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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO CENTRO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE FACULDADE DE FARMÁCIA DAYANA CABRAL DA SILVA AMILOIDOGENESE DE PRAMLINTIDE E O DESENVOLVIMENTO DE UMA CO-FORMULAÇÃO COM INSULINA ULTRARRÁPIDA Orientador: Prof.Luis Mauricio T. R. Lima Rio de Janeiro, 2018 Dayana Cabral da Silva AMILOIDOGENESE DE PRAMLINTIDE E O DESENVOLVIMENTO DE UMA CO-FORMULAÇÃO COM INSULINA ULTRARRÁPIDA Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Farmacêuticas da Faculdade de Farmácia da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ciências Farmacêuticas. Orientador: Prof. Luis Maurício T. R. Lima Rio de Janeiro, 2018. CIP - Catalogação na Publicação CS587a a Cabral da Silva, Dayana AMILOIDOGENESE DE PRAMLINTIDE E O DESENVOLVIMENTO DE UMA CO-FORMULAÇÃO COM INSULINA ULTRARRÁPIDA / Dayana Cabral da Silva. -- Rio de Janeiro, 2018. 45 f. Orientador: Luis Maurício Trambaiolli da Rocha e Lima. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Faculdade de Farmácia, Programa de Pós-Graduação em Ciências Farmacêuticas, 2018. 1. amilina. 2. iapp. 3. pramlintide. 4. insulina. 5. diabetes. I. Trambaiolli da Rocha e Lima, Luis Maurício , orient. II. Título Agradecimentos Gostaria de agradecer a todos que direta ou indiretamente ajudaram na elaboração do presente trabalho: Ao professor Luis Mauricio pela oportunidade de realizar este trabalho, por estar sempre disponível para discussões, dar sugestões e orientações que foram de extrema importância para o desenvolvimento desse projeto. Aos meus pais pela dedicação com a minha formação, amor, carinho e estímulo ao pensamento crítico. À minha irmã, Ana Carolina Cabral, por sempre acreditar no meu potencial e por toda a torcida nessa jornada. Aos colegas do Laboratório de Biotecnologia Farmacêutica por todo apoio, ajuda e incentivo. À mestre e amiga Tháyna Sisnande, por sempre me incentivar a continuar e por todas as ajudas nas horas de desespero. Ao meu namorado e amigo Felipe, por segurar as barras, por toda a paciência, companheirismo e amor. Às filhas da Beyoncé, pela amizade ao longo de todos esses anos de faculdade, por todas as terapias em grupo e por não me deixarem desistir mesmo nos momentos mais difíceis, Agradeço à Universidade Federal do Rio de Janeiro e ao Curso de Graduação em Farmácia por possibilitarem essa graduação. Aos órgãos de fomento científico por possibilitarem o desenvolvimento de trabalhos como esse em nosso país. “Em algum lugar, algo incrível está esperando para ser descoberto”. Carl Sagan RESUMO SILVA, Dayana Cabral da. AMILOIDOGENESE DE PRAMLINTIDE E O DESENVOLVIMENTO DE UMA COFORMULAÇÃO COM INSULINA ULTRARRÁPIDA. Dissertação – Programa de Pós-Graduação em Ciências Farmacêuticas, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2018. A amilina é um polipeptídeo co-produzido e co-secretado com insulina pelas células β-pancreáticas, possuindo várias ações fisiológicas, como modulação do glucagon, diminuição do esvaziamento gástrico, aumento da saciedade, entre outros. A amilina forma agregados amilóides bem organizados e insolúveis em meio aquoso que se encontram nas ilhotas de Langerhans da maioria dos diabéticos do tipo 2. Sua agregação ocorre gradualmente com a formação de oligômeros solúveis, fibrilas e posteriormente em agregados maiores e mais organizados. Para resolver os problemas de solubilidade da amilina humana, o pramlintide, um análogo de prolina tripla sintética foi desenvolvido e tem sido utilizado na substituição dos níveis hormonais de amilina, especialmente em pacientes diabéticos insulinizados. Estudos mostraram a propensão para a agregação de amilina murina rica em prolina, levando à hipótese de que outros análogos de amilina ricos em prolina também seriam capazes de se organizar em oligômeros e fibras amiloides. A fim de elucidar o processo de agregação e a caracterização dos agregados amiloides de pramlintide in vitro, realizaram-se experimentos de espectrometria de massas por mobilidade iônica e eletrospray, que demonstrou um potencial para a organização do pramlintide em espécies oligoméricas. Cinética de agregação devido à responsividade de Tioflavina T, sendo dependente do pH, concentração de peptídeo e agente tampão. A análise de microscopia eletrônica de transmissão, microscopia de força atômica e difração de raios-X confirmou a presença de material amiloide nas amostras. Na espectroscopia de infravermelho mostrou um máximo de cerca de 1625 cm-1 na banda de amida I, sendo característico da folha-β. Estes dados fornecem evidência de que, apesar do efeito de estabilização da prolina e de uma solubilidade em água melhor comparada com a amilina humana, o pramlintide pode resultar em material amilóide in vitro em determinadas condições. O uso do pramlintide é indicado como adjuvante no tratamento de pacientes diabéticos insulinizados, entretanto a aplicação em uma mesma seringa é contraindicada. Visando o desenvolvimento de uma co-formulação, foram feitos testes de interação oligomérica por espectrometria de massas por mobilidade iônica e eletrospray estabilidade por responsividade a Tioflavina T da combinação de pramlintide e análogos de insulina em tampões e pHs diferentes. Após a identificação da melhor condição a combinação de pramlintide e do análogo de insulina ultra-rápido LisPro foi formulado e testado a estabilidade a curto prazo. Esse trabalho demonstra a possibilidade da co-formulação que resultaria em avanços terapêuticos no tratamento de diabetes. Palavras-chave: amilina, iapp, pramlintide, amiloide, diabetes, insulina ABSTRACT SILVA, Dayana Cabral da. Amyloidogenesis of pramlintide and the development of a co-formulation with ultrafast insulin. Master Dissertation – Graduate Program in Pharmaceutical Sciences, Faculty of Pharmacy, Federal University of Rio de Janeiro, 2018. Amylin is a polypeptide co-producted and co-secreted with insulin by β-pancreatic cells, having several physiological actions, such as modulation of glucagon, decreased gastric emptying, increased satiety, among others. The amylin forms amyloid aggregates well organized and insoluble in aqueous medium found in the islets of Langerhans of most type 2 diabetics. Its aggregation occurs gradually with the formation of soluble oligomers, fibrils and later in larger and more organized aggregates. To solve the solubility problems of human amylin, pramlintide, a synthetic triple proline analogue has been developed and has been used in the replacement of hormone levels of amylin, especially in insulinized diabetic patients. Studies have shown the propensity for aggregation of proline-rich murine amylin, leading to the hypothesis that other proline-rich amylin analogs would also be able to organize into oligomers and amyloid fibers. In order to elucidate the aggregation process and the characterization of the amyloid aggregates of pramlintide in vitro, mass spectrometry experiments were performed by ion mobility and electrospray, which demonstrated a potential for the organization of pramlintide in oligomeric species. Kinetics of aggregation due to the responsiveness of Thioflavin T, being dependent on the pH, concentration of peptide and buffering agent. The analysis of transmission electron microscopy, atomic force microscopy and X-ray diffraction confirmed the presence of amyloid material in the samples. In infrared spectroscopy showed a maximum of about 1625 cm -1 in the amide I band, being characteristicof the β-sheet. These data provide evidence that, despite the proline stabilizing effect and water solubility better compared to human amylin, pramlintide may result in amyloid material in vitro under certain conditions. The use of pramlintide is indicated as adjuvant in the treatment of insulinized diabetic patients, however the application in the same syringe is contraindicated. Aiming the development of a co-formulation, oligomeric interaction tests were performed by mass spectrometry by ion mobility and electrospray stability by Thioflavin T responsiveness of the combination of pramlintide and insulin analogues in different buffers and pHs. After identification of the best condition the combination of pramlintide and the ultra-fast insulin analog LisPro was formulated and tested for short-term stability. This work demonstrates the possibility of co-formulation that would result in therapeutic advances in the treatment of diabetes. Keywords: amylin, iapp, pramlintide, amyloid, diabetes, insulin SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ................................................................................... 