Производство бактериями человеческого инсулина в лечебных целях
В настоящее время в мире, по данным ВОЗ (Всемирной организации здравоохранения), насчитывается около 110 млн людей, страдающих диабетом. И эта цифра в ближайшие 25 лет может удвоиться. Диабет- страшное заболевание, которое вызывается нарушением работы поджелудочной железы, вырабатывающей гормон инсулин, необходимый для нормальной утилизации содержащейся в пище углеводов. На начальных этапах развития болезни достаточно использовать меры профилактики, регулярно следить за уровнем сахара в крови, потреблять меньше сладкого. Однако для 10 млн пациентов показана инсулиновая терапия; они вводят в кровь препараты этого гормона. Начиная с двадцатых годов прошлого века для этих целей использовали инсулин, выделенный из поджелудочной железы свиньи и телят. Инсулин животных аналогичен человеческому, разница заключается в том, что в молекуле инсулина свиньи в отличие от человеческого в одной из цепей аминокислота треонин замещена аланином. Считается, что эти незначительные отличия могут вызвать у пациентов серьезные нарушения в работе почек, расстройстве зрения, аллергию). Кроме того, несмотря на высокую степень очистки, не исключена вероятность переноса вирусов от животных к людям. И, наконец, число больных диабетом растет так быстро, что обеспечить всех нуждающихся животным инсулином уже не представляется возможным. И это весьма дорогое лекарство.
Инсулин был впервые выделен из поджелудочной железы быка в 1921 г. Ф Бантингом и Ч. Бестом. Он сотсоит их двух полипептидных цепей, соединенных двумя дисульфидными связями. Полипептидная цепь А содержит 21 аминокислотный остаток, а цепь В- 30 аминокислотных остатков, молекулярная масса инсулина 5, 7 кDа. Ниже представлена аминокислотная последовательность инсулина человека:
Структура инсулина достаточно консервативна. Аминокислотная последовательность инсулина человека и многих животных различается всего на 1-2 аминокислоты. У рыб по сравнению с животными В- цепь больше и содержит 32 аминокислотных остатка..
Стоимость его была очень высока. Для получения 100 г кристаллического инсулина требуется 800-1000 кг поджелудочной железы, а одна железа коровы весит 200 — 250 грамм. Это делало инсулин дорогим и труднодоступным для широкого круга диабетиков.
Генетическая инженерия, родившись в начале 70-х годов, добилась сегодня больших успехов. Методы генной инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в "фабрики" для масштабного производства любого белка. Это дает возможность детально анализировать структуру и функции белков и использовать их в качестве лекарственных средсв. В настоящее время кишечная палочка (E. coli) стала поставщиком таких важных гормонов как инсулин и соматотропин.
В 1978 году исследователи из компании "Генентек" впервые получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки. Инсулин состоит из двух полипептидных цепей А и В длиной 20 и 30 аминокислот. При соединении их дисульфидными связями образуется нативный двухцепочечный инсулин. Было показано, что он не содержит белков E. coli, эндотоксинов и других примесей, не дает побочных эффектов, как инсулин животных, а по биологической активности от него не отличается. Впоследствии в клетках E. coli был осуществлен синтез проинсулина, для чего на матрице РНК с помощью обратной транскриптазы синтезировали ее ДНК-копию. После очистки полученного проинсулина его расщепили и получили нативный инсулин, при этом этапы экстракции и выделения гормона были сведены к минимуму. Из 1000 литров культуральной жидкости можно получать до 200 граммов гормона, что эквивалентно количеству инсулина, выделяемого из 1600 кг поджелудочной железы свиньи или коровы.
У животных и человека инсулин синтезируется в β- клетках островков Ларгенганса. Гены, кодирующие этот белок у человека, локализованы в коротком плече 11-ой хромосомы. Зрелая инсулиновая мРНК состоит из 330 нуклеотидов, что соответствует 110 аминокислотным остаткам. Именно такое их количество содержит предшественник инсулина – препроинсулин. Он состоит из одной полипептидной цепи, на N- конце которой находится сигнальный пептид (24 аминокислоты), а между А- и В- цепями локализован С- пептид, содержащий 35 аминокислотных остатков.
Процесс созревания инсулина начинается в цисцернах эндоплазматического ретикулума, где под действием фермента сигналазы с N- конца отщепляется сигнальный пептид. Далее в аппарате Гольджи под действием эндопептидаз вырезается С-пептид и образуется зрелый инсулин. На транс- стороне аппарата Гольджи новосинтезированный гормон соединяется с цинком, образуя надмолекулярные структуры (три-, тетра,- пента- и гексамеры), перемещающиеся затем в секреторные гранулы.
