Diabetes, insulins kemi og Novo Nordisk

kemi2011.dk

Diabetes, insulins kemi og Novo Nordisk

Diabetes, insulins kemi og Novo Nordisk

AF

THOMAS HØEG-JENSEN

D

en vigtigste energikilde

for den menneskelige

organisme er

sukkerstoffer (kulhydrater,

carbohydrater), som optages

fra føden. I fødevarer findes

dels små simple carbohydratmolekyler,

dels lange kæder

(polysaccharider). Under fordøjelse

i maven og tarmen,

samt ved stofskifte i leveren,

omsættes størstedelen af de

forskellige sukkerarter til det

simple carbohydrat glucose.

Glucose fordeles i kroppen

gennem blodet og optages i

cellerne for omsætning til

energi (ved forbrænding),

men de fleste celler skal stimuleres

med insulin, før de

åbnes for optag af glucose.

Insulin dannes og lagres i

beta-cellerne i bygspytkirtlen

og frigives til blodet i koncentrationer,

som afhænger af

glucose-niveauet. Naturlig

insulin-udskillelse sker derfor

dels på et basalt niveau, som

sikrer glucose-optag døgnet

rundt, dels ved forøget udskillelse

ved måltider for

optag og forbrænding af sukkerstoffer

fra maden. Ved

anvendelse af insulin som

lægemiddel tilstræbes et tilsvarende

doseringsmønster

med et konstant basalniveau

suppleret med ekstra doser

ved måltider, i et forsøg på at

opnå optimal regulering af

glucose-indholdet i blodet og

derved mindske risikoen for

skader på lang sigt.

INSULIN OG DIABETES

Hvis man mangler insulin,

eller hvis insulins effekt på

cellerne er nedsat, optages

Figur 1. Glucoses struktur og nedbrydning

Glucose som hemiacetal i ligevægt med sin aldehydform og glucoses reaktion med proteinaminogrupper

via en iminform til fructosamin, som leder videre til proteinkrydsbindinger og

-nedbrydning.

1


glucose utilstrækkeligt i

muskler og lever, og man får

derfor forhøjet glucose i blodet.

Forhøjet glucose er skadeligt

for kroppen, primært

på grund af kemisk reaktion

med kroppens proteiner. Glucose

optræder i en ligevægt

mellem en lineær aldehydform

og en cyclisk acetalform,

se Figur 1. Aldehydformen

er kemisk reaktiv og

kan reagere med bl.a. aminogrupper

på proteiner. Hvis en

person i længere tid har forhøjet

glucose i blodet kan

dette føre til skader på organer

(nyrer, øjne m.m.) og

dannelse af aflejringer i blodårerne.

Diabetes (sukkersyge) findes

i to hovedformer, type 1

og type 2. Type 1 diabetespatienter

mister deres betaceller

og dermed insulinproduktion

pga. en autoimmun

reaktion, hvor kroppen

opfatter beta-cellerne

som fremmede og dræber

dem. Type 1 diabetes er delvist

arvelig, smitter ikke, og

opstår typisk hos børn. Type

2 diabetespatienter har fortsat

insulinproduktion i betacellerne,

nogle gange endda

forhøjet produktion, men

trods dette optager type 2

patienternes celler ikke glucose

i samme grad som celler

hos raske personer, og patienterne

har derfor nedsat

insulinfølsomhed. Type 2

diabetes opstår oftest hos

overvægtige, midaldrende

personer, men i takt med udbredelsen

af ”moderne” levevis

med for megen og usund

kost samt for lidt motion ses

type 2 diabetes i stigende

grad hos yngre personer.

Type 1 patienter skal behandles

med insulin, ellers

dør de i løbet af kort tid. Type

2 diabetes kan ofte kontrolleres

ved forbedring af

livsstil eller med oralt tilgængelige

lægemidler som

øger insulinudskillelsen eller

insulinfølsomheden. Men

over tid overbelastes og nedbrydes

beta-cellerne hos

mange type 2 patienter, og de

behøver derfor ofte insulin

efter en årrække. Tidlig

insulinstart kan muligvis forlænge

beta-cellernes levetid.

Insulin nedbrydes i fordøjelsessystemet,

hvis man tager

det oralt, og lægemidlet skal

derfor administreres ved injektion

(indsprøjtning), hvilket

er en barriere for mange

patienter. Faktisk er moderne

nåle så tynde og volumen af

insulindoser så lille, at man

knap kan mærke injektionerne.

Men det forstår patienter

(og lægerne) typisk først, når

de har prøvet det.

INSULIN SOM LÆGE-

MIDDEL

Blodglucosekoncentrationen

er hos raske, fastende personer

ca. 5 mM (svarende til

0,9 g/L), stigende op mod 10

mM efter et måltid. Hos diabetespatienter

kan koncentrationen

stige til over 20−30

mM, hvilket dramatisk øger

risikoen for skader på lang

sigt. Højt blodsukker (blodglucose)

bør derfor behandles

medicinsk. Uheldigvis kan

selv en lille overdosering af

insulin som lægemiddel medføre,

at glucosekoncentrationen

falder til under 2 mM, og

det kan være akut farligt og

føre til forvirring, koma, evt.

død. Med henblik på at opnå

bedst mulig glucosekontrol er

K = 10 3 M 2

K = 10 5 M

Figur 2. Insulinkrystaller

Ligevægt mellem insulinkrystaller eller opløseligt depot, hexamer, dimer og monomer.

