Из чего состоит гиалуроновая кислота: Гиалуроновая кислота. — ФГБУ Поликлиника №2

что делает этот полимер в медицине

Во-первых, гиалуроновая кислота — это не кислота, а полимер. Точнее, то, что в составе косметических и медицинских средств пишут как «гиалуроновая кислота» — это её натриевая соль. Высокомолекулярная форма соли гиалуроновой кислоты — это очень крупная и тяжёлая молекула со множеством звеньев. Кстати, слово «полимер» не означает, что это пластик, ни в коем случае. Это мукополисахарид, то есть циклические звенья относят к сахарам. Но это не чистый полисахарид.

Структуры, которые почти полностью состоят из гиалуроновой кислоты, — это, например, гребень петуха или пуповина младенца. Это такие нежные мягкие образования — по сути, набухший гель. Стекловидное тело глаза на 80% состоит из этого полимера. Очень много данного полимера в любых слизистых.

Во-вторых, надо различать в маркетинге «природную» гиалуроновую кислоту и биосинтезированную. «Природная», она же получаемая из гребешков петухов, практически не подходит для инъекций без дополнительного достаточно дорогого очищения (то есть почти не используется в медицине) и реже используется в косметике, чем биосинтезированная (обеспечивает неравномерность состава средств, уменьшает срок годности и так далее — точнее, может это делать, но не обязательно сработает именно так).

Причина легко объясняется. Можно получать большое количество гиалуроновой кислоты для медицинской или косметической промышленности либо переработкой частей животных, либо продуцированием с помощью бактерий (биотехнологически).

Чтобы отделить эти встроившиеся молекулы белка, нужна цепочка сложных, долгих и, что важно, дорогих химических реакций и процедур с результирующими веществами. В результате очистка всё равно выполняется не до конца полная, поэтому полученная «природным» образом гиалуроновая кислота является довольно

сильным аллергеном. Пока вы наносите её на кожу — ничего страшного не будет. Стоит вам начать дробить фракцию для подкожного применения или использовать инъекции — так резко повышается риск нежелательных реакций. Плюс этот белок имеет свойство со временем деструктироваться или денатурировать, что вызывает выход продуктов распада в раствор. С разным изменением его свойств.

Ещё одна причина, по которой такое вещество крайне редко используется в серьёзных формулах как косметики, так и медицины, в том, что оно означает низкое качество основной формулы. Как правило, действующее вещество не одно (а в нашем случае, например, средств для быстрой регенерации или специальных медицинских гелей — и не два и не три), и все они должны стабильно сочетаться. Следовые количества белка меняют стабильность формулы — начинаются реакции с другими действующими веществами, и не всегда предсказуемые.

Поэтому для медицины (а многие и для косметики)

используют биосинтез. Это биореакторы с бактериями, подобранными вырабатывать нужное вещество. В подобных же реакторах делаются антибиотики. Для разных производств используются разные штаммы бактерий.

Изначальная форма гиалуроновой кислоты после биосинтеза или выделения из трупного материала — это высокомолекулярная фракция. Большие тяжёлые молекулы массой 1–2 миллиона единиц. Их можно подвергнуть деструкции и «разобрать» на более мелкие. Получаются по свойствам разные вещества, но с общим названием. То есть фракция прямо влияет на свойства этого полимера.

Для нас важно то, что чем меньше молекула, тем легче она может быть использована как транспорт для других соединений. Та, что часто используется в бытовой косметике в незначительных количествах, — это обычно крупные молекулы. Они отлично ложатся на поверхность кожи и долго удерживают там влагу. Именно сверху. Потом под действием выделяемых человеком ферментов постепенно разрушаются.

Как натриевая соль гиалуроновой кислоты, полученной биосинтезом, метаболизирует, описать просто. Точно так же, как такая же синтезированная нашим организмом та же гиалуроновая кислота внутри организма. Разницы нет. Запас по возможностям метаболизировать такие соединения у организма большой. Если накачивать мышь гиалуроновой кислотой, то она погибнет от деформационных травм различных систем организма, а не от достижения предела метаболизации. Поэтому не бойтесь этого замечательного полимера в составе. Но и не приписывайте ему однозначных свойств улучшения трофики кожи или увлажнения, пока не узнаете, о какой конкретно фракции идёт речь. И когда используете вещества, которые проникают глубже рогового слоя эпидермиса и содержат не биосинтезированную версию, всегда аккуратно проверяйте на возможную аллергическую реакцию нанесением небольшого количества до основного использования.

Гиалуроновая кислота

Вода – начало всех начал, без нее нет ни жизни, ни тем более, красоты.

Мы представляем Вам уникальный продукт — низкомолекулярная гиалуроновая кислота для домашнего использования. В состав микрогеля входит гиалуроновая кислота со сверхнизкой молекулярной массой. Молекулы микрогеля легко проникают в глубокие слои дермы, минуя, благодаря своим размерам, эпидермальный барьер и служат проводником для других биоактивных компонентов, поэтому гель гиалуроновой кислоты можно применять с любым домашним уходом.

Способ применения предельно прост. Наносим небольшое количество геля на предварительно очищенную кожу массажными движениями до полного впитывания. Гель создает на поверхности кожи защитную пленку, предохраняющую от потери влаги, и защищает от негативных воздействий окружающей среды. Такую гиалуроновую кислоту можно использовать как самостоятельное средство для ухода, так и в качестве базы под любой крем.

Человек примерно на 80% состоит из воды, вот почему гиалуроновая кислота имеет столь важное для нас значение. Она играет роль «регулировщика» водного баланса в тканях и системах, выступает в роли «смазки» внутри суставов. Говоря о сохранении юности кожи, в первую очередь, стоит упоминать именно этот полисахарид, а уж потом только коллаген и эластин.

Так чем же примечательная эта самая «гиалуронка»? Ученые доказали, что лишь одна ее молекула способна удерживать около 500 молекул воды! Большая часть гиалуроновой кислоты приходится на кожу — самый большой орган человека, именно здесь она охраняет молодость кожи, склеивая волокна эластина и коллагена.

Однако с возрастом выработка собственной гиалуроновой кислоты замедляется, связи между волокнами и клетками тканей ослабевают. Коже все сложнее победить закон всемирного тяготения: появляются первые морщины и потеря тургора. Но не все так плохо: ученым удалось найти выход — теперь это чудо-вещество входит в состав кремов, а также используется в контурной пластике лица.

Ученые, на сегодняшний день, не знают ни одного другого вещества, которое бы одновременно выполняло столько полезных для кожи функций. Ведь «гиалуронка» защищает кожу от инфекций, препятствует испарению влаги с ее поверхности, даже в самых экстремальных условиях, удерживает воду в тканях и системах, активизирует регенерацию клеток и защищает их от свободных радикалов. Так что гиалуроновая кислота — это еще и своего рода антиоксидант. Впечатляет?

Именно этот внушительный список заслуг лег в основу активного использования гиалуроновой кислоты в косметике и косметологии.

Гиалуроновая кислота во флаконе

Как уже говорилось выше, гиалуроновая кислота активно используется в контурной пластике в качестве инъекций. Применение такого метода доставки активных веществ в кожу до недавнего времени ограничивалось специфическими свойствами гиалуроновой кислоты: это относительно большие размеры молекул, которые в сотни раз превышали межклеточные промежутки в эпидермисе. Данное обстоятельство препятствовало проникновению молекул гиалуроновой кислоты в глубокие слои кожи, и транспортировка методом инъекций была единственным решением.

И еще пару маленьких напутственных советов. Попробуйте вернуться зрительно в начало этой статьи. Какое слово мы видим в самом начале? Правильно! Вода! Это именно то вещество, о котором мы не должны забывать, если хотим достигнуть видимого эффекта, при использовании гиалуроновой кислоты.

В норме каждый взрослый человек должен выпивать 2-2,5 литра воды в день. Если конечно почки у Вас в здоровом состоянии и нет ограничения в потреблении жидкости.

В идеале, если это будет, именно чистая питьевая вода. Если нет такой возможности, то компоты и черный чай тоже подойдут. Главное не соки, лимонады, кофе и зеленый чай. Как бы Вы их ни любили, для гиалуроновой кислоты они точно не помощники. Особенно кофе и зеленый чай, которые наоборот выводят жидкость из организма.

Если за окошком лето в полном разгаре, а в офисе духота, либо, наоборот, за окнами морозная зима, а в помещении интенсивно работает центральное отопление, то воздух вокруг Вас особенно лишен влаги. Для того чтобы гиалуроновая кислота работала эффективно, ей необходимо помочь.

Про питьевой режим Вы уже помните! Тогда вот еще один совет. Можно опрыскивать лицо термальной или чистой питьевой водой. Хотя бы один раз в течение дня. Чтобы добавлять влагу для молекул гиалуроновой кислоты. Либо слегка протереть или промокнуть лицо ватным диском, смоченным в термальной или питьевой воде.

Ведь, когда душно и жарко Ваша кожа, как и Вы, тоже хочет пить. Так утолите ее жажду! Вы удивитесь, как она обрадуется и ответит Вам молодостью и сиянием!

7 фактов о гиалуроновой кислоте

Гиалуроновая кислота такой же популярный увлажняющий ингредиент, как и глицерин. И легенд вокруг нее создано немало. То она объявляется чуть ли не панацеей от старения кожи, а потом оказывается, что это была шутка молекулы не проникают дальше рогового слоя и эффект увлажнения лишь временное явление. Затем, что вся сила в инъекциях. И наконец, предлагают принимать гиалуроновую кислоту в качестве добавки, мол, так то она точно попадает внутрь, держись, кожа! Мы решили разобраться что к чему и сделать собственные выводы.

1. Гиалуроновая кислота – не только косметический ингредиент

Гиалуроновая кислота, линейный полисахарид животного происхождения, входит в состав соединительной и эпителиальной ткани, связок, сухожилий, хрящей, стекловидного тела глаз. Для кожи гиалуроновая кислота выступает в роли регулятора влажности, поддерживая нормальный уровень водного баланса в клетках, делая её упругой и плотной на ощупь.

Если по какой-то причине количество гиалуроновой кислоты в базальном слое эпидермиса уменьшается, нарушается процессы заживления, снижается эластичность, кожа становится сухой, раздраженной и чувствительной.

2. Гиалуроновую кислоту можно получать разными способами

Точнее двумя, из животного сырья (петушиных гребешков, глазного стекловидного тела крупного рогатого скота) или синтезируя биотехнологическими методами. В натуральной косметике не используется гиалуроновая кислота животного происхождения.

3. Вот такой ширины, вот такой вышины

Гиалуроновая кислота бывает двух видов: состоящая из мелких и крупных молекул. Крупные молекулы (собственно гиалуроновая кислота — hyaluronic acid) чаще всего используют для подкожных инъекций, в то время как мелкие молекулы применяются в качестве увлажняющих и восстанавливающих компонентов в косметических продуктах.

Долгое время считалось, что использование мелких молекул в кремах бессмысленно, потому что они, в отличие от крупных молекул, не обладают выраженным увлажняющим действием. Однако потом выяснилось, что, во-первых, мелкие молекулы всё-таки способны притягивать влагу, особенно если их достаточное количество. А во-вторых, благодаря маленькому размеру они могут проникать в глубокие слои кожи, воздействуя на рецепторы фибробластов (клеток, синтезирующих компоненты межклеточного вещества), стимулируя их запускать процесс производства новой гиалуроновой кислоты.

В качестве «мелкой» молекулы в косметике используют натриевую соль гиалуроновой кислоты – гиалуронат натрия (Sodium Hyaluronate). Кстати, правило «чем больше, тем лучше» в случае с гиалуроновой кислотой не работает. В отличие от большинства биологически активных добавок, она проявляет свои ценные свойства при весьма низких концентрациях (0.01–0.1%), поэтому не расстраивайтесь, если вы встретите её в конце списка ингредиентов.

4. Увлажняй высушивая?

Гиалуроновая кислота используется в косметике в качестве увлажняющего компонента, однако, мало кто знает, что она действует по принципу глицерина – обладая способностью притягивать и удерживать большое количество молекул воды, при низкой влажности воздуха, гиалуроновая кислота может высушить верхние слои эпидермиса, создавая ощущение стянутости кожи. Чтобы этого избежать, нужно либо использовать средства с гиалуроновой кислотой во влажном климате (например, на море), либо наносить сверху увлажняющий крем или эмульсию, которые предотвратят эффект стягивания кожи.

5. И солнце…

Раньше считалось, что количество гиалуроновой кислоты уменьшается с возрастом, и это является одной из причин потери эластичности кожи. Сейчас есть мнение, что важнейшим фактором, приводящим к уменьшению синтеза гиалуроновой кислоты в коже, является… солнце. Точнее, повреждение кожи лучами диапазона УФ-В, из-за которых уменьшается синтез гиалуроновой кислоты фибробластами, и одновременно усиливаются процессы её распада. При этом продукты распада накапливаются в коже и выводятся из нее достаточно медленно.

6. Милый, тебе надо поколоться!

Гиалуроновая кислота используется в качестве филлера (инъекционного препарата) в антивозрастной терапии и для увлажнения кожи. Вообще бытует мнение, что гиалуроновая кислота в кремах не усваивается и единственный способ, повысить увлажнённость кожи, это пройти курс мезотерапии. Более того, некоторые косметологи предлагают начать делать инъекции с 25 лет, так сказать «впрок». Вот что по этому поводу думает врач-косметолог Тийна Орасмяэ-Медер:

«Практикующим специалистам важно понимать, что качество препарата всегда определяет характер эффекта процедуры, но при этом побочные действия и осложнения возможны даже при использовании самых качественных и проверенных препаратов. Гиалуроновая кислота присутствует в соединительной ткани, дерме и эпидермисе, и регуляция ее количества определяется естественными механизмами.

Любое введение ГК извне — активирует механизмы регуляции, поэтому контурную пластику и т. д. нельзя считать полностью контролируемым процессом: после попадания препарата в кожу скорость его деградации и вероятные изменения тканей будут определяться состоянием здоровья и индивидуальными особенностями организма в целом.

Эффект внешнего омоложения, уменьшения выраженности морщин и повышения тонуса кожи может сохраняться различное время. Важно понимать, что любое введение значимых количеств ГК локально приводит к активации синтеза металлопротеиназ, к каковым относят также коллагеназы и эластазы, синтез которых тесно связан с синтезом гиалуронидаз. Поэтому деградация введенной гиалуроновой кислоты может протекать с одновременным усилением деградации собственного коллагена и эластина, что не способствует сохранению эластичности кожи.

В целом хотелось бы в очередной раз предостеречь специалистов от излишнего увлечения инъекционным введением ГК, в первую очередь от слишком частого использования данного метода. Локальное введение препаратов ГК с целью компенсации дефицита собственной ГК обладает терапевтическим и эстетическим эффектом, а вот применение ГК для “профилактических инъекций” весьма дискутабельно».

7. А не хлопнуть ли нам по рюмашке?

Помимо кремов и инъекций, гиалуроновую кислоту можно потреблять внутрь в прямом смысле этого слова – в виде таблеток и напитков. Особенно много таких пищевых добавок на азиатском рынке. Производители обещают повысить увлажнённость кожи, а значит, сделать её более упругой и гладкой и всё изнутри – не то, что эти сомнительные кремы, которые, как известно, остаются на поверхности кожи…

Что тут можно ответить? К сожалению, пока что нет независимых исследований, которыми бы подтвердили, что регулярный прием внутрь гиалуроновой кислоты способен повысить влагоудерживающие свойства кожи. Все данные и цифры приводят сами фирмы-производители, что позволяет усомниться в их объективности.

Многие дамы, кто принимал БАДы с гиалуроновой кислотой, отмечают, что улучшается работа суставов – они перестают скрипеть, уменьшаются боли при остеопорозе. То есть гиалуроновая кислота, поступившая в организм, идет на поддержание соединительных тканей. Остается ли что-то «для кожи» неизвестно. В любом случае эти добавки считаются безвредными, разве что не стоит возлагать на них всю ответственность за свой внешний вид.

 

Источники:
“Гиалуроновая кислота”, Тийна Орасмяэ-Медер
“Косметическая химия”, Т. Пучкова

Что такое гиалуроновая кислота и какие её виды эффективны?

На чтение 5 мин.

О том, что такое гиалуроновая кислота и почему она полезна для красоты знает каждый. Но вот о том, что не всякая форма этого химического соединения эффективная для омоложения редко кому известно. Поэтому в нашей статье мы расскажем, какая гиалуроновая кислота используется в косметических средствах и почему не все они работают. 

Что такое гиалуроновая кислота?

Гиалуроновая кислота — это причудливое название жизненно важного природного вещества, которое поддерживает молодость нашей кожи на клеточном уровне. Она создает защитный барьер и запускает регенерацию клеток. В молодом возрасте содержание естественной гиалуроновой кислоты в организме достигает пика до 8000000 дальтон. Когда этот уровень снижается, кожа теряет свою упругость. появляются морщины и обвисания. На помощь приходит искусственная гиалуроновая кислота “выращенная” в лабораториях и внедренная в состав косметических средств. 

Она содержится в увлажняющих средствах на водной основе, сыворотках, патчах, — да почти во всех средствах для возрастной кожи. Но далеко не все эти средства по-настоящему эффективны. Всё потому, что полезен для кожи только один тип гиалуроновой кислоты. Недобросовестные продавцы часто заменяют его на дешевые аналоги, ведь закон не обязывает указывать тип используемой кислоты на упаковках!

---

Читать далее:

Уход за кожей после пятидесяти лет: тонкости и правила

---

Как действует гиалуроновая кислота?

После того, как гиалуроновая кислота впитается, она удерживает воду в 1000 раз больше своего веса, что придает коже мягкую, гладкую текстуру и более ровный оттенок. Она разглаживает морщины, восстанавливает защитный барьер, что делает ее хорошим выбором для сухой и обезвоженной кожи.

В косметике используются разные типы гиалуроновой кислоты. Эффективность средств варьируется в зависимости от размера молекул используемой гиалуронки, который измеряется в дальтонах.

Почему размер имеет значение?

Но не все молекулы гиалуроновой кислоты одинаковы. На самом деле существует шесть разных размеров. Разные молекулярные массы проникают на разные уровни кожи. Молекулы с более низкой молекулярной массой меньше по размеру и поэтому могут достигать более глубоких слоев кожи. С другой стороны, молекулы с высоким молекулярным весом работают на  поверхности, обеспечивая хоть и заметные, но кратковременные результаты. 

Ниже приведена таблица, в которой показаны различные размеры молекул гиалуроната натрия и его влияние:

Самая эффективная гиалуроновая кислота

Есть определенные критерии, по которым можно определить эффективную гиалуроновую кислоту. 

Высокомолекулярная гиалуроновая кислота

Гиалуроновая кислота с высоким молекулярным весом состоит из молекул массой от 1500 кДа и проникает через кожный барьер, образует защитную пленку, поверхностно увлажняет кожу и повышает ее эластичность. К сожалению, эта пленка быстро смывается, так что реального длительного эффекта не возникает. Этот вид обладает противовоспалительными свойствами, поэтому отлично подходит для проблемной кожи.

Низкомолекулярная гиалуроновая кислота

Гиалуроновая кислота с низким молекулярным весом состоит из молекул размером 50 кДа  и глубоко проникает в кожу. Удерживает воду в соединительной ткани, делает кожу более упругой, заметно уменьшает морщины, имеет более длительный эффект.

Виды гиалуроновой кислоты и принцип действия

Клинические исследования

Исследования показали, что для косметики должна использоваться гиалуроновая кислота с параметрами от 80 000 до 1 000 000 дальтон (80-1 000 кДа). Это оптимальный размер молекул, который способен поддерживать увлажнение и эластичность кожи. Все, что выше, не принесет особой пользы и будет иметь кратковременный эффект, который исчезнет после того, как вы очистите лицо. Все, что ниже, может вызвать воспаление при использовании в слишком высоких дозах, поскольку проникает глубоко в кожу.

Топ средств с “правильной гиалуронкой”

Мы составили для вас список из корейских косметических средств с правильной гиалуроновой кислотой в составе:

• All In One Snail Repair Cream — крем с гиалуроновой кислотой способствует регенерации кожи, устраняет послеоперационные шрамы, ожоги. пигментацию, укрепляет, повышает эластичность.

• Acence Blemish Control Soothing Gel Cream — крем борется со следами постакне, восстанавливает липидный баланс, стимулирует обменные процессы и регенерацию кожи.

• Aqua Hyaluronic Acid Water Drop — крем обеспечивает глубокое увлажнение, регулирует выработку кожного сала, возвращает упругость, повышает защитный барьер.

• All In One Collagen and Hyaluronic Ampoule — сыворотка с гиалуроновой кислотой предотвращает обезвоживание кожи, улучшает внутриклеточный метаболизм, значительно сокращает возрастные проявления.

• 5α Control Clearing Serum in Emulsion — новинка в косметическом мире, эссенция с гиалуроновой кислотой сужает поры, обладает противовоспалительным эффектом и легкой текстурой, которая впитывается в считанные секунды.

Вместо заключения

Хотя гиалуроновая кислота притягивает и удерживает влагу, она не препятствует её испарению с течением времени. Вот почему важен комплексный уход за кожей лица. Для ежедневного ухода подберите средства, усиливающие эффект гиалуроновой кислоты, например, питающее масло для лица. Оно удерживает влагу, которая впиталась вместе с гиалуроновой кислотой в кожу. Средства дополняют друг друга и работают на то, чтобы кожа оставалась ухоженной и увлажненной постоянно, а не время от времени.

Ayoume Face Oil 

---

Рекомендуем:

что такое гиалуроновая кислота и в чем ее потенциал

Недавно мы опубликовали материал об открытии учеными из ИТМО нановолокон на основе гиалуроновой кислоты. Что это за вещество, чем оно интересно и как применяется в медицине и биоинженерии — объясняем вместе с автором исследования, аспирантом факультета прикладной оптики Университета ИТМО Петром Снетковым.

Гиалуроновая кислота ― природный линейный полисахарид, который состоит из регулярно чередующихся остатков глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина. Название происходит от греч. hyalos — стекловидный + уроновая кислота.

На самом деле более корректное название — гиалуронан, хотя практически всегда речь идет об одном и том же материале. Это обобщающее понятие семейства соединений, которые могут быть представлены в виде кислоты или соли. Дальнейшее наименование уже зависит от того, что именно изучают или используют ученые. Например, гиалуронат натрия — это натриевая соль гиалуроновой кислоты. Гиалуроновая кислота — природный полимер, который можно обнаружить в клетках, околоклеточном или межклеточном пространстве человека или животного.

Для живых организмов гиалуроновая кислота выполняет важные функции: участвует в процессе деления клеток, способствует переносу питательных веществ из клетки, а также удалению метаболитов из клетки, удерживает большое количество воды, участвует в процессах заживления, и так далее. Благодаря природному происхождению, она является универсальным, безопасным и биосовместимым веществом. 

Гиалуроновая кислота

Гиалуроновую кислоту впервые обнаружили и выделили из стекловидного тела глаза крупного рогатого скота К. Мейер и Джон У. Палмер в 1934 году. Источники животного происхождения, например, гребни кур, кожа акул, пуповина млекопитающих, до сих пор являются важным ресурсом для ее выделения.

Однако использование гиалуроновой кислоты, полученной из тканей живых организмов, может вызвать аллергическую реакцию по причине наличия эндотоксинов и белковых компонентов, которые не удалось удалить в процессе очистки.

Другим методом является бактериальный синтез: бактерии определенных штаммов выращиваются в питательной среде, за счет чего происходит биосинтез гиалуроновой кислоты. Такой метод даже интереснее с научной точки зрения, потому что позволяет получить гиалуроновую кислоту в широких пределах молекулярных масс. Однако стоит отметить, что только источники животного происхождения могут позволить получить гиалуроновую кислоту с наибольшей молекулярной массой.

Получение нановолокон на основе гиалуроновой кислоты в Университете ИТМО

От нее зависят структурные, биологические, химические, химико-физические и другие свойства вещества, а соответственно ― возможности и сферы его применения. Например, гиалуроновая кислота с молекулярной массой 20–200 кДа (кило Дальтон; Дальтон ― единица массы, применяемая для масс молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц) участвует процессах эмбрионального развития, заживление ран и овуляции.

Напротив, гиалуроновая кислота с более высокой молекулярной массой (> 500 кДа) может действовать как естественный иммунодепрессант и обладает противовоспалительными свойствами.

Терапевтический эффект препаратов на основе гиалуроновой кислоты также напрямую зависит от молекулярной массы. А от ее способности к деградации будет зависеть длительность действия инъекции гиалуроновой кислоты или срока службы протеза, сделанного на ее основе. Чтобы восполнить пробел в исследованиях характеристик гиалуроновой кислоты, Пётр Снетков и его коллеги подготовили и опубликовали обзор, раскрывающий их зависимость от молекулярной массы биополимера.

Получение нановолокон на основе гиалуроновой кислоты в Университете ИТМО

Начнем с простого. Присутствие гиалуроновой кислоты во многих тканях и жидкостях определяет ее использование в медицине и косметологии. Однако даже в этих сферах ее применение очень широко: от биоревитализирующей косметики для кожи и эндопротезов внутрисуставной жидкости до полимерных каркасов и заживляющих повязок для ран.

Благодаря свойству гиалуроновой кислоты образовывать прочные межмолекулярные и внутримолекулярные водородные связи, в том числе с использованием воды в качестве «мостика», обеспечивается впитывание и удержание воды в структуре полимерной сетки, что используют для создания увлажняющих косметических средств.

Исследование растворов для создания нановолокон

Перспективы применения гиалуроновой кислоты очень широки. Она привлекает внимание химиков, биохимиков и биоинженеров. Ученые считают, что с ее помощью можно будет создавать искусственные сосуды и каркасы для выращивания клеток, органов и тканей.

Другое прикладное направление разработок — раневые и ожоговые повязки из нановолокон на основе гиалуроновой кислоты, которые также смогут способствовать ускорению заживления послеоперационных швов.

Также гиалуроновая кислота может помочь в борьбе со злокачественными опухолями. Исследования уже подтвердили чувствительность раковых опухолей к наночастицам из полимеров. Создание наночастиц на основе биосовместимой и биодеградируемой гиалуроновой кислоты может обеспечить не только адресную доставку лекарств к пораженным участкам, но и пролонгированное действие применяемых фармацевтических субстанций.