Последние отделяются от аппарата Гольджи, перемещаются к цитоплазатической мемебране, ассоциируются с ней, и инсулин секретируется в кровяное русло. Скорость секреции гормона определяется концентрацией глюкозы и ионов Са 2+ в крови. Адреналин подавляет освобождение инсулина, а такие гормоны, как ТТГ и АКТГ, напротив, способствуют его секреции. В крови инсулин находится в двух формах: свободной и связанной с белками, преимущественно с транферрином и α2— глобулином. Время «полужизни» инсулина составляет около пяти минут, причем распад начинается в крови, т.к. в эритроцитах имеются инсулиновые рецепторы и довольно активная инсулин- деградирующая система. Инсулиназа эритроцитов является Са- зависимой, тиоловой протеиназой, функционирующей совместно с глутатион- инсулин-ирансгидрогеназой, расщепляющей дисульфидные связи между двумя полипептидными цепями инсулина.
Фрагментация инсулина и его распад происходят преимущественно в печени, почках и плаценте.
Фрагменты инсулина обладают биологической активностью и участвуют в ряде метаболических процессов. Одной из осеовных функций инсулина является регуляйия транспорта глюкозы, аминокислот, ионов и др. метаболитов в клетки печени, почек, жировой ткани др. органов. Механизм действия этого гормона отличается от такового для др. пептидных гормонов и является уникальным в регуляции метаболических процессов. Инсулиновый рецептор представляет собой тетрамер, состоящий из двух α- и двух β-субъединиц, одна из которых обладает тироксиназной активностью. Инсулин при взаимодействии с α-субъединицами, расположенными на поверхности цитоплазматической мембраны, образует гормон- рецепторный комплекс. Конформационные изменения тетрамера приводят к активации трансмембранной β-субъединицы рецептора, обладающей тирозинкиназной активностью. Активная тирозинкиназа способна к фосфорилированию мембранных белков.Образуются мембранные каналы, через которые глюкоза и др. метаболиты проникают в клетки. Свободный инсулин под действием тканевой инсулиназы распадается на семь фракций, пять из которых обладают биологической активностью.
Кроме того, инсулин стимулирует ряд биосинтетических процессов: синтез нуклеотидов, нуклеиновых кислот, ферментов гликолиза и пентозофосфатного цикла, гликогена. В жировой ткани инсулин активирует процесс образования ацетил Ко А и жирных кислот. Он является одним из индукторов синтеза холестерина, глицерина и глицераткиназы.
Мутации в структуре инсулинового гена, нарушение механизмов посттранскрипционного и посттрансляционного процессинга приводят к образованию дефектных молекул инсулина и, как следствие, к нарушению обменных процессов, регулируемых данным гормоном. В результате развивается тяжелое заболевание – сахарный диабет.
Разработка технологии производства искусственного инсулина является поистине триумфом генетиков. Сначала с помощью специальных методов определили строение молекулы этого гормона, состав и последовательнгсть аминокислот в ней. В 1963 г. молекулу инсулина синтезировали с помощью биохимических методов. Однако осуществить в промышленном масштабе столь дорогостоящий и сложный синтез, включающий 170 химических реакций, оказалось сложно.
Поэтому в дальнейших исследованиях упор был сделан на разработку технологии биологического синтеза гормона в клетках микроорганизмов, для чего использовали весь арсенал методов генетической инженерии. Зная последовательность аминокислот в молекуле инсулина, ученые рассчитали, какой должна быть последовательность нуклеотидов в гене, кодирующем этот белок, чтобы получить нужную последовательность аминокислот. «Собрали» молекулу ДНК из отдельных нуклеотидов в соответствии с определенной последовательностью, «добавили» к ней регуляторные элементы, нкеобходимые для экспрессии гена в прокариотическом организме Е.coli, и встроили эту конструкцию в генетический материал микроба. В результате бактерия смогла вырабатывать две цепи молекулы инсулина, которые в дальнейшем можно было соединить с помощью химической реакции и получить полную молекулу инсулина.
Наконец, ученым удалось осуществить в клетках Е.coli биосинтез молекулы проинсулина, а не только ее отдельных цепей . Молекула проинсулина после биосинтеза способна соответствующим образом преобразовываться (формируются дисульфидные связи между цепями А и В), превращаясь в молекулу инсулина. Эта технология имеет серьезные преимущества, поскольку различные этапы экстракции и выделения гормона сведены до минимума. При разработке такой технологии была выделена информационная РНК проинсулина. Используя ее в качестве матрицы, с помощью фермента обратной транскриптазы синтезировали комплементарную ей молекулу ДНК, которая представляла собой практически точную копию натурального гена инсулина. После пришивания к гену необходимых регуляторных элементов и переноса конструкции в генетический материал Е.coli
Стало возможным производить инсулин на микробиологической фабрике в неограниченных количествах. Его испытания показали практически полную идентичность натуральному инсулину человека. Он намного дешевле препаратов животного инсулина, не вызывает осложнений.
