Insulin. ein lebenswichtiges Hormon. - der Weg vom Schlachthof zum Designerprodukt -

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1 Insulin ein lebenswichtiges Hormon - der Weg vom Schlachthof zum Designerprodukt - Facharbeit von Anja Holthaus Landrat - Lucas - Gymnasium Schuljahr 2002/2003 Dezember 02 bis

2 Gliederung: 1. Zur Geschichte des Diabetes und Insulins Eine kurze Chronologie 2. Insulin - Portrait eines Peptidhormons zur Chemie 2.1 Herkunft tierisches Insulin Humaninsulin Analoginsuline 2.2 medinizisch-pharmakologische Therapieansätze Physiologische Vorgänge Pathophysiologische Grundlagen Indikationen für eine Insulintherapie Therapieansätze 3. Die Wirkprofile der Insuline 3.1. Wirkbeginn 3.2. Wirkdauer 3.3. Wirkhöhepunkt 3.4. Ess-Spritz-Abstand 4. Die Wirkungen des Insulins 4.1. Wirkungsmechanismen und Wirkungen des Insulins 4.2. Nebenwirkungen des Insulins 5. Die Insulintherapie im Wandel 6. Abbildungsverzeichnis 7. Literaturverzeichnis Anja Holthaus - 2 -

3 Vorwort: Auf das Thema Insulin stieß ich in der Stufe 11 durch ein Referat über den Diabetes mellitus. Die Arbeit mit diesem Thema erwies sich als überaus interessant. Eine besondere Bedeutung bekommt diese Krankheit für mich, weil mein Vater seit 40 Jahren mit dieser Erkrankung lebt. Die beeindruckenden Erfolge, die durch die Entdeckung des Insulins und die weiterführenden Forschungsarbeiten auf dem Gebiet des Diabetes erzielt wurden, stellen die beiden Bilder eines dreijährigen Jungen aus den Anfangsjahren der Diabetologie unter Beweis: Abb. 1 Abb. 2 Da Diabetiker heute eine bei weitem höhere Lebenserwartung haben als zu der Zeit, aus der die beiden Bilder stammen, gewinnt das Thema Insulin" immer mehr an Bedeutung. Nach Schätzungen der WHO wird die Zahl der an Diabetes mellitus erkrankten Personen von heute 100 Millionen bis 2015 auf 200 Millionen ansteigen. Allein in der Bundesrepublik Deutschland benötigen Menschen Insulin - auch hier: Tendenz steigend. Die Aussage so manches Diabetikers Ich muß Insulin spritzen", spiegelt eine subjektive Betrachtungsweise der Betroffenen wider. Meinem Vater sieht den Sachverhalt so: Ich darf Insulin spritzen - und kann somit fast normal leben!" Auf den nun folgenden Seiten möchte ich darstellen, wie sich seit der Entdeckung des Insulins das Wissen und die Anwendungsmöglichkeiten entwickelt und verbessert haben. Anja Holthaus - 3 -

4 1. Zur Geschichte des Diabetes und Insulins Eine kurze Chronologie 1 Im Jahre 1862 wurde das aus dem Jahre 1550 v. Chr. stammende "Papyrus Ebers" in einem Grab bei Theben (Ägypten) gefunden. In ihm wurde eine Medizin empfohlen "um die Ausscheidung von zu viel Urin zu vertreiben" (ein erster Hinweis auf den Diabetes?) Im 1. Jh. n. Chr. formuliert Aretaios von Kappadokien die erste umfassende Beschreibung der Krankheit Diabetes" entdeckte Thomas Willis den süßen Geschmack des Diabetikerharns, (den er als Mischung von Salzen mit Schwefeln erklärt). Von großer Bedeutung ist der Hinweis, dass das Krankheitsbild Diabetes" in Familien mit hohem Lebensstandard besonders häufig auftritt erkannten Merin und Minkowski, dass Diabetes mellitus" eine Erkrankung pankreatischen Ursprungs ist. Einer der größten Fortschritte in der Geschichte des Insulins gelang 1921 Banting und Best, die eine erfolgreiche Isoliertechnik entwickelten. Diese überwand die Schwierigkeiten, die auf die im Pankreas vorhandenen Proteasen (exokriner Pankreas) zurückzuführen sind. Sie gewannen aus dem Preßsaft des Pankreas ein blutzuckersenkendes Präparat, das zuerst Insletin", dann aber in Insulin" umbenannt wurde. Schon am wurde der erste Patient, der damals 14jährige Leonard Thompson, mit Insulin behandelt. Er bekam täglich Injektionen eines gereinigten Extraktes aus einem Ochsenpankreas, daraufhin verbesserte sich sein Zustand enorm gelang es Abel erstmals, Insulin in kristalliner Form herzustellen. Im Jahre 1953 analysierte F. Sanger die Struktur des Rinderinsulinmoleküls, genauer gesagt dessen molekulare Struktur und dessen Aminosäuresequenz. Kurz darauf wurde auch die Struktur des Schweineinsulinmoleküls entschlüsselt. Abb 3 1 H. Mehnert und F. Schulz, Zeittafel zur Geschichte des Diabetes mellitus, Diabetologie in Klinik und Praxis, Georg Thieme Verlag 1999 Anja Holthaus - 4 -

