Beiträge der Biotechnologie zur Therapie des Diabetes mellitus · 2011-07-18 · Ehlers_Mainz_12Juli20051 Hier wird Wissen Wirklichkeit 1 Beiträge der Biotechnologie zur Therapie

Ehlers_Mainz_12Juli2005 11 Hier wird Wissen Wirklichkeit

Beiträge derBiotechnologie

zur Therapie desDiabetes mellitus

Professor Dr. Eberhard Ehlers

Hofheim/D

Goethe-Universität Frankfurt

GDCh-Wissenschaftsforum Chemie 2009

Frankfurt am Main, 2.September 2009


Inhalt

Diabetes: Grundlagen, Definitionen, Behandlungsmögli chkeiten

Insulin: Entdeckung, Meilensteine, Struktur, Bedarf

Insulin-Herstellung: Eine Erfolgsgeschichte der Gente chnik

Insulinanaloga – Neue Therapieansätze

Schlussbemerkungen


Diabetes -Zahlen und Fakten

Etwa 8 Millionen Bundesbürger leiden an Diabetes mellitus ca. 10% sind Typ 1-Diabetiker („ Jugendlicher Diabetes “)ca. 90% leiden an Typ 2-Diabetes („ Altersdiabetes “)

20% normalgewichtige Typ 2a-Diabetiker80% übergewichtige Typ 2b-Diabetiker

Diabetiker tragen ein 5-fach höheres Herzinfarktrisiko und ein 3-fach höheres Schlaganfallrisiko als Nichtdiabetiker

Diabetes ist Hauptursache für: Dialysepflicht (Nierenversagen)Bein-/Fußamputationen (diabetischer Fuß)Erblindungen (diabetische Retinopathie)


Was ist Diabetes?

� Kohlenhydrate aus der Nahrung werden im Darm in einzelne Zucker-moleküle (hauptsächlich Glucose) gespalten

� Diese Glucosemoleküle ( ) werden in die Blutbahn aufgenommen

� Die B-Zellen der Bauchspeichel-drüse reagieren auf den Anstieg der Blutzuckerkonzentration mit einer Insulinausschüttung ( )

� Das Insulin gelangt über die Blut-bahn zu den Zielgeweben (Muskel, Leber, etc.) und wirkt dort als „Schlüssel“

� Die Insulinwirkung ermöglicht also die Aufnahme von Glucose aus dem Blut in die Zellen

�

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Zuckerstoffwechsel beim Zuckerstoffwechsel beim NichtdiabetikerNichtdiabetiker


Was ist Diabetes?

Zuckerstoffwechsel beim DiabetikerZuckerstoffwechsel beim Diabetiker

Typ 1 : Keine Insulinsekretion aus den B-Zellen

Beide Diabetes-Typen führen also

1. zu einem Mangel an Glucose in den Zielgeweben 2. zu einem Überschuss an Glucose im Blut

Typ 2 : Die Zielgewebe sprechen nicht mehr (genügend) auf das ausgeschüttete Insulin an


Folgeschäden

Ein wichtiges Ziel der Diabetesbehandlung ist auch die Vermeidung von FolgeschFolgesch äädenden:

• Arteriosklerose (Herzerkrankung, Schlaganfall, Gefä ßverschlüsse an den Beinen)

(ca. 27.000 tödliche Infarkte/Jahr - ca. 26.000 tödliche Schlaganfälle/Jahr)

• Nierenschädigung, Nierenversagen (Dialyse - ca. 8.000 neue Fälle/Jahr)

• Netzhautschädigung (Erblindung - ca. 6.000 neue Fälle /Jahr)

• Nervenschädigung (Sensibilitätsstörungen, Neuropath ie))

(ca. 27.000 Amputationen/Jahr - Impotenz?)

• Hauterkrankungen (Infektionen, schlecht heilende Wu nden)

Das Risiko, Folgeerkrankungen zu erleiden, l ässt sich durch geeignete Therapieschemata und engmaschige Kontrollma ßnahmen erheblichmindern!


