胰岛素的应用及发展前景

桂桂 林林 理理 工工 大大 学学 生生 物物 制制 药药 技技 术术 X 课课 程程 论论 文文 论文名称： 胰岛素的应用及发展前景 系（学院）： 化学与生物工程学院 班级： 学号： 学生姓名： 2013 年 5 月 21 日 2 胰岛素的应用及发展前景胰岛素的应用及发展前景 【摘要摘要】1922 年提取得到一种较纯的降血糖物质，命名为胰岛素， 1923 年开始供应临床使用。1982 年，第一个基因工程药物人胰岛素 上市。迄今为止，胰岛素仍为治疗胰岛素依赖性糖尿病的特效药物。 据不完全统计，目前全世界糖尿病患者已超过一亿，而且发病率呈 逐年增长的趋势。随着胰岛素的发展，人胰岛素类似物应运而生， 更为糖尿病人带来了希望。 【关键词关键词】 蛋白类药物 胰岛素 应用 发展前景 3 目录目录 【摘要摘要】2 【关键词关键词】2 一、胰岛素的基本概念4 1. 胰岛素的基本定义.4 2. 胰岛素分类4 3、人胰岛素(Insulin)6 二.重组人胰岛素产品生产工艺流程6 三、胰岛素的发展历史及应用.7 四、胰岛素的发展前景10 【参考文献】 13 4 一、胰岛素的基本概念一、胰岛素的基本概念 1. 胰岛素的基本定义胰岛素的基本定义 胰岛素的英文缩写，INS。不同种族动物（人、牛、羊、猪等）的 胰岛素功能大体相同，成分稍有差异。 胰岛素由 A、B 两个肽链组成。人胰岛素(Insulin Human)A 链 有 11 种 21 个氨基酸，B 链有 15 种 30 个氨基酸，共 26 种 51 个氨 基酸组成。其中 A7(Cys)-B7(Cys)、A20(Cys)-B19(Cys)四个半胱氨 酸中的巯基形成两个二硫键，使 A、B 两链连接起来。 胰岛素是一种蛋白质类激素,体内胰岛素是由胰岛 细胞分 泌的。在人体十二指肠旁边，有一条长形的器官，叫做胰腺。在胰 腺中散布着许许多多的细胞群，叫做胰岛。胰岛素是由胰岛 细胞 受内源性或外源性物质如葡萄糖、乳糖、核糖、精氨酸、胰高血糖 素等的刺激而分泌的一种蛋白质激素。 药理作用: 治疗糖尿病、消耗性疾病。 生理作用: 胰岛素是机体内唯一降低血糖的激素，也是唯一 同时促进糖原、脂肪、蛋白质合成的激素。具有调节糖代谢、脂肪 代谢、蛋白质代谢作用。 2.2.胰岛素分类胰岛素分类 按来源不同分类 1、动物胰岛素：从猪和牛的胰腺中提取，两者药效相同，但与 人胰岛素相比，猪胰岛素中有 1 个氨基酸不同，牛胰岛素中有 3 个 氨基酸不同，因而易产生抗体。 5 2、半合成人胰岛素：将猪胰岛素第 30 位丙氨酸，置换成与人 胰岛素相同的苏氨酸，即为半合成人胰岛素。 3、生物合成人胰岛素：利用生物工程技术，获得的高纯度的生 物合成人胰岛素，其氨基酸排列顺序及生物活性与人体本身的胰 岛素完全相同。 3、人胰岛素(Insulin)： 胰岛素是多肽激素的一种，具有多种生物功能，在维持血糖恒 定，增加糖原、脂肪、某些氨基酸和蛋白质的合成、调节与控制细 胞内多种代谢途径等方面都有重要作用。 国外人胰岛素的基因工程生产一般采用两种方式：一是分别 在大肠杆菌中合成 A 链和 B 链，再在体外用化学方法连接两条肽 链组成胰岛素。 另一种方法是用分泌性载体表达胰岛素原。如丹麦 Novo 用重组 酵母分泌产生胰岛素原，再用酶法转化为人胰岛素。 