По официальным данным, в России инсулин жизненно необходим для 4,6–9 миллионов человек. На протяжении почти полувека благодаря достижениям в области генной инженерии этот препарат стал доступен широкому кругу пациентов, страдающих сахарным диабетом, позволяя им поддерживать качество жизни на приемлемом уровне. Однако такое положение дел стало возможным лишь в результате многолетних научных и технологических разработок. Как выглядела терапия диабета до появления генно-инженерного инсулина, какие проблемы сопровождали производство препарата, и как были преодолены эти трудности?
История инсулина: от первых экстрактов до промышленного производства
В 1921 году канадский хирург Фредерик Бантинг и его ассистент Чарльз Бест провели эксперимент по выделению инсулина из поджелудочной железы собаки. Полученное вещество представляло собой темный вязкий экстракт, который был воспринят с недоверием научным сообществом. Несмотря на это, результаты экспериментов продемонстрировали перспективность подхода: введение экстракта позволило существенно продлить жизнь животного с индуцированным диабетом.
Попытки связать функцию поджелудочной железы с развитием диабета предпринимались задолго до работы Бантинга. Уже в конце XIX века ученые предполагали наличие гормона, регулирующего уровень глюкозы в крови, и даже ввели в обиход термин «инсулин», хотя само вещество еще не было выделено. В то же время ни Бантинг, ни Бест не имели профильной подготовки в области физиологии: первый был практикующим врачом, второй — студентом медицинского факультета, назначенным на помощь в проекте по инициативе профессора Университета Торонто Дж. Дж. Р. Маклеода.
В ходе экспериментов исследователи доказали, что введение экстракта поджелудочной железы снижает концентрацию глюкозы в крови у животных с диабетом. В декабре 1921 года к команде присоединился биохимик Джеймс Коллип, который провёл серию химических очисток и повысил качество препарата. Уже в январе 1922 года начались клинические испытания с участием людей, в ходе которых было зафиксировано улучшение гликемических показателей у пациентов.
Тем не менее, лабораторные условия Университета Торонто не позволяли наладить массовое производство препарата. В связи с этим в конце 1921 года университетская команда обратилась к фармацевтической компании Eli Lilly and Company, представители которой присутствовали на научной конференции, где докладывались предварительные результаты. В мае 1922 года было заключено соглашение о сотрудничестве, после чего компания внедрила инженерные решения, позволившие увеличить объёмы выпуска инсулина и расширить клинические испытания.
В январе 1922 года в Торонто был проведен первый в истории случай клинического применения инсулина: 14-летнему пациенту Леонарду Томпсону, находившемуся в критическом состоянии вследствие диабета, была введена инъекция нового препарата. В течение суток наблюдалось существенное снижение уровня глюкозы в крови, что подтвердило эффективность терапии.
Публикации о терапевтическом эффекте инсулина быстро распространились в научных кругах. Уже в 1923 году Бантинг и Маклеод были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине, впоследствии разделив её с Бестом и Коллипом.
Производство инсулина было налажено на промышленной основе, что позволило обеспечить препаратом пациентов в Северной Америке и за её пределами. В 1923 году на рынок поступил первый коммерческий инсулин под названием «Iletin».
В последующие десятилетия были разработаны различные формы инсулина, отличающиеся по скорости действия и продолжительности эффекта. Первая замедленная форма инсулина была представлена в 1936 году.
Генные технологии на службе медицины
До появления методов генной инженерии инсулин производился из поджелудочных желёз животных — в первую очередь свиней и коров, поставляемых мясной промышленностью. Однако такой подход имел значительные ограничения. Поджелудочная железа — орган небольшого размера, и для извлечения инсулина требовалось строгое соблюдение температурного режима и уровня pH, поскольку инсулин является белком, чувствительным к внешним воздействиям. Помимо этого, из сырья следовало удалить посторонние белки и возможные патогены, что усложняло очистку препарата.
Такая модель производства была ограничена объёмами биологического сырья. Для получения 450 килограммов инсулина, что соответствовало годовому обеспечению около 750 пациентов, требовалось переработать порядка 3600 килограммов поджелудочных желёз — это органы, извлечённые из приблизительно 23 500 свиней или коров. Таким образом, масштабирование производства напрямую зависело от поставок мясной продукции, что делало инсулин труднодоступным и дорогим.