8 2. OBJETIVOS .......................................................................................24 3. MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................ 25 4. RESULTADOS .................................................................................. 29 5. DISCUSSÃO.......................................................................................30 6. CONCLUSÕES ..................................................................................38 7. BIBLIOGRAFIA ...................................................................................39 8 1. INTRODUÇÃO 1.1. Diabetes Mellitus Cerca de 425 milhões de pessoas são diagnosticadas com diabetes mundialmente e estimativas preveem que esse número pode chegar a 629 milhões de pessoas em 2045. O Brasil é o 4º país com o maior número de adultos diagnosticados, cerca de 13 milhões de pessoas, o que representa um gasto de US$24 bilhões na saúde pública (IDF, 2017). Diabetes mellitus (DM) é um grupo de doenças de caráter metabólico caracterizado pelo aumento dos níveis de glicose sanguínea com distúrbios no metabolismo de carboidratos, gorduras e proteínas, consequentes a uma produção e/ou ação deficiente da insulina. São doenças que requerem um tratamento contínuo com estratégias multifatoriais de redução de risco além do controle glicêmico (ADA, 2018; IDF, 2017; WHO, 2006). Alguns dos sintomas característicos do DM são sede intensa, visão obscura, poliúria, glicosúria, fadiga muscular sem causa aparente, perda de peso e dificuldade de cicatrização periférica. Pessoas com diabetes possuem um risco maior de desenvolverem certos problemas de saúde do que pessoas sem diabetes, como por exemplo, cegueira noturna, nefropatia, neuropatias, amputação, disfunções no sistema nervoso autônomo e risco aumentado para doenças cardiovasculares, vasculares periféricas e cérebro-vasculares. As pessoas com diabetes também estão em maior risco de desenvolvimento de infecções (IDF, 2017). Os casos de diabetes podem ser divididos em quatro grupos, de acordo com a “American Diabetes Association, Classification and Diagnosis of Diabetes. 2018” (ADA, 2018): 1. Diabetes mellitus tipo 1 (DMT1): destruição auto-imune das células beta pacreáticas levando a deficiência absoluta de insulina. 2. Diabetes mellitus tipo 2 (DMT2): perda progressiva da secreção de insulina pelas células beta-pancreáticas frequentemente relacionada a uma resistência insulínica. 3. Diabetes Gestacional: diabetes diagnosticado durante o segundo ou terceiro trimestre de gestação, sem sinais de diabetes antes da gestação. 9 4. Outros tipos específicos de diabetes: incluindo diabetes secundário ou associado a outras patologias, como defeitos genéticos na função da célula beta; defeitos genéticos na ação da insulina; doenças relacionadas ao pâncreas exócrino; endocrinopatias; diabetes induzida por drogas ou agentes químicos; infecções; formas incomuns do diabetes imune-mediada; outras síndromes genéticas com associação ao diabetes. Como demonstrado no quadro 1, o diagnóstico preconizado para diabetes é baseado nos níveis de glicose plasmática, seja em jejum ou glicose de 2h após teste de tolerância à glicose oral, ou também critérios de hemoglobina glicada (HbA1C) (ADA, 2018). Quadro 1 – Critérios para Diagnóstico de Diabetes. Glicose de jejum ≥126mg/dL (7,0mmol/L) ou Glicose de 2h ≥200mg/dL (11,1mmol/L) durante TTG ou HbA1C ≥6,5% (48mmol/mol) ou Glicose plasmática aleatória ≥200mg/dL (11,1mmol/L) em paciente com sintomas clássicos de hiperglicemia ou crises hiperglicêmicas Adaptado de ADA 2018. O pré-diabetes é um estágio onde os indivíduos possuem a glicose alta para serem considerados não diabéticos e baixa para serem considerados diabéticos. Os critérios para classificação de pré-diabetes são também baseados nos níveis de glicose plasmática, de jejum ou teste de tolerância à glicose oral e hemoglobina glicada como visto no quadro 2. (ADA, 2018; IDF, 2017; DIRETRIZES SBD, 2016.) 10 Quadro 2 – Critérios para classificação de pré-diabetes. 100mg/dL (5,6mmol/L) < Glicose de jejum < 125mg/dL (6,9mmol/L) ou 140 mg/dL (7.8 mmol/L) < Glicose de 2h durante TTG < 199 mg/dL (11.0 mmol/L) ou 5,7% (39mmol/mol) < HbA1C < 6,4% (47 mmol/mol) Adaptado de ADA 2018. Os métodos diagnósticos atuais preconizados por todas associações e guias são baseados em parâmetros glicocêntricos, entretanto, discussão tem sido levantas para que outras abordagens sejam sugeridas, como por exemplo a utilização das medidas de insulina plasmática. Nesse contexto, o conceito de diabetes subclínica é introduzido onde apesar dos níveis glicêmicos considerados dentro dos normais, o paciente já possui um aumento da insulina e uma consequente resistência insulínica sendo desenvolvida (LIMA, 2017). 1.1.1. DMT1 Essa forma de diabetes era denominada de diabetes insulino-dependente ou diabetes juvenil por se manifestar mais comumente na infância e adolescência, entretanto pode ocorrer em qualquer idade. Ela acomete cerca de 5-10% dos pacientes diagnosticados e resulta da destruição das células beta pancreáticas por um mecanismo autoimune. Os pacientes tornam-se dependentes de insulina exógena para sobreviver, gerando o risco de desenvolvimento de cetoacidose devido à deficiência de insulina. A destruição autoimune das células beta pancreáticas possui diversas predisposições genéticas e também pode estar relacionada a fatores ambientais que ainda não são bem descritos (ADA, 2018; IDF, 2017). Para diagnóstico de DMT1 é necessário a presença de um ou mais marcadores autoimunes, que incluem auto-anticorpos de células de ilhotas e auto-anticorpos à insulina, GAD (GAD65), tirosina fosfatases IA-2 e IA-2b e ZnT8 (ADA, 2014). 11 1.1.2. DMT2 Essa forma de diabetes era denominada de diabetes não insulino-dependente ou diabetes da maturidade por ser mais prevalente em indivíduos idosos, tem como característica resistência periférica à insulina e relativa deficiência de insulina (ADA, 2018). O estado de intolerância à glicose, correspondente à resistência à insulina leva a um aumento da secreção da mesma, seguido pela falência das células beta- pancreáticas. Desse modo podem ser observados níveis elevados de insulina juntamente com hiperglicemia. A princípio esses pacientes não necessitam de insulina exógena para sua sobrevivência, mas o uso pode ser feito para a correção da hiperglicemia de acordo com a evolução do quadro. Esse tipo de diabetes possui diversas causas prováveis, embora ainda não se tenha uma etiologia específica determinada, a destruição autoimune de células beta não está presente e os pacientes não apresentam asoutras causas de diabetes que os enquadrem nos demais grupos. A maioria dos pacientes com diabetes tipo 2 são obesos e já foi relatado que a obesidade em si provoca algum grau de resistência à insulina ADA, 2014). Tanto níveis de glicose plasmática, em jejum ou glicose de 2h após teste de tolerância à glicose oral, quanto níveis de HbA1C são adequados para diagnóstico de DMT2 (ADA, 2018). 