Inzulinová analoga

MUDr. Tomáš Doležal

Farmakologický ústav 3. LF UK, Praha

Klíčová slova:

krátkodobá analoga • inzulín lispro • inzulín aspart • dlouhodobá analoga

Úvod

V léčbě diabetu 1. a 2. typu je základním požadavkem všech léčebných přístupů udržení hodnot glykémie ve fyziologickém rozmezí. Jen tak lze zabránit časným i dlouhodobým komplikacím diabetu. Tento požadavek je ještě zdůrazněn při inzulinoterapii, kdy je snahou napodobit fyziologickou sekreci inzulinu (bazální i stimulovanou složku). Farmakokinetické vlastnosti dnes dostupných inzulinových přípravků však neumožňují věrně napodobit průběh fyziologické produkce inzulinu, především její prandiální sekrece.

U zdravých jedinců dosahuje plazmatická koncentrace inzulinu po jídle maxima asi za 30 až 45 minut a k bazálním hodnotám klesá za 2 až 3 hodiny (Graf 1). Rychlost nástupu maximální plazmatické koncentrace subkutánně aplikovaného krátkodobého krystalického inzulinu je pomalá a jeho biologický poločas příliš dlouhý. Důsledkem je vznik postprandiální hyperglykémie a zvýšené riziko pozdní preprandiální hypoglykémie (4 až 5 hodin po aplikaci).

Molekuly zvířecího i lidského inzulinu mají tendenci agregovat v hexamery, které po podkožní aplikaci musí nejprve opět disociovat na monomery. Tím je zpomaleno vstřebávání a plazmatická koncentrace inzulinu vzrůstá pozvolna. Postprandiální výkyvy glykémie nad fyziologické rozmezí jsou obtížně terapeuticky ovlivnitelné. Přitom bylo prokázáno, že existuje kauzální souvislost mezi postprandiálními výkyvy glykémie a dlouhodobou kontrolou diabetu vyjádřenou v hodnotách glykosylovaného hemoglobinu (HbA1C). Postprandiální hyperglykémie je dnes u pacientů s diabetem 2. typu uznávaným samostatným rizikovým faktorem mortality a morbidity v důsledku ischemické choroby srdeční.

Podobná situace je v oblasti střednědobě a dlouhodobě působících inzulinových přípravků. Dostupné přípravky podléhají variabilitě a ne vždy je zaručena stabilní dlouhodobá plazmatická hladina inzulinu. Ve farmakokinetickém profilu nastupuje maximální koncentrace 3 až 4 hodiny po subkutánní aplikaci, poté dochází k pozvolnému poklesu plazmatické hladiny. Problémem je také intera intraindividuální variabilita v biologické dostupnosti inzulinových přípravků.

Přirozenou reakcí na zmíněné problémy byla snaha získat na jedné straně formy inzulinu s rychlým nástupem a krátkým poločasem účinku, na straně druhé dlouhodobě účinné formy s ustálenou plazmatickou koncentrací v čase a menší variabilitou v biologické dostupnosti.

Modifikace molekuly inzulinu technikami molekulární biologie otevírá nové možnosti v ovlivnění jeho farmakokinetických vlastností. Do praxe se již dostala krátkodobě působící inzulinová analoga a v klinickém zkoušení jsou dlouhodobě působící inzulinová analoga.

Krátkodobá analoga

V důsledku pomalého nástupu účinku by měl být krystalický humánní inzulin aplikován 30 až 60 minut před jídlem. Mnoho pacientů však tento požadavek z různých důvodů nedodržuje, což vede jak ke špatné kontrole postprandiální hyperglykémie, tak ke zvýšenému riziku hypoglykemické příhody v důsledku opoždění nebo dokonce vynechání příjmu potravy.