Therapieziele

Welche Werte sind mit Hilfe therapeutischer Maßnahme n anzustreben?

Parameter Zielwerte Blutglucose ( nüchtern) 80-100 mg/dl HbA1c < 6,5% Harnglucose 0% Gesamtcholesterin < 200 mg/dl Triglyceride < 150 mg/dl Body Mass Index (Körpergewicht/Körpergrösse 2)

w: 20-25 kg/m 2 m: 19-24 kg/m 2

Blutdruck < 140/90 mmHg


Welche Therapien stehen zur Verfügung?

Nichtmedikamentöse Therapiemöglichkeiten :DiätBewegungNikotinentwöhnung

Mit der aus diesen Maßnahmen resultierenden Gewichtsreduktion wird nicht selten eine ausreichende Einstellung von Typ 2-Diab etikern erreicht. In jedem Falle wird der fortschreitenden Insulinresist enz entgegengewirkt.

Die Gewichtsreduktion stellt darüber hinaus die kausale Behandlung des sog. Metabolischen Syndroms dar, das sich bei vielen Typ 2-Diabetikern entwickelt:

Insulinresistenz ( ⇒⇒⇒⇒ erhöhte Blutzuckerwerte )Übergewicht (Adipositas)( ⇒⇒⇒⇒ erhöhte Blutfettwerte )Bluthochdruck (Hypertonie)evtl. erhöhte Harnsäurewerte (⇒⇒⇒⇒ Gicht)


Medikamentöse Behandlung

Folgende Arzneistoffe stehen für die Behandlung des Diabetes zur Verfügung :

InsulineRinderinsulinSchweineinsulinbiotechnologisch hergestelltes Humaninsulin, Insulinanaloga

Orale AntidiabetikaSulfonylharnstoffe (Tolbutamid, Glibenclamid, Glimep irid u.a.)Glinide (Repaglinid, Nateglinid)Insulin-Sensitizer (Glitazone) (Pioglitazon, Rosigli tazon)MetforminAcarbose/Miglitol ( αααα-Glucosidase-Inhibitoren) u.a.m.


Die Entdeckung des Insulins

1921 Isolierung von Insulin ausInselzellen des Pankreas

Macleod JJR Collip JB

1923 Nobelpreis in Physiologie und MedizinBanting und Best


1922 Elizabeth Evans Hughes(1907 - 1981)

Insulin-Therapie des DiabetesEine der ersten mit Insulin behandelten Patientinnen


Insulin-Therapie des DiabetesWichtige Meilensteine der Insulinforschung

20er Insulin-Isolierung, Kristallisation ( 1926 Abel )

30er Protamin-Zink-Insuline, Zink-Insuline

40er NPH-Insulin (neutrales Protamin Hagedorn -Insulin)

50er Lente-Insulin, Primärstruktur (1954 Sanger ), Radio-Immunoassay

60er Insulinreinigung, Biosynthese (Proinsulin)Raumstruktur, Totalsynthese (Katsoyannis, Zahn )

70er Glucose-Monitoring, kontinuierliche Infusion,

80er Gentechnik , HumaninsulinPens, implantierbare Pumpen,

90er Insulinanaloga , inhalierbares Insulin, Insulindetemi r


Insulin-Therapie des DiabetesPrimärstruktur des Humaninsulins

Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Thr-Ser-Ile-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn

Phe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tyr-Leu-Val-Cys-Gly-Glu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-Thr

S

S

S

S

SS

51 Aminosäuren: A-Kette: 21 / B-Kette: 30

3 Disulfidbrücken

A-Kette

B-Kette


Insulinstrukturen

1: Humaninsulin

2: Schwein, Hund

3: Rind

4: Schaf, Ziege

5: Katze

6:Pferd


Insulinversorgung in den USA Prognose 1976

Unberücksichtigt blieben:

