Строение и применение в медицине гиалуроновой кислоты. Гиалуроновая кислота для кожи и суставов: свойства, назначение, противопоказания Хрусталик состоит из гиалуроновой кислоты

Молекулярная формула: (C14H21NO11)n
Растворимость в воде: растворим (натриевая соль)
LD50:
2400 мг / кг (мыши, пероральное введение, натриевая соль)
4000 мг / кг (мыши, подкожное введение, натриевая соль)
1500 мг / кг (мыши, внутрибрюшное введение, натриевая соль)
Связанные соединения: D-глюкуроновая кислота и DN-ацетилглюкозамина (мономеры)
Гиалуроновая кислота (гиалуронат или ГК) является анионным, не сульфатированным гликозаминогликаном, широко распространяется в соединительной, эпителиальной и нервной ткани. Является уникальным среди гликозаминогликанов соединением, поскольку представляет собой не сульфатированную форму, формируется в плазматической мембране, а не в Гольджи, и может достигать очень больших размеров, с молекулярной массой, часто достигающей миллионов. Являясь одним из основных компонентов внеклеточного матрикса, гиалуроновая кислота в значительной степени способствует пролиферации и миграции клеток, а также может быть вовлечена в развитие некоторых злокачественных опухолей. В среднем, у человека с весом 70 кг (154 фунтов) содержится в организме около 15 граммов гиалуроновой кислоты, одна треть из которой восполняется (деградирует и синтезируется) каждый день. Гиалуроновая кислота является также составной частью стрептококковой группы А внеклеточной капсулы А, и, как полагают, играет важную роль в вирулентности (степени патогенности микроорганизма).

Медицинское применение

Гиалуроновая кислота иногда используется для лечения остеоартрита коленного сустава в виде препарата для инъекций в сустав. Эффективность гиалуроновой кислоты при таком применении, однако, не была доказана, и такое использование может быть связано потенциально с серьезными побочными эффектами. Такие симптомы, как сухая, чешуйчатая кожиа (ксероз), вызванные, например, атопическим дерматитом (экземой), могут лечиться с использованием лосьона для кожи, содержащего гиалуронат натрия в качестве активного ингредиента. При некоторых видах рака, уровни гиалуронана коррелируют со злокачественностью и плохим прогнозом. Гиалуроновая кислота, таким образом, часто используется в качестве опухолевого маркера для определения рака предстательной железы и рака молочной железы. Вещество также может использоваться для мониторинга прогрессирования заболевания. Гиалуроновая кислота также может быть использована в послеоперационном периоде для заживления тканей, особенно после хирургии катаракты. Современные модели заживления ран предлагают использовать более крупные полимеры гиалуроновой кислоты на ранних стадиях заживления, что позволит физически освободить место для белых кровяных клеток, опосредующих иммунный ответ. Гиалуроновая кислота также используется в синтезе биологических каркасов для заживления ран. Эти каркасы, как правило, содержат белки, такие как фибронектин, прикрепленные к гиалуроновой кислоте, чтобы облегчить миграцию клеток в рану. Это особенно важно для людей, страдающих диабетом и хроническими ранами. В 2007 году EMA продлила свое одобрение на препарат Hylan GF-20 для лечения боли при остеоартрите лодыжки и предплечья.

Функции

До конца 1970-х годов, гиалуроновую кислоту считали «вязкой» молекулой, распространенным углеводным полимером и частью внеклеточного матрикса. Гиалуроновая кислота является основным компонентом синовиальной жидкости, которое повышает вязкость жидкости. Наряду с лубрицином, гиалуроновая кислота является одним из основных смазочных компонентов жидкости. Гиалуроновая кислота является важным компонентом суставного хряща, где она служит покрытием вокруг каждой ячейки (хондроцитов). Когда аггрекановые мономеры связываются с гиалуроновой кислотой в присутствии белка, образуются большие, высоко отрицательно заряженные агрегаты. Эти агрегаты впитывают воду и отвечают за упругость хряща (его устойчивость к компрессии). Молекулярная масса (размер) гиалуроновой кислоты в хряще уменьшается с возрастом, но при этом ее количество увеличивается. Гиалуроновая кислота является также основным компонентом кожи и участвует в процессах восстановления тканей. Когда кожа подвергается чрезмерному воздействию ультрафиолетовых лучей спектра B, она становится воспаленной (образуются солнечные ожоги), и клетки в дерме прекращают производство большого количества гиалуроновой кислоты, и увеличивают скорость ее деградации. После ультрафиолетового облучения, продукты деградации гиалуроновой кислоты накапливаются в коже. Присутствуя в изобилии во внеклеточной матрице, гиалуроновая кислота также воздействует на гидродинамику ткани, движение и пролиферацию клеток, а также участвует в ряде взаимодействий рецепторов клеточной поверхности, в том числе основных рецепторов, CD44 и RHAMM. Стимуляция CD44 широко применяется в качестве маркера активации клеток в лимфоцитах. Воздействие Гиалуронана на рост опухоли может быть связано с его взаимодействием с CD44. Рецептор CD44 участвует во взаимодействиях клеточной адгезии, опосредованной с опухолевыми клетками. Несмотря на то, что гиалуроновая кислота связывается с рецептором CD44, есть свидетельства того, что продукты деградации ГК преобразуют их импульс воспаления через толл-подобный рецептор 2 (TLR2), TLR4 или через оба рецептора TLR2 и TLR4 в макрофаги и дендритные клетки. Толл-подобный рецептор и гиалуроновая кислота играют важную роль в формировании врожденного иммунитета. Высокие концентрации гиалуроновой кислоты в мозге крысят, и пониженные концентрации в мозге взрослых крыс, наводят на мысль, что ГК играет важную роль в развитии мозга.

Структура

Свойства ГК впервые были установлены в 1930 году в лаборатории Карла Мейера. Гиалуроновая кислота представляет собой полимер дисахаридов, которые входят в состав D-глюкуроновой кислоты и DN-ацетилглюкозамина, связанные через чередующиеся β-1,4 и β-1,3 гликозидные связи. Гиалуроновая кислота может состоять из 25000 повторяющихся единиц дисахарида в длину. Полимеры ГК могут варьироваться в размере от 5000 до 20000 тысяч Да в естественных условиях. Средняя молекулярная масса гиалуроновой кислоты в синовиальной жидкости человека составляет 3-4 млн Да, а молекулярная масса гиалуроновой кислоты, выделенной из пуповины человека, составляет 3140000 Да. Гиалуроновая кислота является энергетически стабильным веществом, отчасти из-за стереохимии составляющих ее дисахаридов. Громоздкие группы в каждой молекуле сахара находятся на пространственно привилегированных позициях, в то время как меньшие атомы водорода занимают менее благоприятные осевые положения.

Биологический синтез

Гиалуроновая кислота синтезируется классом интегральных мембранных белков, называемых гиалуроновыми синтазами, три типа которых присутствуют у позвоночных: Has1, HAS2, и HAS3. Эти ферменты постепенно удлиняют гуалуронан, попеременно добавляя к нему N – ацетилглюкозамин и глюкуроновую кислоту, в то время пока он выталкивается через ABC-транспортер и через клеточную мембрану во внеклеточное пространство. Синтез гиалуроновой кислоты ингибируется 4-метилумбеллифероном (гимекромон, гепарвит), производной 7-гидрокси-4-метилкумарина. Это селективное ингибирование (без ингибирования других гликозаминогликанов) может оказаться полезным в предотвращении метастазирования злокачественных опухолевых клеток. Недавно была создана генетически модифицированная (ГМО) сенная палочка для получения ГК, в виде запатентованного продукта, пригодного для употребления человеком.

Клеточные рецепторы гиалуроновой кислоты

На настоящий момент, клеточные рецепторы ГК делятся на три основных группы: CD44, рецептор для ГК-опосредованной моторики (RHAMM) и молекула межклеточной адгезии -1. CD44 и ICAM-1 уже были известны как молекулы клеточной адгезии с другими признанными лигандами, до того как было открыто их связывание с ГК. Рецептор CD44 широко распространен по всему телу. Формальная демонстрация связывания ГК-CD44 была предложена Аруффо и соавторами в 1990 году. На сегодняшний день CD44 признан в качестве основного клеточного поверхностного рецептора ГК. CD44 опосредует взаимодействие клеток с ГК и связывание двух функций в качестве важной части в различных физиологических функциях, таких как агрегация, миграция, пролиферация и активация клеток; адгезия клетка-клетка и клетка-субстрат; эндоцитоз ГК, который приводит к катаболизму ГК в макрофагах и т.д. Две значимые роли CD44 в кожных процессах были выдвинуты Кая и другими. Первая заключается в регулировании пролиферации кератиноцитов в ответ на внеклеточные стимулы, а вторая – в поддержании местного гомеостаза ГК. ICAM-1 (фактор межклеточной адгезии 1) известен, главным образом, как метаболический рецептор клеточной поверхности ГК, этот белок может отвечать в основном за клиренс ГК из лимфы и плазмы крови, на его долю приходится, возможно, большая часть всего метаболизма ГК в организме. Таким образом, связь лиганда данного рецептора вызывает высоко скоординированный каскад событий, который включает в себя формирование эндоцитозного пузырька, его соединение с первичными лизосомами, ферментативное расщепления до моносахаридов, активный трансмембранный перенос этих сахаров в клеточном соке, фосфорилирование аспарагиновой кислоты и ферментативное ацетилирование. ICAM-1 может также служить в качестве молекулы клеточной адгезии, связь ГК с ICAM-1 может способствовать контролю ICAM-1-опосредованной воспалительной активации.

Расщепление

Гиалуроновая кислота расщепляется семейством ферментов, называемым гиалуронидазы. В организме человека присутствует, по крайней мере, семь типов ферментов гиалуронидазы, некоторые из которых являются опухолевыми супрессорами. Продукты распада гиалуроновой кислоты, олигосахариды и ГК с очень с низким молекулярным весом, проявляют проангиогенные свойства. В дополнение к этому, недавние исследования показали, что фрагменты гиалуроновой кислоты могут вызывать воспалительные реакции макрофагов и дендритных клеток на месте поврежденной ткани и пересажанной кожи.

Действие

Заживление ран

Кожа обеспечивает механический барьер для внешней среды и действует для предотвращения проникновения инфекционных агентов. Поврежденная ткань подвержена инфицированию; поэтому, быстрое и эффективное лечение имеет решающее значение для реконструкции барьерной функции. Заживление ран на коже представляет собой сложный процесс, и включает в себя множество взаимодействующих процессов, опосредованных гемостазом и выделением тромбоцитарных факторов. Следующими этапами являются: воспаление, образование грануляционной ткани, эпителизация и реконструкция. ГК, вероятно, играет многогранную роль в ходе этих клеточных и матричных процессов. ГК, предположительно, играет роль в заживлении ран кожи.

Воспаление

Многие биологические факторы, такие как факторы роста, цитокины, эйкозаноиды и т.д., генерируются в процессе воспаления. Эти факторы являются необходимыми на последующих стадиях заживления ран, поскольку отвечают за миграцию воспалительных клеток, фибробластов и эндотелиальных клеток в месте раны. В начале воспалительной фазы процесса заживления раны, поврежденная ткань насыщена ГК. Вероятно, это является отражением повышенного синтеза ГК. ГК действует как стимулятор на ранней стадии воспаления и имеет решающее значение в процессе заживления всей поврежденной ткани. Для совершенствования клеточной инфильтрации, велись наблюдения за ГК в мышиной модели воздушного мешка (доклинические исследования; в спинной области мышей создается полость при помощи подкожного введения стерильного воздуха) воспаления, индуцированного каррагинаном/IL-1. Кабаши и его коллеги показали дозозависимое увеличение производства провоспалительных цитокинов TNF -α и IL-8 с помощью маточных фибробластов человека в концентрации ГК от 10 мкг/мл до 1 мг/мл через опосредованный CD44- механизм. Клетки эндотелия, в ответ на воспалительные цитокины, такие как TNF-α, и бактериальные липополисахариды, также синтезируют ГК, что облегчает первичную адгезию цитокин-активированных лимфоцитов, экспрессирующих виды ГК-связи CD44 при условиях ламинарного и статического потока. Интересно отметить, что ГК имеет противоположные двойные функции в воспалительном процессе. Она не только может способствовать заживлению воспаления, как указано выше, но также может вызывать умеренную воспалительную реакцию, которая может способствовать стабилизации матрицы грануляционной ткани.

Гранулирование и организация матрицы грануляционной ткани

Грануляционная ткань является перфузируемой, волокнистой соединительной тканью, которая заменяет сгусток фибрина при заживлении ран. Она, как правило, растет от основания раны и способна заполнить рану практически любых размеров. ГК присутствует в изобилии в матрице грануляционной ткани. Все разнообразие функций клеток, которое необходимо для восстановления тканей, можно приписать к богатой ГК сети. Эти функции включают в себя содействие миграции клеток в предварительной матрице раны, клеточную пролиферацию и организацию матрицы грануляционной ткани. Инициирование воспаления имеет решающее значение для формирования грануляционной ткани, поэтому провоспалительная роль ГК, как описано выше, также вносит свой вклад в эту стадию заживления ран.

ГК и миграция клеток

Миграция клеток имеет важное значение для формирования грануляционной ткани. Ранняя стадия развития грануляционной ткани опосредована богатым ГК внеклеточным матриксом, который рассматривается в качестве благоприятной среды для миграции клеток в этой временной матрице раны. Роль ГК в миграции клеток можно объяснить ее физико-химическими свойствами, как указано выше, а также ее прямым взаимодействием с клетками. Для осуществления первого сценария, ГК предоставляет собой открытую водосодержащую матрицу, которая облегчает миграцию клеток, тогда как в последнем случае, направленная миграция и контроль двигательных механизмов клетки опосредованы через специфическое взаимодействие клеток между ГК и поверхностными клеточными рецепторами ГК. Как уже говорилось ранее, тремя главными поверхностными клеточными рецепторами ГК являются CD44, RHAMM, и ICAM-1. RHAMM больше связан с клеточной миграцией. Он образует связи с несколькими протеинкиназами, связанными с клеточной локомоцией, например, внеклеточной регулируемой протеинкиназой (ERK), p125fak и pp60c-Src. Во время эмбрионального развития, путь миграции, через который мигрируют клетки нервного гребня, богат ГК. ГК тесно связана с процессом миграции клеток в матрице грануляционной ткани, исследования показывают, что движение клеток может быть перекрыто, по крайней мере, частично, деградацией ГК или путем блокирования связывания ГК с рецептором. Обеспечивая динамическую силу в клетке, синтез ГК также связан с клеточной миграцией. Как правило, ГК синтезируется в плазматической мембране и выходит непосредственно во внеклеточную среду. Это может способствовать гидратации микросреды в местах синтеза, и имеет важное значение для миграции клеток путем содействия клеточному отщеплению.

