Insulina

Antecedentes

La insulina es una hormona que regula la cantidad de glucosa (azúcar) en la sangre y es necesaria para que el cuerpo funcione normalmente. La insulina es producida por células en el páncreas, llamadas islotes de Langerhans. Estas células liberan continuamente una pequeña cantidad de insulina en el cuerpo, pero liberan aumentos repentinos de la hormona en respuesta a un aumento en el nivel de glucosa en sangre.

Ciertas células del cuerpo transforman los alimentos ingeridos en energía, o glucosa en sangre, que las células pueden utilizar. Cada vez que una persona come, aumenta la glucosa en sangre. La glucemia elevada hace que las células de los islotes de Langerhans liberen la cantidad necesaria de insulina. La insulina permite que la glucosa en sangre se transporte desde la sangre hasta las células. Las células tienen una pared exterior, llamada membrana, que controla lo que entra y sale de la célula. Los investigadores aún no saben exactamente cómo funciona la insulina, pero saben que la insulina se une a los receptores de la membrana celular. Esto activa un conjunto de moléculas de transporte para que la glucosa y las proteínas puedan ingresar a la célula. Las células pueden entonces utilizar la glucosa como energía para llevar a cabo sus funciones. Una vez transportado a la célula, el nivel de glucosa en sangre vuelve a la normalidad en unas horas.

Sin insulina, la glucosa en sangre se acumula en la sangre y las células carecen de su fuente de energía. Algunos de los síntomas que pueden ocurrir incluyen fatiga, infecciones constantes, visión borrosa, entumecimiento, hormigueo en las manos o piernas, aumento de la sed y cicatrización más lenta de hematomas o cortes. Las células comenzarán a utilizar grasa, la fuente de energía almacenada para emergencias. Cuando esto sucede durante demasiado tiempo, el cuerpo produce cetonas, sustancias químicas producidas por el hígado. Las cetonas pueden envenenar y matar células si se acumulan en el cuerpo durante un período prolongado. Esto puede provocar una enfermedad grave y coma.

Las personas que no producen la cantidad necesaria de insulina tienen diabetes. Hay dos tipos generales de diabetes. El tipo más grave, conocido como tipo I o diabetes de inicio juvenil, es cuando el cuerpo no produce insulina. Los diabéticos tipo I generalmente se inyectan diferentes tipos de insulina de tres a cuatro veces al día. La dosis se toma según la lectura de glucosa en sangre de la persona, tomada de un medidor de glucosa. Los diabéticos tipo II producen algo de insulina, pero no es suficiente o sus células no responden normalmente a la insulina. Esto suele ocurrir en personas obesas o de mediana edad y mayores. Los diabéticos tipo II no necesariamente necesitan inyectarse insulina, pero pueden inyectarse insulina una o dos veces al día.

Hay cuatro tipos principales de insulina que se fabrican según la rapidez con la que la insulina comienza a actuar, cuándo alcanza su punto máximo y cuánto tiempo dura en el cuerpo. Según la Asociación Estadounidense de Diabetes, la insulina de acción rápida llega a la sangre en 15 minutos, alcanza su punto máximo entre 30 y 90 minutos y puede durar cinco horas. La insulina de acción corta llega a la sangre en 30 minutos, alcanza su punto máximo alrededor de dos a cuatro horas más tarde y permanece en la sangre de cuatro a ocho horas. La insulina de acción intermedia llega a la sangre de dos a seis horas después de la inyección, alcanza su punto máximo de cuatro a 14 horas después y puede permanecer en la sangre de 14 a 20 horas. Y la insulina de acción prolongada tarda de seis a 14 horas en empezar a funcionar, tiene un pequeño pico poco después y permanece en la sangre de 20 a 24 horas. Los diabéticos tienen diferentes respuestas y necesidades de insulina, por lo que no existe un tipo que funcione mejor para todos. Parte de la insulina se vende con dos de los tipos mezclados en un solo frasco.

