Insulin

Latar Belakang

Insulin adalah hormon yang mengatur jumlah glukosa (gula) dalam darah dan diperlukan agar tubuh berfungsi secara normal. Insulin diproduksi oleh sel-sel di pankreas, yang disebut pulau Langerhans. Sel-sel ini terus menerus melepaskan sejumlah kecil insulin ke dalam tubuh, tetapi mereka melepaskan lonjakan hormon sebagai respons terhadap kenaikan kadar glukosa darah.

Sel-sel tertentu dalam tubuh mengubah makanan yang dicerna menjadi energi, atau glukosa darah, yang dapat digunakan sel. Setiap kali seseorang makan, glukosa darah naik. Peningkatan glukosa darah memicu sel-sel di pulau Langerhans untuk melepaskan jumlah insulin yang diperlukan. Insulin memungkinkan glukosa darah diangkut dari darah ke dalam sel. Sel memiliki dinding luar, yang disebut membran, yang mengontrol apa yang masuk dan keluar sel. Para peneliti belum tahu persis bagaimana insulin bekerja, tetapi mereka tahu insulin mengikat reseptor pada membran sel. Ini mengaktifkan satu set molekul transpor sehingga glukosa dan protein dapat masuk ke dalam sel. Sel-sel kemudian dapat menggunakan glukosa sebagai energi untuk menjalankan fungsinya. Setelah diangkut ke dalam sel, kadar glukosa darah kembali normal dalam beberapa jam.

Tanpa insulin, glukosa darah menumpuk di dalam darah dan sel-sel kekurangan sumber energi. Beberapa gejala yang mungkin terjadi termasuk kelelahan, infeksi terus-menerus, pandangan mata kabur, mati rasa, kesemutan di tangan atau kaki, rasa haus yang meningkat, dan penyembuhan memar atau luka yang lambat. Sel-sel akan mulai menggunakan lemak, sumber energi yang disimpan untuk keadaan darurat. Ketika ini terjadi terlalu lama, tubuh memproduksi keton, bahan kimia yang diproduksi oleh hati. Keton dapat meracuni dan membunuh sel jika menumpuk di dalam tubuh dalam jangka waktu yang lama. Ini dapat menyebabkan penyakit serius dan koma.

Orang yang tidak menghasilkan jumlah insulin yang diperlukan menderita diabetes. Ada dua jenis umum diabetes. Jenis yang paling parah, yang dikenal sebagai Tipe I atau diabetes juvenil, adalah ketika tubuh tidak memproduksi insulin. Penderita diabetes tipe I biasanya menyuntikkan diri dengan berbagai jenis insulin tiga sampai empat kali sehari. Dosis diambil berdasarkan pembacaan glukosa darah seseorang, diambil dari meteran glukosa. Penderita diabetes tipe II menghasilkan beberapa insulin, tetapi itu tidak cukup atau sel-sel mereka tidak merespons insulin secara normal. Ini biasanya terjadi pada orang gemuk atau setengah baya dan orang tua. Penderita diabetes tipe II tidak perlu menggunakan insulin, tetapi mereka dapat menyuntikkan insulin sekali atau dua kali sehari.

Ada empat jenis utama insulin yang diproduksi berdasarkan seberapa cepat insulin mulai bekerja, kapan mencapai puncaknya, dan berapa lama bertahan di dalam tubuh. Menurut American Diabetes Association, insulin kerja cepat mencapai darah dalam waktu 15 menit, mencapai puncaknya pada 30-90 menit, dan dapat berlangsung selama lima jam. Insulin kerja pendek mencapai darah dalam waktu 30 menit, puncaknya sekitar dua sampai empat jam kemudian dan tetap dalam darah selama empat sampai delapan jam. Insulin kerja menengah mencapai darah dua hingga enam jam setelah injeksi, mencapai puncaknya empat hingga 14 jam kemudian, dan dapat bertahan dalam darah selama 14-20 jam. Dan insulin kerja panjang membutuhkan enam hingga 14 jam untuk mulai bekerja, ia memiliki puncak kecil segera setelahnya, dan tetap berada di dalam darah selama 20-24 jam. Setiap penderita diabetes memiliki respons dan kebutuhan insulin yang berbeda sehingga tidak ada satu jenis yang paling cocok untuk semua orang. Beberapa insulin dijual dengan dua jenis yang dicampur bersama dalam satu botol.