Роль ГК при регулировании воспалительного ответа

Хотя воспаление является составной частью формирования грануляционной ткани, для нормального восстановления тканей, должно процесс воспаления следует сдержать. Гранулированная ткань подвержена воспалениям, имеет высокую скорость метаболизма, опосредованного деградацией матричных ферментов и реакционноспособных метаболитов кислорода, которые являются продуктами воспалительных клеток. Стабилизация матрицы грануляционной ткани может быть достигнута путем сдерживания воспаления. ГК функционирует как важный фактор в этом процессе замедления, что противоречит ее роли в воспалительной стимуляции, как описано выше. ГК может защитить от вредного воздействия свободных радикалов на клетки. В исследованиях Фоши Д. и коллег на крысиной модели, было показало, что ГК поглощает свободные радикалы, тем самым уменьшая ущерб, нанесенный грануляционной ткани. В дополнение к роли поглощения свободных радикалов, ГК может также функционировать в отрицательной обратной петле воспалительной активации через ее специфические биологические взаимодействия с биологическими компонентами воспаления. ФНО-α, важный цитокин, генерируемый при воспалении, стимулирует экспрессию TSG-6 (ФНО-стимулирующего гена 6) в фибробластах и воспалительных клетках. TSG-6, ГК-связывающий белок, также образует стабильный комплекс с сывороточным ингибитором протеиназы IαI (Inter-α-ингибитор), оказывая синергический эффект на плазмин-ингибирующую активность последнего. Плазмин вовлечен в активацию протеолитического каскада матриксных металлопротеиназ и других белков, ведущих к воспалительному повреждению ткани. Таким образом, действие TSG-6/IαI комплексов, которые могут быть дополнительно организованны посредством связывания с ГК во внеклеточном матриксе, могут служить в качестве мощной петли отрицательной обратной связи при умеренном воспалении и стабилизировать грануляционную ткань, по мере того как заживление будет прогрессировать. В мышиной модели воздушного мешка при воспалении, индуцированном каррагенаном/ИЛ-1 (интерлейкином-1β), где ГК проявляла противовоспалительные свойства, уменьшение воспаления могло быть достигнуто путем введения TSG-6. Результат при этом сопоставим с системной терапией дексаметазоном.

Реэпителизация

ГК играет важную роль в нормализации эпидермиса. ГК имеет важные функции в процессе реэпителизации, за счет нескольких своих свойств. Она служит в качестве неотъемлемой части внеклеточного матрикса базальных кератиноцитов, которые являются основными составляющими эпидермиса; ГК служит для «очищения» кожи от свободных радикалов и играет роль в пролиферации и миграции кератиноцитов. В нормальной коже, ГК в относительных высоких концентрациях содержится в базальном слое эпидермиса, где находятся пролиферирующие кератиноциты. CD44 соединяется с ГК в базальном слое эпидермиса, где он экспрессируется на плазме мембраны, сталкиваясь с богатыми ГК матричными мешочками. Основными функциями ГК в эпидермисе являются поддержание внеклеточного пространства и обеспечение открытой и гидратированной структуры для прохождения питательных веществ. Тамми П. и другие его коллеги обнаружили увеличение содержания ГК при наличии ретиноевой кислоты (витамина А). Предлагаемые эффекты ретиноевой кислоты в отношении фото-повреждения и старения кожи могут быть связаны, по крайней мере, частично, с увеличением содержание ГК в коже, порождая увеличение гидратации ткани. Было высказано предположение, что свойство ГК по удалению свободных радикалов способствует защите от солнечного излучения, поддерживает роль CD44 в качестве рецептора ГК в эпидермисе. Эпидермальная ГК также функционирует в качестве манипулятора в процессе пролиферации кератиноцитов, что очень важно для нормального функционирования эпидермиса, а также во время эпителизации при восстановлении тканей. В процессе заживления ран, ГК экспрессируется по краям раны, в матрице соединительной ткани. Кая и соавторы показали, что подавление экспрессии CD44 с помощью определенного трансгена, приводит в результате у животных к дефициту ГК и различным морфологическим изменениям базальных кератиноцитов и неправильному распространению кератиноцитов в ответ на митоген и факторы роста. Наблюдалось также снижение эластичности кожи, нарушение местной воспалительной реакции и нарушения репарации тканей. Их наблюдения поддерживают важную роль ГК и CD44 в физиологии кожи и восстановлении тканей.

Эмбриональное заживление ран и рубцов

Отсутствие волокнистых рубцов является основным признаком заживления ран у плода. Даже в течение более длительных периодов, содержание ГК в ранах плода выше, чем в ранах у взрослых, что позволяет предположить, что ГК, по крайней мере, частично, снижает отложение коллагена и поэтому приводит к снижению образования рубцов. Это предположение согласуется с исследованиями Веста и др., которые показали, что изъятие ГК у взрослых и у плода на поздних сроках беременности вызывает появление фиброзных рубцов.

Роль в метастазировании

Синтазы гиалуроновой кислоты (ГКС) играют роль во всех стадиях раковых метастазов. При производстве анти-адгезионной ГК, ГКС может позволить опухолевым клеткам освободиться от первичной опухолевой массы, и если ГК связывается с рецепторами, такими как CD44, активация ГТФазы может способствовать эпителиальным-мезенхимальным переходам (ЭМП) раковых клеток. Во время процессов интровазации или экстравазации, взаимодействие ГКС, производящих ГК рецепторы, такие как CD44 и RHAMM, провоцирует изменения в клетках, которые позволяют раковым клеткам проникать в кровеносную или лимфатическую системы. Во время передвижения в этих системах, ГК, производимая ГКС, защищает раковые клетки от механических повреждений. Наконец, в формировании метастатических поражений, ГКС производит ГК, чтобы позволить раковым клеткам взаимодействовать с родными клетками на вторичном узле, и производить опухоль. Гиалуронидазы (HAase или HYAL) также играют множество ролей в формировании раковых метастаз. Помогая разрушать внеклеточный матрикс, окружающий опухоль, гиалуронидазы помогают раковым клеткам уходить от первичной массы опухоли и играют важную роль в интровазии, позволяя осуществлять распад базальной лимфатической мембраны или кровеносного сосуда. Гиалуронидазы участвуют в создании метастатического поражения, способствуя экстравазации и очищая внеклеточный матрикс. Наконец, гиалуронидазы играют ключевую роль в процессе ангиогенеза. Фрагменты ГК стимулируют ангиогенез и гиалуронидазы, производящие эти фрагменты. Интересно, что гипоксия также увеличивает производство ГК и активность гиулоронидазов. Рецепторы гиалуроновой кислоты, CD44 и RHAMM, наиболее хорошо изучены с точки зрения их роли в раковом метастазировании. Повышенная экспрессия CD44 клинически положительно коррелирует с метастазами в ряде типов опухолей. CD44 влияет на адгезию опухолевых клеток друг к другу и к эндотелиальным клеткам, перестраивает цитоскелет через Rho ГТФазу, и увеличивает активность разрушающих ферментов внеклеточного матрикса. Повышенная экспрессия RHAMM также клинически коррелировала с метастазами рака. С точки зрения механики, RHAMM способствует подвижности раковых клеток через ряд путей, включая фокальную киназу адгезии (ФАК), МАР-киназу (МАРК), PP60 (с-SRC), и ГТФазы. Рецептор ГК-индуцированной подвижности может также взаимодействовать с CD44, стимулируя ангиогенез в сторону метастатического поражения.

Инъекции гиалуроновой кислоты

Гиалуроновая кислота является распространенным ингредиентом в продуктах по уходу за кожей. До недавнего времени, наполнители гиалуроновой кислоты вводили, используя классическую острую иглу для подкожных инъекций. Игла проходила через нервы и сосуды, вызывая боль и синяки. В 2009 году была разработана новая техника, с помощью которой кожа прокалывается острой иглой, а затем микроскопическая полая игла скользит под кожей, не прокалывая ее глубже.

Добавки в коневодстве

Гиалуроновая кислота используется для лечения суставных заболеваний у лошадей, в особенности во время соревнований или тяжелой работы. ГК предписывается при запястной и скакательной дисфункции, при отсутствии подозрений на сепсис или перелом. Часто используется при синовите, связанном с остеоартритом у лошадей. Вещество может вводиться непосредственно в пораженный сустав, или внутривенно при менее локализованных нарушениях. Может вызывать слабое нагревание связок при прямом введении, но не влияет на клинические результаты. При внутрисуставном введении, лекарство полностью метаболизируется, менее чем за неделю. Обратите внимание, что, в соответствии с канадским регулированием, гиалуроновая кислота, HY-50, не должна вводиться животным, предназначенным на убой. В Европе, однако, не считают, что этот препарат оказывает какой-либо эффект и влияет на вкусовые качества конины.

Этимология

Гиалуроновая кислота извлекается из гилоса (от греч. «стекловидное тело») и уроновой кислоты, так как она была впервые выделена из стекловидного тела и обладает высоким содержанием уроновой кислоты. Термин «гиалуронат» относится к сопряженной основе гиалуроновой кислоты. Поскольку молекула, как правило, присутствует в естественных условиях в полианионном виде, ее обычно называют гиалуроновой кислотой.

История

Гиалуроновая кислота содержится во многих тканях организма, таких как кожа, хрящи и стекловидное тело. Поэтому она хорошо подходит в качестве дополнения биомедицинских добавок, ориентированных на эти ткани. Первый биомедицинский продукт из ГК, Геалон, был разработан в 1970-х и 1980-х гг. компаний Pharmacia, и предназначался для использования в хирургии глаза (а именно, при пересадке роговицы, хирургии катаракты, глаукомы, и операциях по восстановлению отслоенной сетчатки). Другие биомедицинские компании также производят марки ГК для использования в глазной хирургии. Исходный гиалуронан имеет относительно короткий период полураспада (что было показано в опытах на кроликах), поэтому для увеличения длины цепи и стабилизации молекулы для ее использования в медицинских целях были разработаны различные технологии производства. Использовались такие методы, как внедрение перекрестных связей на основе белка, внедрение молекул, поглощающих свободные радикалы, таких как сорбит, и минимальная стабилизация цепей ГК с помощью химических агентов, например, стабилизированная гиалуроновая кислота неживотного происхождения. В конце 1970-х, интраокулярная имплантация линз часто сопровождалась тяжелым отеком роговицы, за счет повреждения эндотелия клеток во время операции. Было очевидно, что необходима вязкая, прозрачная, физиологическая смазка для предотвращения такого соскоба из эндотелиальных клеток.

Исследования

Благодаря своей высокой биосовместимости и присутствию во внеклеточном матриксе тканей, гиалуроновая кислота становится популярной в качестве биоматериала в исследованиях тканевой инженерии. В частности, ряд научно-исследовательских групп обнаружили особые свойства гиалуроновой кислоты в области тканевой инженерии. Эта дополнительная функция позволяет исследователям сформировать требуемую форму, а также воспроизвести терапевтические молекулы. Гиалуроновая кислота может быть создана путем присоединения тиолов (торговое название: Extracel, HyStem), метакрилатов, гексадисиломидов (торговое название: Hymovis), и тираминов (торговое название: Corgel). Гиалуроновая кислота также может быть создана нарямую из формальдегида (торговое название: Hylan-A) или из дивинилсульфона (торговое название: Hylan-B). Благодаря своей способности регулировать ангиогенез путем стимулирования пролиферации эндотелиальных клеток, гиалуроновая кислота может быть использована для создания гидрогелей для изучения морфогенеза сосудов. Эти гидрогели имеют свойства, подобные человеческим мягким тканям, но также легко контролируются и изменяются, что делает ГК очень подходящим веществом для исследований в области тканевой инженерии. Например, гидрогели ГК применяются для воспроизводства сосудистой сети из эндотелиальных клеток-предшественников с использованием соответствующих факторов роста, таких как VEGF и Ang-1, чтобы способствовать пролиферации и образованию сосудистой сети. В этих гелях имеется вакуоль (небольшая полость) и образование просвета, сопровождаемые разветвлением и прорастанием через деградацию гидрогеля и, в конечном счете, образующие конструкцию сложной сети. Способность генерировать сосудистые сети, используя гидрогели ГК, приводит к возможности клинического применения ГК. В исследовании в естественных условиях, когда гидрогель ГК с эндотелиальными колониеобразующими клетками были имплантированы мышам через три дня после формирования гидрогеля, воспроизведенная сосудистая сеть прижилась в течение 2 недель после имплантации. Это указывает на жизнеспособность и функциональность сосудистой сети.

Гиалуроновая кислота купить

Гиалуроновая кислота является достаточно важным компонентом, который входит в состав соединительной ткани, а также содержится в биологических жидкостях (в частности - синовиальной) и производится гиалуронат-синтетазами (класс мембранных белков). Гиалуроновая кислота является трансдермальной системой доставки многих других активных компонентов, необходимых для здоровья кожи лица. На рынке существует масса препаратов, содержащих в качестве компонента гиалуроновую кислоту, и применяемых в косметологии и медицине.

Гиалуронан представляет собой гликозаминогликан, который образует во внеклеточном матриксе огромные комплексы с протеогликанами. Особенно в большом количестве эти комплексы присутствуют в хрящевой ткани, где гиалуронан посредством линкерного белка связывается с протеогликаном агреканом

Гиалуронан несет сильный отрицательный заряд и поэтому во внеклеточном пространстве связывается с катионами и с молекулами воды. Это приводит к увеличению жесткости внеклеточного матрикса и создает между клетками водяную подушку, которая гасит силы сжатия

Гиалуронан состоит из повторяющихся единиц дисахаридов, связанных в длинные цепи

В отличие от других гликозаминогликанов, гиалуронановые цепи синтезируются на цитозольной поверхности плазматической мембраны и затем выходят из клетки

Клетки связываются с гиалуронанами с участием семейства рецепторов, известных под названием гиаладгерины, которые инициируют сигнальные процессы, контролирующие миграцию клеток и сборку цитоскелета

Гиалуронан (ГК), также известный под названием гиалуроновая кислота или гиалуронат, представляет собой глюкозаминогликан (ГАГ). В отличие от других гликозаминогликанов (ГАГ), связанных с внеклеточном матриксом, гиалуронан не связан ковалентной связью с протеогликанами сердцевинных белков, а образует очень большие комплексы с секретируемыми протеогликанами.

