Инсулин ( / ˈ ɪ n . sj ʊ . l ɪ n / , [5] [6] от латинского insula , «остров») — пептидный гормон , вырабатываемый бета-клетками островков поджелудочной железы , кодируемый у человека инсулином ( ИНС). ген . Он считается основным анаболическим гормоном организма. [7] Он регулирует метаболизм углеводов , жиров и белков , способствуя всасыванию глюкозы из крови в клетки печени , жировых клеток и скелетных мышц . [8] В этих тканях поглощенная глюкоза превращается либо в гликоген посредством гликогенеза , либо в жиры ( триглицериды ) посредством липогенеза , либо, в случае печени, в то и другое. [8] Производство и секреция глюкозы печенью сильно подавляется высокими концентрациями инсулина в крови. [9] Циркулирующий инсулин также влияет на синтез белков в самых разных тканях. Таким образом, это анаболический гормон, способствующий превращению малых молекул в крови в большие молекулы внутри клеток. Низкий уровень инсулина в крови имеет противоположный эффект, способствуя повсеместному катаболизму , особенно резервного жира в организме .
Бета-клетки чувствительны к уровню сахара в крови , поэтому они выделяют инсулин в кровь в ответ на высокий уровень глюкозы и подавляют секрецию инсулина, когда уровень глюкозы низкий. [10] Производство инсулина также регулируется глюкозой: высокий уровень глюкозы способствует выработке инсулина, тогда как низкий уровень глюкозы приводит к снижению выработки. [11] Инсулин усиливает поглощение и метаболизм глюкозы в клетках, тем самым снижая уровень сахара в крови. Соседние с ними альфа-клетки , следуя сигналам бета-клеток, [10] секретируют глюкагон в кровь противоположным образом: секреция увеличивается при низком уровне глюкозы в крови и снижается секреция при высоких концентрациях глюкозы. Глюкагон повышает уровень глюкозы в крови, стимулируя гликогенолиз и глюконеогенез в печени. [8] [10] Секреция инсулина и глюкагона в кровь в ответ на концентрацию глюкозы в крови является основным механизмом гомеостаза глюкозы . [10]
Снижение или отсутствие активности инсулина приводит к сахарному диабету – состоянию высокого уровня сахара в крови ( гипергликемии ). Существует два типа заболевания. При сахарном диабете 1 типа бета-клетки разрушаются в результате аутоиммунной реакции , в результате чего инсулин больше не может синтезироваться или секретироваться в кровь. [12] При сахарном диабете 2-го типа разрушение бета-клеток менее выражено, чем при 1-м типе, и не обусловлено аутоиммунным процессом. Вместо этого в островках поджелудочной железы происходит накопление амилоида , что, вероятно, нарушает их анатомию и физиологию. [10] Патогенез диабета 2 типа недостаточно изучен, но известно, что в этом участвуют снижение популяции островковых бета-клеток, снижение секреторной функции островковых бета-клеток, которые выживают, и резистентность периферических тканей к инсулину. [7] Диабет 2 типа характеризуется повышенной секрецией глюкагона, которая не зависит от концентрации глюкозы в крови и не реагирует на нее. Но инсулин по-прежнему выделяется в кровь в ответ на уровень глюкозы в крови. [10] В результате в крови накапливается глюкоза.
Белок инсулина человека состоит из 51 аминокислоты и имеет молекулярную массу 5808 Да . Это гетеродимер А -цепи и В-цепи, соединенных между собой дисульфидными связями . Структура инсулина незначительно различается у разных видов животных. Из-за этих различий инсулин из животных источников, не относящихся к человеку, несколько отличается по эффективности (влиянию на углеводный обмен ) от человеческого инсулина. Свиной инсулин особенно близок к человеческому варианту и широко использовался для лечения диабетиков 1 типа до того, как человеческий инсулин можно было производить в больших количествах с помощью технологий рекомбинантной ДНК . [13] [14] [15] [16]
Инсулин был первым открытым пептидным гормоном. [17] Фредерик Бантинг и Чарльз Бест , работавшие в лаборатории Джона Маклеода в Университете Торонто , были первыми, кто выделил инсулин из поджелудочной железы собаки в 1921 году. Фредерик Сэнгер секвенировал структуру аминокислот в 1951 году, что сделало инсулин первым белком быть полностью секвенированы. [18] Кристаллическая структура инсулина в твердом состоянии была определена Дороти Ходжкин в 1969 году. Инсулин также является первым белком, который был химически синтезирован и произведен с помощью технологии рекомбинантной ДНК . [19] Он включен в Примерный список основных лекарственных средств ВОЗ — наиболее важных лекарств, необходимых в базовой системе здравоохранения . [20]
Инсулин, возможно, появился более миллиарда лет назад. [21] Молекулярное происхождение инсулина восходит, по крайней мере, к простейшим одноклеточным эукариотам . [22] Известно, что инсулиноподобные белки существуют не только у животных, но и у грибов и простейших . [21]
Инсулин вырабатывается бета-клетками островков поджелудочной железы у большинства позвоночных и тельцами Брокмана у некоторых костистых рыб . [23] Конусные улитки : Conus geographus и Conus tulipa , ядовитые морские улитки, охотящиеся на мелкую рыбу, используют модифицированные формы инсулина в своих ядовитых коктейлях. Инсулиновый токсин, по структуре более близкий к инсулину рыб, чем к нативному инсулину улиток, замедляет добычу рыб, снижая уровень глюкозы в их крови. [24] [25]
Инсулин вырабатывается исключительно в бета-клетках островков поджелудочной железы у млекопитающих и в тельце Брокмана у некоторых рыб. Человеческий инсулин вырабатывается из гена INS , расположенного на хромосоме 11. [26] У грызунов есть два функциональных гена инсулина; один является гомологом большинства генов млекопитающих ( Ins2 ), а другой представляет собой ретропозированную копию, которая включает последовательность промотора, но лишена интрона ( Ins1 ). [27] Транскрипция гена инсулина увеличивается в ответ на повышение уровня глюкозы в крови. [28] Это в первую очередь контролируется факторами транскрипции , которые связывают энхансерные последовательности в ~ 400 парах оснований перед сайтом начала транскрипции гена. [26] [28]