Соматотропин — гормон роста человека, секретируемый гипофизом. Недостаток этого гормона приводит к гипофизарной карликовости. Если вводить соматотропин в дозах 10 мг на кг веса три раза в неделю, то за год ребенок, страдающий от его недостатка, может подрасти на 6 см. Ранее его получали из трупного материала, из одного трупа: 4 — 6 мг соматотропина в пересчете на конечный фармацевтический препарат. Таким образом, доступные количества гормона были ограничены, кроме того, гормон, получаемый этим способом, был неоднороден и мог содержать медленно развивающиеся вирусы. Компания "Genentec" в 1980 году разработала технологию производства соматотропина с помощью бактерий, который был лишен перечисленных недостатков. В 1982 году гормон роста человека был получен в культуре E. coli и животных клеток в институте Пастера во Франции, а с 1984 года начато промышленное производство инсулина и в СССР. При производстве интерферона используют как E. coli, S. cerevisae (дрожжи), так и культуру фибробластов или трансформированных лейкоцитов. Аналогичными методами получают также безопасные и дешевые вакцины.
На технологии рекомбинантных ДНК основано получение высокоспецифичных ДНК-зондов, с помощью которых изучают экспрессию генов в тканях, локализацию генов в хромосомах, выявляют гены, обладающие родственными функциями (например, у человека и курицы). ДНК-зонды также используются в диагностике различных заболеваний.
Технология рекомбинантных ДНК сделала возможным нетрадиционный подход "белок-ген", получивший название "обратная генетика". При таком подходе из клетки выделяют белок, клонируют ген этого белка, модифицируют его, создавая мутантный ген, кодирующий измененную форму белка. Полученный ген вводят в клетку. Если он экспрессируется, несущая его клетка и ее потомки будут синтезировать измененный белок. Таким образом можно исправлять дефектные гены и лечить наследственные заболевания.
Если гибридную ДНК ввести в оплодотворенное яйцеклетку, могут быть получены трансгенные организмы, экспрессирующие мутантный ген и передающие его потомками. Генетическая трансформация животных позволяет установить роль отдельных генов и их белковых продуктов как в регуляции активности других генов, так и при различных патологических процессах. С помощью генетической инженерии созданы линии животных, устойчивых к вирусным заболеваниям, а также породы животных с полезными для человека признаками. Например, микроинъекция рекомбинантной ДНК, содержавшей ген соматотропина быка в зиготу кролика позволила получить трансгенное животное с гиперпродукцией этого гормона. Полученные животные обладали ярко выраженной акромегалией.
Сейчас даже трудно предсказать все возможности, которые будут реализованы в ближайшие несколько десятков лет.
Лекция 5. Комплексная переработка биологического сырья
Под комплексной переработкой биологического сырья понимают совокупность технологических процессов (технологий), направленных на получение продуктов различной природы из одного источника. Таким источником может являться биомасса промышленных микроорганизмов, водоросли, растительные и животных клетки и отходы сельскохозяйственной промышленности.
При этом важно, чтобы себестоимость всех продуктов комплексной переработки сырья была ниже суммы себестоимостей каждого вида товарного продукта, полученного в производстве с учетом затрат на природоохранные мероприятия. Особенное значение это имеет при переработке биологического сырья, которое включает природные биополимеры белковой, углеводной , липидной и нуклеотидной природы. Клетки, содержащие их в значительных количествах, представляют интерес для комплексной переработки, поскольку позволяют выделять из них ценные продукты, прежде всего пищевого и медицинского назначения.
Различия в физико-химических свойствах природных биополимеров предопределяют выбор технологических приемов их выделения и очистки. Например, глубина комплексной переработки микробиологического сырья может быть различной. Применяемые в ней технологии должны быть гибкими, а объем выпускаемой продукции должен отвечать потребностям рынка. При переработке микробной массы с целью получения продуктов липидной природы используют бактерии, дрожжи, микроскопические грибы и водоросли. Продукты полинуклеотидной и белковой природы получают из биомассы бактерий и дрожжей.