Благодаря отрицательному заряду полимера, вокруг такой частицы не будет образовываться липидная оболочка, которая может закупоривать мелкие сосуды. Это может обеспечить возможность, в том числе внутривенного введения препаратов. Таким образом, нановолокна и наночастицы  — наиболее интересная, перспективная и актуальная сфера прикладных исследований.

Пётр Снетков в лаборатории

Несмотря на то, что нановолокна и наночастицы успешно получают и исследуют в лабораториях, существует ряд нерешенных фундаментальных вопросов, связанных со свойствами гиалуроновой кислоты.

Полимер является гидрофильным, то есть растворяется только в воде. Внесение в раствор любого другого вещества, например сорастворителя, или неорганической соли, может заметно изменить физические и физико-химические свойства полимера. Актуальность исследований фундаментального характера можно объяснить также тем, что любой препарат или косметический продукт содержит, помимо самого биополимера, другие добавки (консерванты, биологически активные вещества и так далее), которые могут влиять в том числе на продолжительность терапевтического эффекта.

Также процесс электроспиннинга (метод, который используют ученые для создания нановолокон на основе гиалуроновой кислоты) накладывает определенные ограничения на прядильные растворы.

Водные растворы гиалуроновой кислоты обладают низкой скоростью испарения растворителя, высокими значениями вязкости и электропроводности при низкой концентрации полимера, что является препятствием для процесса электроформования.

Получение нановолокон на основе гиалуроновой кислоты в Университете ИТМО

Однако ученые из ИТМО нашли способ преодолеть это препятствие. Они впервые использовали в качестве сорастворителя диметилсульфоксид — широко распространенный лекарственный препарат для наружного применения. Его включение сделало нановолокна не только абсолютно безопасными для человека, но также добавило им антисептический и анестезирующий эффекты.

Разработки подобного рода имеют большой потенциал в создании лекарственных препаратов, которые будут иметь высокую эффективность, низкий уровень системного воздействия, направленное действие на пораженные участки организма, и при этом не обладать побочными действиями.

Перейти к содержанию

Гиалуроновая кислота в коже и косметике

Гиалуроновая кислота содержится в коже животных и человека, в суставной жидкости и связках, в стекловидном теле и пуповине, в коже акулы и в петушиных гребнях, а также в клетках некоторых бактерий. Функции ее весьма разнообразны, начиная с регуляции содержания влаги в тканях и заканчивая процессами миграции и дифференцировки клеток. В косметике гиалуроновая кислота и ее натриевая соль, гиалуронат натрия, применяются, главным образом, в качестве увлажняющего компонента. Кроме этого, гиалуроновая кислота как косметический ингредиент обладает рядом других интересных свойств.
 
Способность гиалуроновой кислоты связывать воду можно наглядно продемонстрировать, если взять 2%-ый раствор гиалуроновой кислоты в воде. Нетрудно подсчитать, что в такой смеси содержится 98% воды. И все же она настолько надежно связана с гиалуроновой кислотой, что полученную смесь можно взять в руки, как гель, несмотря на то, что это — жидкость. Даже 1%-ый раствор гиалуроновой кислоты обладает заметной вязкостью, поскольку ее молекулы образуют в воде нечто наподобие сетки. Недаром гиалуроновую кислоту иногда называют молекулярной губкой.
 
Молекула гиалуроновой кислоты состоит из повторяющихся дисахаридных звеньев N-ацетил-D-глюкозамина и глюкуроновой кислоты. По химической природе гиалуроновая кислота — это полисахарид из семейства глюкозаминогликанов. Почти половина всей гиалуроновой кислоты в организме человека сосредоточена в его коже, где она располагается в соединительной ткани дермы между волокнами коллагена и эластина, а также в клетках рогового слоя корнеоцитах.
 
Гиалуроновая кислота как натуральный увлажнитель
 
В дерме содержится почти 70% воды, что составляет от 15 до 18% всей воды организма. Содержание воды в дерме зависит от возраста, состояния организма и генетических особенностей. В роговом слое также есть вода, содержание которой практически постоянно, если роговой слой не поврежден. Это, во-первых, связанная, или первичная вода (5% сухого веса), и, во-вторых, слабо связанная, или вторичная вода (30% сухого веса). Кроме этого, есть еще свободная вода, содержание которой зависит от относительной влажности окружающей среды и от присутствия в роговом слое гигроскопических (способных притягивать и удерживать воду) молекул.
 
Нормальный водный баланс очень важен для внешнего вида кожи. При гипергидратации кожа сморщивается и набухает (эффект длительного купания), а при дегидратации кожа теряет упругость и покрывается морщинами (эффект крокодиловой кожи). Гипергидратация — явление достаточно редкое, и чаще всего коже угрожает дегидратация. Для первых наземных животных сохранение влаги в коже было равноценно сохранению жизни, поэтому водосберегающие системы постоянно оттачивались и совершенствовались в процессе эволюции.
 
Водный баланс кожи поддерживается разнонаправленными водными потоками — диффузией воды в дерму сквозь стенки сосудов и испарением ее через роговой слой. Диффузия и испарение — это два пассивных процесса, поэтому особое значение приобретают водоудерживающие свойства дермы и эпидермиса. Гидратированное состояние дермы поддерживает гиалуроновая кислота, которая обладает способностью связывать в 1000 раз больше воды, чем весит сама.
 
С одной стороны, роговой слой является механическим препятствием для испаряющейся жидкости, а с другой — способен «притягивать» и удерживать влагу, содержащуюся в атмосфере. Поглощением влаги из воздуха наряду с другими гигроскопическими молекулами (например, мочевиной) занимается и гиалуроновая кислота. Комплекс гидрофильных и гигроскопических молекул, сосредоточенный в корнеоцитах, носит название натурального увлажняющего фактора (natural moisturizing factor — NMF).
 
С возрастом водный баланс кожи нарушается, и потери воды начинают превышать ее поступление. Это происходит как за счет уменьшения количества влаги, которая просачивается в дерму через кровеносные сосуды (ухудшается общее кровоснабжения кожи), так и за счет нарушения работы водосберегаюших систем. В частности, снижается синтез гиалуроновой кислоты в дерме и эпидермисе и ускоряется ее разрушение под действием различных факторов.
 
Гиалуроновая кислота в косметике
 
Гиалуроновая кислота считается одним из самых «приятных» косметических ингредиентов. Это белый порошок, который медленно, но полностью растворяется в воде, образуя вязкий, бесцветный, слегка опалесцирующий гель уже при концентрации 1%. Этот гель может быть сохранен для последующего использования в косметических композициях. Эмульсии на основе гиалуроновой кислоты имеют мягкую и нежную консистенцию, а кроме того, она прекрасно совместима с кожей и никогда не вызывает раздражения и аллергических реакций. Сходными свойствами обладают натриевая и калиевая соли гиалуроновой кислоты, которые также используются в косметике. Раствор гиалуроновой кислоты хорошо распределяется по всей поверхности кожи, образуя легкую пленку, которая активно всасывает влагу из воздуха. Это способствует увеличению содержания свободной воды в роговом слое, а также создает эффект «дополнительной влажности», который помогает снизить испарение воды с поверхности кожи.
 
По сравнению с другими распространенными увлажнителями гиалуроновая кислота имеет ряд преимуществ. Гиалуроновая кислота имеет самую высокую гигроскопичность (способность связывать воду) по сравнению с другими распространенными увлажняющими агентами, такими, как глицерин и сорбитол. При этом, в отличие от глицерина, она сохраняет свою активность в сухой атмосфере. Такое свойство можно назвать «эффектом памперса» — поглощенная вода удерживается внутри в виде геля и не испаряется даже при понижении относительной влажности окружающего воздуха. Это ценное качество нашло применение в медицине при лечении ран.

Оказывается, для того, чтобы рана заживала без рубца, ее, вопреки распространенному мнению, надо поддерживать в состоянии постоянной влажности. Влажная стерильная среда позволяет клеткам свободно передвигаться и производить необходимые ремонтные работы. Гелевая увлажняющая пленка из гиалуроновой кислоты или из гиалуроновой кислоты с хитозаном позволяет создавать именно такие условия.
 
Но, как показывают результаты научных исследований, роль гиалуроновой кислоты не ограничивается одним лишь увлажнением раневой поверхности. Замечено, что у плода заживление ран всегда идет без образования рубца. При этом в области повреждения обнаруживается большое количество гиалуроновой кислоты. Таким образом, пленка из гиалуроновой кислоты на поверхности раны оказывает двойной эффект — создает условия для передвижения клеток и активизирует процессы регенерации. В результате рана заживает, не оставляя шрамов, что особенно важно, если она расположена на лице и других открытых участках тела.
 
После применения косметики с гиалуроновой кислотой кожа выглядит более мягкой, гладкой и нежной. И это не просто внешний эффект, характерный для большинства элементов. Дело в том, что влажная среда, которую создает гиалуроновая кислота у поверхности кожи, уменьшает испарение воды через роговой слой, так как интенсивность испарения зависит от относительной влажности окружающего воздуха. Это весьма существенно, поскольку проницаемость рогового слоя для воды может резко увеличиваться под воздействием УФ излучения, разрушительного действия поверхностно-активных веществ и загрязнений, окружающих нас повсюду.

Гиалуроновая кислота в составе солнцезащитных средств, дневных кремов и декоративной косметики может на время «прикрыть» поврежденный роговой слой, не позволяя коже обезвоживаться, пока идут восстановительные процессы в эпидермисе. Кроме того, полимерная сеть, которую гиалуроновая кислота образует на поверхности кожи, позволяет биологически активным веществам, входящим в состав косметических средств, дольше на ней задерживаться, что повышает вероятность того, что они проникнут в эпидермис.
 
В отличие от многих биологически активных веществ, гиалуроновая кислота проявляет все свои ценные свойства при весьма низких концентрациях (0.01-0.1%), что позволяет создавать эффективную косметику, цена которой будет устраивать как производителей, так и потребителей. В основном, это относится к гиалуроновой кислоте большого молекулярного веса. В настоящее время гиалуроновая кислота и ее соли входят в состав увлажняющих кремов, губной помады и бальзамов для губ, антицеллюлитных кремов, гелей для век, лосьонов после загара, противовоспалительных лосьонов, ранозаживляющих и солнцезащитных средств.
 
Гиалуроновая кислота является естественным компонентом кожи человека, где она играет важную роль в поддержании нормального водного баланса. Различные неблагоприятные факторы внешней среды, такие, как УФ-излучение и химические загрязнения, могут вызывать разрушение гиалуроновой кислоты. Кроме этого, синтез гиалуроновой кислоты уменьшается с возрастом.
 
Источник: http://www.giala.narod.ru/guk/guksenyore.html

Гиалуроновая кислота путь к омоложению кожи

Выглядеть красиво – естественное желание всех людей. Человек, стремясь сохранить привлекательные черты своей внешности, пользуется рядом самых разных средств и процедур.

---

Ритм современной жизни не позволяет останавливаться ни на секунду, нанося свой, порой неизгладимый, отпечаток на лице. Проведя целый день в офисе, попутно несколько раз умываясь водой и освежаясь под потоками кондиционера, человек не задумывается о том, что теряет столь необходимую для здоровья кожи влагу. При этом, не восполняя потери должным образом.

Для сохранения молодости и свежести лица необходим увлажняющий уход за кожей.

Здесь на выручку приходят косметологи, которые советуют использовать средства, в состав которых входит гиалуроновая кислота.

Всем известно, что структура человека на 80% состоит из воды. А 15% всей жидкости находится в коже. Гиалуроновая кислота сохраняет влагу в кожном покрове. Вырабатывается она дермой. Миссия этого вещества заключается не только в увлажнении – оно словно клей, скрепляет фибры эластина и коллагена.

Из-за биологических процессов внутри организма, ультрафиолетовых лучей, нехватки витамина С, железа, цинка и магния за год человек теряет до 3% гиалуроновой кислоты!

В результате на коже появляются морщины, она тускнеет, а упругость ее оставляет желать лучшего. Тогда на помощь приходят косметологи и фармацевты, предлагая использовать крем с гиалуроновой кислотой.

А ведь совсем недавно гиалуроновая кислота была доступна только в медицинских клиниках или в профессиональной косметике. Сейчас же гиалуроновая кислота стала широко доступна в косметической нише масс маркет, и ее применение дает свои результаты. Примером может послужить косметика Novosvit, пользующаяся огромной популярностью.

Серия Гиалурон+Коллаген включает в себя не только крема, но продукты полного спектра ухода за кожей: умывание и снятие макияжа, крема для интенсивного питания, дневной и ночной уход. Бестселлером коллекции является Concentrate Aqua-гель 24 часа.

При нанесении на кожу, крем с гиалуроновой кислотой создает своего рода пленку, которая препятствует трансэпидермальной потере влаги, надолго сохраняя влагу в коже. Происходит насыщение кожных покровов, вследствие чего разглаживаются старые морщины, не появляются новые, а внешний вид, излучает свежесть и красоту.

Процедуры с использованием средств, в составе которых гиалуроновая кислота, абсолютно безопасны, не несут в себе никакого вреда. Только сплошная польза. Единственное, что нужно учитывать – все те же биологические процессы. Срок обновления эпидермиса составляет 28 дней. Поэтому, если отказаться от применения, то кожа вернется до исходного состояния. Концентрата гиалуроната калия (научное название гиалуроновой кислоты) в составе крема 0,5% или меньше. Но этого с лихвой хватает, чтобы обеспечить увлажняющий уход за кожей.

Микробиологическое производство гиалуроновой кислоты: современное состояние, проблемы и перспективы | Microbial Cell Factories

Гиалуроновая кислота (HA) состоит из дисахаридных повторов D -глюкуроновой кислоты (GlcUA) и N -ацетилглюкозамина (GlcNAc), соединенных попеременно β-1, 3 и β-1, 4 гликозидными связями. (Рисунок 1). Молекулярные массы HA из разных источников сильно различаются и составляют от 10 ⁴ до 10 ⁷ Да. В организме человека ГК встречается в форме гиалуроната соли и в высоких концентрациях обнаруживается в коже, пуповине и стекловидном теле [1].ГК также присутствует в капсулах некоторых штаммов микробов (например, штаммов стрептококков). ГК обладает значительными структурными, реологическими, физиологическими и биологическими функциями. Обладая отличительной способностью удерживать влагу и вязкоупругостью, в сочетании с отсутствием иммуногенности и токсичности, ГК находит различные применения в косметической, биомедицинской и пищевой промышленности [2].

Рисунок 1

Структура дисахаридного повторяющегося звена HA .

Традиционно ГК экстрагировали из петушиных гребней, а теперь ее получают в основном путем микробной ферментации с более низкими производственными затратами и меньшим загрязнением окружающей среды [3–7].ГК успешно продуцируется в промышленных масштабах с использованием Streptococcus sp. в качестве основного производителя. Тем не менее, продукция HA из Streptococcus sp. вызывает растущую озабоченность в связи с тем, что стрептококки являются патогенными [8]. На этом фоне продукция рекомбинантной HA вызывает все больший интерес, и Novozymes произвела HA с помощью рекомбинантной Bacillus subtilis в промышленных масштабах [8].

В этом обзоре были обобщены история исследований, текущие рынки ГК и продукция ГК Streptococcus zooepidemicus и рекомбинантными системами.Затем были обсуждены проблемы, с которыми сталкивается микробное производство ГК, и, наконец, были предложены несколько рекомендаций для предстоящего исследования.

История

В 1934 году Карл Мейер и Джон Палмер описали новый полисахарид, выделенный из стекловидного тела крупного рогатого скота. Они обнаружили, что вещество содержит уроновую кислоту и аминосахар, и назвали полисахарид «гиалуроновой кислотой» от гиалоид (стекловидное тело) + уроновая кислота [9]. Термин «гиалуронан» был введен в 1986 году, чтобы соответствовать номенклатуре полисахаридов.В течение 1930-х и 1940-х годов ГК выделяли из многих источников, таких как стекловидное тело, пуповина, петушиный гребень и стрептококки [10]. Химическая структура HA была по существу решена Карлом Мейером и его сотрудниками, которые обнаружили, что HA состоит из дисахаридных повторов D -глюкуроновой кислоты (GlcUA) и N -ацетилглюкозамина (GlcNAc), соединенных альтернативно β-1, 3 и β-1,4 гликозидные связи (рис. 1).

Физико-химические характеристики ГК проводились в 1950-х и 1960-х годах.При такой низкой концентрации, как 0,1%, цепи ГК запутались, что привело к чрезвычайно высокой вязкости, зависящей от сдвига [11]. Эти свойства позволили ГК регулировать водный баланс и сопротивление потоку, а также действовать как смазка и стабилизировать конструкции [2].

Первоначальная разработка HA как продукта, используемого в клинической медицине, была полностью связана с Endre Balazs, который разработал первую невоспалительную, высокоочищенную высокомолекулярную HA из пуповины и петушиных гребней [12].В начале 1980-х годов ГК использовалась для создания пластиковых интраокулярных линз для имплантации и стала основным материалом в офтальмохирургии. С тех пор было предложено и разработано множество других приложений.

Процесс экстракции на основе петушиных гребней вызывает растущую озабоченность по поводу использования компонентов животного происхождения в биомедицинских и фармацевтических целях. Таким образом, микробная ферментация стала новой альтернативой производству ГК. Первый коммерчески ферментированный ГК был получен из Streptococcus zooepidemicus , который в настоящее время остается распространенным штаммом в промышленном производстве ГК [5, 6, 13].Тем не менее, присутствие бактериальных эндотоксинов в HA от стрептококковой ферментации ограничивает применение HA в биомедицинской области [4, 8]. Таким образом, производство рекомбинантной HA стало привлекательной альтернативой. В качестве хозяев использовали как грамположительные, так и грамотрицательные бактерии, включая Bacillus sp. [3, 8], Lactococcos lactis [4], Agrobacterium sp. [14] и Escherichia coli [15].

Применение ГК зависит от его молекулярной массы, которая является важным параметром качества для характеристики коммерческих продуктов ГК.Тем не менее, продукт ферментации представляет собой смесь ГК с разной молекулярной массой. Получение HA с однородной молекулярной массой представляет собой проблему, и была проведена большая работа по выяснению механизма контроля молекулярной массы, который является предметом текущих исследований в области микробной продукции HA [16–18].

Рынок HA

Текущий мировой рынок HA оценивается более чем в 1 миллиард долларов [2]. Ожидается, что количество пациентов с остеоартритом коленного сустава увеличится на 26 процентов с 15 миллионов в 2000 году до 19 миллионов в 2010 году.В США в феврале 2009 года был одобрен первый вискозиметрический препарат ГК для однократной инъекции, Synvisc-One, и благодаря удобству он быстро получил признание пациентов и врачей [19]. Европейский рынок добавок гиалуроновой кислоты смещается в сторону более коротких схем лечения, и удобство однократного прохождения процедуры привлечет больше пациентов в течение 2013 года. В Азиатско-Тихоокеанском регионе на рынок добавок гиалуроновой кислоты благоприятно повлияет как старение, так и физически активная демография, поскольку а также повышение осведомленности врачей и пациентов о преимуществах лечения [20].

По данным Medical Insight Inc., мировой рынок дермальных наполнителей находится на подъеме: примерно 759 миллионов долларов США в 2009 году. В настоящее время на рынке представлено почти 100 различных кожных наполнителей, и около половины из них основаны на ГК. Американское общество эстетической пластической хирургии сообщает, что около 23 000 дерматологов, пластических хирургов и косметических хирургов в США в 2004 году выполнили более 11,8 миллионов хирургических и нехирургических косметических операций, что принесло 12 долларов США.5 миллиардов сборов. Рынок дермальных наполнителей ежегодно расширяется более чем на 25% в течение 2011 года в США и на 20% во всем остальном мире, достигнув 1,5 миллиарда долларов мировых продаж. Выпуск препарата Q-Med Restylane с технологией NASHA (ГК, не стабилизированный животными) открыл новую эру в улучшении качества кожи. Этот наполнитель решает многие проблемы, связанные с традиционными наполнителями из бычьего коллагена, а именно срок годности, кожные тесты и его животное происхождение.

Микробное производство ГК с помощью

Streptococcus zooepidemicus

Микробное производство ГК в промышленных масштабах было впервые осуществлено в 1980-х годах компанией Shiseido.Обычно для получения HA используется штамм S. zooepidemicus , который может продуцировать 6-7 г / л HA в подходящих условиях культивирования. На рис. 2 показан путь синтеза НА в S. zooepidemicus . Однако при производстве ГК из S. zooepidemicus возникают следующие три проблемы. 1) Вязкость бульона достигает 400 ~ 500 мПа · с при 4 ~ 5 г / л ГК, что вызывает плохое перемешивание и низкую скорость массопереноса кислорода, и, таким образом, производство ГК сильно ограничено. 2) Существует сильная конкуренция между синтезом HA и ростом клеток за общие предшественники, такие как UDP- N -ацетил-глюкозамин и UDP-глюкуроновая кислота.3) Молочная кислота является основным побочным продуктом ферментации HA, и накопление молочной кислоты приводит к сильному подавлению роста клеток и синтеза HA. Были проведены обширные исследования по увеличению продукции ГК S. zooepidemicus , и последние достижения суммированы ниже.

Рисунок 2

Путь биологического синтеза ГК в Streptococcus zooepidemicus .

1) Путь биосинтеза HA в

S.zooepidemicus

Сахарный каркас ГК образован глюкозо-6-фосфатом и фруктозо-6-фосфатом. Путь синтеза HA можно разделить на две группы. В первом наборе реакций глюкозо-6-фосфат превращается в глюкозо-1-фосфат с помощью α-фосфоглюкомутазы. UDP-глюкозо-пирофосфорилаза добавляет UTP к глюкозо-1-фосфату с образованием UDP-глюкозы. Наконец, окисление первичного спирта в UDP-глюкозу с помощью UDP-глюкозодегидрогеназы дает первый предшественник HA, UDP-глюкуроновую кислоту.Во втором наборе реакций глутамин-фруктозо-6-фосфатамидотрансфераза переносит амидогруппу с глутамина на фруктозо-6-фосфат с образованием глюкозамин-6-фосфата. Перегруппировка фосфатных групп с помощью фосфоглюкозаминмутазы дает глюкозамин-1-фосфат. Ацетилированная форма этого соединения продуцируется на следующей стадии фосфоглюкозаминацетилтрансферазой. Наконец, N -ацетилглюкозамин-1-фосфатпирофосфорилаза активирует промежуточное соединение путем добавления UTP, таким образом давая второй предшественник НА, UDP- N -ацетилглюкозамин.

Рисунок 2 также показывает, что синтез и рост клеток ГК имеют общие предшественники, такие как глюкозо-1-фосфат, UDP-глюкоза и UDP- N -ацетилглюкозамин. Таким образом, существует конкуренция между синтезом HA и ростом клеток за потребление одних и тех же предшественников, а высокая удельная скорость роста неблагоприятна для синтеза HA [21]. Кроме того, можно видеть, что гликолиз и синтез ГК конкурируют за поток углерода. Следовательно, ослабление гликолитического процесса и снижение скорости образования биомассы эффективны для увеличения титра и молекулярной массы НА.Например, титр HA был улучшен с 5,0 до 6,5 г / л за счет снижения скорости образования биомассы с помощью стратегии прерывистого щелочного стресса, при которой циклическое переключение pH с 7,0 (оптимально для роста клеток) до 8,5 (субоптимально для роста клеток) каждые 2 ч в течение 6–16 ч [7]. Как циклическое переключение температуры с 37 на 30 ° C (снижение скорости роста клеток), так и добавление пирувата (ослабление гликолитического процесса) могут значительно увеличить титр ГК [17].

2) Ферментационная среда

Стрептококки — это молочнокислые бактерии, требовательные к питанию, и они не могут синтезировать некоторые аминокислоты [21].Добавление в среду некоторых аминокислот, таких как аргинин и лизин, было благоприятным для роста клеток и продукции HA [22]. Среда с определенным химическим составом (CDM), содержащая некоторые факторы питания, необходимые для роста, также может быть использована для культуры S. zooepidemicus с такой же концентрацией HA и удельной скоростью продукции HA по сравнению со сложной средой [21]. Zhang et al. разработали бессывороточную среду с крахмалом в качестве исключительного источника углерода, а концентрация ГК достигла 6,7 г / л [23].Минеральные ионы и исходная концентрация глюкозы также оказали значительное влияние на продукцию ГК микробами [24, 25]. Отсутствие глюкозы приводило к смешанному кислотному метаболизму, независимому от поступления кислорода, в то время как для исходных концентраций глюкозы от 5 до 90 г / л преобладал гомолактический метаболизм [25].

3) Условия ферментации

Условия культивирования (pH, температура, скорость перемешивания, скорость аэрации, напряжение сдвига, растворенный кислород и тип биореактора) существенно влияют на продукцию ГК микробами.PH и температура продукции ГК S. zooepidemicus обычно составляли 7,0 и 37 ° C соответственно [26, 27]. Производство ГК микробами S. zooepidemicus является типично вязким процессом, и, таким образом, эффективность перемешивания и скорость массопереноса кислорода существенно влияют на образование ГК. Влияние скорости перемешивания, скорости аэрации, напряжения сдвига и растворенного кислорода на продукцию ГК микробами широко изучено [22, 26–32]. По сравнению с анаэробной культурой аэробная культура дает более высокие титр и молекулярную массу ГК [21, 26].Например, Армстронг и Джонс наблюдали увеличение титра ГК на 20% при выращивании S. zooepidemicus в аэробных условиях [21]. Johns et al. также сообщили, что аэрированная культура дает более высокую концентрацию и выход ГК, чем эквивалентная анаэробная ферментация [26]. Стимулирующее действие аэрации на продукцию ГК можно объяснить следующим: (1) кислород может стимулировать синтез ГК, поскольку агрегация стрептококковых клеток, опосредованная их капсулой ГК, защищает их от метаболитов кислорода; (2) Растворенный кислород в среде может перенаправить поток углерода в сторону молочной кислоты в уксусную кислоту, и, таким образом, может быть образовано больше АТФ (Y _{АТФ / глюкоза} составляет 3 моль / моль с образованием ацетата по сравнению с 2 моль / моль с образованием лактата) .Дополнительный АТФ, образующийся при образовании ацетата, способствует достижению более высокого титра НА. (3) Аэрация может усилить накопление ацетил-КоА как таковое, что большее количество ацетил-КоА может быть отведено от центрального углеродного метаболизма для пополнения ацетил-КоА для синтеза ГК [32]. Тем не менее, существуют значительные расхождения во влиянии скорости перемешивания и аэрации на продукцию ГК микробами. Было замечено, что на продукцию ГК не влияла скорость аэрации, тогда как она снижалась с увеличением скорости перемешивания [27].Hasegawa et al. сообщили, что продукция ГК увеличивалась с увеличением скорости аэрации и скорости перемешивания; тем не менее, слишком высокая скорость перемешивания может вызвать повреждение клеток и привести к падению концентрации ГК [33]. Энергетический статус был улучшен за счет сверхэкспрессии НАДН-оксидазы в S. zooepidemicus , однако наблюдалось незначительное влияние на титр НА [6]. Это расхождение можно объяснить недавним исследованием, которое показало, что существует критический уровень растворенного кислорода 5% насыщения воздуха для синтеза ГК [30].То есть, когда уровень растворенного кислорода был ниже 5% от насыщения воздухом, увеличение скорости аэрации и скорости перемешивания было благоприятным для продукции микробной ГК; и когда уровень растворенного кислорода был выше 5% от насыщения воздухом, скорость перемешивания и скорость аэрации оказывались незначительным влияние на продукцию ГК.