К числу таких наиболее важных комплексов относятся комплексы, присутствующие в хрящевой ткани, где молекулы ГК , секретируемые хондроцитами (хрящеобразующие клетки), связываются примерно со 100 копиями протеоглика-на агрекана. Агрекановые сердцевинные белки через небольшой линкерный белок связываются с одной молекулой ГК через 40-нм интервалы. Такие комплексы в длину могут достигать более 4 мм и обладать мол массой, превышающей 2 х 108 дальтон. Таким образом, с участием ГК во внеклеточном матриксе хрящевой ткани создаются большие гидратированные пространства.

Эти пространства играют особенно важную роль в тканях с низкой плотностью кровеносных сосудов, поскольку они обеспечивают диффузию питательных компонентов и выведение продуктов обмена из внеклеточного пространства.

Гиалуроновая кислота (ГК) обладают очень простой структурой. Подобно всем ГАГ, они являются линейными полимерами одного из дисахаридов, глюкуроновой кислоты, связанной с N-ацетилглюкозамином посредством (3 (1-3) связи. Как показано на рисунке ниже, молекулы ГК содержат в среднем 10 000 (и до 50 000 этих дисахаридов, связанных b(1-4) связью. Поскольку дисахариды несут отрицательный заряд, они связывают катионы и молекулы воды.

Подобно протеогликанам , ГК увеличивают жесткость внеклеточного матрикса и служат в качестве смазки в таких соединительнотканных структурах, как . Гидратированные молекулы ГК также образуют между клетками водяную подушку, которая позволяет тканям гасить силы сжатия.

CD44 образует гомодимеры или гетеродимеры с рецепторами Erb2.
Эти комплексы связываются с рядом сигнальных молекул,
которые контролируют организацию цитоскелета и экспрессию генов.

Молекулы гиалуроновой кислоты (ГК) гораздо крупнее, чем другие ГАГ. Из-за этого клетки должны расходовать на их формирование большие количества энергии. Подсчитано, что для формирования одной среднего размера цепи ГК, необходимо 50 000 эквивалентов АТФ, 20 000 кофакторов НАД и 10 000 групп ацетил-КоА. Поэтому в большинстве клеток синтез ГК находится под жестким контролем.

Синтез гиалуроновой кислоты (ГК) катализируется трансмембранными ферментами, ГК синтазами, локализованными в плазматической мембране. Эти ферменты несколько необычны в том смысле, что они собирают полимер ГК на цитозольной стороне плазматической мембраны, а затем переносят его через мембрану во внеклеточное пространство. Это принципиально отличается от синтеза других ГАГ, которые образуются в аппарате Гольджи и ковалентно связываются с протеогликанами сердцевинных белков по мере их прохождения по секреторному пути.

Важнейшим способом регуляции синтеза гиалуроновой кислоты (ГК) является изменение экспрессии ферментов, ГК синтаз. Экспрессия этих ферментов индуцируется специфичными для клеток факторами роста. Например, фактор роста фибробластов и интерлейкин-1 являются индукторами экспрессии ферментов в фибробластах, в то время как глюкокортикоиды подавляют экспрессию в этих же клетках. Эпидермальный фактор роста стимулирует экспрессию в кератиноцитах, но не в фибробластах. Секреция ГК контролируется независимо от их синтеза, и это обеспечивает, по крайней мере, два способа контроля уровня ГК в тканях.

Наряду с участием в гидратации тканей, гиалуроновая кислота (ГК) связывается со специфическими поверхностными рецепторами, что приводит к стимуляции внутриклеточных сигнальных путей, контролирующих такие процессы, как миграция клеток. Основным рецептором ГК является CD44, относящийся к семейству белков, называемых гиладгеринами, которые связываются с ГК. К остальным представителям этого семейства относятся протеогликаны (например, версикан, агрекан, бревикан) и линкерный белок, который связывает ГК с агреканом в хрящевой ткани. Множественные формы CD44 образуются при альтернативном сплайсинге транскриптов одного гена, хотя функциональные различия между этими изоформами остаются неясными.

CD44 существует в виде гомодимеров, которые экспрессируются во многих типах клеток или в виде гетеродимеров с ErbВ, тирозинкиназой, которая экспрессируется на эпителиальных клетках.

Цитоплазматический участок CD44 обладает несколькими функциями. Он необходим для правильного связывания с ГК и для сортинга рецепторов на клеточной поверхности. Он также участвует в процессах внутриклеточной передачи сигнала. Картирование функциональных областей в цитоплазматическом участке CD44 проводилось при изучении экспрессии мутантных форм CD44 в культуре клеток, и активации сигнальных путей после прикрепления клеток к ГК.

Из этих исследований мы знаем, что гомодимеры CD44 и гетеродимеры CD44/ErbB активируют нерецепторные тирозинкиназы, например Src, а также представителей семейства небольших G-белков, Ras. Эти киназы активируют такие сигнальные белки, как протеинкиназа С, МАР киназа и ядерные факторы транскрипции.

Наряду с этим, как показано на рисунке ниже, сигналы, передающиеся с участием CD44 , могут изменять сборку актинового цитоскелета у поверхности клеток. Это происходит при активации таких белков, связывающих актин, как фодрин и небольшого G-белка, Rac-1. Одним из последствий реорганизации актина является стимуляция миграции клеток под влиянием связывания CD44 с ГК. В опухолях усиление экспрессии CD44 и секреции ГК коррелирует с увеличением ее агрессивности, и является плохим прогностическим признаком.

Обычно считается, что гиалуроновая кислота (ГК ) играет двоякую роль в стимуляции миграции клеток. Во-первых, за счет связывания с внеклеточным матриксом ГК нарушает межклеточные взаимодействия и взаимодействие клеток с матриксом. Мыши, у которых не происходит экспрессии ГК, характеризуются незначительной величиной межклеточного пространства, вследствие чего животные не могут развиваться нормально. Поскольку ГК обладает большим гидратированным объемом, повышенная секреция ГК в опухоли нарушает целостность внеклеточного матрикса, что приводит к образованию больших промежутков, через которые могут мигрировать опухолевые клетки.

Во-вторых, при связывании ГК с рецепторами CD44 могут активироваться внутриклеточные процессы передачи сигналов, непосредственно приводящие к перегруппировкам цитоскелета и к активации миграции клеток. Это подтверждается данными, полученными в экспериментах по добавлению ГК к клеткам в культуре. Клетки, экспрессирующие CD44, начинают мигрировать сразу же после контакта с ГК, и соединения, разрушающие внутриклеточные сигнальные молекулы и связывающиеся с CD44, ингибируют эту миграцию.

В данном историческом обзоре, посвященном гиалуроновой кислоте , мы постарались привлечь внимание посетителя вебсайта к наиболее важным открытиям и исследованиям, на которых строились все последующие работы в области изучения этого уникального полисахарида. Выбор данных и источников для обзора является полностью субъективным.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящий момент никаких принципиально новых данных о гиалуроновой кислоте не существует, поэтому мы решил сделать темой этой небольшой статьи «Гиалуроновая кислота - история». При существующем в настоящее время темпе движения научной мысли далеко не каждый человек имеет достаточно времени для того, чтобы оглянуться назад и просмотреть данные литературы, в которой описаны ключевые открытия в области гиалуроновой кислоты , поэтому мы постарались кратко изложить существующие результаты. Выбор источников и данных основан только на наших знаниях и мнении, поэтому может расходиться с взглядами других людей.

КАК ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ

Венгерский ученый Bandi Balazs эмигрировал из Венгрии в 1947 году. Приехав в Швецию, он начала работать в Стокгольме над проблемой биологической роли внеклеточных полисахаридов, причем особенно много внимания он уделял именно гиалуронату .

В те годы культуральная работа с клетками выглядела совсем по-другому. До появления антибиотиков все манипуляции выполнялись в строго стерильных условиях близких к условиям в операционной. Клетки растили на подвешенных сгустках фибрина. Фибробласты выделялись из измельченных куриных сердец, кусочки которых клались на фибриновые сгустки, а скорость роста культуры определялась по изменению площади колонии, которая указывала на скорость и расстояние миграции клеток.

Одним из первых открытий было выделение из ткани пуповины гиалуроната для того, чтобы затем вводить его в культуру фибробластов.

Гиалуронат выделялся из пуповинной крови и преципитировался в спирту. Затем его очищали от белков путем встряхивания экстракта в смеси хлороформа и изоамилового спирта (по методу Sewag). Была предпринята попытка разработать метод стерилизации вязкого раствора гиалуроната. Его нельзя было подвергать фильтрации, поэтому в конечном итоге ученые пришли к использованию автоклавирования.

В самом начале работы было сделано три очень важных наблюдения, которые заложили основу для дальнейших исследований.

Во-первых, удалось выделить гиалуронат из ткани пуповины, причем при разных ионных условиях был получен материал с различной степенью вязкости. Самая высокая вязкость была у раствора, приготовленного на дистиллированной воде. Ученые предположили, что вязкость раствора гиалуроната может колебаться в зависимости от значения рН и ионной силы растворителя. Сейчас это уже знает каждый, однако на тот момент этот феномен был описан Raymond Fuoss только для растворов синтетических полиэлектролитов. В журнале «Journal of Polymer Chemistry» была опубликована статья "The viscosity function of hyaluronic acid as a polyelectrolyte" (Показатель взякости гиалуроновой кислоты как полиэлектролита). С этого момент ученые вплотную занялись исследованиями физических и химических свойств гиалуроната.

Во-вторых, при попытке простерилизовать гиалуронат с помощью УФ-излучения он полностью утратил вязкость в растворе. В дальнейшем было показано, что при воздействии потока электронов гиалуронат также полностью подвергается деградации. Сейчас уже можно сказать, что то наблюдение было одним из первых описаний свободнорадикального расщепления гиалуроната.

В-третьих, исследовались и биологические эффекты гиалуроната и ряда сульфатированных полисахаридов - гепарина, гепарансульфата (который в те годы назывался «гепарин-односерной кислотой») и синтетически сульфатированного гиалуроната. Ученые сравнили их влияние на рост культуры клеток, антикоагулянтную активность и антигиалуронидазную активность. Главной задачей было выяснить действительно ли гепарин представляет собой сульфатированный гиалуронат, как это утверждалось в работах Asboe-Hansen, однако был сделан вывод, что это утверждение было ошибочно.

Гиалуронат, в отличие от сульфатированных полисахаридов, ускорял рост клеток и это, пожалуй, было одно из первых описаний взаимодействия гиалуроната с живыми клетками - сегодня мы знаем, что это взаимодействие опосредовано клеточным рецептором. Интересно, что это было также одно из первых исследований, посвященных изучению биологической активности гепарансульфата.

Все вышесказанные исследования были выполнены в короткий промежуток времени, начиная с сентября 1949 по декабрь 1950, то есть заняли лишь немногим больше 1 года.

ОТКРЫТИЕ ГИАЛУРОНАТА И ГИАЛУРОНИДАЗЫ

Karl Meyer открыл гиалуронат в 1934 году во время работы в глазной клинике в Университете штата Колумбия. Он выделил это соединение из стекловидного тела глаза коровы в кислых условиях и назвал его гиалуроновой кислотой от греческого hyalos - стекловидный и уроновой кислоты, которая входила в состав этого полимера. Сразу следует сказать, что до этого были выделены и другие полисахариды (хондроитинсульфат и гепарин). Более того, еще в 1918 году Levene and Lopez-Suarez выделили из стекловидного тела и пуповинной крови полисахарид, состоявший из глюкозамина, глюкуроновой кислоты и небольшого количества сульфат-ионов. Тогда его назвали мукоитин-серной кислотой, однако в настоящее время он боле известен как гиаулуронат, который в их работе был выделен с небольшой примесью сульфата.

В течение следующих десяти лет Karl Meyer и еще целый ряд авторов выделили гиалуронат из различных тканей. Так, например, он был обнаружен в суставной жидкости, пуповине и ткани петушиного гребня. Самым интересным было то, что в 1937 году Kendall удалось выделить гиалуронат из капсул стрептококков. В дальнейшем практически из всех тканей организма позвоночных был выделен гиалуронат.

Еще до открытия гиалуроната Duran-Reynals обнаружил в семенниках некий биологически активный фактор. В дальнейшем его стали называть «распространяющийся фактор». Похожим действием обладали яд пчел и медицинских пиявок. При его введении подкожно в смеси с тушью отмечалось очень быстрое распространение черного окрашивания. Этим фактором оказался фермент, разрушающий гиалуронаты , который в дальнейшем назвали гиалуронидазой . Даже в крови млекопитающих присутствует определенное количество гиалуронидаз, но их активация происходит только при кислотных значениях рН.

ВЫДЕЛЕНИЕ ГИАЛУРОНАТА

Самый первый метод выделения гиалуроната был стандартным протоколом для выделения полисахаридов, то есть по методу Sewag или с помощью протеаз из экстракта удалялся весь белок. Затем полимер преципитировался на фракции добавлением этилового спирта.

Большим шагом вперед стало разделение разнозаряженных полисахаридов, которое разработал John Scott при исследовании методов преципитации с катионным детергентом (ЦПХ, цетилпиридинхлоридом), в котором изменялась концентрация солей. Гиалуронат с высокой эффективностью отделялся от сульфатированных полисахаридов. Этим методом также можно было пользоваться и для фракционирования по молекулярной массе. По своей сути, схожие результаты могут быть получены при использовании метода ионно-обменной хроматографии.

СТРУКТУРА И КОНФОРМАЦИЯ ГИАЛУРОНАТА

Химическая структура полисахаридной молекулы была расшифрована Karl Meyer и его коллегами в 1950-е. Сейчас все знают, что гиалуронат является длинной полимерной молекулой, состоящей из дисахаридных звеньев, компонентами которых являются N-ацетил-D-глюкозамин и D-глюкуроновая кислота, связанные между собой В1-4 и В1-3 связями. Karl Meyer не пользовался стандартным методом для исследования структуры интактного полисахарида. Вместо этого он проводил гиалуронидазное расщепление полисахарида, получив смесь дисахаридов и олигосахаридов, которую ему удалось полностью охарактеризовать. На основании полученных им результатов он и сделал свой вывод о возможной структуре исходной полимерной молекулы.

Конформационный анализ «волокон», состоящих из гиалуроната был впервые предпринят с использованием метода рентгеновской кирсталлографии. На конференции в г. Турку в 1972 году шли горячие споры между группами специалистов о том, имеет ли гиалуронат спиральную структуру или нет. Очевидно, что гиалуронат может формировать спирали различной структуры в зависимости от ионного состава растворителя и доли воды в нем. В 70-е и 80-е годы в литературе появлялись самые различные версии структуры гиалуроната.

