インスリン

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背景

インスリンは、血液中のブドウ糖（糖）の量を調節するホルモンであり、体が正常に機能するために必要です。インスリンは、ランゲルハンス島と呼ばれる膵臓の細胞によって産生されます。これらの細胞は、少量のインスリンを体内に継続的に放出しますが、血糖値の上昇に応じてホルモンの急増を放出します。

体内の特定の細胞は、摂取した食物を、細胞が使用できるエネルギーまたは血糖値に変えます。人が食べるたびに、血糖値が上昇します。血糖値が上昇すると、ランゲルハンス島の細胞がトリガーされ、必要な量のインスリンが放出されます。インスリンは、血糖値を血液から細胞に輸送することを可能にします。細胞には膜と呼ばれる外壁があり、細胞に出入りするものを制御します。研究者は、インスリンがどのように機能するかをまだ正確には知りませんが、インスリンが細胞膜上の受容体に結合することは知っています。これにより、一連の輸送分子が活性化され、グルコースとタンパク質が細胞に入ることができます。その後、細胞はその機能を実行するためのエネルギーとしてブドウ糖を使用することができます。細胞に輸送されると、血糖値は数時間以内に正常に戻ります。

インスリンがないと、血糖値が血中に蓄積し、細胞はエネルギー源が不足します。発生する可能性のある症状には、倦怠感、絶え間ない感染症、視力障害、しびれ、手足のうずき、喉の渇きの増加、傷や切り傷の治癒の遅れなどがあります。細胞は、緊急時に備えて蓄えられたエネルギー源である脂肪を使い始めます。これがあまりにも長い間起こると、体はケトン、肝臓によって生成される化学物質を生成します。ケトンは、長期間にわたって体内に蓄積すると、細胞を毒殺する可能性があります。これは深刻な病気や昏睡につながる可能性があります。

必要な量のインスリンを産生しない人は糖尿病を患っています。糖尿病には2つの一般的なタイプがあります。 I型または若年性糖尿病として知られる最も重症のタイプは、体がインスリンを産生しない場合です。 I型糖尿病患者は通常、さまざまな種類のインスリンを1日3〜4回注射します。投与量は、血糖値計から取得した人の血糖値に基づいて取得されます。 II型糖尿病患者はある程度のインスリンを産生しますが、それだけでは不十分であるか、細胞がインスリンに正常に反応しません。これは通常、肥満または中年以上の人々に発生します。 II型糖尿病患者は必ずしもインスリンを服用する必要はありませんが、1日1回または2回インスリンを注射する場合があります。

インスリンが効き始める時期、ピークに達する時期、体内で持続する期間に基づいて製造されるインスリンには、主に4つのタイプがあります。米国糖尿病学会によると、速効型インスリンは15分以内に血液に到達し、30〜90分でピークに達し、5時間続く可能性があります。短時間作用型インスリンは30分以内に血中に到達し、約2〜4時間後にピークに達し、4〜8時間血中に留まります。中間作用型インスリンは、注射後2〜6時間で血中に到達し、4〜14時間後にピークに達し、血中で14〜20時間持続する可能性があります。また、長時間作用型インスリンは、作用を開始するのに6〜14時間かかり、直後に小さなピークがあり、20〜24時間血中に留まります。糖尿病患者はそれぞれインスリンに対する反応とニーズが異なるため、すべての人に最適なタイプはありません。一部のインスリンは、2つのタイプを1つのボトルに混ぜて販売されています。

歴史

体がインスリンをまったくまたは十分に生成しない場合、人々はそれの製造されたバージョンを服用する必要があります。インスリン産生の主な用途は、インスリンを十分に産生しない糖尿病患者または自然にインスリンを産生しない糖尿病患者向けです。

研究者がインスリンの製造方法を発見する前は、I型糖尿病に苦しむ人々は健康的な生活を送る機会がありませんでした。その後、1921年、カナダの科学者フレデリックG.バンティングとチャールズH.は、犬の膵臓からインスリンを最もよく精製しました。何年にもわたって、科学者たちはインスリンの生産を継続的に改善してきました。 1936年、研究者たちは血中への放出が遅いインスリンを作る方法を発見しました。彼らは、魚の精子に含まれるタンパク質であるプロタミンを追加しました。これは、体がゆっくりと分解します。 1回の注射は36時間続きました。もう1つの画期的な出来事は、1950年に、研究者がわずかに速く作用し、血流に長く留まらないタイプのインスリンを製造したときに起こりました。 1970年代に、研究者たちは、体の自然なインスリンがどのように機能するかをより模倣したインスリンの製造を試み始めました。食事時にサージが発生し、一日中少量のインスリンを放出します。