U zrodu krátkodobých analog inzulinu stála myšlenka, že ovlivněním schopnosti molekul inzulinu asociovat v dimery a hexamery dojde k rychlejšímu nástupu a zkrácení doby účinku. K přípravě monomerních inzulinových analog byly použity rozdílné přístupy, jako ovlivnění povrchového náboje (AspB28; AspB9; GluB27), snížení hydrofobních vlastností (GluB16; GluB27) nebo interakce s hydrofobními místy tvořícími strukturu beta-sheetu (LysB28; ProB29). Všech těchto změn ve fyzikálních vlastnostech molekuly inzulinu bylo dosaženo záměnou jedné nebo více aminokyselin v jeho primární struktuře. Posléze byl potvrzen předpoklad menší míry agregace v dimery a hexamery a ověřena změna farmakokinetických vlastností inzulinových analog. V současnosti jsou již v klinické praxi dva zástupci této skupiny – inzulin lispro a inzulin aspart (Schéma).

Farmakokinetické vlastnosti inzulinových analog se od krátkodobého humánního inzulinu liší ve třech parametrech. Po subkutánní aplikaci nastupuje maximální plazmatická koncentrace, která je přibližně dvojnásobná, dvakrát tak rychleji (během jedné hodiny) a pokles plazmatických hladin je rychlejší, když za 4 hodiny je koncentrace inzulinu na bazální hodnotě (Graf 2).

Inzulin lispro

Inspirace pro syntézu inzulinu lispro (lidského inzulinu LysB28, Pro B29) vzešla z poznání struktury růstového faktoru podobného inzulinu (inzulin-like growth factor-I; IGF-I). Tento hormon vzájemně neasociuje, přestože je jeho struktura velmi podobná molekule inzulinu. Je to dáno inverzním pořadím aminokyselin prolinu a lysinu v pozicích 28 a 28 řetězce B. Bylo syntetizováno více než 50 variant analogů, z nichž byl vybrán inzulin lispro, který splňoval kritéria nižší tendence shlukování v dimery a hexamery, srovnatelného hypoglykemického účinku s lidským inzulinem a rychlého nástupu účinku s krátkým biologickým poločasem . V experimentálních studiích se ukázalo, že inzulin lispro má s lidským inzulinem srovnatelnou afinitu k inzulinovému iIGF-1 receptoru a je ekvipotentní ve stimulaci postreceptorových dějů a ovlivnění metabolických procesů.

Inzulin lispro je v klinické praxi od roku 1996. V klinických studiích bylo zjištěno, že postprandiální vzestup glykémie je ve srovnání s humánním inzulinem v průměru o 1,5 až 2,5 mmol/l nižší bez rozdílu u pacientů s diabetem 1. i 2. typu. Pokud však současně není upravena bazální dávka inzulinu, nedochází při použití inzulinu lispro ke zlepšení dlouhodobé kontroly diabetu (vyjádřeno v hodnotách HbA1C). Lepší postprandiální kontrola je zde vyvážena vzestupem glykémie před jídlem a v ranních hodinách.

V jedné z největších studií s inzulinem lispro u diabetiků 1. typu byla incidence hypoglykemických epizod o 12 % nižší než ve skupině humánního inzulinu. Metaanalýza sledující těžké hypoglykemické příhody (definované jako kóma nebo vyžadující podání glukagonu nebo intravenózní glukózy) zjistila v případě inzulinu lispro incidenci 3,1 % a u humánního inzulinu incidenci 4,4 % pacientů (p = 0,024). Obsahuje-li však strava vysoký obsah tuků a nízký obsah sacharidů, vzrůstá při léčbě inzulinem lispro riziko časné postprandiální hypoglykémie.

Inzulin lispro a krátkodobá analoga obecně jsou vhodná ke kontrole postprandiální hyperglykémie u dětských pacientů s diabetem 1. typu (21). Protože však tito pacienti ztrácejí reziduální sekreci inzulinu rychleji než dospělí, je u nich nebytné upravit dávkování bazálního inzulinu. Řešením by zde mohlo být použití premixovaných inzulinů. Zatím nebylo prokázáno, že inzulin lispro poskytuje výhodu oproti humánnímu inzulinu u pacientek s gestačním diabetem.