4) Режим ферментации

Для производства ГК использовались различные режимы ферментации, такие как периодическая, повторяющаяся, периодическая с подпиткой и непрерывное культивирование [34–41].Периодическое культивирование является доминирующим режимом производства ГК. По сравнению с периодическим культивированием, периодическое культивирование с подпиткой может сократить время ферментации и, таким образом, повысить продуктивность ГК [39]. Было обнаружено, что комбинация периодического действия с подпиткой и периодического действия является эффективной для продукции ГК, а именно, S. zooepidemicus культивировали в периодическом режиме с концентрацией сахарозы 1,0 г / л в течение 0-8 ч, а затем культивировали периодическое культивирование. проводят в течение 8-20 ч при начальной концентрации сахарозы 15 г / л. Благодаря этой стратегии двухэтапного культивирования продукция ГК была увеличена на 32% по сравнению с периодическим культивированием [38].В последнее время для продуцирования ГК также использовались повторные периодические культивирования, и продуктивность ГК была значительно увеличена [35, 36]. В операции, в ходе которой был засеян 31% клеток, объемная производительность повторной периодической культуры (0,59 г НА / (л · ч)) оказалась в 2,5 раза выше, чем у периодической культуры (0,24 г HA / (л · ч). ).

По сравнению с периодическим режимом непрерывный режим может продлить период культивирования, сократить время, затрачиваемое на оборот реактора, и уменьшить полидисперсность молекулярной массы [21, 34].Однако продуцирование HA в хемостате было нелегко из-за нестабильности фенотипа, продуцирующего HA, высокоинкапсулированных штаммов стрептококков при высокой скорости разведения [34]. Наивысшая скорость разведения для получения стабильной ГК в культуре хемостата составила 0,4 ч ^-1 [34]. Следовательно, промышленное производство ГК не может быть достигнуто при непрерывном культивировании [2].

5) Ключевые факторы, влияющие на молекулярную массу ГК

Молекулярная масса — важный параметр качества для коммерческого продукта ГК, поскольку он определяет реологические свойства ГК, влияет на физиологический ответ и определяет подходящие области применения [42, 43].ГК с высокой молекулярной массой (более 10 кДа) обладает хорошей вязкоупругостью, удерживанием влаги и мукоадгезией — качествами, желательными в области офтальмологии, ортопедии, заживления ран и косметики. Принимая во внимание, что ГК с относительно низкой молекулярной массой (2-3,5 кДа) или олигосахариды ГК (длиной 10-20 сахаров), как было показано, способствуют ангиогенезу, индуцируют экспрессию медиаторов воспаления и ингибируют рост опухоли [18].

По сравнению с анаэробными условиями, аэрация может увеличить молекулярную массу ГК, поскольку в аэробных условиях может производиться больше энергии [42].Более того, высокий уровень растворенного кислорода способствует высокой молекулярной массе, в то время как высокое напряжение сдвига приводит к более низкой молекулярной массе [28]. Снижение молекулярной массы ГК при высоком напряжении сдвига было вызвано активными формами кислорода, генерируемыми НАДН-оксидазой. Таким образом, комбинация высокого уровня растворенного кислорода и умеренного напряжения сдвига может быть эффективной стратегией увеличения молекулярной массы ГК.

Помимо условий культивирования, баланс между скоростью синтеза HA и скоростью обеспечения сахаров-предшественников также был важен для молекулярной массы.Высокое соотношение гена HA-синтазы ( HasA ) к гену UDP-глюкозо-6-дегидрогеназы ( HasB ) привело к более низкой молекулярной массе HA [18]. Изменение этого соотношения влияло на концентрацию сахаров-предшественников и, в конечном итоге, влияло на размер HA, и это был эффективный подход к контролю молекулярной массы HA [18]. Из двух предшественников сахара, UDP-глюкуроновой кислоты и UDP-N-ацетилглюкозамина, последний оказывает доминирующее влияние на молекулярную массу [18]. Сверхэкспрессия генов, участвующих в биосинтезе UDP-глюкуроновой кислоты, снижает молекулярную массу; тогда как сверхэкспрессия генов, участвующих в биосинтезе UDP- N -ацетилглюкозамина, увеличивает молекулярную массу [16].Таким образом, для получения HA с высокой молекулярной массой необходимо регулировать соответствующий баланс UDP-, N -ацетилглюкозамина и UDP-глюкуроновой кислоты. Кроме того, баланс скорости гликолита и скорости синтеза HA также важен для молекулярной массы HA [17].

Производство HA микробами с помощью других систем продуцирования

В последнее время производство рекомбинантной HA стало привлекательной альтернативой, которая могла бы смягчить проблемы безопасности, связанные с патогенными S.zooepidemicus и птичьи продукты. Бактерии-хозяева, как грамположительные, так и грамотрицательные, включают Bacillus sp. [3, 8], L. lactis [4], Agrobacterium sp. [14] и E. coli [15, 44, 45]. Штамм E. coli (JM109) был сконструирован в эффективный продуцент НА путем совместной экспрессии НА-синтазы из Pasteurella multocida и уридиндифосфат (UDP) -глюкозодегидрогеназы из штамма E. coli K5 [45]. Созданный штамм произвел 0.5 г / л HA во встряхиваемой колбе и 2,0-3,8 г / л HA в процессе культивирования с подпиткой в ​​биореакторе объемом 1 л [45]. L. lactis был сконструирован путем введения синтетического аппарата HA из , имеющего оперона S. zooepidemicus , и было обнаружено, что вставка гена уридиндифосфат-глюкозопирофосфорилазы ( hasC ) в дополнение к HA Гены синтазы ( hasA ) и UDP-глюкозодегидрогеназы ( имеет B ) могут значительно увеличивать продукцию HA [46].Рекомбинантный штамм L. lactis NZ9000, трансформированный плазмидой pSJR3 (коэкспрессирующий гены hasA , hasB и hasC ) давал максимум 1,8 г / л HA в 2,4-литровом биореакторе периодического действия [46 ]. Ген hasA из S. zooepidemicus был экспрессирован в B. subtilis для продукции HA, и было обнаружено, что продукция UDP-глюкуроновой кислоты ограничена в B. subtilis и сверхэкспрессирует Ген hasA вместе с эндогенным геном tuaD достаточен для продукции высокого уровня HA в B.subtilis [8]. Agrobacterium sp. ATCC 31749 был сконструирован путем совместной экспрессии гена HA-синтазы из P. multocida вместе с геном kfiD, кодирующим UDP-глюкозодегидрогеназу из штамма E. coli K5 [14]. Совместная экспрессия этих двух гетерологичных ферментов позволяет Agrobacterium производить 0,3 г / л ГК при культивировании во встряхиваемых колбах [14]. В таблице 1 показана продукция НА разными штаммами в разных условиях культивирования. Хотя HA из Bacillus коммерчески доступен, в целом рекомбинантные штаммы продуцировали более низкий титр HA, чем стрептококки, и предстоящие исследования должны быть сосредоточены на создании эффективного продуцента HA с помощью метаболических и генетических инструментов.

Таблица 1 Обзор титра и молекулярной массы HA с различными микроорганизмами в различных условиях культивирования

Перспективы: проблемы и возможности

Хотя большие успехи были достигнуты в микробном производстве HA с помощью S. zooepidemicus и рекомбинантных производственных систем , остается несколько проблем.

1) Постоянный рост стоимости сырья снижает коммерческую конкурентоспособность производства микробной гиалуроновой кислоты, и поэтому необходимо найти более дешевую замену субстрату для снижения стоимости производства.Кроме того, потребности устойчивого общества указывают на преобразование возобновляемых ресурсов, таких как производные сельскохозяйственные продукты, в ценные биопродукты. Таким образом, стоит изучить возможность производства ГК из дешевых сырых материалов или отходов других промышленных процессов. Сточные воды от переработки мидий (MPW) и пептон тунца (TP) из остатков внутренних органов используются для производства ГК S. zooepidemicus , и экономический анализ показал, что стоимость производства может быть снижена более чем на 30% за счет побочных продуктов, таких как питательная среда [39].Производные сельскохозяйственных ресурсов, такие как яблочный сок кешью, были многообещающей средой для производства микробной ГК [47]. В качестве другого примера, большое количество сырого глицерина, производимого в биодизельной промышленности, если его не обработать должным образом, представляет собой серьезную проблему для окружающей среды. Таким образом, мы можем исследовать потенциал микробной продукции ГК с сырым глицерином в качестве субстрата. Конечно, для достижения этой цели следует рассмотреть технологический процесс для эффективной обработки сырого материала и метаболическую инженерию микробов для эффективного использования сырых субстратов.

2) Будь то S. zooepidemicus или рекомбинантные системы, такие как E. coli , B. subtilis и L. lactis , ключевые факторы, ограничивающие синтез ГК, требуют дальнейшего уточнения. Инструменты метаболической инженерии, такие как анализ метаболического потока (MFA) и анализ метаболического контроля (MCA), могут быть использованы для разработки рациональной стратегии повышения выхода и молекулярной массы HA. MFA — это метод анализа, используемый для расчета и анализа распределения потока всей сети биохимических реакций во время процесса.MCA количественно определяет взаимосвязь между генетическими модификациями или изменениями окружающей среды и ответами клеточных процессов [48]. MCA вводит контрольные коэффициенты для количественной оценки фракционного изменения клеточного выхода, такого как концентрации метаболитов и метаболические потоки, в ответ на частичное изменение параметров системы, таких как активность ферментов и условия роста [49]. Комбинация MFA и MCA может быть использована для исследования метаболических ответов продуцента HA на изменения окружающей среды или экспрессию ключевых генов, связанных с синтезом HA.С помощью информации, собранной из MFA и MCA, можно определить оптимальные стратегии (как контроль процесса, так и экспрессию ключевых генов) для улучшения титра и молекулярной массы HA.

3) Необходимо получить ГК с определенной молекулярной массой или однородным размером, чтобы расширить область применения ГК и улучшить биомедицинские продукты, содержащие ГК. Чтобы достичь низкой полидисперсности, мы должны знать регуляторные механизмы инициирования и удлинения в процессе синтеза полимера ГК.Несмотря на то, что была предложена модель полимеризации ГК и разъяснены некоторые ключевые внутриклеточные метаболиты, влияющие на молекулярную массу, необходимо проделать большую работу, чтобы понять механизм контроля молекулярной массы.

Гиалуроновая кислота — это то же самое, что и гиалуронат натрия?

Гиалуроновая кислота — это встречающаяся в природе молекула, которая содержится в организме человека, особенно в коже, суставах и нервах. ГК содержится в относительно высоких концентрациях в базальном слое эпидермиса, где обнаруживаются пролиферирующие кератиноциты.Он действует как амортизатор и смазка, благодаря своей химической структуре удерживает в воде до 1800 раз больше собственного веса. Первичная структура гиалуроновой кислоты состоит из повторяющейся дисахаридной единицы, глюкуроната натрия и N-ацетилглюкозамина, связанных β (1-3) связью. Эти звенья связаны β (1-4) связью. В растворе из-за большого количества анионных остатков на его поверхности ГК может присоединяться ко многим свободным молекулам воды. Полимеры гиалуроновой кислоты могут иметь различную молекулярную массу от 5000 до 20000000 дальтон.

Молекулярная формула: C28h54N2NaO23 + Молекулярный вес: 799,641 г / моль

Гиалуронат натрия — натриевая соль гиалуроновой кислоты. Подобно гиалуроновой кислоте, гиалуронат натрия может иметь различную молекулярную массу. Однако, как показывает практика, гиалуронат натрия имеет тенденцию быть доступным с более низким диапазоном размеров молекул и поэтому обычно считается менее желательным.

Использование и преимущества

Гиалуроновая кислота (ГК) и гиалуронат натрия бывают разных размеров.ГК с высоким молекулярным весом представляет собой более длинные полимерные цепи, тогда как ГК с низким молекулярным весом может проникать в кожу глубже. Высокомолекулярная форма ГК имеет лучший гидратирующий эффект, чем низкомолекулярная форма ГК, поскольку она остается на внешней поверхности кожи, удерживая влагу и образуя защитный слой. Высокомолекулярная форма гиалуроновой кислоты увлажняет кожу, сохраняя в ней водное содержание, что приводит к мягкости кожи и уменьшению ее сухости. Он используется как увлажнитель для увеличения влажности кожи.Многие продукты могут содержать HA или натрия HA, и эффективность этого ингредиента будет зависеть от используемой молекулярной массы и его чистоты.

Безопасность

Гиалуроновая кислота (HA) и гиалуронат натрия естественным образом присутствуют в нашем организме и безопасны. Рабочая группа по окружающей среде оценивает гиалуроновую кислоту по шкале от 1 до 10 (где 1 означает безопасность, а 10 — высокий риск безопасности) как 1.

Список литературы

Ammi R, Ripellino JA, Margolis RU, Maibach HI, Tammi M (1989). «Накопление гиалуроната в эпидермисе человека, обработанном ретиноевой кислотой в культуре органов кожи». J. Invest. Дерматол . 92 (3): 326–32.

Биосинтез полимера гиалуроновой кислоты: анализ роли субструктурных элементов гиалуронансинтазы

3-D Структурные особенности SeHAS

Структурная модель последовательности SeHAS была создана с использованием веб-сервера RaptorX ²⁶ . Модель была получена с матрицей целлюлозосинтазы (PDB: 4P00). Фермент-матрица имеет высокое функциональное сходство и низкое сходство последовательностей (~ 15%) с SeHAS ²⁵ .Несмотря на низкое сходство последовательностей с шаблоном, полученная модель имеет высокое качество, о чем свидетельствуют показатели глобального (значение P: 10 ^-8 ) и абсолютного (оценка GDT: 52) качества ²⁶ . Стереохимическая оценка качества структурной модели показывает, что 98,5% остатков находятся в разрешенной / частично разрешенной области графика Рамачандрана.

На рисунке 1 показана структурная модель SeHAS. Структурная модель HAS показывает, что одна цепь складывается на три компонента: (i) функциональный домен гликозилтрансферазы, (ii) четыре трансмембранные спирали (TM1-TM4) и (iii) три амфипатические спирали (AP1-AP3).Домен гликозилтрансферазы принимает складку GT-A, образованную смешанным 7-нитевым β-листом, окруженным α-спиралями в β / α-архитектуре. Трансмембранные спирали (TM1-TM4) образуют пучок из четырех спиралей и создают поры для транслокации полимера. Предполагается, что 11 C-концевых остатков SeHAS неупорядочены и не показаны на фиг. 1. Олигомерная природа SeHAS все еще исследуется. До 2018 года SeHAS функционировал в мономерной форме ⁹ . Недавние сообщения указывают на то, что фермент SeHAS функционирует как гомодимер ²⁷ .Объем данной работы ограничен оценкой функций в протомере.

Рисунок 1

Структурная модель и особенности SeHAS. SSE: субструктурный элемент, AP: амфипатическая спираль, TM: трансмембранная спираль.

Трехмерная структурная модель SeHAS согласуется с ранее определенной топологией HAS в Streptococcus pyogenes , полученном с помощью экспериментов слияния, мечения и доступности протеаз ^12,16,19 с небольшой разницей в количестве амфипатических спиралей.Мы предлагаем наличие трех амфипатических спиралей вместо двух амфипатических спиралей, о которых ранее сообщалось на основе сравнительной оценки со структурой целлюлозосинтазы. Остатки SeHAS, соответствующие амфипатической спирали AP2, не исследовались специально на предмет их клеточного местоположения ¹⁶ . Как обсуждается далее в этой рукописи, эта спираль содержит функционально важные остатки.

Структурная модель объясняет результаты ингибирования N-этилмалеимида (NEM) в SeHAS ¹⁹ .NEM реагирует с тиоловыми группами и поэтому используется для исследования роли остатков цистеина в белках. SeHAS имеет четыре остатка Cys: Cys-226, Cys-262 и Cys-281 и Cys-367. Первые три остатка цистеина расположены в цитозоле и, следовательно, доступны для NEM, что приводит к ингибированию. Cys-367, однако, находится в трансмембранной спирали и недоступен для NEM. Следовательно, для этого остатка не сообщается об ингибировании. Показано, что в присутствии субстрата NEM связывается только с Cys-281. Наши структурные исследования (описанные ниже) показывают, что Cys-226 и Cys-262 расположены в непосредственной близости от сайта связывания UDP-субстрата, и присутствие субстрата, таким образом, блокирует доступ NEM к этим остаткам.Cys-281 находится далеко от сайта связывания UDP, и присутствие субстрата не блокирует этот сайт от ингибирования NEM.

Подконструкционные элементы (SSE) в классе I HAS

Имеется мало информации о функциональном оборудовании, характерном для HAS класса I. В отсутствие трехмерной структуры функциональная роль экспериментально изученных сайтов не известна. Следовательно, чтобы получить представление о функциональных компонентах в SeHAS и их относительном расположении в 3-D, мы идентифицируем короткие смежные области с эволюционно законсервированными функциями последовательности, называемыми субструктурными элементами (SSE).Мы сравнили 81 последовательность HAS класса I, полученную с помощью строгих критериев отбора, разработанных в разделе Методы . Ферменты HAS класса I различаются по количеству трансмембранных спиралей. При отсутствии структурной информации выравнивание в этой области некачественное. Следовательно, сравнение последовательностей ограничивается цитозольной областью, чтобы избежать сайтов с неоднозначным соответствием остаток-остаток. Выравнивание последовательностей HAS класса I представлено на дополнительном рисунке S1, созданном с помощью Jalview.Оценка сохранения вычисляется для каждого соответствия остаток-остаток относительно последовательности SeHAS. Смежный участок со средним баллом> = 70 и по крайней мере 2 участками с оценкой> = 80 определяется как субструктурный элемент (SSE). Используя этот критерий, мы идентифицируем 9 субструктурных элементов, обозначенных SSE1-SSE9, потенциально имеющих структурное / функциональное значение при HAS (Fig. 2). Вторичная структура для большинства SSE отображается в петли, за исключением SSE5, SSE8 и SSE9, которые встречаются в спиралях. Эти элементы также отмечены на рис.1. Таблица 1 суммирует детали последовательности, а также структурную и функциональную роль SSE.

Рисунок 2

График оценки сохранения в зависимости от порядкового номера SeHAS. SSE указано сверху. Внизу указана проекция вторичной структуры последовательности. Пряди обозначены стрелками, а спирали — прямоугольниками. Закрашенные прямоугольники соответствуют амфипатическим спиралям. См. Текст для подробностей.

Таблица 1 Роль SSE в ферментах HAS класса I.

В нашем исследовании сообщается о сохраненных SSE: SSE5 и SSE7, специфичных для HAS. Мутации, изученные на данный момент, соответствуют остаткам Tyr-74, Asp-159, Ser-218, Cys-226. Leu-230, Tyr-233, Arg-234, Asp-259, Asp-260, Arg-261, Leu-263, Cys-281, Gln-295, Gln-296, Asn-297, Arg-298, Trp- 299, Arg-406, Arg-413, как было показано, влияют на активность. Мутации, соответствующие остаткам Lys-48, Glu-327, Lys-414, Lys-415, влияют на скорость реакции и / или молекулярную массу полимера НА ^{18,19,20,21,23} . Большинство этих сайтов мутаций соответствуют SSE1-4, 6, 8 и 9 (Таблица 1).Другие сайты не являются сохраняемой функцией семейства HAS класса I. Би и др. . (2015) проанализировали различные процессивные гликозилтрансферазы и обсудили наличие трех остатков Asp с переменным интервалом в гликозилтрансферазном домене, которые являются критическими для активности ²⁵ . К ним относятся Asp из SSE1 в связывании нуклеотидов, Asp из SSE2 в связывании с металлом, Asp в SSE8 с вероятной ролью основания. Кроме того, вероятная роль в связывании полимера предполагается для остатков SSE9. Weigel (2015) предложил восемь трипептидов, содержащих Asp / Glu, в качестве потенциальных областей, участвующих в связывании UDP-сахара ¹² .Чтобы выяснить роль SSE и идентифицировать регионы, связывающиеся с UDP-сахарами, мы провели моделирование стыковки.

Фермент HAS, как ожидается, будет иметь по крайней мере два сайта связывания, один для субстратов UDP-сахара, а другой для полимерного сахара, чтобы катализировать образование гликозидной связи ¹² . Чтобы идентифицировать сайты связывания в структуре фермента, мы провели стыковочные исследования субстратов UDP-сахара: UDP-N-ацетилглюкозамина и UDP-глюкуроновой кислоты. Область связывания для UDP-субстратов оценивается с помощью сетки с центром в домене гликозилтрансферазы, как определено в Methods .

Сайты связывания UDP-субстратов перекрываются.

Моделирование стыковки проводят отдельно для UDP-N-ацетилглюкозамина и UDP-глюкуроновой кислоты. Выбраны низкоэнергетические конформеры (лучше 5 ккал / моль). На рис. 3А показана частота контактов различных сайтов с энергетически выгодными конформерами в разных прогонах моделирования. Показаны полярные остатки с частотой не менее 10% на любом из двух субстратов. Примечательное наблюдение из рисунка состоит в том, что сайты связывания для двух сахарных субстратов перекрываются.

Рисунок 3

( A ) Частота лигандов, контактирующих с остатками для энергетически выгодных конформеров UDP-N ацетилглюкозамина (UDP-GlcNAc) и UDP-D глюкуроновой кислоты (UDP-GlcA). Частота отображается по оси X, а сайты — по оси Y. ( B ) Роль SSE1-4, SSE8 и SSE9 в связывании UDP-сахарного субстрата. ( C ) Роль SSE6 в связывании лиганда. ( D ) Роль SSE в полимерном связывании. ( E ) Роль SSE7. (i) петля SSE7 в гиалуронансинтазе, (ii) эквивалентная петля в целлюлозосинтазе, (iii) эквивалентная петля в непроцессивной гликозилтрансферазе.( F ) Энергетически минимизированная структура HAS, показывающая части UDP-N-ацетилглюкозамина и дисахарида глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина.

Роль контактирующих остатков оценивали путем исследования связывания с энергетически наиболее предпочтительным биологически релевантным конформером. Выбор конформера определяется близостью нуклеотидного кольца UDP к эволюционно консервативному SSE1, который, как известно, участвует в связывании нуклеотидов. Выбранные конформеры в связующем кармане показаны на рис.3B. SSE1-SSE4, SSE6, SSE8 и SSE9 участвуют в связывании субстрата (рис. 3B). SSE1, SSE2 и SSE4 в значительной степени стабилизируют уридиновую часть субстратов, в то время как SSE3, SSE8 и SSE9 взаимодействуют с сахарным кольцом. Начальному связыванию UDP-кольца субстрата с ферментом может способствовать (i) боковая цепь консервативного Asp-103 SSE2 (синий, рис. 3B) через водородные связи с полярными группами нуклеотида и (ii) ароматическое кольцо. Tyr-74 (зеленый, рис. 3B) от SSE1 через π-π взаимодействия с уридиновым кольцом UDP.Боковая цепь Glu-76 (зеленый, рис. 3B) от SSE1 образует водородные связи с полярными группами рибозного сахара UDP. Остаток Asp-161 из SSE4 стабилизирует группу ОН рибозного кольца, в то время как Asp-159 стабилизирует ион металла. Gln-295 и Arg-298 (синий) из SSE9 могут взаимодействовать и стабилизировать пирофосфатную группу нуклеотида UDP. NE атом Trp-299 находится на расстоянии водородных связей с сахарным субстратом и, вероятно, помогает в его ориентации. Asp-260 топологически эквивалентен каталитическому основанию в синтазе целлюлозы ²⁵ .SSE8 содержит Asp-260. Последовательно проксимальнее этого остатка находятся Asp-259 и Arg-261, оба из которых взаимодействуют с полярными группами сахарного кольца (зеленый). Остаток Arg-140, следующий за Lys-139, частично консервативен и заменяется только на Lys в гомологах SeHAS. Этот остаток находится в непосредственной близости от N-концевого конца спирали, содержащего SSE8 (зеленый). Этот конец содержит отрицательно заряженные остатки Asp, которые могут быть нейтрализованы Arg-140.

Остатки SSE6 (фиг. 3C) создают каркас для поддержки лигандов в сайте связывания.Петля удобно расположена и образует основу кармана для крепления. Петля также находится близко к каталитическому основанию (SSE8) и связанному полимерному сахару (обсуждается позже). Как обсуждалось выше, эксперименты с использованием N-этлималеимида помещают консервативный Cys-226 этого элемента рядом с сайтом связывания UDP-сахара ¹⁹ . Вероятно, это участвует в поддержании pKa микросреды в активном центре. Хотя это не является существенным для активности, мутация этого остатка в Ala, как показано, влияет на активность в SeHAS ^19,28 .Боковая цепь Ser-227, вероятно, участвует в стабилизации конформации петли посредством взаимодействия с основной цепью. Gly-228 и Pro-229 обеспечивают необходимую гибкость и жесткость основной цепи, соответственно (рис. 3C).

Lys-139 является незаменимым в SeHAS и играет роль в связывании субстрата.

