wissen noch nicht genau, wie Insulin funktioniert, aber sie wissen, dass Insulin an Rezeptoren auf der Zellmembran bindet., Dies aktiviert eine Reihe von Transportmolekülen, so dass Glukose und Proteine in die Zelle gelangen können. Die Zellen können dann die Glukose als Energie verwenden, um ihre Funktionen auszuführen. Nach dem Transport in die Zelle wird der Blutzuckerspiegel innerhalb weniger Stunden wieder normal.

Ohne Insulin baut sich der Blutzucker im Blut auf und die Zellen verhungern an ihrer Energiequelle. Einige der Symptome, die auftreten können, sind Müdigkeit, ständige Infektionen, verschwommenes Sehen der Augen, Taubheit, Kribbeln in den Händen oder Beinen, erhöhter Durst und verlangsamte Heilung von Prellungen oder Schnitten., Die Zellen beginnen, Fett zu verwenden, die Energiequelle für Notfälle gespeichert. Wenn dies zu lange geschieht, produziert der Körper Ketone, Chemikalien, die von der Leber produziert werden. Ketone können Zellen vergiften und abtöten, wenn sie sich über einen längeren Zeitraum im Körper ansammeln. Dies kann zu schweren Erkrankungen und Koma führen.

Menschen, die nicht die notwendige Insulinmenge produzieren, haben Diabetes. Es gibt zwei Allgemeine Arten von diabetes. Der schwerste Typ, der als Typ-I-Diabetes oder Jugenddiabetes bekannt ist, ist, wenn der Körper kein Insulin produziert., Typ-I-Diabetiker injizieren sich normalerweise drei-bis viermal täglich verschiedene Insulinsorten. Die Dosierung wird basierend auf dem Blutzuckerwert der Person von einem Blutzuckermessgerät genommen. Typ-II-Diabetiker produzieren etwas Insulin, aber es ist entweder nicht genug oder ihre Zellen reagieren nicht normal auf Insulin. Dies tritt normalerweise bei übergewichtigen oder mittleren und älteren Menschen auf. Typ-II-Diabetiker müssen nicht unbedingt Insulin einnehmen, können jedoch ein-oder zweimal täglich Insulin injizieren.,

Es gibt vier Haupttypen von Insulin, die darauf basieren, wie schnell das Insulin zu arbeiten beginnt, wann es seinen Höhepunkt erreicht und wie lange es im Körper anhält. Nach Angaben der American Diabetes Association erreicht schnell wirkendes Insulin innerhalb von 15 Minuten das Blut, erreicht einen Höchststand von 30-90 Minuten und kann fünf Stunden dauern. Kurz wirkendes Insulin erreicht das Blut innerhalb von 30 Minuten, es erreicht seinen Höhepunkt etwa zwei bis vier Stunden später und bleibt vier bis acht Stunden im Blut., Intermediär wirkendes Insulin erreicht das Blut zwei bis sechs Stunden nach der Injektion, erreicht vier bis 14 Stunden später seinen Höhepunkt und kann 14-20 Stunden im Blut anhalten. Und lang wirkendes Insulin braucht sechs bis 14 Stunden, um zu arbeiten, es hat bald danach einen kleinen Höhepunkt und bleibt 20-24 Stunden im Blut. Diabetiker haben jeweils unterschiedliche Reaktionen auf und Bedürfnisse nach Insulin, so dass es keinen Typ gibt, der für alle am besten funktioniert. Etwas Insulin wird mit zwei der in einer Flasche gemischten Typen verkauft.,

Geschichte

Wenn der Körper kein oder genug Insulin produziert, müssen die Menschen eine hergestellte Version davon einnehmen. Die Hauptanwendung der Insulinproduktion ist für Diabetiker, die auf natürliche Weise nicht genug oder kein Insulin herstellen.