Inzulin aspart

Ve struktuře inzulinu aspart (lidského inzulinu B28 Asp) byla aminokyselina prolin v pozici 28 řetězce B zaměněna za negativně nabitý aminokyselinový zbytek kyseliny aspartové. Jednoduchá změna v primární sekvenci inzulinu vede ke změně fyzikálně – chemických vlastností inzulinu, který neagreguje v hexamery, ale v roztoku je přítomný jako směs monomerů a dimerů. Afinita inzulinu aspart k inzulinovému receptoru a k receptoru pro IGF-I stejně jako jeho hypoglykemizující účinek je srovnatelný se zvířecími i lidskými inzuliny.

Po subkutánní aplikaci inzulinu aspart nastupuje jeho hypoglykemizující účinek během 15 minut, maxima dosahuje za 45 až 60 minut a přetrvává po dobu 3 až 5 hodin. Plazmatická koncentrace vrcholí v rozmezí 30 až 70 minut. Ve srovnání s ekvimolární dávkou krystalického inzulinu je rychlost absorpce 2 až 3x rychlejší, hodnota cmax přibližně 2x vyšší a jeho plazmatická koncentrace klesá rychleji. Inzulin aspart vykazoval menší interindividuální variabilitu ve farmakokinetických parametrech.

V multicentrické randomizované zkřížené studii s 90 pacienty s diabetem 1. typu byla srovnávána účinnost inzulinu aspart s lidským inzulinem, když aplikace byla prováděna těsně před jídlem po dobu 4 týdnů a byla doprovázena krytím bazální potřeby. Bylo zjištěno, že 24hodinová kontrola glykémie je účinnější v případě inzulinu aspart, když ve srovnání s humánním inzulinem byl výskyt výkyvů mimo hranice intervalu 4 až 7 mmol/l o 22 % nižší (p Dlouhodobá analoga

Při substituci bazální potřeby inzulinu u diabetu 1. typu je problémem kolísání požadavků organizmu v průběhu nočních hodin, kdy je menší potřeba mezi půlnocí a třetí hodinou a přibližně o 30 % vyšší potřeba od 3 do 7 hodin ráno. Plazmatické koncentrace střednědobého inzulinu po večerní aplikaci vrcholí po půlnoci, tedy v době relativně nižší potřeby inzulinu. Výsledkem je častá hypoglykémie v první polovině noci. Noční hypoglykémie se objevují u 30 až 40 % diabetiků 1. typu. Dalším problémem je vysoká resorpční variabilita střednědobých a dlouhodobých inzulinů po subkutánní aplikaci. Zmíněné problémy se snaží řešit dlouhodobě působící inzulinová analoga.

V současnosti existují dva přístupy, jak stabilizovat resorpční kinetiku a retardovat uvolňování inzulinu ze subkutánního depa ve snaze prodloužit jeho účinek. Prvním je změna izoelektrického bodu ze současné hodnoty pH 5,4 k neutrálním hodnotám obohacením molekuly inzulinu více pozitivně nabitými aminokyselinami. To činí analoga hůře rozpustná (v důsledku tvorby mikrokrystalů) v pH neutrálním prostředí v místě aplikace a zajišťuje jejich pomalé uvolňování. Druhým způsobem prodloužení doby působení je modifikace molekuly inzulinu, která vede k vazbě na bílkovinný nosič v plazmě, především albumin, a výsledkem je opět prodloužení biologického poločasu.

Prvním dlouhodobým analogem inzulinu byl NovoSol Basal, který se však nedostal do klinické praxe. Nejblíže k praktickému použití je inzulin glargin, který byl metodami rDNA technologie připraven přidáním dvou pozitivně nabitých aminokyselin argininu na C terminální konec B řetězce a záměnou kyseliny aspartové v pozici A 21 za glycin. Po aplikaci tvoří inzulin glargin v podkoží mikroprecipitáty a výsledkem je opožděné a pomalé uvolňování do krevního oběhu. Otázkou zůstává, jaký praktický vliv může mít zvýšená vazebná afinita k receptoru pro IGF-I a nebude-li provázena zvýšením prorůstové a mitogenní aktivity.

