Beiträge der Biotechnologie zur Therapie des Diabetes mellitus

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1 Beiträge der Biotechnologie zur Therapie des Diabetes mellitus Professor Dr. Eberhard Ehlers Hofheim/D Goethe-Universität Frankfurt GDCh-Wissenschaftsforum Chemie 2009 Frankfurt am Main, 2.eptember 2009 Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 1

2 Inhalt Diabetes: Grundlagen, Definitionen, Behandlungsmöglichkeiten Insulin: Entdeckung, Meilensteine, truktur, Bedarf Insulin-Herstellung: Eine Erfolgsgeschichte der Gentechnik Insulinanaloga Neue Therapieansätze chlussbemerkungen Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 2

3 Diabetes - Zahlen und Fakten Etwa 8 Millionen Bundesbürger leiden an Diabetes mellitus ca. 10% sind Typ 1-Diabetiker ( Jugendlicher Diabetes ) ca. 90% leiden an Typ 2-Diabetes ( Altersdiabetes ) 20% normalgewichtige Typ 2a-Diabetiker 80% übergewichtige Typ 2b-Diabetiker Diabetiker tragen ein 5-fach höheres Herzinfarktrisiko und ein 3-fach höheres chlaganfallrisiko als Nichtdiabetiker Diabetes ist Hauptursache für: Dialysepflicht (Nierenversagen) Bein-/Fußamputationen (diabetischer Fuß) Erblindungen (diabetische Retinopathie) Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 3

4 Zuckerstoffwechsel beim Nichtdiabetiker Was ist Diabetes? Kohlenhydrate aus der Nahrung werden im Darm in einzelne Zuckermoleküle (hauptsächlich Glucose) gespalten Diese Glucosemoleküle ( ) werden in die Blutbahn aufgenommen Die B-Zellen der Bauchspeicheldrüse reagieren auf den Anstieg der Blutzuckerkonzentration mit einer Insulinausschüttung ( ) Das Insulin gelangt über die Blutbahn zu den Zielgeweben (Muskel, Leber, etc.) und wirkt dort als chlüssel Die Insulinwirkung ermöglicht also die Aufnahme von Glucose aus dem Blut in die Zellen Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 4

5 Was ist Diabetes? Zuckerstoffwechsel beim Diabetiker Typ 1: Keine Insulinsekretion aus den B-Zellen Typ 2: Die Zielgewebe sprechen nicht mehr (genügend) auf das ausgeschüttete Insulin an Beide Diabetes-Typen führen also 1. zu einem Mangel an Glucose in den Zielgeweben 2. zu einem Überschuss an Glucose im Blut Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 5

6 Folgeschäden Ein wichtiges Ziel der Diabetesbehandlung ist auch die Vermeidung von Folgeschäden den: Arteriosklerose (Herzerkrankung, chlaganfall, Gefäßverschlüsse an den Beinen) (ca tödliche Infarkte/Jahr - ca tödliche chlaganfälle/jahr) Nierenschädigung, Nierenversagen (Dialyse - ca neue Fälle/Jahr) Netzhautschädigung (Erblindung - ca neue Fälle /Jahr) Nervenschädigung (ensibilitätsstörungen, Neuropathie)) (ca Amputationen/Jahr - Impotenz?) Hauterkrankungen (Infektionen, schlecht heilende Wunden) Das Risiko, Folgeerkrankungen zu erleiden, lässt sich durch geeignete Therapieschemata und engmaschige Kontrollmaßnahmen erheblich mindern! Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 6

7 Therapieziele Welche Werte sind mit Hilfe therapeutischer Maßnahmen anzustreben? Parameter Zielwerte Blutglucose (nüchtern) mg/dl HbA 1c < 6,5% Harnglucose 0% Gesamtcholesterin < 200 mg/dl Triglyceride < 150 mg/dl Body Mass Index (Körpergewicht/Körpergrösse 2 ) w: kg/m 2 m: kg/m 2 Blutdruck < 140/90 mmhg Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 7

8 Welche Therapien stehen zur Verfügung? Nichtmedikamentöse Therapiemöglichkeiten: Diät Bewegung Nikotinentwöhnung Mit der aus diesen Maßnahmen resultierenden Gewichtsreduktion wird nicht selten eine ausreichende Einstellung von Typ 2-Diabetikern erreicht. In jedem Falle wird der fortschreitenden Insulinresistenz entgegengewirkt. Die Gewichtsreduktion stellt darüber hinaus die kausale Behandlung des sog. Metabolischen yndroms dar, das sich bei vielen Typ 2-Diabetikern entwickelt: Insulinresistenz ( erhöhte Blutzuckerwerte) Übergewicht (Adipositas)( erhöhte Blutfettwerte) Bluthochdruck (Hypertonie) evtl. erhöhte Harnsäurewerte ( Gicht) Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 8