Bevor Forscher entdeckten, wie Insulin produziert wird, hatten Menschen, die an Typ-I-Diabetes litten, keine Chance auf ein gesundes Leben. Dann im Jahr 1921 reinigten die kanadischen Wissenschaftler Frederick G. Banting und Charles H. Best erfolgreich Insulin aus der Bauchspeicheldrüse eines Hundes. Im Laufe der Jahre haben Wissenschaftler die Insulinproduktion kontinuierlich verbessert., Im Jahr 1936 fanden Forscher einen Weg, Insulin mit einer langsameren Freisetzung im Blut herzustellen. Sie fügten ein Protein hinzu, das in Fischspermien vorkommt, Protamin, das der Körper langsam abbaut. Eine Injektion dauerte 36 Stunden. Ein weiterer Durchbruch gelang 1950, als Forscher eine Art Insulin produzierten, das etwas schneller wirkte und nicht so lange im Blutkreislauf blieb. In den 1970er Jahren begannen die Forscher zu versuchen, ein Insulin zu produzieren, das mehr nachahmte, wie das natürliche Insulin des Körpers funktionierte: eine kleine Menge Insulin den ganzen Tag freisetzend, wobei zu den Mahlzeiten Überspannungen auftraten.,

Die Forscher verbesserten weiterhin Insulin, aber die grundlegende Produktionsmethode blieb jahrzehntelang gleich. Insulin wurde aus der Bauchspeicheldrüse von Rindern und Schweinen extrahiert und gereinigt. Die chemische Struktur von Insulin bei diesen Tieren unterscheidet sich nur geringfügig von Humaninsulin, weshalb es im menschlichen Körper so gut funktioniert. (Obwohl einige Menschen ein negatives Immunsystem oder allergische Reaktionen hatten. In den frühen 1980er Jahren revolutionierte die Biotechnologie die Insulinsynthese. Forscher hatten bereits Mitte der 50er Jahre die chemische Struktur von Insulin entschlüsselt., Sie bestimmten bald die genaue Position des Insulingens an der Spitze von Chromosom 11. Bis 1977 hatte ein Forscherteam ein Ratteninsulingen in ein Bakterium gespleißt, das dann Insulin produzierte.

In den 1980er Jahren verwendeten Forscher Gentechnik, um ein Humaninsulin herzustellen. 1982 produzierte die Eli Lilly Corporation ein Humaninsulin, das als erstes zugelassenes gentechnisch verändertes Arzneimittel zugelassen wurde., Ohne auf Tiere angewiesen zu sein, könnten Forscher gentechnisch verändertes Insulin in unbegrenzter Menge produzieren. Es enthielt auch keine der tierischen Verunreinigungen. Die Verwendung von Humaninsulin nahm auch Bedenken hinsichtlich der Übertragung potenzieller Tierkrankheiten in das Insulin auf. Während Unternehmen ab den 1980er Jahren immer noch eine kleine Menge Insulin verkaufen, das von Tieren—hauptsächlich Schweinen—produziert wird, wechselten Insulinkonsumenten zunehmend zu einer Form von Humaninsulin, die durch rekombinante DNA-Technologie hergestellt wurde., Laut der Eli Lilly Corporation nehmen im Jahr 2001 95% der Insulinkonsumenten in den meisten Teilen der Welt irgendeine Form von Humaninsulin ein. Einige Unternehmen haben die Produktion von tierischem Insulin vollständig eingestellt. Unternehmen konzentrieren sich auf die Synthese von Humaninsulin und Insulinanaloga, eine Modifikation des Insulinmoleküls in irgendeiner Weise.

Rohstoffe

Humaninsulin wird im Labor in gewöhnlichen Bakterien angebaut. Escherichia coli ist bei weitem die am weitesten verbreitete Art von Bakterium, aber auch Hefe wird verwendet.