Прорывом в этой области стала работа John Scott. Опираясь на то, что гиалуронат обладает малой реакционной способностью при пероксидазном окислении в водном растворе, он сделал вывод о том, что в воде он принимает конформацию с внутрицепочечными водородными связями. В дальнейшем его гипотеза нашла свое подтверждение при ЯМР-анализе, а в 1927 году Atkins с соавторами охарактеризовали конформацию как двойную спиральную.

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Пятьдесят лет назад не была известна химическая структура гиалуроната и его макромолеуклярные свойства - масса, гомогенность, форма молекулы, степень гидратированности и взаимодействия с прочими молекулами. В последние 20 лет это стало объектом внимания A. G. Ogston и его сотрудников в Оксфорде, доктора Balazs с коллегами в Бостоне, Torvard С Laurent, работающего в Стокгольме, и еще нескольких лабораторий.

Основной проблемой являлось выделение гиалуроната, очищенного от белков и прочих компонентов, которое необходимо проводить перед любыми физическими методами исследования. Всегда имеется риск деградации полимерной структуры в процессе очистки. Ogston использовал технику ультрафильтрации, предположив, что свободные белки преодолеют фильтр, а белки, связанные с гиалуронатом , будут задержаны фильтром. Объектом исследования стал комплекс с содержанием белка равным 30%. Другие авторы пытались использовать разнообразные методы физической, химической и ферментативной очистки, которые позволяли снижать содержание белка до нескольких процентов. В то же время результаты физико-химического анализа дали более полное описание молекулы гиалуроната . Ее молекулярный вес близок к нескольким миллионам, хотя разброс между образцами был достаточно высок. Рассеивание света показало, что молекула ведет себя как случайным образом скрученная, достаточно плотно упакованная цепь с радиусом изгиба порядка 200 нм. Упакованность и малоподвижность цепи связана с наличием внутрицепочечных водородных связей, о которых уже говорилось выше. Случайно скрученная структура полностью соответствует полученному соотношению вязкости и молекулярной массы вещества. Ogston и Stanier использовали методы седиментации, диффузии, разделения в зависимости от градиента скорости сдвига и вязкости а также метод двойного преломления, которые показали, что молекула гиалуроната имеет форму высоко гидратированной сферы, что вполне отвечает известным свойствам молекул с упаковкой в виде случайно скрученной спирали.

АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДИКИ

Единственно возможным путем количественного исследования гиалуроновой кислоты было выделение полисахарида в чистом виде и измерение содержания в нем уроновой кислоты и/или N-ацетилглюкозамина. Методами выбора в данном случае являлись карбазольный методы Дише для оценки содержания уроновой кислоты и реакция Эльсона-Моргана на уровень гексозамина.

В данном случае трудно переоценить важность использования карбазольного метода. При анализе гиалуроната иногда приходилось использовать миллиграммы вещества.

Следующим шагом стало открытие специфичных ферментов. Гиалуронидаза грибов Streptomyces действовала только на гиалуронат , при этом образовывались ненасыщенные гекса- и тетрасахариды. При анализе содержания гиалуроната можно было использовать это свойство грибов, особенно при наличии в среде других полисахаридов и примесей, а ненасыщенная форма гиалуроновой кислоты может использоваться для снижения лимита обнаружения продукта. Ферментативный метод значительно повысил чувствительность обнаружения гиалуроната, доведя ее до уровня микрограммов.

Последним этапом стало использование аффинных белков, специфично связывающихся с гиалуронатом. Tengblad использовал гиалуронат-связывающие белки из хрящей, а Delpech в дальнейшем использовал гиалуронектин, выделенный из головного мозга. Эти белки могут использоваться при анализе по аналогии с иммунологическими методами, а после разработки этого метода точность количественного определения гиалуроната возросла до уровня нанограммов, что позволило определять содержание гиалуроната в образцах тканей и физиологических жидкостях. Метод Tengblad стал основой для большей части работ Uppsala, выполненных позже.

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ГИАЛУРОНАТА

Обнаружение гиалуроната в срезах тканей тесно связано с анализом полимеров в тканевой жидкости. С самого начала использовались методы неспецифического окрашивания со стандартными красителями. John Scott удалось повысить специфичность по такому же принципу, которым он руководствовался при разработке метода фракционирования анионных полисахаридов в детергентах. Он окрашивал их красителем алциановый синий в разных ионных концентрациях, при этом ему удалось добиться различимого окрашивания разных полисахаридов. В дальнейшем он перешел на использование купромеронового синего.

В то же время гиалуронат можно хорошо выявлять на срезах ткани с помощью специфично связывающихся с ним белков. Первые сообщения о таком методе были опубликованы в 1985. Этот метод использовался с большим успехом и, благодаря ему, были получены ценные данные о распределении содержания гиалуроната в разных органах и тканях.

Гиалуронат также может быть обнаружен при электронной микроскопии. На первых изображениях, которые были опубликованы Jerome Gross к сожалению, не удалось увидеть каких-либо тонких деталей структуры. Первой хорошо объяснявшей результаты работой можно считать статью Fessler и Fessler. В ней было указано, что гиалуронат имеет протяженную одноцепочечную структуру.

Затем Robert Fraser описал еще один изящный метод визуализации околоклеточно расположенного гиалуроната . Он добавлял суспензию частиц гиалуроната к культуре фибробластов. Частицы не были обнаружены в толстом слое, окружающем культуру фибробластов. Таким образом было показано, что в околоклеточном пространстве имеется гиалуронат, подвергающийся расщеплению под действием гиалуронидазы.

ЭЛАСТИЧНОСТЬ И РЕОЛОГИЯ

Исходя из размеров одной из самых крупных молекул гиалуроната , несложно предположить, что при концентрации порядка 1 г/л они практически полностью насыщают раствор. При высоких концентрациях молекулы перепутываются, а раствор представляет собой некую сеть из цепей гиалуроната. Точка полимеризации определяется достаточно легко - это момент насыщения раствора, после которого его вязкость резко увеличивается по мере увеличения концентрации. Еще одним свойством раствора, которое зависит от его концентрации является скорость сдвига вязкости. Это явление описали Ogston и Stanier. Эластические свойства раствора изменяются по мере нарастания концентрации и молекулярной массы полимеров. Текучесть чистого гиалуроната была впервые определена Jensen и Koefoed, и более подробный анализ вязкости и эластичности раствора был выполнен Gibbs et al.

Является ли такое интересное поведение раствора следствием сугубо механического переплетения цепочек полимеров или оно связано и с их химическим взаимодействием? В ранних работах, опубликованных Ogston, обсуждались возможные взаимодействия, опосредованные через белки. Welsh с соавторами получил указания на существование взаимодействий цепочек между собой. Это было достигнуто путем добавления коротких цепочек гиалуроната (60 дисахаридов) к раствору, что вызывало уменьшение его эластичности и вязкости. Очевидно, что при этом происходило конкурентное взаимодействие коротких и длинных цепей. В более поздних работах John Scott было показано, что конформация гиалуроната с наличием гидрофобных связей между цепочками хорошо соответствовала склонности гиалуроната к формированию спиралей с находящимися рядом молекулами, которые стабилизировались гидрофобными связями. Таким образом, наиболее вероятным является межцепочечное взаимодействие, которое во многом и определяет реологические свойства гиалуроната .

ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ГИАЛУРОНОВЫХ ПОЛИМЕРОВ

Открытие переплетение цепочек гиалуроната при нарастании концентрации, которое может происходить в тканях, стало основой для предположения, что гиалуронат может быть задействован во многих физиологических процессах за счет создания большой трехмерной сети цепочек. Обсуждались самые разнообразные свойства таких сетей.

Вязкость. Очень высокая вязкость концентрированных растворов гиалуроната, а также зависимость сдвига от вязкости, могут быть использованы для суставной смазки. Гиалуронат всегда присутствует во всех пространствах, разделяющих подвижные элементы организма - в суставах и между мышц.

Осмотическое давление. Осмотическое давление растворов гиалуроната в значительной мере зависит от их концентрации. При высоких концентрациях коллоидно-осмотическое давление такого раствора оказывается выше, чем у растворов альбуминов. Это свойство может быть использовано в тканях для поддержания гомеостаза.

Сопротивление потоку . Плотная сеть цепочек является достаточно хорошим препятствием току жидкости. Гиалуронат действительно может формировать препятствия для тока жидкости в тканях, что впервые было показано Day.

Исключенный объем. Трехмерная сеть цепочек вытесняет из раствора все остальные макромолекулы. Доступный объем может быть измерен в опыте диализного уравнивания раствора гиалуроната и буферного раствора, при этом оказалось, что полученный эффект совпал с расчетным по данным теоретических исследований, проведенных Ogston. Эффект исключения обсуждался в связи с разделением белка, содержащегося в сосудистом русле и внеклеточном пространстве, однако он также рассматривался и в качестве механизма накопления физиологических и патологических молекул в соединительной ткани. Исключение полимеров снижает растворимость многих белков.

Диффузионный барьер. Движение макромолекул через раствор гиалуроната может быть измерено при седиментационном и диффузионном анализе. Чем больше молекула тем ниже будет скорость ее движения. Этот эффект связали с формированием в тканях диффузионных барьеров. Например, околоклеточный слой гиалуроната может защищать клетки от воздействия макромолекул, выделяемых другими клетками.

ГИАЛУРОН-СВЯЗЫВАЮЩИЕ БЕЛКИ (ГИАЛАДГЕРИНЫ)

Протеогликаны. До 1972 года считалось, что гиалуронат является инертным соединением и не взаимодействует с другими макромолекулами. В 1972 Hardingham и Muir показали, что гиалуронат может связываться с протеогликанами хрящевой ткани. Исследования Hascall и Heinegard показали, что гиалуронат может специфично связываться с N-концевым доменом глобулярной части протеогликанов и соединительных белков. Данная связь является достаточно прочной и на одну цепь гиалуроната могут садиться несколько протеогликанов, в результате чего в хряще и иных тканях формируются крупные агрегации молекул.

Рецепторы гиалуроната. В 1972 Pessac и Defendi и Wasteson с соавторами показали, что суспензии некоторых клеток начинают агрегировать при добавлении гиалуроната. Это было первым сообщением, указывавшим на специфичное связывание гиалуроната с поверхностью клеток. В 1979 Underhill и Toole показали, что гиалуронат действительно связывается клетками, а в 1985 году был выделен отвечающий за это взаимодействие рецептор. В 1989 году сразу 2 группы авторов опубликовали работы, в которых было показано, что рецептор хоуминга лимфоцитов CD44 обладает способностью связываться с гиалуронатом в хрящевой ткани. Вскоре было показано, что рецептор, выделенный Underhill и Toole был полностью идентичен CD44. Еще одним гиалуронат -связывающим белком, выделенным позднее из супернатанта культуры клеток 3T3 в 1982 году Turley с соавторами оказался РГРП (рецептор гиалуроната, опосредующий подвижность). После этих работ был открыт еще целый ряд гиаладгеринов.

РОЛЬ ГИАЛУРОНАТА В КЛЕТКЕ

Вплоть до открытия гиаладгеринов считалось, что гиалуронат оказывает влияние на клетки только за счет физических взаимодействий. Данные о том, что гиалуронат может играть роль в биологических процессах были единичными и, в большинстве своем, были построены на отсутствии или наличии гиалуроната при разных биологических процессах. Многие из спекуляций того времени были построены на методах неспецифического гистологического окрашивания.

В начале 1970-х в Бостоне было выполнено очень интересное исследование. Bryan Toole и Jerome Gross показали, что во время регенерации конечности у головастиков гиалуронат синтезируется в самом начале, а затем его количество уменьшается под действием гиалуронидазы, при этом происходит замещение гиалуроната хондроитинсульфатом. Таким же образом развиваются события и при формировании роговицы у цыпленка. Toole указал, что накопление гиалуроната совпадает с периодами миграции клеток в ткани. Как уже было сказано выше, Toole также провел первые исследования мембранно-связанных гиаладгеринов, а с открытием рецепторов гиалуроната у нас есть все больше оснований полагать, что гиалуронат играет роль регуляции клеточной активности, например, при движении клеток. В последние 10 лет можно наблюдать всплеск числа публикаций, посвященных роли гиалуроната в миграции клеток, митозе, воспалении, опухолевом росте, ангиогенезе, оплодотворении и т.д.

БИОСИНТЕЗ ГИАЛУРОНАТА

Исследования биосинтеза гиалуроната можно условно разделить на 3 фазы. Первым автором и наиболее выдающимся ученым в первую фазу был Albert Dorfman. Он и его коллеги еще в начале 50-х описали источник моносахаридов, которые встраивались в гиалуроновые цепочки стрептококков. В 1955 году Glaser и Brown впервые показали возможность синтеза гиалуроната отдельной синтетической системой вне клетки. Они использовали фермент, выделенный из клеток куриной саркомы Rous и вводили в состав гиалуроновых олигосахаридов меченую изотопом 14С УТФ-глюкуроновую кислоту. Группа Dorfman также выделила молекулы-предшественники УТФ-глюкуроновой кислоты и УТФ-N-ацетилглюкозамина из экстракта стрептококков, а также синтезировала гиалуронат , пользуясь для этого ферментативной фракцией, выделенной из стрептококков.

Во второй фазе стало понятно, что гиалуронат должен синтезироваться по пути, отличному от гликозаминогликанов. Синтез гиалуроната, в отличие от сульфатированных полисахаридов, не требует активного синтеза белка. Ответственная за это синтаза расположена в мембране протопласта бактерий и плазматической мембране эукариотических клеток, но не в аппарате Гольджи. Синтетический аппарат, предположительно расположен на внутренней стороне мембраны, так как он оказался нечувствительным к воздействию внеклеточных протеаз. Кроме того, гиалуроновая цепочка пронизывает мембрану, так как воздействие на клетки гиалуронидазы усиливало продукцию гиалуроната . В 80-ые годы были предприняты несколько безуспешных попыток выделить синтазу из эукариотических клеток.

В начале 90-ых было показано, что гиалуронат -синтаза является фактором вирулентности стрептококков группы А. Взяв эти данные за основу, две группы авторов смогли определить ген и локус, отвечающий за синтез гиалуроновой капсулы. Вскоре удалось и клонировать ген этой синтазы и полностью его просеквенировать. Гомологичные белки, выделенные в последние годы у всех позвоночных, дали ценную информацию о ее строении. Важной областью исследования может стать изучение механизмов регуляции активности этой синтазы.