В биотехнологическом производстве продуктов основой является оборудование и особенно, связанное со стадией ферментации, так как определяет состав и свойства биопродуктов и культуральной жидкости. Кроме того, в большинстве случаев именно на стадии ферментации закладываются основные экономические показатели биотехнологического производства и конкурентноспособность получаемых биопродуктов.
Существуют различные биотехнологические способы интенсификации ферментации: использование более активного штамма- продуцента, аппаратурное усовершенствование, оптимизация состава питательной среды и условий культивирования, применение биостимуляторов, эмульгаторов и т.д. Все они способны обеспечить максимальную продуктивность биотехнологического процесса и повысить выход конечного продукта.
В то же время наиболее существенное влияние на характер протекания процесса ферментации и его конечные технологические показатели оказывает аппаратура. Рассматривая многообразие ферментационных аппаратов, применяемых в настоящее время в биохимических производствах, можно сделать вывод, что во всех реакторах происходят определенные физические процессы (гидродинамические, тепловые и массообменные), с помощью которых создаются оптимальные условия для проведения собственно биохимического превращения вещества (биохимической реакции).
Для осуществления этих физических процессов биохимический реактор снабжается типовыми конструктивными элементами, широко применяемыми также в химических аппаратах для проведения собственно физических процессов (мешалки, контактные устройства, теплообменники, диспергаторы и т.д.). Ферментер любой конструкции должен удовлетворять основным требованиям процесса культивирования клеток: обеспечить подвод к каждой клетке питательных веществ, отвод продуктов метаболизма, обеспечить поддержание оптимальных рабочих параметров, требуемый уровень аэрирования, перемешивания, высокий уровень автоматизации и т.д.
Значение биохимии в биотехнологии
Фундаментальная биохимия является основой для многих наук биологического профиля, таких, как генетика, физиология, иммунология, микробиология. Успехи клеточной и генной инженерии в последние годы в значительной мере сблизили биохимию с зоологией и ботаникой. Велико значение биохимии для таких наук, как фармакология и фармация. Биологическая химия изучает различные структуры на клеточном и организменном уровнях. Основой жизни является совокупность химических реакций, обеспечивающих обмен веществ. Таким образом биохимию можно считать основным языком всех биологических наук. В настоящее время как биологические структуры, так и обменные процессы, благодаря применению эффективных методов, изучены достаточно хорошо. Многие разделы биохимии в последние годы развивались столь интенсивно, что выросли в самостоятельные научные направления и дисциплины. Прежде всего можно отметить биотехнологию, генную инженерию, биохимическую генетику, экологическую биохимию, квантовую и космическую биохимию и т.д. Велика роль биохимии в понимании сути патологических процессов и молекулярных механизмов действия лекарственных веществ.
Все живые организмы состоят из клеток и продуктов их метаболизма. Это в 1838 году доказали М.Шлейден и Т.Шванн, которые постулировали, что растительные и животные организмы построены из клеток, расположенных в определенном порядке. Спустя 20 лет Р.Вирхов сформулировал основы клеточной теории, указав, что все живые клетки возникают из предшествующих живых клеток. В дальнейшем клеточная теория развивалась и дополнялась по мере совершенствования методов познания. Каждая клетка является обособленной функциональной единицей, имеющей ряд специфических особенностей, в зависимости от ее природы. Микроорганизмы представлены отдельными клетками или их колониями, а многоклеточные организмы, например животные или высшие растения, состоят из миллиардов клеток, соединенных друг с другом. Клетка представляет собой своеобразную фабрику, на которой осуществляются многообразные и согласованные химические процессы, как и на реальной фабрике, в клетке имеется центр управления, участки контроля за теми или иными реакциями, регуляторные механизмы. В клетку также поступает сырье, которое перерабатывается в готовую продукцию, и отходы, которые выбрасываются из клетки.
Клетки постоянно синтезируют вещества, необходимые для их жизнедеятельности. Эти вещества находят все большее применение в промышленности и медицине. Некоторые из них уникальны и не могут быть получены методом химического синтеза.
Инсулин – это основное лекарство для лечения больных сахарным диабетом 1 типа. Иногда он также используется для стабилизации состояния пациента и улучшения его самочувствия при втором типе заболевания. Это вещество по своей природе является гормоном, который способен в малых дозах влиять на обмен углеводов.
Диабетики должны знать! Сахар держать в норме под силу каждому, достаточно каждый день принимать по две капсулы до еды… Подробнее >>
В норме поджелудочная железа вырабатывает достаточное количество инсулина, который помогает поддерживать физиологический уровень сахара в крови. Но при серьезных эндокринных нарушениях единственным шансом помочь больному часто становятся именно инъекции инсулина. Принимать его перорально (в виде таблеток), к сожалению, нельзя, поскольку он полностью разрушается в пищеварительном тракте и утрачивает биологическую ценность.