Основными факторами транскрипции, влияющими на секрецию инсулина, являются PDX1 , NeuroD1 и MafA . [29] [30] [31] [32]
Во время состояния с низким содержанием глюкозы PDX1 (гомеобоксный белок 1 поджелудочной железы и двенадцатиперстной кишки) располагается на ядерной периферии в результате взаимодействия с HDAC1 и 2 , [33] что приводит к подавлению секреции инсулина. [34] Увеличение уровня глюкозы в крови вызывает фосфорилирование PDX1 , что приводит к его ядерной транслокации и связыванию элемента A3 в промоторе инсулина. [35] При транслокации он взаимодействует с коактиваторами HAT p300 и SETD7 . PDX1 влияет на модификации гистонов посредством ацетилирования и деацетилирования, а также метилирования . Также говорят, что он подавляет глюкагон . [36]
NeuroD1 , также известный как β2, регулирует экзоцитоз инсулина в β-клетках поджелудочной железы , напрямую индуцируя экспрессию генов , участвующих в экзоцитозе. [37] Он локализован в цитозоле , но в ответ на высокий уровень глюкозы гликозилируется с помощью OGT и/или фосфорилируется с помощью ERK , что вызывает транслокацию в ядро. В ядре β2 гетеродимеризуется с E47 , связывается с элементом E1 инсулинового промотора и привлекает коактиватор p300 , который ацетилирует β2. Он способен взаимодействовать с другими факторами транскрипции, а также при активации гена инсулина. [37]
MafA разлагается протеасомами при низком уровне глюкозы в крови . Повышенный уровень глюкозы делает неизвестный белок гликозилированным . Этот белок неизвестным образом действует как фактор транскрипции MafA , и MafA транспортируется из клетки. Затем MafA транслоцируется обратно в ядро, где связывается с элементом C1 промотора инсулина. [38] [39]
Эти факторы транскрипции работают синергически и в сложной схеме. Повышенный уровень глюкозы в крови может через некоторое время разрушить связывающую способность этих белков и, следовательно, снизить количество секретируемого инсулина, вызывая диабет . Снижение активности связывания может быть опосредовано окислительным стрессом , индуцированным глюкозой , и считается, что антиоксиданты предотвращают снижение секреции инсулина в глюкотоксичных β-клетках поджелудочной железы . Молекулы, передающие сигнал о стрессе, и активные формы кислорода ингибируют ген инсулина, вмешиваясь в работу кофакторов, связывающих факторы транскрипции, и самих факторов транскрипции. [40]
Несколько регуляторных последовательностей в промоторной области гена инсулина человека связываются с факторами транскрипции . В общем, A-боксы связываются с факторами Pdx1 , E-боксы связываются с NeuroD , C-боксы связываются с MafA , а элементы ответа цАМФ с CREB . Существуют также сайленсеры , подавляющие транскрипцию.
Инсулин синтезируется в виде неактивной молекулы-предшественника, белка длиной в 110 аминокислот, называемого «препроинсулин». Препроинсулин транслируется непосредственно в шероховатый эндоплазматический ретикулум (RER), где его сигнальный пептид удаляется сигнальной пептидазой с образованием «проинсулина». [26] Когда проинсулин складывается , противоположные концы белка, называемые «А-цепью» и «В-цепью», соединяются вместе тремя дисульфидными связями . [26] Затем свернутый проинсулин проходит через аппарат Гольджи и упаковывается в специализированные секреторные пузырьки . [26] В грануле проинсулин расщепляется пропротеинконвертазой 1/3 и пропротеинконвертазой 2 , удаляя среднюю часть белка, называемую « С-пептидом ». [26] Наконец, карбоксипептидаза Е удаляет две пары аминокислот с концов белка, в результате чего образуется активный инсулин – А- и В-цепи инсулина, теперь соединенные двумя дисульфидными связями. [26]
Полученный зрелый инсулин упаковывается внутри зрелых гранул в ожидании метаболических сигналов (таких как лейцин, аргинин, глюкоза и манноза) и стимуляции блуждающего нерва для экзоцитоза из клетки в кровоток. [41]
Было показано, что инсулин и родственные ему белки производятся внутри мозга, а снижение уровня этих белков связано с болезнью Альцгеймера. [42] [43] [44]
Высвобождение инсулина также стимулируется стимуляцией рецептора бета-2 и ингибируется стимуляцией рецептора альфа-1. Кроме того, кортизол, глюкагон и гормон роста противодействуют действию инсулина во время стресса. Инсулин также ингибирует высвобождение жирных кислот гормон-чувствительной липазой в жировой ткани. [8]
Вопреки первоначальному мнению, что гормоны обычно представляют собой небольшие химические молекулы, инсулин, как первый пептидный гормон, структура которого известна, оказался довольно большим. [17] Один белок (мономер) человеческого инсулина состоит из 51 аминокислоты и имеет молекулярную массу 5808 Да . Молекулярная формула человеческого инсулина C 257 H 383 N 65 O 77 S 6 . [45] Это комбинация двух пептидных цепей ( димеров ), называемых А-цепью и В-цепью, которые соединены между собой двумя дисульфидными связями . А-цепь состоит из 21 аминокислоты, а В-цепь — из 30 остатков. Связывающие (межцепочечные) дисульфидные связи образуются по остаткам цистеина между положениями А7-В7 и А20-В19. Внутри А-цепи между остатками цистеина в положениях А6 и А11 имеется дополнительная (внутрицепочечная) дисульфидная связь. А-цепь имеет две α-спиральные области А1-А8 и А12-А19, которые антипараллельны; в то время как B-цепь имеет центральную α-спираль (покрывающую остатки B9-B19), фланкированную дисульфидной связью с обеих сторон, и два β-листа (покрывающие B7-B10 и B20-B23). [17] [46]