МЕТАБОЛИЗМ И ДЕГРАДАЦИЯ ГИАЛУРОНАТА

Обнаружение гиалуроната в крови, а также его переноса от тканей по лимфатической системе стало основой для проведения совместного исследования, проводившегося доктором Robert Fraser в Мельбурне и лабораторией в г. Уппсала. Следовые количества полисахарида, меченого тритием по ацетильной группе были обнаружены в крови после введения его кроликам и людям, а метка соединения исчезала с периодом полувыведения равным нескольким минутам. Вскоре стало понятно, что большая часть радиации была накоплена печенью, где полимер быстро подвергался расщеплению. Меченая тритием вода обнаруживалась в крови через 20 минут. Авторадиограммы показали, что накопление радиации происходило также в селезенке, лимфоузлах и костном мозге. Методом фракционирования клеток было также показано, что в печени накопление происходило в основном в эндотелии синусов, что было позднее подтверждено при исследовании in vitro и при радиографии in situ. На этих клетках имеется рецептор для эндоцитоза гиалуроната, который принципиально отличается от прочих гиалуронат-связывающих белков. Далее полисахарид расщепляется в лизосомах. Исследования гиалуроната проводились и в других тканях, и теперь существует цельная картина метаболизма этого полисахарида.

В последнее время еще один аспект катаболизма гиалуроната стал объектом большого числа исследований. Из работ Gunther Kreil (Австрия) и Robert Stern и его коллег (Сан-Франциско) стали известны структуры и свойства различных гиалуронидаз. Эти данные стали основой для исследований, прояснивших биологическую роль этих ферментов.

ГИАЛУРОНАТ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ

С самого начала интерес ученых был прикован к свойствам гиалуроната, содержащегося в суставной жидкости, особенно к изменению его уровня при заболеваниях суставов. Было также показано, что гиперпродукция гиалуроната наблюдается при целом ряде заболеваний, например, при злокачественных опухолях - мезотелиомах, однако в то время еще не существовало достаточно точных и чувствительных методов обнаружения гиалуроната. Такая ситуация имела место вплоть до 1980 годов, когда были разработаны новые аналитические методики, что вновь привлекло интерес ученых к колебаниям содержания гиалуроната при разных заболеваниях. Были определены содержание гиалуроната в крови в норме и при патологии, особенно при циррозе печени. При ревматоидном артрите содержание гиалуроната в крови возрастало при физических нагрузках, особенно по утрам, что давало объяснение симптому «утренней скованности» в суставах. При различных воспалительных заболеваниях уровень гиалуроната в крови повышался как местно, так и системно. Органные дисфункции также могли быть объяснены накоплением гиалуроната, что вызывало интерстициальные отеки тканей.

КЛИНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Основной прорыв в медицинском использовании гиалуроната целиком является заслугой д-ра Balazs. Он разработал основные положения и идеи, первым синтезировал форму гиалуроната, которую хорошо переносили больные, продвигал идею промышленного производства гиалуроната и популяризовал идею применения полисахаридов в качестве лекарственных средств.

В 50-ые годы Balazs сконцентрировал усилия на изучении состава стекловидного тела и начал проводить опыты с заменителями для возможного протезирования при лечении отслойки сетчатки. Одним из наиболее серьезных препятствий на пути применения гиалуроновых протезов стала высокая сложность выделения чистого гиалуроната, свободного от всех примесей, вызывающих воспалительную реакцию.

Balazs разрешил эту проблему и получившийся в итоге препарат получил название НВФ-NaГУ (невоспалительная фракция гиалуроната натрия). В 1970 гиалуронат был впервые введен в суставы беговым лошадям, страдавшим от артритов, причем был получен клинический выраженный ответ на лечение с уменьшением симптомов заболевания. Двумя годами позже Balazs смог убедить руководство компании Pharmacia AB в г. Уппсала начать производство гиалуроната для использования в клинической и ветеринарной практике. Miller и Stegman по совету д-ра Balazs начали использовать гиалуронат в составе имплантируемых внутриглазных линз и гиалуронат быстро стал одним из самых употребительных компонентов в хирургической офтальмологии, получив торговое название Healon®. С того момента были предложены и испытаны многие другие варианты использования гиалуроната. Его производные (например, поперечно структурированные гиалуронаты ) также были испытаны для использования в клинике. Особенно хочется отметить, что еще в 1951 году Balazs уже сообщал о биологической активности самых первых из полученных тогда производных гиалуроната.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном докладе нам удалось охватить лишь основные и наиболее значимые события в истории исследования гиалуроната, и еще многие другие интересные факты и данные будут обсуждаться на нашем веб-сайте. Из представленных статей будет ясно, что исследования гиалуроната становятся все более актуальными и необходимыми. Сегодня ежегодно в научной литературе публикуется от 300 до 400 статей, посвященных гиалуронату .

Первая международная конференция, целиком посвященная гиалуронату, проводилась в г. Сен-Тропез в 1985 году, после чего были проведены конгрессы в Лондоне (1988), Стокгольме (1996) и Падуе (1999).

Рост интереса связан, во многом, с успешными работами Endre Balazs, который сделал очень много в области исследования свойств гиалуроната, получил самые первые данные о нем, указал на возможность клинического применения гиалуроната и является вдохновителем, подвигающим научное сообщество на новые исследования.

Сегодня упоминаниями о гиалуроновой кислоте пестрят как глянцевые издания, так и страницы обычных СМИ. Последние несколько лет нам не перестают твердить, что «секрет вечной молодости кожи раскрыт» и предлагают воспользоваться этим «эликсиром». Давайте попробуем разобраться, чего же в этом нездоровом ажиотаже больше – правдивой информации, точного коммерческого расчёта или банальных обывательских заблуждений.

Открытия прошлого, не оправдавшие надежд

Если заглянуть в совсем недавнее прошлое, то можно вспомнить, что аналогичные ситуации уже были в истории медицины:

Открытие пенициллина преподносилось, как полная победа над микроорганизмами (чего, к огромному сожалению, не произошло, несмотря на теперешний спектр ).
Выпускаемому инсулину пророчили победу над (препарат для диабетиков жизненно важный и крайне необходимый, но до полной победы над диабетом еще очень далеко).
Использование первых нейролептиков преподносилось, как возможность излечения от определенных расстройств психики, но и тут все далеко от идеальных ожиданий.

В общем, истинная картина по прошествии некоторого времени всё-таки отличается от прогнозов и первоначальных оценок. Поэтому очень важно относиться ко всему критично и максимально объективно.

Развенчиваем мифы о гиалуроновой кислоте

Никто из медиков не будет спорить, что гиалуроновая кислота важна для организма человека, но то множество информации, которое сегодня можно встретить в СМИ и которое выдаётся за истину, увы, приходит к нам не от профессионалов. Чаще всего новаторские мысли в народ несут различного рода бьюти-эксперты, блоггеры-самоучки и другие люди без профильного – медицинского, фармацевтического или биологического образования. Они высказываются о медицинском препарате на основании собственных оценочных впечатлений, информации из сомнительных источников или информации, вырванной из контекста

Так рождаются заблуждения. Давайте попробуем отделить зерна от плевел и разобраться в этом вопросе более детально.

	Истина
	Главное заблуждение в том, что препарат называют в единственном числе, а правильно называть во множественном – кислоты, так как это одно из соединений группы кислых мукополисахаридов, куда входят и другие соединения аналогичного состава и свойств, причем масса их может колебаться в широких пределах. Так как подавляющее большинство препаратов, выходящих под названием «гиалуроновая кислота» производится из биологического сырья без специального разделения фракций, то и считать препарат именно одним, чистым, соединением совсем некорректно.
Гиалуроновая кислота – результат открытий бьюти-лабораторий последний двух-трех десятилетий.	Само вещество было открыто еще в 1930 году и изучением её свойств, функций, а также возможностями применения занялись практически сразу после открытия. Сами исследования не прекращались, а начиная с 70-х годов прошлого века их интенсивность стала нарастать.
Данное вещество используется в косметической и косметологической продукции	Помимо этого развитого направления гиалуроновая кислота применяется при различных заболеваниях других органов и систем в качестве лекарственного средства.
В косметологических средствах улучшает проникновение полезных веществ внутрь кожи	Не влияет на уровень клеточной и межклеточной проницаемости для различных веществ
Старение кожи связано с потерей жидкости из-за уменьшения уровня веществ этой группы во всех слоях кожи	Если снижение содержания гиалуронатов и происходит с возрастом, то не столь значительно, а старение, в том числе и кожи, – сложнейший многогранный общебиологический процесс и сводить его проявления к столь банальным причинам – просто глупо

Правда о гиалуроновой кислоте

Все свойства и характеристики и отличительные особенности гиалуроновой кислоты подробно описываются в научной и медицинской литературе. Однако она пересыщена множеством терминов, что делает имеющуюся информацию не всегда понятной для простого обывателя.

Если попытаться все несколько упростить – получается что:

Для каждой из фракций присущ свой набор свойств и характеристик. Так низкомолекулярные разновидности вещества обладают прекрасным противовоспалительным действием, что обеспечило их применение при ожогах, трофических язвах, герпетических высыпаниях, псориазе. Среднемолекулярная гиалуроновая кислота способна подавлять размножение клеток и их миграции. Благодаря этим свойствам её задействуют при лечении некоторых артритов и болезней глаз. Высокомолекулярные фракции удерживают вокруг себя огромное количество молекул воды и стимулируют клеточные процессы в самой коже. Эта разновидность гиалуроновой кислоты нашла своё применение в хирургии, офтальмологии и косметологии

Важно знать! Использовать препарат с неуказанной величиной молекул действующего вещества категорически нельзя, так как можно не только не добиться желаемого результата, но и ухудшить состояние.

Основные показания к применению гиалуроновой кислоты

Всегда следует помнить, что введение в организм препаратов гиалуроновой кислоты инъекционно является в первую очередь медицинской манипуляцией. Для использования различных методик и проведения процедур имеются достаточно строгие медицинские критерии.

Так, основными показаниями к применению гиалуроновой кислоты являются:

появление морщин (снижение тургора кожи) вследствие потери влаги;
увеличение выраженности имеющихся морщин;
выраженные мимические морщины;
необходимость нормализации рельефа кожи;
необходимость улучшения тургора и контура красной каймы губ.

Препараты гиалуроновой кислоты в эстетической медицине

В современной косметологии восстребованность гиалуроновой кислоты в виде уколов или других форм препарата объясняется:

Современный фармакологический рынок предлагает гиалуроновую кислоту в виде инъекций. При этом она может быть в виде:

Мезококтейля , включающего в себя основное вещество, дополненное пантенолом, витаминами, коэнзимами, факторами клеточного роста, пептидами и пр. веществами
Филлеров – дермального наполнителя из сшитой ГК, который со временем биодеградирует – рассасывается в организме. Выпускается в виде геля различной степени вязкости. Чем более вязкое вещество, тем с большими проблемами оно призвано справиться.
Редермализантов и биоревитализантов . В настоящее время на прилавках аптек можно найти 3 поколения этих препаратов. В основе последних – нуклеиновые кислоты, создающие с ГК комплексы, способные восстанавливать ДНК клеток и ускорять выработку собственной гиалуроновой кислоты, а также эластина и коллагена.
Биорепарантов – препаратов, содержащих измененную ГК, к цепи которой прикреплены пептиды, витамины, аминокислоты. Они обладают пролонгированным и усиленным действием.

Обратите внимание: в индустрии красоты могут быть задействованы мази, кремы, гели, лосьоны для наружного применения, но их эффективность гораздо ниже эффективности гиалуроновой кислоты для инъекций.

Основные типы процедур для улучшения состояния кожи лица

Наиболее востребованнымиинъекционными процедурами с гиалуроновой кислотой стали:

Основные противопоказания к применению гиалуроновой кислоты

Если маркетологи пытаются вас уверить в том, что уколы гиалуроновой кислоты, куда бы они не осуществлялись, максимально безопасны, знайте: это ложь! На фоне определенных процедур они действительно безопаснее, однако и у этого препарата есть собственные противопоказания.

В числу основных относятся:

Любые аллергические реакции на действующее вещество или его компоненты.
Любые инфекционные заболевания в остром периоде.
Беременность, роды и последующая лактация.
Патология соединительной ткани.
Общие и системные заболевания, такие как аутоиммунные поражения, онкологическая патология любых органов и систем, сахарный , патология свертывающей системы крови.

Ко всему, в месте инъекций не должны располагаться , родимые пятна, родинки, шрамы и воспалительные процессы. При несоблюдении этих противопоказаний результаты могут быть плачевными.

Эффективность кремов с гиалуроновой кислотой

Отдельную группу препаратов, причем достаточно распространенных, составляют кремы с гиалуроновой кислотой. Их применяют путем нанесения на поверхность кожи, где они и производят непосредственный эффект.

Для поверхностных изменений, защиты кожи используются средства, содержащие высокомолекулярные фракции, которые создают защитный слой и не проникают внутрь кожи.

Для корректировки глубоких, возрастных изменений лучше подходят средства с низкомолекулярными фракциями действующего вещества, так как оно частично может проникать на определенную глубину во внутренние слои, где и осуществляется их биологическое действие.

Всё большую популярность в последнее время приобретают безинъекционные методики, подразумевающие нанесение геля на кожу с последующим воздействием микротоков, лазера, ультразвука.

Хочется закончить советом: для всего есть свое время и свои причины, а основное правило здоровой жизни, отличного настроения и прекрасной внешности – это умеренность. В погоне за красотой старайтесь использовать даже такое средство, как гиалуроновая кислота, без излишеств, и ваша кожа будет выглядеть хорошо даже в глубокой старости.

Более подробную информацию о применении препаратов гиалуроновой кислоты для лица вы получите, посмотрев видео-обзор:

Совинская Елена Николаевна, терапевт.

Дан краткий исторический очерк об открытии и комплексном изучении гиалуроновых кислот. В сравнительном плане проведена систематизация данных научной литературы по особенностям химического строения, физико-химических свойств, гистологической и цитологической принадлежности, функций и метаболизма гиалуроновых кислот у организмов различных таксономических групп. Выявлены особенности ферментного состава, обеспечивающие синтез и деградацию биополимера у микроорганизмов и в клетках тканей млекопитающих. Проанализированы традиционные технологии извлечения из животного сырья и способы его получения на основе культур Streptococcus equi subsp. equi, S. equi subsp. zooepidеmiсus и Bacillus subtilis. Обоснована научно-техническая разработка инновационных биотехнологий гиалуроновых кислот различной молекулярной массы и перспективы их производственной реализации. Представлены сведения о применении продукции на их основе в различных сферах современной жизни.