1.1.3. Tratamento Hábitos de vida saudáveis são a base do tratamento do diabetes, sobre a qual pode ser acrescido o tratamento farmacológico. Seus elementos fundamentais são manter uma alimentação adequada e atividade física regular, evitar o fumo, o excesso de álcool e estabelecer metas de controle de peso (GUSSO; LOPES, 2012; ADA, 2018). Para o tratamento de DMT1 as recomendações da American Diabetes Association são (CHIANG et al., 2014): 1. Injeções de insulina de dose múltipla (três a quatro injeções por dia de insulina basal e prandial) ou terapia de infusão contínua de insulina subcutânea. 2. Educação sobre a combinação da dose de insulina prandial com a ingestão de carboidratos, glicemia de sangue pré-precoce e atividade antecipada. 12 3. Para os pacientes com hipoglicemia noturna frequente, hipoglicemia grave recorrente, e/ou hipoglicemia com causa desconhecida, deve-se considerar o uso de uma bomba infusora com monitor contínuo de glicose. Existem hoje vários tipos de insulina disponíveis para o tratamento de diabetes e elas se diferenciam pelo tempo em que ficam ativas no corpo, pelo tempo que levam para começarem a agir e de acordo com a situação do dia em que elas são mais eficientes. O tratamento com insulina deve ser ajustado tanto ao estilo de vida quanto às necessidades de controle de glicose (SOCIEDADE BRASILEIRA DE DIABETES, 2017). Figura 1. Perfis de ação dos diferentes tipos de insulina. Retirado de (Sociedade Brasileira de Diabetes. Conduta Terapêutica no Diabetes Tipo 2: Algoritmo SBD 2017. Posicionamento Oficial SBD nº 02/2017, São Paulo.) - http://www.diabetes.org.br/profissionais/images/2017/POSICIONAMENTO- OFICIAL-SBD-02-2017-ALGORITMO-SBD-2017.pdf – adaptado a partir de: McMahon GT, et al. Intention to Treat — Initiating Insulin and the 4-T Study. N Engl J Med.2007;357(17):1759-6 Na figura 1 pode-se observar a diferença nos perfis de ação dos diferentes tipos de insulina correlacionando o efeito glicêmico relativo as horas, justificando a classificação em tempo de ação (SDD, 2017). No mercado brasileiro existem disponíveis diversas modalidades de insulina, análogos de insulina e pré-misturas, como pode ser observado abaixo no quadro 3. http://www.diabetes.org.br/profissionais/images/2017/POSICIONAMENTO-OFICIAL-SBD-02-2017-ALGORITMO-SBD-2017.pdf http://www.diabetes.org.br/profissionais/images/2017/POSICIONAMENTO-OFICIAL-SBD-02-2017-ALGORITMO-SBD-2017.pdf 13 Quadro 3. Perfil Farmacocinético de Insulinas e Análogos disponíveis no mercado Brasileiro. Insulina Início de Ação Pico de Ação Duração do Efeito Longa Duração Glargina – 100UI/mL (Lantus®) 2-4h N/A 20-24h Detemir – 100UI/mL (Levemir®) 1-3h 6-8h 18-22h Ação Ultra-Longa Glargina – 300UI/mL (Toujeo®) 6h N/A 36h Degluteca – 100UI/mL (Tresiba®) 21-41min N/A 42h Ação Intermediária Insulina NPH – 100UI/mL 2-4h 4-10h 10-18h Ação Rápida Insulina Regular – 100UI/mL (Humulin®; Novolin®R) 0,5-1h 2-3h 5-8h Ação Ultra-Rápida Asparte – 100UI/mL ( Novorapid®) 5-15min 0,5-2h 3-5h LisPro -100UI/mL (Humalog®) 5-15min 0,5-2h 3-5h Glusilina - 100UI/mL (Apidra®) 5-15min 0,5-2h 3-5h Pré-Misturas 70%NPH + 30%R (Humulin®70/’30) 0,5-1h 3-12h (duplo) 10-16h 75%NPL + 25%LisPro (Humalog®Mix25) 5-15min 1-4h (duplo) 10-16h 50%NPL + 50%LisPro (Humalog®Mix50) 5-15min 1-4h (duplo) 10-16h 70%NPA + 30%Asparte (NovoMix®70/30) 5-15min 1-4h (duplo) 10-16h NPH=protamina neutra hagedorn; NPL=protamine neutra LisPro; NPA=protamina neutra asparte Adaptado de Hahr AJ and Molitch ME. Optimizing Insulin Therapy in Patients with Type 1 and Type 2 Diabetes Mellitus: Optimal Dosing and Timing in the Outpatient Setting. Disease-a-Month. 2010;56:148- 162; Sociedade Brasileira de Diabetes. Conduta Terapêutica no Diabetes Tipo 2: Algoritmo SBD 2015. Posicionamento Oficial SBD nº 02/2015, São Paulo. Para o tratamento de DMT2 é recomendado (AMERICAN DIABETES ASSOCIATION, 2018): • A metformina, se não contra-indicada e se tolerada, é o agente farmacológico inicial de preferência para o tratamento do diabetes tipo 2. • O uso prolongado de metformina pode estar associado à deficiência de vitamina B12, é aconselhado a medição periódica dos níveis da mesma, especialmente em pacientes com anemia ou neuropatia periférica. 14 • Considerar iniciar terapia com insulina (com ou sem agentes adicionais) em pacientes com diabetes tipo 2 recém-diagnosticado, sintomáticos e/ou possuem HbA1C≥10% (86mmol/mol) e/ou níveis de glicose plasmática ≥ 300mg/dL (16,7mmol/L). • Considerar iniciar a terapia dupla em pacientes com diabetes tipo 2 recém- diagnosticado e que possuam HbA1C≥9% (75mmol/mol). • Em pacientes sem doença cardiovascular aterosclerótica, se a monoterapia ou terapia dupla não atingir ou manter a meta HbA1C ao longo de 3 meses, adicionar outro agente hipoglicemiante. • É recomendada a reavaliação contínua e periódica do regime de medicação e o ajuste conforme necessário para incorporar os fatores do paciente e a complexidade do tratamento. A abordagem centrada no paciente deve ser utilizada para orientar a escolha de agentes farmacológicos (Quadro 4), as considerações devem incluir eficácia, custo, potenciais efeitos colaterais, peso, comorbidades, risco de hipoglicemia, e as preferências do paciente. Para pacientes com diabetes tipo 2 que não estão atingindo as metas glicêmicas, a terapia com insulina não deve ser adiada ADA, 2018). Quadro 4 - Classes de fármacos utilizados no tratamento de DMT2. Classe Representante(s) da Classe Mecanismo de Ação Efeitos Principais Biguanidas Metformina Ativa AMPK ↓ produção de glicose hepática Sulfoniluréias Glibenclamida; Gliclazida; Glimeperida; Ligação ao canal de K+ dependente de ATP ↑ secreção de insulina Tiazolidinodionas Rosiglitazona; Pioglitazona Ativação PPAR-γ ↑ sensibilidade à insulina Inibidores da α- glicosidase Acarbose Miglitol Inibição da α-glicosidase intestinal ↓ a absorção de carboidratos Inibidores da DPP-4 Sitagliptina; Saxagliptina; Linagliptina; Alogliptina Inibição da atividade da DPP- 4, ↑ as concentrações de incretinas pós-prandiais ↑ secreção de insulina glicose dependente ↓ secreção de glucagon glicose dependente Agonistas de Dopamina-2 Bromocriptina Ativação de receptores dopaminérgicos ↑ sensibilidade à insulina Inibidores de SGLT2 Canagliflozina; Dapaglifozina; Empaglifozina Inibição do SGLT2 no túbulo proximal Bloqueia a reabsorção renal de glicose 15 Agonistas do Receptor de GLP-1 Exenatide; Exenatide LAR; Liraglutida; Albiglutida; Lixisenatide; Dulaglutida Ativação do receptor de GLP- 1 ↑ secreção de insulina glicose dependente Amilinomiméticos Pramlintide Ativação dos receptores de amilina ↓ secreção de glucagon ↓ esvaziamento gástrico ↑ saciedade Adaptado de Pharmacologic Approaches to Glycemic Treatment: Standards of Medical Care in Diabetes 2018. Diabetes Care 2018;41(Suppl. 1):S73–S85. O conceito atual do diabetes como uma desordem multi-hormonal surgiu pela complexidade do mecanismo de regulação dos níveis de glicose. Estudos tem demonstrado o envolvimento de diversos hormônios (insulina, glucagon, GLP1, amilina) e um complexo mecanismo de regulação, o que deixa claro que, mesmo uma intensiva terapia com insulina será insuficiente no controle da glicemia. (DEFRONZO et al., 2015; EDELMAN, 2008; SCHMIDT, 2018). 1.2. Amilina Dentre esses diversos hormônios, a amilinarecebe um destaque especial visto sua co-secreção com insulina pelas mesmas células beta pancreáticas e portanto indivíduos deficientes em insulina são também deficientes de amilina (Young, 2005). Amilina ou IAPP – polipeptídeo amilóide das ilhotas pancreáticas - é um polipeptídeo de trinta e sete resíduos de aminoácidos, com uma ponte dissulfeto C2-7 e amida C- terminal descoberto em 1987 simultaneamente por dois grupos (COOPER et al., 1987; WESTERMARK. et al., 1987a). Figura 1: Representação esquemática da amilina humana. Adaptado de GRUNBERGER, 2013. 