Diabetes, insulins kemi og Novo Nordisk

Diabetes, insulins kemi og Novo Nordisk
AF
THOMAS HØEG-JENSEN
D
en vigtigste energikilde
for den menneskelige
organisme er
sukkerstoffer (kulhydrater,
carbohydrater), som optages
fra føden. I fødevarer findes
dels små simple carbohydratmolekyler,
dels lange kæder
(polysaccharider). Under fordøjelse
i maven og tarmen,
samt ved stofskifte i leveren,
omsættes størstedelen af de
forskellige sukkerarter til det
simple carbohydrat glucose.
Glucose fordeles i kroppen
gennem blodet og optages i
cellerne for omsætning til
energi (ved forbrænding),
men de fleste celler skal stimuleres
med insulin, før de
åbnes for optag af glucose.
Insulin dannes og lagres i
beta-cellerne i bygspytkirtlen
og frigives til blodet i koncentrationer,
som afhænger af
glucose-niveauet. Naturlig
insulin-udskillelse sker derfor
dels på et basalt niveau, som
sikrer glucose-optag døgnet
rundt, dels ved forøget udskillelse
ved måltider for
optag og forbrænding af sukkerstoffer
fra maden. Ved
anvendelse af insulin som
lægemiddel tilstræbes et tilsvarende
doseringsmønster
med et konstant basalniveau
suppleret med ekstra doser
ved måltider, i et forsøg på at
opnå optimal regulering af
glucose-indholdet i blodet og
derved mindske risikoen for
skader på lang sigt.
INSULIN OG DIABETES
Hvis man mangler insulin,
eller hvis insulins effekt på
cellerne er nedsat, optages
Figur 1. Glucoses struktur og nedbrydning
Glucose som hemiacetal i ligevægt med sin aldehydform og glucoses reaktion med proteinaminogrupper
via en iminform til fructosamin, som leder videre til proteinkrydsbindinger og
-nedbrydning.
1

glucose utilstrækkeligt i
muskler og lever, og man får
derfor forhøjet glucose i blodet.
Forhøjet glucose er skadeligt
for kroppen, primært
på grund af kemisk reaktion
med kroppens proteiner. Glucose
optræder i en ligevægt
mellem en lineær aldehydform
og en cyclisk acetalform,
se Figur 1. Aldehydformen
er kemisk reaktiv og
kan reagere med bl.a. aminogrupper
på proteiner. Hvis en
person i længere tid har forhøjet
glucose i blodet kan
dette føre til skader på organer
(nyrer, øjne m.m.) og
dannelse af aflejringer i blodårerne.
Diabetes (sukkersyge) findes
i to hovedformer, type 1
og type 2. Type 1 diabetespatienter
mister deres betaceller
og dermed insulinproduktion
pga. en autoimmun
reaktion, hvor kroppen
opfatter beta-cellerne
som fremmede og dræber
dem. Type 1 diabetes er delvist
arvelig, smitter ikke, og
opstår typisk hos børn. Type
2 diabetespatienter har fortsat
insulinproduktion i betacellerne,
nogle gange endda
forhøjet produktion, men
trods dette optager type 2
patienternes celler ikke glucose
i samme grad som celler
hos raske personer, og patienterne
har derfor nedsat
insulinfølsomhed. Type 2
diabetes opstår oftest hos
overvægtige, midaldrende
personer, men i takt med udbredelsen
af ”moderne” levevis
med for megen og usund
kost samt for lidt motion ses
type 2 diabetes i stigende
grad hos yngre personer.
Type 1 patienter skal behandles
med insulin, ellers
dør de i løbet af kort tid. Type
2 diabetes kan ofte kontrolleres
ved forbedring af
livsstil eller med oralt tilgængelige
lægemidler som
øger insulinudskillelsen eller
insulinfølsomheden. Men
over tid overbelastes og nedbrydes
beta-cellerne hos
mange type 2 patienter, og de
behøver derfor ofte insulin
efter en årrække. Tidlig
insulinstart kan muligvis forlænge
beta-cellernes levetid.
Insulin nedbrydes i fordøjelsessystemet,
hvis man tager
det oralt, og lægemidlet skal
derfor administreres ved injektion
(indsprøjtning), hvilket
er en barriere for mange
patienter. Faktisk er moderne
nåle så tynde og volumen af
insulindoser så lille, at man
knap kan mærke injektionerne.
Men det forstår patienter
(og lægerne) typisk først, når
de har prøvet det.
INSULIN SOM LÆGE-
MIDDEL
Blodglucosekoncentrationen
er hos raske, fastende personer
ca. 5 mM (svarende til
0,9 g/L), stigende op mod 10
mM efter et måltid. Hos diabetespatienter
kan koncentrationen
stige til over 20−30
mM, hvilket dramatisk øger
risikoen for skader på lang
sigt. Højt blodsukker (blodglucose)
bør derfor behandles
medicinsk. Uheldigvis kan
selv en lille overdosering af
insulin som lægemiddel medføre,
at glucosekoncentrationen
falder til under 2 mM, og
det kan være akut farligt og
føre til forvirring, koma, evt.
død. Med henblik på at opnå
bedst mulig glucosekontrol er
K = 10 3 M 2
K = 10 5 M
Figur 2. Insulinkrystaller
Ligevægt mellem insulinkrystaller eller opløseligt depot, hexamer, dimer og monomer.
2