Оценки докинга предполагают роль Lys-139 в связывании лиганда. Предыдущие исследования сообщили о регуляторной роли этого остатка в формах HAS у млекопитающих. У мыши мутация Arg приводит к полной потере активности ²⁴ .В отсутствие каких-либо мутационных исследований в SeHAS для дальнейшего выяснения его роли мы провели мутационные исследования Lys-139. Подробности экспериментальной установки и анализа описаны в методах . Экспериментальные результаты и векторная карта pMBAD, использованная для исследования, показаны на фиг. 4A, B, соответственно. Мы мутировали Lys-139 в Arg (K139R) с целью сохранения заряда в этой позиции. Мутация не привела к полной потере активности, но оказала влияние. Только 34% активности (продукция НА) сохранялось по сравнению с контролем, что еще раз подтверждает значительную функциональную роль этого остатка (рис.4А). Чтобы дополнительно исследовать основанное на заряде взаимодействие между этим остатком и субстратом, мы мутировали положительно заряженный Lys-139 на отрицательно заряженный Asp (K139D). Отрицательный заряд на сайте приводит к сохранению 82% активности (продукция HA) по сравнению с контролем. Этот анализ предполагает роль этого остатка в стабилизации полярных групп субстрата. Выбор замен дополнительно показывает, что как положительно, так и отрицательно заряженные группы размещаются в этом сайте. Наши исследования показывают, что этот остаток напрямую влияет на активность синтазы в SeHAS.Мутации в этом сайте в значительной степени нарушают функцию синтазы.

Рисунок 4

Исследования мутаций на SeHAS. ( A ) Относительная активность мутантов SeHAS, проведенных в этом исследовании. Эксперименты проводили в трех повторностях, и стандартная ошибка для титра ГК находилась в диапазоне от ± 0,01 до ± 0,05. ( B ) Векторная конструкция pMBAD. имеет и содержит генов из Streptococcus equi subsp. Последовательно клонировали zooepidemicus .Для мутационных исследований hasA дикого типа был заменен соответствующим мутантом (ами).

SSE5 связывается с полимером и влияет на продукцию HA

Полость над областью связывания UDP-субстрата, образованная амфипатическими спиралями, оценивается на предмет связывания полимерной единицы. Исследование связывания полимера ограничено концевым дисахаридом, участвующим в образовании гликозидной связи. Докинг-исследования были проведены с дисахаридной единицей НА, состоящей из 1-4 связанного N-ацетилглюкозамина и D-глюкуроновой кислоты в гликозилтрансферазном домене.Подобраны энергетически выгодные конформеры. На рисунке 3D показан блок дисахарида ГК, закрепленный рядом с кармашком для связывания. SSE5, SSE8 и SSE9 участвуют в связывании (рис. 3D). Остаток Asp-260 из SSE8 находится на расстоянии Н-связывания с концевой ОН-группой полимера и обозначен пунктирной линией на фиг. 3D. Arg-261 из SSE8 находится близко к полимеру и может взаимодействовать с полярными ОН-группами сахара. Остаток Trp-299 из SSE9 образует взаимодействия CH-π с концевым сахаром.

Насколько нам известно, это первое сообщение, предполагающее функциональное участие остатков из SSE5.Ключевыми остатками в SSE5, участвующими в связывании с полимером, являются Arg-205, Tyr-206, Phe-210 и Arg-214. Arg-205 находится в непосредственной близости от закрепленного дисахарида и участвует во взаимодействиях с отрицательно заряженными полярными группами сахарного фрагмента. Видно, что Tyr-206 или фенилаланин в гомологах SeHAS стабилизирует остаток Arg-205 посредством катион-π-взаимодействий. Arg-214 или Lys в гомологичных последовательностях находится в непосредственной близости от полимера и близко к частично консервативному Phe-210, с которым он образует катион-π-взаимодействия.Последствия мутации остатков из SSE5 неизвестны. Здесь мы исследуем влияние мутации Tyr-206 и Arg-214 на функцию посредством сайт-направленного мутагенеза. Наши экспериментальные результаты показывают, что нарушение взаимодействия катион-π путем мутации ароматического тирозина в аланин (Y206A) приводит к 99% потере активности HAS (продукция HA) (рис. 4A). Потеря этого взаимодействия могла косвенно повлиять на связывание полимера через соседний Arg-205. Точно так же мутация основного остатка аргинина по 214 в аланин (R214A) приводит к полной потере функции (рис.4А). Интересно, что введение отрицательного заряда (R214E) приводит к потере функции 93% (рис. 4A). Эти результаты подтверждают необходимость чистого положительного заряда на этом сайте для облегчения связывания и перемещения полимера. Эти мутации указывают на взаимозависимость связывания / транслокации полимера и активности гликозилтрансферазы.

Кроме того, фермент в комплексе с двумя лигандами (UDP-сахар и дисахарид) был минимизирован по энергии с использованием силовых полей AMBER. На фигуре 3F показан фермент, связанный с UDP-N-ацетилглюкозамином и дисахаридом, образованным связанными глюкуроновой кислотой и N-ацетилглюкозамином с глюкуроновой кислотой на полимерном конце.Подробности протокола минимизации описаны в Методы .

Gln-248 (SSE7) имеет решающее значение с вероятной ролью в переходе конформации.

Gln-248 является консервативным остатком в SSE7, длинной петлей от сайта связывания. Эквивалентная петля как в процессивных, так и в непроцессивных гомологах последовательно различается и демонстрирует различные конформации в связанных с субстратом и несвязанных ферментных формах (рис. 3E (ii)) ^29,30,31 и рис. 3E (iii) β 1– 4 галактозилтрансфераза, код PDB: 2FYD и 2FY7) ³² .Петля в SeHAS, вероятно, облегчает позиционирование SSE8 для катализа. Остаток Gln-248 лежит далеко от кармана привязки; Точная роль этого остатка не могла быть предсказана на основании этих исследований in-silico . Внутренние исследования мутаций показывают, что этот остаток важен. Замена остатка на Ala приводит к почти полной потере продукции ГК (рис. 4A). Роль этого остатка дополнительно исследуется посредством крупнозернистых динамических исследований и обсуждается в следующем разделе.

SSE демонстрируют скоординированное движение

Текущая парадигма — структура-кодирует-динамику-кодирует-функцию ^33,34,35 . Все чаще признается, что случайные колебания атомов в их естественном состоянии скрывают скоординированное движение, которое предрасполагает белок к функционально значимым изменениям в структуре. Эти движения могут быть зафиксированы низкочастотными модами при моделировании упругой сети. Эти режимы, как известно, нечувствительны к структурным и энергетическим деталям.Поэтому мы использовали анизотропное сетевое моделирование (ANM), подход, основанный на ENM, для захвата глобального изображения динамики, закодированного трехмерной структурой SeHAS. Мы использовали ProDy ³⁶ для вычислений ANM. Более подробная информация представлена ​​в разделе Методы . Скоординированное движение представлено как значения коэффициента корреляции между узлами сети ANM. Средние значения коэффициента корреляции были вычислены на основе первых 50 режимов. На рисунке 5A показана карта корреляции для SeHAS. Положительные значения коэффициента корреляции указывают на то, что атомы движутся в одном направлении.Кластеры пространственно проксимальных остатков с высоким коэффициентом корреляции считаются структурно и функционально важными. Пары остатков с большими положительными значениями соответствуют субструктурным элементам. Кроме того, корреляция между парами остатков распространяется на области разных SSE. SSE1-4 образуют тесно взаимодействующую подобласть (черный прямоугольник). Точно так же SSE5-9 образуют координированную взаимодействующую подобласть (серый прямоугольник). Два субдомена разделены плохо коррелированной областью.Внутренние глобальные движения иллюстрируют функциональную координацию, необходимую в отношении связывания субстрата на одном конце, посредством SSE1-4 и связывания полимера на другом конце (SSE5-9).

Рисунок 5

Оценка глобальной динамики в SeHAS. ( A ) Средние значения коэффициента корреляции для SeHAS по парам остатков. Средние значения коэффициента корреляции для Gln-248 ( B ) и Thr-283 ( C ) с другими остатками SeHAS.

Мы дополнительно исследовали динамику SeHAS по отношению к остатку Gln-248.Фиг. 5B показывает распределение значений коэффициента корреляции по отношению к другим остаткам в SeHAS. Gln-248 показывает большие положительные значения с SSE8, 9 и SSE3, которые содержат каталитические и связывающие субстрат остатки. Скоординированное движение с этими SSE, оцениваемое с помощью ANM, дополнительно иллюстрирует его роль в функционально значимой динамике конформации.

Исследование ANM расширено, чтобы оценить влияние мутации на значения коэффициента корреляции. Для каждого мутанта получают структурную модель с использованием RaptorX ²⁶ .Мутанты демонстрируют высокое структурное перекрытие со средним RMSD около 1 Å по всем атомам по отношению к структуре белка WT. Для каждой мутантной структуры вычисляются значения коэффициента корреляции относительно мутантного остатка и сравниваются с WT. Графики показаны на рис. S2. Мутации в сайтах 214, 248 и 283 обнаруживают существенные различия в значениях в областях SSE.

Снижение удлинения концевого полимера в SeHAS, вероятный трехступенчатый механизм

В прототипных представителях семейства гликозилтрансфераз GT-2, таких как синтаза целлюлозы, биосинтез полимера происходит с невосстанавливающего конца растущего полимера ^25,31 .В таких системах UDP-субстраты действуют как донор, передающий сахар полимерному сахару, который действует как акцептор ²⁴ . Β-связь между сахарами создается из α-связанных сахар-предшественников UDP посредством реакции прямого замещения S _N 2. В этой реакции стадия депротонирования каталитическим основанием функционализирует акцептор ²⁴ . Нуклеофильная атака этой акцепторной сахарной группой на донор через одиночное оксокарбениевое ионоподобное переходное состояние приводит к реакции переноса гликозила с высвобождением UDP из донорного сахара и чистой инверсией стереохимии аномерного углерода.Этот механизм проиллюстрирован на фиг. 6А. SeHAS отличается от этого прототипа. Известно, что ГА удлиняется от переходного конца ¹² . Это означает, что (i) UDP высвобождается с конца полимера, а не UDP-субстрат во время катализа, и (ii) реверсирование донора и акцептора с HA-UDP, действующим как донор, и UDP-сахарным субстратом как акцептором. Основываясь на ландшафте связывания лигандов и полученных знаниях об архитектуре активного сайта, мы обсуждаем участие лигандов в качестве донора и акцептора и предлагаем каталитический механизм переноса гликозила в SeHAS (см.рис.6Б).

Рисунок 6

Предлагаемый молекулярный механизм в SeHAS. ( A ) Механизм прототипической гликозилтрансферазы с инверсионной химией. ( B ) Предлагаемый механизм класса I HAS. P: полимерный сахар, S: сахар-субстрат. UDP обозначен кружком. B1, B2 и B3 — каталитические основания, участвующие в механизме реакции.

Гликозилтрансферазная реакция, вероятно, происходит в несколько этапов.

На первом этапе мы исследовали возможность одностадийной реакции гликозилтрансферазы целлюлозосинтазоподобным способом.Если реакция гликозилтрансферазы происходит в одну стадию, фермент в данный момент должен удерживать две части UDP, одну из которых присоединяют к полимеру, а другую — к поступающему субстрату. В альтернативном многоступенчатом сценарии UDP из полимера высвобождается до того, как произойдет каталитическая реакция. В этом случае, чтобы создать чистую инверсию стереохимии, реакция будет происходить в серии нечетного числа шагов с механизмом S _N 2. Чтобы оценить, какой сценарий более вероятен, мы провели исследования связывания UDP посредством стыковки молекул UDP в гликозилтрансферазном домене.Оценка указывает на значительное перекрытие сайтов связывания UDP и UDP-субстрата. Результат представлен в дополнительном разделе. Одна примерная энергетически выгодная конформация UDP вместе с областями связывания субстрата и полимера показана на дополнительном рисунке S3. Хотя оценка основана на статической модели, размещение двух больших молекул схожей химической природы в непосредственной близости с требованиями аналогичной физико-химической среды для этого фермента маловероятно. Мы предполагаем, что проход, выстланный положительно заряженными остатками SSE9 и иона металла, может способствовать высвобождению UDP с конца полимера.Участие иона металла в гликозилтрансферазе для высвобождения UDP также хорошо задокументировано ²⁴ . Поскольку два UDP-сайта не исключают друг друга, более вероятен второй сценарий многоступенчатой ​​реакции.

Как только UDP высвобождается из полимера, нуклеофильная атака со стороны OH-группы субстрата-UDP (акцептора) создаст гликозидную связь. Для создания инверсии высвобождение UDP и последующая нуклеофильная атака должны происходить с двух противоположных сторон полимерного сахара. Мы предлагаем роль трех основных катализаторов в общей схеме реакции, которые лежат на α- и β-гранях сахара-донора на конце полимера.Эти шаги проиллюстрированы на фиг. 6B и описаны ниже.

Предлагаемая трехступенчатая реакция гликозилтрансферазы

Этап 1: Высвобождение UDP: Asp-260 из SSE8 может действовать как основание (B1) и инициировать высвобождение молекулы UDP из полимера (донора) с α-грани. На этом этапе будет создан ковалентно связанный промежуточный гликозильный фермент, защищенный на β-грани основанием B1. Чтобы создать инверсию, эта сторона сахара должна быть свободна для нуклеофильной атаки со стороны входящей группы O-H сахара.Следовательно, промежуточный этап с нуклеофильной атакой со стороны α-грани высвободит β-грань, готовую к нуклеофильной атаке акцепторным сахаром.

Шаг 2: Освобождение B1 от B2; Изучение роли Thr-283: основание B2 на α-грани донорного сахара могло бы осуществить нуклеофильную атаку на аномерный углерод в реакционном центре и высвободить B1. Наши структурные исследования показывают консервативные Gln-295 и Thr-283 на этой стороне. Высвобождение UDP может привести к конформационным изменениям и приблизить один из этих остатков к сахару-донору для катализа.Мутация Gln-295 приводит к потере активности до 90%, но его роль в качестве основания неизвестна ²⁰ . Мы оценили возможность консервативного Thr-283, находящегося в петле, функционировать в качестве второго основания. Мы мутировали Thr в Ser, содержащий аналогичную функциональную группу ОН, и в Ala с небольшой алифатической боковой цепью. Оба, мутанты T283A и T283S показывают потерю продукции НА ~ 95% (фиг. 4A). Этот остаток обнаруживает положительную корреляцию с областями SSE4 и SSE6 и пространственно проксимальной областью между остатком 186 и остатком 190 (рис.5С). Остаток 188, хотя и не законсервирован, находится рядом с закрепленным субстратом (рис. 3). Thr-283 не показывает высокой положительной корреляции с SSE8, содержащим каталитическое основание. Возможно, что остаток действует как остаток опорного основания во время каталитической реакции, его движение координируется с пространственно проксимальной областью связывания субстрата, независимой от основания Asp-260 в SSE8. Потребуются дальнейшие эксперименты, чтобы подтвердить его роль в качестве базы. В целом, исследование выделяет еще один функционально важный остаток, ранее не известный.

Этап 3: Реакция переноса гликозила: После высвобождения B1 β-грань аномерного углерода полимерного сахара разблокируется для реакции. Депротонирование субстрата-UDP на той же поверхности третьим основанием привело бы к образованию нуклеофильной группы. Этот шаг может быть инициирован B1 или другой базой B3. Asp-259, рядом с B1, является высококонсервативным остатком в непосредственной близости от субстрата-UDP и может действовать как B3. Однако B1 / B3 ближе к полимерному сахару (донору), как обсуждалось на этапе 1. Чтобы инициировать депротонирование, B1 должен находиться рядом с акцепторным сахаром.Это может быть достигнуто за счет изменений конформации на SSE8 с помощью SSE7. Эквивалентная спираль в синтазе целлюлозы удерживает каталитическое основание и претерпевает скоординированные конформационные переходы для гликозилтрансферазной реакции и транслокации. Нуклеофильная атака акцепторного сахара на аномерный углерод донорного сахара создаст гликозидную связь и высвобождает основание B2.

Молекул | Бесплатный полнотекстовый | Гиалуроновая кислота и контролируемое высвобождение: обзор

1. Введение

Полимеры на основе природных полисахаридов и их производных имеют важное значение для разработки медицинских материалов и систем доставки лекарств нового поколения.Среди них наиболее распространенный гликозаминогликан, обнаруженный в тканях позвоночных, который отвечает за несколько жизненно важных функций, известен как гиалуроновая кислота (HA) или гиалуронан. НА представляет собой линейный гликозаминогликан (см. Рис. 1), состоящий из повторяющихся единиц N-ацетил-d-глюкозамина и d-глюкуроновой кислоты с моносахаридными единицами, связанными вместе чередующимися гликозидными связями β-1,3 и β-1,4 [ 1,2]. Его химическая структура в значительной степени соответствует, за исключением редких остатков деацетилированного глюкозамина [2].В физиологических условиях ГК принимает форму отрицательно заряженной и высокогидрофильной натриевой соли [3]. Типичные молекулярные массы ГК, которые были изучены в нескольких применениях биоматериалов, следующие: (C ₁₄ H ₂₁ NO ₁₁ ) _n , 5 кДа, 60 кДа, 800 кДа и 3000 кДа [4]. Однако полимеры НА, имеющие молекулярную массу> 1,8 МДа, стали коммерчески доступными. ГК обладает исключительными физико-химическими свойствами, такими как биосовместимость и биоразлагаемость, невоспалительное действие, нетоксичность и неиммуногенность [3,5].ГК является обычным материалом во многих медицинских применениях, таких как добавка вязкости, глазная хирургия и доставка лекарств [6,7]. HA и производные HA использовались в моделях in vitro и in vivo из-за их способности оптимизировать доставку лекарств, принадлежащих к разным классам. Некоторыми примерами являются антибиотики, такие как гентамицин, противоглаукомные препараты, такие как пилокарпин и бетаксолол, сосудорасширяющий серотонин (5-гидрокситриптамин), цитокиновый интерферон и фермент тромбин, и это лишь некоторые из них [8,9,10].В недавнем обзоре Fallacara [11] подробно описана и задокументирована история ГК, ее физико-химических, структурных и гидродинамических свойств, возникновения, биосинтеза, механизмов деградации и рецепторов. Они также представили достижения в области промышленного производства ГК и ее химической дериватизации. Они упомянули такие области применения, как косметический потенциал ГК [11]. Аналогичным образом Knopf-Marques et al. [12] составили обширный обзор использования HA и производных HA в микросреде имплантируемого биоматериала.Они сосредоточились на таких материалах, как гидрогели и специальные покрытия, которые могут доставлять цитокины для уменьшения побочных иммунных реакций и ускорения заживления тканей [12]. ГА также очень важен как эффективная смазка в биомеханике подвижных суставов животных и людей [13]. , 14]. ГК может проявлять противоартритные эффекты через несколько механизмов, включая рецепторы, ферменты и другие метаболические пути. ГК также может вступать в реакцию или сшиваться, чтобы регулировать его химические свойства и устойчивость к растворению в воде [15].Šmejkalová et al. [16] указали, что модифицированные HA или производные HA обладают определенными преимуществами по сравнению с исходной HA, такими как более высокая устойчивость к ферментативной деградации и замедленное растворение в воде за счет присоединения гидрофобных функциональных групп. Амфифильные производные HA также могут быть идеальными платформами для гидрофобной инкапсуляции и доставки лекарств [17,18,19]. Путем этерификации и модификации степени замещения и длины присоединенных углеродных цепей ГК могут образовывать супрамолекулярные ансамбли, которые можно использовать для конкретных фармацевтических применений.Модифицированные ГК обладают большим потенциалом в качестве носителей новых лекарственных средств в форме конъюгатов. Отсутствие положительных зарядов на некоторых производных НА может облегчить проблемы, связанные с тяжелой цитотоксичностью и агрегацией с белками сыворотки в организме [16]. На сегодняшний день синтезировано несколько уникальных производных НА. Например, HA можно функционализировать норборненовыми группами [20] и реагировать с дитиолами с образованием биосовместимых гидрогелей с регулируемыми механическими свойствами (см. Схему 1).Перед этим HA необходимо преобразовать в солевую форму, известную как тетрабутиламмониевая соль HA (HA-TBA) .HA также можно сшить другими методами, такими как водорастворимый карбодиимид [21], чтобы получить нерастворимые пленки, когда контактировал с водой. Исследования показали, что межмолекулярное образование сложноэфирных связей между гидроксильными и карбоксильными группами, принадлежащими различным молекулам полисахарида, вызывает сшивание. Карбодиимидное сшивание HA в присутствии метиловых эфиров l-лизина также продлевает деградацию HA in vivo [21].Поскольку основное внимание в этой обзорной статье уделяется высвобождению фармацевтических агентов, таких как антисептики и природные антиоксиданты или медицинские препараты, из ГК и высвобождению самого ГК из других биомедицинских материалов, важно кратко рассмотреть последние достижения в используемых химических реакциях. для модификации ГК, такой как сополимеризация, сшивание, прививка, образование гидрогеля и т. д. Фактически, совсем недавно Trombino et al. [15] всесторонне рассмотрели такие реакции ГК, преимущественно образование гидрогеля.По этой причине в обзоре просто кратко коснемся этих реакционных систем и уделим больше внимания опубликованным исследованиям динамики контролируемого высвобождения с участием ГК или ее производных. Отметим, что ГК также широко используется для улучшения свойств биосовместимости или биосмазочных свойств других полимеров [22,23,24,25]. Например, Palumbo et al. [26] создали привитые сополимеры между ГК в качестве гидрофильной основной цепи и полимолочной кислотой (ПМК) в качестве алифатического полиэфира для того, чтобы ГК могла гидрофобно связываться в водной среде.Для этого ГК с низким молекулярным весом делали растворимой в органическом растворителе, превращая его в соль тетрабутиламмония (ТБА) (НА-ТВА). С этим производным реакцию проводили в диметилсульфоксиде путем добавления PLA, модифицированного N-гидроксисукцинимидом. Реакция схематически изображена на схеме 2. Фактически, всесторонний обзор Palumbo et al. [27] представили привитые полимеры ГК и различных других полимеров, их синтез, свойства и применение. Сложность химической модификации или синтеза производных ГК связана с межмолекулярным переплетением и сложностями, связанными с контролем вязкоупругости и свойств молекулярной массы.Общий метод индукции химической модификации HA включает использование функциональных групп карбоновой кислоты (COOH) и спирта (OH), которые присутствуют в повторяющейся единице полимера, или физический метод с использованием заряда аниона карбоновой кислоты [28]. Недавно Deng et al. [29] вступил в реакцию хитозана (CS) и HA путем химической модификации обоих природных полимеров с образованием гидрогелей. N, O-карбоксиметилхитозан (NOCC) был синтезирован карбоксиметилированием CS. Карбоксиметильные группы были введены в N-конец и O-конец CS.Измеренная степень замещения NOCC составляла 95% с хорошей растворимостью в воде в PBS (pH 7,4). Альдегидная гиалуроновая кислота (A-HA) была получена реакцией окисления HA с использованием NaIO ₄ . Гидроксильные группы НА были окислены до диальдегидов путем раскрытия сахарных колец с образованием производных диальдегида со степенью окисления 48,9%. Механизм гелеобразования был получен реакцией основания Шиффа между аминогруппой NOCC и альдегидными группами A-HA, как показано на рисунке 2 [29]. Эти гели успешно применялись для регенерации тканей брюшной полости.Tomihata и Ikada [30] сообщили о химическом сшивании HA диглицидиловым эфиром полиэтиленгликоля (диэпоксисоединением) для ограничения поглощения воды HA и замедления его разложения при контакте с водой. Минимальное водопоглощение полученных пленок сшитой ГК составляло 60 мас.% При набухании в забуференном физиологическом растворе при 37 ° C. Эта конкретная пленка показала in vivo 30% потерю веса после 7 дней подкожной имплантации крысам со сниженным воспалением. Как можно видеть, способность составлять производные HA с различными химическими функциональными группами значительно облегчает сшивание HA с образованием новых гидрогелей и конъюгацию биологически активных факторов, таких как лекарственные препараты, факторы роста, цитокины и т. Д., в HA может способствовать замедленному высвобождению лекарств [31]. Например, в широко цитируемой работе Bulpitt и Aeschlimann [31] вводили функциональные группы в HA путем образования активного сложного эфира у карбоксилата фрагмента глюкуроновой кислоты и последовательного замещения боковой цепью, содержащей нуклеофильную группу на одном конце и (защищенная) функциональная группа с другой. В результате были получены производные НА с функциональными аминогруппами или альдегидами вместе с гидрогелями, имеющими бифункциональные сшивающие агенты.Смеси производных HA также могут быть получены с использованием различных функциональных групп с использованием активных реакций, опосредованных сложным эфиром или альдегидом [31]. Важным вопросом, который необходимо решить, является то, что любой тип нового производного HA необходимо проверять и проверять на предмет клинической безопасности. правила, а также переносимость с точки зрения тканевых реакций. Несмотря на то, что инъекционные дозы высокомолекулярной гиалуроновой кислоты для лечения повреждений костей, например, известны как безопасные с точки зрения воспалительной реакции или токсичности [32], при некоторых косметических процедурах введенные системы гиалуроновой кислоты действительно вызывали тяжелые гранулематозные аллергические тканевые реакции [33]. .Даже незначительные количества определенных белковых примесей в системах высвобождения на основе HA могут вызывать реакции гранулематозной ткани [34]. Хотя известно, что кожная гранулематозная реакция на инъекционные гели ГК возникает после косметических операций по увеличению мягких тканей, такие кожные поражения могут спонтанно исчезать, не оставляя рубцов [35]. Это демонстрирует, что гидрогели ГК вполне безопасны, даже если могут развиться некоторые осложнения кожных реакций, но на сегодняшний день не сообщалось о серьезных долгосрочных клинических эффектах и ​​рубцах.Хотя химические модификации и реакции HA и ее производных выходят за рамки этого обзора, признается, что разработка и синтез инновационных производных HA для биомедицинских применений чрезвычайно важны для эффективности лекарств и нацеливания. Обобщенные выше многочисленные методы химической модификации демонстрируют, что существует широкий спектр возможностей для синтеза новых производных ГК с различными физико-химическими свойствами. Читатели могут обратиться к нескольким отличным обзорам по этой теме, таким как Schanté et al.[5]. Наконец, прежде чем рассматривать несколько систем материалов с замедленным высвобождением на основе ГК и ее производных, следует признать, что разработка систем с замедленным высвобождением требует глубокого понимания математического моделирования высвобождения лекарственного средства из полимерных матриц и взаимодействий между лекарственными средствами и полимерами [5]. 36]. В общем, высвобождение лекарственного средства из гидрогелей моделируется с учетом механизмов диффузии (диффузия Фика) и десорбции (на основе кинетики Ленгмюра), которые контролируют общую скорость высвобождения.Обычно используется бесконечный сток, т.е. поглощающие граничные условия [37]. Всесторонний обзор Lin и Metters [38] можно использовать для математического моделирования высвобождения лекарства из различных гидрогелей, включая полисахариды и HA. Например, Kaya et al. [39] изготовили электропроводящие полимерные пленки, состоящие из композита ГА, содержащего желатин, поли (этиленоксид) и восстановленный оксид графена в качестве разделительной матрицы. Кинетика высвобождения ирбесартана, препарата для лечения сердечно-сосудистых заболеваний, была смоделирована и экспериментально измерена для проверки модели.Они использовали различные динамические дифференциальные математические модели, такие как 1-я, 2-я, 3-я степень и модель Хигучи. Все модели достаточно хорошо оценивали кинетику высвобождения лекарственного средства, и авторы также предложили альтернативную модель, основанную на модели Хигучи [39]. Однако цель этого обзора состоит в том, чтобы выделить многие возможности, предлагаемые ГК и производными ГК с моно- и полифункциональными химическими соединениями. фрагменты, которые могут привести к биомедицинским материалам с возможностью длительного высвобождения лекарств, таким как биохимические зонды, биополимеры с высвобождением лекарств, реагирующим по требованию (включение-выключение высвобождения под воздействием местного тепла, света или механического стресса), связанные лекарственные средства для контролируемого высвобождения и перекрестные -связанные макро / наногидрогели как биосовместимые каркасы для тканевой инженерии [40].Мы начнем с обзора достижений, достигнутых в высвобождении ГК из других биоматериалов, поскольку ГК обладает уникальными внутренними терапевтическими свойствами, а затем рассмотрим работы по замедленному высвобождению белков и связанных с ними биомолекул, антисептиков и антибиотиков и в заключение представим состояние дел. -искусство в замедленном высвобождении противораковых и противоопухолевых лекарств из НА и ее производных.