5 1955 entwickeln R. Levine und M. S. Goldstein die Membrantheorie der Insulinwirkung. Bedeutenswert ist auch das Jahr 1960, in dem Nicol und Smith die Struktur des menschlichen Insulins analysierten. Ab 1963 gelang es bereits mit Hilfe verschiedener Methoden Insulin totalsynthetisch herzustellen. Das erste mit dem menschlichen Insulin identische Produkt fand 1982 Eingang in die Diabetestherapie. Die erste Generation der Designer-Insuline, auch Imitat- oder Analoginsuline genannt - wurde Mitte der 90er Jahre (1996 Humaloginsulin) zugelassen. Es ist festzustellen, dass in den letzten 100 Jahren die medizinisch-pharmazeutische Entwicklung enorme Fortschritte zum Wohle der Patienten gemacht hat, und es den Betroffenen ermöglicht ein über viele Jahre fast normales Leben zu führen. 2. Insulin - Portrait eines Peptidhormons Abb. 4 Insulin ist ein Peptidhormon und besteht aus 51 Aminosäuren. Diese sind in zwei Ketten perlschnurartig aufgereiht. Die A-Kette setzt sich aus 21 Aminosäuren und die B-Kette aus 30 Aminosäuren zusammen. Die beiden Ketten sind über zwei Disulfid-Brücken verbunden, die für die räumliche Struktur verantwortlich sind. Eine andere Disulfid-Brücke verbindet in Kette A das Cystin in Position 6 mit einem weiteren Molekül Cystin in Position 11. Das eigentlich wirksame Insulin wird aus einer Inaktiven Vorstufe dem Proinsulin" (Prodrug) freigesetzt. Dieses Proinsulin besitzt neben den Ketten A und B eine weitere Kette (C), die aus 33 A- minosäuren besteht. Auch hier ist die richtige räumliche Orientierung durch die Ausbildung der Schwefelbrücken gewährleistet. Hormone sind definiert als Infomationsüberträger zwischen verschiedenen Zellarten eines Organismus. Wie andere Eiweiße kann auch das Peptidhormon Insulin durch zahlreiche Einflüsse thermischer, physikalischer und chemischer Natur beeinflusst werden. So denaturieren u.a. Hitze, Kälte, Alkohole und Säuren dieses Eiweißmolekül. Die Synthese des Insulins im menschlichen Körper findet in den Beta-Zellen der Langerhansschen Inseln des Pankreas statt. Die Insulinsynthese ordnet man dem Endokrinen (Hormone) Pankreas zu. Im Gegensatz dazu steht der Exokrine-Pankreas, in dem die Verdauungssäfte gebildet werden. Anja Holthaus - 5 -

6 Die physiologische Herstellung des menschlichen Insulins wird durch das Insulin-Gen codiert. Das Insulin-Gen ist ein typisches Mosaikgen. Insuline unterscheiden sich durch verschiedene Merkmale: Herkunft bzw. Herstellungsart Wirkprofile Wirkungsbeginn Wirkungshöhepunkt Wirkungsdauer Spritz-/Eßabstand bzw. Eß-/Spritzabstand Verzögerungsprinzipien 2.1.Herkunft tierische Insuline Tierische Insuline, die heute in der Diabetes - Therapie nur noch eine untergeordnete therapeutische Bedeutung haben, wurden zu Beginn der Insulin-Ära (ab 1922) eingesetzt. Verwendung fanden Pferde-, Schweine - und Rinderinsulin. Die Insuline vom Rind, Schwein und dem Menschen besitzen nahezu dieselben Wirkqualitäten und auch in etwa denselben Wirkungsgrad. Dabei ist das Schweineinsulin dem menschlichen Insulin ähnlicher als das Rinderinsulin, das stärker immunogen ist. Diese Insuline werden durch Extraktion der in den Schlachthöfen anfallenden Bauchspeicheldrüsen von Rindern, Kälbern und Schweinen gewonnen. Durch Eingriffe wie Umkristallisation und chromatographische Reinigung werden störende, u. U. allergisch wirkende Begleitproteine entfernt. Unter Chromatographie versteht man ein Trennungs- bzw. Reinigungsverfahren, bei dem eine flüssige (mobile) Phase an einer festen (stationären) Phase vorbeigeführt wird, die aus einer Adsorptionsschicht besteht. Chemisch unterscheiden sich die Insuline in den Aminosäure-Positionen 8 und 10 der A-Kette und Position 30 der Wegkette. Abb 5 Abb. 6 Anja Holthaus - 6 -