2


det derfor nødvendigt, at hver

enkelt insulindosis tilpasses

omhyggeligt til både type og

mængde af fødevarer samt til

aktuelt blodglucoseniveau og

motion mm. Insulindosering

er derfor en svær balance, og

mange diabetespatienter får

til tider ubehagelige eller

farlige oplevelser med for

lavt blodsukker.

Insulin er sammensat af 51

aminosyrer fordelt i to kæder

(A-kæden og B-kæden), bundet

sammen af to disulfidbroer,

suppleret af en tredje

disulfidbro internt i A-kæden.

Når insulin udskilles fra betacellerne,

går det direkte til

blodet, men når insulin bruges

som lægemiddel indsprøjtes

det under huden

(subkutant). Man administrerer

ikke insulin lægemiddel

direkte til blodet, dels fordi

det er vanskeligt at ramme en

blodåre, dels fordi insulindosis

ville være for stor, hvis

en fuld basal dosis gik i blodet

på en gang. Insulin findes

både i beta-cellerne og i

lægemiddelpræparater i et

kompleks med zinkioner

(Zn 2+ ), bestående af 6

insulinmolekyler bundet til 2

zinkioner, kaldet insulinhexamer

(se Figur 2). Insulin

som hexamer er fysisk og

kemisk mere stabil end insu-

Figur 3. 3D-struktur af insulindimer

3D-struktur af insulin-aspart-dimer (dobbeltinsulin) bestemt ved røntgendiffraktion. B28Asp med

negativt ladet carboxylat er vist som kuglemodel, mens øvrige aminosyrer er vist som stregmodeller,

og stoffets foldning er vist som bånd (røde A-kæder, blå B-kæder). Disulfidbroer er orange.

3


lin i fri form (monomer), og

hexamer-formen er nødvendig

for at opnå lagerholdbarhed

af lægemidlet. Under

optagelse af insulin som lægemiddel

fra underhuden til

blodet adskilles (dissocierer)

hexameren først til løst associeret

dobbeltinsulin (dimer)

og derefter til monomer, som

er den biologisk aktive form.

Dissociationen sker hurtigt,

når insulin udskilles fra betaceller

til blodet (hurtig fortynding

i blodet), men langsomt

med injiceret humaninsulin

(langsom fortynding i

vævet). Patienter skal derfor

injicere humaninsulin ca. ½

time før måltider for at

matche udsving i blodglucose.

Samtidig er det vigtigt,

at ramme en passende

insulin-dosis så nøjagtigt som

muligt for at minimere tilfælde

at højt eller lavt blodsukker,

som beskrevet ovenfor.

Før 1980 blev insulin isoleret

fra bugspytkirtlen på slagtedyr,

primært grise, men i

dag producerer Novo Nordisk

insulin vha. genmodificeret

gær. Genteknologi kan

opskaleres ubegrænset og

tillader desuden udskiftning

af aminosyrer til modificerede

insulin-sekvenser. På Novo

Nordisk har forskerne

udviklet analoger af insulin

som danner mindre stabile

hexamerer (men dog stabile

nok til lageropbevaring). Det

markedsførte stof, kaldet

insulin-aspart eller Novo-

Rapid, indeholder asparaginsyre

i stedet for prolin i position

28 i B-kæden (B28).

Stoffet optages hurtigere end

humaninsulin efter injektion

og kan derfor tages samtidig

Figur 4. Struktur af insulin detemir

Struktur af B29Nε-myristoyl desB30 humaninsulin, alias insulin

detemir (produktnavn Levemir). Aminosyrerester A1, B1, A21,

og B29 er angivet.

med måltidet, ikke ½ time

før. Dette hjælper diabetespatienter

til opnå en bedre

timing og dosering af insulin

relativt til et givent måltid.

Asparaginsyres sidekæde

indeholder en carboxygruppe,

som har en syrestyrkeeksponent

(pK s ) på ca. 5, og

sidekæden er derfor negativt

ladet (på carboxylatform) ved

fysiologisk pH = 7,5. Den

ekstra negative ladning i den

givne position medvirker til

at destabilisere insulinhexameren,

så insulin dissocierer

og optages hurtigere,

se Figur 3.

For insulindækning døgnet

rundt har diabetespatienter

brug for langtidsvirkende

insulin (basal insulin). Insulin

blev opdaget i Canada i

1920’erne, og i 30−40’erne

opdagede forskere hos Novo

Nordisk (dengang Nordisk

Gentofte), at insulin i blanding

med proteinet protamin

fra laksesperm danner tungtopløselige

krystaller. Dette

blev udnyttet til udvikling af

NPH-insulin (neutral protamin

Hagedorn), som opløses

langsomt efter subkutan injektion.