První klinická srovnání inzulinu glargin a humánního inzulinu naznačují, že dlouhodobě působící analog by mohl přinášet u diabetiků 1. typu zlepšenou kontrolu glykémie společně s nižším výskytem hypoglykemických stavů. V 28týdenní studii s 534 pacienty trpícími diabetem 1. typu snižoval inzulin glargin (aplikován jednou denně před spaním) účinněji hodnoty glykémie nalačno (v průměru o 1,3 mmol/l) než dlouhodobý humánní inzulin dávkovaný jednou nebo dvakrát denně. Zatím však nebylo prokázáno příznivé ovlivnění glykosylovaného hemoglobinu (HbA1C). Incidence hypoglykemických stavů, charakterizovaná poklesem glykémie pod 2 mmol/l, byla o 50 % nižší (23).

Budoucnost inzulinových analog

Úpravou molekuly inzulinu lze dosáhnout dalších příznivých vlastností. Jednou z možných výhod vyvíjených inzulinových analog je zvýšení jejich stability charakterizované nižší mírou hydrolýzy a tvorby kovalentních dimerů. Zvýšená stabilita usnadní také jejich použití v inzulinových pumpách. Stále probíhá snaha připravit inzulinová analoga s menší intraa interindividuální variabilitou ve farmakokinetických a farmakodynamických parametrech, která bývá překážkou v optimalizaci inzulinových režimů. V budoucnosti se pravděpodobně objeví inzulinová analoga se selektivním působením na jaterní produkci glukózy nebo naopak přednostně zlepšující využití glukózy v periferních tkáních. Lze také očekávat další zrychlování nástupu účinku krátkodobých analog inzulinu. Zjistilo se, že lepší kontroly postprandiální hyperglykémie je dosaženo při aplikaci inzulinu lispro 15 až 30 minut před jídlem , čímž se vytváří prostor pro zrychlení nástupu účinku. Další možnosti skýtá také další prodlužování účinku inzulinových analog a syntéza tzv. ultradlouhodobě působících inzulinů, jejichž účinek přetrvává po dobu 2 až 3 dnů.

Závěr

Na základě současných poznatků lze předpokládat, že v blízké budoucnosti dojde k širšímu používání jak krátkodobých, tak dlouhodobých inzulinových analog v klinické praxi. To povede k lepší dlouhodobé kompenzaci diabetu, menší variabilitě v glykemických profilech, nižší incidenci hypoglykemických příhod a také ke zlepšení kvality života pacientů s diabetem 1. i 2. typu. Ve studii DCCT se ukázalo, že 10% snížení hodnoty glykosylovaného hemoglobinu je provázeno 43% zlepšením retinopatie, ale zároveň 18% nárůstem hypoglykemických epizod. Krátkodobá analoga inzulinu účinným ovlivněním postprandiální hyperglykémie zlepšují dlouhodobou kompenzaci diabetu a zvyšují compliance pacientů k inzulinoterapii bez zvýšení rizika hypoglykemických příhod.

Literatura

1. Mosekilde E., Jensen K. S., Binder C., Pramming S., Thorsteinsson B.: Modeling absorption kinetics of subcutaneous injected soluble insulin. J.Pharmacokinet.Biopharm. 1989; 17(1): 67-87

2. Avignon A., Radauceanu A., Monnier L.: Nonfasting plasma glucose is a better marker of diabetic control than fasting plasma glucose in type 2 diabetes. Diabetes Care 1997; 20(12): 1822-1826

3. Hanefeld M., Temelkova-Kurktschiev T.: The postprandial state and the risk of atherosclerosis [see comments]. Diabet.Med. 1997; 14 Suppl 3: S6-11

4. Brange J., Ribel U., Hansen J. F., Dodson G., Hansen M. T., Havelund S., et al.: Monomeric insulins obtained by protein engineering and their medical implications. Nature 1988; 333(6174): 679-682

5. Bolli G. B., Di Marchi R. D., Park G. D., Pramming S., Koivisto V. A.: Insulin analogues and their potential in the management of diabetes mellitus. Diabetologia 1999; 42(10): 1151-1167