7 2.1.2 Humaninsulin Unter Humaninsulin versteht man das mit dem menschlichen Insulin identische Präparat. Zur Herstellung gibt es 2 Möglichkeiten: A. semisynthetisches Verfahren Aus Schweineinsulin wird in Position 30 der B-Kette durch enzymatischen Austausch von Alanin gegen Threonin Humaninsulin gewonnen. Dabei wird das zunächst gereinigte Schweineinsulin mit Threoninester zum Humaninsulinester umgesetzt. Auch hier werden durch eine chromatographische Reinigung alle Begleitprodukte, die als Verunreinigungen aus den Drüsen und der Transamidierung stammen, entfernt. Durch Abspaltung der Esterschutzgruppe erhält man Humaninsulin. Abb. 8 Eine zweite chromatographische Reinigung liefert ein hochgereinigtes Endprodukt. Der Reinheitsgrad wird durch diverse Untersuchungen nachgewiesen und dokumentiert. B. Biosynthetisches Verfahren oder gentechnologisches Verfahren Ende der 80er Jahre erkannte man, dass die bisher bekannten Produktionsverfahren in Zukunft kapazitätsmäßig nicht ausreichend sein würden. So benötigt man für die Versorgung eines Diabetikers nach dem herkömmlichen Verfahren jährlich die Bauchspeicheldrüse von 50 Schweinen. Dieser Bedarf konnte langfristig mit der Rohstoffquelle Tier" nicht gedeckt werden. 2 Das gentechnische Herstellungsverfahren konnte diese Versorgungslücke zukunftsweisend füllen. Dieses Verfahren beruht auf der Nutzung biologischen Materials, z.b. von Bakterien (oder Hefekulturen) mit veränderten Erbinformationen (in deren Plasmiden) für die Herstellung des Insulins. Abb. 7 2 Novodisk Mit Bäckerhefe zum Humaninsulin, RIS 5818 Anja Holthaus - 7 -

8 Ausgangsmaterial ist die genetische Information für eine Vorstufe des Humaninsulins, die in ein Plasmid von abgetöteten E.coli Stämmen eingebracht wird. Dieses ringförmige Plasmid wird mit Restriktionsenzymen zunächst so aufgeschnitten, dass die neue Erbinformation an das Gen eines bakterieneigenen Enzyms angekoppelt werden kann. Mit spezifischen Ligasen erfolgt das Einkleben" der neuen Erbinformation, d.h. Ringbildung des Plasmids. Unter geeigneten Fermentationsbedingungen (bestimmte Temperatur, geeignete Substrate usw.) produzieren die Bakterien ein sogenanntes Fusionprotein" aus bakterieneigenen Proteinen, das die Aminosäuresequenz des Insulins enthält. Nach Abtötung der Bakterien und mechanischem Aufschluss wird das Fusionprotein abgetrennt und danach die Insulinvorstufe (Proinsulin) abgespalten. Bei der anschließenden Faltung des Insulinmoleküls, d.h. der spezifischen Verknüpfung der Schwefelbrücken zwischen der A und B Kette des Insulinmoleküls und der anschließenden Abspaltung des für die Faltung notwendigen Verbindungspeptids" (c- Kette) wird Humaninsulin gewonnen. Es folgen die bereits oben genannten chromatographischen Reinigungsvorgänge. Gentechnisch hergestelltes Humaninsulin war übrigens der erste zugelassene pharmazeutische Wirkstoff, der auf einer gentechnische Herstellungweise basierte. Diese Insuline sind identisch mit dem natürlichen Insulin. Vorteil gegenüber der alten Herstellungsweise über Bauchspeicheldrüse von Tieren ist die uneingeschränkte Produktionskapazität an notwendigem Insulin Analoginsuline ( designte Insulinvarianten) Die logische Weiterentwicklung der gentechnisch hergestellten Humaninsuline, sind die Analoginsuline, die ebenfalls auf gentechnischen Herstellungsverfahren beruhen. Sie unterscheiden sich pharmakologisch in der Wirkungsdauer, dem Wirkungsbeginn und dem Wirkhöhepunkt. So sind sie u. U. geeignet, die Diabetestherapie zu optimieren. Einerseits suchte man schnell resorbierbares sowie schnell und kurz prandial (nach den Mahlzeiten) wirksames Insulin, andererseits ein besseres Basalinsulin zur Abdeckung der Basalrate mit einer gleichmäßigen und langanhaltenden (möglichst 24 Stunden) Wirkung. Der Begriff Basalrate drückt in der Diabetestherapie die Insulinmenge aus, die ein Diabetiker auch dann spritzen muss, wenn er Bolusinsulin Abb. 9 Anja Holthaus - 8 -