Historial

Si el cuerpo no produce suficiente o nada de insulina, las personas deben tomar una versión fabricada. El uso principal de la producción de insulina es para los diabéticos que no producen suficiente insulina de forma natural.

Antes de que los investigadores descubrieran cómo producir insulina, las personas que padecían diabetes tipo I no tenían posibilidades de llevar una vida saludable. Luego, en 1921, los científicos canadienses Frederick G. Banting y Charles H. Best purificaron con éxito la insulina del páncreas de un perro. A lo largo de los años, los científicos lograron mejoras continuas en la producción de insulina. En 1936, los investigadores encontraron una forma de producir insulina con una liberación más lenta en la sangre. Agregaron una proteína que se encuentra en el esperma de pescado, la protamina, que el cuerpo descompone lentamente. Una inyección duró 36 horas. Otro gran avance se produjo en 1950 cuando los investigadores produjeron un tipo de insulina que actuaba un poco más rápido y no permanece tanto tiempo en el torrente sanguíneo. En la década de 1970, los investigadores comenzaron a intentar producir una insulina que imitara más el funcionamiento de la insulina natural del cuerpo:liberando una pequeña cantidad de insulina durante todo el día con aumentos repentinos durante las comidas.

Los investigadores continuaron mejorando la insulina, pero el método de producción básico siguió siendo el mismo durante décadas. Se extrajo insulina del páncreas de bovinos y porcinos y se purificó. La estructura química de la insulina en estos animales es solo ligeramente diferente a la insulina humana, razón por la cual funciona tan bien en el cuerpo humano. (Aunque algunas personas tenían un sistema inmunológico negativo o reacciones alérgicas). Luego, a principios de la década de 1980, la biotecnología revolucionó la síntesis de insulina. Los investigadores ya habían decodificado la estructura química de la insulina a mediados de la década de 1950. Pronto determinaron la ubicación exacta del gen de la insulina en la parte superior del cromosoma 11. Para 1977, un equipo de investigación había empalmado un gen de insulina de rata en una bacteria que luego producía insulina.

Frederick Bonting.

En 1891, Frederick Banting nació en Alliston, Ontario. Se graduó en 1916 de la escuela de medicina de la Universidad de Toronto. Después del servicio del Cuerpo Médico en la Primera Guerra Mundial, Banting se interesó en la diabetes y estudió la enfermedad en la Universidad de Western Ontario.

En 1919, Moses Barron, investigador de la Universidad de Minnesota, mostró que el bloqueo del conducto que conecta las dos partes principales del páncreas provocó el encogimiento de un segundo tipo de célula, el acinar. Banting creía que atando el conducto pancreático para destruir las células acinares, podría preservar la hormona y extraerla de las células de los islotes. Banting propuso esto al director del Departamento de Fisiología de la Universidad de Toronto, John Macleod. Macleod rechazó la propuesta de Banting, pero proporcionó espacio de laboratorio, 10 perros y un estudiante de medicina, Charles Best

A partir de mayo de 1921, Banting y Best ataron los conductos pancreáticos en perros para que las células acinares se atrofiaran y luego extrajeron los páncreas para extraer líquido de las células de los islotes. Mientras tanto, extrajeron el páncreas de otros perros para causar diabetes y luego inyectaron el líquido de las células de los islotes. En enero de 1922, Leonard Thompson, de 14 años, se convirtió en el primer ser humano en ser tratado con éxito para la diabetes con insulina.

Best recibió su título de médico en 1925. Banting insistió en que Best también fuera acreditado, y casi rechazó su premio Nobel porque Best no estaba incluido. Best se convirtió en jefe del departamento de fisiología de la Universidad de Toronto en 1929 y director del Departamento de Investigación Médica Banting y Best de la universidad después de la muerte de Banting en 1941.