2. Контролируемое высвобождение ГК из других биоматериалов

Как было продемонстрировано в предыдущем разделе, ГК является очень важной и универсальной биомедицинской полимерной матрицей.Однако это также очень важный биологический материал, который может действовать как «терапевтический агент», поскольку ГК может запускать различные клеточные ответы [32]. ГК с высоким молекулярным весом (> 5 МДа) демонстрируют антиангиогенное и иммунодепрессивное действие. ГК среднего размера (20 кДа – 1 МДа) связаны с эмбриогенезом, заживлением ран и регенерацией. ГК небольшого размера (6–20 кДа) связаны с провоспалительными процессами, ангиогенезом и процессами экспрессии генов. Небольшие нити НА действуют как антиапоптотические агенты и индукторы белков теплового шока [32].Следовательно, в этой главе основное внимание уделяется исследованиям доставки и высвобождения ГК из других биоматериалов. Вероятно, одна из наиболее важных потребностей в высвобождении ГК связана с обеспечением определенных тканей мягких костных суставов надлежащей биологической смазкой и трибологической функцией [41]. Например, с заболеваниями сухого глаза можно бороться, восполняя ГК в глазу. Этого можно достичь путем контролируемого высвобождения высокомолекулярных ГК из контактных линз [26]. Али и др. [41] подготовили гидрогелевые пленки и контактные линзы, изготовленные из нелфилкона A, акриламида (AM), N-винилпирролидона (NVP) и 2- (диэтиламино) этилметакрилата (DEAEM), и биомиметически отпечатали их в присутствии HA, чтобы учесть контролируемое высвобождение HA в течение 24 часов.Их линзы были разработаны для терапевтической доставки ГК в глаза, чтобы улучшить смачиваемость линз и лечить симптомы сухого глаза. Они показали, что могут контролировать скорость высвобождения HA двумя разными методами. В первом случае они могли изменять совокупную высвобождаемую массу, изменяя общее количество функциональных мономеров, добавленных к гидрогелю контактных линз, а во втором они манипулировали коэффициентом диффузии, варьируя разнообразие включенных мономеров. Некоторые репрезентативные результаты представлены на рисунке 3.Сводка результатов, представленных на рисунке 3, может быть представлена ​​следующим образом: ГК может высвобождаться и доставляться из любой коммерческой ежедневной одноразовой линзы с терапевтической скоростью около 6 мкг / час в течение 24 часов. Авторы утверждали, что их работа является одной из первых, демонстрирующих импринтинг ГК с большой молекулярной массой в контактную линзу из гидрогеля и что они могут настраивать рептацию (тепловое движение очень длинных линейных запутанных макромолекул в расплавах полимеров или концентрированных растворах полимеров) ГК для адаптации к структуре гидрогеля линзы.Аналогичным образом Maulvi et al. [42] представили два метода загрузки ГК в гидрогелевые контактные линзы: метод замачивания и прямой захват. Гидрогели на основе ГК, изготовленные методом пропитки, высвобождали ГК в течение 48 часов с приемлемыми физическими и оптическими свойствами. Те, которые были приготовлены методом прямого улавливания, показали значительно более длительные / устойчивые профили высвобождения по сравнению с методом вымачивания. Они также провели исследования фармакокинетики in vivo с линзами прямого захвата в слезной жидкости кролика, которые показали интенсивное увеличение среднего времени пребывания ГК и площади под кривой с линзами по сравнению с лечением глазными каплями [42].Fagnola et al. [43] разработали две экспериментальные спектроскопические процедуры для определения содержания высвобождаемой ГК из матриц гидрофильных контактных линз. ГК выделялась в водные растворы, и растворы содержали катионные красители с образованием комплексов с ГК с чувствительностью до концентраций 0,25 или 2,5 мкг / мл. Они заявили, что их процесс может быть использован также для коммерческих контактных линз, чтобы различать свойства контактных линз, загруженные или разгруженные. Они указали на определенные методы применимости для определения содержания ГК в тех, которые содержат ГК, для оценки высвобождения ГК линзами в растворе и для понимания роли ГК в предотвращении адсорбции и последовательном высвобождении других биологических соединений при контакте. линзы.Суставы также необходимо постоянно смазывать для здоровья суставного хряща. Для лечения внутрисуставных областей и введения медицинских препаратов желательны препараты с замедленным высвобождением, поскольку суставам трудно выдерживать эффект обычных инъекций из-за утечки лекарственного средства из полости сустава [44]. Guo et al. [45] применили термочувствительный гидрогель поли (-капролактон) –поли (этиленгликоль) –поли (ɛ-капролактон) (PCEC), содержащий ГК, для достижения долговременной смазки за счет замедленного высвобождения ГК.Их экспериментальные результаты показали, что коэффициент трения высвобождаемого раствора из гидрогеля PCEC был примерно на 38% ниже, чем у фосфатно-солевого буфера, кроме того, было обнаружено, что способность высвобождающего ГК гидрогеля по сопротивлению сдвигу и ползучести выше, чем у гидрогеля PCEC. один, как показано на рисунке 4. Они заявили, что такой материал, высвобождающий ГК в суставные жидкости, может обеспечить длительный смазывающий эффект для искусственных суставов. Как упоминалось ранее, ГК также является ключевым косметическим терапевтическим агентом для кожи, но также естественным образом встречается в наших кожные покровы и помогает заживлять кожные раны.Касетватин и др. [46] использовали синергетический подход для усиления трансэпидермальной доставки ГК с использованием эластичных липосом (EL) и низкочастотного ультразвука (LFU). EL, нагруженные НА, получали путем изменения содержания холестерина методом обращенно-фазового испарения. Исследования проникновения in vitro проводились с использованием эпидермиса свиного уха. Кроме того, нарушение кожного барьера оценивали с помощью трансэпидермальной потери воды и гистологических исследований. Время воздействия LFU было связано как с проникновением лекарства, так и с нарушением кожи.По мере увеличения времени экспозиции возмущение кожи увеличивалось. Они обнаружили, что 1-минутное воздействие оптимально увеличивает проницаемость ГК без повреждения эпидермиса. Как можно видеть, важным применением ГК является ее использование при трансдермальной доставке. Однако большинство исследований трансдермальной доставки ГК из других носителей, таких как фосфолипид-конъюгированные пептиды SPACE [47], природные полимеры или гели, не изучают свойства и кинетику контролируемого высвобождения, а скорее сосредоточены на проникновении или диффузии высокомолекулярной ГК в кожу [47]. 48], что представляет собой сложный барьер для диффузии макробиомолекул.Работ по контролируемому высвобождению высокомолекулярной ГК из микро- или наноструктурированных биополимерных систем очень мало [49]. Среди них заметная работа была проведена Hedberg et al. [49], в котором биоразлагаемые микрочастицы смесей поли (d, l-молочно-гликолевой кислоты) (PLGA) и полиэтиленгликоля (PEG) были приготовлены в качестве потенциального носителя для контролируемого высвобождения ГК с переменной молекулярной массой. веса. Они использовали два олигомера НА с молекулярными массами Mw = 15 кДа и Mw = 49,5 кДа.Они показали, что модификации в составах микрочастиц PLGA приводят к изменениям кинетики высвобождения ГК различной молекулярной массы. Их составы, независимо от их различий, указывали на три области высвобождения: импульсное высвобождение, которое длилось в течение одного дня, линейная тенденция высвобождения или область между первым днем ​​и 14-м днем ​​и вторая зона линейного высвобождения с 14-го по 28-й день, где измерения были прекращены. Изменения концентрации ПЭГ внутри микрочастицы не показали влияния на кумулятивную массу, высвобождаемую во время первоначального всплескового высвобождения, но повлияли на скорости высвобождения как в первой, так и во второй областях линейного высвобождения.Начальные концентрации HA в микрочастицах и молекулярная масса PLGA, а также молекулярная масса HA модулировали все тенденции высвобождения из трех областей, наблюдаемые в их исследовании (см. Рисунок 5) [49]. На рисунке 5b кумулятивное массовое высвобождение HA для каждой временной точки (M _t ) было рассчитано и нормализовано по общему количеству HA, загруженному в микрочастицы (M _∞ ). Osorno et al. [50] получили матрицы триблок-сополимеров поли (d, l-молочная-гликолевая кислота) -b-поли (этиленгликоль) (PLGA-PEG) для инкапсулирования ГК и изучили его контролируемое высвобождение.Они сосредоточились на образовании геля сополимера и механических свойствах кинетики высвобождения ГК. Они модулировали несколько свойств обработки и материалов, таких как соотношение гидрофильность / гидрофобность (то есть соотношение PLGA / PEG), соотношение молочная кислота / гликолевая кислота, молекулярная масса PEG, молекулярная масса сополимера и индекс полидисперсности, чтобы оптимизировать контролируемое высвобождение HA. В рамках этого процесса оптимизации они разработали инъекционную платформу для доставки гиалуроновой кислоты (ГК) с термореактивным воздействием на глаза.Они также утверждали, что пролонгированное и контролируемое высвобождение HA, превышающее 2 недели, может быть достигнуто с помощью инъекционных гидрогелей, модифицированных нековалентным взаимодействующим агентом, поли (l-лизином) или PLL. Меньшие цепи ФАПЧ замедляли кинетику высвобождения ГК, в то время как более крупные цепи ФАПЧ производили профиль высвобождения, подобный немодифицированным гидрогелям [50]. ГА, в основном встречающийся в мягких тканях позвоночных (например, суставах, синовиальной жидкости, коже, стекловидном теле глаза, пуповины, гребешки), водорослей, моллюсков, а также культивируемых линий эукариотических клеток и некоторых прокариот.ГК является основным компонентом стекловидного тела человеческого глаза (0,1 мг / мл сырого веса) и синовиальной суставной жидкости (3–4 мг / мл сырого веса). В нашем организме содержится около 7-8 г ГК, и около 50% из них находится в коже, распределенной между дермой и эпидермисом (0,5 мг / г влажной ткани) [51]. Таким образом, материалы с контролируемым высвобождением на основе ГК становятся очень привлекательными, поскольку вероятность их отторжения in vivo чрезвычайно мала. В следующих разделах мы рассмотрим матрицы контролируемого высвобождения на основе HA, которые были разработаны для доставки определенных фармацевтических средств, таких как антисептики, антибиотики, антиоксиданты, в дополнение к липидам, белкам, пептидам, ДНК, гормонам и электролитам и т. Д.устойчиво как in vitro, так и in vivo.

3. Контролируемое высвобождение белков из НА

Эффективное использование белков в качестве лекарств отнюдь не новость. Обычными примерами, которые обычно используются в течение десятилетий, являются вакцины, содержащие инсулин, гамма-глобулин и белок. Тем не менее, новые фармацевтические технологии, включая доставку лекарств в наномасштабе, вызвали резкое увеличение разработки и использования белков в качестве новых лекарств. Технология такова, что практически любой желаемый белок в достаточных количествах может быть синтезирован и очищен для терапевтического использования сегодня.Однако более сложно поддерживать стабильность белков и инкапсулировать их в соответствующие матрицы без потери стабильности. Белки по своей природе менее стабильны, чем многие другие органические фармацевтические низкомолекулярные активные вещества. Таким образом, по-прежнему остается сложной задачей разработать белки, с которыми можно было бы обращаться без повреждений на протяжении всей их жизни. Следовательно, матриксы, которые могут поддерживать белки активными и структурно стабильными, пока они не будут доставлены в релевантный сайт действия in vivo с максимальной эффективностью, очень востребованы [52].Чистая или модифицированная ГК может эффективно инкапсулировать белки и обеспечивать их контролируемое высвобождение для различных потенциальных медицинских процедур [53]. Например, гидрофильные частицы HA могут инкапсулировать факторы роста, регулируя их высвобождение и усиливая их биологические функции. Xu et al. [54] разработали частицы гидрогеля (HGP), украшенные гепарином (HP), с использованием метода полимеризации в обратной эмульсии с сшивающим агентом на основе дивинилсульфона. Их микроскопические частицы имели сферическую форму и содержали поры нанометрового размера, подходящие для инкапсуляции фактора роста.Ковалентно присоединенный HP сохранял свою способность специфически связывать костный морфогенетический белок-2 (BMP-2), и кинетику высвобождения BMP-2 регулировали путем изменения состава частиц. Они также показали, что по сравнению с частицами чистой НА, частицы гибридного гидрогеля HA / HP имели более высокую нагрузочную способность по BMP-2. BMP-2 высвобождался из HA HGP со значительным начальным выбросом, но кинетика высвобождения почти нулевого порядка наблюдалась из гибридных частиц HA / HP с оптимизированным содержанием гепарина 0,55 мкг на мг HGP.Они утверждали, что простота их протоколов синтеза и выбранные материалы могут сделать такие частицы гидрогеля привлекательными кандидатами для длительного высвобождения BMP-2, направленного на восстановление и регенерацию хряща [51]. Точно так же Ким и Парк [55] разработали термочувствительные гидрогели ГК, используя фотополимеризацию винил-модифицированной ГК в сочетании с триблок-сополимером поли (этиленгликоль) –поли (пропиленгликоль) –поли (этиленгликоль) с концевыми группами акрилатных групп. , известный как полоксамер 407.Было показано, что эти гидрогели постепенно разрушаются при повышении температуры в диапазоне 5-40 ° C, что указывает на то, что Poloxamer 407 образовывал самоассоциирующиеся мицеллы в структуре гидрогеля. Включение рекомбинантного гормона роста человека в эти гидрогели НА приводило к замедленному высвобождению белка с последующей массовой эрозией или биодеградацией. Авторы конкретно не указали конкретное целевое лечение или путь введения, но в целом чувствительные к температуре гидрогели разработаны для увеличения времени циркуляции в кровотоке после внутривенного введения.Такие гидрогели могут соответствовать различной морфологии самоорганизации в кровотоке, вызванной умеренными изменениями температуры. ГК также являются идеальным материалом для инъекционных гидрогелей. Новый инъекционный гидрогель был создан Lee et al. [56]. Гидрогели были получены путем окислительного сочетания тираминов (HA-Tyr), которое катализируется перекисью водорода (H ₂ O ₂ ) и пероксидазой хрена (HRP). Они утверждали, что быстрое гелеобразование за счет оптимизации концентрации HRP может эффективно инкапсулировать белки и предотвращать нежелательную утечку белков в окружающие ткани после инъекции.Гидрогели с различными механическими свойствами были получены путем изменения концентрации H ₂ O ₂ при сохранении быстрого гелеобразования. Жесткие гидрогели выделяют белки медленнее, чем более мягкие. В фосфатном буферном солевом растворе α-амилаза (отрицательно заряженная) проявляла характеристики замедленного высвобождения. И наоборот, высвобождение лизоцима (положительно заряженного) прекращалось через 4 часа из-за электростатических взаимодействий с HA. Они также показали, что в присутствии гиалуронидазы лизоцимы в подкожной среде (см. Рис. 6а) непрерывно и полностью высвобождаются из гидрогелей, поскольку гелевая сеть быстро разрушается (см. Рис. 6b).Активность высвобожденных белков сохранялась, делая эти гидрогели идеальными для доставки терапевтических белков. Lee et al. [57] изготовили наногели ГК (диаметром 200 нм) методом обратной эмульсии / сшивания с ультразвуковой обработкой. Сшивание осуществляли путем образования дисульфидных связей между цепями НА. Малая интерферирующая РНК (миРНК) зеленого флуоресцентного белка (GFP) была инкапсулирована в наногели НА без структурного повреждения белка. Контролируемое высвобождение SiRNA из гелей HA модулировалось концентрациями глутатиона (GSH) в буферном растворе.Авторы также показали, что наногели ГК транспортируются в клетки посредством эндоцитоза, опосредованного рецепторами CD44 [57]. Исследователи также изучали влияние наногелей siRNA / HA на клеточное поглощение и подавление генов [57]. Фамили и Рьягопал [58] изготовили химически сшитые гидрогели для доставки белка с использованием бескатализирующей реакции Дильса-Альдера с обратными требованиями между химическими группами тетразина и норборнена. Было показано, что сшивающая химия химически инертна по отношению к белкам. В частности, они использовали модифицированную тетразином гиалуроновую кислоту и модифицированный норборненом полиэтиленгликоль в качестве предшественников гидрогеля для инкапсуляции in situ модельного белка, 1-фосфатидилинозитол-3-фосфат-5-киназы (Fab1).Они могли регулировать кинетику гелеобразования и последующую жесткость геля с помощью температуры, но независимо от концентрации Fab1. Тестирование высвобождения in vitro показало, что Fab1 полностью высвобождается из гидрогеля в течение нескольких недель. Они также показали, что высвободившийся белок Fab1 не претерпевал никаких физических или химических модификаций и сохранял свою способность связывать антиген. Лич и Шмидт [59] включили модельный белок, бычий сывороточный альбумин (BSA), в фотополимеризуемую глицидилметакрилат-гиалуроновую кислоту (GMHA). и гидрогели GMHA – PEG.Они изучили диффузионные свойства БСА в гидрогелях, а также влияние кинетики фотосшивки на агрегацию белков. Для достижения длительного высвобождения белка они изготовили композитные высвобождающие системы гидрогель-микросферы путем диспергирования БСА-содержащих сополимер молочной и гликолевой кислоты или микросфер PLGA в растворе гидрогеля перед сшивкой. Их результаты показали, что гидрогели на основе GMHA и композиты гидрогель-микросферы могут быть подходящими системами для доставки стабильных белков в приложениях инженерии мягких тканей.Мартинес-Санс и др. [60] работали над синтезом гидрогелей ГК, сшитых гидразоном, которые были получены в мягких условиях реакции. Они также продемонстрировали применение in vivo в качестве носителя рекомбинантного человеческого белка (rhBMP-2) для формирования костей на модели свода черепа крысы (см. Рисунок 7a). Модель была выбрана специально для работы с аутологичными костными трансплантатами черепа, которые широко используются для реконструкции нескольких костные дефекты, такие как атрофия челюстей человека в стоматологии. Они продемонстрировали, что наращивание костной ткани свода черепа может быть достигнуто с помощью инъекционного гидрогеля ГК с различным количеством rhBMP-2 ниже поднадкостничного пространства.Концентрации rhBMP-2 в экспериментах были увеличены с 5 мкг / мл (рис. 7b) до 150 мкг / мл (рис. 7c), а также 150 мкг / мл для подкожной инъекции на рис. 7d. Чтобы объяснить механизм образования кости in vivo, они провели эксперименты in vitro, которые продемонстрировали контролируемое высвобождение активного rhBMP-2 через модельные каркасы в течение 28-дневного периода (см. Фигуру 7e). Их гидрогели на основе гидразина ГК доказали свою биосовместимость с помощью анализа цитотоксичности in vitro. Hahn et al. [61] разработали инъекционный препарат эритропоэтина (ЭПО) с контролируемым высвобождением, инкапсулированный в селективно сшитые микрогидрогели НА.ЭПО — это биоактивный белок, который регулирует производство эритроцитов, способствуя дифференцировке эритроидов и инициируя синтез гемоглобина. Этот белок также обладает нейропротекторной активностью против множества потенциальных повреждений головного мозга и обладает антиапоптотическими функциями в нескольких типах тканей. Авторы использовали ГК с привитым дигидразидом адипиновой кислоты (HA-ADH), а затем модифицировали его в тиолированный гидрогель HA (HA-SH). EPO был включен in situ во время синтеза гидрогеля HA-SH с использованием тетратионата натрия, который ускорял реакцию сшивания.Испытания высвобождения ЭПО in vitro проводили с использованием жидкостной хроматографии. Испытания высвобождения проводились с использованием высокоэффективной жидкостной хроматографии с обращенной фазой (RP-HPLC). Используя этот метод, даже следовые концентрации белков могут быть обнаружены в водной среде, пропуская среду высвобождения через трубку высокого давления, содержащую специальные адсорбенты, которые могут удалять белки из проточной системы и, в свою очередь, позволяют измерять количество белка в этой конкретной жидкости. Они использовали реактивную распылительную сушку для образования инъекционных гидрогелей микрочастиц HA-SH.Сушку распылением проводили, поддерживая температуру геля ниже 40 ° C при температуре на входе 90 ° C. Морфологическую структуру микрогидрогеля HA-SH определяли с помощью микроскопа, а содержание воды в нем измеряли с помощью термогравиметрического анализатора. Они оценили применимость своих материалов для контролируемого высвобождения ЭПО у крыс Sprague Dawley. Полиэлектролитный комплекс (ПЭК) — это полимерный раствор, в котором объединены полимеры с противоположными зарядами. ПЭК считаются эффективными носителями для контролируемого высвобождения лекарств и белков.Нат и др. [62] иммобилизовали костный морфогенетический белок-2 (BMP-2) в системе PEC, состоящей из хитозана и HA (см. Фигуру 8).

Зарядная стехиометрия PEC оценивалась с помощью измерений мутности в растворах. Свободные аминогруппы в хитозане были сшиты с различными количествами генипина. Они изучили степень сшивания и его влияние на набухание, деградацию и цитосовместимость in vitro. Иммобилизация трех различных количеств BMP-2 в каркасах PEC может вызвать замедленное высвобождение фактора роста в течение более 30 дней.Эффективность иммобилизации варьировала от 61% до 76% в зависимости от количества BMP-2. Наконец, они определили влияние на остеогенную дифференцировку РЕС с BMP-2 в клетки MC3T3-E1 с помощью ПЦР с обратной транскриптазой.

Jiang et al. [63] синтезировали амфолитический N-карбоксиэтилхитозан (CEC) с различными изоэлектрическими точками (IP) путем прививки акриловой кислоты на хитозан с использованием реакции Майкла. ЦИК обладает повышенной растворимостью в воде с быстрой ферментативной деградацией по сравнению с чистым хитозаном. Авторы показали, что скорость деградации пропорциональна степени замещения (DS).Кроме того, они обнаружили, используя турбидиметрическое титрование и флуоресценцию, что ЦИК образует комплексы HA и BSA в определенном диапазоне pH. Они изготовили тройные комплексы HA / CEC / BSA путем коллоидного титрования с захватом белка BSA. Они измерили скорость высвобождения BSA из комплексов в зависимости от pH, ионной силы, DS CEC и молекулярной массы HA. Они показали, что продолжительность замедленного высвобождения БСА из комплексов может поддерживаться до 20 дней, создавая их с высоким молекулярным весом HA и CEC с низким DS.Lim et al. [64] получили комплексы HA и полидофамина (PDA), имеющие взаимодействия водородных связей, и протестировали эти комплексы в качестве носителей белковых лекарств. Комплексы были образованы с ГК различной молекулярной массы (20 кДа и 200 кДа) и с различными молярными отношениями дофамина и лизоцима, модельного белка. Комплексы HA (HADA) / PDA, конъюгированные с допамином (100–300 нм в диаметре), были получены методом однореакторного синтеза, в котором самополимеризация дофамина происходила в окислительных, слабоосновных условиях. Лизоцим связывается с комплексами HADA / PDA через коацервацию и водородную связь.

Авторы показали, что в процессе синтеза структура и функция белка остаются неизменными. А именно, температура перехода комплекса HADA / PDA / лизоцим (соотношение 1: 10: 0,05) составляла 72,45 ° C, что близко к температуре плавления нативного лизоцима (72,46 ° C). Инкапсуляция белка и эффективность составов показали успешное комплексообразование в качестве носителей белка, что позволяет предположить эффективную систему доставки комбинаторного белка.