Sejarah

Jika tubuh tidak memproduksi insulin atau cukup, orang perlu mengambil versi yang diproduksi. Penggunaan utama produksi insulin adalah untuk penderita diabetes yang tidak membuat cukup insulin atau insulin secara alami.

Sebelum peneliti menemukan cara memproduksi insulin, orang yang menderita diabetes tipe I tidak memiliki kesempatan untuk hidup sehat. Kemudian pada tahun 1921, ilmuwan Kanada Frederick G. Banting dan Charles H. Best berhasil memurnikan insulin dari pankreas anjing. Selama bertahun-tahun para ilmuwan membuat perbaikan terus-menerus dalam memproduksi insulin. Pada tahun 1936, para peneliti menemukan cara untuk membuat insulin dengan pelepasan yang lebih lambat dalam darah. Mereka menambahkan protein yang ditemukan dalam sperma ikan, protamine, yang dipecah tubuh secara perlahan. Satu suntikan berlangsung 36 jam. Terobosan lain datang pada tahun 1950 ketika para peneliti menghasilkan jenis insulin yang bertindak sedikit lebih cepat dan tidak bertahan lama dalam aliran darah. Pada 1970-an, para peneliti mulai mencoba dan memproduksi insulin yang lebih meniru cara kerja insulin alami tubuh:melepaskan sejumlah kecil insulin sepanjang hari dengan lonjakan yang terjadi pada waktu makan.

Para peneliti terus meningkatkan insulin tetapi metode produksi dasar tetap sama selama beberapa dekade. Insulin diekstraksi dari pankreas sapi dan babi dan dimurnikan. Struktur kimia insulin pada hewan ini hanya sedikit berbeda dari insulin manusia, itulah sebabnya ia berfungsi dengan baik dalam tubuh manusia. (Meskipun beberapa orang memiliki sistem kekebalan negatif atau reaksi alergi.) Kemudian pada awal 1980-an bioteknologi merevolusi sintesis insulin. Para peneliti telah memecahkan kode struktur kimia insulin pada pertengahan 1950-an. Mereka segera menentukan lokasi yang tepat dari gen insulin di bagian atas kromosom 11. Pada tahun 1977, sebuah tim peneliti telah menyambungkan gen insulin tikus ke dalam bakteri yang kemudian menghasilkan insulin.

Frederick Bonting.

Pada tahun 1891, Frederick Banting lahir di Alliston, Ontario. Ia lulus pada tahun 1916 dari sekolah kedokteran Universitas Toronto. Setelah dinas Korps Medis di Perang Dunia I, Banting menjadi tertarik pada diabetes dan mempelajari penyakit itu di Universitas Western Ontario.

Pada tahun 1919, Moses Barron, seorang peneliti di University of Minnesota, menunjukkan penyumbatan saluran yang menghubungkan dua bagian utama pankreas menyebabkan pengerutan jenis sel kedua, asinar. Banting percaya bahwa dengan mengikat saluran pankreas untuk menghancurkan sel-sel asinar, ia dapat mempertahankan hormon dan mengekstraknya dari sel-sel pulau. Banting mengusulkan hal ini kepada kepala Departemen Fisiologi Universitas Toronto, John Macleod. Macleod menolak proposal Banting, tetapi menyediakan ruang laboratorium, 10 anjing, dan seorang mahasiswa kedokteran, Charles Best

Mulai Mei 1921, Banting dan Best mengikat saluran pankreas pada anjing sehingga sel asinar akan berhenti berkembang, kemudian mengeluarkan pankreas untuk mengekstrak cairan dari sel pulau. Sementara itu, mereka mengeluarkan pankreas dari anjing lain untuk menyebabkan diabetes, kemudian menyuntikkan cairan sel pulau. Pada Januari 1922, Leonard Thompson yang berusia 14 tahun menjadi manusia pertama yang berhasil diobati untuk diabetes menggunakan insulin.

Best menerima gelar kedokterannya pada tahun 1925. Banting bersikeras Best juga dikreditkan, dan hampir menolak Hadiah Nobelnya karena Best tidak disertakan. Best menjadi kepala departemen fisiologi Universitas Toronto pada tahun 1929 dan direktur Universitas Banting dan Departemen Penelitian Medis Terbaik setelah kematian Banting pada tahun 1941.

