Insulina, czyli co powinieneś wiedzieć o tym przełomowym farmaceutyku

O cukrzycy słyszał chyba każdy. Niekoniecznie wszyscy wiedzą, że to nie jest jedna choroba, lecz zbiorcza nazwa na szereg chorób, charakteryzujących się podwyższonym poziomem cukru we krwi. Ale dziś nie o samej chorobie będzie mowa, tylko o leku na cukrzycę typu pierwszego. Insulina, bo to jego nazwa, jest fascynującą cząsteczką, o której Wam dziś opowiem.

Wybudzeni ze śpiączki

Mamy rok 1922 – nieco ponad sto lat temu. Wyobraźcie sobie szpitalną salę, w której leżą dzieci w schyłkowym stadium cukrzycy. Pozapadały już w śpiączkę cukrzycową. W tych czasach na cukrzycę typu pierwszego nie było leku. Owszem, odpowiednia dieta mogła spowolnieć nieco jej postęp, ale ta choroba była wyrokiem śmierci. Nieodwołalnym. Na koniec życia chory zapadał w śpiączkę, z której już się nie budził.

Do tej sali wchodzi zespół naukowców z przygotowanym nowym preparatem: insuliną. Przechodzą od jednego łóżka do drugiego, wstrzykując ją małym pacjentom. I dzieje się coś, co zebranym mogło wydawać się cudem¹Patrz: trzecie prawo Clarka, odpowiednio zaawansowana technologia jest nierozróżnialna od magii. Dzieci się budzą. Tego, czego doświadczyli rodzice czekający na śmierć swoich dzieci, pewnie nie zrozumie nikt, kto nie był w takiej sytuacji. Z całą pewnością był to jeden z najjaśniejszych, najpiękniejszych momentów w historii nauki.

Insulina – skąd ją wziąć?

Historia insuliny zaczyna się jednak ponad 30 lat wcześniej, od badań nad cukrzycą. Przez długi czas nie wiedziano zupełnie, co ją powoduje – jedyne, co było wiadome to fakt, że chorzy mają podwyższony poziom cukru we krwi. Więcej wyjaśniły badania na zwierzętach. W 1889 roku zaobserwowano, że zwierzęta, którym wycięto trzustkę, w krótkim czasie rozwijają wszystkie objawy chorobowe cukrzycy. To wskazywało, że za ochronę przed cukrzycą prawdopodobnie odpowiada jakaś substancja wydzielana przez trzustkę. Nieco później zaobserwowano, że wielu cukrzyków ma uszkodzone tak zwane wysepki Langerhansa, znane też wysepkami trzustkowymi. Wysepki te są gruczołami, które zlokalizowane są w trzustce i produkują interesujący nas hormon. Nas interesuje głównie ich nazwa łacińska: insulae pancreaticae. To od niej właśnie pochodzi nazwa insulina.

Czysta insulina

Wiedziano więc, że prawdopodobnie jest coś, co powstaje w trzustce, a konkretniej w wysepkach i zapobiega cukrzycy. Choć wydzielina ta nie była jeszcze zidentyfikowana, to nazwa insulina już się dla niej przyjęła. Przez lata jednak trwały próby jej zidentyfikowania i izolacji. Próbowano podawać cierpiącym na cukrzycę psom różne formy ekstraktu z trzustki i sprawdzać, czy nastąpi poprawa ich stanu. Z jednej strony – poziom cukru we krwi zwykle spadał. Z drugiej – obserwowano bardzo wiele nieprzyjemnych skutków ubocznych. Dlaczego? No cóż, takiemu ekstraktowi daleko było do czystości.

Czysta insulina to dopiero dzieło Fredericka Bantinga i Charlesa Besta. Ci dwaj panowie w 1921 roku opracowali metodę izolacji insuliny z trzustki. Testowali swój ekstrakt na chorym na cukrzycę psie – i dali radę utrzymać go przy życiu tak długo, na jak długo wystarczyło ich ekstraktu. To był przełom. Później naukowcy przestawili się na trzustki wołowe. Pierwsze podanie człowiekowi wywołało dość silną reakcję alergiczną, ale naukowcy szybko dopracowali metodę oczyszczania, i dzięki temu niedługo później insulina weszła na rynek. A Banting i Best w 1923 roku podzielili się nagrodą Nobla.

Czym jest insulina?

Ale czym tak naprawdę insulina jest? Najkrótsza odpowiedź: hormonem peptydowym. Hormonem, czyli związkiem, który modyfikuje działanie różnych tkanek organizmu. W wypadku insuliny – mowa tu o “zachęcaniu” komórek²Konkretniej chodzi tu o komórki wątroby, komórki tłuszczowe oraz komórki mięśniowe, żeby pobierały ze krwi glukozę i wykorzystywały ją jako źródło energii, lub też składowały na zapas. Czyli, podobnie jak enzymy, składa się z aminokwasów. Jest ich jednak dość niewiele, bo tylko 51. Są one połączone w dwa łańcuchy, zaś jeden łańcuch z drugim połączony jest trzema mostkami. Oznacza to, że insulina siedzi okrakiem na granicy dzielącej peptydy i białka – jak na białko jest dość krótka, ale z drugiej strony ma dość dobrze zdefiniowaną strukturę, co nie pasuje do peptydów. Nas jednak przede wszystkim interesuje to, że ze względu na tę strukturę nie jest łatwo ją wyprodukować metodami chemicznymi. O ile samo wytworzenie dwóch łańcuchów nie stanowi żadnego problemu, o tyle połączenie jednego z drugim w odpowiedni sposób już do banalnych zadań nie należy. Dlaczego?