гиалуроновая кислота

технологии микробного синтеза

биотехнология

бактерии

1. Белодед А. В. Микробиологический синтез и деградация гиалуроновой кислоты бактериями р. Streptococcus: Автореф. дис. канд. биол. наук: МГУПБ - М., 2008. - 23 с.

2. Бычков С.М., Колесников М.Ф. Способ получения гиалуроновой кислоты //A. с № 219752 СССР, 1968. - Бюл. № 19. - С. 90.

3. Забненкова О.В. Внутридермальные филлеры на основе гиалуроновой кислоты. Показания к применению, возможные комбинации // Пластическая хирургия и косметология: научно-практический журнал, 2010. - № 1 - С. 101-115. URL: http://www.pscj.ru/upload/iblock/569/11.pdf (дата обращения: 24.11.2016)

4. Костина Г., Радаева И. Использование гиалуроновой кислоты в медицине и косметологии // Косметика и медицина, 1999. - № 2-3. - С. 53-57.

5. Лупына Т. П., Волошина Е. С. Микробиологический способ получения гиалуроновой кислоты и перспективы её использования в фармацевтике. Национальный университет пищевых технологий, Украина. - 2014. - С. 4.

6. Препараты Princess filler и Princess volume в коррекции возрастных изменений лица и атрофических рубцов // Инъекционные методы в косметологии, 2013. - №2 /http://corneal.ru/events/publications/43/ (дата обращения:24.11.2016)

7. Португалова B.B., Ерзикян К.Л. Гиалуроновая кислота и ее роль в жизнедеятельности организмов // Успехи соврем. биол., 1986. - Т. 101, № 3. - С. 344-358.

8. Радаева И.Ф., Костина Г.А., Змиевский A.B. Гиалуроновая кислота: биологическая роль, строение, синтез, выделение, очистка и применение // Прикл. биохим. микробиол., 1997. - Т. 33, №2. - С. 133-137.

9. Ряшенцев В.Ю., Никольский С.Ф., Вайнермен Е.С. и др. Способ получения гиалуроновой кислоты // Патент № 2017751 РФ, 1994. - Бюл. № 15. - С. 75-76.

10. Толстых П.И., Стекольников Л.И., Рыльцев В.В. и др. Лекарственные препараты животного происхождения для наружного применения // Хим.-фарм. журн., 1991. - Т. 25, № 4. - С. 83-87

11. Филлеры: что это такое [Электронный ресурс] // Стоматология & косметология http://24stoma.ru/filleri.html (дата обращения: 24.11.2016 г.)

12. Abatangelo G., Martinelli M., Vecchia P. Healing of hyaluronic acid-enriched wounds:histological observations // J. Surg. Res., 1983. - V. 35, № 5. - P. 410-416.

13. Ahmet Tezel & Clenn H. Fredrickon Дермальные филлеры на основе гиалуроновой кислоты: взгляд с позиции науки [Калифорнийский университет, Санта-Барбара, США] [Электронный ресурс] // SKIN AESTHETIC http://estetika.uz/upload/files/da25b536d87b2edf853c5bc5d10f2968.pdf (дата обращения: 24.11.2016)

14. Carter G.R. Pasteurellosis: Pasteurella multocida and Pasteurella hemolytica. // Adv. Vet. Sci., 1967. - V. 11. - P. 321-379.

15. DeAngelis P.L., Jing W., Graves M.V., Burbank D.E., van Etten J.L. Hyaluronan synthase оf chlorella virus PBCV-1 // Science, 1997. - V. 278. - P. 1800-1803.

16. DeAngelis P.L., Papaconstantinou J., Weigel P.H. Isolation of a Streptococcus pyogenes gene locus that directs hyaluronan biosynthesis in acapsular mutants and in heterologous bacteria // J. Biol. Chem, 1993. - V. 268. - P. 14568-14571.

17. Frost G.I., Csoka Т., Stern R. The hyaluronidases: a chemical, biological and clinical overview // Trends Glycosci. Glycotech., 1996. - V. 8. - P. 419-434.

18. Graves M.V., Burbank D.E., Roth R., Heuser J., DeAngelis P.L., van Etten J.L. Hyaluronan synthesis in virus PBCV-1-infected chlorella-like green algae // Virology, 1999. - V. 257. - P.15-23.

19. Karlstam В., Vincent J., Johansson В., Bryno C. A simple purification method of squeezed krill for obtaining high levels of hydrolytic enzymes // Prep. Biochem., 1991. - V. 21. - P. 237-256.

20. Kendall F.E., Heidelberger M., Dawson M.H. A serologically inactive polysaccharide elaborated by mucoid strains of group A hemolytic Streptococcus. // J. Biol. Chem., 1937. - V. 118. - P. 61-69.

21. Kim J.H., Yoo S.J., Oh D.K., Kweon Y.G. et al. Selection of a Streptococcus equi mutant and optimization of culture conditions for the production of high molecular weight hyaluronic acid. // Enzyme Microb. Technol., 1996. - V. 19. - P. 440-445.

22. Lansing M., Lellig S., Mausolf A., Martini I., Crescenzi F., Oregon M., Prehm P. Hyaluronate synthase: cloning and sequencing of the gene from Streptococcus sp. // Biochem. J., 1993. -V. 289. - P. 179-184.

23. Linker A., Meyer K. Production of Unsaturated Uronides by Bacterial Hyaluronidases //Nature, 1954. - V. 174. - P. 1192-1194.

24. Matsubara C, Kajiwara M., Akasaka H., Haze S. Carbon-13 nuclear magnetic resonance studies on the biosynthesis of hyaluronic acid // Chem. Pharm. Bull., 1991. - V. 39. - P. 2446-2448.

25. Meyer K. Highly viscous sodium hyaluronate // J. Biol. Chem., 1948. - V. 176. - № 2. - P. 993-997.

26. Meyer K. Hyaluronidases // The Enzymes. - V. 5. / ed. Boyer P.D. - New York: Academic Press, 1971. - P . 307-320.

27. Meyer K., Palmer J. The polysaccharide of the vitreous humor // J. Biol. Chem., 1934. -V. 107. - P. 629-634.

28. Mortimer E.A., Vastine E.L. Production of Capsular Polysaccharide (Hyaluronic Acid)by L Colonies of Group A Streptococci. // J. Bacteriol., 1967. - V. 94, № 1. - P. 268-271.

29. Prehm P. Hyaluronan. // Biopolymers: biology, chemistry, biotechnology, applications. -V. 5: Polysaccharides I. Polysaccharides from prokaryotes. / eds. Vandamme E.J., DeBaets S.,Steinbuchel A. - Weinheim: Wiley-VCH, 2000. - P. 379-404.

30. Prehm P. Synthesis of hyaluronate in differentiated teratocarcinoma cells: characterization of the synthase. // Biochem. J., 1983. - V. 211. - P. 181-189.

31. Roseman S., Moses F.E., Ludowieg J., Dorfman A. The biosynthesis of hyaluronic acidby group A Streptococcus. Utilization of l-C14-glucose // J. Biol. Chem., 1953. - V. 203. - P.213-225.

32. Scott J.E., Cummings C, Brass A., Chen Y. Secondary and tertiary structures of hyaluronan in aqueous solution, investigated by rotary shadowing-electron microscopy and computer simulation. Hyaluronan is a very efficient network-forming polymer // Biochem. J., 1991. - V.274. - P. 699-705.

33. Shimada Е., Matsumura G.J. Molecular Weight of Hyaluronic Acid from Rabbit Skin //J. Biochem., 1977. - V. 81. - № l. - P. 79-91.

34. Stern R., Asari A.A., Sugahara K.N. Hyaluronan fragments: an information-rich system // Eur. J. Cell Biol., 2006. - V. 85. - P. 699-715.

35. Sugahara K., Schwartz N.B., Dorfman A. Biosynthesis of Hyaluronic Acid by Streptococcus // J. Biol. Chem., 1979. - V. 254, № 14. - P. 6252-6261.

36. Weigel P.H., Hascall V.C., Tammi M. Hyaluronan Synthases // J. Biol. Chem., 1997. - V. 272, № 22. - P. 13997-14000.

37. Widner В., Behr R., Von Dollen S., Tang M., Ней Т., Sloma A., Sternberg D., DeAngelis P.L., Weigel P.H., Brown S. Hyaluronic Acid Production in Bacillus subtilis // Appl. Environ. Microbiol., 2005. - V. 71, № 7. - P. 3747-3752.

A DESCRIPTION OF DIFFERENT METHODS USED TO OBTAIN HYALURONIC ACID

Savoskin O. V. 1 Semyonova E. F. 1 Rashevskaya E. Yu. 1 Polyakova A. A. 1 Grybkova E. A. 1 Agabalaeva K. O. 1 Moiseeva I. Ya. 1

1 Penza State University

Abstract:

The article gives a brief historical outline of the discovery and comprehensive study of hyaluronic acids. We compare and systematize scientific papers focusing on the specific features of functions, metabolism, chemical constitution, physical, chemical, histological and cytological properties of hyaluronic acids in organisms belonging to different taxonomic groups. We also reveal the specific features of enzyme composition that ensure the synthesis and degradation of biopolymers in microorganisms and mammals’ tissue cells. In addition, we analyze traditional extraction technologies used with animal-based raw materials and ways of obtaining them from Streptococcus equi subsp. equi, S. equi subsp. zooepidеmiсus and Bacillus subtilis. Furthermore, we present the grounds for the scientific and technical development of innovative biotechnologies related to hyaluronic acids with different molecular weight and their production prospects. Finally, we give information about how hyaluronic acid-based goods are used in different spheres of modern life.

Keywords:

technologies of microbial synthesis

В последние годы медицина, фармацевтика и косметология далеко шагнули в вопросе использования высокомолекулярных соединений (ВМС), в качестве основных действующих, а также вспомогательных, корригирующих веществ и наполнителей. Одним из наиболее востребованных в медицине и косметологии ВМС на сегодняшний момент, является гиалуроновая кислота (ГК), которая нашла свое применения в хирургии, как заменитель синовиальной жидкости в суставах в качестве смазывающего и хондропротекторного компонента; дерматологии, в качестве ремоделирующего агента при коррекции возрастных деформаций кожи лица, особенно кожи вокруг глаз; гинекологии, в качестве противоспаечного средства при внутривлагалищных сращениях. Таким образом, спектр применения гиалуроновой кислоты весьма широк; он постоянно пополняется, что приводит к повышению спроса на данный вид биополимера, а, следовательно, интересу к альтернативным источникам его получения.

1. История открытия гиалуроновой кислоты

В 1934 г. в журнале Journal of Biological Chemistry была опубликована статья Карла Маера и Джона Палмера, в которой упоминался необычный полисахарид, выделенный из стекловидного тела бычьего глаза (от греч. hyalos — стекловидный и англ. uronic acid - уроновая кислота), достаточно высокой молекулярной массы 450 г/моль и не содержащий сульфатных групп . Дальнейшие исследования показали, что полисахарид представлен фрагментами дисахарида, который состоит из D-глюкуроновой кислоты и N-ацетилировананного глюкозоамина.

Данные о принадлежности биополимера только структурам организмов млекопитающих опровергли, когда в 1937 г. Кендал и Хейдельбергер заявили о выделении полисахарида идентичного гиалуронану из культуральной жидкости гемолитического стрептококка. Идентичность выделенного биополимера подтвердилась ими же позже после установления структуры полисахарида в 60-е годы . В 1954 г. в журнале Nature руководитель лаборатории Meyer опубликовал структурную формулу фрагмента дисахарида, продукта расщепления стрептококковой гиалуронатлиазой .

Научный интерес к гиалуроновой кислоте, ее получению, выделению и применению все больше увеличивался. К настоящему времени опубликовано более 15000 статей в зарубежных и отечественных журналах. Результатом исследований было получение достоверных данных о выделении гиалуронана из различных органов млекопитающих, а также из культур различных клеток (гемолитический стрептококк, стрептомицеты, коринебактерии). Некоторые данные имели промышленное значение, например, экстракция гиалуроновой кислоты из гребней кур используется и сейчас. За полвека увеличился и спектр применения гиалуронана (хирургия, косметология, травматология и ортопедия, дерматология и др.), а также были созданы новейшие лекарственные формы на основе его полимерной структуры . Все это не было возможно без установления биологической роли биополимера, который, как оказалось, служил компонентом клеточного матрикса, необходимого для нормального осуществления метаболических процессов пролиферации и дифференциации тканей. Так был изучен процесс метаболизма гиалуронана в организме человека. Стало известно, что в день распадается и синтезируется около 5 г гиалуроновой кислоты, а ее содержание в теле человека составляет примерно 0,007%, что составляет около 15 г у женщины массой 70 кг .

В 1953 г. Роземан, Мозес и Дорфман опубликовали работы, где был указан способ получения гиалуронана, его осаждения и выделения в свободном виде на основе культур гемолитического стрептококка. В дальнейшем их методы выделения и осаждения были усовершенствованы Цифонелли и Маедо, что позволило повысить выход и чистоту продукта . Механизм образования гиалуронана в бактериях, в том числе стрептококков, был выявлен позже, когда был исследован ферментный состав микроорганизмов, способных к синтезу гиалуроновой кислоты. В 1959 г. было доказано существование специфических пептидов гиалуронатсинтетаз, которые осуществляют синтез полисахарида в мембранах бактерий .

В 1992 г. американские ученые заявили о клонировании гена, отвечающего за синтез гиалуронатсинтетазы, и передаче его штамму кишечной палочки. Однако активного фермента получить не смогли. ДеАнгелис в 2002 г. сообщил об успешном выделении оперона гиалуронатсинтетазы и экспрессии его в микроорганизм. Это был первый случай клонирования глюкозоаминогликансинтетаз в мировой практике .

В настоящее время в мире проводятся исследования механизмов действия гиалуроновых кислот, их роли в организме человека и альтернативных путей использования. Однако, особенно актуальными являются вопросы микробного синтеза гиалуронана, что подтверждает цена за килограмм очищенного продукта, составляющая около 700000 т. руб. (импортируемый продукт на основе животного сырья). Так, за последние 20 лет в мире было выдано более 50 патентов, что свидетельствует о высоком интересе к рассматриваемой проблеме.

