胰島素及發(fā)展前景

桂林理工大學(xué)生物制藥技術(shù)X課程論文論文名稱：胰島素的應(yīng)用及發(fā)展前景系（學(xué)院）：化學(xué)與生物工程學(xué)院班級：學(xué)號：學(xué)生姓名：2013年5月21日胰島素的應(yīng)用及發(fā)展前景【摘要】1922年提取得到一種較純的降血糖物質(zhì)，命名為胰島素，1923年開始供應(yīng)臨床使用。1982年，第一個基因工程藥物人胰島素上市。迄今為止，胰島素仍為治療胰島素依賴性糖尿病的特效藥物。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界糖尿病患者已超過一億，而且發(fā)病率呈逐年增長的趨勢。隨著胰島素的發(fā)展，人胰島素類似物應(yīng)運而生，更為糖尿病人帶來了希望?！娟P(guān)鍵詞】蛋白類藥物胰島素應(yīng)用發(fā)展前景目錄【摘要】……………..2【關(guān)鍵詞】……………2一、胰島素的基本概念………………41.胰島素的基本定義……………...42.胰島素分類………43、人胰島素(Insulin)………………6二.重組人胰島素產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程…………………6三、胰島素的發(fā)展歷史及應(yīng)用...............................................................7四、胰島素的發(fā)展前景………………..10【參考文獻】………..13一、胰島素的基本概念1.胰島素的基本定義胰島素的英文縮寫，INS。不同種族動物（人、牛、羊、豬等）的胰島素功能大體相同，成分稍有差異。胰島素由A、B兩個肽鏈組成。人胰島素(InsulinHuman)A鏈有11種21個氨基酸，B鏈有15種30個氨基酸，共26種51個氨基酸組成。其中A7(Cys)-B7(Cys)、A20(Cys)-B19(Cys)四個半胱氨酸中的巰基形成兩個二硫鍵，使A、B兩鏈連接起來。胰島素是一種蛋白質(zhì)類激素,體內(nèi)胰島素是由胰島β細胞分泌的。在人體十二指腸旁邊，有一條長形的器官，叫做胰腺。在胰腺中散布著許許多多的細胞群，叫做胰島。胰島素是由胰島β細胞受內(nèi)源性或外源性物質(zhì)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種蛋白質(zhì)激素。藥理作用:治療糖尿病、消耗性疾病。

生理作用:胰島素是機體內(nèi)唯一降低血糖的激素，也是唯一同時促進糖原、脂肪、蛋白質(zhì)合成的激素。具有調(diào)節(jié)糖代謝、脂肪代謝、蛋白質(zhì)代謝作用。2.胰島素分類按來源不同分類

1、動物胰島素：從豬和牛的胰腺中提取，兩者藥效相同，但與人胰島素相比，豬胰島素中有1個氨基酸不同，牛胰島素中有3個氨基酸不同，因而易產(chǎn)生抗體。

2、半合成人胰島素：將豬胰島素第30位丙氨酸，置換成與人胰島素相同的蘇氨酸，即為半合成人胰島素。3、生物合成人胰島素：利用生物工程技術(shù)，獲得的高純度的生物合成人胰島素，其氨基酸排列順序及生物活性與人體本身的胰島素完全相同。3、人胰島素(Insulin)：胰島素是多肽激素的一種，具有多種生物功能，在維持血糖恒定，增加糖原、脂肪、某些氨基酸和蛋白質(zhì)的合成、調(diào)節(jié)與控制細胞內(nèi)多種代謝途徑等方面都有重要作用。國外人胰島素的基因工程生產(chǎn)一般采用兩種方式：一是分別在大腸桿菌中合成A鏈和B鏈，再在體外用化學(xué)方法連接兩條肽鏈組成胰島素。