Pada 1980-an, para peneliti menggunakan rekayasa genetika untuk memproduksi insulin manusia. Pada tahun 1982, Eli Lilly Corporation memproduksi insulin manusia yang menjadi produk farmasi rekayasa genetika pertama yang disetujui. Tanpa harus bergantung pada hewan, para peneliti dapat memproduksi insulin rekayasa genetika dalam persediaan tak terbatas. Itu juga tidak mengandung kontaminan hewan. Menggunakan insulin manusia juga menghilangkan kekhawatiran tentang pemindahan penyakit hewan potensial ke dalam insulin. Sementara perusahaan masih menjual sejumlah kecil insulin yang diproduksi dari hewan—kebanyakan babi—dari tahun 1980-an dan seterusnya, pengguna insulin semakin beralih ke bentuk insulin manusia yang dibuat melalui teknologi DNA rekombinan. Menurut Eli Lilly Corporation, pada tahun 2001 95% pengguna insulin di sebagian besar dunia menggunakan beberapa bentuk insulin manusia. Beberapa perusahaan telah berhenti memproduksi insulin hewani sepenuhnya. Perusahaan berfokus pada sintesis insulin manusia dan analog insulin, modifikasi molekul insulin dalam beberapa cara.

Bahan Baku

Insulin manusia ditanam di laboratorium di dalam bakteri umum. Escherichia coli sejauh ini merupakan jenis bakteri yang paling banyak digunakan, tetapi ragi juga digunakan.

Para peneliti membutuhkan protein manusia yang memproduksi insulin. Pabrikan mendapatkan ini melalui mesin pengurutan asam amino yang mensintesis DNA. Produsen tahu urutan pasti asam amino insulin (molekul berbasis nitrogen yang berbaris membentuk protein). Ada 20 asam amino yang umum. Produsen memasukkan asam amino insulin, dan mesin pengurutan menghubungkan asam amino bersama-sama. Juga diperlukan untuk mensintesis insulin adalah tangki besar untuk menumbuhkan bakteri, dan nutrisi dibutuhkan untuk pertumbuhan bakteri. Beberapa instrumen diperlukan untuk memisahkan dan memurnikan DNA seperti centrifuge, bersama dengan berbagai instrumen kromatografi dan kristalografi sinar-x.

Manufaktur
Proses

Sintesis insulin manusia adalah proses biokimia multi-langkah yang bergantung pada teknik DNA rekombinan dasar dan pemahaman tentang gen insulin. DNA membawa instruksi bagaimana tubuh bekerja dan satu segmen kecil DNA, gen insulin, mengkode protein insulin. Produsen memanipulasi prekursor biologis untuk insulin sehingga tumbuh di dalam bakteri sederhana. Sementara masing-masing produsen memiliki variasinya sendiri, ada dua metode dasar untuk memproduksi insulin manusia.

Bekerja dengan insulin manusia

• 1 Gen insulin adalah protein yang terdiri dari dua rantai asam amino yang terpisah, rantai A di atas rantai B, yang disatukan dengan ikatan. Asam amino adalah unit dasar yang membangun semua protein. Rantai insulin A terdiri dari 21 asam amino dan rantai B memiliki 30.
• 2 Sebelum menjadi protein insulin aktif, insulin terlebih dahulu diproduksi sebagai preproinsulin. Ini adalah satu rantai protein panjang tunggal dengan rantai A dan B yang belum terpisah, bagian di tengah yang menghubungkan rantai bersama-sama dan urutan sinyal di salah satu ujungnya memberi tahu protein kapan harus mulai mensekresi di luar sel. Setelah preproinsulin, rantai tersebut berkembang menjadi proinsulin, masih berupa rantai tunggal tetapi tanpa urutan pensinyalan. Kemudian muncul insulin protein aktif, protein tanpa bagian yang menghubungkan rantai A dan B. Pada setiap langkah, protein membutuhkan enzim spesifik (protein yang melakukan reaksi kimia) untuk menghasilkan bentuk insulin berikutnya.