9 nichts isst. So erfüllt das Humaloginsulin (Lispro) die erstgenannten Anforderungen, das Lantusinsulin (Glargin) die letztgenannten Ansprüche. Die gekonnte Kombination beider Insuline stellt die heute bevorzugte Therapieform des Diabetes Typ1 dar und wird "intensivierte Diabetestherapie" genannt: Die schnelle und kurzzeitige Wirkung des Lisproinsulins wird durch den Tausch von Lysin und Prolin in den Positionen B28 und B29 erzielt. Dadurch wird die Unterdrückung einer Hexamerenbildung bewerkstelligt. Hexamere bestehen aus 6 Insulinmolekülen und werden beim humanen Normalinsulin zunächst in 3 Bimere zerlegt, die wiederum in Monomere gespalten werden müssen. Nur die monomeren Insulinmoleküle sind in der Lage, die Kapillarmembran zu durchdringen und die insulineigene Wirkung zu entfalten. Dies bedarf einer Zeitspanne von 2-4 Stunden. Abb. 10 Abb 11 Da es beim Lisproinsulin nicht zur Bildung von Hexameren und folglich auch nicht zur Zwischenstufe der Bimere kommt, wird das Zeitmaximum dieses Insulins bereits nach ca. 1 Stunde erreicht. Anders ist es beim 24 Stunden-Insulin Lantus". Hier nutzt man die Eigenschaft aus, dass das Insulin im schwach-sauren ph-bereich (ph 4) klar, löslich und monomär vorliegt. Nach der Injektion im physiologischen ph - Bereich, der bei etwa 7, 4 liegt, präzipitiert es (ausfällt), wird schwerlöslich und erzielt somit den gewünschten Depoteffekt von ca. 24 Stunden. Verantwortlich sind Wechselwirkungen der Hexamere, die durch eine Kristallstrukturanalyse nachweisbar sind. 2.2 Medizinisch-pharmakologische Therapieansätze Bevor ich im Folgenden die unterschiedlichen Wirkqualitäten der Insuline erörtere, ist es zum Verständnis notwendig, einige physiologische bzw. pathophysiologische Gesichtspunkte zu erläutern: Anja Holthaus - 9 -

10 2.2.1 Physiologische Vorgänge beim Gesunden Insulin ermöglicht der Glucose aus dem Blut in Körperzellen einzudringen und um dort in E- nergie für den Körper umgewandelt zu werden. Es sorgt ebenfalls dafür, dass überschüssige Glucose in Muskel und Leber gespeichert werden kann, es reguliert die Zuckerneubildung und die Zuckerabgabe der Leber in den Blutkreislauf Beim Gesunden stehen Kohlenhydratzufuhr, Energieverbrauch und Insulinfreisetzung in einem physiologischen Gleichgewicht. Es handelt sich um einen sogenannten Regelkreislauf. Erhöht sich durch eine Mahlzeit der Glucosespiegel im Blut, wird Insulin freigesetzt. Dies bewirkt wiederum den Glucoseübertritt aus dem Blut ins Gewebe, dies geschieht leicht zeitversetzt Pathophysiologische Grundlagen des Diabetes In der Diabetologie werden zwei große Krankheitsgruppen unterschieden, deren Übergänge a- ber, wie man heute weiß, fließend sind. Die Unterscheidungsmerkmale sind folgender Auflistung zu entnehmen 3 : Typ I Typ II Merkmale meist im Kindes- oder Jugendalter auftretend entwickelt sich meist ab dem 40. Lebensjahr Insulinpflichtig nicht insulinpflichtig schlanker Typ meist übergewichtiger Typ ca. 10 % aller Diabetiker ca. 90 % aller Diabetiker Ursachen erbliche Komponente erbliche Komponente gestörtes Abwehrsystem langjähriges Übergewicht Behandlung Diät und Insulin ausschließlich Diät so lange wie möglich Sport und Bewegung Diät und Tablette oder Insulin Schulung Sport und Bewegung Selbstkontrolle Schulung, Selbstkontrolle So gibt es heute Kinder, die das typische Erscheinungsbild eines Typ II-Diabetes (früher Altersdiabetes) haben. Andererseits gibt es ältere Patienten, deren Bauchspeicheldrüse ihre Tätigkeit völlig eingestellt hat. Dieses Krankheitsbild wird als Typ I Diabetes bezeichnet (früher Juveniler Diabetes"). Anhand dieser neu gewonnenen Erkenntnissen hat sich in den letzten Jahren die Diabetestherapie entscheidend weiterentwickelt. 3 Natreen, Schulungsunterlagen Anja Holthaus

