人胰岛素的工业制备

人工胰岛素制备工艺的研究及其进展

摘要:据WHO 统计，全世界糖尿病患者已接近1.2亿，而我国目前糖尿病患者的总数已达到3000万人，跃居世界第二位，其中数百万患者长期使用胰岛素治疗。如今我国经济发展迅速，同时也带来了巨大生活的压力和健康问题，并且带有一定的遗传因素，数百万患者需要长期使用胰岛素治疗。胰岛素是由胰岛β细胞受内源性或外源性物质如葡萄糖、乳糖、核糖、精氨酸等的刺激而分泌的一种蛋白质激素。而目前临床使用的胰岛素有三种来源：1、动物胰岛素（从猪和牛的胰腺中提取，两者药效相同，但与人胰岛素相比，猪胰岛素中有1个氨基酸不同，牛胰岛素中有3个氨基酸不同，因而易产生抗体）。2、半合成胰岛素（将猪胰岛素第30位丙氨酸，置换成与人胰岛素相同的苏氨酸，即为半合成人胰岛素）。3、重组人工胰岛素（利用生物工程技术，获得的高纯度的生物合成人胰岛素，其氨基酸排列顺序及生物活性与人体本身的胰岛素完全相同）。可见第三种方法是目前最好的副作用最小，而且简单安全的方法。所以针对重组人工胰岛素的制备做了以下研究。

关键词:重组人工胰岛素；大肠杆菌；(His)6一Arg—Arg一人胰岛素原；

在当今世界范围内，诺和诺德、辉瑞、万安特以及我们国内的通化东宝、深圳科兴等生物技术公司在胰岛素的生产技术上已经都是很先进的水平了，也就是重组人工胰岛素的制备方法。

这种方法是自从动物中提取胰岛素和人工合成胰岛素的方法以来，最简便而且是最有效最安全的制备胰岛素的方法。它是发酵工程技术和基因工程技术结合的产物，也是造福人类的新一代药物生产方法。不仅在治疗糖尿病方面的作用突出，同时对治疗癌症等严重影响人类健康的疾病的治疗开创了思路。

所以，作为本科生的生物技术专业制药方向的大学生来说，这种利用基因工程，发酵工程等方法工业制备胰岛素的原理和流程的工艺，和这种开拓创新的思维是我们必须要了解和学习得。

1重组人工胰岛素的生产原理

通过基因工程酵母菌发酵生产hPI，经后加工形成hI。酵母系统下游后加工比细菌表达系统简单，但缺点是生产慢，生产周期长，且重组蛋白分泌量少(1～50 mg／L)，产量低。因此，虽然rhI投放市场已久，但人们一直在努力寻求和探索更加有效的表达系统和高效的表达策略I2 J，尤其是对E．CO一尻表达系统的研究更是越来越深入，用E．coli系统表达hPI的策略也越来越多。另一方面，在胰岛素的基因工程生产中，下游处理非常复杂，复杂的下游处理极大地降低了胰岛素的最终收率。本研究围绕着提高重组目的蛋白表达量，简化下游处理过程等方面进行探索，建立了一套经过优化的

高效完整的基因工程E．coli发酵表达(His)6一Arg—Arg一人胰岛素原[(His)6一Arg—Arg—human proinsulin，PPh—PI]，后加工成hI的制备工艺。

2重组人工胰岛素的生产工艺流程

2.1菌种的制备

2.1.1目的基因的提取

既从人的DNA中提取胰岛素基因，可使用限制性内切酶将目的基因从原DNA中分离。主要有如下4种方法：

（1）鸟枪法：用一大堆限制性核酸内切酶对附近基因进行剪切，再提取所需要的。至于如何筛选，用DNA分子杂交，即DNA探针

（2）人工合成法：根据转录蛋白或者mRNA推导出基因序列，然后人工合成，没有内含子。

（3）从基因文库中提取：也就是事先已经提取完毕的拿来用（4）PCR扩增技术：用于大量生产该段基因片段，用于商业化运作。

2.1.2提取质粒

使用细胞工程,培养大肠杆菌，从大肠杆菌的细胞质中提取质粒

质粒为环状。碱裂解法：此方法适用于小量质粒DNA的提取，提取的质粒DNA可直接用于酶切、PCR扩增、银染序列分析。

2.1.3基因重组将

取出目的基因与质粒，先利用同种限制性内切酶将质粒切开，再使用DNA连接酶将目的基因与质粒“缝合”，形成一个能表达出胰岛素的DNA质粒。

2.1.4将质粒送回大肠杆菌

再大肠杆菌的培养液中加入含有Ca+的物质，如CaCl2,这使细胞会吸收外源基因，此时将重组的质粒也放入培养液中，大肠杆菌便会将重组质粒吸收。

将大肠杆菌用氯化钙处理，以增大大肠杆菌细胞壁的通透性，使含有目的基因的重组质粒能够进入受体细胞，此时的细胞处于感受态（理化方法诱导细胞，使其处于最适摄取和容纳外来DNA的生理状态）。

2.2胰岛素的产生和精制（即菌种的发酵培养）

重组人工胰岛素的工业生产制备和深加工技术在如今已经是炉火纯青。有近百年的发酵工程为基础，结合现在的基因工程技术的产物，在菌种制备后的发酵培养过程更是可靠和安全的。

发酵培养流程见下图表：

对从菌种库中取出的菌种进行活化及初步扩大培养

时转入发酵罐培养

分两阶段进行控制，第一阶段主要通过控制溶氧和补加甘油使菌

体达到富集的目的，第二阶段通过补加甲醇使菌体进行高密度表

达目的产物，HPLC检测目的产物含量

目的产物存在于发酵液上清中，此步骤主要控制目的产物收率

通过两步柱层析，分别去除发酵上清液中的色素和杂蛋白

利用紫外检测仪控制目的产物收率，主要试剂为乙醇与异丙醇

调节PH值，使P1沉淀，再经离心干燥，得中间体I固体

控温进行转肽反应，主要试剂为DMSO与1,4-丁二醇

再通过柱层析进行提纯，主要试剂为异丙醇

调节PH值，使P2沉淀，再经离心干燥，得中间体II固体

通过控制湿度与温度进行脱帽反应，得到终产物胰岛素

主要试剂为丙酮，产品为半固体

经过两步柱层析对胰岛素进行提纯，试剂为Tris-HCl和异丙醇

通过超滤对提纯后的胰岛素进行浓缩，通过管道传递到下工序

通过制备色谱对胰岛素粗品进行精制，主要试剂为色谱乙腈

然后经两步结晶后通过管道过滤除菌到百级区

对胰岛素成品进行一次结晶和水洗

对水洗后的胰岛素进行过滤除菌后冻干，即得胰岛素成品

制得的胰岛素经过深加工，可以得到片剂，注射剂和肺部吸入制剂等。