Одним из теоретически возможных решений в то время считалась трансплантация поджелудочной железы. Однако для лечения диабета первого типа этот подход оказался неэффективным. Заболевание обусловлено аутоиммунным разрушением β-клеток, вырабатывающих инсулин. Пересаженные органы подвергались бы тем же иммунным атакам, что и собственные ткани организма, независимо от иммуносупрессивной терапии.
Революционные изменения стали возможны благодаря разработке методов рекомбинантной ДНК. В 1973 году исследователи Пол Берг, Герберт Бойер, Энни Чанг и Стэнли Коэн из Стэнфордского университета и Калифорнийского университета в Сан-Франциско впервые создали рекомбинантную ДНК и трансформировали кишечную палочку E. coli, превратив её в первый трансгенный организм.
Создание рекомбинантных ДНК открыло новые перспективы в производстве лекарственных средств, включая инсулин. В 1975 году на конференции в Асиломаре началось обсуждение научных и этических аспектов применения технологии. Несмотря на значительный потенциал, её практическая реализация в фармацевтической и аграрной отраслях требовала времени.
Тем не менее, в конце 1970-х годов, когда процесс разработки биологических препаратов ещё не достиг современных уровней затрат и длительности, были созданы основы для биосинтетического производства инсулина. Это стало переломным моментом в обеспечении доступности лечения сахарного диабета.
Рекомбинантный человеческий инсулин впервые был получен в 1978 году с использованием технологии генной инженерии. В рамках этой работы, проведённой компанией Genentech, генетическая последовательность, кодирующая цепи A и B инсулина, была синтезирована химическим путём и по отдельности внедрена в клетки Escherichia coli. После экспрессии обеих цепей их изолировали, очищали и затем соединяли при определённых условиях, обеспечивающих формирование дисульфидных связей. Эти связи критически важны для стабилизации трёхмерной структуры молекулы и обеспечения её биологической активности.
Альтернативный подход основывался на экспрессии полного гена человеческого проинсулина — предшественника инсулина, содержащего цепи A и B, а также соединительный С-пептид. В этом случае в клетки E. coli внедряли одну химерную последовательность ДНК. Полученный проинсулин очищали и подвергали ферментативной обработке, в ходе которой С-пептид удалялся, и образовывалась активная форма инсулина. Данный метод оказался более технологичным и экономически эффективным для промышленного производства. С 1986 года он получил широкое распространение в биофармацевтической промышленности. Компания Eli Lilly применила этот подход для создания препарата Humulin — первого рекомбинантного инсулина, одобренного для медицинского применения в 1982 году.
Наши дни
Несмотря на эффективность бактериальных систем, они имеют ограничение — неспособность к выполнению посттрансляционных модификаций, характерных для эукариот. В частности, речь идёт о формировании дисульфидных связей, необходимых для биологически активной формы инсулина. В естественных условиях инсулин в организме человека синтезируется как проинсулин, и все модификации происходят внутри клеток поджелудочной железы. У бактерий подобных механизмов нет, что требует дополнительных этапов в производственном процессе.
Учитывая эти особенности, с 1980-х годов в качестве продуцента трансгенного инсулина активно начали использовать дрожжевые клетки Saccharomyces cerevisiae — эукариотический микроорганизм, способный к необходимым модификациям белков. В геном дрожжей внедряют искусственно синтезированный человеческий ген инсулина либо его модифицированный вариант, адаптированный под требования к скорости действия и стабильности молекулы. Такой подход обеспечивает более точную имитацию естественного синтеза гормона и улучшает характеристики конечного продукта.
Впоследствии были опробованы и другие платформы — включая клетки растений, альтернативные виды бактерий и различные эукариотические микроорганизмы. Одновременно с совершенствованием технологий производства продолжаются исследования в области новых терапевтических стратегий, таких как генотерапия и иммунотерапия диабета. Эти направления направлены на устранение первопричины заболевания, а в перспективе — на отказ от пожизненного введения инсулина.