11 Dazu einige notwendige Fakten: Der Insulinbedarf einer Person ist eine individuelle Größe. Sie beträgt beim Gesunden etwa 0,5 i.e. pro kg Körpergewicht. Beim Diabetiker erhöht sich der Bedarf auf 0,6-0,8 i.e pro kg Körpergewicht. Der Bedarf bei einem pubertierenden diabetischen Jugendlichen steigt sogar auf 1 i.e. pro kg Körpergewicht. Die Ansprechbarkeit des Körpers auf Insulin wechselt im Verlauf des Tages. Auch dies beeinflusst die Dosierungsstrategie des Diabetikers. Bei der Therapie des Typ II Diabetikers, die nach wie vor hauptsächlich über orale Medikamente erfolgt, gewinnt die Anwendung von Insulin zunehmend an Bedeutung, um die Blutzuckerspiegel weitestgehend zu normalisieren. Ein eindeutiger Parameter dafür ist der HBA1C-Wert (prozentualer Anteil eines Hämoglobin-Glucose-Complexes), der die Blutzuckersituation des letzten Vierteljahres widerspiegelt und einen Optimalwert von 6,5 und weniger haben sollte Indikationen für eine Insulintherapie Wer spritzt nun Insulin? Indikationen einer dauerhaften Insulinbehandlung: 1. Der Typ I - Diabetiker, dessen Langerhansschen Inseln zerstört sind und folglich kein Insulin mehr produzieren. 2. Der Typ II - Diabetiker bei nicht ausreichendem Therapieerfolg mit Tabletten. Indikationen einer vorübergehenden Insulintherapie 1. Die Schwangere mit einem Gestationsdiabetes (Diabetes der erstmals während einer Schwangerschaft auftritt). Orale Antidiabetika sind während der Schwangerschaft kontraindiziert, da diese den Fötus schädigen können. Die Rate des Gestationsdiabetes liegt bei Schwangeren bei 5-10 %! Nur ein geringer Anteil wird frühzeitig, und damit rechtzeitig diagnostiziert. Dies führt oft zu erheblichen Schäden des Kindes bis hin zum Kindstod. 2. Bei Akutkomplikationen: a) diabetische Ketoazidose (Stoffwechselentgleisung) b) diabetisches Koma (Folge der Stoffwechselentgleisung) c) operativer Eingriff oder Unfälle d) Infekte und andere schwerwiegende Erkrankungen Anja Holthaus

12 2.2.4 Therapieansätze Das Hauptanwendungsgebiet des Insulins ist aber die Behandlung des Diabetes Typs I. Man unterscheidet grob zwei Therapieansätze: 1. Die konventionelle Therapie Hierbei wird Insulin nach einem starren Therapieschema erabreicht. Essensmengen und Essenszeiten sind ebenso streng festgelegt. Abb Die intensivierte Therapie Im Gegensatz zur ersten Form genießt der Patient bei der intensivierten Therapieform wesentlich mehr Freiheiten. Die Schulung und Einarbeitung des Patienten sind für den Erfolg ebenso wichtig wie seine Motivation. Abb.13 Die Gesamtinsulinmenge setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: der Basalrate und der Bolusrate. Unter Basalrate versteht man den Insulinbedarf (individuelle Größe), den ein Diabe- Anja Holthaus

13 tiker hat, wenn er nichts isst. Dieser liegt bei 40-50% des Gesamttagesbedarfs und wird durch 1-3 Injektionen eines Langzeit - bzw. Kombinationsinsulins abgedeckt. Die Bolusgaben sollen den durch die Mahlzeiten erhöhten Blutzuckerspiegel wieder normalisieren. Anwendung finden Normal - oder Lisproinsuline. Mit der Bolusgabe können auch momentan erhöhte Blutzuckerspiegel wieder angeglichen (Blutzuckerkorrektur)werden. Die intensivierte Therapieform wird seit einigen Jahren mit Hilfe der Chiptechnologie auch durch den Einsatz von Insulinpumpen durchgeführt. Dabei findet ausschließlich Kurzzeitinsulin, das in individueller Dauerdosierung verabreicht wird, Verwendung. So wird die Basalrate abgedeckt. Zum Essen aktiviert der Diabetiker die Pumpe jeweils mit der benötigten Insulinmenge. Die zigarettenschachtelgroße Pumpe ist über einen dünnen Schlauch mit einer Injektionsnadel verbunden, die in der Bauchdecke steckt. Die Nadel sollte alle 2 Tage erneuert und an einer neuen Stelle positioniert werden. 3. Wirkprofile der Insuline 3.1 Wirkbeginn Abb. 14 Unter dem Wirkbeginn versteht man die Zeitspanne, die zwischen der Verabreichung des Insulins und dem Einsetzen der Insulinwirkung vergeht. Kurzwirksame Insuline haben einen raschen Wirkungseintritt. Insuline mit kurzem Wirkeintritt ( Normal- und Humaloginsulin) werden zum Ausgleich der Nahrungsaufnahme in der intensivierten Diabetestherapie" Anja Holthaus