MULAI DENGAN A DAN B

• 3 Salah satu metode pembuatan insulin adalah menumbuhkan dua rantai insulin secara terpisah. Ini akan menghindari pembuatan setiap enzim spesifik yang dibutuhkan. Produsen membutuhkan dua mini-gen:satu yang menghasilkan rantai A dan satu lagi untuk rantai B. Karena urutan DNA yang tepat dari setiap rantai diketahui, mereka mensintesis setiap DNA mini-gen dalam mesin pengurutan asam amino.
• 4 Kedua molekul DNA ini kemudian dimasukkan ke dalam plasmid, potongan kecil DNA melingkar yang lebih mudah diambil oleh DNA inang.
• 5 Produsen pertama-tama memasukkan plasmid ke dalam jenis bakteri yang tidak berbahaya E. coli. Mereka memasukkannya di sebelah lacZ gen. LacZ mengkodekan 8-galaktosidase, gen yang banyak digunakan dalam prosedur DNA rekombinan karena mudah ditemukan dan dipotong, memungkinkan insulin untuk segera dikeluarkan sehingga tidak hilang dalam DNA bakteri. Di sebelah gen ini adalah asam amino metionin, yang memulai pembentukan protein.
• 6 Plasmid rekombinan yang baru terbentuk bercampur dengan sel bakteri. Plasmid memasuki bakteri dalam proses yang disebut transfeksi. Produsen dapat menambahkan DNA ligase ke dalam sel, enzim yang bertindak seperti lem untuk membantu plasmid menempel pada DNA bakteri.
• 7 Bakteri yang mensintesis insulin kemudian mengalami proses fermentasi. Mereka tumbuh pada suhu optimal dalam tangki besar di pabrik. Jutaan bakteri bereplikasi kira-kira setiap 20 menit melalui mitosis sel, dan masing-masing mengekspresikan gen insulin.
• 8 Setelah berkembang biak, sel-sel dikeluarkan dari tangki dan dipecah untuk mengekstrak DNA. Salah satu cara yang umum dilakukan adalah dengan terlebih dahulu menambahkan campuran lisozom yang mencerna lapisan luar dinding sel, kemudian menambahkan campuran deterjen yang memisahkan membran dinding sel lemak. DNA bakteri kemudian diolah dengan sianogen bromida, reagen yang memecah rantai protein pada residu metionin. Ini memisahkan rantai insulin dari sisa DNA.
• 9 Kedua rantai tersebut kemudian dicampur dan dihubungkan oleh ikatan disulfida melalui reaksi reduksi-reoksidasi. Agen pengoksidasi (bahan yang menyebabkan oksidasi atau transfer elektron) ditambahkan. Batch tersebut kemudian ditempatkan dalam centrifuge, perangkat mekanis yang berputar cepat untuk memisahkan komponen sel berdasarkan ukuran dan kepadatan.
• 10 Campuran DNA kemudian dimurnikan sehingga hanya rantai insulin yang tersisa. Pabrikan dapat memurnikan campuran melalui beberapa teknik kromatografi, atau pemisahan, yang memanfaatkan perbedaan dalam muatan molekul, ukuran, dan afinitas terhadap air. Prosedur yang digunakan meliputi kolom penukar ion, kromatografi cair kinerja tinggi fase terbalik, dan kolom kromatografi filtrasi gel. Produsen dapat menguji batch insulin untuk memastikan tidak ada bakteri E. coli protein dicampur dengan insulin. Mereka menggunakan protein penanda yang memungkinkan mereka mendeteksi E. coli DNA. Mereka kemudian dapat menentukan bahwa proses pemurnian menghilangkan E. coli bakteri.

PROINSULIN PROINSULIN

• 11 Mulai tahun 1986, produsen mulai menggunakan metode lain untuk mensintesis insulin manusia. Mereka mulai dengan prekursor langsung ke gen insulin, proinsulin. Banyak langkah yang sama seperti saat memproduksi insulin dengan rantai A dan B, kecuali dalam metode ini mesin asam amino mensintesis gen proinsulin.
• 12 Urutan yang mengkode proinsulin dimasukkan ke dalam non-patogen E. coli bakteri. Bakteri melalui proses fermentasi di mana ia mereproduksi dan menghasilkan proinsulin. Kemudian urutan penghubung antara rantai A dan B disambung dengan enzim dan insulin yang dihasilkan dimurnikan.
• 13 Pada akhir proses pembuatan, bahan-bahan ditambahkan ke insulin untuk mencegah bakteri dan membantu menjaga keseimbangan netral antara asam dan basa. Bahan-bahan juga ditambahkan ke insulin kerja menengah dan panjang untuk menghasilkan jenis durasi insulin yang diinginkan. Ini adalah metode tradisional untuk memproduksi insulin yang bekerja lebih lama. Produsen menambahkan bahan ke insulin murni yang memperpanjang tindakan mereka, seperti seng oksida. Aditif ini menunda penyerapan dalam tubuh. Aditif bervariasi antara merek yang berbeda dari jenis insulin yang sama.