研究者たちはインスリンを改善し続けましたが、基本的な製造方法は何十年も同じままでした。牛や豚の膵臓からインスリンを抽出し、精製しました。これらの動物のインスリンの化学構造は、人間のインスリンとわずかに異なるだけです。そのため、人体で非常にうまく機能します。 （一部の人々は負の免疫システムまたはアレルギー反応を持っていましたが。）その後、1980年代初頭にバイオテクノロジーはインスリン合成に革命をもたらしました。研究者たちはすでに1950年代半ばにインスリンの化学構造を解読していました。彼らはすぐに11番染色体の上部にあるインスリン遺伝子の正確な位置を決定しました。1977年までに、研究チームはラットのインスリン遺伝子を細菌に接合し、それがインスリンを産生しました。

フレデリックボンティング。

1891年、フレデリック・バンティングはオンタリオ州アリストンで生まれました。彼は1916年にトロント大学医学部を卒業しました。第一次世界大戦での医療隊の奉仕の後、バンティングは糖尿病に興味を持ち、西オンタリオ大学で糖尿病を研究しました。

1919年、ミネソタ大学の研究者であるモーゼスバロンは、膵臓の2つの主要部分をつなぐ管の閉塞が、2番目の細胞型である腺房の収縮を引き起こしたことを示しました。バンティングは、膵管を縛って腺房細胞を破壊することにより、ホルモンを保存し、膵島細胞から抽出できると信じていました。バンティングはこれをトロント大学の生理学部長、ジョン・マクラウドに提案した。マクラウドはバンティングの提案を拒否したが、実験室スペース、10匹の犬、そして医学生のチャールズベストを提供した

1921年5月以降、Banting and Bestは、腺房細胞が萎縮するように犬の膵管を縛り、膵臓を取り除き、膵島細胞から液体を抽出しました。その間、彼らは糖尿病を引き起こすために他の犬から膵臓を取り除き、そして膵島細胞液を注入しました。 1922年1月、14歳のレオナルドトンプソンは、インスリンを使用して糖尿病の治療に成功した最初の人間になりました。

ベストは1925年に医学の学位を取得しました。バンティングはベストもクレジットされると主張し、ベストが含まれていなかったため、ノーベル賞をほぼ断りました。ベストは、1929年にトロント大学の生理学部長になり、1941年にバンティングが亡くなった後、大学のバンティングおよび医学研究部門のディレクターになりました。

1980年代、研究者たちは遺伝子工学を使用してヒトインスリンを製造しました。 1982年、Eli Lilly Corporationは、最初に承認された遺伝子操作された医薬品となるヒトインスリンを製造しました。動物に依存する必要なしに、研究者は無制限の供給で遺伝子操作されたインシュリンを生産することができました。また、動物の汚染物質も含まれていませんでした。人間のインシュリンを使用することはまたあらゆる潜在的な動物の病気をインシュリンに移すことについての心配を取り除いた。 1980年代以降、企業は動物（主にブタ）から生成された少量のインスリンを販売していますが、インスリンユーザーは組換えDNA技術によって作成されたヒトインスリンの形態にますます移行しています。 Eli Lilly Corporationによると、2001年には、世界のほとんどの地域のインスリンユーザーの95％が何らかの形のヒトインスリンを摂取しています。一部の企業は、動物用インスリンの生産を完全に停止しています。企業は、何らかの方法でインスリン分子の修飾である、ヒトインスリンおよびインスリン類似体の合成に焦点を合わせています。

原材料

人間のインシュリンは一般的なバクテリアの中で実験室で育てられます。 大腸菌 細菌の中で群を抜いて最も広く使用されているタイプですが、酵母も使用されています。

研究者は、インスリンを生成するヒトタンパク質を必要としています。メーカーは、DNAを合成するアミノ酸配列決定機を介してこれを取得します。製造業者は、インスリンのアミノ酸（タンパク質を構成するために並んでいる窒素ベースの分子）の正確な順序を知っています。 20の一般的なアミノ酸があります。メーカーはインスリンのアミノ酸を入力し、シーケンシングマシンはアミノ酸を相互に接続します。また、インスリンを合成するために必要なのはバクテリアを成長させるための大きなタンクであり、バクテリアが成長するためには栄養素が必要です。 DNAを分離および精製するには、遠心分離機などのいくつかの機器と、さまざまなクロマトグラフィーおよびX線結晶学機器が必要です。