Аминокислотная последовательность инсулина строго консервативна и лишь незначительно различается между видами. Бычий инсулин отличается от человеческого всего тремя аминокислотными остатками, а свиной – одним. Даже инсулин некоторых видов рыб достаточно похож на человеческий, чтобы быть клинически эффективным у людей. Инсулин у некоторых беспозвоночных по последовательности очень похож на человеческий инсулин и оказывает сходное физиологическое действие. Сильная гомология, наблюдаемая в последовательности инсулина у различных видов, позволяет предположить, что она сохранялась на протяжении большей части истории эволюции животных. Однако C-пептид проинсулина гораздо сильнее различается у разных видов; это тоже гормон, но вторичный. [46]
Инсулин вырабатывается и хранится в организме в виде гексамера (единица из шести молекул инсулина), при этом активной формой является мономер. Размер гексамера составляет около 36000 Да. Шесть молекул связаны вместе как три димерные единицы, образуя симметричную молекулу. Важной особенностью является наличие на оси симметрии атомов цинка (Zn 2+ ), окруженных тремя молекулами воды и тремя остатками гистидина в положении В10. [17] [46]
Гексамер представляет собой неактивную форму с долгосрочной стабильностью, которая позволяет защитить высокореактивный инсулин, но при этом легкодоступна. Преобразование гексамер-мономер является одним из центральных аспектов составов инсулина для инъекций. Гексамер гораздо более стабилен, чем мономер, что желательно по практическим соображениям; однако мономер является гораздо более быстро реагирующим препаратом, поскольку скорость диффузии обратно пропорциональна размеру частиц. Быстродействующий препарат означает, что инъекции инсулина не должны предшествовать приему пищи на несколько часов, что, в свою очередь, дает людям с диабетом большую гибкость в их ежедневном графике. [47] Инсулин может агрегировать и образовывать фибриллярные встречно-пальцевые бета-листы . Это может вызвать инъекционный амилоидоз и предотвратить хранение инсулина в течение длительного времени. [48]
Бета-клетки островков Лангерганса выделяют инсулин в две фазы. Первая фаза высвобождения быстро запускается в ответ на повышение уровня глюкозы в крови и длится около 10 минут. Вторая фаза представляет собой устойчивое, медленное высвобождение вновь образованных везикул, запускаемое независимо от сахара, достигающее пика через 2–3 часа. Две фазы высвобождения инсулина предполагают, что гранулы инсулина присутствуют в различных заявленных популяциях или «пулах». Во время первой фазы экзоцитоза инсулина большая часть гранул, предрасполагающих к экзоцитозу, высвобождается после интернализации кальция. Этот пул известен как готовый к выпуску пул (RRP). Гранулы RRP составляют 0,3-0,7% от общей популяции инсулинсодержащих гранул и находятся непосредственно рядом с плазматической мембраной. Во время второй фазы экзоцитоза гранулы инсулина требуют мобилизации гранул на плазматической мембране и предыдущего препарата для их высвобождения. [49] Таким образом, вторая фаза высвобождения инсулина определяется скоростью, с которой гранулы готовятся к высвобождению. Этот пул известен как резервный пул (RP). RP высвобождается медленнее, чем RRP (RRP: 18 гранул/мин; RP: 6 гранул/мин). [50] Снижение высвобождения инсулина в первой фазе может быть самым ранним обнаруживаемым дефектом бета-клеток, предсказывающим начало диабета 2 типа . [51] Первая фаза высвобождения и чувствительность к инсулину являются независимыми предикторами диабета. [52]
Описание первой фазы выпуска следующее:
Это основной механизм высвобождения инсулина. Другие вещества, которые, как известно, стимулируют высвобождение инсулина, включают аминокислоты аргинин и лейцин, парасимпатическое высвобождение ацетилхолина ( действующее через путь фосфолипазы C), сульфонилмочевину , холецистокинин (CCK, также через фосфолипазу C) [57] и инкретины , полученные из желудочно-кишечного тракта , такие как как глюкагоноподобный пептид-1 (GLP-1) и глюкозозависимый инсулинотропный пептид (GIP).
Высвобождение инсулина сильно ингибируется норадреналином (норадреналином), что приводит к повышению уровня глюкозы в крови во время стресса. Похоже, что высвобождение катехоламинов симпатической нервной системой оказывает противоречивое влияние на высвобождение инсулина бета-клетками, поскольку высвобождение инсулина ингибируется α 2 -адренергическими рецепторами [58] и стимулируется β 2 -адренергическими рецепторами. [59] Конечным эффектом норадреналина из симпатических нервов и адреналина из надпочечников на высвобождение инсулина является ингибирование из-за доминирования α-адренергических рецепторов. [60]
Когда уровень глюкозы снижается до обычного физиологического значения, высвобождение инсулина из β-клеток замедляется или прекращается. Если уровень глюкозы в крови падает ниже этого значения, особенно до опасно низкого уровня, высвобождение гипергликемических гормонов (чаще всего глюкагона из островков альфа-клеток Лангерганса) вызывает высвобождение глюкозы в кровь из запасов гликогена в печени, что дополняется глюконеогенезом, если гликоген магазины опустошаются. Повышая уровень глюкозы в крови, гипергликемические гормоны предотвращают или корректируют опасную для жизни гипогликемию.
Признаки нарушения высвобождения инсулина первой фазы можно увидеть в тесте на толерантность к глюкозе , который демонстрируется существенно повышенным уровнем глюкозы в крови через 30 минут после приема дозы глюкозы (75 или 100 г глюкозы), за которой следует медленное снижение уровня глюкозы в крови. следующие 100 минут, чтобы оставаться выше 120 мг/100 мл через два часа после начала теста. У нормального человека уровень глюкозы в крови корректируется (и может быть даже несколько завышен) к концу теста. Всплеск инсулина является «первой реакцией» на повышение уровня глюкозы в крови. Эта реакция индивидуальна и зависит от дозы, хотя ранее всегда предполагалось, что она зависит только от типа пищи.