我的科学工作者在 80 年代已开始的胰岛素基因表达的研究，但 所采用的各种体系有一定问题，故一直未有突破性进展。1993 年， 北京大学报道了以部分牛凝乳酶原 B 基因与人胰岛素原基因进行融 合，高表达出融合蛋白，经加工后可得到具有天然活性的人胰岛素 原纯品。 二二. .重组人胰岛素产品生产工艺流程重组人胰岛素产品生产工艺流程 对从菌种库中取出的菌种进行活化及初步扩大培养 在种子罐中对菌种进行进一步的扩大培养，至菌种到对数生长 菌种扩培 种子罐培养 6 期 时转入发酵罐培养 分两阶段进行控制，第一阶段主要通过控制溶氧和补加甘油甘油使菌 体达到富集的目的，第二阶段通过补加甲醇甲醇使菌体进行高密度表 达目的产物，HPLC 检测目的产物含量 目的产物存在于发酵液上清中，此步骤主要控制目的产物收率 通过两步柱层析，分别去除发酵上清液中的色素和杂蛋白 利用紫外检测仪控制目的产物收率，主要试剂为乙醇乙醇与异丙醇异丙醇 调节 PH 值，使 P1 沉淀，再经离心干燥，得中间体 I 固体 控温进行转肽反应，主要试剂为DMSO 与 1,4-丁二醇丁二醇 再通过柱层析进行提纯，主要试剂为异丙醇异丙醇 调节 PH 值，使 P2 沉淀，再经离心干燥，得中间体 II 固体 通过控制湿度与温度进行脱帽反应，得到终产物胰岛素 主要试剂为丙酮丙酮，产品为半固体 经过两步柱层析对胰岛素进行提纯，试剂为 Tris-HCl 和异丙醇异丙醇 通过超滤对提纯后的胰岛素进行浓缩，通过管道传递到下工序 通过制备色谱对胰岛素粗品进行精制，主要试剂为色谱乙腈 然后经两步结晶后通过管道过滤除菌到百级区 对胰岛素成品进行一次结晶和水洗 对水洗后的胰岛素进行过滤除菌后冻干，即得胰岛素成品 发酵罐培养 发酵液固液分离 P1 纯化 P1 沉淀、干燥 P2 纯化 P2 沉淀、干燥 脱帽 成品粗纯化 过滤冻干 成品精纯化 7 三、胰岛素的发展历史及应用三、胰岛素的发展历史及应用 糖尿病是历史悠久的人类疾病，问题出在身体不能利用最重要 的能源葡萄糖，以致有大量的葡萄糖堆积在血液，造成血管病 变及病菌滋生；同时过多的葡萄糖从尿液流失，带走大量水分，造 成病人又饥又渴。就算吃喝不断，患者仍然不断消瘦（蛋白质及脂 肪都分解用来制造更多的葡萄糖） ，增加饮食只会使情况变得更糟， 因此中医称此疾为“消渴症” 。在长期“饥饿”下，身体组织开始利 用酮体；大量由脂肪及胺基酸生成的酮体带有酸性，而造成患者酸 中毒。 在胰岛素发现以前，常用的糖尿病控制方法就是禁食。在每日 不到一千大卡的热量、不含什么碳水化合物的严格饮食下，原本已 经消瘦不堪的糖尿病患者更是骨瘦如材，形同饿莩。这些人的体重 可低至二十来公斤，成天躺在床上，连抬个头的力气也无。他们就 算不死于酸中毒造成的昏迷，迟早也是饿死。这些坐以待毙的悲惨 情状，绝非现代人所能想像。直到上世纪 20 年代初，糖尿病仍被视 为一种令人谈虎色变的不治之症。 胰岛素于 1921 年由加拿大人 F.G.班廷和 C.H.贝斯特首先发现。 1923 年开始用于临床，使过去不治的糖尿病患者得到挽救。班廷后 来在多伦多大学与麦克劳德合作，获得治疗糖尿病效果稳定的激素。 他和麦克劳德两人因发现胰岛素而共获 1923 年诺贝尔生理学或医学 奖。他将部分奖金分给贝斯特。