• Bessere Nutzung verfügbarer Drüsen• Verfügbarkeit von

- Drüsen aus dem Ausland- Insulin aus dem Ausland

• Mögliche Ausbeuteverbesserungen• Bessere orale Antidiabetika• Durchbrüche in den Genforschung

Fakten

• Ein gesunder Mensch produziert rund 2 mg Insulin pro Tag

• Ein Typ-I-Diabetiker verbraucht ca. 1,5 mg tierisches Insulin pro Tag

• Ein Schweinepankreas ergibt tierisches Insulin für 10 Tage

• Seit 1982: gentechnisch hergestelltes Humaninsulin

Quelle: A Study of Insulin Supply and Demand, NIH 1976

0

20

40

60

80

100

1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000

Theoretischer Insulin Bedarf

Produzierte Menge

Mrd. Insulineinheiten

1995

Insulinbedarfsentwicklung


World:1995 = 118 Million2010 = 221 Million

Zunahme 87%

World:1995 = 118 Million2010 = 221 Million

Zunahme 87%

13.017.535%

13.017.535%

12.422.581%

12.422.581%

22.032.950%

22.032.950%

0.91.344%

0.91.344%

7.314.193%

7.314.193%

62.8132.3111%

62.8132.3111%

Insulin-Therapie des DiabetesDiabetiker weltweit (1995 – 2010)

2000 = 171 Million(2.8 %)

2010 = 221 Million(4.4 %)

2000 = 171 Million(2.8 %)

2010 = 221 Million(4.4 %)


Was ist Gentechnik?

Was ist Gentechnik nicht?

� Neukombination von Nucleinsäuren- Herstellung von Proteinen für medizinische und technische Anwendungen- Herstellung von transgenen Pflanzen und Tieren- Gendiagnostik- Gentherapie

� Klassische Züchtungsverfahren� Extrakorporale Befruchtung� Übertragung von Embryonen auf Leihmütter� (Zell)Biologische Verfahren

- Herstellung von tierischen Hybriden (Schiege = Schaf + Ziege)- Herstellung von Pflanzenhybriden (Nektarine )- Klonieren von Organismen (z. B. Stecklinge, Ableger)- Embryoteilung und Embryotransfer bei Nutztieren

Definition der Gentechnik


Von der DNA-Struktur zum Protein


Insulin-Therapie des DiabetesStruktur und Funktion des Humaninsulins

A-Kette

B-Kette

1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

1 2 3 4 5 6 7 10 11 13 14 15 18 19 22 3028 298 9 12 16 23 24 2521 26 27

21

2017

S S

S

S S

S

Assoziation von drei Dimeren zum Hexamer

Monomer – Monomer-Wechselwirkung

Bindung an den Rezeptor


Der biotechnologische Prozess

Upstream

Processing

Downstream

Processing


Gentechnische Herstellung vonHumaninsulin

Ansätze zur gentechnischen Herstellung von Humanins ulin:

1. Expression der beiden Insulin-Ketten in untersch iedlichen

E.coli-Stämmen

2. Expression von Proinsulin in E.coli-Stämmen

(in Anlehnung an die Insulin-Biosynthese)

Primärprodukt ist das Prä-Proinsulin aus Signal-Pept id, der B-Kette, dem

C-Peptid und der A-Kette

3. Expression von Mini-Proinsulin in Sacharomyces cer evisiae


Expressionsvektor für Humaninsulin


Der Fermentations-Prozess


Die Basisreinigung


Die Hochreinigung


HIS

VAL ASNGLN

PHE

LEU CYS GLY SER HIS LEU VAL GLU ALA LEU TYR LEU VAL GLYCYS ARG GLY PHEGLUTYR THR PRO

PHE

THRLYS

GLYILE VAL GLU GLN CYS CYS THR SER ILE CYS SER LEU TYR LEUGLN ASN TYR CYSGLU ASN

SS

S

S

S

S

-COOH15

1015 20

1

510

15 20 2530

-1

ALA

THR

THR

SER

THR

GLY

ASN

SER

ALA

ARG

-NH2-10

ARG

GLN

GLY

GLN

VAL

GLU

GLYGLY

GLYLEU

LEU SER GLY ALA GLY PROLEUGLU

ALA LEU PRO GLN

LYS

ARG

LEUSER

35

40

455055

60

GLU

ALA

GLU

Trypsin-Spaltung von Prä-Proinsulin

GLY

VAL

GLN

PRO

ASP

ARG


Insulinanaloga

Basalinsulin (24 h)