14 angewandt. 3.2 Wirkdauer Die Wirkdauer beschreibt den Zeitabstand zwischen Beginn und Ende der Insulinwirkung. Die Wirkdauer der heute gebräuchlichen Insuline liegt zwischen 2,5 und 24 Stunden. Insuline mit einer kurzzeitigen Wirkdauer werden als Bolusgabe verabreicht. Langzeitinsuline (Depot - und Lantusinsulin) decken den Basalbedarf des Diabetikers ab. In der konventionellen Therapie kommen Mischinsuline (Kombinationen aus Langzeit- und Kurzzeitinsulinen) zum Einsatz. 3.3 Wirkhöhepunkt Der Wirkhöhepunkt bezeichnet den Zeitpunkt der maximalen Wirkung nach Injektion des Insulins. Er ist abhängig von der Insulinart und der Menge des verabreichten Insulins. Verzögerungsprinzipien der Insuline Damit Insuline länger wirken, wird ihnen eine Verzögerungssubstanz zugemischt. Man unterscheidet Insuline mit mittlerer Wirkungsdauer von solchen mit sehr langer. Nun werde ich verschiedene Verzögerungsinsuline vorstellen: NPH-Insuline (Neutrales Protamin Hagedorn) ist ein sogenanntes Standard-Verzögerungsinsulin mit Protamin-Zusatz. Es ist in jedem Verhältnis mit Normal- und schnellen Analoginsulinen stabil mischbar, ohne dass sich die Wirkung einer der beiden Komponenten verändert. Zinkverzögertes Insulin Zink ist im Verhältnis zu Insulin im Überschuß enthalten. Deshalb ist eine Mischung mit Normalinsulin, also Kurzeitinsulin nicht unproblematisch und es wird davon abgeraten. Dieses Verzögerungsprinzip ist heute von untergeordneter Bedeutung. Surfen-Insuline Bei Surfen handelt es sich um Aminoquinorid, dass den Retardeffekt verursacht. Wegen häufiger allergischer Reaktionen und Hautveränderungen (sauer ph- Wert um 3,5) hat dieses Verzögerungsprinzip stark an Bedeutung verloren. Gentechnologisch modifizierte Insulinanaloga (siehe Lantus Insulin) 3.4 Spritz-Ess-Abstand Der Spritz-Ess-Abstand bezeichnet die Zeitspanne zwischen der Insulininjektion und dem möglichen Beginn der Mahlzeit. Er ist abhängig vom Wirkbeginn des Insulins. Dieser Abstand kann 45 min vor der Mahlzeit, aber auch unmittelbar nach der Mahlzeit liegen. Anja Holthaus

15 4. Die Wirkung des Insulins 4.1 Wirkungsmechanismus und Wirkungen des Insulins Insulin muss sich, um seine Wirkung entfalten zu können, an seinen Rezeptor am Erfolgsorgan binden. Der Rezeptor autophosphoryliert und setzt in der Zelle die Synthese eines Glucose-Carriersystems in Gang. Dies führt in der Muskulatur an der Zielzelle zu einer vermehrten Glucoseaufnahme. Weiterhin fordert es die Verarbeitung der Glucose zu Energie. Ebenso trägt Insulin dazu bei, dass der Aufbau von Muskeleiweißen verstärkt wird (Anaboler Effekt). Im Fettgewebe fördert Insulin den Einbau von freien Fettsäuren ins Fettgewebe. Dies führt zur Einlagerung und Festhalten von Fett im Fettgewebe. In der Leber bewirkt Insulin den Aufbau körpereigener Stärke (Reservestärke Glykogen) und hemmt deren Abbau. Abb.15 Alle diese Vorgänge laufen beim Gesunden automatisch ab. Beim Diabetiker kehren sich die Effekte beim Fehlen von Insulin ins Gegenteil um: Anstieg des Blutglucosespiegels vermehrter Abbau von Muskeleiweißen (Kachexie) vermehrter Abbau von Fetten, daraus ergeben sich erhöhte Blutfettwerte vermehrter Fetteinbau in der Leber vermehrte Ketonkörperwerte (Fette werden in Fettsäuren und Ketonkörper gespalten) verstärkter Umbau von Glykogen in Glucose und daraus folgend Anstieg des Blutglucosespiegels Anja Holthaus