製造
プロセス

ヒトインスリンの合成は、基本的な組換えDNA技術とインスリン遺伝子の理解に依存する多段階の生化学的プロセスです。 DNAは体がどのように機能するかについての指示を運び、DNAの1つの小さなセグメントであるインスリン遺伝子はタンパク質インスリンをコードします。製造業者は、インスリンの生物学的前駆体を操作して、単純な細菌の内部で増殖させます。メーカーにはそれぞれ独自のバリエーションがありますが、ヒトインスリンを製造するための2つの基本的な方法があります。

ヒトインスリンの使用

• 1インスリン遺伝子は、アミノ酸の2つの別々の鎖、つまりAがB鎖の上にあり、結合で結合されているタンパク質です。アミノ酸は、すべてのタンパク質を構築する基本単位です。インスリンA鎖は21アミノ酸で構成され、B鎖は30アミノ酸で構成されています。
• 2活性インスリンタンパク質になる前に、インスリンは最初にプレプロインスリンとして産生されます。これは、A鎖とB鎖がまだ分離されていない単一の長いタンパク質鎖であり、中央のセクションが鎖をつなぎ合わせ、一方の端にシグナル配列があり、細胞外で分泌を開始するタイミングをタンパク質に伝えます。プレプロインスリンの後、鎖はプロインスリンに進化しますが、それでも単一の鎖ですが、シグナル伝達配列はありません。次に、活性タンパク質インスリン、A鎖とB鎖をつなぐセクションのないタンパク質が登場します。各ステップで、タンパク質は次の形態のインスリンを生成するために特定の酵素（化学反応を実行するタンパク質）を必要とします。

AとBから始める

• 3インスリンを製造する1つの方法は、2つのインスリン鎖を別々に成長させることです。これにより、必要な特定の酵素のそれぞれを製造する必要がなくなります。メーカーは2つのミニ遺伝子を必要としています。1つはAチェーンを生成し、もう1つはBチェーン用です。各鎖の正確なDNA配列がわかっているので、アミノ酸配列決定機で各ミニ遺伝子のDNAを合成します。
• 4次に、これら2つのDNA分子は、宿主のDNAにより容易に取り込まれる小さな円形のDNA断片であるプラスミドに挿入されます。
• 5製造業者は、最初にプラスミドを無害なタイプの細菌 E.coliに挿入します。 lacZ の横に挿入します 遺伝子。 LacZは、組換えDNA手順で広く使用されている遺伝子である8-ガラクトシダーゼをコードします。これは、見つけて切断するのが簡単で、インスリンを簡単に除去できるため、細菌のDNAで失われないためです。この遺伝子の隣には、タンパク質の形成を開始するアミノ酸メチオニンがあります。
• 6組換え型の新しく形成されたプラスミドは、細菌細胞と混合されます。プラスミドは、トランスフェクションと呼ばれるプロセスで細菌に入ります。製造業者は、プラスミドが細菌のDNAに付着するのを助ける接着剤のように機能する酵素であるDNAリガーゼを細胞に加えることができます。
• 7インスリンを合成するバクテリアは、発酵プロセスを経ます。それらは製造工場の大きなタンクで最適な温度で栽培されます。何百万もの細菌が細胞の有糸分裂を介しておよそ20分ごとに複製し、それぞれがインスリン遺伝子を発現します。
• 8増殖後、細胞をタンクから取り出し、破砕してDNAを抽出します。これを行う一般的な方法の1つは、最初に細胞壁の外層を消化するリソソームの混合物を追加し、次に脂肪細胞壁膜を分離する界面活性剤混合物を追加することです。次に、細菌のDNAは、メチオニン残基でタンパク質鎖を分割する試薬である臭化シアンで処理されます。これにより、インスリン鎖が残りのDNAから分離されます。
• 9次に、2つの鎖が混合され、還元-再酸化反応によってジスルフィド結合によって結合されます。酸化剤（酸化または電子の移動を引き起こす材料）が追加されます。次に、バッチを遠心分離機に入れます。遠心分離機は、すばやく回転して細胞成分をサイズと密度で分離する機械装置です。
• 10次に、インスリン鎖のみが残るようにDNA混合物を精製します。製造業者は、分子の電荷、サイズ、および水への親和性の違いを利用するいくつかのクロマトグラフィーまたは分離技術によって混合物を精製できます。使用する手順には、イオン交換カラム、逆相高速液体クロマトグラフィー、およびゲルろ過クロマトグラフィーカラムが含まれます。製造業者は、インスリンバッチをテストして、細菌の E. coli がないことを確認できます。 タンパク質はインスリンと混合されています。 E. coli を検出できるマーカータンパク質を使用しています DNA。次に、精製プロセスで E. coli が除去されたと判断できます。 バクテリア。