Forscher brauchen das menschliche Protein, das Insulin produziert., Hersteller erhalten dies durch eine Aminosäure-Sequenziermaschine, die die DNA synthetisiert. Die Hersteller kennen die genaue Reihenfolge der Aminosäuren von Insulin (die Moleküle auf Stickstoffbasis, aus denen Proteine bestehen). Es gibt 20 gemeinsame Aminosäuren. Hersteller geben die Aminosäuren von Insulin ein und die Sequenziermaschine verbindet die Aminosäuren miteinander. Zur Synthese von Insulin sind auch große Tanks erforderlich, um die Bakterien zu züchten, und Nährstoffe werden benötigt, damit die Bakterien wachsen können., Mehrere Instrumente sind notwendig, um die DNA wie eine Zentrifuge zusammen mit verschiedenen Chromatographie-und Röntgenkristallographieinstrumenten zu trennen und zu reinigen.

Der Herstellungsprozess

Die Synthese von Humaninsulin ist ein mehrstufiger biochemischer Prozess, der von grundlegenden rekombinanten DNA-Techniken und einem Verständnis des Insulingens abhängt. DNA trägt die Anweisungen, wie der Körper funktioniert und ein kleines Segment der DNA, das Insulingen, kodiert für das Protein Insulin. Hersteller manipulieren den biologischen Vorläufer von Insulin so, dass es in einfachen Bakterien wächst., Während Hersteller jeweils ihre eigenen Variationen haben, gibt es zwei grundlegende Methoden zur Herstellung von Humaninsulin.

Arbeiten mit Humaninsulin

• 1 Das Insulingen ist ein Protein, das aus zwei getrennten Aminosäureketten besteht, einer A-über einer B-Kette, die mit Bindungen zusammengehalten werden. Aminosäuren sind die Grundeinheiten, die alle Proteine bilden. Die Insulin – A-Kette besteht aus 21 Aminosäuren und die B-Kette hat 30.
• 2 Bevor ein aktives Insulinprotein wird, wird Insulin zuerst als Präproinsulin produziert., Dies ist eine einzelne lange Proteinkette, wobei die A-und B-Ketten noch nicht getrennt sind, ein Abschnitt in der Mitte, der die Ketten miteinander verbindet, und eine Signalsequenz an einem Ende, die dem Protein sagt, wann es außerhalb der Zelle sezerniert werden soll. Nach Preproinsulin entwickelt sich die Kette zu Proinsulin, immer noch eine einzige Kette, aber ohne die Signalsequenz. Dann kommt das aktive Protein Insulin, das Protein ohne den Abschnitt, der die A-und B-Ketten verbindet. Bei jedem Schritt benötigt das Protein spezifische Enzyme (Proteine, die chemische Reaktionen durchführen), um die nächste Form von Insulin zu produzieren.,

