Комплекс инсулина и катионного полимера способен высвобождать нужное количество этого гормона в зависимости от текущего уровня глюкозы в крови. Ученые опробовали новую систему доставки инсулина на мышах и свиньях с сахарным диабетом: после одной инъекции разработанная ими суспензия обеспечивала нормальный уровень глюкозы в крови животных-диабетиков гораздо дольше, чем обычный инсулин. Работа опубликована в журнале Science Advances.
По данным диабетического атласа, составляемого Международной федерацией диабета, от сахарного диабета в мире страдает около 425 миллионов человек. На диабет первого типа (инсулинозависимый) приходится примерно пять процентов (более 20 миллионов случаев). Терапия инсулином может потребоваться при любом типе болезни.
В настоящее время для контроля диабета людям приходится самостоятельно вводить препараты инсулина под кожу, учитывая показатели мониторирования уровня глюкозы в крови. Болезненность этой процедуры – не единственное затруднение, среди других проблем можно отметить сложность выбора правильной дозы и не всегда стопроцентное соблюдение графика лечения. Кроме этого, развитие гипогликемии в случае введения чрезмерной дозы может угрожать жизни.
Ученые работают над методами доставки инсулина, которые могли бы самостоятельно реагировать на уровень глюкозы в крови. В основе экспериментальных методов лечения лежат реакции глюкозы с глюкозооксидазой (1, 2), связывающим глюкозу белком (1, 2) и фенилборной кислотой. Например, окисление глюкозы, катализируемое глюкозооксидазой, может приводить к изменению кислотности или к гипоксии, что может стимулировать высвобождение инсулина из определенного состава. Но существующие в настоящее время системы медленно реагируют на изменение уровня глюкозы, их способность высвобождать инсулин и биологическая совместимость недостаточны, а процесс производства сложен.
Цзинцян Вонг (Jinqiang Wang) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и соавторы предложили новую концепцию саморегулирующейся системы доставки инсулина, которая реагирует на концентрацию глюкозы в крови, и испытали ее in vitro и in vivo.
Ученые синтезировали катионный (с положительным зарядом) полимер трет-бутилкарбамата с боковыми аминогруппами и группами фенилборной кислоты. Он может образовывать стабильную микроразмерную суспензию с инсулином в физрастворе с фосфатным буфером при pH 7,4. Глюкоза способна связываться с группами фенилборной кислоты полимера, что приводит к уменьшению его положительного заряда и ослаблению его связи с инсулином, который начинает высвобождаться из суспензии. По мере нормализации уровня глюкозы изменение заряда подавляется, выделение инсулина останавливается.
Изменения заряда полимера в присутствии глюкозы и высвобождение инсулина
В начале работы авторы создали три варианта полимера: один с использованием 2,4-карбокси-3-фторфенилборной кислоты, второй – с 4-карбоксифторфенилборной кислотой, третий – без их добавления. Комплексы инсулина с этим полимерами они соответственно назвали F-инсулин, B-инсулин и N-инсулин. In vitro ученые проверили способность полимеров связываться с глюкозой, уточнили их способность изменять заряд и выпускать инсулин. В этих экс
Время поддержания нормального уровня глюкозы в крови у мышей после подкожного введения F-инсулина (n = 5), B-инсулина (n = 5) и нативного инсулина (n = 5).
периментах F-инсулин продемонстрировал наиболее выразительную способность связывания с глюкозой, а также быстрее высвобождал инсулин.
Первый этап исследования in vivo проводился на мышах с сахарным диабетом первого типа, вызванным стрептозотоцином. Животных разделили на четыре группы: первой подкожно вводили F-инсулин, второй – B-инсулин, третей – нативный (обычный) инсулин, четвертой – фосфатно-солевой буфер (контроль). Уровень глюкозы в крови у всех мышей, получавших лечение, снизился до нормы. В группе F-инсулина нормальный уровень глюкозы сохранялся в течение восьми часов, в группах нативного инсулина и B-инсулина он не продержался в норме и двух с половиной часов. Всплеск уровня инсулина после введения F-инсулина наблюдался уже через 30 минут, через полтора часа он снижался и сохранялся на уровне, достаточном для поддержания нормогликемии на протяжении указанного времени.
Далее ученые провели внутрибрюшинный тест толерантности к глюкозе в трех группах: для мышей, получавших F-инсулин, нативный инсулин (нагрузка проводилась через три часа после введения препаратов) и для здоровых мышей, которые не получали лечения. Уровень глюкозы быстро нормализовался только у мышей, получавших F-инсулин и у здоровых мышей. Эксперименты на карликовых свиньях (геттингенских минипигах) принципиально повторили результаты, полученные на мышах: F-инсулин действовал значительно дольше обычного инсулина и высвобождался по мере надобности.
Также авторы испытали на мышах применение F-инсулина при его совместном введении со специальным гелем (Pluronic F-127) и в пластыре с микроиглами. В смеси с гелем он обеспечивал контроль глюкозы в крови в течение 30 часов, в пластыре – 6 часов. Авторы указывают на перспективность таких методов введения этого комплекса.
Ранее уже проводились подобные эксперименты на мышах: инсулин высвобождался из геля при повышении уровня глюкозы в крови. Также ученые опробовали другие способы транспорта инсулина. Например, они смогли доставить его в капсуле с микроиглой в желудок свиньи и получить удовлетворительную концентрацию гормона в крови.
Уровень глюкозы в крови у геттингенских минипигов после подкожного введения F-инсулина (n = 3) или нативного инсулина (n = 3). Каждая кривая отражает данные одного минипига.