Nakai et al. [65] изготовили анионные наногели на основе HA из самосборки HA с холестерильными группами (CHHA), предназначенные для доставки белка, как показано на рисунке 9.Они превратили нагруженные белком наногели ГК в инъекционный гидрогель, образованный индуцированной солью ассоциацией наногеля ГК. CHHA синтезировали конденсацией холестерил-6-аминогексилкарбамата с HA. Холестерил-6-аминогексилкарбамат получали, как описано на схеме 1а. Путь синтеза CHHA схематически показан на Фигуре 9B. CHHA сформировал наногель путем самосборки, а индуцированный солями гидрогель был образован путем ассоциации наногеля HA в случае CHHA с DS 7-15, как схематически показано на рисунке 9C.Было показано, что наногели ГК без денатурации связывают различные типы белков, такие как рекомбинантный гормон роста человека (rhGH), эритропоэтин, эксендин-4 и лизоцим. Они также провели фармакокинетическое исследование на крысах, которое показало, что состав геля in situ, приготовленный простым смешиванием наногелей гормона роста человека, rhGH и HA в фосфатном буфере, поддерживает надлежащие уровни rhGH в плазме в узком диапазоне в течение одной недели (см. Рис. 9D). ). Поэтому они заявили, что наногели ГК могут предложить простой метод приготовления терапевтических белковых композиций, которые могут быть эффективными для приложений с замедленным высвобождением белка.Полиэлектролиты обычно встречаются в системах с замедленным высвобождением лекарств. Это просто полимеры с ионизируемыми группами составляющих мономеров. Полиэлектролиты диссоциируют в полярных растворителях, таких как вода, на полиионы и противоположно заряженные фрагменты, низкомолекулярные противоионы. Полиэлектролитные комплексы могут быть образованы электростатическим взаимодействием аминогрупп на полимерных цепях хитозана с анионными группами, такими как карбоксил других природных макромолекул или полимерами, такими как пектин, альгинат, каррагинан, ксантановая камедь, карбоксиметилцеллюлоза, хондроитинсульфат, декстрансульфат и НА.Хитозан также может образовывать полиэлектролитные комплексы с полиакриловой кислотой, полифосфорной кислотой, поли (l-лактидом). Следовательно, хитозан (CH) считается одним из лучших кандидатов для создания полиэлектролитов с другими биополимерами. Комплексы полиэлектролитов между CH и HA обычно тестируются для инженерии кожи, хрящей и костной ткани. Однако их реакция длительного высвобождения в ионных средах, такая как повышенная концентрация Ca ²⁺ вблизи костных конструкций, полностью не разрешена. С этой целью Кришна и др.[66] подготовили лиофилизированные каркасы полиэлектролитных комплексов CH-HA, PEC, и охарактеризовали их различными спектроскопическими и термическими методами. FITC-конъюгированный BSA (конъюгат альбумин-флуоресцеинизотиоцианат), обозначенный как FA, был включен в PEC для изучения свойств высвобождения в ответ на изменения в концентрациях Ca ²⁺ . Авторы также исследовали набухание CH-HA в деионизированной воде и водных растворах Na ⁺ и Ca ²⁺ . Набухание и высвобождение FITC-конъюгированного BSA (или FA) оказались высокими для матрицы в водном Ca ²⁺ , тогда как в воде и Na ⁺ оно было необычно низким.Было обнаружено, что устойчивые скорости высвобождения лекарственного средства увеличиваются с концентрациями Ca ²⁺ (0,02–1,0 M), что указывает на то, что CH-HA является многообещающей матрицей для ответной доставки белков Ca ²⁺ , которая может ускорить заживление костных дефектов, которые имеют тенденцию для высвобождения больших количеств Ca ²⁺ . Purcell et al. [67] использовали концепцию способности синтетически сульфатированной ГК связывать белки с высоким сродством посредством электростатических взаимодействий. Они исследовали возможность регулирования высвобождения белка из гидрогелей HA путем модификации их путем включения сульфатированной HA.Они разработали сульфатированные и модифицированные метакрилатом макромеры ГК и ввели их в гидрогели ГК посредством инициируемого свободными радикалами сшивания. Обратите внимание, что макромер представляет собой совокупность предварительно полимеризованных мономеров, которые были модифицированы, чтобы действовать как мономер, путем добавления одной или нескольких двойных связей, которые могут полимеризоваться. Они имеют гораздо более низкие экзотермы полимеризации. Их работа продемонстрировала, что макромеры сульфатированной НА, прикрепленные к гепарин-связывающему белку (фактор-1, полученный из стромальных клеток, SDF-1α), имеют сродство, сравнимое с чистым гепарином, и не изменяют механизмы гелеобразования и формирования сети при сополимеризации в гидрогели. при низких концентрациях.Они также протестировали другие системы материалов, в которых макромеры были встроены в гидрогели из электропряденых нановолокон, чтобы ввести сульфатные группы в макропористые каркасы. Они показали, что макромеры сульфатированной НА значительно замедляют высвобождение инкапсулированного SDF-1α в течение 12 дней. Они пришли к выводу, что макромеры могут быть полезными средствами для введения свойств связывания гепарина в сшитые гидрогели для контроля взаимодействия белков и высвобождения для желаемых применений. Zhang et al. [68] продемонстрировали инъекционную систему сшитого гидрогеля, основанную на реакции между производными НА и α, β-полиаспартилгидразидом (PAHy).Было показано, что производное НА с диальдегидной функциональностью (HAALD) реагирует с PAHy в мягких условиях с образованием гидразин-конъюгированных гидрогелей. Никаких сшивающих агентов или катализаторов не требовалось. Авторы синтезировали и охарактеризовали гидрогели HAALD-PAHy в растворе PBSA (биологический буферный раствор). Гели имели пористую морфологию, идеально подходящую для инкапсулирования белков. Устойчивое и стабильное высвобождение БСА из гидрогелей HAALD-PAHy наблюдалось авторами во время экспериментов по доставке in vitro.Как видно из этого раздела, не существует конкретной системы на основе HA для конкретного белка. Например, BSA был включен в различные системы HA, такие как метакрилированный HA или модифицированный гидразидом сшитый HA, для нацеливания на общую терапию тканевой инженерии. Большинство работ, рассмотренных здесь, сосредоточены на обеспечении того, чтобы созданная матрица не денатурировала белок, но также высвобождала его в течение длительного периода времени. В таблице 1 ниже представлено резюме этого раздела. Из данных таблицы 1 очевидно, что в большинстве этих отчетов достигается устойчивое высвобождение белка минимум 2 дня, а в некоторых случаях до месяца без денатурации белка.Сообщалось также о более коротких системах высвобождения, рассчитанных на несколько часов, но таких исследований мало. Изучение Таблицы 1 также показывает, что нет никакой корреляции между целевой терапией и типом разработанной системы HA. Похоже, что значительная часть работ была сосредоточена на моделировании высвобождения белка, а не на определении конкретной терапевтической цели. Кроме того, почти во всех работах использовались модифицированные системы материалов ГК, а не чистый ГК. До сих пор также невозможно сделать вывод о том, что наноразмерные матрицы ГК демонстрируют какое-либо преимущество перед матрицами макроскопического или микроскопического масштаба из-за произвольного характера опубликованных отчетов.

4. Контролируемое высвобождение антисептиков и антибиотиков из HA

Устойчивое высвобождение антибиотиков и антисептиков имеет первостепенное значение. Причина в том, что для сохранения антимикробной активности необходимо частое применение разрешенных антибиотиков и антисептиков с коротким периодом полувыведения. В противном случае уровни минимальной ингибирующей концентрации (МПК) могут быть превышены во время лечения, что может вызвать устойчивость к антибиотикам. Поддержание длительного высвобождения и адекватных уровней антибиотиков или антисептиков выше уровней МПК в течение длительного периода времени максимизирует терапевтический эффект антибиотиков при минимизации устойчивости к антибиотикам.В этом смысле использование ГК и ее производных в качестве матриц для замедленного высвобождения антисептиков и антибиотиков является относительно новым по сравнению с другими биополимерами, такими как хитозан, полиуретаны, производные полимолочной кислоты и полиакрилаты [69,70,71]. Таким образом, этот раздел посвящен исследованиям, связанным с контролируемым высвобождением фармацевтических антисептиков и антибиотиков из биополимерных матриц HA и на основе HA. Как будет показано ниже, гидрогели на основе ГК, например, являются отличными кандидатами для длительной доставки антибиотиков даже к очень чувствительным биологическим поверхностям, таким как ткани глаза [72].Romano et al. [73] рассмотрели свойства ГК и ее композитов как местного антимикробного и антиадгезивного барьера против образования биопленок на биомедицинских имплантатах и ​​хирургических вставках. Они продемонстрировали, что антиадгезионные свойства пленок или покрытий из ГК действительно идеальны для образования бактериальной биопленки, которая по своей сути обеспечивает антибактериальный барьер. Сяо [74] и др. разработали гидрогель на основе ГК с замедленным высвобождением для лечения тендинопатии. Они сформулировали гидрогель окисленного ГА / дигидразида адипиновой кислоты, инкапсулирующий лекарство.Они изучили влияние HA на смягчение изменений тендинопатии как in vitro (модель механически индуцированной тендинопатии), так и in vivo (модель индуцированной коллагеназой тендинопатии). В качестве лекарственного средства они использовали смесь галлата эпигаллокатехина (EGCG) и пигаллокатехина галлата. Их результаты показали, что разработанный гидрогель и мощные инкапсулированные антиоксиданты способствовали процессу заживления и уменьшали окислительный стресс во время лечения тендинопатии. Точно так же фиксация перелома кости после травмы связана с высоким уровнем инфицирования.Биоматериалы, содержащие антибиотики, могут воздействовать на локальные зоны с высокими концентрациями без системных побочных эффектов. Чтобы решить эту проблему, Ter Boo et al. [75] сообщили о термочувствительных гидрогелях на основе ГК со свойствами регулирования температуры гелеобразования. Гидрогели были загружены гентамицином и применены в модели перелома in vivo в присутствии оборудования для фиксации перелома. Бактериальное загрязнение устранялось у всех инокулированных кроликов в присутствии гидрогелей, содержащих антибиотики. Более конкретно, поли (N-изопропилакриламид (HApN)) гиалуроновая кислота получали путем прямой реакции амидирования между тетрабутиламмониевой (TBA) солью гиалуроновой кислоты и поли (N-изопропилакриламидом) с концевыми аминогруппами (pN).Степень прививки и гелеобразование геля изучали, включая концентрации гентамицина. Они также протестировали свойства высвобождения нагруженных гентамицином гелей HApN in vitro. Эффективность геля в предотвращении инфекции была протестирована на кроличьей модели остеосинтеза, зараженной Staphylococcus aureus. Некоторые гидрогели ГК, содержащие антисептик, уже коммерчески доступны и нашли применение в клинических испытаниях. Malizos et al. [76] использовали коммерческое быстро рассасывающееся гидрогелевое покрытие (Defensive Antibacterial Coating, DAC ^® ; Novagenit Srl, Меццоломбардо, Италия), которое состоит из ковалентно связанной ГК и поли-d, l-лактида и может подвергаться полному гидролизу. деградация in vivo в течение 48–72 часов с высвобождением различных антибактериальных агентов в концентрациях от 2 до 10%.Valverde et al. [77] обрабатывали сплавы Ti-6Al-4V многослойными пленками ГК / хитозана, нагруженными триклозаном, с образованием стабильных ПЭМ как на гладких, так и на лазерных микротекстурных поверхностях сплавов. Поверхности титана стали относительно гидрофильными. Вместе с авторами обрабатывались как гладкие, так и микротекстурные поверхности с лазерной микротекстурой. Обе поверхности после модификации стали резервуарами бактерицида для активной доставки после имплантации. Оба мультислоя могут высвободить около 25% загруженного триклозана в течение первых 10 часов. Длительное высвобождение из этих покрытий ингибировало адгезию и размножение бактерий в критический период после имплантации, что подтверждено авторами в отношении бактерий Staphylococcus aureus.Zhu et al. [78] сконструировали гибридные гидрогели с быстрым гемостазом и устойчивым антибактериальным действием, сочетающие аминоэтилметакрилат гиалуроновую кислоту (HA-AEMA), гибридные гидрогели метакрилированного 2-метоксиполиэтиленгликоля (mPEG-MA) и наногели, нагруженные хлоргексидиндиацетатом (CHX) (см. Рис. 10). Их цель состояла в том, чтобы контролировать кровотечение и противодействовать инфекциям при лечении ран. Наногели, нагруженные CHX (CLN), получали путем ферментативной деградации гидрогелей на основе лизина, нагруженных CHX. Гибридный гидрогель HA-AEMA и mPEG-MA, нагруженный CLN ([электронная почта защищена]), характеризовалась трехмерной микропористой структурой с хорошими свойствами набухания и низкой цитотоксичностью.[email protected] гидрогели продемонстрировали длительные периоды высвобождения CHX до 240 часов с сильным антибактериальным действием, продолжающимся 10 дней. Авторы также оценили гемостаз и свойства заживления ран in vivo на мышиной модели. Их результаты показали, что гидрогели обладают быстрым гемостазом и ускоренным потенциалом заживления ран. Лечение незаживающих инфицированных ран может быть достигнуто с помощью систем материалов ГК, содержащих антисептики и антибиотики. Лечение незаживающих ран основано на раннем контролируемом высвобождении и последующем стимулировании роста грануляционной ткани.Чтобы обратиться к такой сложной системе лечения ран, Huang et al. [79] изготовили систему последовательной доставки лекарств, содержащую инъекционный гидрогель с пористыми сополимерами молочной и гликолевой кислот или микросферами PLGA. Ванкомицин вставляли в гидрогели посредством обратимой реакции с основанием Шиффа, и рекомбинантный фактор роста эндотелия сосудов человека 121 или VEGF инкапсулировали в микросферы PLGA. Авторы продемонстрировали, что включение ванкомицина улучшило прочность и эластичность гидрогелей, сократив время гелеобразования.Профили высвобождения ванкомицина зависели от pH, и авторы скорректировали скорость высвобождения VEGF, изменив размер пор микросфер PLGA. Продолжительность высвобождения VEGF была больше, чем у ванкомицина. В конце концов, авторы показали, что гидрогели могут ингибировать рост бактерий и ускорять пролиферацию эндотелиальных клеток вен in vitro. В моделях на крысах он также хорошо справлялся с лечением незаживающих инфицированных ран, уменьшая воспаление и способствуя ангиогенезу. Чтобы решить проблему тканевых ран, исследователи [80,81] создали двухслойные конструкции для последовательного высвобождения и доставки кожных антисептиков или антибиотиков, таких как ципрофлоксацин (Cipro), для перевязки ран.В работе Contardi et al. [80], первый слой для прямого контакта с раной представлял собой поливинилпирролидон (ПВП), содержащий антисептик, Neomercurocromo ^® (Neo, жидкий антисептик на основе эозина), а второй слой представлял собой смесь ГК и ПВП, содержащую антибиотик. Было показано, что двухслойные пленки обладают удовлетворительными характеристиками самоприлипания к коже человека и что ПВП и ГК взаимодействуют посредством водородных связей, вызывая замедленное высвобождение антибиотика в течение 5 дней (см. Фигуру 11).Они оценили антибактериальную активность материалов против Staphylococcus aureus, Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosa, в то время как тесты на рассасывание ран проводились с использованием модели мышей для полного иссечения ран in vivo. Полистиролсульфонаты (PSS), как известно, обладают антисептическими и противовирусными свойствами. свойства [82]. Томер и др. [83] продемонстрировали, что PSS и тирозин могут быть включены в сшитую HA для контролируемого высвобождения с помощью воздействия электрического поля. Было отмечено, что сшитые гидрогели ГК быстро набухают в воде, но они теряют большую часть своего содержания воды при переходе в растворы с высокой ионной силой.Приложение электрического поля к гелям вызывает быстрое разупухание из-за частичного протонирования ионизированной полиэлектролитной сетки. Авторы загрузили гидрогели HA с высоким отрицательным зарядом PSS и тирозином [63]. Загруженные гели набухали в воде, но приложение электрического поля резко уменьшало процесс набухания. Они утверждали, что такая реакция могла бы стать основой отзывчивой и пульсирующей системы высвобождения заряженных антисептиков или лекарств, высвобождая их при снятии электрического поля и подавляя высвобождение при повторном приложении поля.Pitarresi et al. [84] изготовили гидрогели из ГК, модифицированного полимолочной кислотой, с цепями полиэтиленгликоля или без них. В гели загружали ванкомицин и тобрамицин и наносили их в качестве покрытий на титановые диски для ортопедических протезов. Они изучили in vitro высвобождение антисептика в симулированных физиологических жидкостях в зависимости от концентрации лекарства. Они также провели испытания, вставив протез с гидрогелевым покрытием в посадочное место лиофилизированной бедренной кости человека, чтобы подтвердить способность гидрогеля прилипать к поверхности протеза после установки.Контролируемое высвобождение антисептиков на срок до трех дней может быть достигнуто в зависимости от структуры модифицированного полимера ГК и загрузки лекарственного средства. Palumbo et al. [85] получили сополимеры НА из полиметакрилатных групп, которые будут использоваться в качестве pH-чувствительного высвобождения ванкомицина при трансформации в гидрогели для предотвращения колонизации Staphylococcus aureus. Сополимер был получен радикальной полимеризацией с переносом атома, имеющий заряжаемые (карбоксильные и амино) группы, и составлен в виде гидрогеля. Более конкретно, он был известен как сополимер натриевой соли 2-бром-2-метилпропионовой кислоты и метакрилата HA-тилендиаминтетрабутиламмония.Гидрогели получали при значениях pH 5, 6 и 7 с ванкомицином или без него (2% мас. / Об.). Профили высвобождения ванкомицина коррелировали с исходными значениями pH гидрогеля. Они продемонстрировали, что гели могут поддерживать высвобождение лекарства более 48 часов. Тесты на адгезию S. aureus проводили на стеклянных культуральных пластинах и титановых поверхностях, легированных гидроксиапатитом, с аналогичными составами с использованием чистой ГК. Они обнаружили, что этот новый класс модифицированных гидрогелей HA предотвращает бактериальную адгезию даже без ванкомицина.Montanari et al. [86] сконструировали наногидрогели для доставки левофлоксацина (LVF) для лечения внутриклеточных бактериальных инфекций. Они не проводили явных тестов высвобождения, но их результаты показали, что LVF, фторхинолоновый антибиотик, был захвачен в гелях за счет нанопреципитации, что привело к системе доставки лекарства. Наноразмерные гидрогели были получены путем самосборки амфифильных цепей ГА-холестерин в водных растворах. Минимальные значения ингибирующей концентрации гидрогелей, нагруженных LVF, были измерены для S.aureus и Пс. aeruginosa. Кроме того, авторы также измерили внутриклеточную антимикробную активность нагруженных лекарством гидрогелей на линии эпителиальных клеток HeLa, инфицированных вышеупомянутыми бактериями, с очень многообещающими антибактериальными результатами. Послойная сборка ГК и хитозана в виде покрытий на активированной поверхности полиэтилентерефталата. для получения многослойных полиэлектролитов (PEMs) был реализован Pérez-Álvarez et al. [87]. Покрытия были разработаны для сочетания устойчивости к адгезии, свойств уничтожения контактов и контролируемого высвобождения антибактериальных агентов.PEM были загружены триклозаном (TRI) и рифампицином (RIF). Высвобождение этих бактерицидов могло быть отрегулировано авторами, используя последовательное включение вдоль слоев полисахаридов. Мультислои HA / CHI ингибировали адгезию E. coli, а при загрузке TRI и RIF повышали антибактериальную активность. Nguyen et al. [88] попытались создать контактные линзы путем ковалентного включения ГК в обычные гидрогели, содержащие силикон. Линзы были загружены антибиотиком ципрофлоксацином и противовоспалительным стероидом дексаметазона фосфатом.Были приготовлены три образца гидрогелевого материала, а именно 2-гидроксиэтилметакрилат (pHEMA), диметакрилат этиленгликоля (EGDMA) и N, N-диметилакриламид (DMAA) с трис (триметилсилокси) силилпропилметакрилатом (TRISA) с введением ковалента H и без него. Диски из гидрогеля вырубали из листа материала с равномерным диаметром 5 мм. Авторы измерили кинетику высвобождения, поместив диски с лекарством в физиологический раствор при температуре 34 ° C на встряхиваемой водяной бане. Они показали, что почти все протестированные системы выделяли достаточное количество антибиотиков, чтобы иметь клиническое значение для применения в офтальмологических линзах.Модифицированные силиконом (TRIS) гидрогели высвобождали меньшее количество лекарства, чем обычные гели. Устойчивое высвобождение даже через 6 дней можно было сохранить. Профили высвобождения антибиотиков для каждой системы материалов, построенной авторами, показаны на рисунке 12. Lee et al. [89] получили модифицированный силаном гидрогель ГК с использованием метода одного реактора с использованием 3-глицидилоксипропилтриметоксисилана (GPTMS). Авторы внедрили силановую структуру в гели ГК посредством самоконденсации. Золь-гель-модифицированный гидрогель ГК показал хорошие механические свойства и биохимическую стабильность, а также нетоксичную биосовместимость.Авторы также продемонстрировали процесс загрузки лекарственного средства с использованием золь-гелевой инкапсуляции без использования каких-либо дополнительных химикатов. Ванкомицин был выбран в качестве модельного препарата, и он длительно высвобождался из гидрогелей. Первый час был периодом всплеска высвобождения, но высвобождение антибиотика продолжалось до 100 часов. Minaberry et al. [90] сконструировали гидрогели ГК, имеющие пористую монолитную структуру, с использованием метода самосборки, индуцированной ледяной сегрегацией (ISISA), и последующей сублимационной сушки (см. Рисунок 13). Они изменили физические и химические параметры во время обработки, чтобы настроить пористую структуру и характеристики набухания в водных средах.Были продемонстрированы нагруженные гентамицином гидрогели ГК с профилями замедленного высвобождения. Изображения морфологии проявленных гидрогелей, полученные в результате самосборки, вызванной сегрегацией льдом, при различных скоростях замораживания показаны на рис. 13a-d. На правой панели рисунка 13 показаны профили набухания гидрогеля и последующего высвобождения гентамицина в зависимости от скорости замораживания и процентного содержания НА, обозначенного на рисунке буквой Н. Для матриц с 2,5 мас.% НА высвобождение гентамицина было благоприятным для всех скоростей замораживания, как показано на рисунке.Гиалуронидазы — это семейство ферментов, которые катализируют разложение гиалуроновой кислоты (НА). Их можно использовать для настройки высвобождения противомикробных препаратов из систем HA. Ран и др. [91] недавно продемонстрировали такое действие. Они создали фототермический материал, активируемый гиалуронидазой, для уничтожения бактерий на основе наночастиц серебра (AgNP) и оксида графена (GO). AgNP и GO были внедрены в полимер ГА, образующий нанокомпозиты. Вызванное гиалуронидазой (HAase) высвобождение покрытых HA AgNP проявляет антибактериальную активность против Staphylococcus aureus.При освещении нанокомпозитов ближним инфракрасным светом GO локально повышал температуру, а под действием HAase высвобождались AgNP. Присутствие НА на поверхности наночастиц не вызывает токсичности для клеток млекопитающих. Они также протестировали свой материал на модели дезинфекции ран с обнадеживающими результатами. Zhang et al. [92] разработали системы длительного высвобождения антибиотиков для устранения послеоперационной инфекции в офтальмохирургии. Ципрофлоксацин и ГК гиалуроновой кислоты, конъюгированной с ванкомицином, были синтезированы для пролонгированного высвобождения антибиотиков (до 200 ч).Авторы также измерили антимикробные эффекты выпущенных лекарств с помощью тестов дисковой диффузии и макроразбавления в разное время до 2 недель. Количество загруженных лекарств и скорость разложения частиц HA контролировали для получения профилей долгосрочного высвобождения, которые могут ингибировать рост бактерий на срок до одной недели, что подходит для предотвращения послеоперационной инфекции в офтальмологической хирургии. Lequeux et al. [93] продемонстрировали, что низин (антимикробный пептид) может быть присоединен к HA для получения антимикробных гелей.Различные количества низина были привиты к HA посредством контролируемых реакций с образованием ковалентных связей между амидными группами. Антимикробная активность модифицированной ГК была протестирована против S. epidermidis, S. aureus и Ps. aeruginosa бактерии. В растворе модифицированная ГК проявляла отличные антимикробные свойства в отношении трех тестируемых видов бактерий. Хотя они не измеряли длительное высвобождение низина, они обнаружили, что в течение 24 часов вокруг гелеобразных пленок, полученных авторами, образовывались эффективные зоны, свободные от бактерий.Аналогичным образом Silva et al. [94] инкапсулировали антимикробные пептиды (АМП) в наногели НА для уничтожения микобактерий, ответственных за туберкулез (ТБ), заболевание, вызываемое патогеном человека Mycobacterium tuberculosis. Конкретный AMP назывался AMP LLKKK18. Авторы показали, что инкапсуляция в HA обеспечивает повышенную стабильность, снижает цитотоксичность и разлагаемость, одновременно усиливая нацеливание пептида на основные сайты инфекции. Тесты in vitro с условно-патогенным M. avium или патогенным M. tuberculosis показали снижение уровней провоспалительных цитокинов (IL-6 и TNF-α) устойчивым образом в течение 72 часов.Дальнейшая работа авторов на мышах продемонстрировала значительное снижение уровней инфекции, вызванной M. avium или M. tuberculosis, всего после 5 или 10 введений через день. Park et al. [95] получили 1-этил- (3-3-диметиламинопропил) карбодиимид-гидрохлорид-сшитые полимерные матрицы коллагена и НА, наполненные антибиотиками тобрамицина или ципрофлоксацина, нацеленными на заражение раны. Эксперименты по высвобождению in vitro продемонстрировали, что матрицы, нагруженные тобрамицином и ципрофлоксацином, сохраняли свои антибактериальные эффекты в течение 96 и 48 часов соответственно.За этот период может быть достигнуто до 90% выпуска. Они также включили факторы роста в свои модифицированные составы ГК и наблюдали значительное заживление ран на модели полнослойного кожного дефекта in vivo. Они утверждали, что в конечном итоге их материалы могут быть разработаны как заменители кожи при тяжелых инфицированных кожных заболеваниях. Луо и др. [96] разработали новый гидрогель на основе гиалуроновой кислоты и оценили возможность пролонгированного высвобождения лекарственного средства. Они показали, что гели сшиваются за считанные минуты, а высушенные формы набухают и регидратируются до гибкого гидрогеля за секунды.ГК впервые был преобразован в адипиновой производное дигидразид, а затем поперечно-сшитого поли (этиленгликоль) -propiondialdehyde, образующего полимерную сетку. После заливки растворителем авторы высушили пленки и позволили им набухнуть в семикратном объеме в буфере менее чем за 100 с. Устойчивое высвобождение лекарственного средства из гидрогелевых пленок оценивали in vitro с использованием выбранных антибактериальных и противовоспалительных препаратов, таких как диклофенак натрия, пилокарпин, акцепиндометацин, гидрокортизон, 6α-метилпреднизолон, преднизолон, кортизон, кортикостерон, дексаметазон и преднизон.Вероятно, они были единственными, кто измерил профили высвобождения такого количества лекарств из одного геля на основе гиалуроновой кислоты. Все препараты измерялись в течение 100 часов, и около 80% препаратов высвобождались в первые 40 часов. Наконец, в таблице 2 приведены системы замедленного высвобождения, рассмотренные в этом разделе. Таблица показывает, что в основном были разработаны гидрогели, но также оказались эффективными пленки и многослойные конструкции. Большинство исследований продемонстрировали периоды длительного высвобождения, превышающие несколько дней.Это особенно важно при лечении кожных ран. Большинство целевых методов лечения сосредоточено на лечении мягких тканей и кожи, а также на заболеваниях глаз. Как видно из таблицы 2, часто используемые модельные антибиотики — это те, которые используются в коммерческих целях, такие как ципрофлоксацин, ванкомицин, левофлоксацин и т. Д. Очень немногие другие основаны на пептидах и природных экстрактах, таких как катехины. В качестве предпочтительных матриц таблица 2 показывает, что полимерные аддукты или смеси НА широко использовались для индукции замедленного высвобождения.Известно, что полимер ГК сам по себе обладает терапевтическим потенциалом при лечении артрита и заживлении ран [97]. Следовательно, включение небольших количеств антибиотиков в матрицы на основе HA может быть очень эффективным средством местного лечения, поскольку они потенциально могут снизить пероральный прием антибиотиков и связанные с ними побочные эффекты.