2. Химическое строение и физические свойства гиалуроновой кислоты

Около 20 лет с момента первой публикации об открытии животного полисахарида гиалуроновой кислоты (1934 г.) понадобилось лаборатории Meyer, для установления точного химического строения гиалуроновой кислоты. Гиалуроновая кислота, гиалуронат или гиалуронан - (C14H21NO11)n - органическое соединение, относящееся к группе несульфатированных глюкозоаминогликанов (рис. 1). Наличие многочисленных сульфатированных групп у родственных глюкозоаминогликанов является причиной многочисленной изомерии, чего не наблюдается у гиалуроновой кислоты, которая всегда химически идентична, в независимости от методов и источников получения. Молекула гиалуроновой кислоты построена из повторяющихся фрагментов D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-D-глюкозоамина, соединенных β-(1-3)гликозидной связью. Основы фрагментов сахаров - это глюкопиранозное кольцо с различными заместителями (ацетамидная группа, гидроксильные и карбоксильные функциональные группы).

Рис. 1. Химическая формула гиалуроновой кислоты

Для молекулы гиалуроновой кислоты характерно образование большого количества водородных связей как внутри молекулы, так и между соседними углеводными остатками, находящимися на значительном друг от друга расстоянии, а в водном растворе даже между соседними молекулами через карбоксил и ацетамидную группу. Имеет кислую реакцию среды ввиду наличия непротонированной карбоксильной группы. Кислотные свойства гиалуроната позволяют получать растворимые в воде соли с щелочными металлами. Гиалуроновая кислота - это анионный линейный полисахарид с различной молекулярной массой 105-107Да. Молекулярная масса зависит от способа получения, причем, ввиду отсутствия изомерии, получаемый гиалуронат всегда химически идентичен стандартному.

Растворы гиалуроновой кислоты 1-4% образуют псевдогели. В водной среде сила кислотности карбоксильной группы (pK) составляет порядка 3-4, поэтому, для сохранения электронейтральности в растворе, молекулу окружают положительно заряженные катионы металлов, Na+, K+, Мg2+ и Ca2+, что приводит к формированию прочной гелевой структуры с большим содержанием воды. С тяжелыми металлами и красителями дает нерастворимые в воде комплексы. Кроме того, гиалуронат специфически реагирует с белками и в результате дает нам сложные гелеобразные комплексы, нередко выпадающие в осадок .

В водном растворе гиалуроновая кислота имеет достаточно большие значения продольного размера полисахаридной цепи - примерно 1 нм, поэтому, находясь в организме млекопитающих, гиалуроновая кислота принимает наиболее компактную форму. Посредством рентгеноструктурного анализа, выяснено, что гиалуронат может формировать левую ординарную и двойную спирали, различные многонитевые плоские структуры, а также сверхспирализованные структуры с вариациями концентраций в различных частях цепи, формирующие плотную молекулярную сетку, что и составляет вторичную структуру полисахарида. Это, в основном, обусловливается образованием водородных связей, связыванием с катионами щелочных металлов и гидрофобными взаимодействиями. Третичная структура гиалуроновой кислоты - это сетка, обладающая высокими реологическими свойствами (домены отталкиваются друг от друга), способная поглощать значительное количество воды и электролитов, а также большие молекулы белков, однако точно определенного размера пор третичная структура не образует. Сети имеют весьма четкую упорядоченность, ввиду наличия электронных эффектов по функциональным группам и по заместителям. При этом молекула принимает наиболее энергетически выгодное положение, которое также зависит от ионного окружения .

3. Гиалуроновая кислота в природе, функции гиалуроната в зависимости от гистологической и цитологической принадлежности у различных организмов

Наличие гиалуронатсинтетаз и гиалуроновых кислот в капсулах вирусов и бактерий родов Streptococcus можно объяснить, как адаптативное эволюционное приспособление, которое бактерии и вирусы позаимствовали у высших животных, тем самым увеличив свою способность преодолевать иммунный ответ хозяина.

3.1 Гиалуроновая кислота в тканях млекопитающих

Гиалуронат - основной компонент межклеточного матрикса различных тканей млекопитающих, однако распределен неравномерно. Так, например, максимальная концентрация содержания гиалуроновой кислоты в теле человека наблюдается в синовиальной жидкости, пупочном канатике, стекловидном теле глаза и коже .

В коже глюкозоаминогликан содержится в интерстициальном пространстве и выполняет ряд функций: удерживает воду, тем самым поддерживает естественную эластичность и объём кожи, что так важно при воспалительных реакциях; участвует в процессах пролиферации и дифференциации кератиноцитов и иммунокомпетентных клеток, тем самым играет роль в поддержании нормального процесса роста и регенерации кожных покровов и осуществлении местного иммунитета, укрепляет волокна коллагена (рис. 2); служит естественным барьером, защищающим от действия свободных радикалов, болезнетворных агентов и химических веществ .

Рис. 2. Воздействие гиалуроновой кислоты на коллагеновые волокна.

При недостатке естественной гиалуроновой кислоты, например, при старении или заболеваниях кожи, развиваются дегенеративные нарушения: снижается местный иммунитет, ранозаживляющая способность, эластичность кожи, что ведёт к возникновению морщин. В хрящевой ткани ГК выполняет функцию структурного элемента матрикса, необходимого для связывания и удержания хондроитинсульфатпротеогликана для укрепления коллагенового каркаса хряща . В синовиальной жидкости гиалуронат обеспечивает смазку для подвижных частей сустава, уменьшая их износ. При воспалительных заболеваниях суставов (артритах), снижается количество гиалуроновой кислоты, уменьшается вязкость синовиальной жидкости, что ведет к ухудшению движения. Также гиалуроновая кислота играет важную роль в эмбриогенезе, является передатчиком сигналов клеточной подвижности.

Таким образом, функции гиалуроната весьма обширны, и по мере дальнейшего расширения сферы изучения ее свойств, будут открываться все новые факты о роли глюкозоаминогликана в организме человека и млекопитающих .

3.2 Гиалуроновая кислота как компонент капсул бактерий

4. Метаболизм гиалуроновой кислоты

Синтез гиалуроновой кислоты достаточно хорошо изучен. Для млекопитающих и бактерий родов Streptococcus и Pasteurella биохимия процесса принципиально не отличается. Для синтеза гиалуроновой кислоты необходимы компоненты полимера: глюкуроновая кислота и N-ацетилглюкозамин. Глюкуроновая кислота синтезируется посредством ряда ферментативных реакций из глюкозо-6-фосфата (рис. 3).

Рис. 3. Схема синтеза глюкозоаминогликанов

Глюкозо-6-фосфат под действием фермента α-фосфоглюкомутазы изомеризуется в глюкозо-1-фосфат. Далее фермент УДФ-глюкозопирофосфорилазы катализирует образование УДФ-глюкозы из уридиндифосфата и глюкозы. После происходит ферментзависимое окисление гидроксогрупп УДФ-глюкозы под действием фермента УДФ-глюкозодегидрогеназы. Результат - образование глюкуроновой кислоты.

N-ацетилглюкозамин синтезируется из фруктозо-6-фосфата. При биосинтезе аминосахара происходит перенос аминогруппы на фруктозо-6-фосфат. Донор аминогруппы - глютамин, фермент амидотранфераза. Результат - образование глюкозамина-6-фосфата, который изомеризируется мутазой в глюкозамин-1-фосфат, который подвергается ацетилированию при участии фермента ацетилтрансферазы в присутствии КoA до N-ацетилглюкозамин-1-фосфата, который необходимо активировать пирофосфорилазой до УДФ-N-ацетилглюкозамин-1-фосфата. Это энергозатратный процесс.

Последней стадией синтеза гиалуроновой кислоты будет осуществление гликозидтрансферазной реакции при помощи единственного фермента гиалуронатсинтетазы. Этот процесс также происходит с затратой энергии АТФ (на синтез 1 моля гиалуроната расходуется 2 моль АТФ) .

4.1. Гиалуронатсинтетазы: строение, функции, локализация, кинетические характеристики и механизмы катализа

Гиалуронатсинтетаза - металлопротеин молекулярной массы 49 кДа, фермент, требующий катионы металлов для координации с фосфатными группами (активации) и использующий глюкозидфосфаты в качестве субстратов. Является единственным в своем роде ферментом, катализирующим синтез гиалуроновой кислоты в организме млекопитающих и в клеточной стенке гемолитического стрептококка, а также у вируса PBCV-1 и бактерии Pasteurella multicida . Исследования, проведенные в 50-е годы, в лаборатории Meyer позволили установить характерные особенности фермента гиалуронатсинтетазы: функционирует при нейтральных значениях pH, для катализа требует активированные посредством конъюгации с уридиндифосфатом глюкуроновую кислоту и N-ацетилглюкозамин, а также присутствие катионов Mg2+ и Mn2+ для координирования фосфатных групп. Фермент проявляет высокую активность в присутствии кардиопина (находится в комплексе). Тип 1 был изучен в 1983-1998 г. Prehm и Asplund, характерен для гемолитического стрептококка млекопитающих: гиалуронатсинтетаза синтезирует гиалуроновую кислоту посредством присоединения углеродных остатков к восстанавливающему концу гиалуроната, при этом чередуются β(1-3) и (1-4)гликозидные связи .

4.2. Ферменты, осуществляющие деполимеризацию гиалуроновой кислоты

Катаболические реакции гиалуроновой кислоты основаны на ферментативном катализе посредством гиалуронатлитических ферментов. Гиалуронатлиазы были классифицированы в 1971 году в лаборатории Meyer . Концепция данной классификации предельно проста: фермент - катализируемая реакция - продукт реакции. В соответствии с данной классификацией выделяют три различных вида гиалуронидаз (гиалуронатлиаз):

Гиалуроноглюкозаминидазы (гиалуронидазы млекопитающих) - эндо-β-N-ацетилгексоаминидазы, расщепляют гиалуроновую кислоту до тетра- и гексасахаридов.

Гиалуроноглюкозаминидазы не облалают субстратной специфичностью, а также способны формировать поперечные сшивки между молекулами гиалуроната и хондроитинсульфата. Одной из дополнительной функции гиалуронидаз в организме млекопитающих является расщепление гиалуроната до дисахаров для получения энергии .

Гиалуронатлиазы (гиалуронидазы бактерий) - это эндо-β-ацетил-гексоаминоэлиминазы, гидролизирующие гиалуронат до 4,5-ненасыщенных дисахаров. Обладают высокой специфичностью к субстрату. У бактерий гиалуронидазы являются фактором патогенности, необходимой для инвазии и адгезии бактерий (для проникновения в организм млекопитающего).

5. Получение гиалуроновой кислоты

Все известные способы получения гиалуроновой кислоты можно разделить на две группы: физико-химический метод, который заключается в экстрагировании гиалуроната из тканей животного сырья млекопитающих, других позвоночных животных и птиц; и микробный метод получения ГК на основе бактерий-продуцентов.

5.1. Физико-химический способ: экстракция из животного сырья

Как было сказано ранее, гиалуроновая кислота встречается во многих тканях млекопитающих и птиц, и, в зависимости от гистологической принадлежности, содержание гиалуроновой кислоты и ее молекулярная масса могут варьировать. Кроме того, в различных тканях гиалуронат может находиться в комплексах с белками и родственными полисахаридами, что затрудняет его очистку с последующим выделением. В настоящее время для промышленного получения используют пупочные канатики новорожденных и гребни кур. Однако, кроме вышеперечисленных методов, описаны разнообразные способы выделения гиалуроната на основе стекловидного тела глаз крупного рогатого скота, синовиальной жидкости, суставных сумок, свиной кожи, плазмы крови и хрящевой ткани . При выделении биополимера прибегают к различным приёмам выделения: гомогенизация, экстракция, фракционное осаждение и т.п.

Любая процедура выделения гиалуронана включает предварительное разрушение органов и тканей, содержащих биополимер, и белково-углеводных комплексов. Разрушение достигается посредством методов измельчения и гомогенизации . После полученный гомогенат подвергают экстракции с использованием водно-органических растворителей. Ковалентно-связанные примеси пептидов удаляют методом ферментативного протеолиза, посредством обработки протеазами (папаином) или химической денатурацией (хлороформ, амиловый спирт с этанолом). Следующий этап — это адсорбция на активированном угле, посредством электродиализа. От примесей мукополисахаридов биополимер очищают методом осаждения хлоридом цетирпиридиния или посредством ионообменной хроматографии.

Наибольшее распространение, в силу доступности сырья и высокого содержания биополимера, получил метод выделения гиалуроновой кислоты из петушиных гребней. Экстракция производится смесью ацетона с хлороформом (удаление белка), водой, либо водно-спиртовой смесью (пропионовый, трет-бутиловый спирты) с последующей сорбцией на активированном угле, посредством электрофореза или на ионообменной смоле .

5.2. Микробный синтез, продуценты гиалуроновой кислоты

Экономически более выгодным является метод микробного синтеза гиалуроновой кислоты на основе бактериальных штаммов-продуцентов. Такой синтез при введении его в масштабы производства, будет иметь меньше издержек, таких как затраты на животное сырье и зависимость от сезонных поставок. И, напротив, производство гиалуронана на основе микробного синтеза позволит масштабировать производство и получить продукт высокой степени очистки, не содержащий примесей, а, следовательно, имеющий низкую аллергенность . С момента открытия способности бактерий к синтезу гиалуроновой кислоты, постоянно ведутся исследования возможности получения искомого полимера биотехнологическим путем, т. е. путем культивирования бактерий-продуцентов на питательных средах определенного состава в строго заданных условиях с последующим выделением целевого продукта. К продуцентам гиалуронана можно отнести капсулообразующие бактерии родов Streptococcus и Pasteurella . К штаммам-продуцентам предъявляется ряд требований:

Отсутствие патогенности и, особенно, гемолитической активности;

Способность к синтезу высокомолекулярной гиалуроновой кислоты;

Большие размеры капсул с высоким содержанием биополимера (капсулы при этом должны легко отделяться, желательно при экстракции);

Отсутствие гиалуронидазной активности, чтобы исключить потери целевого продукта;

Высокая способность к росту, при этом наиболее полное использование субстрата;

Сохранение стабильности физиолого-биохимических свойств.

Исследования в области поиска штамма, способного удовлетворить потребности в биополимере и соответствующего всем параметрам, привели к Streptococcus equi surbsp. equi. и Streptococcus equi surbsp. zooepidеmiсus .

Дикие типы стрептококков синтезируют внеклеточные белки, что снижает выход биополимера. Поэтому для получения воспроизводительных гиалуронидазанегативных, не гемолитических штаммов, проводили их модификацию посредством химического и УФ-индуцированного мутагенеза или ненаправленного мутагенеза с последующей селекцией. Генно-инженерные штаммы кишечных палочек, полученные на основе методов экспрессии оперонов, кодирующих синтез гиалуронатсинтетазы стрептококков на матрицу бактерий, в настоящее время не применяются, ввиду низких показателей выхода биополимера. Исключением можно считать генно-инженерный штамм Bacillus subtilis, показывающий высокие результаты выхода биополимера, при росте на сложных ферментированных средах .

