Insulin Engineering der Wirkdauer

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1 Insulin Engineering der Wirkdauer Mona Bausch Proteinbiochemie/Proteinengineering

2 [1], [2] Insulin und dessen Aufgabe Hormon Produziert in β-zellen der Langerhanß schen Inseln der Bauchspeicheldrüse Aufgabe zusammen mit Glucagon: Regulierung des Blutzuckerspiegels Insulin Senkung des Blutzuckerspiegels durch Aufnahme des Zuckers in Form von Glykogen in Muskel- und Fettgewebe; Hemmung der Neubildung von Glucose in der Leber Glucagon Freisetzung von Zucker ins Blut Regulierung des Blutzuckerspiegels [2]

3 [2] Diabetes mellitus Typ I Auftreten meist schon im Kindes- oder Jugendalter Zerstörung der β-zellen des Inselorgans durch Antikörper Keine (ausreichende) Bildung von Insulin möglich Nicht heilbar Typ II Normale Produktion von Insulin aber Wirkung nicht ausreichend Mögliche Ursachen: Adipositas, Bewegungsmangel Häufig heilbar oder reduzierbar Behandlung von Patienten mit Diabetes mellitus Typ I mit Insulin erforderlich

4 [3] Insulintherapie Ziel: Blutzuckerspiegel regulieren, Hyperglykämie verhindern Früher Therapie mit Insulin isoliert aus Schweine- und Rinderpankreas Heute Rekombinantes Humaninsulin Substitution von basalem Insulinbedarf mit langwirkendem Basalinsulin und prandialem Insulinbedarf mit kurzwirksamem Normalinsulin zu den Mahlzeiten Bedarf an Insulinen mit unterschiedlicher Wirkdauer

5 [4] Insulinarten Normalinsulin (Altinsulin) Insulinanaloga (ultra-kurz wirkendes Insulin; Basalinsulin/Verzögerungsinsulin) Kombinations-/Mischinsulin

6 [1] Insulinbiosynthese Bildung des Präproinsulins (PPI) Vorstufe bestehend aus A und B-Kette, C-Peptid und Signalpeptid Signalpeptid lenkt PPI in Lumen des rauen ERs Signalpeptid wird durch Signalpeptidase herausgeschnitten Proinsulin humanes Proinsulin Proinsulin wird in Vesikel verpackt und zum GOLGI-Apparat transportiert Protease schneidet C-Peptid heraus Insulin Speicherung erfolgt gebunden durch Zink als Hexamer Humaninsulin

7 [5], [10], [11] Synthetisches Insulin Biosynthese von Insulin aus Escherichia coli Getrennte Synthese von A- und B-Kette in E. coli mit anschließender Verknüpfung mit Disulfidbrücken durch chemischen Syntheseschritt Synthese von Proinsulin mit anschließender Abspaltung des C-Peptids Biosynthese von Insulin aus Saccharomyces cerevisiae Vorstufe des Proinsulins

8 Veränderung der Wirkdauer von Insulin Kann erfolgen durch: Formulierung Proteinengineering

9 [6] Verlängerung der Wirkdauer von Normalinsulin Protamin-Zink-Insulin (PZI) mit Protamin und Zink in Insulinzubereitung Neutral-Protamin-Hagedorn (NPH) mit Protamin bei neutralem ph-wert Globin/Surfen-Insulin mit synthetisch hergestelltem Harnstoffabkömmling als Verzögerungssubstanz

10 [6] Verlängerung der Wirkdauer von Normalinsulin Protamin-Zink-Insulin (PZI) mit Protamin und Zink in Insulinzubereitung Neutral-Protamin-Hagedorn (NPH) mit Protamin bei neutralem ph-wert Globin/Surfen-Insulin mit synthetisch hergestelltem Harnstoffabkömmling als Verzögerungssubstanz Nachteile Begrenzte dosisabhängige Wirkdauer Ausgeprägtes dosisabhängiges Wirkmaximum Hohe Rate an Applikationsfehlern

