Insulin và công nghệ sản xuất insulin trên thế giới

Người ta đã nhận thấy rằng bệnh tiểu đường là một trong những căn
bệnh đe dọa nghiêm trọng tới sức khoẻ của con người.Trên thế giới, con
số những người mắc bệnh tiểu đường ước tính khoảng từ 151 triệu đến
171 triệu (năm 2000), và dự kiến con số này sẽ là 221 triệu (năm 2010),
năm 2030 sẽ lên đến 366 triệu người. Và đương nhiên, việc gia tăng con
số những người mắc bệnh tiểu đường sẽ kéo theo sự gia tăng các biến
chứng của căn bệnh này như thần kinh, xơ vữa động mạch… Theo ước
tính, số người tử vong trên thế giới do bệnh tiểu đường trong năm 2000
là 2,9 triệu và con số này sẽ còn tiếp tục gia tăng. Trong đó, tiểu đường
type 2 chiếm khoảng hơn 90% tổng số ca bệnh. Điều đó đòi hỏi phải tìm
ra những hướng tiệp cận mới cho việc ngăn ngừa và điều trị căn bệnh
này.
Bệnh tiểu đường là một căn bệnh chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Tiểu
đường gây ra do tác động phức tạp giữa gene và các yếu tố môi trường, từ
đó dẫn tới sự bất bình thường trong quá trình điều hoà lượng glucose trong
cơ thể liên quan tới những vấn đề về hormone insulin.

Insulin là một hormone được tiết ra bởi tế bào beta trong đảo Langerhans
của tuyến tụy khi động vật tiêu ăn thức ăn, đây là hormone quan trọng nhất
cho quá trình lưu trữ, sử dụng đường, acid amin và acid béo và duy trì lượng
đường trong máu. Hàm lượng đường trong máu (hay còn gọi là hàm lượng
glucose trong máu) là nguồn năng lượng thiết yếu cho cơ thể. Nếu lượng
đường trong máu không duy trì ở mức bình thường có thể gây ra những căn
bệnh nguy hiểm. Hàm lượng đường trong máu tăng có thể gây ra sự bài tiết
đường qua nước tiểu, kết quả là bị mất glucose, hiện tượng này còn gọi là
bệnh tiểu đường. Nếu tình trạng này tiếp diễn trong thời gian dài, sẽ gây ra
những biến chứng nguy hiểm trong mô, các cơ quan của cơ thể. Mặt khác,
hàm lượng đường trong máu giảm dẫn đến năng lượng cung cấp cho cơ thể
bị thiếu hụt gây nguy hiểm cho sự duy trì cơ thể sống.


Trong năm 2005, nhu cầu insulin dùng trong trị bệnh tiểu đường ước tính
khoảng 4.000 đến 5.000 kg và dự kiến năm 2010 là 16.000 kg. Nhu cầu về
insulin của thế giới vượt qua con số vài tấn/năm và vì thế nguồn cung cấp
insulin cho trị bệnh tiểu đường đang thiếu hụt. Từ những thập niên 1920 cho
đến những năm đầu của thập niên 1980, insulin được tạo ra bằng cách cô lập
từ tuyến tụy của động vật như heo và bò. Tuy nhiên, insulin người có sự
khác biệt trong thành phần acid amin so với insulin bò (hai vị trí trong chuỗi
A và một vị trí trong chuỗi B) và insulin heo (một vị trí trong chuỗi B). Do
đó gây ra những tác dụng không mong muốn (như dị ứng) khi sử dụng
insulin có nguồn gốc từ heo hay bò. Ngoài ra, quá trình sản xuất và tinh sạch
insulin từ động vật còn gặp nhiều khó khăn. Sau đó, các phương pháp bán
tổng hợp insulin người từ insulin heo và bò đã được phát triển bằng các sử
dụng phản ứng chuyển peptide (transpeptidation) sử dụng trypsin. Tuy
nhiên, insulin tái tổ hợp được sản xuất bằng công nghệ tái tổ hợp di truyền
hiện đang được sử dụng chủ yếu do chi phí sản xuất thấp và hiệu quả sản
xuất cao. Insulin người được sản xuất bằng kỹ thuật di truyền đầu tiên
tạiCông ty Genetech (Hoa Kỳ) và sản phẩm này được đưa ra thị trường vào
năm 1982. Trong lịch sử, đây cũng là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu ứng
dụng công nghệ sinh học vào dược phẩm thành công.

Về sau, nhiều phương pháp sản xuất insulin tái tổ hợp đã được phát triển. Ví
dụ: phương pháp sản xuất của Tập đoàn Eli Lilly: phương pháp sản xuất này
biểu hiện chuỗi A và chuỗi B riêng biệt bằng cách sử dụng Escherichia coli,
sau đó thu chuỗi A và chuỗi B, trộn với nhau in vitro tạo cầu nối disulfur.
Phương pháp này có hiệu quả sản xuất thấp. Do đó, Eli Lilly phát triển một
phương pháp cải tiến hơn, phương pháp này biểu hiện proinsulin thay vì
biểu hiện chuỗi A và B riêng biệt như phương pháp cũ, tạo cầu nối disulfur
in vitro, sau đó phân cắt peptide C khỏi hai chuỗi A và B bằng trypsin và
carboxypeptidase, tạo thành insulin.
Hình 3. Sản xuất insulin tái tổ hợp trên vi khuẩn

Hiện nay, hầu hết những phương pháp sản xuất insulin thương mại đều dựa
trên các chủng nấm men (Saccharomyces cerevisiae) hoặc vi khuẩn (E. coli)
kết hợp với các kỹ thuật gene để sản xuất insulin người tổng hợp. Người ta
nuôi cấy các chủng này trên quy mô lớn, trong những bồn lên men bằng thép
đặt tiền, sau đó, insulin được ly trích ra, tinh sạch để được sản phẩm cuối
cùng.

Nói về các hệ thống tế bào dùng để biểu hiện insulin tái tổ hợp, người ta sử
dụng rất đa dạng từ vi sinh vật tới tế bào động vật và cả thực vật. Trong số
đó, tế bào vi sinh vật được sử dụng nhiều nhất do chúng dễ thao tác, dễ đưa
vào áp dụng ở quy mô sản xuất công nghiệp, nhiều nhất là E. coli và nấm
men. Gần đây, người ta đưa ra một hệ thống biểu hiện khác cho các loại
protein tái tổ hợp – đó là Bacillus brevis.

Mục đích của những nghiên cứu, phát minh hiện tại là muốn phát triển một
hệ thống biểu hiện và 1 phương pháp sản xuất insulin có năng suất cao và
hiệu quả sản xuất phải ngang bằng hay vuợt trội hơn so với những hệ thống
sản xuất insulin đã từ trước tới nay. Hay nói cách khác, các nghiên cứu trong
giai đoạn này nhằm cải tiến phương pháp cổ điển chuyển các tiền chất của
insulin thành insulin; nghiên cứu tìm ra môi trường tối ưu cho việc hình
thành các cầu nối cần thiết cho việc biểu hiện hoạt tính của insulin; tìm ra
một hệ thống biểu hiện insulin cho năng suất, sản luợng cao.