En la década de 1980, los investigadores utilizaron la ingeniería genética para fabricar una insulina humana. En 1982, Eli Lilly Corporation produjo una insulina humana que se convirtió en el primer producto farmacéutico aprobado por ingeniería genética. Sin necesidad de depender de animales, los investigadores podrían producir insulina modificada genéticamente en cantidades ilimitadas. Tampoco contenía ninguno de los contaminantes animales. El uso de insulina humana también eliminó cualquier preocupación sobre la transferencia de posibles enfermedades animales a la insulina. Si bien las empresas todavía venden una pequeña cantidad de insulina producida a partir de animales, en su mayoría porcinos, desde la década de 1980 en adelante, los usuarios de insulina pasaron cada vez más a una forma de insulina humana creada mediante tecnología de ADN recombinante. Según Eli Lilly Corporation, en 2001 el 95% de los usuarios de insulina en la mayor parte del mundo tomaba alguna forma de insulina humana. Algunas empresas han dejado de producir insulina animal por completo. Las empresas se están enfocando en sintetizar insulina humana y análogos de insulina, una modificación de la molécula de insulina de alguna manera.

Materias primas

La insulina humana se cultiva en el laboratorio dentro de bacterias comunes. Escherichia coli es, con mucho, el tipo de bacteria más utilizado, pero también se utiliza la levadura.

Los investigadores necesitan la proteína humana que produce insulina. Los fabricantes obtienen esto a través de una máquina de secuenciación de aminoácidos que sintetiza el ADN. Los fabricantes conocen el orden exacto de los aminoácidos de la insulina (las moléculas a base de nitrógeno que se alinean para formar las proteínas). Hay 20 aminoácidos comunes. Los fabricantes introducen los aminoácidos de la insulina y la máquina de secuenciación conecta los aminoácidos. También son necesarios para sintetizar insulina tanques grandes para hacer crecer las bacterias, y se necesitan nutrientes para que las bacterias crezcan. Se necesitan varios instrumentos para separar y purificar el ADN, como una centrífuga, junto con varios instrumentos de cromatografía y cristalografía de rayos X.

El
proceso de fabricación

La síntesis de insulina humana es un proceso bioquímico de varios pasos que depende de técnicas básicas de ADN recombinante y de la comprensión del gen de la insulina. El ADN lleva las instrucciones de cómo funciona el cuerpo y un pequeño segmento del ADN, el gen de la insulina, codifica la proteína insulina. Los fabricantes manipulan el precursor biológico de la insulina para que crezca dentro de bacterias simples. Si bien cada fabricante tiene sus propias variaciones, existen dos métodos básicos para fabricar insulina humana.

Trabajar con insulina humana

• 1 El gen de la insulina es una proteína que consta de dos cadenas separadas de aminoácidos, una A por encima de una B, que se mantienen unidas por enlaces. Los aminoácidos son las unidades básicas que forman todas las proteínas. La cadena A de la insulina consta de 21 aminoácidos y la cadena B tiene 30.
• 2 Antes de convertirse en una proteína de insulina activa, la insulina se produce primero como preproinsulina. Esta es una única cadena de proteína larga con las cadenas A y B aún no separadas, una sección en el medio que une las cadenas y una secuencia de señal en un extremo que le dice a la proteína cuándo comenzar a secretar fuera de la célula. Después de la preproinsulina, la cadena evoluciona a proinsulina, todavía una cadena simple pero sin la secuencia de señalización. Luego viene la proteína activa insulina, la proteína sin la sección que une las cadenas A y B. En cada paso, la proteína necesita enzimas específicas (proteínas que llevan a cabo reacciones químicas) para producir la siguiente forma de insulina.

