Injicerbare nanoklynger kan betyde længerevarende insulin

Sygdom og behandling 6. jun 2023 4 min Groupleader, Associate Professor Andrew Urquhart, Postdoc Mia Danielsen Skrevet af Eliza Brown

Millioner af mennesker verden over er afhængige af insulin til at håndtere diabetes. Imidlertid kan insulinmolekylet forårsage komplikationer, når det tildeles i store mængder. Ny forskning viser, at injicerbare nanoclusters tilbyder en potentiel løsning til længerevarende doser uden komplikationer. Udviklingen af disse nanoclusters kan have bredere konsekvenser for behandling af mennesker med forskellige sygdomme, der kræver større mængder medicin.

150-200 millioner mennesker verden over er afhængige af insulin til at håndtere deres diabetes. Men egenskaberne ved insulinmolekylet selv forårsager problemer ved højere doser. Hvis man injicerer for meget insulin ad gangen, kan proteinerne filtrere sig ind i en klumpet masse i blodbanen.

Ny forskning, offentliggjort i februar i International Journal of Biological Macromolecules, undersøger en måde at omgå problemet på. Videnskabsfolk fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU) udvikler insulin-nanoklynger, der på sigt kunne muliggøre større, længerevarende doser af insulin uden at tilstoppe blodkarrene.

Hvorfor genopfinde insulininjektionen?

Mennesker med type 2-diabetes kan med tiden blive mindre modtagelige over for insulin og "skal tilføre mere og mere insulin per dag," siger medforfatter Andrew Urquhart, som er kemiker og lektor på DTU og forsker i lægemiddellevering. Dette betyder større doser insulin, men når koncentrationen i blodbanen bliver for høj, samles insulinproteinerne til en viskøs masse.

I dag skal personer, der har brug for høje doser insulin, sprede deres medicin ud over flere mindre injektioner, men forskere, heriblandt DTU-teamet, håber at udvikle teknikker til at levere højere doser insulin, der varer længere for at undgå flere stik.

Tidligere forskning har gjort fremskridt mod dette mål ved kemisk at pakke insulinet, så det ikke kan filtrere sig i blodbanen, forklarer Urquhart. Et allerede eksisterende lægemiddel kaldet NPH-insulin filtrerer sig til mikropartikler efter injektion, hvilket muliggør en sikker levering af en højere dosis. Dog har NPH-insulin problemer med holdbarheden, hvilket betyder, at insulinblandingen er tilbøjelig til at danne mikropartikler for tidligt, mens den sidder i en krukke, hvilket gør den ubrugelig. Derfor besluttede Mia Danielsen, farmaceut og hovedforfatter p den videnskabelige artikel, sig for at tage alternativ insulinlevering til et nyt niveau – fra mikro til nano – og omgå opbevaringsproblemerne.

Jo mindre, jo bedre

Danielsen og hendes team er ikke de første, der forsøger at pakke insulin på nanoskala. Men tidligere udviklede nanopartikler til insulinlevering har været utilstrækkelige. De fleste af dem er viet til matricen, der i bund og grund er et køretøj lavet af en mindre kemisk reaktiv substans, der bærer en minimal mængde insulin i midten. "Mias arbejde har fokuseret på i grunden at eliminere matricen," forklarer Urquhart. I en insulin-nanoklynge "bærer lægemidlet sig selv".

Danielsen og teamet forsøgte oprindeligt at udnytte insulinets kemiske struktur til at fremme sammenklumpning af sig selv.

Insulinmolekyler indeholder regioner, der er hydrofobe: stærkt afstødt af vand. På samme måde som olie i dit pastavand danner dråber, klumper insulinmolekyler sammen med de hydrofobe regioner i midten for at reducere den overflade, der er udsat for vand.

Men efter at have prøvet forskellige taktikker baseret på hydrofobicitet fandt Danielsen, at insulinet alene dannende klynger med en diameter mellem 130 og 300 nanometer – for ujævn til at bruges som lægemiddel og større end håbet. Inden for nanomedicin er målstørrelsen mindre end 200 nanometer, siger Urquhart. Forskere er ikke sikre på hvorfor, men celler ser ud til at interagere mest med partikler under denne grænse. (De fleste patogener har også tilpasset sig dette og falder inden for den samme størrelsesorden.)