IEP im Neutralen

A21Gly statt Asp

B31Arg-B32Arg

Glargin

(Lantus)

Spritz-Ess-

Abstand kürzer

B3Lys statt Asp

B29Glu statt Lys

Glulisin

(Apidra®)

Schnellere

Anflutung

B28Asp

Austausch Pro

Aspart

(NovoRapid®)

Unterdrückung Hexamerenbildung

B28Lys-B30Pro

(Vertauschung)

Lispro

(Humalog®)

Wirkungs-

veränderung

Modifizierte

Positionen

Int. Bezeichnung

(Handelsname)


Exendin-4-DerivateEine neue Behandlung des Typ 2-

Diabetes

„Exenatid“ ein syntheti-sches Abwandlungspro-dukt eines Polypeptids(39 AS) (GLP-1-Agonist =Glucagon like peptide)ab 2006 im Handel

Gila-Krustenechse (im Speichel)(Heloderma horridum and Heloderma suspectum)


� Insulin Ausschüttung �� Insulin Biosynthese �� Glucagon Sekretion

� β-Zell-Erhaltung ��

� Leber Glucose Produktion

� Magenentleerung

� Nahrungsaufnahme

Glucagon like peptide (GLP)-Wirkmechanismus


GLP-1-Agonisten: Chemie

•••• GLP-1-Analoge (Liraglutide, Taspoglutide und CJC-1131)

•••• Exendin-Analoge (Exendin-4 = Exenatide und AVE0010)

♦♦♦♦Exendin-4

H2N-HGEGTFTSDLSKQMEEEAVRLFIEWKNGGGGPSSGAPPPS- NH2

♦♦♦♦Taspoglutide

H2N-HXEGTFTSDVSSYLEGQAAKEFIAWLVKXR- NH2

(X = Aminoisobuttersäure)


Exendin-4-Derivate - Neuer therapeutischer Ansatz

Frühstadium Fortgeschrittenes Stadium

Diät/SportMonotherapie

KombinationGLP-1 Agonist

Insulin

GLP-1-Rezeptoragonisten bilden eventuell eine Brückezwischen Oralen Antidiabetika und Insulin

Orale Antidiabetika


Schlussbemerkungen (1)

In der Biotechnik werden natürliche Syntheseleistungen von Mikroorga-

nismen, tierischen und pflanzlichen Zellen zur industriellen Gewinnung

von Stoffen insbesondere Pharmaka genutzt.

Ein weiterer Zweig der Biotechnik ist die Gewinnung von Enzymen

(Biokatalysatoren) zur schonenden Modifizierung von Stoffen.

Biotechnologische Prozesse nutzen „ Zellen als chemische Fabrik “.

Solche Prozesse sind äußerst effizient, nachhaltig und hoch innovativ!


Schlussbemerkungen (2)

In der Gentechnik werden ebenfalls Produkte durch lebende Organismen

gewonnen. Im Unterschied zur Biotechnik wird aber i m Laufe des Verfahrens

DNA isoliert und gezielt verändert .

Die modifizierte DNA wird wieder in einen Organismus integriert, um

dadurch eine neue Eigenschaft des betreffenden Orga nismus für

eine Syntheseleistung nutzen zu können.

Die Gentechnik erweitert daher die Möglichkeiten der B iotechnik und

eröffnet neue Chancen der Wirkstoffproduktion.


Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!

Ich danke der Firma Sanofi-Aventis für die Überlassu ng einiger Abbildungen.

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