Варианты получения инсулина для использования в медицинской практике
Многие диабетики наверняка хоть раз задавались вопросом, из чего делают инсулин, который применяется в медицинских целях? В настоящее время чаще всего это лекарство получают с помощью методов генной инженерии и биотехнологии, но иногда его извлекают из сырья животного происхождения.
Препараты, получаемые из сырья животного происхождения
Получение этого гормона из поджелудочной железы свиней и крупного рогатого скота – старая технология, которая сегодня используется довольно редко. Это связано с невысоким качеством получаемого лекарства, его склонностью вызывать аллергические реакции и недостаточной степенью очистки. Дело в том, что, поскольку гормон – это белковое вещество, оно состоит из определенного набора аминокислот.
В начале и середине 20 столетия, когда аналогичных препаратов не существовало, даже такой инсулин стал прорывом в медицине и позволил вывести лечение диабетиков на новый уровень. Гормоны, полученные таким методом, снижали сахар крови, правда, при этом они часто вызывали побочные эффекты и аллергию. Отличия в составе аминокислот и примеси в лекарстве сказывались на состоянии пациентов, особенно это проявлялось у более уязвимых категорий больных (детей и пожилых людей). Еще одна причина плохой переносимости такого инсулина – наличие его неактивного предшественника в лекарстве (проинсулина), избавиться от которого в данной вариации лекарства было невозможно.
В наше время существуют усовершенствованные свиные инсулины, которые лишены этих недостатков. Их получают из поджелудочной железы свиньи, но после этого поддают дополнительной обработке и очистке. Они являются многокомпонентными и содержат в своем составе вспомогательные вещества.
Такие лекарства переносятся пациентами гораздо лучше и практически не вызывают побочных реакций, они не угнетают иммунитет и эффективно снижают сахар в крови. Бычий инсулин на сегодняшний день в медицине не используется, так как из-за своей чужеродной структуры он отрицательно влияет на иммунную и другие системы организма человека.
Генноинженерный инсулин
Человеческий инсулин, который применяется для диабетиков, в промышленном масштабе получают двумя способами:
- с помощью ферментативной обработки свиного инсулина;
- с использованием генномодифицированных штаммов кишечной палочки или дрожжей.
При физико-химическом изменении молекулы свиного инсулина под действием специальных ферментов становятся идентичными инсулину человека. Аминокислотный состав полученного препарата ничем не отличается от состава натурального гормона, который вырабатывается в организме людей. В процессе производства лекарство проходит высокую очистку, поэтому не вызывает аллергических реакций и других нежелательных проявлений.
Но чаще всего инсулин получают с помощью модифицированных (генетически измененных) микроорганизмов. Бактерии или дрожжи с помощью биотехнологических методов изменены таким образом, что могут сами производить инсулин.
Существует 2 методики подобного получения инсулина. Первая из них основана на использовании двух разных штаммов (видов) какого-то одного микроорганизма. Каждый из них синтезирует только одну цепь молекулы ДНК гормона (всего их две, и они спирально закручены между собой). Затем эти цепи соединяются, и в полученном растворе уже можно отделить активные формы инсулина от тех, которые не несут никакого биологического значения.
Второй способ получения лекарства с помощью кишечной палочки или дрожжей основан на том, что микроб сначала производит неактивный инсулин (то есть его предшественник – проинсулин). Потом с помощью ферментативной обработки эту форму активируют и используют в медицине.
Все эти процессы обычно автоматизированы, воздух и все соприкасающиеся поверхности с ампулами и флаконами стерильны, а линии с оборудованием герметично закрыты.
Методы биотехнологии дают возможность ученым думать об альтернативных решениях проблемы сахарного диабета. Например, на сегодняшний день проводятся доклинические исследования производства искусственных бета-клеток поджелудочной железы, которые могут быть получены с помощью методов генной инженерии. Возможно, в будущем их будут использовать для улучшения функционирования этого органа у больного человека.
Дополнительные компоненты
Производство инсулина без вспомогательных веществ в современном мире практически невозможно представить, ведь они позволяют улучшить его химические свойства, продлить время действия и достичь высокой степени чистоты.
По своим свойствам все дополнительные ингредиенты можно разделить на такие классы:
- пролонгаторы (вещества, которые используются для обеспечения более длительного действия лекарства);
- дезинфицирующие компоненты;
- стабилизаторы, благодаря которым в растворе лекарства поддерживается оптимальная кислотность.