det derfor nødvendigt, at hver
enkelt insulindosis tilpasses
omhyggeligt til både type og
mængde af fødevarer samt til
aktuelt blodglucoseniveau og
motion mm. Insulindosering
er derfor en svær balance, og
mange diabetespatienter får
til tider ubehagelige eller
farlige oplevelser med for
lavt blodsukker.
Insulin er sammensat af 51
aminosyrer fordelt i to kæder
(A-kæden og B-kæden), bundet
sammen af to disulfidbroer,
suppleret af en tredje
disulfidbro internt i A-kæden.
Når insulin udskilles fra betacellerne,
går det direkte til
blodet, men når insulin bruges
som lægemiddel indsprøjtes
det under huden
(subkutant). Man administrerer
ikke insulin lægemiddel
direkte til blodet, dels fordi
det er vanskeligt at ramme en
blodåre, dels fordi insulindosis
ville være for stor, hvis
en fuld basal dosis gik i blodet
på en gang. Insulin findes
både i beta-cellerne og i
lægemiddelpræparater i et
kompleks med zinkioner
(Zn 2+ ), bestående af 6
insulinmolekyler bundet til 2
zinkioner, kaldet insulinhexamer
(se Figur 2). Insulin
som hexamer er fysisk og
kemisk mere stabil end insu-
Figur 3. 3D-struktur af insulindimer
3D-struktur af insulin-aspart-dimer (dobbeltinsulin) bestemt ved røntgendiffraktion. B28Asp med
negativt ladet carboxylat er vist som kuglemodel, mens øvrige aminosyrer er vist som stregmodeller,
og stoffets foldning er vist som bånd (røde A-kæder, blå B-kæder). Disulfidbroer er orange.
3

lin i fri form (monomer), og
hexamer-formen er nødvendig
for at opnå lagerholdbarhed
af lægemidlet. Under
optagelse af insulin som lægemiddel
fra underhuden til
blodet adskilles (dissocierer)
hexameren først til løst associeret
dobbeltinsulin (dimer)
og derefter til monomer, som
er den biologisk aktive form.
Dissociationen sker hurtigt,
når insulin udskilles fra betaceller
til blodet (hurtig fortynding
i blodet), men langsomt
med injiceret humaninsulin
(langsom fortynding i
vævet). Patienter skal derfor
injicere humaninsulin ca. ½
time før måltider for at
matche udsving i blodglucose.
Samtidig er det vigtigt,
at ramme en passende
insulin-dosis så nøjagtigt som
muligt for at minimere tilfælde
at højt eller lavt blodsukker,
som beskrevet ovenfor.
Før 1980 blev insulin isoleret
fra bugspytkirtlen på slagtedyr,
primært grise, men i
dag producerer Novo Nordisk
insulin vha. genmodificeret
gær. Genteknologi kan
opskaleres ubegrænset og
tillader desuden udskiftning
af aminosyrer til modificerede
insulin-sekvenser. På Novo
Nordisk har forskerne
udviklet analoger af insulin
som danner mindre stabile
hexamerer (men dog stabile
nok til lageropbevaring). Det
markedsførte stof, kaldet
insulin-aspart eller Novo-
Rapid, indeholder asparaginsyre
i stedet for prolin i position
28 i B-kæden (B28).
Stoffet optages hurtigere end
humaninsulin efter injektion
og kan derfor tages samtidig
Figur 4. Struktur af insulin detemir
Struktur af B29Nε-myristoyl desB30 humaninsulin, alias insulin
detemir (produktnavn Levemir). Aminosyrerester A1, B1, A21,
og B29 er angivet.
med måltidet, ikke ½ time
før. Dette hjælper diabetespatienter
til opnå en bedre
timing og dosering af insulin
relativt til et givent måltid.
Asparaginsyres sidekæde
indeholder en carboxygruppe,
som har en syrestyrkeeksponent
(pK s ) på ca. 5, og
sidekæden er derfor negativt
ladet (på carboxylatform) ved
fysiologisk pH = 7,5. Den
ekstra negative ladning i den
givne position medvirker til
at destabilisere insulinhexameren,
så insulin dissocierer
og optages hurtigere,
se Figur 3.
For insulindækning døgnet
rundt har diabetespatienter
brug for langtidsvirkende
insulin (basal insulin). Insulin
blev opdaget i Canada i
1920’erne, og i 30−40’erne
opdagede forskere hos Novo
Nordisk (dengang Nordisk
Gentofte), at insulin i blanding
med proteinet protamin
fra laksesperm danner tungtopløselige
krystaller. Dette
blev udnyttet til udvikling af
NPH-insulin (neutral protamin
Hagedorn), som opløses
langsomt efter subkutan injektion.
Med dette præparat
skal basal insulin tages 2
gange i døgnet. NPH kan
desuden blandes med almindelig
insulin, så man kan
dække både basal og måltidsinsulin
med én blandet injektion.
NPH har dog den ulempe
at krystallerne skal
suspenderes i præparatet, og
selv omhyggelig omrystning
giver betydelige dag-til-dag
variationer i den givne dosis.
Dette kan føre til overdosering
af insulin og derfor til
lavt blodsukker, hvilket især
efter aftendosis kan være
farligt, fordi det kan give for
lavt blodsukker om natten.
Forskere på Novo Nordisk
har arbejdet med at fremstille
langtidsvirkende insulin i
opløselig form. Ved kobling
af fedtsyren myristinsyre
(tetradecansyre) til sidekæden
på B29-lysin (insulin
detemir, Levemir, se Figur
4), opnås binding af insulin
til proteinet albumin, som
findes både i subkutant væv
og i blodet i høj koncentration
(500 µM). Bindingen til
albumin forlænger insulins
opholdstid på injektionsstedet
4