另一種方法是用分泌性載體表達胰島素原。如丹麥Novo用重組酵母分泌產(chǎn)生胰島素原，再用酶法轉(zhuǎn)化為人胰島素。我的科學(xué)工作者在80年代已開始的胰島素基因表達的研究，但所采用的各種體系有一定問題，故一直未有突破性進展。1993年，北京大學(xué)報道了以部分牛凝乳酶原B基因與人胰島素原基因進行融合，高表達出融合蛋白，經(jīng)加工后可得到具有天然活性的人胰島素原純品。二.重組人胰島素產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程菌種擴培菌種擴培對從菌種庫中取出的菌種進行活化及初步擴大培養(yǎng)種子罐培養(yǎng)在種子罐中對菌種進行進一步的擴大培養(yǎng)，至菌種到對數(shù)生長期種子罐培養(yǎng)時轉(zhuǎn)入發(fā)酵罐培養(yǎng)發(fā)酵罐培養(yǎng)分兩階段進行控制，第一階段主要通過控制溶氧和補加甘油使菌發(fā)酵罐培養(yǎng)體達到富集的目的，第二階段通過補加甲醇使菌體進行高密度表達目的產(chǎn)物，HPLC檢測目的產(chǎn)物含量發(fā)酵液固液分離發(fā)酵液固液分離目的產(chǎn)物存在于發(fā)酵液上清中，此步驟主要控制目的產(chǎn)物收率P1純化P1純化通過兩步柱層析，分別去除發(fā)酵上清液中的色素和雜蛋白利用紫外檢測儀控制目的產(chǎn)物收率，主要試劑為乙醇與異丙醇P1沉淀、干燥P1沉淀、干燥調(diào)節(jié)PH值，使P1沉淀，再經(jīng)離心干燥，得中間體I固體P2純化控溫進行轉(zhuǎn)肽反應(yīng)，主要試劑為DMSO與1,4-丁二醇P2純化再通過柱層析進行提純，主要試劑為異丙醇P2沉淀、干燥調(diào)節(jié)PH值，使P2沉淀，再經(jīng)離心干燥，得中間體II固體P2沉淀、干燥脫帽通過控制濕度與溫度進行脫帽反應(yīng)，得到終產(chǎn)物胰島素脫帽主要試劑為丙酮，產(chǎn)品為半固體成品粗純化經(jīng)過兩步柱層析對胰島素進行提純，試劑為Tris-HCl和異丙醇成品粗純化通過超濾對提純后的胰島素進行濃縮，通過管道傳遞到下工序成品精純化通過制備色譜對胰島素粗品進行精制，主要試劑為色譜乙腈成品精純化然后經(jīng)兩步結(jié)晶后通過管道過濾除菌到百級區(qū)過濾凍干對胰島素成品進行一次結(jié)晶和水洗過濾凍干對水洗后的胰島素進行過濾除菌后凍干，即得胰島素成品

三、胰島素的發(fā)展歷史及應(yīng)用糖尿病是歷史悠久的人類疾病，問題出在身體不能利用最重要的能源——葡萄糖，以致有大量的葡萄糖堆積在血液，造成血管病變及病菌滋生；同時過多的葡萄糖從尿液流失，帶走大量水分，造成病人又饑又渴。就算吃喝不斷，患者仍然不斷消瘦（蛋白質(zhì)及脂肪都分解用來制造更多的葡萄糖），增加飲食只會使情況變得更糟，因此中醫(yī)稱此疾為“消渴癥”。在長期“饑餓”下，身體組織開始利用酮體；大量由脂肪及胺基酸生成的酮體帶有酸性，而造成患者酸中毒。在胰島素發(fā)現(xiàn)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熱量、不含什么碳水化合物的嚴格飲食下，原本已經(jīng)消瘦不堪的糖尿病患者更是骨瘦如材，形同餓莩。這些人的體重可低至二十來公斤，成天躺在床上，連抬個頭的力氣也無。他們就算不死于酸中毒造成的昏迷，遲早也是餓死。這些坐以待斃的悲慘情狀，絕非現(xiàn)代人所能想像。