For at komme under 200 nanometer vendte Danielsen sig mod kemiske midler kaldet tværbundsmidler for at få insulinmolekylerne tættere på hinanden. Tværbundsmidler er næsten som kemiske karabiner, der fastgør sig til dele af to molekyler og kan hjælpe med at stabilisere en struktur som en nanoklynge. Men at tilføje en anden komponent til nanoklyngen indebærer sine egne risici – den skal også behandles af kroppen. Danielsen valgte et tværbundsmiddel med en disulfidbinding, en almindelig struktur inden for cellebiologi, der nemt nedbrydes af specialiserede proteiner.

Tilføjelsen af tværbundsmidlet gjorde det muligt at reducere nanoklyngerne til målstørrelsen. Men ville blandingen virke som et lægemiddel?

Fungerer en nanoklynge stadig som insulin?

At pakke proteiner meget tæt sammen, især med hjælp fra et tværbundsmiddel til at presse dem tættere, indebærer risikoen for at ødelægge deres struktur. Det er som at presse for mange actionfigurer ned i en æske – du kan muligvis få plads til flere ved at vride deres arme i mærkelige konfigurationer, men Supermans berømte højre hook kan sidde fast på ryggen af ham for evigt.

For at afgøre, om insulinproteinerne i deres nanoklynger stadig var i tilstrækkelig god form til at udføre opgaven, kontrollerede Danielsen og teamet deres struktur ved hjælp af en enhed, der sporer, hvordan mikroskopiske partikler absorberer lys baseret på deres form. De identificerede flere strukturelle ændringer forårsaget af tværbindingen, der kunne underminere insulinets effektivitet – og endda gøre det giftigt for celler.

Danielsen indgav først nanoklyngerne til celler i petriskåle og fandt ingen tegn på toksicitet. Dette fastslog, at nanoklyngerne ikke ville skade, men ville de hjælpe?

Næste skridt var at bestemme, om nanoklyngerne rent faktisk kunne opnå insulinets opgave: at forbedre glukosemetabolismen. Danielsen og hendes team fandt ud af, at rotter, der fik injektioner af nanoklynger, reagerede usædvanligt på insulin. Deres glukosemetabolisme steg lige efter injektionen, ligesom ved en standardinjektion af insulin, men steg også flere timer senere – et tegn på en brusende frigivelse efterfulgt af en forlænget frigivelse af insulin, ifølge forfatterne.

Forskerne mener, at denne forsinkede aktivitet kan være resultatet af nedbrydning af disulfidbindingerne, der frigør flere proteiner. Men i sidste ende ved vi ikke, hvordan nanomedicin interagerer med celler. Hvordan opdager cellen en nanoklynge? Binder hele kuglen sig til receptorer på celles overflade – måske endda flere celler ad gangen – eller frigives individuelle molekyler fra klyngen og finder vej til receptorer?

Nanoklyngens fremtid

Forskerne var tilfredse med at opdage, at nanoklyngerne forblev stabile i mindst 3 måneder, når de blev opbevaret i vand, men insulin-nanoklynger er stadig langt fra at blive brugt af mennesker med diabetes, siger teamet.

Yderligere eksperimenter med rotter viste, at det krævede markant mere insulin i nanoklyngeform for at opnå lignende resultater som frie insulinproteiner: 30-35 gange dosis. Sammen med indsatsen og omkostningerne ved at danne nanoklyngerne i første omgang ville dette spring i dosering gøre disse nanoklynger for dyre.

Men at lære at lave en matricefri protein-nanoklynge kunne være en belønning i sige selv – de lektier, der er lært fra insulin-nanoklynger, kunne bruges til at behandle mennesker med andre sygdomme. "Hvis du ser på terapeutik og proteiner, har vi et problem med at have brug for højere doser ikke kun til mennesker med diabetes. Vi har brug for større mængder til mange sygdomme, og maksimal opløselighed kan være et problem," konkluderer Danielsen.

Formulation and characterization of insulin nanoclusters for a controlled release” er udgivet i tidsskriftet International Journal of Biological Macromolecules. I 2017 gav Novo Nordisk Fonden en Challenge Programme-bevilling til medforfatteren på artiklen Thomas Lars Andresen til projektet "From Needles to Capsules".

The research at DTU Health Tech is organised in research sections that each contains a number of research groups. The research sections have expertise...

The institute’s vision is to make a difference by generating future prosperity through research into food and health. The institute: prevents disea...

Dansk
© All rights reserved, Sciencenews 2020