/

Insulina
białko, które zmienia życie

avatar
Marta Andrzejewska 29 Cze, 6 minut czytania

 

Każdy z nas zapewne zna kogoś, kto choruje na cukrzycę. Nawet osoby niezwiązane z medycyną są świadome, że dzieli się ona głównie na dwa podtypy (choć tak naprawdę jest ich więcej) i niektórzy chorzy muszą przyjmować insulinę, by żyć. Dzieje się tak w przypadku cukrzycy typu I, zwanej insulinozależną – a insulina jest hormonem niezbędnym do życia, który nie jest produkowany u osób z tą chorobą.

Mimo tej wiedzy, mało kto zastanawia się, czym jest insulina, skąd się wzięła i jak się ją produkuje, by mogła być bezpieczna dla cukrzyków, a do tego przystępna cenowo.

Historia insuliny zaczyna się w 1869 roku, gdy Paul Langerhans opisuje istnienie wysp trzustkowych – struktur trzustki, które tak naprawdę są gruczołami wydzielającymi hormony [1]. Są to zgrupowania kilku typów wyspecjalizowanych komórek, z czego dwa są najważniejsze i nazwano je alfa i beta. Pierwsze wydzielają glukagon, czyli hormon działający przeciwnie do insuliny (patrz przypis 1), drugie zaś rzeczoną insulinę (przypis 2). Tego jednak nie było jeszcze wiadomo na tym etapie.

Mimo że w końcu XIX wieku nie łączy się jeszcze wysp trzustkowych (wysp Langerhansa) z tymi hormonami, to w 1890 roku dwóch badaczy, Oskar Minkowski oraz Joseph Freiherrvon Mering wykazują w badaniach na psach, że to właśnie nieprawidłowe działanie trzustki odpowiada za powstawanie objawów cukrzycy [2]. Stąd droga do wykazania zależności pomiędzy wyspami a ich funkcją była już krótka – opisuje to już po 4 latach Edward Albert Sharpey-Schafer. Nie używa jednak słowa ,,hormon”, lecz mówi o ,,wewnętrznej wydzielinie” [3].

W międzyczasie, w 1902 roku, L.W. Sobolew opisuje, że podwiązanie przewodów trzustki u wielu gatunków prowadzi do zaniku części zewnątrzwydzielniczej (produkującej enzymy trawienne) z zachowaniem wysp i bez pojawienia się glikozurii (przypis 3) [3]. Wiadomo już, że trzustka produkuje liczne enzymy niezbędne nam do prawidłowego trawienia pokarmów.

W 1909 roku Jean De Meyer, opisując wpływ ,,wewnętrznej wydzieliny trzustki” na czynność nerek używa po raz pierwszy w historii nazwy „insulina” [3]. Nadal jednak do końca nie wiadomo, czym ona jest i jak działa, lecz kolejni badacze, między innymi Ernest Lyman Scott czy Moses Barron prowadzą doświadczenia, w których podają wyciągi z trzustek. Mają one działanie hipoglikemizujące (zmniejszające stężenie cukru we krwi) oraz hamujące glikozurię. Próby te okazują się jednak niebezpieczne – powodują różnorakie działania niepożądane u ludzi [3]. Dzisiaj wiadomo, że podawanie ludziom białka od obcego gatunku może mieć działanie alergizujące i jest to zupełnie niewskazane, kiedyś jednak wszelkie próby kliniczne były dość prowizoryczne. Kto oglądał serial „Charité” na Netflixie, ten wie, jak testowano tuberkulinę czy ,,lek” na błonicę – włos każdego współczesnego naukowca jeży się na głowie.

Ważną postacią jest Nicolae Constantin Paulescu, który to w 1916 roku pracuje nad wodnymi ekstraktami z trzustki. Ich substancję czynną nazywa „pancreina”, po kilku latach opisując swoje wyniki w czasopiśmie Archives Internationales de Physiologie, finalizuje je opatentowaniem procesu otrzymywania ,,pancreiny” [4].

Finalnie, w 1922 roku, odkryta zostaje insulina. Dokonują tego Frederick Banting oraz Charles Best. Już rok później Banting otrzymuje za to Nagrodę Nobla [5]. Nic zatem dziwnego, że w latach 20-tych XX wieku pojawiają się pierwsi pacjenci leczeni insuliną, która jest produkowana między innymi przez Krogh’a i Hagedorn’a, jednak efekty pozostawiają wiele do życzenia [6].