5. Гиалуроновая кислота и лекарственные средства для борьбы с раком

HA широко используется для доставки противоопухолевых лекарств благодаря своей превосходной биосовместимости, биоразлагаемости и специфическому нацеливанию на раковые клетки.В настоящее время признано, что для повышения эффективности процессов доставки раковых клеток матрицы на основе ГК должны стать «преобразователями». Совсем недавно проведенное исследование показало, что матрицы на основе ГК являются одними из очень немногих биополимеров, которые могут соответствовать подходу «3S» перехода для противоопухолевых препаратов [98]. Концепция перехода «3S» известна как переход стабильности, поверхностный переход и переход размера, и если все эти три концепции удовлетворяются в системах доставки лекарств, все препятствия в процессах доставки преодолеваются, и лекарство работает.Более конкретно, переход стабильности относится к тому, когда лекарство входит и циркулирует in vivo, система матрикс-лекарство должна быть стабильной и минимизировать системную токсичность, вызванную фазой раннего высвобождения лекарства. Поверхностный переход относится к переходу лекарств (во время высвобождения) с гладкой твердой поверхности на неровные и вязкие поверхности, которые сопровождаются изменениями поверхностного заряда и другими адсорбированными агентами, такими как ферменты, которые могут быстро разрушать поверхность матрицы, что приводит к быстрому высвобождению лекарства.Изменение размера имеет прямое отношение к опухолям. Размер связан с влиянием на период полужизни in vivo и накоплением опухолевой ткани. В целом сосудистая ткань рядом с опухолевой тканью имеет плохую структурную целостность с отсутствующей лимфатической рефлюксной системой. Таким образом, небольшие / наноразмерные матричные препараты могут глубоко задерживаться около опухолевой ткани. Это известно как эффект повышенной проницаемости и удерживания (EPR). Они также легко удаляются кровотоком из-за своего размера. Поэтому утверждается, что для усиления эффекта ЭПР матрицы на основе ГК должны быть большого размера в кровотоке, но должны находиться под внутренними или внешними стимулами, чтобы их размер мог уменьшаться вблизи опухолевой ткани, например, за счет действие гиалуронидазы.Следовательно, ГК представляет собой уникальную матрицу для нацеливания на высвобождение лекарства от рака, поскольку его размер можно регулировать in vivo с помощью ферментов гиалуронидазы. ГК и его производные могут специфически связываться с различными рецепторами на поверхности клетки и могут использоваться для направленной доставки противоопухолевых лекарств. наркотики. Следовательно, к настоящему времени разработано несколько таких систем доставки лекарств, нацеленных на опухоль, на основе HA. Хуанг и Хуанг [99] опубликовали обзор достижений в области высвобождения лекарственного средства из HA, направленного на опухоль. Этот раздел дополнит и несколько расширит их работу.Dosio et al. [100] рассмотрели системы противораковых материалов, содержащие ГК. Они сосредоточились на императивных исследованиях in vivo для оценки клинической осуществимости систем доставки лекарств. Их обзор включал несколько подходов к опубликованным доклиническим / клиническим данным. В более раннем обзоре Jaracz et al. [101] представили достижения в области конъюгатов лекарственных средств, нацеленных на опухоль, включая НА в качестве фрагмента, нацеленного на опухоль. Они подчеркнули тот факт, что уровень HA повышен в различных раковых клетках. По мере увеличения концентрации HA в раковых клетках клетки имеют тенденцию образовывать менее плотный матрикс, тем самым повышая подвижность клеток, а также инвазивную способность в других тканях.Также известно, что HA образует иммунную защитную оболочку против раковых клеток. Например, различные опухоли, такие как эпителиальные опухоли, яичники, толстая кишка, желудок и острый лейкоз, сверхэкспрессируют HA-связывающие рецепторы CD44 (гликопротеин клеточной поверхности, участвующий в межклеточных взаимодействиях) и рецептор HA-опосредованной подвижности (RHAMM). В обоих обзорах не обсуждались аспекты устойчивого или контролируемого высвобождения противоопухолевых препаратов, а скорее были сосредоточены на подходах, которые минимизируют побочные эффекты, связанные с химиотерапией. Jiang et al.[102] объединили pH-чувствительные, проникающие в клетки пептиды (CPP), эффективные для внутриклеточной доставки, с HA, имеющей хорошую устойчивость в крови для нацеливания на опухоль. Они разработали липосомы с двойным декором для нацеленной на опухоль доставки лекарств (рис. 14). Они показали, что в кровотоке липосомы, покрытые HA, CPP-модифицированные (HA-CPP-L) обладают сильно отрицательным зарядом и защищены от атаки белков плазмы оболочкой HA. для повышенной стабильности и продолжительности. HA-CPP-L продемонстрировал высокое накопление в месте опухоли из-за повышенной проницаемости и удерживания, а также сродства HA со связывающими рецепторами.Авторам удалось продемонстрировать, что в опухолевой среде HA-CPP-L распадается на расщепление HA ферментом HAase CPP-L. В результате подвергнутый воздействию СРР реагировал на умеренно кислое микроокружение опухоли, увеличивая поглощение СРР-L клетками. Они измерили эффект высвобождения СРР в клетку, отслеживая изменения объема опухоли как функцию времени по сравнению с контрольными тестами на мышах (модели ксенотрансплантата опухоли Heps). Авторы подтвердили устойчивое уменьшение размера опухоли в течение 16-дневного периода [102].Аналогичным образом Miao et al. [103] также наблюдали устойчивое уменьшение объема опухоли на моделях мышей, когда они инкапсулировали доксорубицин (Dox) в нанолистах HA-модифицированного восстановленного оксида графена (rGO) (несколько слоев графеновых агломератов толщиной 3–6 нм).

Нанолисты были приготовлены путем нанесения холестерилгиалуроновой кислоты (ХГА) на нанолисты rGO. Они показали 100% выживаемость после внутривенного введения мышам 40 мг / кг. Поглощение Dox клетками KB, сверхэкспрессирующими CD44, было выше для CHA-rGO, чем для rGO.Обратите внимание, что клетки KB, как известно, являются сублинией широко распространенной линии опухолевых клеток, образующих кератин, HeLa (стандартные линии клеток для лабораторных испытаний человека). После внутривенного введения мышам с опухолью CHA-rGO / Dox демонстрировал более высокое накопление опухоли, чем rGO / Dox, облегчая клеточное поглощение Dox опухолевыми клетками, сверхэкспрессирующими CD44, с усиленными противораковыми эффектами. Эффект устойчивой клеточной доставки высвобожденного Dox из листов HA rGO отслеживали в течение 24-дневного периода путем измерения уменьшения объема опухоли.

Наногибридные липосомы, покрытые амфифильным НА-церамидом (HACE), были изготовлены Park et al. [104]. Наногибридные липосомы со средним диаметром 120–130 нм содержали DOX и Magnevist, контрастный агент для магнитно-резонансной (МР) визуализации. Высвобождение DOX из наночастиц улучшалось при кислых уровнях pH (pH 5,5 и 6,8) по сравнению с физиологическим pH (pH 7,4). Авторы показали, что клеточное поглощение DOX из наногибридных липосом было увеличено за счет взаимодействия рецепторов HA и CD44 по сравнению с простой липосомой.Высвобождение DOX может поддерживаться до 160 часов в тестах in vitro с более высоким процентом высвобождения лекарственного средства при более низких значениях pH. Han et al. [105] разработали нацеленные на опухоли наноносители лекарств на основе блок-сополимера НА-поликапролактон (PCL), в котором ГК сшита дисульфидной связью. Авторы также использовали противоопухолевый препарат DOX. Он был инкапсулирован в сшитые дисульфидом наночастицы HA-PCL (DOX-HA-ss-NP). Высвобождение лекарства в физиологических условиях (pH 7,4) было очень медленным, но скорость высвобождения DOX заметно увеличивалась в присутствии глутатиона (GSH, тиолсодержащий трипептид), который может разрушать дисульфидные связи в цитоплазме.Авторы также показали, что DOX-HA-ss-NP могут легко доставлять DOX в ядра клеток SCC7 in vitro, а также в опухоли in vivo у мышей с опухолями. Рисунок 15a показывает, что скорости высвобождения DOX практически одинаковы для сополимера независимо от присутствия GSH в среде высвобождения. Однако в случае сшитой дисульфидом системы GSH увеличивает высвобождение DOX почти вдвое, как показано на фиг. 15b. Эта же система также обеспечивает развитие наименьшего объема опухоли в экспериментах на мышах, как показано на рисунке 15c.Недавний обзор Kim et al. [106] также рассмотрели наноматериалы, покрытые ГК, которые были разработаны для таргетной терапии рака, но в них не обсуждались какие-либо аспекты, связанные с контролируемым или длительным высвобождением лекарств. Аналогичным образом Snetkov et al. [107] рассмотрели последние достижения в протоколах изготовления нановолокон на основе гиалуроновой кислоты, а также их биомедицинские применения в терапии рака. Они сосредоточились на производстве нано- и микроволокон из HA с использованием других биосовместимых медицинских полимеров, таких как полиэтиленоксид (PEO) и поливиниловый спирт (PVA), включая бинарные / тройные системы растворителей, а не их характеристики высвобождения лекарств.Нагруженные DOX наночастицы (НЧ) на основе гиалуроновой кислоты, полученные из взаимосвязанного церамида гиалуроновой кислоты (HACE), и их кинетика высвобождения in vitro были описаны Park et al. [108]. Связанный HACE был синтезирован путем сшивания HACE с дигидразидом адипиновой кислоты (ADH), что привело к получению НЧ размером порядка 200 нм. Взаимосвязанные НЧ на основе HACE продемонстрировали замедленное высвобождение лекарства с более эффективной инкапсуляцией лекарства по сравнению с NP на основе HACE. Наблюдали время высвобождения до 160 часов с высвобождением инкапсулированного DOX до 80% в зависимости от pH.Большее высвобождение контролировали в условиях более низкого pH (pH = 5,5), что указывает на возможность увеличения высвобождения лекарственного средства в области опухоли и эндосомных компартментах. Xin et al. [109] разработали пролекарство, нацеленное на клетки, со свойствами самосборки в водном растворе для инкапсулирования противоракового препарата паклитаксела. Они объединили и конъюгировали паклитаксел с HA, вставив различные аминокислоты в качестве спейсеров, включая валин, лейцин и фенилаланин, соответственно. Было показано, что эти пролекарства самоорганизуются с образованием наночастиц, и их кинетику высвобождения лекарственного средства in vitro контролировали в течение до 100 часов при различных условиях pH.В зависимости от типа аминокислоты высвобождение лекарственного средства можно контролировать от примерно 20% до 90% с различной кинетикой высвобождения при кислых или нейтральных уровнях pH. Другое пролекарство было получено из таксола и химически модифицированной HA Luo et al. [110]. Они синтезировали флуоресцентно меченый конъюгат НА-таксол (FITC-HA-taxol) и продемонстрировали клеточно-специфическое связывание и захват. Они изучили in vitro высвобождение таксола из конъюгатов в плазме человека или в средах для культивирования клеток. Они утверждали, что высвобождение возможно за счет расщепления сложноэфирных связей внутри конъюгатов.Устойчивое высвобождение в плазме человека составляло около 40% в течение первых 30 часов измерений. Этот уровень был дополнительно увеличен до 80% за тот же период за счет использования фермента гиалуронидазы в той же среде, которую использовали авторы. Системы HA в наномасштабе оказываются очень эффективными средствами нацеливания на опухоль, особенно если они адаптированы со средствами контролируемого высвобождения лекарственного средства. Они могут быть столь же эффективными, как и с даже большим успехом in vivo по сравнению с другими средствами нацеливания на опухоли наночастицами [111, 112]. Лю и др.[113] изготовили катионный малогабаритный нанокластер золота с красной эмиссией, защищенный BSA ([email protected], 21,06 нм), чтобы инкапсулировать индоцианиновый зеленый (ICG) в качестве визуализирующего агента, а также для реализации тераностического лечения. После этого [защищенные электронной почтой] системы были объединены в комплекс с отрицательно заряженной ГК с образованием наночастиц размером около 200 нм ([защита электронной почты] @HA). HA-модифицированные наночастицы могут быть разложены гиалуронидазой на мелкие наночастицы, которые могут проникать в опухоли, а также обеспечивать длительное высвобождение лекарственного средства для потенциальной терапии рака молочной железы.Для изучения скоростей высвобождения in vitro скорость флуоресценции была подогнана к дозе ICG экспоненциальной функцией (не показана для краткости), которая использовалась для оценки количества высвобождения ICG. При контакте с гиалуронидазой измерения высвобождения ICG показали, что кумулятивное высвобождение увеличилось более чем на 60% от общей нагрузки лекарственного средства через 48 часов высвобождения (см. Фигуру 16). Точно так же кривая восстановления флуоресценции согласовывалась с данными о высвобождении, подтверждающими высвобождение лекарственного средства в реальном времени. Обратите внимание, что восстановление флуоресценции — это метод определения кинетики диффузии через ткань или клетки.Он способен количественно определять двумерную боковую диффузию флуоресцентно меченных зондов в биологическую среду. Однако без гиалуронидазы через 48 часов высвобождалось менее 10% ICG. Это также подтвердил низкий рост кривой восстановления флуоресценции. В уникальном исследовании Gurski et al. [114] сообщили о гидрогелях на основе ГК, инкапсулирующих раковые клетки для доставки лекарств. Гидрогели поддерживали рост и жизнеспособность клеток, в которых раковые клетки (клетки рака простаты, C4-2B) приняли округлую, кластерную морфологию, аналогичную опухолевой ткани in vivo.Лекарства высвобождались в гидрогель HA для уничтожения клеток, и гидрогель HA был исследован на предмет зависимости от дозы и времени лекарственного средства (камптотецин, доцетаксел и рапамицин и их комбинации). Достигнуто замедленное высвобождение лекарственного средства в гидрогелях в течение 24 часов без токсичности для клеток. Гидрогели на основе ГК состояли из производных ГК, имеющих боковые альдегидные и гидразидные группы [114]. Sun et al. [115] сконструировали активируемые светом наноразмерные системы доставки лекарств на основе гиалуроновой кислоты с высвобождением лекарства по требованию в местах опухоли.Структуры, инкапсулирующие DOX, были самоорганизованы из конъюгата HA-фотосенсибилизатор, содержащего тиокетальные линкеры, чувствительные к химически активным формам кислорода (ROS). После инкапсулирования препарата наноносители на основе НА накапливались в ксенотрансплантате опухоли молочной железы MDA-MB-231. Накопление предотвратило утечку лекарства в кровоток. Лазерное излучение с длиной волны 660 нм расщепляло линкеры TK, что приводило к индуцированной светом диссоциации материала и селективному высвобождению DOX в области опухоли, сводя к минимуму токсичность in vivo.С их системой возможно кумулятивное высвобождение до 70% в течение 50-часового периода. Рисунки 17A, B показывают, что в темноте не наблюдалось значительного гашения в обеих системах наноносителей. Однако система гиалуроновой кислоты, связанная с тиокеталом, может подавляться в зависимости от интенсивности излучения, как показано на фиг. 17А, по сравнению с носителями на основе гиалуроновой кислоты, не содержащей тиокетал, с очень незначительным тушением флуоресценции. Восстановление гашения также было превосходным для системы гиалуроновой кислоты, связанной с тиокеталом (фиг. 17C). Тушение также запускало высвобождение DOX из связанных с тиокеталом-HA носителей, как показано на фиг. 17D, по сравнению с наноносителями HA, не содержащими тиокеталов (фиг. 17E).Импульсный лазер с длиной волны 600 нм также вызывал всплески профилей высвобождения во время высвобождения, как показано на рисунке 17F. До сих пор ГК широко применялась в качестве благоприятного биополимера для создания передовых клинических методов лечения рака в различных формах, таких как наночастицы, мицеллы, липосомы и гидрогели. в сочетании с другими материалами [116]. Однако, как видно из этого раздела, часть таких исследований сообщала о данных об устойчивом высвобождении лекарств. Стратегия гелеобразования пролекарства была разработана Fu et al. [117] для пролонгированного высвобождения противоракового препарата двойного стимула-ответа, известного как гидрохлорид доксорубицина (DOX · HCl), DOX · HCl химически конъюгировали с тиолированным HA посредством кислотно-зависимой гидразоновой связи.При воздействии воздуха конъюгат превращался в гель в водном растворе. Тиоловые группы могут регулировать время и степень гелеобразования на HA. Гидрогель высвобождает конъюгированный DOX · HCl устойчивым образом в двух режимах, чувствительных к pH и восстановлению. Кумулятивное высвобождение лекарства происходило намного быстрее в условиях, имитирующих внутриклеточную среду раковых клеток. Анализы цитотоксичности in vitro для клеток CNE2 карциномы носоглотки человека подтвердили эффективность конъюгированных гидрогелей для ингибирования раковых клеток [117].Аналогичным образом Gurav et al. [118] приготовили наногели ГК (диаметром 150 нм) с ГК, модифицированным тиолом, и диакрилированным полимером Полоксамер 407. Используя реакцию присоединения типа Михаэля (схема 3) активированных тиоловых групп на акрилатном фрагменте, просто сформировали наногели. Наногели также инкапсулировали DOX для оценки свойств замедленного высвобождения лекарственного средства. Полученные наногели имели диаметр 150 нм с узкой картиной распределения по размерам. DOX, высвобождаемый из этих наногелей, демонстрировал медленное и продолжительное высвобождение при кислом pH 5.0, тогда как очень небольшое высвобождение было измерено при физиологическом pH 7,4. Система устойчивой доставки лекарственного средства продолжала высвобождение DOX через 24 часа, не затрагивая нормальные клетки. Авторы утверждали, что эти наногели могут доставлять противоопухолевые препараты, не снижая их токсичность в течение более длительного периода времени и уменьшая общую дозу при противоопухолевой терапии. Yin et al. [119] разработали чувствительный к окислению-восстановлению, HA-декорированный нанолист GO для быстрой доставки в цитоплазму опухоли с использованием контролируемого облучением ближнего инфракрасного диапазона (NIR) разрушения эндо / лизосом и инициируемого окислительно-восстановительным процессом высвобождения цитоплазматического лекарственного средства.Модификация HA посредством окислительно-восстановительных связей позволила частицам оксида графена достичь определенных исключительных свойств, таких как биологическая стабильность, повышенная способность загружать лекарство для ароматических молекул, опосредованное рецептором HA активное нацеливание на опухоль, большее поглощение NIR и перевод тепловой энергии, а также резкий окислительно-восстановительный потенциал. -зависимый ответ для более быстрого высвобождения лекарства. Они также использовали DOX в качестве модельного лекарственного средства, и специфическое для цитоплазмы высвобождение DOX было достигнуто посредством NIR-контролируемого разрушения эндо / лизосом наряду с окислительно-восстановительным высвобождением DOX в областях, богатых глутатионом.Авторы сообщают, что кумулятивное высвобождение DOX в течение первых 16 часов измерений достигает 70%. ГК, по-видимому, находится в авангарде исследований по разработке инъекционных и биосовместимых носителей для доставки, удержания, роста и дифференциации противораковых препаратов, а также стволовых клеток для клеточной терапии. Сейчас очень важно обеспечить разработку большего количества клинических комбинированных продуктов с использованием ГК с высокой воспроизводимостью, подходящими для масштабирования, одобренными и доступными средствами [120]. Seok et al.[121] разработали наногели зеина, сшитые на основе НА, для доставки куркумина, природного фитохимического препарата в раковые клетки. Инкапсулированные куркумином наногели НА-зеина проявляли высокую противораковую активность против клеток CT26. Биораспределение in vivo на модели опухоли CT26 показало высокое накопление опухоли, улучшая противоопухолевую эффективность при низкой дозировке куркумина. Инкапсулированный куркумин был эффективен в течение 15-дневного периода, на что указывало уменьшение объема опухоли примерно в пять раз по сравнению с контрольными тестами.Suner et al. [122] изготовили пористые сополимеры наногелей ГК с сахарозой (Suc). Наногели (размером около 200 нм) были синтезированы путем задействования диглицидилового эфира глицерина (GDE) в качестве сшивающего агента в одностадийной реакции (рис. 18). Авторы показали, что наногели стабильны в крови до концентрации 250 мкг / мл с коэффициентом гемолиза примерно 0,5 ± 0,1% и показателями свертывания крови 76 ± 12% соответственно. Они также продемонстрировали, что наногели могут инкапсулировать и медленно высвобождать гидрофобное противораковое лекарство, 3 — ((E) -3- (4-гидроксифенил) акрилоил) -2H-хромен-2-он (A ^# ) в течение двух дней.Таким образом, Хуанг и Хуанг [99] указали, что системы доставки лекарств, нацеленные на опухоль, основанные на ГК, подразделяются на четыре подхода. Конъюгаты НА-лекарство, амфифильные производные НА, модификации поверхности НА и лекарственные средства на основе НА-гена, соответственно. Тем не менее, они подчеркнули, что большинство этих работ все еще несколько далеки от клинического применения и что необходимо разработать такие дополнительные системы HA для иммунотерапии. Функция HA зависит от его размера, местоположения и взаимодействия с его паттернами связывания. Взаимодействие HA и его связывающих белков вносит вклад в патогенез нескольких заболеваний, включая рак.Таким образом, новые материалы с замедленным высвобождением на основе HA и изучение их взаимодействия с клетками и белками могут предоставить новые подходы к разработке терапевтических средств для воспалительных и фиброзных заболеваний [123]. Наконец, в таблице 3 ниже приведены типы лекарств, матрицы, платформы для тестирования опухолей, а также периоды высвобождения лекарств, взятые из исследований, рассмотренных в этом разделе. Таблица показывает, что DOX является наиболее изученным препаратом на различных моделях мышей. Более того, вместо макроскопических гидрогелей, системы ГК, как правило, были сформулированы в виде наноразмерных матриц, таких как наногели или наночастицы.Это согласуется с тем фактом, что такие лекарственные средства, нацеленные на опухоль, должны проникать через клеточные стенки и мембраны. В качестве матрицы с контролируемым высвобождением в очень немногих работах использовался чистый ГК, а остальные представляли собой конъюгаты, сополимеры или смеси ГК с другими природными полимерами, такими как сахароза и зеин, как показано в Таблице 3. Похоже, что каждая матричная система ГК была разработана для определенного против рака, но более универсальные матрицы на основе HA, которые могут высвобождать множество противораковых лекарств, были бы очень полезны для лечения опухолей.Сегодня только примерно одно из двадцати опубликованных исследований посвящено инкапсулированию и контролируемому высвобождению различных противораковых препаратов из общей матрицы на основе гиалуроновой кислоты. Для достижения этой цели необходимо направить больше работы, чтобы просто объединить исследования, направленные на выявление рака и опухолей.