Пролонгирующие добавки
Существуют инсулины продленного действия, биологическая активность которых продолжается в течение 8 – 42 часов (в зависимости от группы препарата). Такой эффект достигается, благодаря добавлению в инъекционный раствор специальных веществ – пролонгаторов. Чаще всего с этой целью применяется одно из таких соединений:
Белки, которые продлевают действие лекарства, проходят детальную очистку и являются низкоаллергенными (например, протамин). Соли цинка также не оказывают отрицательного влияния ни на активность инсулина, ни на самочувствие человека.
Антимикробные составляющие
Дезинфекторы в составе инсулина необходимы для того, чтобы при хранении и использовании в нем не размножалась микробная флора. Эти вещества являются консервантами и обеспечивают сохранность биологической активности лекарства. К тому же, если пациент вводит гормон из одного флакона только самому себе, то лекарства ему может хватить на несколько дней. За счет качественных антибактериальных компонентов у него не будет потребности выбрасывать неиспользованный препарат из-за теоретической возможности размножения в растворе микробов.
В качестве дезинфицирующих составляющих при производстве инсулина могут использоваться такие вещества:
Для производства каждого вида инсулина подходят определенные дезинфицирующие компоненты. Их взаимодействие с гормоном обязательно исследуют на этапе доклинических испытаний, поскольку консервант не должен нарушать биологическую активность инсулина или как-то по-другому отрицательно влиять на его свойства.
Использование консервантов в большинстве случаев позволяет вводить гормон под кожу без ее предварительной обработки спиртом или другими антисептиками (производитель обычно упоминает об этом в инструкции). Это упрощает введение лекарства и сокращает количество подготовительных манипуляций перед самой инъекцией. Но данная рекомендация работает только в случае введения раствора с помощью индивидуального инсулинового шприца с тонкой иглой.
Стабилизаторы
Стабилизаторы необходимы для того, чтобы pH раствора поддерживался на заданном уровне. От уровня кислотности зависит сохранность лекарства, его активность и стабильность химических свойств. При производстве инъекционного гормона для больных диабетом с этой целью обычно используют фосфаты.
Для инсулинов с цинком стабилизаторы растворов нужны не всегда, поскольку ионы металла помогают поддерживать необходимый баланс. Если же они все-таки применяются, то вместо фосфатов используют другие химические соединения, так как комбинация этих веществ приводит к выпадению осадка и непригодности лекарства. Важное свойство, предъявляемое ко всем стабилизаторам – безопасность и отсутствие возможности вступать в любые реакции с инсулином.
Подбором инъекционных лекарств при диабете для каждого конкретного пациента должен заниматься компетентный эндокринолог. Задача инсулина – не только удерживать нормальный уровень сахара в крови, но и не вредить другим органам и системам. Препарат должен быть нейтральным в химическом плане, низкоаллергенным и желательно доступным по цене. Довольно удобно также, если подобранный инсулин можно будет смешивать с другими его версиями по длительности действия.
Материал подготовлен авторами проекта
согласно редакционной политике сайта.
Инсулин – это гормон, который играет важнейшую роль в обеспечении нормального функционирования организма человека. Он вырабатывается клетками поджелудочной железы и способствует усвоению глюкозы, которая является главным источником энергии и основным питанием для мозга.
Но иногда в силу тех или иных причин секреция инсулина в организме заметно снижается либо прекращается вовсе, как при этом быть и чем помочь. Это приводит к тяжелому нарушению углеводного обмена и развитию такого опасного заболевания, как сахарный диабет.
Без своевременного и адекватного лечения эта болезнь может привести к серьезным последствиям, вплоть до потери зрения и конечностей. Единственным способом не допустить развития осложнений являются регулярные инъекции искусственно полученного инсулина.
Но из чего делают инсулин для диабетиков и как он воздействует на организм больного? Эти вопросы интересует многих людей с диагнозом сахарный диабет. Чтобы в этом разобраться необходимо рассмотреть все методы получения инсулина.
Разновидности
Современные препараты инсулина различаются по следующим признакам:
- Источнику происхождения;
- Продолжительности действия;
- pH раствора (кислые или нейтральные);
- Присутствием в составе консервантов (фенол, крезол, фенол-крезол, метилпарабен);
- Концентрацией инсулина — 40, 80, 100, 200, 500 ЕД/мл.
Данные признаки оказывают влияние на качество препарата, его стоимость и степень воздействия на организм.