6. Somwar R., Sweeney G., Ramlal T., Klip A.: Stimulation of glucose and amino acid transport and activation of the insulin signaling pathways by insulin lispro in L6 skeletal muscle cells. Clin.Ther. 1998; 20(1): 125-140

7. Anderson J. H. Jr., Brunelle R. L., Koivisto V. A., Trautmann M. E., Vignati L., DiMarchi R.: Improved mealtime treatment of diabetes mellitus using an insulin analogue. Multicenter Insulin Lispro Study Group. Clin.Ther. 1997; 19(1): 62-72

8. Anderson J. H. Jr., Brunelle R. L., Keohane P., Koivisto V. A., Trautmann M. E., Vignati L., et al.: Mealtime treatment with insulin analog improves postprandial hyperglycemia and hypoglycemia in patients with non-insulin-dependent diabetes mellitus. Multicenter Insulin Lispro Study Group. Arch.Intern.Med. 1997; 157(11): 1249-1255

9. Ahmed A. B., Home P. D.: The effect of the insulin analog lispro on nighttime blood glucose control in type 1 diabetic patients. Diabetes Care 1998; 21(1): 32-37

10. Anderson J. H. Jr., Brunelle R. L., Koivisto V. A., Pfutzner A., Trautmann M. E., Vignati L., et al.: Reduction of postprandial hyperglycemia and frequency of hypoglycemia in IDDM patients on insulin-analog treatment. Multicenter Insulin Lispro Study Group. Diabetes 1997; 46(2): 265-270

11. Brunelle B. L., Llewelyn J., Anderson J. H. Jr., Gale E. A., Koivisto V. A.: Meta-analysis of the effect of insulin lispro on severe hypoglycemia in patients with type 1 diabetes. Diabetes Care 998; 21(10): 1726-1731

12. Burge M. R., Castillo K. R., Schade D. S.: Meal composition is a determinant of lispro-induced hypoglycemia in IDDM [see comments]. Diabetes Care 1997; 20(2): 152-155

13. Jovanovic L., Ilic S., Pettitt D. J., Hugo K., Gutierrez M., Bowsher R. R., et al.: Metabolic and immunologic effects of insulin lispro in gestational diabetes. Diabetes Care 1999; 22(9): 1422-1427

14. Simpson K. L., Spencer C. M.: Insulin aspart. Drugs 1999; 57(5): 759-765

15. Home P. D., Lindholm A., Hylleberg B., Round P.: Improved glycemic control with insulin aspart: a multicenter randomized double-blind crossover trial in type 1 diabetic patients. UK Insulin Aspart Study Group. Diabetes Care 1998; 21(11): 1904-1909

16. Bolli G. B., Perriello G., Fanelli C. G., De Feo P.: Nocturnal blood glucose control in type I diabetes mellitus. Diabetes Care 1993; 16 Suppl 3: 71-89

17. Rosskamp R. H., Park G.: Long-acting insulin analogs. Diabetes Care 1999; 22 Suppl 2: B109-B113

18. Bahr M., Kolter T., Seipke G., Eckel J.: Growth promoting and metabolic activity of the human insulin analogue [GlyA21,ArgB31,ArgB32] insulin (HOE 901) in muscle cells. Eur.J.Pharmacol. 1997; 320(2-3): 259-265

19. Rassam A. G., Zeise T. M., Burge M. R., Schade D. S.: Optimal administration of lispro insulin in hyperglycemic type 1 diabetes. Diabetes Care 1999; 22(1): 133-136

20. Vajo Z., Duckworth W. C.: Genetically Engineered Insulin Analogs: Diabetes in the New Millenium. Pharmacol.Rev. 2000; 52(1): 1-10

21. The effect of intensive treatment of diabetes on the development and progression of long-term complications in insulin-dependent diabetes mellitus. The Diabetes Control and Complications Trial Research Group [see comments]. N.Engl.J.Med. 1993; 329(14): 977-986

e-mail: tomas.dolezal@lf3.cuni.cz

Ohodnoťte tento článek!