Udvikling af hurtigtvirkende insulin

Mange biologiske lægemidler, herunder hormoner, vacciner og antistoffer, produceres i cellefabrikker ved hjælp af genteknologi. Novo Nordisk har i årtier anvendt denne teknologi til behandling af bl.a. diabetes. Denne case fokuserer specifikt på, hvordan hurtigtvirkende insulin blev udviklet ved hjælp af genteknologiske metoder.

Diabetes og insulinbehandling

Diabetes opstår, når kroppen producerer for lidt insulin, eller når cellerne ikke længere reagerer på det. Insulin gør det muligt for cellerne at optage glukose fra blodet; uden insulin stiger blodsukkeret og det kan på sigt give alvorlige skader som blindhed, blodpropper og dårlig sårheling. Behandling med indsprøjtet insulin sænker blodsukkeret, men naturligt insulin-frigivelse er svær at efterligne. Derfor har Novo Nordisk udviklet både hurtig- og langtidsvirkende insulin-varianter, som tilsammen kan give et stabilt blodsukkerniveau gennem dagen og reducere risikoen for senkomplikationer. Både type 1- og type 2-diabetikere kan behandles med insulin, suppleret med livsstilsændringer ved type 2.

Insulin og cellefabrikker

Insulin er et protein, der virker som hormon i kroppen. Det bliver fremstillet i bugspytkirtlen og frigives til blodet, når blodsukkerkoncentrationen er høj, hvilket især er tilfældet efter måltider, fordi maden bliver nedbrudt til bl.a. glukose. Hvert insulin-protein består af to aminosyre-kæder, der holdes sammen af disulfidbroer. Se hvordan menneskeligt insulin er opbygget i figur 9.

Insulin var et af de første proteiner, der blev fremstillet i en cellefabrik ved at indsætte det humane insulin-gen i mikroorganismer. Siden 1980’erne har både E. coli og gær (S. cerevisiae) derfor kunnet producere insulin, der er identisk med det, menneskets egen bugspytkirtel danner. Før dette blev insulin udvundet fra svin og køer, men dyreinsulin adskiller sig med enkelte aminosyrer og gav risiko for allergiske reaktioner og mulig sygdomsoverførsel. Samtidig ville det kræve omkring 500 millioner svin årligt at dække det nuværende globale insulinbehov, en opgave, kun genteknologiske cellefabrikker realistisk kan løse. I dag fremstilles store mængder insulin i fermenteringsanlæg, bl.a. i Kalundborg, hvor Novo Nordisk er blandt verdens førende producenter af diabetesbehandling.

Figur 9. Menneskeligt insulin består af en A- og B-kæde med henholdsvis 21 og 30 aminosyrer. Disulfidbroer mellem cysteiner holder kæderne sammen. De vigtige aminosyrer for insulins binding med andre insulin-molekyler er fremhævet.

Hurtigtvirkende insulin for at imødekomme patienternes behov

Når en diabetiker skal spise, er det vigtigt at holde blodsukkeret tilpas lavt efter måltidet, for eksempel ved indsprøjtning af insulin. Humant insulin, der indsprøjtes under huden, absorberes dog langsomt i blodet, og derfor skal måltider planlægges i god tid for at undgå farlige situationer. Denne udfordring i patienternes hverdag ønskede et udviklingsteam hos Novo Nordisk at afhjælpe ved at designe en ny, hurtigtvirkende insulinvariant.

Forbedring af insulins virkningshastighed

Insulin absorberes langsomt efter underhudsinjektion, fordi molekylerne danner dimere og, ved høje koncentrationer, også hexamere omkring zink. Hexamererne er for store til at passere blodåremembranen, og først når de spaltes, kan insulin regulere blodsukkeret. En model af dimere og hexamere kan ses på figur 10.

Novo Nordisks team ønskede derfor at forhindre hexamerdannelse, så insulin hurtigere kunne optages. Undersøgelser viste, at bestemte aminosyrer i insulins kæder (B9, B12, B13, B16 og B23–28) tiltrækker hinanden og fremmer hexamerdannelse. Strategien blev at udskifte nogle af disse aminosyrer med varianter, der frastøder hinanden, uden at ændre de aminosyrer, der binder insulin til cellernes receptorer (B12, B16 og B23–25). Den første kandidat, X10, med ændret B10, forhindrede effektivt hexamerdannelse og gav positive resultater i celleforsøg, men dyreforsøg viste en uacceptabel kræftrisiko, og projektet måtte stoppes.

Den videre idé blev realiseret med insulin aspart, hvor kun aminosyren ved B28 ændres fra prolin til asparaginsyre (se figur 11). Gærceller blev gensplejset med genet for denne variant, og efter oprensning kunne insulin aspart testes videre med hensyn til absorption og effekt. I 1999 fik det hurtigtvirkende insulin aspart godkendelse til salg i EU under navnet NovoRapid, og året efter i USA under navnet NovoLog.

Figur 10. Insulin (rød og gul) samler sig to og to i dimere. Tre dimere samler sig til en hexamer, som er for store til at blive optaget til blodåremembranen efter en indsprøjtning under huden.

Figur 11. De to aminosyre-kæder i insulin aspart, hvor insulins naturlige aminosyre ved B28 prolin (Pro) udskiftes med asparaginsyre (Asp).