Источники
В зависимости от источника получения, препараты инсулина подразделяются на две основные группы:
Животные. Их получают из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней. Они могут быть небезопасными, так как нередко вызывают серьезные аллергические реакции. Это особенно касается бычьего инсулина, который содержит три аминокислоты нехарактерные для человеческого. Свиной инсулин более безопасен, так как отличается всего на одну аминокислоту. Поэтому он чаще применяется в лечении сахарного диабета.
Человеческие. Они бывают двух видов: аналогичные человеческим или полусинтетические, получаемые из свиного инсулина путем ферментативной трансформации и человеческие или ДНК-рекомбинантные, которые производят бактерии кишечной палочки благодаря достижениям генной инженерии. Эти препараты инсулина совершенно идентичны гормону, вырабатывающемуся поджелудочной железой человека.
Сегодня в лечение сахарного диабета широко применяется инсулин как человеческого, так и животного происхождения. Современное производство животных инсулинов предполагает высочайшую степень очистки препарата.
Это помогает избавить его от таких нежелательных примесей, как проинсулин, глюкагон, соматостатин, белки, полипептиды, которые способны вызвать серьезные побочные действия.
Лучшим препаратом животного происхождения считается современный монопиковый инсулин, то есть произведенный с выделением «пика» инсулина.
Длительность действия
Производство инсулинов выполняется по разным технология, что позволяет получить препараты различной продолжительности действия, а именно:
- ультракороткого действия;
- короткого действия;
- пролонгированного действия;
- средней длительности действия;
- длительного действия;
- комбинированного действия.
Инсулины ультракороткого действия. Данные препараты инсулина отличаются тем, что начинают действовать сразу же после инъекции и достигают своего пика уже через 60-90 минут. Их общее время действия составляет не более 3-4 часов.
Существует два основных вида инсулина с ультракоротким действием – это Лизпро и Аспарт. Получение инсулина Лизпро выполняется путем перестановки в молекуле гормона двух аминокислотных остатков, а именно лизина и пролина.
Благодаря подобной модификации молекулы, удается избежать образования гексамеров и ускорить его распад на мономеры, а значит улучшить усвоение инсулина. Это позволяет получить инсулиновый препарат, который поступает в кровь больного в три раза быстрее естественного человеческого инсулина.
Другим инсулином ультракороткого действия является Аспарт. Способы получения инсулина Аспарта во многом схожи с производством Лизпро, только в этом случае пролин заменяется на отрицательно заряженную аспарагиновую кислоту.
Также, как и Лизпро, Аспарт быстро распадается на мономеры и поэтому почти мгновенно впитывается в кровь. Все препараты инсулина с ультракоротким действием разрешается вводить прямо перед едой или сразу после ее приема.
Инсулины короткого действия. Эти инсулины представляют собой буферные растворы с нейтральным pH (от 6,6 до 8,0). Их рекомендуется вводить, как инсулин подкожно, но в случае необходимости разрешается использовать внутримышечные инъекции или капельницы.
Данные инсулиновые препараты начинают действовать уже через 20 минут после попадания в организм. Их действие длится относительно недолго – не более 6 часов, и достигает своего максимума спустя 2 часа.
Инсулины короткого действия в основном производят для лечения больных сахарным диабетом в условиях стационара. Они эффективно помогают пациентам с диабетической комой и прикомой. Кроме того, они позволяют наиболее точно определить необходимую дозу инсулина для больного.
Инсулины средней длительности действия. Эти препараты растворяются гораздо хуже, чем инсулины короткого действия. Поэтому они медленнее поступают кровь, что заметно увеличивает их гипогликемическое действие.
Получение инсулина средней длительности действия достигается путем введения в их состав особого пролонгатора — цинка или протамина (изофан, протафан, базал).
Такие инсулиновые препараты выпускаются в виде суспензий, с определенным количеством кристаллов цинка или протамина (чаще всего протамина Хагедорна и изофана). Пролонгаторы значительно увеличивают время всасывания препарата из подкожной клетчатки, что заметно увеличивает время поступления инсулина в кровь.
Инсулины длительного действия. Это наиболее современный инсулин получение которого стало возможно благодаря развитию ДНК-рекомбинантной технологии. Самым первым инсулиновым препаратом длительно действия стал Гларгин, который является точным аналогом гормона, вырабатываемого поджелудочной железой человека.
Для его получения проводится сложная модификация молекулы инсулина, предполагающая замену аспарагина на глицин и последующее присоединение двух остатков аргинина.
Гларгин выпускается в виде прозрачного раствора с характерным для него кислым рН 4. Такой рН позволяет сделать гексамеры инсулина более устойчивыми и тем самым обеспечить продолжительное и предсказуемое всасывание препарата в кровь больного. Однако из-за кислого рН Гларгин не рекомендуется комбинировать с инсулинами короткого действия, которые как правило обладают нейтральным рН.