Przez kilka dekad insulina jest pozyskiwana z trzustek krów i świń. Hormon właśnie tych zwierząt jest najbardziej podobny względem ludzkiej insuliny. Mimo względnego podobieństwa, insulina ta nadal powoduje reakcje alergiczne, dlatego też podejmuje się jej oczyszczania. Niestety, należy wspomnieć o dużej liczbie zwierząt i etyce ekstrakcji insuliny z ich trzustek. Wiele z nich było zabijanych lub co najmniej okaleczanych. Niektóre źródła podają, że potrzeba było aż dwóch ton organów wieprzowych by wyprodukować nieco ponad 8 uncji (czyli około 225 gramów) insuliny! [7]

Dopiero w latach 80-tych XX w. mamy do czynienia z początkiem ery insuliny ludzkiej, którą uzyskuje się dzięki dobrodziejstwom inżynierii genetycznej, zaś w latach 90-tych – ery analogów. W końcu nie trzeba wykorzystywać zwierząt.

Cała historia prac nad insuliną i cukrzycą ,,usiana” jest wieloma Nagrodami Nobla. Otrzymuje ją także w 1958 roku Frederick Sanger, który ustala sekwencję aminokwasową insuliny (znamy go z sekwencjonowania Sangera, które lata później stanie się wielkim przełomem w genetyce). W 1963 roku zsyntetyzowana zostaje syntetyczna insulina – pierwsze białko, dla którego się to udało [8]. W 1969 r. Dorothy Crowfoot Hodgkin za pomocą krystalografii rentgenowskiej ustala budowę przestrzenną hormonu, za co również zostaje nagrodzona Noblem [9]. Inną noblistką, która wprowadza metodę wykrywania insuliny we krwi, wykorzystującą reakcję antygen-przeciwciało oraz radioizotopy, jest Rosalyn Yalow (1977) [10].

 

Jak zatem produkowana jest dzisiaj insulina za pomocą nowoczesnej bioinżynierii?

Podstawą produkcji jest tzw. metoda rekombinacji DNA. Brzmi egzotycznie. Jest to po prostu łączenie ze sobą dwóch cząsteczek DNA pochodzących od różnych gatunków tak, aby stworzyły rekombinowaną, czyli zmodyfikowaną cząsteczkę DNA. Następnie jest ona wprowadzana do konkretnego organizmu, w przypadku insuliny – do bakterii E. coli, które dzięki temu produkują pożądany przez nas hormon.

Wyobraźmy sobie zatem dwie komórki obok siebie. Jedna to komórka bakteryjna, a druga to komórka eukariotyczna, ludzka. Dla przypomnienia, komórka bakteryjna ma swój materiał genetyczny w swoim chromosomie bakteryjnym (patrz przypis 4), ale także w plazmidzie (patrz przypis 5). To on jest tutaj kluczowy, bo jest wektorem używanym w całym procesie.

Najpierw należy ,,wyciągnąć” plazmid z komórki bakteryjnej. Później wyciąć trzeba gen dla proinsuliny z komórki ludzkiej oraz przeciąć plazmid w odpowiednim miejscu. Wykonywane jest to przy użyciu enzymów restrykcyjnych, tzw. endonukleaz (patrz przypis 6), które są na tyle „mądre”, że wiedzą gdzie uciąć, by było dobrze (są po prostu specjalnie zaprojektowane). Enzymy restrykcyjne tną plazmid tak, że robi się w nim miejsce, w które można ,,wkleić” gen dla proinsuliny. Powstaje rekombinowana cząsteczka DNA. Jest ona z powrotem wprowadzana do komórki bakteryjnej. Dzięki obecności plazmidu z genem dla proinsuliny, komórka jest w stanie produkować to właśnie białko.

Dlaczego cały czas piszę o proinsulinie? Otóż nie jest tak łatwo – sama produkcja insuliny jest dość skomplikowana, bowiem białko to przechodzi szereg przemian, by właśnie z proinsuliny zostać pełnoprawną, działającą insuliną. Proces ten również zachodzi w naszym organizmie, jednak jego szczegóły zostawmy tym, którzy muszą zaznajamiać się bliżej z biochemią . Dla nas kluczowa jest wiedza, że proinsulina jest modyfikowana enzymatycznie i oczyszczana w laboratorium, aby być wierną kopią ludzkiej insuliny i zarazem nie powodować reakcji immunologicznych [11]. Dzięki temu możliwe jest jej bezpieczne podawanie osobom chorym.

Patrząc na sam proces z daleka i bez krytycyzmu można być zadowolonym z osiągnięć medycyny i biotechnologii, ale później należy sobie zdać sprawę z tego, że E. coli produkujące insulinę to tak naprawdę organizmy modyfikowane genetycznie. Tak to w praktyce wygląda i insulina nie jest jedynym przykładem leku produkowanego w podobny sposób. Ba, nawet insulina, która jest kopią tej prawdziwej, produkowanej przez komórki beta wysp Langerhansa, ale tak naprawdę przez cenne nam bakterie GMO, została nazwana insuliną ludzką!