直到上世紀20年代初，糖尿病仍被視為一種令人談虎色變的不治之癥。胰島素于1921年由加拿大人F.G.班廷和C.H.貝斯特首先發(fā)現(xiàn)。1923年開始用于臨床，使過去不治的糖尿病患者得到挽救。班廷后來在多倫多大學(xué)與麥克勞德合作，獲得治療糖尿病效果穩(wěn)定的激素。他和麥克勞德兩人因發(fā)現(xiàn)胰島素而共獲1923年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。他將部分獎金分給貝斯特。班廷1941年2月21日在二戰(zhàn)一次執(zhí)行任務(wù)時因飛機失事而遇難，享年50歲。中國科學(xué)院腎病檢測研究所主治直至80年代初，用于臨床的胰島素幾乎都是從豬、牛胰臟中提取的。不同動物的胰島素組成均有所差異，豬的與人的胰島素結(jié)構(gòu)最為相似，只有B鏈羧基端的一個氨基酸不同。80年代初已成功地運用遺傳工程技術(shù)由微生物大量生產(chǎn)人的胰島素，并已用于臨床。1955年英國F.桑格小組測定了牛胰島素的全部氨基酸序列，開辟了人類認識蛋白質(zhì)分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的道路。[1]1965年9月17日，中國科學(xué)家人工合成了具有全部生物活力的結(jié)晶牛胰島素，它是第一個在實驗室中用人工方法合成的蛋白質(zhì)。稍后美國和聯(lián)邦德國的科學(xué)家也完成了類似的工作。70年代初期，英國和中國的科學(xué)家又成功地用X射線衍射方法測定了豬胰島素的立體結(jié)構(gòu)。這些工作為深入研究胰島素分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。人們用化學(xué)全合成和半合成方法制備類似物，研究其結(jié)構(gòu)改變對生物功能的影響；進行不同種屬胰島素的比較研究；研究異常胰島素分子病，即由于胰島素基因的突變使胰島素分子中個別氨基酸改變而產(chǎn)生的一種分子病。這些研究對于闡明某些糖尿病的病因也具有重要的實際意義。九十年來,胰島素的劑型不斷推陳出新,目前已發(fā)展為速效、短效、中效、長效和預(yù)混胰島素等多種劑型。[2]從U-40、U-80、U-100等不同濃度,到牛、豬、重組人胰島素等不同來源;從結(jié)晶胰島素、純化胰島素、人工合成胰島素等不同純度到皮下注射、胰島素筆、胰島素泵以及口服、經(jīng)鼻、經(jīng)眼、經(jīng)直腸、經(jīng)皮膚等無創(chuàng)途徑,人類對胰島素探索的腳步從未停歇。讓我們記住這一偉大歷史階段中的重要時刻:[3]?1921年:加拿大科學(xué)家Banting、Best、MacLeod和Collip發(fā)現(xiàn)并提純胰島素。?1922年:胰島素首次應(yīng)用于人類糖尿病的治療。?1923年:胰島素上市。?1926年:美國生化學(xué)家Abel制得胰島素結(jié)晶。?1936年:首個長效胰島素——精蛋白鋅胰島素(PZI)問世。?1946年:中效低精蛋白胰島素問世。?1955年:英國生化學(xué)家FrederickSanger完成了世界上第一個蛋白質(zhì)(胰島素)的一級結(jié)構(gòu)測定,揭示了胰島素的化學(xué)結(jié)構(gòu),因此榮獲1958年諾貝爾化學(xué)獎。?1963~1966年:中國、德國和美國科學(xué)家致力于化學(xué)合成胰島素的研究。