Insulin và công nghệ sản xuất insulin trên thế giới
[10/10/
ời ta đã nhận thấy rằng bệnh tiểu đường là một trong những căn b
ọa nghiêm trọng tới sức khoẻ của con người.Trên thế giới, con số
ững người mắc bệnh tiểu đường ước tính khoảng từ 151 triệu đến 171
ệu (năm 2000), và dự kiến con số này sẽ là 221 triệu (năm 2010), năm
2030 sẽ lên đến 366 triệu người. Và đương nhiên, việc gia tăng con số
ững người mắc bệnh tiểu đường sẽ kéo theo sự gia tăng các biến chứng
ăn bệnh này như thần kinh, xơ vữa động mạch… Theo ước tính, số
ời tử vong trên thế giới do bệnh tiểu đường trong năm 2000 là 2,9 tri
và con số này sẽ còn tiếp tục gia tăng. Trong đó, tiểu đường type 2 chiếm
ảng hơn 90% tổng số ca bệnh. Điều đó đòi hỏi phải tìm ra những
ớng tiệp cận mới cho việc ngăn ngừa và điều trị căn bệnh này.
ệnh tiểu đường là một căn bệnh chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Tiểu đư
a do tác động phức tạp giữa gene và các yếu tố môi trường, từ đó dẫn tới
ự bất bình thường trong quá trình điều hoà lượng glucose trong cơ thể liên
quan tới những vấn đề về hormone insulin.
Insulin là một hormone được tiết ra bởi tế bào beta trong đảo Langerhans củ
n tụy khi động vật tiêu ăn thức ăn, đây là hormone quan trọng nhất cho
nh lưu trữ, sử dụng đường, acid amin và acid béo và duy trì lượng đường
máu. Hàm lượng đường trong máu (hay còn gọi là hàm lượng glucose
máu) là nguồn năng lượng thiết yếu cho cơ thể. Nếu lượng đường trong
u không duy trì ở mức bình thường có thể gây ra những căn bệnh nguy hi
m lượng đường trong máu tăng có thể gây ra sự bài tiết đường qua nướ
kết quả là bị mất glucose, hiện tượng này còn gọi là bệnh tiểu đường.
trạng này tiếp diễn trong thời gian dài, sẽ gây ra những biến chứng nguy
m trong mô, các cơ quan của cơ thể. Mặt khác, hàm lượng đường trong
m dẫn đến năng lượng cung cấp cho cơ thể bị thiếu hụt gây nguy hiểm cho
duy trì cơ thể sống.
m lượng đường trong máu được duy trì ở mức bình thường là do sự cân b
các yếu tố làm tăng lượng đường trong máu (như glucagon, hormone
cortisol, catecholamine) với các yếu tố làm giảm lượng đường trong máu. Insulin
hormone duy nhất có thể làm giảm lượng đường trong máu. Do đó, khi khả
năng tiết hormone này giảm đi (do một số nguyên nhân) thì insulin không cung
ủ cho cơ thể gây ra bệnh tiểu đường phụ thuộc insulin (Insulin-Dependent
Diabetes Mellitus - IDDM), còn gọi là tiểu đường type I. Với những bệnh nhân
c tiểu đường type I thì insulin là phương thuốc điều trị duy nhất.
Insulin người là một polypeptide bao gồm một chuỗi A với 21 acid amin và m
i B với 30 acid amin, có một cầu nối disulfur trong chuỗi A và 2 cầu nối
disufur nối giữa hai chuỗi A và B. Insulin ban đầu được tổng hợp ở dạng
“preproinsulin” (tiền insulin) trên ribosome trong tế bào beta trong đảo
Langerhans của tuyến tụy. Preproinsulin là một phân tử dạng thẳng bao gồ
t peptide tín hiệu chứa 24 acid amin (SP), chuỗi B, peptide C với 31 acid amin
và chuỗi A nối với nhau theo thứ tự SP-B-C-A. Khi vận chuyển qua lướ
peptide tín hiệu bị phân cắt tạo ra proinsulin (B-C-A). Proinsulin hình thà
ối disulfur trong lưới nội chất, hình thành cấu trúc bậc ba. Proinsulin bị
ởi enzyme PC1/3 tại liên kết giữa chuỗi B và peptide C và sau đó bị phân
ởi enzyme PC2 ngay vị trí liên kết giữa chuỗi A và peptide C. Hai acid amin
u N của peptide nối với đầu C của chuỗi B khi bị phân cắt bởi PC1/3 sẽ đ
phân cắt ra khỏi chuỗi B bởi enzyme carboxypeptidase H. Kết quả cuối cùng
quá trình phân cắt tạo thành insulin.
Hình 1. Cấu trúc của phân tử insulin
Trong năm 2005, nhu cầu insulin dùng trong trị bệnh tiểu đường ước tính khoảng
4.000 đến 5.000 kg và dự kiến năm 2010 là 16.000 kg. Nhu cầu về insulin của
ế giới vượt qua con số vài tấn/năm và vì thế nguồn cung cấp insulin cho trị
ệnh tiểu đường đang thiếu hụt. Từ những thập niên 1920 cho đến những n
ầu của thập niên 1980, insulin được tạo ra bằng cách cô lập từ tuyến tụy củ
ng vật như heo và bò. Tuy nhiên, insulin người có sự khác biệt trong thành
n acid amin so với insulin bò (hai vị trí trong chuỗi A và một vị trí trong chu
và insulin heo (một vị trí trong chuỗi B). Do đó gây ra những tác dụng không
mong muốn (như dị ứng) khi sử dụng insulin có nguồn gốc từ heo hay bò. Ngoài
quá trình sản xuất và tinh sạch insulin từ động vật còn gặp nhiều khó kh
Sau đó, các phương pháp bán tổng hợp insulin người từ insulin heo và bò
c phát triển bằng các sử dụng phản ứng chuyển peptide (transpeptidation
ng trypsin. Tuy nhiên, insulin tái tổ hợp được sản xuất bằng công ngh
p di truyền hiện đang được sử dụng chủ yếu do chi phí sản xuất thấp
quả sản xuất cao. Insulin người được sản xuất bằng kỹ thuật di truyền
ạiCông ty Genetech (Hoa Kỳ) và sản phẩm này được đưa ra thị trường vào
năm 1982. Trong lịch sử, đây cũng là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu ứng dụng
công nghệ sinh học vào dược phẩm thành công.