16 Mesmo não sendo um hormônio com uma descoberta tão recente, ainda há muito por se conhecer em sua fisiologia, farmacologia, mecanismos patofisiológicos de agregação amiloide e soluções terapêuticas voltadas à diabetes e obesidade. Figura 2 - Perfil plasmático de insulina e amilina durante 24 horas em humanos saudáveis. Adaptado de YOUNG, 2005. A amilina é classificada como um hormônio neuroendócrino e tem sua ação principal em conjunto da insulina na regulação do metabolismo de carboidratos (EDELMAN, 2008). Ela é co-produzida e co-secretada com a insulina nas células β- pancreáticas (figura 2) e quando há efeitos moduladores na secreção de insulina ocorrem em conjunto uma modulação na secreção de amilina (HARTTER et al., 1991). Esses dois hormônios agem de maneira sinérgica no controle da concentração de glicose plasmática. Em pacientes obesos resistentes à insulina, os níveis de amilina se mostram elevados (YOUNG, 2005a). Em pacientes com DMT1 e em estágios avançados de DMT2 os níveis de amilina se encontram diminuídos (BUSE; WEYER; MAGGS, 2002) como demonstrado na figura 3. 17 Figura 3 - Concentração plasmática de amilina após refeição em indivíduos normais e pacientes com DMT1 e DMT2 insulino-dependentes. Adaptado de BUSE; WEYER; MAGGS, 2002. Dentre as principais ações da amilina estão inibição da ingesta de alimentos, diminuição do esvaziamento gástrico, das secreções de ácidos e enzimas digestivas e diminuição da produção de glicose pelo fígado via inibição de glucagon. Essas ações demonstram o papel sinérgico da amilina à insulina na manutenção dos níveis plasmáticos de glicose (YOUNG, 2005). A amilina é degradada pela enzima de degradação de insulina (IDE), a mesma enzima que hidrolisa insulina, glucagon, calcitonina, peptídeo natriurético atrial e o peptídeo A (BENNETT; DUCKWORTH; HAMEL, 2000; KUROCHKIN, 2001). Essa enzima é uma zinco-metaloendopeptidase localizada no citosol, peroxissomas, endossomas e na superfície celular (DUCKWORTH; BENNETT; HAMEL, 1998), ela cliva proteínas pequenas de sequência variada, muitas das quais partilham uma propensão para formar fibras amiloides (BENNETT; DUCKWORTH; HAMEL, 2000; KUROCHKIN, 2001). A IDE possui uma afinidade por insulina aproximadamente quatro vezes maior do que por amilina, o que pode explicar sua meia-vida maior. Por fim, a amilina é eliminada na urina pelos rins (BENNETT; DUCKWORTH; HAMEL, 2000). Acredita-se que a agregação de amilina ocorra de forma gradual, com estruturas monoméricas solúveis formando oligômeros, protofibrilas e fibras amilóides, que podem ser tóxicos para as células β levando à sua destruição (KODALI; WETZEL, 2007). 18 A amilina humana é pouquíssimo solúvel em meio aquoso (BRETHERTON-WATT et al., 1992; CHANCE et al., 1991, 1992; GHATEI et al., 1990; KONARKOWSKA et al., 2006) por sua vez, amilina murina é hidrossolúvel e apresenta-se bioativa (CHANCE et al., 1991, 1992; JAMES et al., 1999; SHERRIF et al, 1992; WANG et al., 1991; YOUNG et al., 1991). 1.3. Pramlintide Sendo então a amilina um hormônio importante no controle glicêmico, regulando via sistema nervoso central o glucagon e corroborando com os efeitos sistêmicos da insulina, a reposição da mesma seria interessante para fins terapêuticos. Contudo, o uso de amilina humana terapeuticamente não é ideal pela sua baixa solubilidade e pronta propensão a formação de agregados amiloides em diversos pHs. Visando contornar esse problema de solubilidade da amilina, estudos de comparação entre a amilina humana e a murina foram conduzidos, chegando-se a conclusão de que substituições por prolinas nas posições 25, 28 e 29 são determinantes para a estabilidade e solubilidade do peptídeo (YOUNG et al., 1996). Com substituições nessas posições chegou-se ao análogo sintético de amilina que originalmente foi chamado de AC137 (KOLTERMAN et al., 1995) e atualmente denominado pramlintide (YOUNG et al., 1996). O pramlintide é comercializado nos EUA pela Amylin Pharmaceuticals com o nome comercial Symlin®, http://www.symlin.com/; Patente US5367052A1 de 1987; Patente US 5998367, de 1991. Os primeiros estudos clínicos do uso de pramlintide demonstraram que em concomitância com insulina houve uma diminuição dos níveis de HbA1C e prevenção do ganho de peso quando comparados com somente a reposição de insulina (ARONNE et al., 2007; HAYDEN & TYAGI, 2000). O uso de pramlintide como adjuvante à insulina também foi capaz de exercer um controle na glicemia pós- prandial pela diminuição da ingesta de alimentos, diminuição da taxa de esvaziamento gástrico e supressão da secreção de glucagon (KLEPPINGER; VIVIAN, 2003). Em suma, os resultados encontrados com o uso de pramlintide em tratamentos de maior duração foram de melhor controle glicêmico (HAYDEN; TYAGI, 2001), perda de peso http://www.symlin.com/ 19 e diminuição de apetite (ARONNE et al., 2007; HOLLANDER et al., 2004) e diminuição do requerimento de insulina diária (HOLLANDER et al., 2004). O pramlintide administrado por infusão parenteral e injeção subcutânea foi avaliado em ensaios clínicos e exibe um perfil farmacocinético linear. A biodisponibilidade de pramlintide subcutânea é de aproximadamente 30% a 40% (FDA, 2001; KLEPPINGER; VIVIAN, 2003). Em ensaios clínicos, a administração de pramlintide subcutâneo em doses que variam de 30 a 300µg resultando em concentrações plasmáticas dose-dependentes. O tempo para atingir a concentração máxima é de aproximadamente 20 minutos e diminui ao longo de um período de 3 horas. O pramlintide não se acumula se administrado repetidamente em refeições subsequentes. Doses entre 60 e 120µg resultam em perfis de concentração plasmáticas que são semelhantes aos que resultam da liberação endógena de amilina após a ingestão de uma refeição. Pramlintide é eliminado predominantemente pelos rins, com uma meia-vida de 40-50 minutos e concentrações são aumentadas em pacientes com insuficiência renal (FDA, 2005; KLEPPINGER; VIVIAN, 2003). Ao contrário de insulina, pramlintide não requer ajustes de dose antes das refeições devido a sua ampla janela terapêutica, que permite que os pacientes permaneçam em uma dose constante, independentemente do tamanho da refeição, teor de carboidratos ou concentrações de glicose no sangue. (FDA, 2005; KLEPPINGER; VIVIAN, 2003). Apesar do grande avanço surgido com o pramlintide, alguns aspectos importantes devem ser levantados. O pramlintide é um variante de amilina humana, com três aminoácidos diferentes (YOUNG et al., 1996), biofármacos com a sequência diferente da sequência nativa das proteínas endógenas podem levar à resposta imunogênica (SCHELLEKENS, 2002). Deste modo, pramlintide pode apresentar diferenças em respostas metabólicas e imunológicas comparado à amilina endógena e, portanto, diversos efeitos colaterais que são já reportados nos estudos de fase clínica e no próprio texto de bula. Embora nenhum dos trabalhos revisados tenha reportado toxicidade aos principais órgãos ou mudanças clínicas significantes (SINGH-FRANCO et al. 2007), efeitos adversos como náusea, vômito e anorexia têm 20 sido associados a terapia com pramlintide (HOLLANDER et al., 2004; MAGGS et al., 2003; PULLMAN; DARSOW; FRIAS, 2006; SINGH-FRANCO et al. 2007) que podem estar associados as mutações pontuaisna sequência nativa de amilina. Variantes ricas em prolina possuem maior solubilidade em meio aquoso do que a amilina humana (WESTERMARK et al., 1990), entretanto, evidências foram encontradas de que tais análogos de amilina humana são propensos a formação de fibras amiloides. Estudos demonstraram que os segmentos 8-20 e 14-20 da amilina humana são capazes de formar fibras amiloides (GILEAD; GAZIT, 2008; JAIKARAN et al., 2001). O segmento equivalente de amilina murina que abrange os aminoácidos 8-20 (diferentes de amilina humana somente pela His18) também forma fibras amiloides (JAIKARAN et al., 2001). Um peptídeo compreendendo a região 30-37, que partilham a mesma sequência em ambas amilina humana e murina, também pode ser estruturado de forma amiloide (NILSSON; RALEIGH, 1999). Substituições pontuais nos resíduos 18, 23 e 26 de amilina murina, ficando somente a variante com tripla prolina em 25, 28 e 29 foram capazes de formar agregados amiloides (GREEN et al., 2003). Figura 4 – Sequências das amilinas humana, murina e do pramlintide, destacando os segmentos com propensão a agregação. Em vermelho segmento 8-20, em verde segmento 14-23 e em azul segmento 30-37. Em 2013 um estudo do nosso grupo demonstrou a capacidade da amilina murina de formar agregados amiloides, o que demonstra o potencial de análogos ricos em prolinas ainda deterem propriedades de aglomeração amiloide (PALMIERI et al., 2013). Com a grande semelhança estrutural e de solubilidade existente entre a amilina murina e o pramlintide, acreditamos que o pramlintide poderia também possuir a capacidade de formar agregados amiloides. Partindo dessa premissa, o objetivo inicial desse trabalho foi analisar físico-quimicamente o pramlintide, verificando as condições onde ele possivelmente formaria agregados amiloides. 