BEGINNEND MIT A UND B

• 3 Eine Methode zur Herstellung von Insulin besteht darin, die beiden Insulinketten getrennt anzubauen. Dies vermeidet die Herstellung jedes der spezifischen Enzyme, die benötigt werden. Hersteller benötigen die beiden Mini-Gene: eines für die A-Kette und eines für die B-Kette. Da die genaue DNA-Sequenz jeder Kette bekannt ist, synthetisieren sie die DNA jedes Mini-Gens in einer Aminosäuresequenziermaschine.
• 4 Diese beiden DNA-Moleküle werden dann in Plasmide eingefügt, kleine kreisförmige DNA-Stücke, die leichter von der DNA des Wirts aufgenommen werden.,
• 5 Hersteller setzen die Plasmide zunächst in einen nicht schädlichen Typ des Bakteriums E. coli ein. Sie legen es neben das lacZ-gen. lacZ kodiert für 8-Galactosidase, ein Gen, das in rekombinanten DNA-Verfahren weit verbreitet ist, da es leicht zu finden und zu schneiden ist, so dass das Insulin leicht entfernt werden kann, so dass es nicht in der DNA des Bakteriums verloren geht. Neben diesem Gen befindet sich die Aminosäure Methionin, die die Proteinbildung startet.
• 6 Die rekombinanten, neu gebildeten Plasmide werden mit den Bakterienzellen vermischt. Plasmide gelangen in die Bakterien in einem Prozess namens Transfektion., Hersteller können den Zellen DNA-Ligase hinzufügen, ein Enzym, das wie Klebstoff wirkt, um dem Plasmid zu helfen, an der DNA des Bakteriums zu haften.
• 7 Die das Insulin synthetisierenden Bakterien durchlaufen dann einen Fermentationsprozess. Sie werden bei optimalen Temperaturen in großen Tanks in Produktionsanlagen angebaut. Die Millionen von Bakterien replizieren ungefähr alle 20 Minuten durch Zellmitose und exprimieren jeweils das Insulingen.
• 8 Nach der Vermehrung werden die Zellen aus den Tanks entnommen und aufgebrochen, um die DNA zu extrahieren., Ein üblicher Weg, dies zu tun ist, indem zuerst eine Mischung von Lysozomen, die die äußere Schicht der Zellwand verdauen, dann Zugabe einer Waschmittelmischung, die die Fettzellwandmembran trennt. Die DNA des Bakteriums wird dann mit Cyanogenbromid behandelt, einem Reagenz, das Proteinketten an den Methioninresten spaltet. Dies trennt die Insulinketten vom Rest der DNA.
• 9 Die beiden Ketten werden dann miteinander vermischt und durch die Reduktions-Reoxidationsreaktion durch Disulfidbindungen verbunden. Ein Oxidationsmittel (ein Material, das Oxidation oder die Übertragung eines Elektrons verursacht) wird hinzugefügt., Die Charge wird dann in eine Zentrifuge gegeben, eine mechanische Vorrichtung, die sich schnell dreht, um Zellkomponenten nach Größe und Dichte zu trennen.
• 10 Das DNA-Gemisch wird dann gereinigt, so dass nur die Insulinketten übrig bleiben. Hersteller können die Mischung durch verschiedene Chromatographie-oder Separationstechniken reinigen, die Unterschiede in der Ladung, Größe und Affinität des Moleküls zu Wasser ausnutzen. Zu den verwendeten Verfahren gehören eine Ionenaustauschersäule, eine umkehrphasige Hochleistungsflüssigchromatographie und eine Gelfiltrationschromatographiesäule., Hersteller können Insulinchargen testen, um sicherzustellen, dass keines der E. coli-Proteine der Bakterien mit dem Insulin gemischt wird. Sie verwenden ein Markerprotein, mit dem sie E. coli-DNA nachweisen können. Sie können dann feststellen, dass der Reinigungsprozess die E. coli-Bakterien entfernt.

PROINSULIN-PROZESS

• 11 Ab 1986 begannen die Hersteller mit einer anderen Methode zur Synthese von Humaninsulin. Sie begannen mit dem direkten Vorläufer des Insulingens Proinsulin., Viele der Schritte sind die gleichen wie bei der Herstellung von Insulin mit den A-und B-Ketten, außer bei dieser Methode synthetisiert die Aminosäuremaschine das Proinsulin-Gen.
• 12 Die Sequenz, die für Proinsulin kodiert, wird in die nicht pathogenen E. coli-Bakterien eingefügt. Die Bakterien durchlaufen den Fermentationsprozess, wo sie sich vermehren und Proinsulin produzieren. Dann wird die Verbindungssequenz zwischen den A-und B-Ketten mit einem Enzym weggespleißt und das resultierende Insulin gereinigt.,
• 13 Am Ende des Herstellungsprozesses werden dem Insulin Inhaltsstoffe zugesetzt, um Bakterien vorzubeugen und ein neutrales Gleichgewicht zwischen Säuren und Basen aufrechtzuerhalten. Inhaltsstoffe werden auch intermediärem und lang wirkendem Insulin zugesetzt, um die gewünschte Insulinart zu erzeugen. Dies ist die traditionelle Methode zur Herstellung von länger wirkendem Insulin. Hersteller fügen dem gereinigten Insulin Inhaltsstoffe hinzu, die ihre Wirkung verlängern, wie z. B. Zinkoxid. Diese Zusätze verzögern die Absorption im Körper. Additive variieren zwischen verschiedenen Marken der gleichen Art von Insulin.,