EMPEZANDO CON AY B

• 3 Un método para fabricar insulina es hacer crecer las dos cadenas de insulina por separado. Esto evitará la fabricación de cada una de las enzimas específicas necesarias. Los fabricantes necesitan los dos mini genes:uno que produce la cadena A y otro para la cadena B. Dado que se conoce la secuencia exacta de ADN de cada cadena, sintetizan el ADN de cada mini-gen en una máquina de secuenciación de aminoácidos.
• 4 Estas dos moléculas de ADN luego se insertan en plásmidos, pequeños trozos circulares de ADN que son absorbidos más fácilmente por el ADN del anfitrión.
• 5 Los fabricantes primero insertan los plásmidos en un tipo no dañino de la bacteria E. coli. Lo insertan junto al lacZ gene. LacZ codifica la 8-galactosidasa, un gen ampliamente utilizado en procedimientos de ADN recombinante porque es fácil de encontrar y cortar, lo que permite que la insulina se elimine fácilmente para que no se pierda en el ADN de la bacteria. Junto a este gen se encuentra el aminoácido metionina, que inicia la formación de proteínas.
• 6 Los plásmidos recombinantes, recién formados, se mezclan con las células bacterianas. Los plásmidos ingresan a las bacterias en un proceso llamado transfección. Los fabricantes pueden agregar ADN ligasa a las células, una enzima que actúa como pegamento para ayudar a que el plásmido se adhiera al ADN de la bacteria.
• 7 Las bacterias que sintetizan la insulina luego se someten a un proceso de fermentación. Se cultivan a temperaturas óptimas en grandes tanques en plantas de fabricación. Los millones de bacterias se replican aproximadamente cada 20 minutos a través de la mitosis celular y cada una expresa el gen de la insulina.
• 8 Después de multiplicarse, las células se sacan de los tanques y se abren para extraer el ADN. Una forma común de hacerlo es agregando primero una mezcla de lisozoma que digiera la capa exterior de la pared celular, luego agregando una mezcla de detergente que separa la membrana de la pared celular grasa. Luego, el ADN de la bacteria se trata con bromuro de cianógeno, un reactivo que divide las cadenas de proteínas en los residuos de metionina. Esto separa las cadenas de insulina del resto del ADN.
• 9 Las dos cadenas se mezclan y se unen mediante enlaces disulfuro mediante la reacción de reducción-reoxidación. Se agrega un agente oxidante (un material que causa la oxidación o la transferencia de un electrón). Luego, el lote se coloca en una centrífuga, un dispositivo mecánico que gira rápidamente para separar los componentes de la celda por tamaño y densidad.
• 10 Luego, la mezcla de ADN se purifica para que solo queden las cadenas de insulina. Los fabricantes pueden purificar la mezcla mediante varias técnicas de cromatografía o separación que aprovechan las diferencias en la carga, el tamaño y la afinidad de la molécula por el agua. Los procedimientos utilizados incluyen una columna de intercambio iónico, cromatografía líquida de alta resolución de fase inversa y una columna de cromatografía de filtración en gel. Los fabricantes pueden probar lotes de insulina para asegurarse de que ninguna de las bacterias E. coli las proteínas se mezclan con la insulina. Usan una proteína marcadora que les permite detectar E. coli ADN. Luego pueden determinar que el proceso de purificación elimina E. coli bacterias.

PROCESO DE PROINSULINA

• 11 A partir de 1986, los fabricantes comenzaron a utilizar otro método para sintetizar insulina humana. Comenzaron con el precursor directo del gen de la insulina, la proinsulina. Muchos de los pasos son los mismos que cuando se produce insulina con las cadenas A y B, excepto que en este método la máquina de aminoácidos sintetiza el gen de la proinsulina.
• 12 La secuencia que codifica la proinsulina se inserta en la E. coli no patógena bacterias. La bacteria pasa por el proceso de fermentación donde se reproduce y produce proinsulina. Luego, la secuencia de conexión entre las cadenas A y B se empalma con una enzima y la insulina resultante se purifica.
• 13 Al final del proceso de fabricación, se agregan ingredientes a la insulina para prevenir bacterias y ayudar a mantener un equilibrio neutro entre ácidos y bases. También se agregan ingredientes a la insulina de acción intermedia y prolongada para producir el tipo de insulina de duración deseada. Este es el método tradicional para producir insulina de acción más prolongada. Los fabricantes agregan ingredientes a la insulina purificada que prolongan sus acciones, como el óxido de zinc. Estos aditivos retrasan la absorción en el cuerpo. Los aditivos varían entre diferentes marcas del mismo tipo de insulina.

Insulina análoga

A mediados de la década de 1990, los investigadores comenzaron a mejorar la forma en que la insulina humana funciona en el cuerpo cambiando su secuencia de aminoácidos y creando un análogo, una sustancia química que imita a otra sustancia lo suficientemente bien como para engañar a la célula. La insulina análoga se aglutina menos y se dispersa más fácilmente en la sangre, lo que permite que la insulina comience a actuar en el cuerpo minutos después de la inyección. Hay varias insulinas análogas diferentes. La insulina humulina no tiene vínculos fuertes con otras insulinas y, por lo tanto, se absorbe rápidamente. Otro análogo de la insulina, llamado glargina, cambia la estructura química de la proteína para que tenga una liberación relativamente constante durante 24 horas sin picos pronunciados.

En lugar de sintetizar la secuencia de ADN exacta de la insulina, los fabricantes sintetizan un gen de insulina en el que la secuencia se altera ligeramente. El cambio provoca el resultado Un diagrama de los pasos de fabricación de la insulina. proteínas para repelerse entre sí, lo que provoca menos aglutinamiento. Usando esta secuencia de ADN modificada, el proceso de fabricación es similar al proceso de ADN recombinante descrito.

Control de calidad

Después de sintetizar la insulina humana, la estructura y pureza de los lotes de insulina se prueban a través de varios métodos diferentes. La cromatografía líquida de alta resolución se utiliza para determinar si hay impurezas en la insulina. También se realizan otras técnicas de separación, como cristalografía de rayos X, filtración en gel y secuenciación de aminoácidos. Los fabricantes también prueban el empaque del vial para asegurarse de que esté sellado correctamente.

La fabricación de insulina humana debe cumplir con los procedimientos de los Institutos Nacionales de Salud para operaciones a gran escala. La Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos debe aprobar toda la insulina fabricada.

El futuro

El futuro de la insulina tiene muchas posibilidades. Desde que se sintetizó la insulina por primera vez, los diabéticos necesitaban inyectarse regularmente la insulina líquida con una jeringa directamente en el torrente sanguíneo. Esto permite que la insulina ingrese a la sangre de inmediato. Durante muchos años fue la única forma conocida de mover la proteína de insulina intacta al cuerpo. En la década de 1990, los investigadores comenzaron a hacer avances en la síntesis de varios dispositivos y formas de insulina que los diabéticos pueden usar en un sistema alternativo de administración de medicamentos.

Los fabricantes están produciendo actualmente varios dispositivos de administración de fármacos relativamente nuevos. Los bolígrafos de insulina se parecen a un bolígrafo para escribir. Un cartucho contiene la insulina y la punta es la aguja. El usuario establece una dosis, inserta la aguja en la piel y presiona un botón para inyectar la insulina. Con las plumas no es necesario utilizar un vial de insulina. Sin embargo, las plumas requieren insertar puntas separadas antes de cada inyección. Otro inconveniente es que la pluma no permite a los usuarios mezclar tipos de insulina y no toda la insulina está disponible.

Para las personas que odian las agujas, una alternativa a la pluma es el inyector de chorro. Con un aspecto similar a las plumas, los inyectores de chorro usan presión para impulsar una pequeña corriente de insulina a través de la piel. Estos dispositivos no se utilizan tanto como el bolígrafo y pueden causar hematomas en el punto de entrada.