11 Verlängerung der Wirkdauer durch Insulinanaloga Glargin (Lantus, Sanofi-Aventis) erstes Insulinanalogon mit langer Wirkdauer C-terminale Addition von 2 Argininresten an der B-Kette (B30) Asparagin (A21) durch Glycin ersetzt höhere Stabilität bei geringen ph-werten, weniger löslich bei neutralem ph Asn Stabilisierung der Hexamerform Insulin - Engineering der Wirkdauer [6], [12]

12 Verlängerung der Wirkdauer durch Insulinanaloga Degludec (Tresiba ; Novo Nordisk) Entfernung von Threonin an B30 Addition einer C16-Fettsäure an Lysin über γ-glutaminsäure als Linker höhere Bindungsaffinität zu Albumin, was Absorption verzögert langsamere Abgabe in periphäres Zielgewebe Insulin - Engineering der Wirkdauer [9]

13 Verlängerung der Wirkdauer durch Insulinanaloga Detemir (LEVEMIR, Novo Nordisk) Entfernung des C-terminalen Threonin (B30) Myristinsäure-Molekül an Lysin (B29) kondensiert höhere Bindungsaffinität zu Albumin, was Absorption verzögert langsamere Abgabe in periphäres Zielgewebe Asn Insulin - Engineering der Wirkdauer [6], [12]

14 Verkürzung der Wirkdauer von Normalinsulin Lispro (Humalog, Lilly) Aminosäuren Prolin (B28) und Lysin (B29) vertauscht Austausch verhindert, dass Insulin Dimere oder Hexamere bildet schnellere Absorption Asn schnellerer Wirkbeginn und kürzere Wirkdauer Insulin - Engineering der Wirkdauer [7], [12]

15 Verkürzung der Wirkdauer von Normalinsulin Aspart (NovoRapid, Lilly) Prolin (B28) durch Asparaginsäure ersetzt Austausch verhindert, dass Insulin Dimere oder Hexamere bildet (analog zu Lispro) schnellere Absorption Asn schnellerer Wirkbeginn und kürzere Wirkdauer Insulin - Engineering der Wirkdauer [8], [12]

16 Zusammenfassung Modifikation der AS-Sequenz von Insulin Produktion mittels E. coli oder S. cerevisiae Ermöglichen schnell-wirkende sowie Verzögerungsinsuline Vorteile gegenüber Formulierungszusätzen bessere dosisabhängige Wirkdauer Vermeidung an hohen Raten an Applikationsfehlern

17 Fragen 1. Welche beiden Methoden werden verwendet, um Humaninsulin mittels E. coli rekombinant herzustellen? 2. Nennen Sie jeweils eine Modifikation, die dazu führt, dass die Wirkdauer von Insulin verlängert bzw. verkürzt wird.

18 Quellen [1] Basics Biochemie; Kirchner H, Mühlhäuser J ; Urban & Fischer Verlag/Elsevier GmbH [2] I care Anatomie, Physiologie; Thieme; Auflage 1 [3] M. Kellerer, S. Matthaei im Auftrag der DDG: Praxisempfehlungen der Deutschen Diabetes- Gesellschaft; Supplement 2; Oktober 2011; 6. Jahrgang Seite 105 S206 [4] Klinische Pharmakologie; Wehling M; Thieme; Auflage: 1 [5] Diabetologie in Klinik und Praxis; Mehnert H; Thieme; Auflage: 5., vollst. überarb. u. erw. Aufl. [6] Insulin Preparations with Prolonged Effect; Owens DR; Diabetes Technology & Therapeutics Volume 13, Supplement 1, 2011 [7] Meyler's Side Effects of Endocrine and Metabolic Drugs; Aronson JK; Elsevier Science; 1. edition 2009 [8] Joslin's Diabetes Mellitus, Kahn RC, LWW; 14. edition 2004

19 Quellen [9] A Practical Guide to Diabetes Mellitus; Thomas N; Jaypee Brothers Medical Pub; 6. edition; 2012 [10] Hormon aus Bakterien, Hefen und Pflanzen; Pues M; Pharmazeutische Zeitung: Ausgabe 37/2010 [11] Broschüre Insulin eine biotechnologische Erfolgsgeschichte für dich und deine Gesundheit, Sanofi [12] Diabetologie in Klinik und Praxis; Mehnert H; Georg Thieme Verlag, 2003