Med dette præparat

skal basal insulin tages 2

gange i døgnet. NPH kan

desuden blandes med almindelig

insulin, så man kan

dække både basal og måltidsinsulin

med én blandet injektion.

NPH har dog den ulempe

at krystallerne skal

suspenderes i præparatet, og

selv omhyggelig omrystning

giver betydelige dag-til-dag

variationer i den givne dosis.

Dette kan føre til overdosering

af insulin og derfor til

lavt blodsukker, hvilket især

efter aftendosis kan være

farligt, fordi det kan give for

lavt blodsukker om natten.

Forskere på Novo Nordisk

har arbejdet med at fremstille

langtidsvirkende insulin i

opløselig form. Ved kobling

af fedtsyren myristinsyre

(tetradecansyre) til sidekæden

på B29-lysin (insulin

detemir, Levemir, se Figur

4), opnås binding af insulin

til proteinet albumin, som

findes både i subkutant væv

og i blodet i høj koncentration

(500 µM). Bindingen til

albumin forlænger insulins

opholdstid på injektionsstedet

4


samt cirkulationstiden i blodet,

så detemir kan dække

basalbehovet ved injektion

1−2 gange i døgnet. Fordi

stoffet er opløseligt, kan der

gives præcis samme dosis fra

dag til dag. Desværre kan

man ikke blande detemir med

hurtigtvirkende insulin, fordi

de individuelle virkningsprofiler

derved forandres.

Senest har forskere på Novo

Nordisk fremstillet basale

insulinvarianter, som både er

opløselige, meget langtidsvirkende

og blandbare med

hurtigtvirkende insulin (måltidsinsulin).

Insulin degludec

har hexadecandisyre koblet

til B29-lysin via glutaminsyre

som linker. Dette stof er

p.t. under afprøvning i mennesker

og har i de kliniske

forsøg vist lavere risiko for

lavt blodsukker end de ældre

stoffer. Samtidig kan stoffet

administreres som præformulering

(blanding) med hurtigtvirkende

insulin under

bevarelse af de individuelle

virkningsprofiler.

FREMTIDENS INSULIN

Novo Nordisk arbejdes

der også p.t. med at udvikle

insulintyper som kan optages

oralt i tilstrækkelige mængder.

Dette er en meget vanskelig

udfordring, men der er

opnået lovende resultater i

forskningsfasen. Der arbejdes

både med at forandre aminosyresekvensen

i insulin for at

opnå bedre stabilitet mod

fordøjelsesenzymer og med

kemisk modifikation for at

opnå forbedret optagelse i

tarmen.

En anden mulig forbedring

af insulin som lægemiddel er

fremstilling af varianter, som

er normalt aktive, når blodglucosen

er høj, men inaktive

når blodglucosen er lav. Med

et sådant lægemiddel ville

patienterne kunne dosere

insulin mere aggressivt for

behandling af højt blodsukker

uden at risikere at få for

lavt blodsukker.

Om forfatteren

Thomas Hoeg-Jensen, Ph.D. er

Principal Scientist ved Novo Nordisk

i afdelingen for Diabetes Protein

and Peptide Chemistry. Han er

desuden adjungeret lektor ved KU-

LIFE.

Referencer

1. J. Brange, U. Ribel, J.F. Hansen, G.

Dodson, M.T. Hansen, S. Havelund,

S.G. Melberg, F. Norris, K. Norris, L.

Snel, A.R. Sorensen, H.O. Voigt:

“Monomeric insulins obtained by protein

engineering and their medical implications”,

Nature 333 (1988) 679–

682.

2. S. Havelund, A. Plum, U. Ribel, I.

Jonassen, A. Vølund, J. Markussen, P.

Kurtzhals: “The mechanism of protraction

of insulin detemir, a long-acting,

acylated analog of human insulin”,

Pharm. Res. 21 (2004) 1498-1504.

3. I. Jonassen, T. Hoeg-Jensen, S. Havelund,

U. Ribel: “Ultra-long acting insulin

degludec can be combined with rapid-acting

insulin aspart in a soluble coformulation”,

J. Peptide Sci. 16 (2010)

32.

4. B. Zinman, G. Fulcher, P.V. Ra, N.

Thomas, L.A. Endahl, T. Johansen, R.

Lindh, A. Lewin, J. Rosenstock, M.

Pinget, C. Mathieu: “Insulin degludec,

an ultra-long-acting basal insulin, once

a day or three times a week versus insulin

glargine once a day in patients with

type 2 diabetes: a 16-week, randomised,

open-label, phase 2 trial”, Lancet 377

(2011) 924 - 931.

5. T. Hoeg-Jensen, S. Havelund, P.K.

Nielsen, J. Markussen: “Reversible insulin

self-assembly under carbohydrate

control”,

J. Am. Chem. Soc. 127 (2005) 6158–

6159.

6. Thomas Hoeg-Jensen: “Design of

Insulin Variants for Improved Treatment

of Diabetes”, in K.J. Jensen (editor):

Peptide and Protein Design for Biopharmaceutical

Applications, Wiley,

2009.

5

More magazines by this user
Similar magazines