insulin analog

Pada pertengahan 1990-an, para peneliti mulai memperbaiki cara kerja insulin manusia di dalam tubuh dengan mengubah urutan asam aminonya dan menciptakan analog, zat kimia yang meniru zat lain dengan cukup baik sehingga membodohi sel. Insulin analog menggumpal lebih sedikit dan menyebar lebih mudah ke dalam darah, memungkinkan insulin untuk mulai bekerja di dalam tubuh beberapa menit setelah injeksi. Ada beberapa insulin analog yang berbeda. Insulin humulin tidak memiliki ikatan yang kuat dengan insulin lain dan dengan demikian, diserap dengan cepat. Analog insulin lain, yang disebut Glargine, mengubah struktur kimia protein untuk membuatnya memiliki pelepasan yang relatif konstan selama 24 jam tanpa puncak yang jelas.

Alih-alih mensintesis urutan DNA yang tepat untuk insulin, produsen mensintesis gen insulin di mana urutannya sedikit diubah. Perubahan menyebabkan hasil Diagram langkah-langkah pembuatan insulin. protein untuk menolak satu sama lain, yang menyebabkan lebih sedikit penggumpalan. Menggunakan urutan DNA yang diubah ini, proses pembuatannya mirip dengan proses DNA rekombinan yang dijelaskan.

Kontrol Kualitas

Setelah mensintesis insulin manusia, struktur dan kemurnian kumpulan insulin diuji melalui beberapa metode berbeda. Kromatografi cair kinerja tinggi digunakan untuk menentukan apakah ada pengotor dalam insulin. Teknik pemisahan lainnya, seperti kristalografi sinar-X, filtrasi gel, dan sekuensing asam amino, juga dilakukan. Produsen juga menguji kemasan botol untuk memastikannya disegel dengan benar.

Manufaktur untuk insulin manusia harus mematuhi prosedur National Institutes of Health untuk operasi skala besar. Administrasi Makanan dan Obat-obatan Amerika Serikat harus menyetujui semua insulin yang diproduksi.

Masa Depan

Masa depan insulin memiliki banyak kemungkinan. Sejak insulin pertama kali disintesis, penderita diabetes perlu secara teratur menyuntikkan insulin cair dengan jarum suntik langsung ke aliran darah mereka. Hal ini memungkinkan insulin untuk memasuki darah segera. Selama bertahun-tahun itu adalah satu-satunya cara yang diketahui untuk memindahkan protein insulin utuh ke dalam tubuh. Pada 1990-an, para peneliti mulai membuat terobosan dalam mensintesis berbagai perangkat dan bentuk insulin yang dapat digunakan penderita diabetes dalam sistem pengiriman obat alternatif.

Produsen saat ini memproduksi beberapa perangkat pengiriman obat yang relatif baru. Pena insulin terlihat seperti pena tulis. Kartrid memegang insulin dan ujungnya adalah jarum. Pengguna mengatur dosis, memasukkan jarum ke dalam kulit, dan menekan tombol untuk menyuntikkan insulin. Dengan pena tidak perlu menggunakan botol insulin. Namun, pena memerlukan memasukkan tip terpisah sebelum setiap injeksi. Kelemahan lain adalah bahwa pena tidak memungkinkan pengguna untuk mencampur jenis insulin, dan tidak semua insulin tersedia.

Bagi orang yang membenci jarum, alternatif pena adalah jet-injector. Terlihat mirip dengan pena, injektor jet menggunakan tekanan untuk mendorong aliran kecil insulin melalui kulit. Perangkat ini tidak banyak digunakan seperti pena, dan dapat menyebabkan memar pada titik input.