Биотехнология микробного синтеза гиалуроновой кислоты на основе штаммов Streptococcus zooepidemicus. Типичный состав синтетической питательной среды для бактерий рода Streptococcus, синтезирующих гиалуроновая кислоту, приведен ниже.

Источник углевода и энергии: глюкоза - 1000; аминокислоты: DL-аланин, L-аргинин, L-аспарагиновая кислота, L- цистин, L-цистеин, L-глютаминовая кислота, L-глутамин, L-глицин, L-гистидин, L-изолейцин, L-лейцин, L-лизин, L-метионин, L-фенилаланин, гидрокси-L-пролин, L-серин, L-треонин, L-триптофан, L-тирозин, L-валин по 100; витамины: биотин - 0,2, фолиевая кислота - 0,8, никотинамид - 1, никотинамидадениндинуклеотид - 2,5, пантотенат кальция - 2, пиридоксаль — 1, пиридоксамин гидрохлорид - 1, рибофлавин — 2, тиамин гидрохлорид - 1; нуклеотиды: аденин - 20, гуанин гидрохлорид - 20, урацил - 20; соли органических и неорганических кислот: FeS04*7H20 - 5, Fe(N03)2*9H20 - 1, К2НР04 - 200, КН2Р04 - 1000, MgS04*7H20 - 700, MnS04 - 5, СаС12*6Н20 - 10, NaC2H302*3H2O - 4500, NaHC03 - 2500, NaH2P04*H20 - 3195, Na2HP04 - 7350.

Культивирование бактерий pода Streptococcus с целью получения ГК осуществляется, как правило, в периодических условиях. Питательную среду готовят однократно, растворяя необходимые компоненты среды в воде, после чего среду стерилизуют. Источник углерода стерилизуется отдельно. После засева за ходом ферментации следят по потреблению субстрата, росту концентрации клеток, образованию продукта (ГК), продуктов метаболизма, изменению рН среды. Максимальная концентрация ГК составляет приблизительно 5 г/л. Дальнейший рост содержания в среде ГК ведет к многократному возрастанию вязкости КЖ, резкому ухудшению массообменных характеристик процесса ферментации, трудностям при аэрировании и перемешивании. Концентрация ГК при периодической или периодической с подпитками по субстрату ферментации достигает заданного значения за 6 - 26 часа. Как правило, после выхода культуры в стационарную фазу процесс завершают. Клетки микроорганизмов инактивируют прогреванием при 60 - 80 °С. Биомассу отделяют одним из хорошо известных способов - флокуляцией, сепарированием, центрифугированием, фильтрованием. ГК из КЖ осаждают органическими растворителями или катионными ПАВ. Очистку проводят с помощью ультрафильтрационных методов, переосаждения или хроматографией.

Данные методы принципиально не отличаются от методов выделения ГК из животного сырья, описанных ранее. Например, в патенте на метод получения ГК описан следующий способ культивирования штамма-продуцента и выделения ГК. Ферментацию осуществляли в биореакторе на 3 л (коэффициент заполнения ферментера 0,5) на среде состава: 2,0 % глюкозы, 0,5 % ДЭ, 1,5 % пептона, 0,3 % КН2Р04, 0,2 % К2НР04, 0,011 % Na2S203, 0,01 % MgS04 * 7Н20, 0,002 % Na2S03, 0,001 % СоС12, 0,001 % MnCl2 и 0,5 % соевого масла; рН среды 7,0. Стерилизация среды осуществлялась глухим паром 120 °С в течение 15 мин. После охлаждения до комнатной температуры вносился инокулят культуры S. zooepidemicus штамм Ferm ВР-878 в количестве 0,1 л. Аэробное культивирование (расход воздуха 0,7 л/(л*мин) длилось 26 часов при постоянном термостатировании (35 °С) и перемешивании среды (300 об/мин). рН среды поддерживался постоянным на уровне 7,0. На 24-ом часу культивирования в асептических условиях вносилась подпитка по субстрату - 100 мл 50 % раствора глюкозы. Процесс завершали по прошествии 26 часов культивирования.

Для выделения ГК проводили следующие процедуры. К бактериальной культуре добавляли 3,2 л дистиллированной воды. После тщательного и длительного перемешивания биомассу отделяли центрифугированием. Супернатант концентрировали до 1,6 л на ультрафильтрационном половолоконном аппарате и проводили диализ против дистиллированной воды. В образовавшийся раствор вносили ацетат натрия до конечной концентрации 0,5 % и проводили осаждение 5 л этилового спирта. Осадок полисахаридов отделяли центрифугированием. Очистку ГК проводили, растворяя полученный осадок в дистиллированной воде (0,5 л) и добавляя 4 % водный раствор бромида цетилпиридиния. Осадок связанной с катионным ПАВ ГК отделяли и растворяли в 40 мл 0,3 М раствора хлорида натрия. Нерастворенную часть осадка отбраковывали. К раствору добавляли 120 мл этанола для осаждения ГК. Осадок отделяли и растворяли в дистиллированной воде, после чего проводили очистку на ионообменной смоле и повторное спиртоосаждение. Выход очищенного гиалуроната натрия с одной ферментации составлял 7,8 г. Содержание белка в препарате составляло менее 0,05 %. Молекулярная масса ГК равнялась 1,005 МДа .

Другие способы биотехнологического получения ГК, описанные в патентах, незначительно отличаются составом сред.

Биотехнология микробного синтеза гиалуроновой кислоты на основе штаммов бактерий Bacillus subtilis. К способам получения гиалуроновой кислоты, относится метод биосинтеза ГК на основе генно-модифицированного штамма Bacillus subtilis, содержащий генетическую конструкцию, включающую промотор, функционально активный в указанной клетке, и кодирующую область, состоящую из нуклеотидной последовательности, кодирующей стрептококковую гиалуронансинтазу (hasA); последовательности, кодирующей UDP-глюкозо-6-дегидрогеназу Bacillus (tuaD) или аналогичный фермент стрептококкового происхождения (hasB), и последовательность, кодирующую бактериальную или стрептококковую UDP-глюкозопирофосфорилазу.

Метод включает культивирование клетки-хозяина Bacillus в условиях, подходящих для продуцирования гиалуроновой кислоты, при этом клетка-хозяин Bacillus содержит конструкцию нуклеиновой кислоты, включающую последовательность, кодирующую гиалуронансинтазу, функционально связанную с промоторной последовательностью, чужеродной в отношении последовательности, кодирующей гиалуронансинтазу; и извлечения гиалуроновой кислоты из среды культивирования .

6. Применение гиалуроновой кислоты

Гиалуроновая кислота - вещество с огромным спектром действия, и поистине удивительными свойствами. Спустя несколько лет после открытия гиалуроновой кислоты начинается разработка препаратов на основе глюкозоаминоликана для наружного применения в качестве средства, повышающего регенеративные и барьерные функции кожи. Однако, как известно, субстанция, изготовленная из животного сырья, требует тщательной очистки от примесей, что накладывает дополнительные издержки производства и отражается на цене конечного продукта . Действительно высокая себестоимость гиалуроновой кислоты долгое время препятствовала расширению спектра применения биополимера, однако постепенное увеличение знаний о свойствах полимера и внедрение биотехнологических методов на основе микробного синтеза, позволило существенно снизить себестоимость субстанции, подталкивает развитие разнообразных приложений, в которых находит применение гиалуроновой кислоты в областях медицины, пищевой, фармацевтической, космецевтической промышленности. Ведутся исследования по созданию лекарственных препаратов и БАД на основе гиалуроната с противовоспалительным, иммуномодулирующим и пролонгирующим действием, которые, возможно, в будущем можно будет применять в качестве основы терапии заболеваний в онкологии, оториноларингологии, хирургии, эндокринологии и многих других сферах человеческой деятельности .

6.1. Гиалуроновая кислота в медицине

Гиалуроновая кислота обладает антимикробным и регенерирующим действиями, поэтому на основе ее разработаны препараты для эффективной терапии поражений кожи. Созданные изначально как препараты против ожогов, данная группа активно применяется при терапии трофических нарушений кожного эпителия посттромботического генеза. Доказано, что низкомолекулярная гиалуроновая кислота (менее 10 кДа) оказывает ангиогенное действие, тем самым снижая образование спаек и разрастание соединительной ткани, так же улучшает микроциркуляцию и снижает эффекты воспаления .

Гиалуронат имеет свойства повышать активность интерферона, тем самым проявляя выраженное противовирусное действие. Была доказана высокая активность препаратов на основе гиалуроновой кислоты в отношении вируса герпеса и некоторых других. По данным некоторых источников высокомолекулярная гиалуроновая кислота является пролонгатором действия других БАВ, растворенных в ней Лекарственные вещества, за счет высокой вязкости гиалуроната, выделяются в ткани в течение длительного времени. Создается так называемое депо, из которого БАВ постепенно диффундирует в среду организма. Это позволяет увеличить терапевтическую широту, потенцировать в некоторых случаях фармакологический эффект, снизить побочные эффекты, а также расширить возможности применения других лекарственных веществ (стероидных препаратов, антибиотиков, пептидов, НПВС и т.д.) в комбинации с гиалуроновой кислотой. Широко применение гиалуроната в хирургии:

1. Офтальмологическая хирургия - гиалуронат натрия используется в качестве репаративного средства при оперативных вмешательствах на эндотелиальном слое роговицы (удаление катаракты).

2. Хирургическая травматология - при хирургических операциях с обширным сечением хрящевой ткани и осложненных артритах используется в качестве регенерирующего, смазывающего, противовоспалительного и анальгезирующего средства .

6.2. Гиалуроновая кислота в косметологии

Применение гиалуроната и его солей в косметологии основывается на способности гиалуронатсодержащих препаратов оказывать местное противовоспалительное, ранозаживляющее и иммуномодулирующее действие. Способность задерживать в межклеточном пространстве воду является основой механизма коррекции возрастных деформаций кожи. На данный момент в косметологической практике стали весьма популярны инъекции 1-3% водного раствора гиалуроновой кислоты для внутри- или подкожного введения. Введение гиалуроновой кислоты в эпителий в виде водного геля повышает эластичность и упругость тканей, тем самым придавая коже прежние качества и красоту . Однако широчайшее применение высокомолекулярный гиалуронат получил при изготовлении различных комбинированных кремов и гелей для наружного применения. Данный вид продукции имеет ту же направленность, что и инъекции - восстановить реологические свойства кожи, тем самым предотвратить образование морщин, прыщей и т.д. .

Гиалуроновая кислота обладает свойствами, которые делают ее крайне подходящей для использования в качестве дермального филлера: она способна связывать большое количество воды, присутствует в коже в естественных условиях и не склонна вызывать нежелательные реакции. Филлеры (Fill — от англ. — наполнять) - это инъекционные кожные наполнители, которые используются в косметологии для уменьшения глубины морщин, носогубных складок и складок в уголках рта . Филлеры также используются для придания дополнительного объема лицу в области скул, щек и губ В настоящее время широкое распространение получила группа ГК- филлеров семейства Surgiderm и Juvederm Ultra А. Surgiderm и Juvederm Ultra представляют собой однородные монофазные гели гиалуроновой кислоты неживотного происхождения. Они являются одними из наиболее пластичных материалов для инъекционной контурной пластики, что определяет не только легкость их введения, но и равномерное распределение в тканях, позволяет полностью исключить контурирование материла .

Современная серия препаратов на основе гиалуроновой кислоты PRINCESS®. «PRINCESS® Filler» представляет собой стерильный, биодеградируемый, вязкоэластичный, прозрачный, бесцветный, изотонический и гомогенизированный гелевый имплантат для интрадермальных инъекций. Содержащаяся в «PRINCESS® Filler» гиалуроновая кислота с поперечно-сшитой структурой продуцируется бактериями Streptococcus equi, представлена в виде раствора с концентрацией 23 мг/мл в физиологическом буфере .

Заключение

Гиалуроновая кислота - продукт животного происхождения, имеющий поистине удивительные свойства и высочайший спектр применения как сейчас, так и в перспективе дальнейшего ее использования. Поэтому совсем не удивительно, что ее свойства изучаются во всем мире.

В настоящее время исследуются процессы и механизмы действия гиалуроновой кислоты на ткани организма. Выдвигаются гипотезы относительно роли гиалуроната и родственных глюкозоаминогликанов в процессах пролиферации, дифференциации, миграции животных клеток в процессах иммунного ответа и эмбриогенеза, а также делаются попытки по установлению связи между молекулярной массой, степенью очистки и эффективностью препаратов.

Физико-химический способ, в виду своей экономической нерентабельности, постепенно уступает место биотехнологическому методу синтеза биополимера. Были проведены поиски продуцентов, соответствующих всем параметрам, а также различного рода испытания на предмет изучения метаболизма гиалуроновых кислот. Результатом исследования служило выявление прямая связи между способностью синтеза гиалуроновых кислот и наличием специфических ферментов гиалуронатсинтетаз.

В последние 20 лет оперон, кодирующий синтез гиалуронатсинтетаз, был выделен в чистом виде и неоднократно экспрессировался различным видам микроорганизмов с целью получения генно-модифицированных штаммов-продуцентов гиалуроновых кислот. Однако результата не могли добиться очень долгое время. Генно-модифицированные штаммы производили неактивную форму фермента, следовательно, способностью к продукции гиалуроновых кислот не обладали. Но недавно проведенные исследования по созданию генно-модифицированного штамма на основе бактерий Bacillus sibtilis показали хорошие результаты. Штаммы бактерий активно синтезировали гиалуронат высокой молекулярной массы, лишенной пептидных включений и связей с родственными мукополисахаридами.

Однако поиск штаммов-продуцентов сейчас продолжается. Проверяются возможности синтеза гиалуроната бактериями рода Streptomyces, и ведется разработка биотехнологии на их основе; кроме того, изучаются пути использования и внедрения гиалуроната во все сферы жизнедеятельности общества.

Библиографическая ссылка

Савоськин О. В., Семенова Е. Ф., Рашевская Е. Ю., Полякова А. А., Грибкова Е. А., Агабалаева К. О., Моисеева И. Я. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ГИАЛУРОНОВОЙ КИСЛОТЫ // Научное обозрение. Биологические науки. – 2017. – № 2. – С. 125-135;
URL: https://science-biology.ru/ru/article/view?id=1060 (дата обращения: 13.12.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»