Даже во время пищеварения, как правило, через один-два часа после еды, высвобождение инсулина из поджелудочной железы не является непрерывным, а колеблется с периодом 3–6 минут, изменяясь от генерации концентрации инсулина в крови более примерно 800 пмоль / л. до менее 100 пмоль/л (у крыс). [61] Считается, что это позволяет избежать подавления рецепторов инсулина в клетках-мишенях и помогает печени экстрагировать инсулин из крови. [61] Это колебание важно учитывать при введении инсулинстимулирующих препаратов, поскольку в идеале должна быть достигнута колеблющаяся концентрация высвобождения инсулина в крови, а не постоянная высокая концентрация. [61] Этого можно достичь путем ритмической доставки инсулина в воротную вену , путем доставки, активируемой светом, или путем трансплантации островковых клеток в печень. [61] [62] [63]
Уровень инсулина в крови можно измерять в международных единицах , например, мкМЕ/мл, или в молярной концентрации , например, в пмоль/л, где 1 мкМЕ/мл равен 6,945 пмоль/л. [64] Типичный уровень в крови между приемами пищи составляет 8–11 мкМЕ/мл (57–79 пмоль/л). [65]
Эффекты инсулина инициируются его связыванием с рецептором инсулина (IR) , присутствующим в клеточной мембране. Молекула рецептора содержит субъединицы α- и β. Две молекулы соединяются, образуя так называемый гомодимер. Инсулин связывается с α-субъединицами гомодимера, обращенного к внеклеточной стороне клетки. Субъединицы β обладают ферментной активностью тирозинкиназы, которая запускается связыванием инсулина. Эта активность провоцирует аутофосфорилирование β-субъединиц, а затем фосфорилирование белков внутри клетки, известных как субстраты инсулиновых рецепторов (IRS). Фосфорилирование IRS активирует каскад сигнальной трансдукции, который приводит к активации других киназ, а также факторов транскрипции, которые опосредуют внутриклеточные эффекты инсулина. [66]
Каскад, приводящий к внедрению транспортеров глюкозы GLUT4 в клеточные мембраны мышечных и жировых клеток, синтезу гликогена в печени и мышечной ткани, а также превращению глюкозы в триглицериды в печени, жировой ткани и кормящей молочной железе. ткань железы действует посредством активации IRS-1 киназы фосфоинозитол-3 ( PI3K ). Этот фермент превращает фосфолипид клеточной мембраны под названием фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (PIP2) в фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфат (PIP3), который, в свою очередь, активирует протеинкиназу B (PKB). Активированная ПКБ облегчает слияние эндосом , содержащих GLUT4 , с клеточной мембраной, что приводит к увеличению количества транспортеров GLUT4 в плазматической мембране. [67] PKB также фосфорилирует киназу гликогенсинтазы (GSK), тем самым инактивируя этот фермент. [68] Это означает, что его субстрат, гликогенсинтаза (GS), не может быть фосфорилирован и остается дефосфорилированным и, следовательно, активным. Активный фермент гликогенсинтаза (GS) катализирует лимитирующую стадию синтеза гликогена из глюкозы. Подобные дефосфорилирования влияют на ферменты, контролирующие скорость гликолиза , приводящего к синтезу жиров посредством малонил-КоА в тканях, способных генерировать триглицериды , а также на ферменты, контролирующие скорость глюконеогенеза в печени. Общий эффект этих окончательных дефосфорилирований ферментов заключается в том, что в тканях, которые могут осуществлять эти реакции, стимулируется синтез гликогена и жира из глюкозы, а производство глюкозы печенью посредством гликогенолиза и глюконеогенеза ингибируется. [69] Распад триглицеридов жировой тканью на свободные жирные кислоты и глицерин также ингибируется. [69]
После того как внутриклеточный сигнал, возникший в результате связывания инсулина с его рецептором, был получен, необходимо прекращение передачи сигнала. Как упомянуто ниже в разделе о деградации, эндоцитоз и деградация рецептора, связанного с инсулином, являются основным механизмом прекращения передачи сигнала. [41] Кроме того, сигнальный путь также завершается дефосфорилированием остатков тирозина в различных сигнальных путях тирозинфосфатазами. Известно также, что серин/треониновые киназы снижают активность инсулина.
Методами рентгеновской кристаллографии установлена структура комплекса инсулин- инсулиновый рецептор . [70]
Действия инсулина на глобальном уровне метаболизма человека включают:
К действиям инсулина (косвенному и прямому) на клетки относятся:
Инсулин также влияет на другие функции организма, такие как эластичность сосудов и когнитивные функции . Когда инсулин попадает в мозг человека, он улучшает обучение и память, в частности, благотворно влияет на вербальную память. [81] Усиление передачи сигналов инсулина в головном мозге посредством интраназального введения инсулина также усиливает острую терморегуляторную и глюкорегуляторную реакцию на прием пищи, что позволяет предположить, что инсулин центральной нервной системы способствует координации широкого спектра гомеостатических или регуляторных процессов в организме человека. [82] Инсулин также оказывает стимулирующее действие на гонадотропин -рилизинг гормон гипоталамуса , тем самым способствуя фертильности . [83]
Как только молекула инсулина пристыковывается к рецептору и начинает действовать, она может быть высвобождена обратно во внеклеточную среду или же может быть разложена клеткой. Двумя основными местами клиренса инсулина являются печень и почки. [84] Он расщепляется ферментом протеин-дисульфидредуктазой (глутатион) , [85] который разрывает дисульфидные связи между цепями А и В. Печень выводит большую часть инсулина во время первого прохождения, тогда как почки выводят большую часть инсулина из системного кровообращения. Деградация обычно включает эндоцитоз комплекса инсулин-рецептор с последующим действием фермента, расщепляющего инсулин . По оценкам, молекула инсулина, вырабатываемая эндогенно бета-клетками, разлагается в течение примерно одного часа после ее первоначального высвобождения в кровообращение ( период полувыведения инсулина ~ 4–6 минут). [86] [87]