16 4.2. Nebenwirkungen Wie alle Pharmaka besitzt auch Insulin Nebenwirkungen, die zu weiteren Forschungen führen und bei der Anwendung berücksichtigt werden müssen. Direkt toxisch bedingt Allergisch bedingt Unterzuckerung (Hypoglykämie) +++ Hautreaktionen + Nervenentzündung (Neuritis) (+) Nesselsucht (Urticaria) + Herzrhythmusstörungen + Anaphylaktischer Schock (+) Natriumrückstau (Natriumretention) +++ Kaliumunterversorgung +++ Insulinödeme +++ Sehr häufig +++ Abbau des Fettgewebes +++ Gelegentlich + Vermehrung des Fettgewebes +++ Selten (+) 5. Die Insulintherapie im Wandel: vom injizierten zum inhalativen Hormon!?! Neue Ära der Pharmazie: Medikamente zum Einatmen. Ein innovativer Weg, Pharmawirkstoffe in den Körper zu schleusen, macht Furore: das Einatmen als Aerosolwolke. Zuckerkranke, die sich bislang bis zu sechsmal täglich Insulin injizieren müssen, sollen als erste von der Neuheit profitieren. 4 The lung is open bringt Dr. John S. Patton die Sache auf den Punkt Offene Lunge, hört sich nach einer Krankheit an, ist aber eine Riesenchance, Arzneimittelwirkstoffe über die Lunge des Patienten in den Körper einzuschleusen. In der Vergangenheit wurde öfters versucht Insulin über die Nasen- oder Mundschleimhaut einzusetzen, wie es bei anderen Medikamenten funktioniert. Aber bei Insulin klappte es nie ohne Zusatz von sogenannten Enhacern-Lösungsmittel, die den Übertritt ins Blut verbessern. Das brachte manchmal Schleimhautprobleme ein, auch Allergien, sagte Dickhardt. Auch der Versuch Insulin in Tablettenform zu sich zu nehmen scheiterte, da Insulin ein Peptid ist. Als Eiweiß würde es von Magensäuren und eiweißspaltenden Enzymen im Magen-Darm-Trakt verdaut nicht anders als ein Wiener Schnitzel". 5 4 Bild der Wissenschaft 10/ a.a.o. Anja Holthaus

17 Abb. 16 In der Vergangenheit gab es auch Probleme in der Inhalationstherapie mit Medikamenten: Wirkt das eingeatmete Insulin richtig? Kann man es genau dosieren? Und kommt der Großteil des eingeatmeten Medikaments auch in den Lungenbläschen an? Aber das bekamen die Wissenschaftler in den Griff, auch wenn das Produkt noch nicht auf dem Markt verfügbar ist! Mit konventioneller Spraytechnik, wie sie bei Asthma- und Allergie-Medikamenten schon jahrzehntelang angewandt wird, hat das neue Verfahren nichts zu tun. Die Inhale-Wissenschaftler mussten sich auf Neuland wagen und zunächst für drei grundlegende technische Durchbrüche sorgen. inummer eins: Der Wirkstoff soll trocken eingesetzt werden, damit er in hoher Konzentration möglichst rasch in den Körper des Patienten gelangt Insulin-Lösungen können nur ein bis zwei Prozent des Wirkstoffs aufnehmen. Doch er darf keinesfalls wie das sonst bei chemisch reinen Substanzen der Fall ist kristallin vorliegen, sonst läßt er sich nicht fein genug verteilen. Die Wirksubstanz muß amorph (griech.: gestaltlos) sein. Eine amorphe Masse kann man sich wie eine erstarrte Glasschmelze vorstellen, in der lange Molekülketten ungeordnet, d.h. ohne Struktur, nebeneinander liegen. Ein weiterer Vorteil: Im amorphen Zustand sind sonst rasch verderbliche Eiweißstoffe wie Insulin auch ohne Kühlung vor dem Angriff von Bakterien geschützt. Die Vorteile des amorphen Zustandes erläutere ich am Beispiel der Maispflanze. Der Botaniker Carl Leopold machte in den achtziger Jahren Versuche mit Maiskörnern. Damals dachte noch keiner an die Inhalation von Insulin - und doch hat beides miteinander zu tun. Die Frage trieb ihn um, warum steinharte, getrocknete Maiskörner überhaupt sprießen können, sobald sie gewässert werden. Er entdeckte: Die fürs Keimen notwendigen Eiweißstoffe in den Maissamen überleben die Zeit der Wasserlosigkeit, ohne von Bakterien oder Pilzen befallen zu werden, weil sie durch umgebende Zuckermoleküle in einem glasartigen (amorphen) Zustand geschützt sind. Der Zucker verwandelt sich in ein Material, das einem harten Karamelbonbon ähnelt, wenn das Maiskorn trocknet. Beim Kontakt mit Wasser löst sich die glasartige Schicht und der Samen kann aufgehen und wachsen. Nach dieser Entdeckung kam Leopold auf die Idee, den natürlichen Schutzmechanismus industriell einzusetzen. Das BTI (Boyce Thompson Institute for Plant Research) entwickelte eine Technologie, durch die sich biologisches Material stabil lagern läßt, indem man es in den amorphen Zustand überführt. Das sonst notwendige Kühlen oder Erfrieren wird überflüssig. Anja Holthaus