Problem polega na tym, że z chemicznego punktu widzenia wszystkie “przyczółki” tych mostów są niemal identyczne. W związku z tym warunki, które sprzyjają budowaniu mostów, będą sprzyjały budowie dowolnej kombinacji. Każdy przyczółek może połączyć się z każdym innym. A tylko właściwa kombinacja połączeń prowadzi do aktywnej postaci insuliny. Jakakolwiek inna oznacza, że nasz produkt jest zupełnie bezwartościowy. Jak więc radzi sobie z tym komórka? Otóż syntezuje jeden, ale znacząco dłuższy łańcuch, który sam z siebie chętnie zwija się tak, żeby kluczowe “przyczółki” naszych mostów znajdowały się blisko siebie. Następnie buduje mosty, a potem wycina niepotrzebny, środkowy kawałek łańcucha. I tym sposobem powstaje gotowa insulina. Natomiast synteza metodami chemicznymi stanowi duże wyzwanie.

Trudna sztuka

Tym bardziej, że nie od razu było wiadome, czym ta insulina tak właściwie jest. Dowód na to, że składa się wyłącznie z aminokwasów, pojawił się dopiero w 1935 roku. Ustalenie kolejności tych aminokwasów to dopiero rok 1951. Odpowiada za to Frederick Sanger, który opracował specjalną metodę sekwencjonowania peptydów i białek. Również i za to odkrycie przyznana została nagroda Nobla – druga związana z insuliną, i pierwsza z dwóch, które zdobył Sanger. Z kolei strukturę przestrzenną insuliny rozpracowano w laboratorium Dorothy Hodgkin, tuż po tym, gdy ta zdobyła swoją nagrodę Nobla. Nic jednak dziwnego, że ta cząsteczka powiązana jest z tyloma zaszczytnymi nagrodami i wzbudziła zainteresowanie tak prominentnych naukowców: mało który związek chemiczny może się poszczycić uratowaniem przez sto lat życia dziesiątkom milionów ludzi.

Jak jednak produkuje się insulinę dla cukrzyków, skoro to takie trudne? Cóż, przez kilkadziesiąt lat polegano na źródłach zwierzęcych: stosowano insulinę wołową i wieprzową. Ta opcja jednak nie była idealna: pomijając kwestię cierpienia zwierząt, to pomimo oczyszczania taka insulina wciąż potrafiła wywoływać reakcje alergiczne. W 1978 roku opracowano metodę wykorzystującą inne żyjątka jako żywe fabryki: bakterie. W jaki sposób? Sama technika warta jest poświęcenia jej osobnego artykułu, ale w skrócie działa to tak, że w kod genetyczny bakterii wbudowuje się fragmenty odpowiedzialne za produkcję insuliny, a następnie pozwala bakterii rosnąć i się mnożyć. Bakteria zaś regularnie produkuje insulinę, którą można następnie wydobyć i oczyścić. Jest to zdecydowanie łatwiejsze, niż oczyszczanie ekstraktu z trzustki. Poza tym, tą metodą jesteśmy w stanie uzyskać insulinę identyczną z naturalnym, ludzkim hormonem.

Insulina insulinie nie równa

Ale to nie wszystko! Metoda rekombinacji, bo tak właśnie nazywa się technika wykorzystująca bakterie, pozwala na coś więcej. Umożliwia syntezę ulepszonych odpowiedników insuliny. Sama idea nie jest nowa – pierwsze ulepszenie pojawiło się już w 1936 roku, dzięki duńskiej firmie Novo Nordisk. Polegało ono na powiązaniu hormonu w większę cząsteczki³Z wykorzystaniem białka – protaminy – oraz jonów cynku, z których aktywna forma leku uwalniana była stopniowo z upływem czasu. W ten sposób narodziła się długo działająca insulina. Do tego celu wystarczyło wprowadzenie modyfikacji do insuliny pochodzenia zwierzęcego – i całe szczęście, ponieważ chemiczną syntezę insuliny udało się opracować dopiero w połowie lat ‘60. Warto jednak zauważyć, że nie została ona zastosowana komercyjnie – po prostu nie było to w żadnym stopniu opłacalne.

Dziś, dzięki dostępowi do insuliny rekombinowanej, na rynku obecne są różne modyfikowane warianty insuliny. Są takie o przedłużonym działaniu, które trzeba przyjmować rzadziej, zwykle raz dziennie. Są też analogi działające szybciej – podczas gdy długo działająca insulina potrzebuje kilku godzin, żeby zacząć pracę, insulina “szybka” obniża poziom cukru we krwi już po kilku minutach od podania. Taka różnorodność sprzyja poprawieniu jakości życia pacjentów, jak również ułatwia zachowanie poziomu cukru w bezpiecznych granicach. Trzeba bowiem pamiętać, że choć nadmiar cukru jest groźny, to niedomiar również szkodzi, w związku z czym przedawkowanie insuliny może zagrażać życiu i zdrowiu.

Ratunek dla wielu

I tak doszliśmy od dzieci powstających ze śpiączki cukrzycowej do wielu wariantów leku, wciąż ratującego życie ludziom na całym świecie. Ilu? Ocenia się, że aktualnie na świecie jest około 8,5 miliona pacjentów z cukrzycą typu pierwszego, a do końca przyszłej dekady ma ich być dwa razy więcej. Rynek insuliny wart jest aktualnie przeszło 20 miliardów dolarów, i również ma rosnąć z roku na rok. Dopóki więc nie znajdziemy metody regeneracji ludzkiej trzustki, insulina będzie jednym z najważniejszych produkowanych farmaceutyków.

Źródła:

https://diabetesjournals.org/care/article/16/Supplement_3/4/17164/The-History-of-Insulin

https://diabetes.org/blog/history-wonderful-thing-we-call-insulin

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3714061/

https://agamatrix.com/blog/discovery-of-insulin-history/

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!