21 O pramlintide é indicado como tratamento adjuvante para diabetes em conjunto com a insulina, entretanto é contra-indicada a junção das duas formulações numa mesma seringa (FDA, 2005). Estudo comparativo de pré-mistura em uma mesma seringa (30mcg de SYMLIN com insulinas diferentes, regular, NPH e 70/30 de formulações pré- misturadas de insulina humana recombinante) com administradas seringas separadas geraram efeitos faramacocinéticos importantes, com uma diminuição máxima de 40% na Cmáx de pramlintide e com um aumento máximo de 15% na Cmáx de insulina (FDA, 2005). Embora a recomendação do guia e uso do medicamento afirme a incompatibilidade farmacocinética, outro estudo de curto prazo sugere que a mistura das formulações em uma mesma seringa não afete a farmacocinética nem a farmacodinâmica da insulina ou do pramlintide (WEYER et al, 2005). A baixa adesão ao tratamento com insulina é comum em pacientes diabéticos, cerca de 28,7% de persistência com insulina injetável após 12 meses em pacientes com DMT2 (COOKE et al., 2010). Essa baixa adesão é decorrente de dificuldades relacionadas as injeções múltiplas e a complexidade do tratamento prescrito (PEYROT et al., 2010). A indicação do uso do pramlintide e a contra-indicação da mistura dele com a insulina significa um aumento na quantidade de injeções necessárias para a manutenção da glicemia, o que pode levar a uma diminuição da adesão desses pacientes. Desse modo, uma co-formulação dos dois medicamentos seria de grande valia para o bem estar e melhoria da adesão de pacientes diabéticos insulinizados. A partir desses antecedentes, o outro objetivo desse trabalho foi avaliar condições ideais para a co-formulação de pramlintide com insulina. 22 2. OBJETIVO Estudar a estabilidade físico-quimica do pramlintide. Desenvolver uma formulação estável dose fixa combinada de pramlintide com insulina 2.1. Objetivos Específicos Estudar a estabilidade fisico-química de pramlintide em função de variáveis de pH, tempo e tampão. Observar a dependência do mesmo em virtude do tipo de sal contra-íon do pramlintide. Avaliar a distribuição de estados oligoméricos por técnicas de espectrometria de massas. Avaliar a distribuição conformacional no produto final por técnicas de espectrometria de massas. Avaliar morfologicamente o produto de aglomeração de pramlintide por meios de microscopia eletrônica de transmissão e microscopia de força atômica. Avaliar a distribuição dos estados oligoméricos de pramlintide e insulina regular. aspart e LisPro por técnicas de espectrometria e massas. Avaliar a estabilidade da co-formulação de pramlintide e insulina em função de variáveis pH, tempo e tampão. Avaliar em função do tempo a co-formulação concentrada de pramlintide e insulina eleita. 23 3. MATERIAL E MÉTODOS Será reportado aqui brevemente a seção de material e metodos referentes aos dados desta dissertação. Detalhes do mesmo podem ser obtidos nos dois artigos científicos de minha autoria (e co-autores) que fazem parte desta dissertação com descrito mais adiante. 3.1. Materiais A amilina humana (sal de TFA, lote # 85190) e pramlintide (sal de TFA, lote # 89437; sal de acetato, lote # 101083) foram adquiridos da Genemed Biotech Inc. (CA, EUA). A identidade (por ESI-MS) e a pureza (cromatografia em fase reversa C-18) dos peptideos foram confirmadas por um certificado de controle de qualidade fornecido intra-lote e também pelas nossas próprias medições por MALDI ToF-MS e ESI-MS. As soluções de peptideo de estoque foram preparadas a 10 mg/mL (2,55 mM) em DMSO e armazenadas a -20°C até o momento do uso. Todos os outros reagentes foram utilizados em grau analítico. 3.2. Espectrometria de massas por mobilidade iônica e eletrospray (ESI- IMS-MS) Os ensaios de ESI-IMS-MS foram realizados utilizando um espectrômetro de massa de onda quadrupolar de alta definição MALDI-Synapt G1 (Waters Brasil) (HDMS). Amostras de pramlintide foram diluídas a 50 µM de concentração final (a partir de solução estoque 10 mg/mL em DMSO a 100%) em tampão de acetato de amônio 100mM pH 5,6 e injetadas a uma taxa de 100nL/min com voltagem capilar de 2,8 kV e N2g a 0,4 bar. A aquisição dos dados foi conduzida na faixa de m/z 500 a 4000 durante 15 min com uma acumulação de aquisição de 3s por ponto. A calibração da massa do instrumento foi realizada rotineiramente com ácido fosfórico. Os dados foram analisados usando o DriftScope 2.1 (WILLIAMS et al., 2009) (Waters Corporation, Brasil). 3.3. Cinética de agregação amilóide Todos os experimentos foram feitos a 25°C em placa preta opaca de 96 poços de fundo plano (Corning # 3915) contendo Tioflavina T (ThT) 20μM, DMSO a 2% v/v 24 (concentração final), solução tampão de fosfato de sódio 50mM tamponada ao pH desejado ou Tris.Cl 50mM pH 7,4 e utilizando 50μM de concentração final de peptídeo (amilina humana, pramlintide TFA ou pramlintide acetato) a partir de estoque a 10 mg/mL em DMSO a 100%, num volume final de 200μL. A placa foi selada com película transparente (Duck Brand Crystal Clear Tape, Avon, OH) e as amostras foram excitadas a 440 nm e a emissão coletada a 482 nm com filtro em 475 nm durante 24h sob agitação com leitura de topo a cada 3 minutos (Spectramax M5 Molecular Devices). 3.4. Quantificação de peptídeo solúvel A quantificação da fração solúvel de pramlintide foi realizada em condições semelhantes as do ensaio de agregação, solução de tampão de fosfato de sódio 50mM pH 7,0, concentração final de pramlintide 50μM (de estoque a 10mg/mL em DMSO a 100%), num volume final de 200μL a 25°C. Em intervalos de tempo determinados, a solução de poços individuais (n = 4 / intervalo de tempo) foi amostrada, centrifugada durante 20 min x 4°C x 112,5g e a fração solúvel de pramlintide foi quantificada no sobrenadante por ensaio de fluorescamina adequadamente calibrado contra uma curva analítica construída com pramlintide não agregado ao mesmo tempo que a amostra foi quantificada. A fluorescamina é um cromóforoque reage covalentemente com amina primária livre, existindo apenas na Lys1 de pramlintide (aminas α e ε) (UDENFRIEND et al., 1972). Em resumo, adicionou-se 12,5μL do sobrenadante resultante a 87,5μL de tampão fosfato a pH 7,0 seguindo-se a adição de 50μL de fluorescamina 0,5mg/mL de DMSO e a fluorescência foi medida após 5 a 20 minutos de incubação à temperatura ambiente em espectrofluorímetro SpectraMax M5 (Molecular Devices) com excitação ajustada a 390 nm e emissão a 480nm com um filtro de corte de 475nm. A coleta em tempos variados de incubação com fluorescamina teve como intuito assegurar que a reação havia sido comletada. 3.5. Dicroísmo Circular Alíquotas da solução de pramlintide em DMSO (10mg/mL) foi liofilizada e o material seco foi ressuspenso em tampão 5 mM (fosfato de sódio ou Tris.Cl) pH 7,4 para 10μM a 25°C. A solução foi imediatamente medida num espectropolarímetro Jasco J715 (Jasco, Tóquio, Japão) numa cubeta de quartzo de 5,00mm com 7 varreduras médias 25 para cada espectro numa velocidade de varrimento de 50nm/min e resolução de 0,2nm. Os espectros resultantes foram subtraídos da linha de base (somente tampão) recolhidos em condições experimentais semelhantes. Espectros adquiridos após 5 minutos ou 30 minutos de ressuspensão não mostraram diferenças visíveis, sugerindo estabilidade da maioria da amostra dentro deste intervalo de tempo. 