班廷 1941 年 2 月 21 日在二战一次 执行任务时因飞机失事而遇难，享年 50 岁。 8 中国科学院肾病检测研究所主治直至 80 年代初，用于临床的 胰岛素几乎都是从猪、牛胰脏中提取的。不同动物的胰岛素组成均 有所差异，猪的与人的胰岛素结构最为相似，只有 B 链羧基端的一 个氨基酸不同。80 年代初已成功地运用遗传工程技术由微生物大量 生产人的胰岛素，并已用于临床。 1955 年英国 F.桑格小组测定了牛胰岛素的全部氨基酸序列，开 辟了人类认识蛋白质分子化学结构的道路。11965 年 9 月 17 日， 中国科学家人工合成了具有全部生物活力的结晶牛胰岛素，它是第 一个在实验室中用人工方法合成的蛋白质。稍后美国和联邦德国的 科学家也完成了类似的工作。70 年代初期，英国和中国的科学家又 成功地用 X 射线衍射方法测定了猪胰岛素的立体结构。这些工作为 深入研究胰岛素分子结构与功能关系奠定了基础。人们用化学全合 成和半合成方法制备类似物，研究其结构改变对生物功能的影响； 进行不同种属胰岛素的比较研究；研究异常胰岛素分子病，即由于 胰岛素基因的突变使胰岛素分子中个别氨基酸改变而产生的一种分 子病。这些研究对于阐明某些糖尿病的病因也具有重要的实际意义。 九十年来,胰岛素的剂型不断推陈出新,目前已发展为速效、短效、 中效、 长效和预混胰岛素等多种剂型。2从 U-40、U-80、U-100 等不同浓度,到牛、猪、重组人胰岛素等不同来源;从结晶胰岛素、纯 化胰岛素、人工合成胰岛素等不同纯度到皮下注射、胰岛素笔、胰 岛素泵以及口服、经鼻、经眼、经直肠、经皮肤等无创途径,人类对 9 胰岛素探索的脚步从未停歇。让我们记住这一伟大历史阶段中的重 要时刻: 31921 年:加拿大科学家 Banting、Best、MacLeod 和 Collip 发现并提纯胰岛素。 1922 年:胰岛素首次应用于人类糖尿病的治疗。 1923 年:胰岛素上市。 1926 年:美国生化学家 Abel 制得胰 岛素结晶。 1936 年:首个长效胰岛素精蛋白锌胰岛素(PZI)问世。 1946 年:中效低精蛋白胰岛素问世。 1955 年:英国生化学家 Frederick Sanger 完成了世界上第一个 蛋白质(胰岛素)的一级结构测定,揭示了胰岛素的化学结构,因此荣获 1958 年诺贝尔化学奖。 19631966 年:中国、德国和美国科学家致力于化学合成胰岛 素的研究。中国学者于 1965 年首次人工合成了具有全部生物活性的 结晶牛胰岛素。 1969 年:Dorothy Hodgkin 应用 X 线衍射晶体分析法确定了胰 岛素的三级结构。 1974 年:高纯度动物胰岛素(蛋白杂质 1 pmol/L)研制成功。 1978 年:通过重组 DNA 技术,人胰岛素首次在大肠杆菌中合成。 1982 年:FDA 批准重组人胰岛素在美国上市。 1996 年:FDA 批准首个重组人胰岛素类似物赖脯胰岛素 上市。自此,300 余种胰岛素类似物被研制成功,包括 70 种动物胰岛 10 素,80 种化学改良胰岛素和 150 余种生物合成胰岛素。 2004 年:首个长效重组人胰岛素类似物甘精胰岛素获准上 市。 2006 年:首个吸入型胰岛素(Exubera)获准上市,该药于 2007 年 撤市。