Инсулин является основным регулятором метаболизма эндоканнабиноидов (ЭК) , и было показано, что лечение инсулином снижает внутриклеточные ЭК, 2-арахидоноилглицерин (2-АГ) и анандамид (АЕА), что соответствует инсулиночувствительным изменениям экспрессии ферментов метаболизма ЭК. . В инсулинорезистентных адипоцитах паттерны инсулин-индуцированной экспрессии ферментов нарушаются, что согласуется с повышенным синтезом ЭК и снижением деградации ЭК. Результаты показывают, что инсулинорезистентные адипоциты не способны регулировать метаболизм ЭК и снижают внутриклеточные уровни ЭК в ответ на стимуляцию инсулином, в результате чего у людей с инсулинорезистентностью, страдающих ожирением , наблюдается повышенная концентрация ЭК. [88] [89] Эта дисрегуляция способствует чрезмерному накоплению висцерального жира и снижению высвобождения адипонектина из брюшной жировой ткани, а также возникновению нескольких кардиометаболических факторов риска, которые связаны с ожирением и диабетом 2 типа . [90]
Гипогликемия , также известная как «низкий уровень сахара в крови», — это когда уровень сахара в крови снижается ниже нормального уровня. [91] Это может привести к различным симптомам , включая неуклюжесть, проблемы с речью, спутанность сознания, потерю сознания , судороги или смерть. [91] Также могут присутствовать чувство голода, потливость, дрожь и слабость. [91] Симптомы обычно появляются быстро. [91]
Наиболее распространенной причиной гипогликемии являются лекарства, используемые для лечения сахарного диабета, такие как инсулин и препараты сульфонилмочевины . [92] [93] Риск выше у диабетиков, которые едят меньше, чем обычно, занимаются спортом больше, чем обычно, или употребляют алкоголь . [91] Другие причины гипогликемии включают почечную недостаточность , некоторые опухоли , такие как инсулинома , заболевания печени , гипотиреоз , голодание , врожденные нарушения обмена веществ , тяжелые инфекции , реактивную гипогликемию и ряд лекарств, включая алкоголь. [91] [93] Низкий уровень сахара в крови может наблюдаться у здоровых детей, которые не ели в течение нескольких часов. [94]
Существует несколько состояний, при которых нарушение инсулина является патологичным:
Биосинтетический человеческий инсулин (рДНК инсулина человека, МНН) для клинического применения производится по технологии рекомбинантной ДНК . [13] Биосинтетический человеческий инсулин имеет повышенную чистоту по сравнению с экстрактивным животным инсулином, повышенная чистота снижает образование антител. Исследователям удалось внедрить ген человеческого инсулина в растения в качестве еще одного метода производства инсулина («биофарминг») в сафлоре . [99] Ожидается, что этот метод снизит производственные затраты.
Доступно несколько аналогов человеческого инсулина. Эти аналоги инсулина тесно связаны со структурой человеческого инсулина и были разработаны для конкретных аспектов гликемического контроля с точки зрения быстрого действия (прандиальные инсулины) и длительного действия (базальные инсулины). [100] Первый биосинтетический аналог инсулина был разработан для клинического применения во время еды (прандиальный инсулин), Хумалог (инсулин лизпро), [101] он быстрее всасывается после подкожной инъекции, чем обычный инсулин, с эффектом через 15 минут после инъекции. Другими аналогами быстрого действия являются НовоРапид и Апидра со схожим профилем. [102] Все они быстро всасываются благодаря аминокислотным последовательностям, которые уменьшают образование димеров и гексамеров (мономерные инсулины всасываются быстрее). Инсулины быстрого действия не требуют интервала между инъекциями и приемом пищи, рекомендованного ранее для человеческого инсулина и инсулинов животных. Другой тип — инсулин длительного действия; первым из них был Лантус (инсулин гларгин). Они оказывают устойчивый эффект в течение длительного периода от 18 до 24 часов. Аналогично, другой аналог инсулина пролонгированного действия ( Левемир ) основан на подходе ацилирования жирных кислот. К этому аналогу присоединяется молекула миристиновой кислоты , которая связывает молекулу инсулина с обильным сывороточным альбумином, что, в свою очередь, продлевает эффект и снижает риск гипогликемии. Оба пролонгированных аналога необходимо принимать только один раз в день, и они используются у больных сахарным диабетом 1 типа в качестве базального инсулина. Также доступна комбинация инсулина быстрого и пролонгированного действия, что повышает вероятность достижения пациентами профиля инсулина, имитирующего профиль высвобождения собственного инсулина организмом. [103] [104] Инсулин также используется во многих клеточных линиях, таких как CHO-s, HEK 293 или Sf9, для производства моноклональных антител, вирусных вакцин и продуктов генной терапии. [105]
Инсулин обычно вводится подкожно с помощью одноразовых шприцев с иглами , через инсулиновую помпу или с помощью инсулиновых ручек многократного использования с одноразовыми иглами. Ингаляционный инсулин также доступен на рынке США.
Одноразовая игла для шприц-ручки Dispovan от HMD [106] — первая в Индии игла для инсулиновой ручки, упрощающая самостоятельное введение инсулина. Эти иглы-ручки с очень тонкими стенками и коническим острием с несколькими скосами обеспечивают комфорт пациента, сводя к минимуму боль и обеспечивая бесперебойную доставку лекарств. Целью продукта является предоставление доступных игл для ручек в развивающуюся часть страны через широкий канал распространения. Кроме того, универсальная конструкция этих игл гарантирует совместимость со всеми инсулиновыми ручками.
В отличие от многих лекарств, инсулин нельзя принимать внутрь , поскольку, как и почти все другие белки, попадающие в желудочно-кишечный тракт , он расщепляется до фрагментов, после чего теряется всякая активность. Были проведены некоторые исследования способов защиты инсулина от пищеварительного тракта, чтобы его можно было вводить перорально или сублингвально. [107] [108]
В 2021 году Всемирная организация здравоохранения добавила инсулин в свой примерный список жизненно важных лекарств . [109]
Инсулин и все другие лекарства бесплатно предоставляются людям с диабетом Национальной службой здравоохранения в странах Соединенного Королевства. [110]
В 1869 году, изучая под микроскопом строение поджелудочной железы , Пауль Лангерганс , студент-медик из Берлина , выявил некоторые ранее незамеченные скопления ткани, разбросанные по всей массе поджелудочной железы. [111] Функция «кучек клеток», позже известных как островки Лангерганса , первоначально оставалась неизвестной, но Эдуард Лагесс позже предположил, что они могут производить секреты, которые играют регулирующую роль в пищеварении. [112] Сын Пауля Лангерганса, Арчибальд, также помог понять эту регулирующую роль.
В 1889 году врач Оскар Минковский в сотрудничестве с Йозефом фон Мерингом удалил поджелудочную железу у здоровой собаки, чтобы проверить ее предполагаемую роль в пищеварении. При анализе мочи они обнаружили сахар, впервые установив связь между поджелудочной железой и диабетом. В 1901 году еще один крупный шаг был сделан американским врачом и ученым Юджином Линдсеем Опи , когда он выделил роль поджелудочной железы до островков Лангерганса: «Сахарный диабет, когда в результате поражения поджелудочной железы возникает разрушение острова Лангерганса и возникает только тогда, когда эти тела частично или полностью уничтожены». [113] [114] [115]
В течение следующих двух десятилетий исследователи предприняли несколько попыток изолировать секрет островков. В 1906 году Джордж Людвиг Цульцер добился частичного успеха в лечении собак экстрактом поджелудочной железы, но продолжить свою работу он не смог. Между 1911 и 1912 годами Э. Л. Скотт из Чикагского университета попробовал водные экстракты поджелудочной железы и отметил «небольшое уменьшение глюкозурии», но не смог убедить своего директора в ценности своей работы; оно было закрыто. Исраэль Кляйнер продемонстрировал аналогичные эффекты в Университете Рокфеллера в 1915 году, но Первая мировая война прервала его работу, и он к ней не вернулся. [116]
В 1916 году Николае Паулеску разработал водный экстракт поджелудочной железы , который при введении собаке, страдающей диабетом , оказывал нормализующее действие на уровень сахара в крови . Ему пришлось прервать свои эксперименты из-за Первой мировой войны , и в 1921 году он написал четыре статьи о своей работе, проведенной в Бухаресте , и своих испытаниях на собаке, страдающей диабетом. Позже в том же году он опубликовал «Исследование роли поджелудочной железы в усвоении пищи». [117] [118]
Название «инсулин» было придумано Эдвардом Альбертом Шарпи-Шафером в 1916 году для гипотетической молекулы, вырабатываемой островками Лангерганса поджелудочной железы (от латинского insula — островок или остров), которая контролирует метаболизм глюкозы. Без ведома Шарпи-Шафера Жан де Мейер в 1909 году ввел очень похожее слово «инсулин» для той же молекулы. [119] [120]
В октябре 1920 года канадец Фредерик Бантинг пришел к выводу, что пищеварительные выделения, которые первоначально изучал Минковский, разрушают секрет островков, что делает невозможным успешное извлечение. Хирург по образованию, Бантинг знал, что закупорка протока поджелудочной железы приведет к атрофии большей части поджелудочной железы, в то время как островки Лангерганса останутся нетронутыми. Он предположил, что из островков можно получить относительно чистый экстракт, когда большая часть остальной части поджелудочной железы исчезнет. Он сделал для себя заметку: «Перевяжите протоки поджелудочной железы собаки. Поддерживайте собак в живых до тех пор, пока ацинусы не вырождаются, оставляя островки. Постарайтесь изолировать их внутреннюю секрецию + уменьшить гликомочевину [так в оригинале]». [121] [122]
Весной 1921 года Бантинг отправился в Торонто , чтобы объяснить свою идею Джону Маклеоду , профессору физиологии Университета Торонто . Маклеод поначалу был настроен скептически, поскольку Бантинг не имел опыта исследований и не был знаком с новейшей литературой, но он согласился предоставить Бантингу лабораторное помещение для проверки своих идей. Тем летом Маклауд также договорился о том, чтобы два студента работали лаборантами Бантинга, но Бантингу требовался только один лаборант. Чарльз Бест и Кларк Ноубл подбросили монетку; Бест выиграл жеребьевку и взял на себя первую смену. Это оказалось неудачным для Нобла, поскольку Бантинг держал Беста все лето и в конечном итоге поделился с Бестом половиной своих денег, полученных Нобелевской премией, и заслуги за открытие. [123] 30 июля 1921 года Бантинг и Бест успешно выделили экстракт («ислетин») из островков собаки с перевязанными протоками и ввели его собаке, страдающей диабетом, обнаружив, что экстракт снижает уровень сахара в крови на 40% в 1921 году. час. [124] [122]
Бантинг и Бест представили свои результаты Маклеоду по его возвращению в Торонто осенью 1921 года, но Маклауд указал на недостатки экспериментальной схемы и предложил повторить эксперименты с большим количеством собак и лучшим оборудованием. Он перевел Бантинга и Беста в лучшую лабораторию и начал платить Бантингу зарплату из своих исследовательских грантов. Несколько недель спустя второй раунд экспериментов также увенчался успехом, и в ноябре Маклеод помог опубликовать их результаты в частном порядке в Торонто. Столкнувшись с трудоёмкой задачей по перевязыванию протоков собак и ожиданию нескольких недель для извлечения инсулина, Бантинг придумал идею экстрагировать инсулин из поджелудочной железы плода теленка, у которой ещё не развились пищеварительные железы. К декабрю им также удалось извлечь инсулин из поджелудочной железы взрослой коровы. Маклауд прекратил все остальные исследования в своей лаборатории, чтобы сосредоточиться на очистке инсулина. Он пригласил биохимика Джеймса Коллипа помочь с этой задачей, и команда почувствовала себя готовой к клиническим испытаниям в течение месяца. [122]
11 января 1922 года Леонарду Томпсону , 14-летнему диабетику, умиравшему в больнице общего профиля Торонто , сделали первую инъекцию инсулина. [125] [126] [127] [128] Однако экстракт был настолько нечистым, что у Томпсона возникла тяжелая аллергическая реакция , и дальнейшие инъекции были отменены. В течение следующих 12 дней Коллип день и ночь работал над улучшением экстракта бычьей поджелудочной железы. Вторая доза была введена 23 января, устранив типичную для диабета глюкозурию , не вызвав при этом каких-либо явных побочных эффектов. Первым американским пациентом стала Элизабет Хьюз , дочь госсекретаря США Чарльза Эванса Хьюза . [129] [130] Первым пациентом, получившим лечение в США, был будущий художник-гравёр по дереву Джеймс Д. Хэвенс ; [131] Джон Ралстон Уильямс импортировал инсулин из Торонто в Рочестер, штат Нью-Йорк , для лечения Хейвенса. [132]
Бантинг и Бест никогда не работали хорошо с Коллипом, считая его чем -то вроде нарушителя, и Коллип вскоре после этого покинул проект. Весной 1922 года Бесту удалось усовершенствовать свои методы до такой степени, что можно было извлекать большие количества инсулина по требованию, но препарат оставался нечистым. Фармацевтическая фирма Eli Lilly and Company предложила помощь вскоре после первых публикаций в 1921 году, и они приняли предложение Лилли в апреле. В ноябре главный химик Лилли Джордж Б. Уолден обнаружил изоэлектрическое осаждение и смог производить большие количества высокоочищенного инсулина. Вскоре после этого инсулин был предложен для продажи широкой публике.