Analoges Insulin

Mitte der 1990er Jahre begannen Forscher, die Funktionsweise von Humaninsulin im Körper zu verbessern, indem sie seine Aminosäuresequenz änderten und ein Analogon erzeugten, eine chemische Substanz, die eine andere Substanz gut genug nachahmt, dass sie die Zelle täuscht. Analoges Insulin verklumpt weniger und verteilt sich leichter im Blut, so dass das Insulin Minuten nach einer Injektion im Körper arbeiten kann. Es gibt mehrere verschiedene analoge Insulin. Humulininsulin hat keine starken Bindungen mit anderem Insulin und wird daher schnell resorbiert., Ein anderes Insulinanalogon namens Glargin verändert die chemische Struktur des Proteins, so dass es über 24 Stunden ohne ausgeprägte Peaks relativ konstant freigesetzt wird.

Anstatt die genaue DNA-Sequenz für Insulin zu synthetisieren, synthetisieren Hersteller ein Insulingen, bei dem die Sequenz leicht verändert ist. Die Änderung bewirkt, dass die resultierende

Proteine stoßen sich gegenseitig ab, was zu weniger Klumpen führt., Unter Verwendung dieser veränderten DNA-Sequenz ähnelt das Herstellungsverfahren dem beschriebenen rekombinanten DNA-Verfahren.

Qualitätskontrolle

Nach der Synthese des Humaninsulins werden Struktur und Reinheit der Insulinchargen mit verschiedenen Methoden getestet. Hochleistungsflüssigchromatographie wird verwendet, um festzustellen, ob es irgendwelche Verunreinigungen im Insulin gibt. Andere Trenntechniken, wie Röntgenkristallographie, Gelfiltration und Aminosäuresequenzierung, werden ebenfalls durchgeführt. Die Hersteller testen auch die Verpackung der Durchstechflasche, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß verschlossen ist.,

Die Herstellung von Humaninsulin muss den Verfahren der National Institutes of Health für großangelegte Operationen entsprechen. Die United States Food and Drug Administration muss alle hergestellten Insulin genehmigen.

Die Zukunft

Die Zukunft des Insulins birgt viele Möglichkeiten. Da Insulin zuerst synthetisiert wurde, mussten Diabetiker das flüssige Insulin regelmäßig mit einer Spritze direkt in ihren Blutkreislauf injizieren. Dadurch kann das Insulin sofort in das Blut gelangen. Viele Jahre lang war es der einzige bekannte Weg, das intakte Insulinprotein in den Körper zu bringen., In den 1990er Jahren begannen Forscher, verschiedene Geräte und Formen von Insulin zu synthetisieren, die Diabetiker in einem alternativen Arzneimittelabgabesystem verwenden können.

Hersteller produzieren derzeit mehrere relativ neue Medikamente Abgabegeräte. Insulinstifte sehen aus wie ein Schreibstift. Eine Patrone hält das Insulin und die Spitze ist die Nadel. Der Benutzer stellt eine Dosis ein, führt die Nadel in die Haut ein und drückt einen Knopf, um das Insulin zu injizieren. Mit Stiften muss keine Ampulle Insulin verwendet werden. Stifte erfordern jedoch das Einfügen separater Spitzen vor jeder Injektion., Ein weiterer Nachteil ist, dass der Stift es Benutzern nicht erlaubt, Insulintypen zu mischen, und nicht alles Insulin ist verfügbar.