Wspominałam też o analogach insuliny, zatem dokończę wątek – są to specjalne preparaty insuliny, produkowane na bazie insuliny ludzkiej (czyli tej insuliny z genetycznie modyfikowanych bakterii). Są jednak analogami, ponieważ są do niej bardzo podobne, lecz nie są identyczne. Mają kilka drobnych różnic w budowie, które wpływają na to, jak szybko są uwalniane i jak długo działają. Osiągane jest to nie w inny sposób, jak metodami inżynierii genetycznej. Dzięki temu możliwe jest bardzo dokładne naśladowanie poziomów insuliny po posiłkach, między nimi oraz w nocy. Przykładowo, insulina lispro to tzw. szybko działający analog insuliny. Nazwa nie bierze się znikąd – zamieniono kolejność aminokwasów, prolinę i lizynę, ze sobą. Dzięki takiej modyfikacji analog ten wchłania się szybciej z tkanki podskórnej niż insulina ludzka, zatem podana bezpośrednio przed posiłkiem odwzoruje fizjologiczne jej wydzielanie, które nie występuje u cukrzyków. Dzięki istnieniu takiej ,,doraźnej” insuliny mogą na przykład zjeść tort na imieninach cioci, a nie przestrzegać zawsze sztywnych pór posiłków .

Mam nadzieję, że nie jest już dla Was abstrakcją to, jak i dlaczego bakterie E. coli produkują insulinę. Co ciekawe, produkcja leków to nie tylko bakterie – istnieją transgeniczne kurczaki, produkujące lek podawany w przypadku deficytu lizosomalnej kwaśnej lipazy, który został zatwierdzony przez FDA w 2015 roku [12]. Sądzę, że działa to na wyobraźnię każdego. Jakkolwiek zawsze trzeba mieć z tyłu głowy fakt, że bez obecnych technologii, wiele zwierząt cierpiałoby oraz wielu ludzi w najlepszym przypadku pozostawałoby bez leczenia lub z jego ciężkimi skutkami ubocznymi, a w najgorszym – umierało.

 

 

Przypisy:

  1. Glukagon to hormon białkowy, który działa w szczególności w wątrobie i tam pobudza proces glikogenolizy, czyli rozkładania glikogenu – materiału zapasowego, dzięki któremu produkowana jest glukoza. Produkowany jest w komórkach alfa wysp Langerhansa. Dodatkowo, glukagon wpływa na proces rozkładu triglicerydów i białek. Jest to hormon działający przeciwnie do insuliny, jest najważniejszy w przypadku wysiłku fizycznego, hipoglikemii i głodzenia.
  2. Insulina to również hormon białkowy, który odpowiada za wykorzystanie węglowodanów w metabolizmie oraz magazynowaniu substratów (czyli np. wytwarzanie glikogenu z glukozy pozyskanej z posiłków). Działa ona przede w mięśniach i tkance tłuszczowej, nasilając wychwyt i zużycie glukozy. Bez sprawnego obrotu glukozą, który głównie jest zawiadywany przez właśnie insulinę, nasz organizm próbuje pomóc sobie, przetwarzając tłuszcze. Jednak jest to dość nieefektywne i powstaje produkt uboczny – ciała ketonowe, przez których nagromadzenie osoba chora wpada w śpiączkę i nieleczona umiera.
  3. Glikozuria to wydalanie cukru z moczem, które spowodowane jest przekroczeniem tzw. progu nerkowego dla glukozy, czyli progu, kiedy nerki poddają się i nie oszczędzają już ważnej dla nas glukozy, a pozwalają jej uciec z organizmu wraz z moczem. Próg nerkowy dla glukozy wynosi 180 mg/dl. Każdy, kto przekroczy taki poziom cukru wydala zatem cukier z moczem.
  4. Chromosom bakteryjny – podstawowa struktura, która przechowuje bakteryjne, dwuniciowe, helikalne DNA, które tworzy okrąg.
  5. Plazmid – cząsteczka pozachromosomowego DNA bakteryjnego, która zlokalizowana jest w cytoplazmie i może sama się replikować.
  6. Endonukleazy – enzymy restrykcyjne – enzymyprzecinające nić DNA w miejscu wyznaczanym przez specyficzną sekwencję DNA.

 

 

Bibliografia:

[1] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK542302/

[2]https://www.nature.com/articles/1641076d0

[3]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6205949/

[4]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29402120/

[5]https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1923/banting/biographical/

[6]http://www.novonordisk.pl/o-Novo-Nordisk/historia-Novo-Nordisk/historia-Novo-Nordisk.html

[7] https://americanhistory.si.edu/blog/2013/11/two-tons-of-pig-parts-making-insulin-in-the-1920s.html

[8] https://www.diabetes.co.uk/insulin/history-of-insulin.html

[9] https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1964/hodgkin/biographical/

[10] https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1977/yalow/biographical/

[11] https://www.nlm.nih.gov/exhibition/fromdnatobeer/exhibition-interactive/recombinant-DNA/recombinant-dna-technology-alternative.html

[12] https://gmo.blog.polityka.pl/2015/12/10/transgeniczne-kurczaki-pomoga-chorym-na-rzadka-chorobe/

 

Podziel się: