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
Ehlers_Mainz_12Juli2005 22 Hier wird Wissen Wirklichkeit
Inhalt
Diabetes: Grundlagen, Definitionen, Behandlungsmögli chkeiten
Insulin: Entdeckung, Meilensteine, Struktur, Bedarf
Insulin-Herstellung: Eine Erfolgsgeschichte der Gente chnik
Insulinanaloga – Neue Therapieansätze
Schlussbemerkungen
Ehlers_Mainz_12Juli2005 33 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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)
Ehlers_Mainz_12Juli2005 44 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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
�
�
�
�
�
Zuckerstoffwechsel beim Zuckerstoffwechsel beim NichtdiabetikerNichtdiabetiker
Ehlers_Mainz_12Juli2005 55 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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
Ehlers_Mainz_12Juli2005 66 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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!
Ehlers_Mainz_12Juli2005 77 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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
Ehlers_Mainz_12Juli2005 88 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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)
Ehlers_Mainz_12Juli2005 99 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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.
Ehlers_Mainz_12Juli2005 1010 Hier wird Wissen Wirklichkeit
Die Entdeckung des Insulins
1921 Isolierung von Insulin ausInselzellen des Pankreas
Macleod JJR Collip JB
1923 Nobelpreis in Physiologie und MedizinBanting und Best
Ehlers_Mainz_12Juli2005 1111 Hier wird Wissen Wirklichkeit
1922 Elizabeth Evans Hughes(1907 - 1981)
Insulin-Therapie des DiabetesEine der ersten mit Insulin behandelten Patientinnen
Ehlers_Mainz_12Juli2005 1212 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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
Ehlers_Mainz_12Juli2005 1313 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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
Ehlers_Mainz_12Juli2005 1414 Hier wird Wissen Wirklichkeit
Insulinstrukturen
1: Humaninsulin
2: Schwein, Hund
3: Rind
4: Schaf, Ziege
5: Katze
6:Pferd
Ehlers_Mainz_12Juli2005 1515 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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
Ehlers_Mainz_12Juli2005 1616 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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 %)
Ehlers_Mainz_12Juli2005 1717 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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
Ehlers_Mainz_12Juli2005 1818 Hier wird Wissen Wirklichkeit
Von der DNA-Struktur zum Protein
Ehlers_Mainz_12Juli2005 1919 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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
Ehlers_Mainz_12Juli2005 2020 Hier wird Wissen Wirklichkeit
Der biotechnologische Prozess
Upstream
Processing
Downstream
Processing
Ehlers_Mainz_12Juli2005 2121 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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
Ehlers_Mainz_12Juli2005 2222 Hier wird Wissen Wirklichkeit
Expressionsvektor für Humaninsulin
Ehlers_Mainz_12Juli2005 2323 Hier wird Wissen Wirklichkeit
Der Fermentations-Prozess
Ehlers_Mainz_12Juli2005 2424 Hier wird Wissen Wirklichkeit
Die Basisreinigung
Ehlers_Mainz_12Juli2005 2525 Hier wird Wissen Wirklichkeit
Die Hochreinigung
Ehlers_Mainz_12Juli2005 2626 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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
Ehlers_Mainz_12Juli2005 2727 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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)
Ehlers_Mainz_12Juli2005 2828 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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)
Ehlers_Mainz_12Juli2005 2929 Hier wird Wissen Wirklichkeit
� Insulin Ausschüttung ����� Insulin Biosynthese ����� Glucagon Sekretion
� β-Zell-Erhaltung ����
� Leber Glucose Produktion
� Magenentleerung
� Nahrungsaufnahme
Glucagon like peptide (GLP)-Wirkmechanismus
Ehlers_Mainz_12Juli2005 3030 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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)
Ehlers_Mainz_12Juli2005 3131 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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
Ehlers_Mainz_12Juli2005 3232 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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!
Ehlers_Mainz_12Juli2005 3333 Hier wird Wissen Wirklichkeit
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.
Ehlers_Mainz_12Juli2005 3434 Hier wird Wissen Wirklichkeit
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
Ich danke der Firma Sanofi-Aventis für die Überlassu ng einiger Abbildungen.