Большинство инсулиновых препаратов имеют так называемый «пик действия», при достижении которого в крови пациента наблюдается наибольшая концентрация инсулина. Однако главная особенность Гларгина заключается в том, что у него нет явного пика действия.
Всего одной инъекции препарата в день достаточно для обеспечения больному надёжного беспикового гликемического контроля на последующие 24 часа. Это достигается благодаря тому, что Гларгин всасывается из подкожной клетчатки с одинаковой скоростью на протяжении всего периода действия.
Инсулиновые препараты длительного действия производятся в различных формах и могут обеспечить больному гипогликемический эффект до 36 часов подряд. Это помогает значительно снизить число инъекций инсулина в день и тем самым заметно облегчить жизнь больных диабетом.
Важно отметить, что Гларгин рекомендуется использовать только для подкожных и внутримышечных инъекций. Данный препарат не подходит для лечения коматозных или прекоматозных состояний у пациентов с сахарным диабетом.
Комбинированные препараты. Эти препараты выпускаются в форме суспензии в состав которой входит нейтральный раствор инсулина с коротким действием и инсулины среднего действия с изофаном.
Такие препараты позволяют больному вводить в свой организм инсулины различной продолжительности действия с помощью всего одной инъекции, а значит избежать дополнительных уколов.
Дезинфицирующие компоненты
Обеззараживание препаратов инсулина имеет огромное значение для безопасности больного, так как они вводятся в его организм инъекционно и с кровотоком разносятся по всем внутренним органам и тканям.
Определенным бактерицидным действием обладают некоторые вещества, которые добавляются в состав инсулина не только как обеззараживающее средство, но и в качестве консервантов. К ним относится крезол, фенол и метилпарабензоат. Кроме того, выраженное антимикробное действие также характерно и для ионов цинка, которые входят в состав некоторых инсулиновых растворов.
Многоуровневая защита от бактериальной инфекции, которая достигается путем добавления консервантов и других антисептических средств, позволяет предупредить развитие многих тяжелых осложнений. Ведь многократное введение иглы шприца во флакон с инсулином могло бы стать причиной заражения препарата болезнетворными бактериями.
Однако бактерицидные свойства раствора помогают уничтожить вредоносные микроорганизмы и сохранить его безопасность для пациента. По этой причине больные сахарным диабетом могут использовать один и тот же шприц для выполнения подкожных инъекций инсулина до 7 раз подряд.
Еще одно преимущество наличия консервантов в составе инсулина – это отсутствие необходимости обеззараживать кожу перед уколом. Но это возможно лишь при использование специальных инсулиновых шприцов, оснащенных очень тонкой иглой.
Необходимо подчеркнуть, что присутствие консервантов в инсулине не оказывает негативного влияния на свойства препарата и совершенно безопасно для больного.
Вывод
На сегодняшний день инсулин, получаемый как с использованием поджелудочных желез животных, так и современных методов генной инженерии, широко применяется для создания большого числа препаратов.
Наиболее предпочтительными для ежедневной инсулинотерапии являются высокоочищенные ДНК-рекомбинантные человеческие инсулины, которые отличаются наиболее низкой антигенностью, а значит практически не вызывают аллергических реакций. Кроме того, высоким качеством и безопасностью обладают препараты, созданные на основе аналогов человеческого инсулина.
Инсулиновые препараты реализуются в стеклянных флаконах различной емкости, герметично закрытых резиновыми пробками и покрытых обкаткой из алюминия. Помимо этого, их можно приобрести в специальных инсулиновых шприцах, а также шприц-ручках, которые особенно удобны для детей.
В настоящее время разрабатываются принципиально новые формы инсулиновых препаратов, которые будут вводится в организм интраназальным способом, то есть через слизистую носа.
Как было установлено, сочетая инсулин с детергентом можно создать аэрозольный препарат, который достигал бы необходимой концентрации в крови больного столь же быстро, как и при внутривенной инъекции. Кроме того, создаются новейшие пероральные инсулиновые препараты, которые можно будет принимать через рот.
На сегодняшний день данные виды инсулинов пока еще находятся либо на стадии разработки, либо проходят необходимые клинические тесты. Однако совершенно очевидно, что в скором будущем появятся препараты инсулина, которые не нужно будет вводить при помощи шприцов.
Новейшие инсулиновые средства будут выпускаться в виде спреев, которыми необходимо будет просто брызнуть на слизистую поверхность носа или рта, чтобы полностью удовлетворить потребность организма в инсулине.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