К концу января 1922 года напряженность между четырьмя «соавторами» инсулина и Коллипом на короткое время возникла угроза отдельно запатентовать свой процесс очистки. Поэтому Джон Дж. Фитцджеральд , директор некоммерческого учреждения общественного здравоохранения Connaught Laboratories , выступил в роли миротворца. В результате соглашения от 25 января 1922 года были установлены два ключевых условия: 1) сотрудники подпишут контракт, обязывающий не получать патент с коммерческой фармацевтической фирмой в течение начального периода работы с Connaught; и 2) что никакие изменения в исследовательской политике не будут допущены, если их предварительно не обсудят Фитцджеральд и четыре сотрудника. [133] Это помогло сдержать разногласия и связало исследование с общественным мандатом Коннахта.
Первоначально Маклауд и Бантинг особенно неохотно патентовали свой процесс получения инсулина по соображениям медицинской этики. Однако сохранялись опасения, что частная третья сторона может перехватить и монополизировать исследование (на что намекали Эли Лилли и Компания [134] ), и что безопасное распространение будет трудно гарантировать без возможности контроля качества. С этой целью Эдвард Кэлвин Кендалл дал ценный совет. Он выделил тироксин в клинике Мэйо в 1914 году и запатентовал этот процесс по соглашению между ним, братьями Мэйо и Университетом Миннесоты , передав патент государственному университету. [135] 12 апреля Бантинг, Бест, Коллип, Маклеод и Фицджеральд совместно написали президенту Университета Торонто , предлагая аналогичную договоренность с целью передачи патента Совету управляющих университета. [136] В письме подчеркивалось, что: [137]
Патент не будет использоваться ни для каких иных целей, кроме как для предотвращения изъятия патента другими лицами. Когда подробности метода приготовления будут опубликованы, любой сможет приготовить экстракт, но никто не сможет обеспечить прибыльную монополию.
Поручение Совету управляющих Университета Торонто было завершено 15 января 1923 года за символическую выплату в размере 1 доллар США. [138] Эта договоренность была отмечена в журнале The World's Work в 1923 году как «шаг вперед в медицинской этике». [139] В 2010-х годах большое внимание средств массовой информации уделялось вопросам здравоохранения и доступности лекарств .
После дальнейшей обеспокоенности по поводу попыток Eli Lilly запатентовать отдельные части производственного процесса, помощник директора Connaught и глава подразделения инсулина Роберт Дефрис разработал политику объединения патентов, которая требует от производителей свободно делиться любыми улучшениями производственного процесса без ущерба для доступности. [140]
Очищенный инсулин животного происхождения изначально был единственным типом инсулина, доступным для экспериментов и диабетиков. Джон Джейкоб Абель был первым, кто получил кристаллическую форму в 1926 году. [141] Доказательства природы белка были впервые предоставлены Майклом Сомоджи , Эдвардом А. Дойзи и Филипом А. Шаффером в 1924 году. [142] Это было полностью доказано, когда Ханс Йенсен и Эрл А. Эванс-младший выделили аминокислоты фенилаланин и пролин в 1935 году. [143]
Аминокислотная структура инсулина была впервые охарактеризована в 1951 году Фредериком Сэнгером [18] [144] , а первый синтетический инсулин был произведен одновременно в лабораториях Панайотиса Катсоянниса в Питтсбургском университете и Хельмута Зана в RWTH Ахенского университета в середине 1951 года. -1960-е годы. [145] [146] [147] [148] [149] Синтетический кристаллический бычий инсулин был получен китайскими исследователями в 1965 году. [150] Полная трехмерная структура инсулина была определена методом рентгеновской кристаллографии в исследовании Дороти Ходжкин . лаборатория в 1969 году. [151]
Ханс Э. Вебер открыл препроинсулин, работая научным сотрудником в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в 1974 году. В 1973–1974 годах Вебер изучил методы выделения, очистки и трансляции информационной РНК. Для дальнейшего исследования инсулина он получил ткани поджелудочной железы на бойне в Лос-Анджелесе, а затем из животных в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Он выделил и очистил общую информационную РНК из островковых клеток поджелудочной железы, которую затем транслировал в ооцитах Xenopus laevis и осаждал с помощью антител против инсулина. Когда общий транслированный белок подвергали электрофорезу в SDS-полиакриламидном геле и градиенту сахарозы, выделяли пики, соответствующие инсулину и проинсулину. Однако, к удивлению Вебера, был выделен третий пик, соответствующий молекуле, большей, чем проинсулин. Повторив эксперимент несколько раз, он постоянно отмечал этот большой пик перед проинсулином, который, как он определил, должен быть более крупной молекулой-предшественником, расположенной выше проинсулина. В мае 1975 г. на собрании Американской диабетической ассоциации в Нью-Йорке Вебер выступил с устной презентацией своей работы [152] , в которой он первым назвал эту молекулу-предшественник «препроинсулином». После устного выступления Вебер был приглашен на ужин, чтобы обсудить свою статью и выводы Дональда Штайнера , исследователя, который внес свой вклад в характеристику проинсулина. Год спустя, в апреле 1976 года, эта молекула была дополнительно охарактеризована и секвенирована Штайнером, ссылаясь на работу и открытие Ганса Вебера. [153] Препроинсулин стал важной молекулой для изучения процесса транскрипции и трансляции.