プロインスリンプロセス

• 11 1986年以降、メーカーは別の方法を使用してヒトインスリンを合成し始めました。彼らは、インスリン遺伝子の直接の前駆体であるプロインスリンから始めました。この方法では、アミノ酸マシンがプロインスリン遺伝子を合成することを除いて、多くのステップはA鎖とB鎖でインスリンを生成する場合と同じです。
• 12プロインスリンをコードする配列が非病原性の E。coli に挿入されます バクテリア。バクテリアは発酵プロセスを経て、プロインスリンを再生して生成します。次に、A鎖とB鎖の間の接続配列が酵素でスプライシングされ、得られたインスリンが精製されます。
• 13製造プロセスの最後に、バクテリアを防ぎ、酸と塩基の間の中性バランスを維持するのを助けるために、成分がインスリンに加えられます。成分はまた、中間および長時間作用型インスリンに添加されて、所望の持続時間タイプのインスリンを生成する。これは、長時間作用型インスリンを生成する従来の方法です。製造業者は、酸化亜鉛などの作用を延長する成分を精製インスリンに追加します。これらの添加物は、体内での吸収を遅らせます。添加物は、同じ種類のインスリンの異なるブランド間で異なります。

アナログインスリン

1990年代半ば、研究者たちは、アミノ酸配列を変更し、細胞をだますのに十分なほど別の物質を模倣する化学物質である類似体を作成することにより、ヒトインスリンが体内で機能する方法を改善し始めました。アナログインスリンは凝集が少なく、血液中に拡散しやすく、注射後数分でインスリンが体内で働き始めることができます。いくつかの異なるアナログインスリンがあります。フムリンインスリンは他のインスリンとの強い結合がないため、すぐに吸収されます。グラルギンと呼ばれる別のインスリン類似体は、タンパク質の化学構造を変化させて、24時間にわたって比較的一定の放出を示し、顕著なピークはありません。

インスリンの正確なDNA配列を合成する代わりに、メーカーは配列がわずかに変更されたインスリン遺伝子を合成します。変更により、結果が発生します インスリンの製造ステップの図。タンパク質が互いに反発し合うため、凝集が少なくなります。この変更されたDNA配列を使用すると、製造プロセスは説明した組換えDNAプロセスと同様になります。

品質管理

ヒトインスリンを合成した後、インスリンバッチの構造と純度をいくつかの異なる方法でテストします。高速液体クロマトグラフィーは、インスリンに不純物があるかどうかを判断するために使用されます。 X線結晶学、ゲルろ過、アミノ酸配列決定などの他の分離技術も実行されます。メーカーはまた、バイアルのパッケージをテストして、適切に密封されていることを確認します。

ヒトインスリンの製造は、大規模な手術のための国立衛生研究所の手順に準拠する必要があります。米国食品医薬品局は、製造されたすべてのインスリンを承認する必要があります。

未来

インスリンの未来には多くの可能性があります。インスリンが最初に合成されて以来、糖尿病患者は定期的に液体インスリンを注射器で血流に直接注入する必要がありました。これにより、インスリンがすぐに血液に入ることができます。何年もの間、それは無傷のインスリンタンパク質を体内に移動させることが知られている唯一の方法でした。 1990年代に、研究者たちは、糖尿病患者が代替のドラッグデリバリーシステムで使用できるさまざまなデバイスやインスリンの形態の合成に参入し始めました。