4 四、胰岛素的发展前景四、胰岛素的发展前景 九十年来，胰岛素的发展从早期的动物胰岛素到人胰岛素，直 到现在的胰岛素类似物，拯救了无数糖尿病患者的生命。尤其是胰 岛素类似物的发现和使用，堪称胰岛素治疗的革命。 1. 动物胰岛素 动物胰岛素在胰岛素治疗的早期发挥过重要 的作用，然而，由于生物种属的不同，动物胰岛素与人体内自然产 生的人胰岛素在氨基酸结构上存在着差异，部分患者可能产生胰岛 素抗体，需要更多剂量的胰岛素来控制其血糖水平。另外，抗体与 胰岛素的结合在时间和数量上无法预料，严重时可能会导致明显的 血糖波动。 为了得到足够供应众多糖尿病患者使用的药用胰岛素，科学家 与大型制药厂合作，成功地发展了工业化提取技术，从屠宰场的牛、 猪等动物的胰脏中取得了足够的原料，解决大量生产的原料来源问 题。 早期的动物胰岛素有较强刺激性，作用时间短， 20 世纪 30 年代后，研究者使用鱼精蛋白结合胰岛素，使之作用时 间延长，每天只需 12 次注射即可。在其后的几十年里，胰岛素在 世界各地的医院使用，取得空前的成效。 11 2. 人胰岛素 正由于上述问题的存在，动物胰岛素的生产 需要向更安全可靠的人胰岛素转换。由于基因重组技术生物合成的 人胰岛素结构与人体内胰岛素的结构完全相同，因而解决了免疫原 性问题，减少了胰岛素的不良反应。 但人们并没有停止前进的脚步。虽然人胰岛素给糖尿病的治疗 带来巨大的帮助，但现有的人胰岛素注射后并不能模拟正常人的胰 岛素分泌。如短效胰岛素皮下注射后，由于吸收缓慢，即使餐前 30 分钟注射，其胰岛素高峰也可能出现延迟。这就导致了餐后高血糖 不能及时控制，以及两餐间有可能发生低血糖反应。另有研究显示， 超过 3/4 的患者由于感觉不方便，无法在餐前 30 分钟注射胰岛素， 从而使其治疗效果不很理想。而中效胰岛素注射后具有峰值，存在 不能模拟生理的基础胰岛素分泌模式等问题。上述问题的存在，使 得胰岛素临床应用后并不能达到最佳的治疗效果，时常会出现低血 糖反应和血糖控制欠佳的情况。 20 世纪 60 年代，研究人员又设法提取人胰岛素。因为动物胰 岛素与人胰岛素存在细微差异，抗原性降低了它的效能。但人胰岛 素的来源数量有限，不能满足需要。 到了 70 年代，研究者突破性地使用生物技术人工合成了人胰岛 素。 基因合成的人胰岛素与从人体提取的胰岛素的化学组成和结构 完全一样。它是通过生物工程，在基因重组的微生物体内合成的， 没有异体抗原性使用非常安全。5 12 3. 人胰岛素类似物应运而生 为了解决人胰岛素制剂不能很好地模拟生理性胰岛素分泌模式 问题，具有更佳作用时间和作用效果的人胰岛素类似物应运而生。 20 世纪 90 年代初，大量研究发现，通过改变胰岛素的局部结构， 可使其作用时间发生变化，从而更好地控制血糖。 最新一代的胰岛素产品，称为“基因重组人胰岛素类似物” ，它 将人胰岛素的部分氨基酸作了修改，这种修改使其更符合临床治疗 的需要。与合成人胰岛素一样，胰岛素类似物是通过生物工程合成 生产的。2002 年，第一个人胰岛素类似物在我国上市。 经改造的基因胰岛素类似物包括速效和超长效胰岛素类似 物。 速效胰岛素类似物以单体胰岛素的形式直接入血，因此能够在 注射后迅速被吸收，10 分钟即可起效。作用时间持续 24 小时的雄 长效胰岛素类似物主要用于持续控制基础血糖。它可以与速效类似 物联合使用，能很好地模拟正