Первый генетически модифицированный синтетический «человеческий» инсулин был произведен с использованием кишечной палочки в 1978 году Артуром Риггсом и Кейичи Итакура в Научно-исследовательском институте Бекмана в Городе надежды в сотрудничестве с Гербертом Бойером из Genentech . [14] [15] Компания Genentech, основанная Суонсоном, Бойером и Эли Лилли и компанией , в 1982 году начала продавать первый коммерчески доступный биосинтетический человеческий инсулин под торговой маркой Humulin . [15] Подавляющее большинство инсулина, используемого во всем мире, представляет собой биосинтетический рекомбинантный «человеческий» инсулин или его аналоги. [16] Недавно группа канадских исследователей-новаторов применила другой подход, используя легко выращиваемое растение сафлора для производства гораздо более дешевого инсулина. [154]
Рекомбинантный инсулин вырабатывается либо в дрожжах (обычно Saccharomyces cerevisiae ), либо в кишечной палочке . [155] В дрожжах инсулин может быть сконструирован в виде одноцепочечного белка с сайтом эндопротеазы KexII (дрожжевой гомолог PCI/PCII), который отделяет цепь А инсулина от укороченной на С-конце цепи инсулина B. Химически синтезированный С-концевой хвост затем прививается к инсулину путем обратного протеолиза с использованием недорогой протеазы трипсина; обычно лизин на С-концевом хвосте защищен химической защитной группой для предотвращения протеолиза. Простота модульного синтеза и относительная безопасность модификаций в этой области объясняют распространенность аналогов инсулина с С-концевыми модификациями (например, лизпро, аспарт, глулизин). Синтез Genentech и полностью химический синтез, такой как синтез Брюса Меррифилда, не являются предпочтительными, поскольку эффективность рекомбинации двух цепей инсулина низка, в первую очередь из-за конкуренции с осаждением B-цепи инсулина.
Нобелевский комитет в 1923 году приписал практическое извлечение инсулина команде из Университета Торонто и присудил Нобелевскую премию двум мужчинам: Фредерику Бантингу и Джону Маклеоду . [156] В 1923 году они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за открытие инсулина. Бантинг, разгневанный тем, что Бест не был упомянут, [157] поделился с ним своим призом, а Маклауд немедленно поделился своим с Джеймсом Коллипом . Патент на инсулин был продан Университету Торонто за один доллар.
Две другие Нобелевские премии были присуждены за работу над инсулином. Британский молекулярный биолог Фредерик Сэнгер , определивший первичную структуру инсулина в 1955 году, был удостоен Нобелевской премии по химии 1958 года . [18] Розалин Сассман Ялоу получила Нобелевскую премию по медицине 1977 года за разработку радиоиммунного анализа инсулина.
Несколько Нобелевских премий также имеют косвенную связь с инсулином. Джордж Майнот , со-лауреат Нобелевской премии 1934 года за разработку первого эффективного лечения пернициозной анемии , страдал сахарным диабетом . Уильям Касл заметил, что открытие в 1921 году инсулина, пришедшего вовремя, чтобы сохранить Майноту жизнь, стало, таким образом, также ответственным за открытие лекарства от злокачественной анемии . [158] Дороти Ходжкин была удостоена Нобелевской премии по химии в 1964 году за разработку кристаллографии , метода, который она использовала для расшифровки полной молекулярной структуры инсулина в 1969 году. [151]
Работа, опубликованная Бантингом, Бестом, Коллипом и Маклеодом, представляла собой получение очищенного экстракта инсулина, пригодного для использования на людях. [159] Хотя Паулеску открыл принципы лечения, его солевой экстракт нельзя было использовать на людях; он не был упомянут в Нобелевской премии 1923 года. Ян Мюррей особенно активно работал над исправлением «исторической ошибки» в отношении Николае Паулеску . Мюррей был профессором физиологии в Медицинском колледже Андерсона в Глазго , Шотландия , заведующим отделением метаболических заболеваний в ведущей больнице Глазго, вице-президентом Британской ассоциации диабета и одним из основателей Международной федерации диабета. . Мюррей писал:
Недостаточное признание было дано Паулеску, выдающемуся румынскому ученому, который на момент начала своих исследований командой из Торонто уже преуспел в выделении антидиабетического гормона поджелудочной железы и доказал его эффективность в снижении гипергликемии у собак, больных диабетом. [160]
В частном общении Арне Тиселиус , бывший глава Нобелевского института, выразил личное мнение, что Паулеску был в равной степени достоин премии 1923 года. [161]
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь )Если вы используете инсулин или лекарства для лечения диабета... вы не платите ни за какие лекарства, которые вам прописали.
Элизабет Хьюз была веселой, симпатичной маленькой девочкой пяти футов ростом, с прямыми каштановыми волосами и непреодолимым интересом к птицам. На диете Аллена ее вес упал до 65 фунтов, затем до 52 фунтов, а затем, после приступа диареи, который чуть не убил ее весной 1922 года, до 45 фунтов. К тому времени она прожила три года, намного дольше, чем ожидалось. А потом ее мать услышала новость: в Канаде наконец-то выделили инсулин.
Компания «Лилли» была бы рада поработать с Торонто, писал Клоуз и намекал, возможно, намеренно, а может и нет, что Торонто можно обойти: «Я до сих пор воздерживался от начала работы в наших лабораториях в области этого вопроса. поскольку я стремился избежать каким-либо образом вторгаться в сферу ваших интересов и ваших коллег до тех пор, пока вы не опубликуете свои результаты. задать вопрос без промедления, желательно сотрудничая с вами и вашими коллегами...»