3.6. Microscopia Eletrônica de Transmissão Após os ensaios de agregação, as amostras foram submetidas à microscopia eletrônica de transmissão por contrastação negativa com acetato de uranila. As amostras foram suavemente agitadas em vórtice, uma alíquota de 10L depositada sobre um Parafilm® e as malhas de cobre revestidas com Formvar de 300 mesh (CF300-Cu. Electron Microscopy Sciences) foram colocadas sobre as gotas durante cerca de 2 min. A solução em excesso foi removida e contrastada com 2% de acetato de uranila a pH 4,8, durante cerca de 2 minutos sob proteção da luz. As amostras foram secas ao ar e as imagens foram adquiridas num microscópio electrônico de transmissão Zeiss 900 operando a 80 kV, disponível na plataforma multiusuário do CENABIO-UFRJ. 3.7. Microscopia de Força Atômica Amostras de amilina humana e pramlintide 50μM foram deixadas para agregar durante 4 dias em solução de tampão fosfato de sódio 50mM pH 7,4 a 25°C. As amostras (20μL) foram aplicadas sobre mica de moscovita recém-clivada e secas com auxílio de corrente de árgon. As medições foram realizadas em um microscópio de força atômica (JPK Nanowizard III, JPK I nstruments AG) usando cantilevers convencionais de silício (OLTESPA - Bruker Probes) por meio do modo de contato intermitente, a 24°C ± 2°C. As amostras foram varridas pelo menos em três regiões diferentes para confirmar a homogeneidade. Os exames foram realizados em resolução de 512 × 512 pixels, e os dados foram pós-processados usando o software NanoScope Analysis (Bruker). Os dados foram coletados pela Dr. Giselle Fontes, pesquisadora do INMETRO-XEREM, no equipamento desta mesma instituição. 3.8. Difração de Raios-X A amostra de pramlintide foi agregada em solução de tampão fosfato de sódio 50mM a 25°C e posteriormente centrifugada durante 15 min x 4°C x 112,5g, o 26 sobrenadante foi descartado e o sedimento ressuspenso com água, depositado sobre uma lâmina de vidro silanizado e deixado secar ao ar. O material resultante foi montado num anel Kapton® (poliimida) MiTeGen MicroGriper (Cat # M7-L18SP-200) e submetido a difração de raios X com um phi-scan de 360 ° para um total de 180s utilizando a radiação CuK em um difratômetro D8 Venture (Bruker, Alemanha) a 25°C, em equipamento disponível na plataforma multiusuário do Laboratório de Difração de raios-X (LDRX) do Instituto de Física da UFF, em Niterói-RJ. As imagens foram processadas com CrysALisPro (Agilent, EUA). 3.9. Espectroscopia de infravermelho com transformada de fourier (FTIR) Amostras de amilina humana e pramlintide foram deixadas para agregar a 50 uM em solução de tampão de fosfato de sódio 50mM pH 7,0 a 25°C durante 3 dias e separadas do material solúvel por centrifugação (20 min, 4°C, 112,5g). O precipitado foi lavado uma vez com água, centrifugado e o precipitado restante foi congelado instantaneamente (por imersão em nitrogênio líquido) e liofilizado. O material resultante foi avaliado por espectroscopia infravermelha com transformada de Fourier (FTIR) utilizando um espectrômetro FTIR Nicolet 6700 (Thermo Scientific, WI, EUA) acoplado com um acessório de reflectância total atenuado, um cristal de germânio trapezoidal e um detector MCT (HgCdTe) refrigerado com nitrogênio líquido. Os espectros foram adquiridos com resolução de 4cm-1 e 256 scans, sob atmosfera de N2g. A correção da linha de base foi realizada em todo o espectro entre 4000 e 700 cm-1. As 2ª derivativa foram calculadas a partir dos espectros de linha de base corrigidos, usando a rotina derivada de Norris com segmentos de 5 e 5 intervalos entre segmentos. A aquisição e o processamento dos dados foram realizados com a suite Omnic 8 (Thermo Fisher Sci Inc., EUA). 27 4. RESULTADOS A presente dissertação gerou dois artigos científicos em que são abordados os materiais e métodos bem como os resultados do presente trabalho: Artigo 1: “Amyloidogenesis of the amylin analogue pramlintide” Dayana Cabral da Silva, Giselle N.Fontes, Luiza C.S.Erthal and Luís Maurício T.R.Lima Biophysical Chemistry Volume 219, December 2016, Pages 1-8 doi: https://doi.org/10.1016/j.bpc.2016.09.007 Artigo 2: “Physico-chemical properties of co-formulation of insulin with pramlintide” Dayana Cabral da Silva and Luís Maurício T. R. Lima bioRxiv preprint first posted online Nov. 30, 2017; doi: https://doi.org/10.1101/227363 Atualmente submetido para revisão na revista Pharmaceutical Research. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301462216301673?via%3Dihub#! https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301462216301673?via%3Dihub#! https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301462216301673?via%3Dihub#! https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301462216301673?via%3Dihub#! https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301462216301673?via%3Dihub#! https://www.sciencedirect.com/science/journal/03014622 https://www.sciencedirect.com/science/journal/03014622/219/supp/C https://doi.org/10.1016/j.bpc.2016.09.007 https://doi.org/10.1101/227363 28 5. DISCUSSÃO O diabetes é um grupo de doenças de caráter global que afeta cerca de 425 milhões de pessoas (INTERNATIONAL DIABETES FEDERATION, 2017). Seu caráter crônico e complicações que afetam vários tecidos do organismo (SCHMIDT, 2018) fazem com que seja uma área que demanda muita pesquisa e investimento. Por ser multifatorial, necessita de diversas estratégias para que a manutenção da glicemia consiga ser feita de maneira eficiente. As principais recomendações são mudanças de hábitos alimentares, atividades físicas e intervenções farmacológicas quando necessárias. Quando a amilina foi descoberta em 1987 (COOPER et al., 1987; WESTERMARK et al., 1987b) abriram-se novas perspectivas para a manutenção glicêmica principalmente em pacientes diabéticos tipo 1. Entretanto a amiloidogênese (COOPER et al., 1988; WESTERMARK et al., 1987b; WESTERMARK; ANDERSSON; WESTERMARK, 2011) e sua baixa solubilidade em meio aquoso (BRETHERTON- WATT et al., 1992; CHANCE et al., 1991, 1992; GHATEI et al., 1990; KONARKOWSKA et al., 2006) impediram o sucesso da aplicação da amilina como fármaco para o tratamento de diabetes. A partir de estudos comparativos entre amilina murina e humana, a conclusão do caráter estabilizador e do aumento da solubilidade devido a presença de prolinas na variante murina impulsionou o desenvolvimento do análogo sintético pramlintide (YOUNG et al., 1996; KOLTERMAN etal., 1995). O pramlintide foi então formulado e testado pela Amylin Pharmaceuticals e é aprovado pelo FDA com o nome comercial Symlin®. A utilização do pramlintide como adjuvante em pacientes insulinizados proporciona diminuição dos níveis de HbA1C, prevenção do ganho de peso, diminuição da ingesta de alimentos, diminuição da taxa de esvaziamento gástrico, supressão da secreção de glucagon e diminuição do requerimento de insulina diária (ARONNE et al., 2007; HAYDEN & TYAGI, 2000; KLEPPINGER; VIVIAN, 2003; HOLLANDER et al., 2004). O insucesso do pramlintide de maneira geral pode ser devido aos efeitos adversos reportados, como náuseas, vômito e anorexia (HOLLANDER et al., 2004; 29 MAGGS et al., 2003; PULLMAN; DARSOW; FRIAS, 2006; SINGH-FRANCO et al. 2007) e também pela necessidade de múltiplas injeções, já que a combinação com a insulina em uma mesma seringa é desencorajada (FDA, 2005). As variantes ricas em prolina, como o pramlintide e a amilina murina, de fato possuem maior solubilidade em meio aquoso quando comparadas a amilina humana (WESTERMARK et al., 1990). Entretanto, evidências foram encontradas de que segmentos de amilina e a amilina murina, mesmo que solúveis em meio aquoso, são propensos a formação de fibras amiloides (GILEAD; GAZIT, 2008; JAIKARAN et al., 2001; NILSSON; RALEIGH, 1999; GREEN et al., 2003; PALMIERI et al., 2013). O pramlintide possui semelhança estrutural a amilina