18 inummer zwei: Der feste Pharmawirkstoff muß in ein derart lungengängiges Aerosol verwandelt werden, dass der Patient es tief genug einatmen kann. Die Inhale-Ingenieure ließen sich dazu ein spezielles Gerät einfallen. Es hat die Maße einer mittelgroßen Taschenlampe. Die Staubpartikel müssen genau die richtige Größe haben: bis maximal drei Mikrometer. Nur so können sie bis hinab in die nur 200 Mikrometer großen Lungenbläschen (Alveolen) gelangen und dort in die Blutbahn aufgenommen zu werden. In Deutschland wird das Inhale-Insulin seit 2002 klinisch getestet Abb. 17 inummer drei: Es muß sichergestellt werden, dass der Patient nicht zu wenig einatmet. Eine präzise Dosierung ist für einen Diabetiker äußerst wichtig. Der Patient muß sich nicht - wie beim Sprayen - darauf konzentrieren, das Luftholen präzise mit dem Spraystoß zu koordinieren. Nach der Zerstäubung steht das Aerosol als stabile, milchige Wolke in der Kammer. Über das Mundstück atmet jetzt der Patient in aller Ruhe tief ein, bis zu dreimal. Durch die wieder durchsichtig gewordene Rückhaltekammer wird ihm signalisiert: das gesamte Insulin ist verabreicht worden. Die dargestellten Entwicklungen auf dem Forschungssektor Insulin lassen sowohl national als auch international die Hoffnung weiter wachsen, dass der Diabetiker in den nächsten Jahren ein noch normaleres Leben führen kann. Anja Holthaus

19 Fazit: Die Facharbeit: Insulin - ein lebenswichtiges Hormon Der Weg vom Schlachthof zum Designerprodukt" hat meine Einschätzung bestärkt, das es interessant sein muss, eine Krankheit zu erforschen und sich mit deren Behandlungsmöglichkeiten zu beschäftigen. Die biologischen, medizinischen und pharmakologischen Zusammenhänge, sei es bei der Insulinherstellung oder seiner Anwendung, sind mir durch die Arbeit klarer und verständlicher geworden. Besonderen Spaß hat mir die Recherche über zukünftig mögliche Herstellungsverfahren und Therapiemöglichkeiten von und mit Insulin bereitet. Der interessante Besuch im Gentechniklabor in Köln gab Einblick in die Praxis dieses Arbeitsfeldes. Für mich aber war der medizinisch-biologische Aspekt interessanter. Bei der Vielfalt des zur Verfügung stehenden Materials war für mich die Auswahl der Informationen nicht ganz einfach. Ich hoffe aber dennoch, dass es mir gelungen ist, den momentanen Stand der Diabetesforschung und Therapie mit Insulin darzustellen. Mein besonderer Dank gilt den genannten Pharmafirmen, die mir durch das Bereitstellen von Informationsmaterial die Arbeit um einiges leichter und aktueller gemacht haben. Anja Holthaus

20 6. Abbildungsverzeichnis Abb. 1 Abb. 2 Abb. 3 Abb. 4 Abb. 5 Abb. 6 Abb. 7 Abb. 8 Abb. 9 Abb. 10 Abb. 11 Abb. 12 Abb. 13 Abb. 14 Abb. 15 Abb. 16 Abb. 17 Lilly setzt Meilensteine in der Gentechnik Lilly setzt Meilensteine in der Gentechnik Aventis Hoechst AG, Frankfurt Hoechst AG, Frankfurt Antidiabetika et alt. Tübingen, WVG Hoechst AG, Frankfurt Aventis Eli Lilly und Company; Lispro Action Cisza K. et. al. Structure 1995; 3: (Lispro action) Lilly Pharm Manuale zur pharmazeutischen Betreuung, Bd. 3, Diabetes mellitus Das große Handbuch für Diabetiker Deutsches Forschungsinstitut an der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf Manuale zur pharmazeutischen Betreuung, Bd. 3, Diabetes mellitus Ökopia M. Dohm/ Focus/ SPL; J. Bavosi/ Focus/ SPL Anja Holthaus

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