9 Medikamentöse Behandlung Folgende Arzneistoffe stehen für die Behandlung des Diabetes zur Verfügung: Insuline Rinderinsulin chweineinsulin biotechnologisch hergestelltes Humaninsulin, Insulinanaloga Orale Antidiabetika ulfonylharnstoffe (Tolbutamid, Glibenclamid, Glimepirid u.a.) Glinide (Repaglinid, Nateglinid) Insulin-ensitizer (Glitazone) (Pioglitazon, Rosiglitazon) Metformin Acarbose/Miglitol (α-glucosidase-inhibitoren) u.a.m. Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 9

10 Die Entdeckung des Insulins 1921 Isolierung von Insulin aus Inselzellen des Pankreas 1923 Nobelpreis in Physiologie und Medizin Banting und Best Macleod JJR Collip JB Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 10

11 Insulin-Therapie des Diabetes Eine der ersten mit Insulin behandelten Patientinnen 1922 Elizabeth Evans Hughes ( ) Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 11

12 Insulin-Therapie des Diabetes Wichtige Meilensteine der Insulinforschung 20er 30er 40er 50er 60er 70er 80er 90er Insulin-Isolierung, Kristallisation (1926 Abel) Protamin-Zink-Insuline, Zink-Insuline NPH-Insulin (neutrales Protamin Hagedorn-Insulin) Lente-Insulin, Primärstruktur (1954 anger), Radio-Immunoassay Insulinreinigung, Biosynthese (Proinsulin) Raumstruktur, Totalsynthese (Katsoyannis, Zahn) Glucose-Monitoring, kontinuierliche Infusion, Gentechnik, Humaninsulin Pens, implantierbare Pumpen, Insulinanaloga, inhalierbares Insulin, Insulindetemir Ehlers_Mainz_12Juli2005 Hier wird Wissen Wirklichkeit 12

13 Insulin-Therapie des Diabetes Primärstruktur des Humaninsulins A-Kette Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Thr-er-Ile-Cys-er-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn Phe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-er-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tyr-Leu-Val-Cys-Gly-Glu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-Thr B-Kette 51 Aminosäuren: A-Kette: 21 / B-Kette: 30 3 Disulfidbrücken Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 13

14 Insulinstrukturen 1: Humaninsulin 2: chwein, Hund 3: Rind 4: chaf, Ziege 5: Katze 6:Pferd Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 14

15 Insulinversorgung in den UA Prognose 1976 Mrd. Insulineinheiten 100 Insulinbedarfsentwicklung Unberücksichtigt blieben: Produzierte Menge Bessere Nutzung verfügbarer Drüsen Verfügbarkeit von - Drüsen aus dem Ausland - Insulin aus dem Ausland Mögliche Ausbeuteverbesserungen Bessere orale Antidiabetika Durchbrüche in den Genforschung 40 Fakten Theoretischer Insulin Bedarf Quelle: A tudy of Insulin upply and Demand, NIH 1976 Ein gesunder Mensch produziert rund 2 mg Insulin pro Tag Ein Typ-I-Diabetiker verbraucht ca. 1,5 mg tierisches Insulin pro Tag Ein chweinepankreas ergibt tierisches Insulin für 10 Tage eit 1982: gentechnisch hergestelltes Humaninsulin Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 15

16 Insulin-Therapie des Diabetes Diabetiker weltweit ( ) % % % % % World: 2000 = 171 Million 1995 = 118 Million (2.8 %) 2010 = 221 Million 2010 = 221 Million Zunahme 87% (4.4 %) % Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 16

17 Definition der Gentechnik Was ist Gentechnik? Neukombination von Nucleinsäuren - Herstellung von Proteinen für medizinische und technische Anwendungen - Herstellung von transgenen Pflanzen und Tieren - Gendiagnostik - Gentherapie Was ist Gentechnik nicht? Klassische Züchtungsverfahren Extrakorporale Befruchtung Übertragung von Embryonen auf Leihmütter (Zell)Biologische Verfahren - Herstellung von tierischen Hybriden (chiege = chaf + Ziege) - Herstellung von Pflanzenhybriden (Nektarine) - Klonieren von Organismen (z. B. tecklinge, Ableger) - Embryoteilung und Embryotransfer bei Nutztieren Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 17

18 Von der DNA-truktur zum Protein Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 18

19 Insulin-Therapie des Diabetes truktur und Funktion des Humaninsulins A-Kette B-Kette Monomer Monomer-Wechselwirkung Assoziation von drei Dimeren zum Hexamer Bindung an den Rezeptor Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 19

20 Der biotechnologische Prozess Upstream Processing Downstream Processing Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 20