humana com alterações apenas nos resíduos de aminoácidos alanina 25, serina 28 e serina 29, onde ocorrem as substituições por prolina (PUBCHEM CID 16132430 / 70691388). A amilina murina possui semelhança estrutural com a humana havendo alterações na histidina 18 por arginina, na fenilalanina 23 por leucina, na alanina 25 por prolina, na isoleucina 26 por valina, na serina 28 por prolina e na serina 29 por prolina (PUBCHEM CID 123773280). Desse modo, o pramlintide seria um intermediário entre a amilina murina e a amilina humana, possuindo 3 das 6 alterações entre as amilinas. Tendo em vista que tanto a amilina humana quanto a amilina murina possuem a capacidade de formar agregados amiloides, o presente trabalho começou com a investigação das possíveis condições amiloidogênicas do pramlintide. O primeiro artigo publicado a partir desse trabalho foca em demonstrar por diversas técnicas a capacidade do pramlintide de formar agregados amiloides. Essa agregação é dependente de pH e aumenta proporcionalmente ao aumento do mesmo, é também dependente do tampão. O pramlintide apresentou responsividade a Tioflavina T dependente do tampão e do pH. Ensaios de detecção de fluorescência de Tioflavina T são bastante utilizados para o rastreamento de fibras amiloides (HOBBS; MORGAN, 1963; LEVINE, 1993; WONG et al., 2016). A tioflavina T é uma sustância que se liga de maneira específica 30 e não interage com proteínas nas suas formas monoméricas dobradas, desdobradas ou parcialmente dobradas (SULATSKAYA et al., 2010). Estudos relataram a falta de agregação amilóide observável de pramlintide (WANG et al., 2015), amilina de baiacu (WONG et al., 2016) e amilina murina (ERTHAL et al., 2016) utilizando tampão tris.Cl. Comparando a agregação de amilina humana e pramlintide a pH 7,4 em Tris.Cl e fosfato de sódio, observou-se que enquanto a agregação amilóide de amilina humana é pouco afetada pela escolha do agente tampão, a agregação do pramlintide é retardada na presença de tampão Tris.Cl. Esta sensibilidade de agregação a componentes tampão específicos tem sido observada em outros peptídeos amiloidogênicos (GARVEY et al., 2011; OLSEN et al., 2012; WONG et al., 2016) e pode ser responsável por uma subestimação sistemática do potencial de agregação de análogos de amilina como amilina murina e pramlintide (MILTON; HARRIS, 2013; WANG et al., 2015). A agregação amilóide é um processo em vários estágios, no qual o mal enovelamento é determinante para a geração de espécies propensas a agregação. Estes monômeros amiloidogênicos são então incorporados em uma cascata de interações proteína-proteína até a formação de um núcleo crítico. Depois, uma segunda alteração conformacional faz com que a proteína adote a característica β cruzada de amilóide em um processo rápido (KARAMANOS et al., 2015). Assim, a montagem amilóide é o resultado de rearranjos conformacionais raros combinados com interações proteína-proteína heterogêneas que estão anormalmente interligadas. Desse modo, a agregação amiloide por ser um processo cinético de vários estágios, pode ter um número considerável de variáveis influenciadoras tanto no desencadeamento do processo quanto na manutenção do mesmo. O presente trabalho visou demonstrar que o meio é de suma importância para o desenvolvimento do processo amiloidogênico e que, como visto com a diversas referências e técnicas utilizadas, proteínas que até então não demonstravam organização amiloide podem sim se organizar dessa maneira. A preocupação em relação a uma possível subestimação da potencialidade amiloidogênica de proteínas é a alta toxicidade celular dos oligômeros. Eles são pequenos, podem ser solúveis, interagirem com múltiplos alvos, induzirem a mudança conformacional de outras proteínas homólogas ou heterólogas gerando uma reação 31 em cadeia (FARMER; GERSON; KAYED, 2017; KAYED; LASAGNA-REEVES, 2012; VERMA; VATS; TANEJA, 2015). Mecanismos propostos sobre como a toxicidade oligomérica se dá incluem: efeitos inflamatórios na membrana celular; indução de estresse oxidativo; sequestro de metais de transição; interações específicas e não-específicas com membranas celulares e lipídicas e danos ao DNA (FARMER; GERSON; KAYED, 2017). Além da toxicidade celular já descrita, a formação de agregados amiloides locais pode ser um problema. Como por exemplo a amiloidose iatrogênica por insulina, que é uma massa de agregado amiloide subcutâneo no local de aplicação da insulina. O processo pelo qual se desenvolve a amiloidose iatrogênica por insulina ainda é pouco compreendido devido à raridade de casos. Mas um fator que pode ser importante é o trauma constante devido a necessidade contínua injeções. É aumentado o risco de hipoglicemia devido a absorção errática da insulina depositada (GUPTA; SINGLA; SINGLA, 2015). Produtos biofarmacêuticos podem ter propriedades amiloides e tais propriedades podem ser induzidas durante a armazenagem ou condições de stress (MAAS et al., 2007). Um dos principais problemas no desenvolvimento da formulação é manter a estabilidade da proteína e os fenômenos de agregação são geralmente difíceis de prever e evitar (MAAS et al., 2007). Tanto o FDA quanto a ANVISA citam a necessidade de dados sobre agregados em produtos biotecnológicos (BRASIL, 2010; FDA, 2014). As recomendações são para que sejam avaliadas partículas sub-visíveis com cerca de 2-10µm, entretanto oligômeros podem variar na escala nano o que não seria detectado pelas técnicas propostas (ABEDINI et al., 2016; NEDUMPULLY- GOVINDAN et al., 2016; WEI et al., 2011). Para partículas nessa faixa de tamanho, poucas técnicas de caracterização podem fornecer detalhes de dimensionamento quantitativo. Dessa forma, diferentes abordagens analíticas deveriam ser aplicadas, cada uma com seu próprio intervalo de dimensionamento. Isso pode representar um grande desafio e uma resistência das indústria pois seriam mais passos necessários para o registro. O uso de mais de uma técnica para a caracterização de biofármacos é recomendado pelas autoridades reguladoras porque gera uma visão mais completa do produto e evita a dependência de tecnologias únicas. 32 Outro alerta em relação ao uso de biofármacos é o risco da formação de anticorpos, essa imunogenicidade pode se dar por diversos fatores como por exemplo a procedência da sequência proteica, se é nativa ou não, modificações pós- traducionais, glicosilações, peguilaçõesdentre outras, que podem levar a alterações farmacodinâmicas e desenvolvimento de reações adversas (SCHELLEKENS, 2002). Tais problemas de imunogenicidade são motivo de preocupação quanto à eficácia terapêutica e segurança do paciente. Levantar a discussão sobre as condições de agregação de proteínas, principalmente as utilizadas como biofármacos é bastante importante visando justamente a criação e implementação de técnicas de rastreamento de espécies agregadas em produtos finais acabados. É importante também levar em consideração a orientação do uso e armazenamento correto do medicamento pelo paciente, frisando a manutenção das condições ideais para que seja garantida a dose e a segurança do mesmo. O pramlintide em sua formulação Symlin é mantido em um pH por volta de 4,0 (FDA, 2005) o que é um pH onde não foi encontrado sinal de fluorescência de ThT significativo comparativamente com os outros pHs mais altos. Ele é indicado como tratamento adjuvante para diabetes em conjunto com a insulina (FDA, 2005), portanto uma co-formulação de ambos os fármacos seria de grande valia e avanço no tratamento de pacientes diabéticos insulinizados. Poucos estudos de análise físico-química entre insulina e pramlintide são encontrados, entretanto evidências de incompatibilidade farmacotécnicas são bem conhecidas: o symlin é formulado em pH 4,0 enquanto as insulinas são geralmente formuladas em pH próximo ao neutro (POULSEN; LANGKJ\A ER; WORSØE, 2005; POULSEN; LANGKJÆR; WORSØE, 2007), com excessão da glargina que é também formulada em pH 4,0 (FDA, 2000). Um estudo avaliou a preparação extemporânea de insulina regular e pramlintide comparativamente com os produtos isolados e não encontrou diferenças no perfil farmacocinético (WEYER et al, 2005), no entanto vale ressaltar que o uso foi imediato e não foram avaliados parâmetros físico químicos da preparação. 