中國學(xué)者于1965年首次人工合成了具有全部生物活性的結(jié)晶牛胰島素。?1969年:DorothyHodgkin應(yīng)用X線衍射晶體分析法確定了胰島素的三級結(jié)構(gòu)。?1974年:高純度動物胰島素(蛋白雜質(zhì)<1pmol/L)研制成功。?1978年:通過重組DNA技術(shù),人胰島素首次在大腸桿菌中合成。?1982年:FDA批準重組人胰島素在美國上市。?1996年:FDA批準首個重組人胰島素類似物——賴脯胰島素上市。自此,300余種胰島素類似物被研制成功,包括70種動物胰島素,80種化學(xué)改良胰島素和150余種生物合成胰島素。?2004年:首個長效重組人胰島素類似物——甘精胰島素獲準上市。?2006年:首個吸入型胰島素(Exubera)獲準上市,該藥于2007年撤市。[4]四、胰島素的發(fā)展前景九十年來，胰島素的發(fā)展從早期的動物胰島素到人胰島素，直到現(xiàn)在的胰島素類似物，拯救了無數(shù)糖尿病患者的生命。尤其是胰島素類似物的發(fā)現(xiàn)和使用，堪稱胰島素治療的革命。1.動物胰島素動物胰島素在胰島素治療的早期發(fā)揮過重要的作用，然而，由于生物種屬的不同，動物胰島素與人體內(nèi)自然產(chǎn)生的人胰島素在氨基酸結(jié)構(gòu)上存在著差異，部分患者可能產(chǎn)生胰島素抗體，需要更多劑量的胰島素來控制其血糖水平。另外，抗體與胰島素的結(jié)合在時間和數(shù)量上無法預(yù)料，嚴重時可能會導(dǎo)致明顯的血糖波動。為了得到足夠供應(yīng)眾多糖尿病患者使用的藥用胰島素，科學(xué)家與大型制藥廠合作，成功地發(fā)展了工業(yè)化提取技術(shù)，從屠宰場的牛、豬等動物的胰臟中取得了足夠的原料，解決大量生產(chǎn)的原料來源問題。早期的動物胰島素有較強刺激性，作用時間短，20世紀30年代后，研究者使用魚精蛋白結(jié)合胰島素，使之作用時間延長，每天只需1～2次注射即可。在其后的幾十年里，胰島素在世界各地的醫(yī)院使用，取得空前的成效。2.人胰島素正由于上述問題的存在，動物胰島素的生產(chǎn)需要向更安全可靠的人胰島素轉(zhuǎn)換。由于基因重組技術(shù)生物合成的人胰島素結(jié)構(gòu)與人體內(nèi)胰島素的結(jié)構(gòu)完全相同，因而解決了免疫原性問題，減少了胰島素的不良反應(yīng)。但人們并沒有停止前進的腳步。雖然人胰島素給糖尿病的治療帶來巨大的幫助，但現(xiàn)有的人胰島素注射后并不能模擬正常人的胰島素分泌。如短效胰島素皮下注射后，由于吸收緩慢，即使餐前30分鐘注射，其胰島素高峰也可能出現(xiàn)延遲。這就導(dǎo)致了餐后高血糖不能及時控制，以及兩餐間有可能發(fā)生低血糖反應(yīng)。另有研究顯示，超過3/4的患者由于感覺不方便，無法在餐前30分鐘注射胰島素，從而使其治療效果不很理想。而中效胰島素注射后具有峰值，存在不能模擬生理的基礎(chǔ)胰島素分泌模式等問題。上述問題的存在，使得胰島素臨床應(yīng)用后并不能達到最佳的治療效果，時常會出現(xiàn)低血糖反應(yīng)和血糖控制欠佳的情況。20世紀60年代，研究人員又設(shè)法提取人胰島素。因為動物胰島素與人胰島素存在細微差異，抗原性降低了它的效能。但人胰島素的來源數(shù)量有限，不能滿足需要。到了70年代，研究者突破性地使用生物技術(shù)人工合成了人胰島素?；蚝铣傻娜艘葝u素與從人體提取的胰島素的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)完全一樣。它是通過生物工程，在基因重組的微生物體內(nèi)合成的