ề sau, nhiều phương pháp sản xuất insulin tái tổ hợp đã được phát triển. Ví dụ
phương pháp sản xuất của Tập đoàn Eli Lilly: phương pháp sản xuất này bi
n chuỗi A và chuỗi B riêng biệt bằng cách sử dụng Escherichia coli, sau đ
thu chuỗi A và chuỗi B, trộn với nhau in vitro tạo cầu nối disulfur. Phương phá
có hiệu quả sản xuất thấp. Do đó, Eli Lilly phát triển một phương pháp
n hơn, phương pháp này biểu hiện proinsulin thay vì biểu hiện chuỗi A và
riêng biệt như phương pháp cũ, tạo cầu nối disulfur in vitro, sau đó phân cắ
peptide C khỏi hai chuỗi A và B bằng trypsin và carboxypeptidase, tạo thành
insulin.
Hình 2. Sản xuất insulin tái tổ hợp với chuỗi A và chuỗi B riêng biệt
t phương pháp khác được phát triển bởi tập đoàn Novo Nordisk, phương
này biểu hiện miniproinsulin bao gồm chuỗi B và chuỗi A nối với nhau b
acid amin, được biểu hiện trong nấm men, sau đó xử lý miniproinsulin in vitro
ng trypsin tạo thành insulin. Phương pháp này có nhiều thuận lợi như cầ
disulfur được hình thành trong quá trình biểu hiện và quá trình tiết miniproinsulin
miniproinsulin này được tách chiết và tinh sạch dễ dàng do được tiết thẳ
ường nuôi cấy.
tại, người ta vẫn tiếp tục phát triển những phương pháp sản xuất insulin
p. Công ty Hoechst đã đưa ra một phuơng pháp sản xuất insulin bao g
u hiện một dạng dẫn xuất mới của insulin hoặc biểu hiện preproinsulin
E. coli; tạo các cầu nối disulfur invitro; sau đó, xử lý bằng
lysylendopeptidase hoặc clostripain/carboxypeptidase B; cuối cùng tạo ra insulin
i đây nhất, Công ty Bio-Technology General đã đưa ra một phương phá
Trong phương pháp này, một dạng protein dung hợp (fusion protein) bao gồ
superoxide dismutase (SOD) gắn với proinsulin được biểu hiện trong tế bào
Bằng cách này, hiệu suất của quá trình biểu hiện protein và hiệu quả củ
quá trình hình thành các cầu nốii. Sau đó, proinsulin được chuyển thành insulin
ử lý với trypsin và carboxypeptidase B. Bằng những cách tương tự như
người ta đã đưa ra ngày càng nhiều các phuơng pháp sản xuất insulin
và cải tiến nhièu hơn để nâng cao hiệu quả của các quá trình biểu hiện
protein, hình thành cầu nối disulfur, chuyển proinsulin thành insulin.
Hình 3. Sản xuất insulin tái tổ hợp trên vi khuẩn
ện nay, hầu hết những phương pháp sản xuất insulin thương mại đều dựa trên
các chủng nấm men (Saccharomyces cerevisiae) hoặc vi khuẩn (E. coli) kết hợp
ới các kỹ thuật gene để sản xuất insulin người tổng hợp. Người ta nuôi cấy các
ủng này trên quy mô lớn, trong những bồn lên men bằng thép đặt tiền, sau đó
insulin được ly trích ra, tinh sạch để được sản phẩm cuối cùng.
ề các hệ thống tế bào dùng để biểu hiện insulin tái tổ hợp, người ta sử dụ
t đa dạng từ vi sinh vật tới tế bào động vật và cả thực vật. Trong số đó, tế bà
vi sinh vật được sử dụng nhiều nhất do chúng dễ thao tác, dễ đưa vào áp dụ
quy mô sản xuất công nghiệp, nhiều nhất là E. coli và nấm men. Gần đây, ng
ta đưa ra một hệ thống biểu hiện khác cho các loại protein tái tổ hợp – đó
Bacillus brevis.
c đích của những nghiên cứu, phát minh hiện tại là muốn phát triển một h
ng biểu hiện và 1 phương pháp sản xuất insulin có năng suất cao và hiệ
n xuất phải ngang bằng hay vuợt trội hơn so với những hệ thống sản xuấ
insulin đã từ trước tới nay. Hay nói cách khác, các nghiên cứu trong giai đoạ
y nhằm cải tiến phương pháp cổ điển chuyển các tiền chất của insulin thà
insulin; nghiên cứu tìm ra môi trường tối ưu cho việc hình thành các cầu nố
t cho việc biểu hiện hoạt tính của insulin; tìm ra một hệ thống biểu hiện insulin
cho năng suất, sản luợng cao.