21 Gentechnische Herstellung von Humaninsulin Ansätze zur gentechnischen Herstellung von Humaninsulin: 1. Expression der beiden Insulin-Ketten in unterschiedlichen E.coli-tämmen 2. Expression von Proinsulin in E.coli-tämmen (in Anlehnung an die Insulin-Biosynthese) Primärprodukt ist das Prä-Proinsulin aus ignal-peptid, der B-Kette, dem C-Peptid und der A-Kette 3. Expression von Mini-Proinsulin in acharomyces cerevisiae Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 21

22 Expressionsvektor für Humaninsulin Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 22

23 Der Fermentations-Prozess Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 23

24 Die Basisreinigung Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 24

25 Die Hochreinigung Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 25

26 Trypsin-paltung von Prä-Proinsulin ALA -NH2 THR THR ER THR GLY AN ER ALA ARG -1 PHE 1 60 LY ARG GLN GLY 1 LEU ALA LEU PRO GLN GLU GLY LEU ER ILE VAL GLU GLN CY CY THR ER ILE CY ER LEU TYR GLN LEU GLU AN TYR CY AN -COOH LEU ER GLY ALA GLY PRO VAL AN GLN HI LEU CY GLY ER HI LEU VAL GLU ALA LEU TYR LEU VAL CY GLY GLU ARG GLY PHE TYR THR PRO LY 5 PHE GLY GLY GLY LEU GLU 40 VAL GLN GLY 35 VAL GLN PRO AP GLU THR 30 ALA ARG GLU ARG Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 26

27 Insulinanaloga Int. Bezeichnung (Handelsname) Modifizierte Positionen Unterdrückung Hexamerenbildung chnellere Anflutung pritz-ess- Abstand kürzer Basalinsulin (24 h) IEP im Neutralen Wirkungsveränderung Lispro (Humalog ) Aspart (NovoRapid ) Glulisin (Apidra ) Glargin (Lantus) B28Lys-B30Pro (Vertauschung) B28Asp Austausch Pro B3Lys statt Asp B29Glu statt Lys A21Gly statt Asp B31Arg-B32Arg Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 27

28 Exendin-4-Derivate Eine neue Behandlung des Typ 2- Diabetes Exenatid ein synthetisches Abwandlungsprodukt eines Polypeptids (39 A) (GLP-1-Agonist = Glucagon like peptide) ab 2006 im Handel Gila-Krustenechse (im peichel) (Heloderma horridum and Heloderma suspectum) Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 28

29 Glucagon like peptide (GLP)-Wirkmechanismus Insulin Ausschüttung Insulin Biosynthese Glucagon ekretion β-zell-erhaltung Leber Glucose Produktion Magenentleerung Nahrungsaufnahme Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 29

30 GLP-1-Agonisten: Chemie GLP-1-Analoge (Liraglutide, Taspoglutide und CJC-1131) Exendin-Analoge (Exendin-4 = Exenatide und AVE0010) Exendin-4 H2N-HGEGTFTDLKQMEEEAVRLFIEWKNGGGGPGAPPP-NH2 Taspoglutide H2N-HXEGTFTDVYLEGQAAKEFIAWLVKXR-NH2 (X = Aminoisobuttersäure) Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 30

31 Exendin-4-Derivate - Neuer therapeutischer Ansatz Frühstadium Fortgeschrittenes tadium Diät/port Orale Antidiabetika Monotherapie Kombination GLP-1 Agonist Insulin GLP-1-Rezeptoragonisten bilden eventuell eine Brücke zwischen Oralen Antidiabetika und Insulin Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 31

32 chlussbemerkungen (1) In der Biotechnik werden natürliche yntheseleistungen von Mikroorganismen, tierischen und pflanzlichen Zellen zur industriellen Gewinnung von toffen insbesondere Pharmaka genutzt. Ein weiterer Zweig der Biotechnik ist die Gewinnung von Enzymen (Biokatalysatoren) zur schonenden Modifizierung von toffen. Biotechnologische Prozesse nutzen Zellen als chemische Fabrik. olche Prozesse sind äußerst effizient, nachhaltig und hoch innovativ! Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 32

33 chlussbemerkungen (2) In der Gentechnik werden ebenfalls Produkte durch lebende Organismen gewonnen. Im Unterschied zur Biotechnik wird aber im Laufe des Verfahrens DNA isoliert und gezielt verändert. Die modifizierte DNA wird wieder in einen Organismus integriert, um dadurch eine neue Eigenschaft des betreffenden Organismus für eine yntheseleistung nutzen zu können. Die Gentechnik erweitert daher die Möglichkeiten der Biotechnik und eröffnet neue Chancen der Wirkstoffproduktion. Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ich danke der Firma anofi-aventis für die Überlassung einiger Abbildungen. Ehlers_Mainz_12Juli Hier wird Wissen Wirklichkeit 34

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