Für Menschen, die Nadeln hassen eine Alternative zum Stift ist der Jet-Injektor. Ähnlich wie die Stifte verwenden Jet-Injektoren Druck, um einen winzigen Insulinstrom durch die Haut zu treiben. Diese Geräte sind nicht so weit verbreitet wie der Stift, und sie können Blutergüsse am Eingangspunkt verursachen.

Die Insulinpumpe ermöglicht eine kontrollierte Freisetzung im Körper. Dies ist eine computergestützte Pumpe, etwa so groß wie ein Piepser, die Diabetiker am Gürtel oder in der Tasche tragen können., Die Pumpe hat einen kleinen flexiblen Schlauch, der direkt unter die Hautoberfläche des Diabetikers eingeführt wird. Der Diabetiker stellt die Pumpe so ein, dass sie den ganzen Tag über eine konstante, gemessene Insulindosis abgibt und die Menge direkt vor dem Essen erhöht. Dies ahmt die normale Insulinfreisetzung des Körpers nach. Hersteller haben Insulinpumpen seit den 1980er Jahren produziert, aber Fortschritte in den späten 1990er Jahren und Anfang des einundzwanzigsten Jahrhunderts haben sie immer einfacher zu bedienen und beliebter gemacht. Forscher untersuchen die Möglichkeit implantierbarer Insulinpumpen., Diabetiker würden diese Geräte über eine externe Fernbedienung steuern.

Forscher erforschen andere Möglichkeiten der Medikamentenabgabe. Die Einnahme von Insulin durch Pillen ist eine Möglichkeit. Die Herausforderung bei essbarem Insulin besteht darin, dass die hohe saure Umgebung des Magens das Protein zerstört, bevor es ins Blut gelangen kann. Die Forscher arbeiten daran, Insulin mit Kunststoff in der Breite einiger menschlicher Haare zu beschichten. Die Abdeckungen würden die Medikamente vor der Magensäure schützen.,

Im Jahr 2001 werden vielversprechende Tests an inhalativen Insulingeräten durchgeführt, und die Hersteller könnten in den nächsten Jahren mit der Herstellung der Produkte beginnen. Da Insulin ein relativ großes Protein ist, dringt es nicht in die Lunge ein. Forscher von inhaliertem Insulin arbeiten daran, Insulinpartikel zu erzeugen, die klein genug sind, um die tiefe Lunge zu erreichen. Die Partikel können dann in den Blutkreislauf gelangen. Forscher testen mehrere Inhalationsgeräte ähnlich wie bei einem Asthma-Inhalator.

Eine andere Form des Aerosolgeräts, das getestet wird, verabreicht Insulin an die innere Wange., Bekannt als bukkales (Wangen -) Insulin, spritzen Diabetiker das Insulin auf die Innenseite ihrer Wange. Es wird dann durch die innere Wangenwand absorbiert.

Insulinpflaster sind ein weiteres in der Entwicklung befindliches Arzneimittelabgabesystem. Patches würden Insulin kontinuierlich in den Blutkreislauf freisetzen. Benutzer würden eine Lasche auf dem Pflaster ziehen, um mehr Insulin vor den Mahlzeiten freizusetzen. Die Herausforderung besteht darin, einen Weg zu finden, Insulin durch die Haut passieren zu lassen. Ultraschall ist eine Methode, die Forscher untersuchen. Diese niederfrequenten Schallwellen könnten die Durchlässigkeit der Haut verändern und Insulin passieren lassen.,

Andere Forschungen haben das Potenzial, den Bedarf an Herstellern zur Insulinsynthese einzustellen. Forscher arbeiten an der Schaffung der Zellen, die Insulin im Labor produzieren. Der Gedanke ist, dass Ärzte eines Tages die nicht funktionierenden Pankreaszellen durch insulinproduzierende Zellen ersetzen können. Eine weitere Hoffnung für Diabetiker ist die Gentherapie. Wissenschaftler arbeiten daran, die Mutation des Insulingens zu korrigieren, damit Diabetiker Insulin selbst produzieren können.