33 A partir do estudo que o nosso grupo fez com o pramlintide e pela a falta de estudos com insulina, partimos para a análise conjunta que gerou o segundo artigo desse trabalho. Como o pramlintide tem um tempo de meia-vida curto, por volta de 30-50 minutos (MCQUEEN, 2005), faria sentido analisar a co-formulação com a insulina regular e com as insulinas de ação ultra-rápida. Desse modo, os análogos de insulinas analisados foram insulina regular Humulin R® ou Novolin R®; e os análogos de ação ultra-rápida Aspart NovoLog® e LisPro Humalog®. Tanto a insulina (NILSSON; DOBSON, 2003; SLUZKY; KLIBANOV; LANGER, 1992; UVERSKY et al., 2003) quanto o pramlintide são capazes de formar agregados isolados em condições específicas. Desse modo partiu-se então para a verificação dos meios mais ou menos propensos a agregação tanto isolada quanto conjunta das proteínas eleitas. Como demonstrado na tabela 1 do segundo artigo, as insulinas são formuladas em fosfato de sódio em pH neutro/básico e o pramlintide é formulado em acetato de sódio em pH ácido. O ensaio foi conduzido então nos tampões fosfato de sódio, acetato de amônio e acetato de sódio tanto em pH 7,0 quanto em pH 5,0 para ver o comportamento dos polipeptídeos nessas condições. A condição de fosfato de sódio pH 7,0 se mostrou a menos favorável para a manutenção da estabilidade para a maioria das formulações testadas enquanto a condição de acetato de sódio pH 5,0 se mostrou a mais favorável. O pramlintide se mostra mais instável sozinho ou em combinação em qualquer dos tampões em pH 7,0, o que mais uma vez corrobora com sua maior estabilidade em pHs mais ácidos. Visando uma formulação coerente com as necessidades de aplicação para os pacientes diabéticos, seria de maior interesse a co-formulação do pramlintide com um análogo de insulina ultra-rápido. A tentativa da co-formulação com a insulina Aspart em concentrações mais elevadas foi limitada pela formação de agregados em pH5,0 que não se redissolviam. Comparativamente o anólogo LisPro se demonstrou mais estável do que o Aspart nas condições testadas. Dessa forma, partiu-se para a análise da combinação pramlintide + LisPro em acetato de sódio pH 5,0. 34 O metacresol é um composto fenólico muitíssimo utilizado como preservante em formulações injetáveis (SINGH; HUTCHINGS; MALLELA, 2011). O análogo de insulina LisPro forma hexâmetros na presença de zinco e fenol e se degrada mais rapidamente com a depleção do fenol (TESKA et al., 2014), o que além de preservante demonstra um papel de estabilizante para o metacresol na formulação. Entretanto já foi visto que compostos fenólicos podem induzir um processo de agregação em compostos proteicos (BIS; MALLELA, 2014; HUTCHINGS et al., 2013; MAA; HSU, 1996), como o metacresol está presente tanto na formulação do análogo de insulina LisPro quanto na formulação do pramlintide, Symlin, testou-se então a influência do metacresol no incremento de fluorescência de ThT. O metacresol não influenciou nem nos peptídeos sozinhos nem na combinação quando comparados em função do incremento de fluorescência de ThT aos seus controles sem metacresol. Até então todas as análises foram feitas com a concentração de peptídeos de 50µM, no entanto o pramlintide é formulado a 600μg/mL o que corresponde a aproximadamente 150µM e o análogo LisPro é formulado a 100 IU/mL (3.5 mg/mL) o que corresponde a aproximadamente 600µM. De uma visão terapêutica, é indicada a redução de cerca de 50% da dose de insulina após a introdução do pramlintide no esquema de tratamento (FDA, 2005). A partir dessa premissa, foi testada então a co- formulação de pramlintide a 150µM e LisPro a 300µM em acetato de sódio 50mM pH 5,0. A co-formulação de pramlintide a 150µM e LisPro a 300µM em acetato de sódio 50mM pH 5,0 possui uma turbidez transiente logo após a mistura das proteínas. Esse fenômeno é comum em interações proteicas, ensaios de cristalização e não necessariamente implica em desestabilidade da formulação (HAUPERT; SIMPSON, 2011; LIMA et al., 2006) . Utilizando o pramlintide em fosfato de sódio pH 7,0 como controle positivo, que demonstrou um perfil de agregação coerente com o já visto durante todo o trabalho foi possível demonstrar a estabilidade da co-formulação durante o tempo de experimento de quase 96h. Vale ressaltar que os experimentos de estabilidade da formulação foram realizados a 25ºC e a co-formulação eleita ficou estável por quase 4 dias nessas condições. 35 O uso do pramlintide como adjuvante no tratamento com LisPro em seringas separadas já foi demonstrado e bem sucedido tanto para diabetes tipo 1 quanto para o tipo 2 (MAGGS et al., 2004; WEYER et al., 2003). A demonstração da estabilidade de uma co-formulação pode facilitar o desenvolvimento e a produção de diversos tipos de formas farmacêuticas dessa formulação. Mais estudos são necessários para a complementação desse trabalho e possível desenvolvimento de uma forma farmacêutica final, como análise de estabilidade a longo prazo, análise de estabilidade em baixa temperatura e influência de outros adjuvantes a formulação. O conjunto de informações geradas por esse trabalho adiciona peças a uma maior compreensão das interações proteicas em diferentes condições e como essas condições podem influenciar no processo de agregação amiloide. 36 6. CONCLUSÃO O presente trabalho demonstrou a potencialidade do pramlintide em se organizar de forma oligomérica e também em agregados de maior ordem, como fibras amiloides. Investigou a influência do meio no processo de agregação, demonstrando dependência de pH e do agente tampão. Demonstrou características marcantes da presença de agregados amiloides através de diversas técnicas de análise morfológica e de estrutura secundária. Também demonstrou a capacidade do pramlintide de se associar a diferentes análogos de insulina de forma oligomérica. Investigou a influência do tampãoe do pH no processo de agregação dos análogos de insulina sozinhos e em conjunto com o pramlintide, demonstrando as condições mais ou menos favoráveis a agregação proteica. Elegeu também uma combinação de análogo de insulina e pramlintide e a melhor condição para o desenvolvimento de uma co-formulação, além de demonstrar a estabilidade a curto prazo dessa co-formulação. Esta dissertação apresentou um conjunto de resultados em que demonstramos que mesmo pramlintide, um análogo de amilina humana considerável estável e empregado na prática terapêutica desde 2005, ainda detem propriedades amiloidogênicas quando colocados em condições fora de sua maior estabilidade (encontrada em Acetato de sódio, pH 4.0, a baixa temperatura, tal qual é formulado). A elevação de pH resulta em agregação amilóide, o que impede sua co-formulação com insulina regular que não é estável a pH menor que 7 (devido a ponto isoelétrico e amiloidogenese de insulina nesta condição). De outra sorte, demonstramos que insulina aspart e LisPro ficam estáveis a pH mais baixo, sendo ainda possível formular a LisPro a pH 5.0 em alta concentração com pramlintide também em alta concentração, demonstrando-se estável contra agregação amilóide por pelo menos 4 dias a 25ºC. Esses dados em conjunto demonstram o potencial de obter uma coformulação de pramlintide com insulina ultrarápida. Passos futuros envolvendo estudos a mais longo prazo, estudos toxicológicos, pré-clínicos e clínicos são desejáveis para tentar viabilizar a chegada de um produto co-formulado até pacientes. 37 7. BIBLIOGRAFIA ABEDINI, A. et al. Time-resolved studies define the nature of toxic IAPP intermediates, providing insight for anti-amyloidosis therapeutics. eLife, v. 5, 2016. 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