samt cirkulationstiden i blodet,
så detemir kan dække
basalbehovet ved injektion
1−2 gange i døgnet. Fordi
stoffet er opløseligt, kan der
gives præcis samme dosis fra
dag til dag. Desværre kan
man ikke blande detemir med
hurtigtvirkende insulin, fordi
de individuelle virkningsprofiler
derved forandres.
Senest har forskere på Novo
Nordisk fremstillet basale
insulinvarianter, som både er
opløselige, meget langtidsvirkende
og blandbare med
hurtigtvirkende insulin (måltidsinsulin).
Insulin degludec
har hexadecandisyre koblet
til B29-lysin via glutaminsyre
som linker. Dette stof er
p.t. under afprøvning i mennesker
og har i de kliniske
forsøg vist lavere risiko for
lavt blodsukker end de ældre
stoffer. Samtidig kan stoffet
administreres som præformulering
(blanding) med hurtigtvirkende
insulin under
bevarelse af de individuelle
virkningsprofiler.
FREMTIDENS INSULIN
På Novo Nordisk arbejdes
der også p.t. med at udvikle
insulintyper som kan optages
oralt i tilstrækkelige mængder.
Dette er en meget vanskelig
udfordring, men der er
opnået lovende resultater i
forskningsfasen. Der arbejdes
både med at forandre aminosyresekvensen
i insulin for at
opnå bedre stabilitet mod
fordøjelsesenzymer og med
kemisk modifikation for at
opnå forbedret optagelse i
tarmen.
En anden mulig forbedring
af insulin som lægemiddel er
fremstilling af varianter, som
er normalt aktive, når blodglucosen
er høj, men inaktive
når blodglucosen er lav. Med
et sådant lægemiddel ville
patienterne kunne dosere
insulin mere aggressivt for
behandling af højt blodsukker
uden at risikere at få for
lavt blodsukker.
Om forfatteren
Thomas Hoeg-Jensen, Ph.D. er
Principal Scientist ved Novo Nordisk
i afdelingen for Diabetes Protein
and Peptide Chemistry. Han er
desuden adjungeret lektor ved KU-
LIFE.
Referencer
1. J. Brange, U. Ribel, J.F. Hansen, G.
Dodson, M.T. Hansen, S. Havelund,
S.G. Melberg, F. Norris, K. Norris, L.
Snel, A.R. Sorensen, H.O. Voigt:
“Monomeric insulins obtained by protein
engineering and their medical implications”,
Nature 333 (1988) 679–
682.
2. S. Havelund, A. Plum, U. Ribel, I.
Jonassen, A. Vølund, J. Markussen, P.
Kurtzhals: “The mechanism of protraction
of insulin detemir, a long-acting,
acylated analog of human insulin”,
Pharm. Res. 21 (2004) 1498-1504.
3. I. Jonassen, T. Hoeg-Jensen, S. Havelund,
U. Ribel: “Ultra-long acting insulin
degludec can be combined with rapid-acting
insulin aspart in a soluble coformulation”,
J. Peptide Sci. 16 (2010)
32.
4. B. Zinman, G. Fulcher, P.V. Ra, N.
Thomas, L.A. Endahl, T. Johansen, R.
Lindh, A. Lewin, J. Rosenstock, M.
Pinget, C. Mathieu: “Insulin degludec,
an ultra-long-acting basal insulin, once
a day or three times a week versus insulin
glargine once a day in patients with
type 2 diabetes: a 16-week, randomised,
open-label, phase 2 trial”, Lancet 377
(2011) 924 - 931.
5. T. Hoeg-Jensen, S. Havelund, P.K.
Nielsen, J. Markussen: “Reversible insulin
self-assembly under carbohydrate
control”,
J. Am. Chem. Soc. 127 (2005) 6158–
6159.
6. Thomas Hoeg-Jensen: “Design of
Insulin Variants for Improved Treatment
of Diabetes”, in K.J. Jensen (editor):
Peptide and Protein Design for Biopharmaceutical
Applications, Wiley,
2009.
5