メーカーは現在、いくつかの比較的新しいドラッグデリバリーデバイスを製造しています。インスリンペンは筆記ペンのように見えます。カートリッジはインスリンを保持し、先端は針です。ユーザーは投与量を設定し、針を皮膚に挿入し、ボタンを押してインスリンを注射します。ペンを使用すると、インスリンのバイアルを使用する必要はありません。ただし、ペンは各注射の前に別々のチップを挿入する必要があります。もう1つの欠点は、ペンでユーザーがインスリンの種類を混合できないことと、すべてのインスリンが利用できるわけではないことです。

針が嫌いな人にとって、ペンの代わりにジェットインジェクターがあります。ペンに似ているように見えるジェットインジェクターは、圧力を使用して、皮膚を通してインスリンの小さな流れを推進します。これらのデバイスはペンほど広く使用されておらず、入力ポイントで打撲傷を引き起こす可能性があります。

インスリンポンプは、体内での制御放出を可能にします。これは、糖尿病患者がベルトやポケットに装着できる、ブザーとほぼ同じサイズのコンピューター化されたポンプです。ポンプには、糖尿病患者の皮膚の表面のすぐ下に挿入される小さな柔軟なチューブがあります。糖尿病患者は、ポンプを設定して、1日を通して安定した測定用量のインスリンを供給し、食事の直前に量を増やします。これは、体の正常なインスリン放出を模倣しています。メーカーは1980年代からインスリンポンプを製造してきましたが、1990年代後半から21世紀初頭にかけての進歩により、インスリンポンプはますます使いやすくなり、人気が高まっています。研究者たちは、埋め込み型インスリンポンプの可能性を模索しています。糖尿病患者は、外部のリモコンを介してこれらのデバイスを制御します。

研究者は他のドラッグデリバリーオプションを模索しています。錠剤を介してインスリンを摂取することは1つの可能性です。食用インスリンの課題は、胃の高酸性環境がタンパク質を血液中に移動する前に破壊することです。研究者たちは、数本の人間の髪の毛の幅のプラスチックでインスリンをコーティングすることに取り組んでいます。覆いは胃の酸から薬を保護します。

2001年には、吸入インスリンデバイスで有望なテストが行​​われており、メーカーは今後数年以内に製品の生産を開始する可能性があります。インスリンは比較的大きなタンパク質であるため、肺に浸透しません。吸入インスリンの研究者は、肺の深部に到達するのに十分小さいインスリン粒子を作成するために取り組んでいます。その後、粒子は血流に入ることができます。研究者は、喘息吸入器のようないくつかの吸入装置をテストしています。

テストを受けている別の形態のエアロゾル装置は、内側の頬にインスリンを投与します。頬（頬）インスリンとして知られる糖尿病患者は、インスリンを頬の内側にスプレーします。その後、頬の内側の壁から吸収されます。

インスリンパッチは、開発中のもう1つのドラッグデリバリーシステムです。パッチはインスリンを血流に継続的に放出します。ユーザーはパッチのタブを引いて、食事の前により多くのインスリンを放出します。課題は、インスリンを皮膚に通す方法を見つけることです。超音波は、研究者が調査している1つの方法です。これらの低周波音波は、皮膚の透過性を変化させ、インスリンを通過させる可能性があります。

他の研究は、製造業者がインスリンを合成する必要性を打ち切る可能性があります。研究者たちは、研究室でインスリンを産生する細胞の作成に取り組んでいます。医師はいつの日か、機能していない膵臓細胞をインスリン産生細胞に置き換えることができると考えられています。糖尿病患者のもう一つの希望は遺伝子治療です。科学者たちは、糖尿病患者が自分でインスリンを産生できるように、インスリン遺伝子の変異を修正することに取り組んでいます。

詳細情報

本

クラーク、デビッドP、ロニーD.ラッセル。 分子生物学をシンプルで楽しいものにしました。 第2版イリノイ州ビエナ：Cache River Press、2000年。

コンシジン、ダグラスM.、編ヴァンノストランドの科学百科事典。 第8版ニューヨーク：International Thomson Publishing Inc.、1995年。

定期刊行物

Dinsmoor、Robert S.「インスリン：終わりのない進化」。 カウントダウン （2001年春）。

その他

糖尿病ダイジェストWebページ。 2001年11月15日。。

インスリンWebページの発見。 2001年11月16日。。

イーライリリーコーポレーション。 フムリンとフマログの開発。 CD-ROM、2001年。

Eli Lilly DiabetesWebページ。 2001年11月16日。。

ノボノルディスク糖尿病のWebページ。 2001年11月15日。。

M. レイ ネルソン