Pompa insulin memungkinkan pelepasan terkontrol dalam tubuh. Ini adalah pompa terkomputerisasi, seukuran pager, yang dapat dikenakan penderita diabetes di ikat pinggang atau di saku mereka. Pompa memiliki tabung fleksibel kecil yang dimasukkan tepat di bawah permukaan kulit penderita diabetes. Penderita diabetes mengatur pompa untuk memberikan dosis insulin yang stabil dan terukur sepanjang hari, meningkatkan jumlahnya tepat sebelum makan. Ini meniru pelepasan insulin normal tubuh. Produsen telah memproduksi pompa insulin sejak 1980-an tetapi kemajuan di akhir 1990-an dan awal abad kedua puluh satu telah membuatnya semakin mudah digunakan dan lebih populer. Para peneliti sedang menjajaki kemungkinan pompa insulin implan. Penderita diabetes akan mengontrol perangkat ini melalui remote control eksternal.

Para peneliti sedang menjajaki opsi pengiriman obat lainnya. Menelan insulin melalui pil adalah salah satu kemungkinan. Tantangan dengan insulin yang dapat dimakan adalah bahwa lingkungan asam lambung yang tinggi menghancurkan protein sebelum dapat berpindah ke dalam darah. Para peneliti sedang bekerja untuk melapisi insulin dengan plastik selebar beberapa helai rambut manusia. Penutup akan melindungi obat dari asam lambung.

Pada tahun 2001 tes yang menjanjikan terjadi pada perangkat insulin inhalasi dan produsen dapat mulai memproduksi produk dalam beberapa tahun ke depan. Karena insulin adalah protein yang relatif besar, ia tidak meresap ke dalam paru-paru. Para peneliti insulin inhalasi bekerja untuk menciptakan partikel insulin yang cukup kecil untuk mencapai paru-paru yang dalam. Partikel kemudian bisa masuk ke aliran darah. Para peneliti sedang menguji beberapa perangkat inhalasi seperti inhaler asma.

Bentuk lain dari perangkat aerosol yang menjalani tes akan memberikan insulin ke pipi bagian dalam. Dikenal sebagai insulin bukal (pipi), penderita diabetes akan menyemprotkan insulin ke bagian dalam pipi mereka. Kemudian diserap melalui dinding pipi bagian dalam.

Patch insulin adalah sistem pengiriman obat lain yang sedang dikembangkan. Patch akan melepaskan insulin terus menerus ke dalam aliran darah. Pengguna akan menarik tab di patch untuk melepaskan lebih banyak insulin sebelum makan. Tantangannya adalah menemukan cara agar insulin melewati kulit. Ultrasonografi adalah salah satu metode yang sedang diselidiki oleh para peneliti. Gelombang suara frekuensi rendah ini dapat mengubah permeabilitas kulit dan memungkinkan insulin lewat.

Penelitian lain berpotensi menghentikan kebutuhan produsen untuk mensintesis insulin. Para peneliti sedang bekerja untuk menciptakan sel-sel yang memproduksi insulin di laboratorium. Pemikirannya adalah bahwa suatu hari nanti dokter dapat mengganti sel pankreas yang tidak berfungsi dengan sel penghasil insulin. Harapan lain bagi penderita diabetes adalah terapi gen. Para ilmuwan sedang memperbaiki mutasi gen insulin sehingga penderita diabetes dapat memproduksi insulin sendiri.

Tempat Belajar Lebih Lanjut

Buku

Clark, David P, dan Lonnie D. Russell. Biologi Molekuler Dibuat Sederhana dan Menyenangkan. edisi ke-2 Wina, IL:Cache River Press, 2000.

Considine, Douglas M., ed. Ensiklopedia Ilmiah Van Nostrand. edisi ke-8 New York:International Thomson Publishing Inc., 1995.

Majalah

Dinsmoor, Robert S. "Insulin:Evolusi Tanpa Akhir." Hitung mundur (Musim semi 2001).

Lainnya

Halaman Web Intisari Diabetes. 15 November 2001. .

Penemuan Halaman Web Insulin. 16 November 2001. .

Eli Lilly Corporation. Pengembangan Humulin dan Humalog. CD-ROM, 2001.

Halaman Web Eli Lilly Diabetes. 16 November 2001. .

Halaman Web Novo Nordisk Diabetes. 15 November 2001. .

M. Rae Nelson