La bomba de insulina permite una liberación controlada en el cuerpo. Se trata de una bomba computarizada, del tamaño de un buscapersonas, que los diabéticos pueden llevar en el cinturón o en el bolsillo. La bomba tiene un pequeño tubo flexible que se inserta justo debajo de la superficie de la piel del diabético. El diabético configura la bomba para administrar una dosis constante y medida de insulina a lo largo del día, aumentando la cantidad justo antes de comer. Esto imita la liberación normal de insulina del cuerpo. Los fabricantes han producido bombas de insulina desde la década de 1980, pero los avances de finales de la década de 1990 y principios del siglo XXI las han hecho cada vez más fáciles de usar y más populares. Los investigadores están explorando la posibilidad de bombas de insulina implantables. Los diabéticos controlarían estos dispositivos a través de un control remoto externo.

Los investigadores están explorando otras opciones de administración de fármacos. Ingerir insulina a través de pastillas es una posibilidad. El desafío con la insulina comestible es que el ambiente altamente ácido del estómago destruye la proteína antes de que pueda pasar a la sangre. Los investigadores están trabajando para recubrir la insulina con plástico del ancho de unos pocos cabellos humanos. Las cubiertas protegerían las drogas del ácido del estómago.

En 2001, se están realizando pruebas prometedoras en dispositivos de insulina inhalada y los fabricantes podrían comenzar a producir los productos en los próximos años. Dado que la insulina es una proteína relativamente grande, no penetra en los pulmones. Los investigadores de la insulina inhalada están trabajando para crear partículas de insulina que sean lo suficientemente pequeñas como para llegar al pulmón profundo. Luego, las partículas pueden pasar al torrente sanguíneo. Los investigadores están probando varios dispositivos de inhalación muy parecidos a los de un inhalador para el asma.

Otra forma de dispositivo de aerosol que se somete a pruebas administrará insulina en el interior de la mejilla. Conocida como insulina bucal (mejilla), los diabéticos rociarán la insulina en el interior de la mejilla. Luego se absorbe a través de la pared interna de la mejilla.

Los parches de insulina son otro sistema de administración de fármacos en desarrollo. Los parches liberarían insulina continuamente en el torrente sanguíneo. Los usuarios tirarían de una pestaña del parche para liberar más insulina antes de las comidas. El desafío es encontrar una manera de que la insulina pase a través de la piel. El ultrasonido es un método que están investigando los investigadores. Estas ondas sonoras de baja frecuencia podrían cambiar la permeabilidad de la piel y permitir el paso de la insulina.

Otra investigación tiene el potencial de descontinuar la necesidad de que los fabricantes sinteticen insulina. Los investigadores están trabajando para crear las células que producen insulina en el laboratorio. La idea es que los médicos algún día podrán reemplazar las células del páncreas que no funcionan con células productoras de insulina. Otra esperanza para los diabéticos es la terapia genética. Los científicos están trabajando para corregir la mutación del gen de la insulina para que los diabéticos puedan producir insulina por sí mismos.

Dónde obtener más información

Libros

Clark, David P y Lonnie D. Russell. Biología molecular simplificada y divertida. 2ª ed. Viena, IL:Cache River Press, 2000.

Considine, Douglas M., ed. Enciclopedia científica de Van Nostrand. 8ª ed. Nueva York:International Thomson Publishing Inc., 1995.

Publicaciones periódicas

Dinsmoor, Robert S. "Insulina:una evolución sin fin". Cuenta atrás (Primavera de 2001).

Otro

Página web del resumen de diabetes. 15 de noviembre de 2001. .

Descubrimiento de la página web de insulina. 16 de noviembre de 2001. .

Corporación Eli Lilly. Desarrollo de Humulina y Humalog. CD-ROM, 2001.

Página web de Eli Lilly Diabetes. 16 de noviembre de 2001. .

Página web de Novo Nordisk Diabetes. 15 de noviembre de 2001. .

M. Rae Nelson