6. Резюме и перспективы

Целью этого обзора было продемонстрировать и представить последние достижения в области контролируемого высвобождения различных лекарств из матриц на основе ГК, а также высвобождения самого ГК из других биоматериалов, особенно подходящих для лечения мягких тканей.Как показано, системы с замедленным высвобождением могут быть получены в виде пленок, макро / гидрогелей, полимерных микрочастиц, наногелей, наночастиц, а также в виде многослойных пленок. Изучение Таблицы 1, Таблицы 2 и Таблицы 3 показывает, что периоды высвобождения лекарственного средства составляли до одного месяца, а в некоторых случаях — около двух месяцев, и поэтому можно сделать вывод, что разработанные матрицы на основе ГК были стабильными как in vitro, так и in vivo. среды. Более того, было продемонстрировано, что ГК может быть сшита в несколько прочных полимерных сетей, которые могут замедлять ее эрозию и растворение в водной среде.Например, ГК может быть сшит с водорастворимыми карбодиимидами, глутаральдегидами, хитозаном, коллагеном, тиолами, метакрилатами (фото-сшивание), дивинилсульфонами, эпоксидными поли (этиленгликолем), ферментами / аминовыми трансплантатами, гидразидной прививкой. . Читатели могут обратиться к Khunmanee et al. [124], который представляет собой недавний обзор методов сшивания гидрогелей на основе ГК для биомедицинских приложений. ГК также можно смешивать с другими водорастворимыми биополимерами, такими как желатины, альгинаты, хитозан, производные целлюлозы, поливиниловые спирты и многие другие.Целью таких работ является увеличение сроков высвобождения лекарств из матриц на основе ГК. Во-вторых, ГК является внутренним терапевтическим агентом. Это отличная смазка для глаз и костных суставов. По этой причине также было рассмотрено состояние дел, связанное с устойчивой доставкой ГК из других биоматериалов / биополимеров. На сегодняшний день большинство исследований сосредоточено на высвобождении и доставке ГК из мягких контактных линз, гелей для искусственных суставов и гидрогелевых пленок для смазки. Постоянно смазываемые глаза имеют решающее значение для здоровья глаз и роста хрящей и костей.Следовательно, важно разработать мягкие биоматериалы, которые могут смазывать ткани суставов и глаза с минимальным воспалением за счет устойчивой и продолжительной доставки ГК. Необходимо провести больше исследований и разработок биоматериалов, способных обеспечить устойчивую доставку HA и HA в комплексе с другими важными смазочными материалами, такими как лубрицин [14]. Кроме того, как рассмотрено в разделе 3, доставка белка из материалов на основе HA широко проводилась. изучены, и сообщалось о новых и инновационных системах с замедленным высвобождением.Например, эффективная и контролируемая доставка белков и молекул, связанных с белками, из НА была успешно использована для стимуляции клеточных процессов, ведущих к регенерации тканей. Однако существуют проблемы, связанные с связыванием белков с HA при сохранении конформации и активности белка [125]. Белки, такие как BSA, могут высвобождаться устойчивым образом из гидрогелей на основе HA в течение до 30 часов без какой-либо цитотоксичности, которая может удовлетворить потребности безопасных методов восстановления хряща [126].Обратите внимание, что восстановление и регенерация хряща — это лечение суставов, которые имеют поврежденный хрящ, но в остальном здоровы. Их лечение обычно включает заполнение дефектов хряща лекарственными биоматериалами. Ох и др. [53] указали, что, хотя коммерциализация систем доставки белков на основе HA все еще требует дополнительной работы, такой как получение разрешений, сообщалось о значительном прогрессе в отношении носителей белков на основе HA для целевой доставки и доставки длительного действия. Полимер НА должен быть правильно конъюгирован, чтобы связывать и высвобождать белки в определенных средах.В частности, перспективными являются амидные, дисульфидные и тиоэфирные конъюгации [53]. Повышение роли HA и биоматериалов на основе HA в устойчивой доставке белков считается решающим, поскольку многие белки имеют низкую биодоступность при нескольких неинвазивных методах лечения, короткий период полужизни in vivo и физико-химическую нестабильность. По этой причине врачам необходимо использовать инвазивные способы введения путем длительных инфузий и / или частых и болезненных инъекций для доставки специфического белка. Например, рекомбинантный гормон роста человека (rhGH) обычно вводят ежедневно в виде инъекций в течение нескольких лет для лечения низкого роста у детей [64].Обобщая Раздел 4, можно сделать вывод, что местное лечение раневых инфекций является довольно сложной задачей из-за ограниченной доступности лекарств и их доставки в локальные очаги инфекции. Тем не менее, было доказано, что для открытых ран локальное или локальное замедленное высвобождение антисептиков и антибиотиков из биоматериалов очень эффективно для снижения системных побочных эффектов, связанных с гораздо более высокими дозами антибиотиков, принимаемых перорально [127]. Уникальные химические взаимодействия ГК с другими полисахаридами, такими как антимикробный хитозан, могут быть использованы для производства очень эффективных антисептических материалов, таких как марля для ран [128].Их заживляющие и антисептические свойства могут быть дополнительно усилены путем инкапсуляции соответствующих антисептиков или антибиотиков в такие гидрогели HA-хитозана. Антибиотики, такие как гентамицин, очень эффективны против бактериальных инфекций, в основном грамотрицательных бактерий, включая Pseudomonas, Proteus, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Enterobacter aerogenes, Serratia и грамположительных стафилококков. Однако он имеет множество побочных эффектов, таких как повреждение нервов и почек, аллергические реакции, нарушения внутреннего уха и низкое количество клеток крови.Гидрогели на основе ГК могут использоваться для контролируемого и длительного высвобождения гентамицина и подобных антибиотиков при глубоких инфекциях [129], повышая эффективность, но также снижая вероятность таких побочных эффектов. Дополнительные исследовательские усилия должны быть направлены на послойную сборку структур на основе ГК, содержащих противомикробные агенты, такие как наночастицы серебра, для образования многофункциональных гидрогелей на основе ГК, которые можно использовать для биочувствительности и высвобождения при обнаружении [130]. Раздел 5 показал, что HA незаменим в структурировании архитектуры ткани, в подвижности клеток, в клеточной адгезии и в процессах пролиферации.Такие клеточные события осуществляются в основном с помощью двух основных сигнальных рецепторов НА клеточной поверхности, CD44 и HA-опосредованной подвижности (RHAMM), обозначенной как рецептор CD168 [131]. Это ставит HA на передний план исследований доставки лекарств, связанных с раком, по сравнению с другими полисахаридами. Несмотря на то, что недавно были продемонстрированы эффективные перспективы лечения рака HA, в основном нацеленные на рак простаты, желудка, молочной железы, мочевого пузыря, легких и яичников, необходимо провести более всесторонние исследования длительного высвобождения лекарственных средств, нацеленных на опухоль, из HA и ее производных наряду с тщательным анализом объема опухоли. снижение и измерения токсичности лекарств [132].На основании таких исследований противоопухолевой эффективности можно разработать эффективные пролекарства на основе ГК для доклинических испытаний и оценки. Более того, с ростом доказательств экспрессии CD44 на раковых стволовых клетках различного происхождения, способность избирательно нацеливать химиотерапевтические агенты на CD44 может обеспечить поразительный терапевтический успех и быстрое превращение в коммерческое использование [133].

Косметический химик

Название по INCI: гиалуронат натрия
Синонимы: гиалуронан
Молекулярная формула: переменная
Молекулярная масса: переменная
Название IUPAC: (2S, 3S, 4S, 5R, 6R) -6 — [(2S, 3R, 4R, 5S, 6R) -3-ацетамидо-2 — [(2S, 3S, 4R, 5R, 6R) -6 — [(2R, 3R, 4R, 5S, 6R) -3-ацетамидо-2,5-дигидрокси-6- (гидроксиметил) оксан-4-ил] окси-2-карбокси-4,5-дигидроксиоксан-3-ил] окси-5-гидрокси-6- (гидроксиметил) оксан-4-ил] окси-3,4,5-тригидроксиоксан-2 -карбоновая кислота
Номер CAS: 9004-61-9; 9067-32-7 (натриевая соль)
Номер ЕС: 232-678-0

Гиалуроновая кислота представляет собой линейный полисахарид повторяющейся диссахаридной единицы, состоящей из глюкуроновой кислоты и фрагмента N-ацетил-D-глюкозамина, которые связаны чередующимися гликозидными связями β 1–3 и β 1–4.Это гликозаминогликан, который содержится во внеклеточном матриксе соединительной и эпителиальной тканей. Гиалуроновая кислота является одним из компонентов основного вещества, которое включает волокнистые компоненты и клетки дермы кожи, хотя она также содержится в эпидермисе. Фактически, хотя гиалуроновая кислота встречается по всему телу, большая ее часть находится в коже, где она преимущественно синтезируется клетками фибробластов. ¹ Следует отметить, что гиалуроновая кислота является наиболее распространенным гликозаминогликаном, обнаруженным в дерме.В общем, гликозаминогликаны образуют жидкую матрицу, связываясь с большим количеством воды, позволяя дерме оставаться гидратированной, а также выдерживать физически индуцированное внешнее давление, приводящее к переходу из твердой фазы в жидкую. ² Фактически, гиалуроновая кислота может связываться с водой в 1000 раз больше своего веса. Обычно он имеет очень высокую молекулярную массу порядка миллионов дальтон. ³

Помимо того, что гиалуроновая кислота естественным образом является неотъемлемой частью структуры дермы, она также используется при лечении кожи.Благодаря своим увлажняющим свойствам гиалуроновая кислота обычно входит в состав увлажняющих составов. Следует отметить, что его функция зависит от климатических условий. Например, в сухой среде гиалуроновая кислота, применяемая местно, будет иметь тенденцию связываться с водой, уже присутствующей в коже, вызывая тем самым обезвоживание кожи. В более влажных условиях гиалуроновая кислота связывается с водой из окружающей среды и увлажняет кожу. В любом случае, как правило, рекомендуется приготовление гиалуроновой кислоты с окклюзионными агентами, особенно людям с сухой кожей. ⁴

В косметической дерматологии наполнители гиалуроновой кислоты обычно используются для уменьшения носогубных морщин и морщин на лбу, а также для процедур увеличения губ. ^5,6 Преимущество использования наполнителей гиалуроновой кислоты заключается в их биосовместимости и низком потенциале иммунного ответа. Нативная гиалуроновая кислота (линейная форма полисахарида) действует очень короткое время после инъекции в кожу, прежде чем она станет разбавленной и подвергнется ферментативной деградации в печени.Таким образом, гиалуроновая кислота, используемая в наполнителях, сшивается, образуя нерастворимый в воде гель, устойчивый в коже в течение нескольких месяцев. ⁵ Степень сшивки влияет на реологические свойства геля, а также на его набухание.

Гиалуроновая кислота также обладает противовоспалительными и ранозаживляющими свойствами. ⁷ Присутствуя в нижних слоях эпидермиса, современные научные данные указывают на регулирующую и модулирующую роль гиалуроновой кислоты, в которой она связывается с белками и рецепторами клеточной поверхности. ⁸ До недавнего времени считалось, что гиалуроновая кислота — это просто большой гидрофильный полисахарид дермы, который поглощает воду и вносит свой вклад в механические свойства кожи. Теперь исследователи начинают раскрывать ряд важных биологических функций, которые эта молекула играет в гомеостазе кожи.

Ссылки
1. R.M. Каваси, А. Бердиаки, И. Спиридаки, Э. Корсини, А. Цацакис, Г. Цанакакис и Д. Никитович, Метаболизм HA в гомеостазе кожи и воспалительных заболеваниях, Food Chem.Toxicol. , 101 , 128-138 (2017).
2. Z.D. Драелос и П. Pugliese, Physiology of the Skin , 3-е изд., Allured Books, Кэрол Стрим, Иллинойс (2011).
3. Г. Коган, Л. Солтес, Р. Стерн и П. Гемайнер, Гиалуроновая кислота: природный биополимер с широким спектром биомедицинских и промышленных применений, Biotechnol. Lett. , 29 , 17-25 (2007).
4. L. Baumann, Cosmeceuticals and Cosmetic Ingredients , Chapter 26, McGraw-Hill: New York (2015).
5. G.D. Monheit, K.M. Coleman, Наполнители с гиалуроновой кислотой, Dermatol. Ther. , 19, , 141-150 (2006).
6. A. Tezel, G.H. Фредриксон, Наука о кожных наполнителях гиалуроновой кислоты, J. Cosmet. Laser Ther. , 10 , 35-42 (2008).
7. Р. Д. Прайс, M.G. Берри, Х.А. Navsaria, Гиалуроновая кислота: научные и клинические данные, J. Plast. Реконстр. Эстет. Surg. , 60 , 1110-1119 (2007).
8. E.G. Майтин, гиалуронан: больше, чем просто наполнитель морщин, Glycobiology , 26 , 553-559 (2016).

О гиалуроновой кислоте | Fine Chemicals

Производство
Гиалуроновая кислота

Производство гиалуроновой кислоты

Kewpie изучает и производит гиалуроновую кислоту с использованием двух методов: микробной ферментации и экстракции из куриного гребня.

Начиная с исследований и разработок гиалуроновой кислоты в 1983 году, Kewpie с тех пор завершила множество научно-исследовательских проектов.Таким образом, у Kewpie есть технология, позволяющая контролировать молекулярную массу гиалуроновой кислоты и производить гиалуроновую кислоту в соответствии с потребностями клиентов.

Структура гиалуроновой кислоты

Структура гиалуроновой кислоты

Характеристики гиалуроновой кислоты

Характеристики гиалуроновой кислоты

• 1.Гиалуроновая кислота присутствует в большинстве органов и соединительных тканей тела.
• 2. Метаболизм в организме очень быстрый, с периодом полураспада в тканях от 0,5 до 1,5 дней.
• 3. Чем больше молекулярная масса гиалуроновой кислоты, тем выше вязкость водного раствора.
• 4. Теоретическая способность гиалуроновой кислоты удерживать влагу составляет от двух до шести литров на грамм.
• 5.Вязкость меняется с изменением pH.
• 6. Гиалуроновая кислота разбирается, и вязкость снижается при обработке кислотой или восстановителем в присутствии ионов металла.
• 7. Гиалуроновая кислота, очищенная до высокой степени чистоты, представляет собой белый порошок без вкуса и запаха, водный раствор которого также бесцветен и прозрачен.

Функции гиалуроновой кислоты

Функции гиалуроновой кислоты

• 1.Гиалуроновая кислота способна удерживать влагу во внеклеточных матриксах, образованных в промежутках между клетками.
• 2. Гиалуроновая кислота лечит раны, образуя грануляционную ткань, необходимую для восстановления раненой ткани.
• 3. Гиалуроновая кислота присутствует в синовиальной жидкости и действует как смазка, снижая сопротивление трению между суставными хрящами.
• 4. Кроме того, гиалуроновая кислота стимулирует пролиферацию клеток, дифференциацию клеток, противовоспалительное действие и иммуносупрессию.

Безопасность
Гиалуроновая кислота

Безопасность гиалуроновой кислоты

Гиалуроновая кислота используется в качестве сырья для фармацевтических, косметических и пищевых продуктов, и ее безопасность подтверждена множеством способов. Пищевая гиалуроновая кислота была одобрена для использования в качестве существующей добавки, и в 1996 финансовом году был проведен обзор ее безопасности в рамках исследования, субсидированного грантами Министерства здравоохранения и социального обеспечения.
Kewpie гарантирует безопасность гиалуроновой кислоты, полученной как методами экстракции из куриных гребешков, так и микробной ферментацией, благодаря нашей системе обеспечения качества, разработанной для производства фармацевтических препаратов.

Управление сырьем

• ・ Для куриных гребней Kewpie использует куриные гребни, полученные от цыплят, прошедших пищевые стандарты (инспекции в соответствии со Статьей 15 Закона о контроле за производством убоя птицы и инспектировании мяса птицы).
• ・ Производственная палочка, используемая в методе ферментации, — это Streptococcus zooepidemicus , перечисленная в основных принципах, методах производства и характеристиках в разделе «Пищевая добавка — Гиалуроновая кислота».

Управление процессами

• ・ Существует процесс тепловой пастеризации для куриных гребешков и производственных бацилл.
• ・ Существует процесс фильтрации и процесс очистки, в котором используется этанол для удаления примесей, присущих сырью.

Безопасность при поступлении

• ・ Тест на острую оральную токсичность (LD50) — более 10 г / кг (мыши, крысы)
• ・ 28-дневный тест на пероральную токсичность с повторной дозой — 3400 мг / кг / день (крысы)
  → допустимая суточная доза для человека (ADI) -34 мг / кг / день
• ・ Тест на мутагенность (тест Эймса) — отрицательный
• ・ Тест на человека — отрицательный
• ・ Тест на сенсибилизацию кожи — отрицательный
• ・ Гемолиз — отрицательный

Возрастные изменения количества гиалуроновой кислоты

Возрастные изменения количества гиалуроновой кислоты

Гиалуроновая кислота: применение, взаимодействие, механизм действия

Резюме

Гиалуроновая кислота — это гликозаминогликан, используемый для облегчения боли в суставах, заживления ран, офтальмологического лечения, косметического лечения и различных других применений.

Общее название

Гиалуроновая кислота

Регистрационный номер в DrugBank

DB08818

Предпосылки

Гиалуроновая кислота (НА) представляет собой анионный несульфатированный гликозаминогликан, обнаруженный в соединительной, эпителиальной и эпителиальной тканях; он был впервые выделен в 1934 году. Карл Мейер и Джон Палмер получили гликозаминогликан (ГАГ) из бычьего глаза, дав ему название «гиалуроновая кислота». ГК участвует во многих важных физиологических процессах, включая, помимо прочего, заживление ран, регенерацию тканей и смазку суставов.Он демонстрирует уникальные вязкоупругие, увлажняющие, противовоспалительные свойства и другие важные свойства, которые оказываются полезными в различных клинических применениях. ²

HA используется в системах доставки лекарств для лечения рака, офтальмологических состояний, состояний суставов и эстетических недостатков. ³ Некоторые препараты гиалуроновой кислоты были одобрены FDA и доступны в пероральной, местной и инъекционной формах. Популярным применением гиалуроновой кислоты в последние годы являются косметические инъекции из-за ее способности сводить к минимуму появление морщин и недостатки кожи, связанные со старением. ¹⁷

Тип

Малая молекула

Группы

Одобрено, Ветеринарно одобрено

Структура

Вес

Среднее значение: 776,6486
Моноизотопное: 776,233485724 химическое соединение 2 O ₂₃

Синонимы

Показание

Внутрисуставные препараты гиалуроновой кислоты показаны при боли в коленях, связанной с остеоартритом. ²³ Гиалуроновая кислота используется в косметических целях для предотвращения и уменьшения появления морщин на лице, а также в качестве кожного наполнителя для коррекции недостатков лица или других недостатков на других частях тела. ^20,22 Часто является ингредиентом для местного применения для заживления ран и симптоматического лечения раздражения кожи, вызванного различными причинами. ¹⁸ Гиалуроновая кислота также может быть показана в офтальмологических препаратах или пероральных капсулах для лечения дискомфорта, вызванного сухостью глаз или конъюнктивита, а также из-за ее защитных свойств во время и перед операциями на глазах. ^2,21 Наконец, гиалуроновую кислоту можно использовать не по назначению для покрытия мочевого пузыря для облегчения симптомов интерстициального цистита. ⁶

Снижение количества неудач при разработке лекарств

Создание, обучение и проверка моделей машинного обучения с использованием структурированных наборов данных, основанных на фактических данных.

Создавайте, обучайте и проверяйте прогнозные модели машинного обучения с помощью структурированных наборов данных.

Сопутствующие состояния

Сопутствующие методы лечения

Противопоказания и предупреждения «черного ящика»

Избегайте опасных для жизни побочных эффектов лекарственных препаратов

Улучшите поддержку принятия клинических решений с помощью информации о противопоказаниях и предупреждениях о вредных воздействиях, ограничениях для населения & более.

Избегайте опасных для жизни побочных эффектов лекарств и улучшайте поддержку принятия клинических решений.

Фармакодинамика

HA обладает смазочными, амортизирующими, стабилизирующими суставами и водобалансирующими свойствами длительного действия. ² Он похож на встречающийся в природе гликозаминогликан (ГАГ) в суставах. Гиалуроновая кислота действует как смазка и амортизатор, облегчая подвижность суставов и тем самым уменьшая боль при остеоартрите. Гиалуроновая кислота обладает антиоксидантным, противовоспалительным и обезболивающим действием. ² Водобалансирующие свойства и вязкоупругость гиалуроновой кислоты полезны при косметических инъекциях, придавая объем и уменьшая появление дефектов и морщин. ¹⁷ Благодаря вышеперечисленным свойствам ГК оказывает защитное действие на глаза и роговицу. ³

Механизм действия

Общие принципы и связывание рецептора гиалуроновой кислоты

Гиалуроновая кислота работает по двум основным механизмам: выступая в качестве пассивной структурной молекулы или выступая в качестве сигнальной молекулы, в зависимости от размера молекулы.Физико-химические свойства высокомолекулярной ГК способствуют пассивным структурным эффектам, демонстрируя гигроскопичность и вязкоупругость и улучшая гидратацию, водный баланс и структурную целостность. Как сигнальная молекула, взаимодействующая с белками, HA вызывает несколько противоположных эффектов в зависимости от молекулярной массы: про- или противовоспалительные эффекты, стимулирование или ингибирование миграции клеток и активация или ингибирование деления клеток. ³

Гиалуроновая кислота оказывает терапевтическое действие посредством связывания с тремя основными типами рецепторов клеточной поверхности: CD44 (мембранный гликопротеин), рецептор опосредованной гиалуронатом подвижности (RHAMM) и молекула межклеточной адгезии 1 (ICAM-1).CD44 считается наиболее широко распространенным рецептором гиалуроновой кислоты, демонстрируя клеточные взаимодействия с остеопонтином, коллагеном и матриксными металлопротеиназами (ММП). Гиалуроновые кислоты с высокой и низкой молекулярной массой демонстрируют различные молекулярные и клеточные механизмы взаимодействия с рецепторами CD44. Некоторые примеры этих эффектов включают модификацию путей выживания хондроцитов в дополнение к изменению путей апоптоза. Рецептор гиалуроновой кислоты эндотелия лимфатических сосудов (LYVE-1) и рецептор гиалуроновой кислоты для эндоцитоза (HARE) (также известный как Stabilin-2) также связываются с гиалуроновой кислотой. ²

Гиалуроновая кислота для кожных заболеваний и косметики

Анионные свойства гиалуроновой кислоты заставляют ее притягивать воду и вызывать отек, увеличивая объем тканей и структурную целостность кожи. Процесс старения связан со снижением выработки гиалуроновой кислоты и коллагена в коже, что приводит к появлению морщин и потере объема лица. Кожные наполнители гиалуроновой кислоты заменяют потерянный объем тканей, придавая коже полный и молодой вид, которая потеряла свою эластичность.Наполнители с гиалуроновой кислотой содержат частицы сшитой гиалуроновой кислоты, что делает концентрированное вещество устойчивым к различным формам физического и химического разрушения. Косметические преимущества наполнителя на основе гиалуроновой кислоты могут длиться до 6 месяцев, в зависимости от марки и техники инъекции. ¹⁷ Кроме того, известно, что кожные наполнители гиалуроновой кислоты увеличивают производство фибробластов ¹⁷ , поддерживая заживление ран и предлагая облегчение при раздражающих и воспалительных состояниях кожи. ¹

Гиалуроновая кислота от боли в суставах

Большинство клеток человеческого тела способны синтезировать ГК. Он является основным компонентом внеклеточного матрикса (ЕСМ) и может быть обнаружен в костном мозге, хрящах и синовиальной жидкости суставов. ² При остеоартрите концентрация естественной гиалуроновой кислоты постепенно снижается, снижая вязкость синовиальной жидкости, которая защищает суставы от чрезмерного трения. Введение внутрисуставной гиалуроновой кислоты увеличивает вязкость синовиальной суставной жидкости, уменьшая трение и, следовательно, снимая болезненные симптомы артрита. ¹⁷

Гиалуроновая кислота для офтальмологических состояний и офтальмологических процедур

Растворы гиалуроновой кислоты с концентрацией более 0,1% увлажняют поверхность глаз для лечения симптомов сухого глаза, улучшая стабилизацию слезной пленки, восполняя дефицит ГК, уменьшая трение и предотвращая связывание посторонних веществ с тканью глаза . ^2,17 Гиалуроновая кислота часто используется во время и после офтальмологических операций и играет важную роль благодаря своим увлажняющим, вязкоупругим и защитным свойствам.Он способствует заживлению тканей эпителия роговицы и других частей глаза после офтальмологической операции, сводя к минимуму риск спаек и образования свободных радикалов. ²

Поглощение

В литературе имеется ограниченная информация о поглощении и фармакокинетике гиалуроновой кислоты человеком. ² При пероральном введении крысам гиалуроновая кислота расщепляется кишечными бактериями до олигосахаридов и всасывается в толстой кишке. ⁸ В фармакокинетических исследованиях на собаках породы гончая ГК легко абсорбировалась и быстро выводилась из организма. ² При местном применении ГК с низкой молекулярной массой в диапазоне от 20 до 300 кДа абсорбируется через роговой слой, а ГК с высокой молекулярной массой (1000-1400 кДа) не проникает через роговой слой. ⁷ Биодоступность гиалуроновой кислоты зависит от ее молекулярной массы. ⁹

Объем распределения

В литературе имеется ограниченная информация о фармакокинетике гиалуроновой кислоты для человека. ² После инъекции кожного наполнителя ГК быстро распределяется по поверхностным и глубоким слоям дермы. ¹¹ Гиалуроновая кислота попадает в кожу крыс после метаболизма в кишечнике до олигосахаридов. ⁸ У крыс и собак породы бигль, получавших перорально гиалуроновую кислоту, ГК накапливалась в щитовидной железе, почках, мочевом пузыре и желудке. Было обнаружено, что ГК концентрируется в позвонках, суставах и слюнных железах в течение 4 часов после однократного приема. Фармакокинетические исследования на животных предполагают, что ГК распределяется в лимфатической системе. ^2,10

Связывание с белками

В литературе имеется ограниченная информация о фармакокинетике гиалуроновой кислоты для человека. ² Исследования in vitro показали, что сывороточный альбумин и гиалуроновая кислота связываются с образованием растворимого комплекса. ¹⁴

Метаболизм

Гиалуроновая кислота расщепляется семейством ферментов, называемых гиалуронидазами. ⁴ У животных он метаболизируется в олигосахариды кишечными бактериями и впоследствии реабсорбируется в толстом кишечнике. ⁸

Путь выведения

В литературе имеется ограниченная информация о фармакокинетике гиалуроновой кислоты у человека. ² Исследования на крысах и собаках, которым вводили радиоактивно меченную пероральную дозу ГК, показали, что 87-96% экскреции с калом. Экскреция гиалуроновой кислоты в основном происходит внепочечным путем, с некоторым участием селезенки. ^10,2

Период полувыведения

При внутрисуставном введении гиалуроновая кислота имеет период полувыведения от 17 часов до 1.5 дней. Период полувыведения гиалуроновой кислоты больше для очищенных составов или препаратов с высокой молекулярной массой. ¹⁷ Согласно исследованиям на животных, он может варьироваться в зависимости от молекулярной массы введенной ГК. В фармакокинетических исследованиях было установлено, что метаболический период полувыведения гиалуроновой кислоты у овец составляет приблизительно 27 часов. Считается, что у овец ГК быстро выводится через кровь и печень. ²

Клиренс

В литературе имеется ограниченная информация о фармакокинетике гиалуроновой кислоты для человека. ² В фармакокинетическом исследовании на кроликах максимальный клиренс гиалуроновой кислоты, вводимой внутривенно, составлял около 30 мг / день / кг. ¹²

Улучшите поддержку принятия решений и результаты исследований с помощью наших структурированных данных о побочных эффектах.

Токсичность

Пероральная LD50 натриевой соли гиалуроновой кислоты для крысы составляет> 800 мг / кг. ²⁴ Информация о передозировке недоступна в литературе. Профиль безопасности гиалуроновой кислоты благоприятный, однако опубликованы единичные сообщения о смерти после вагинальной инъекции гиалуроновой кислоты; Смертельные случаи, вероятно, произошли из-за плохого регулирования процедуры. ¹⁶

Пути пути

Недоступно

Фармакогеномные эффекты / ADR

Недоступно

UNII

01OUW6MA4L

Номер CAS

9004-61-9

InCHJS7

NCHJS7

InChJSKI

Ключ

InChI = 1S / C28h54N2O23 / c1-5 (33) 29-9-18 (11 (35) 7 (3-31) 47-25 (9) 46) 49-28-17 (41) 15 (39) 20 (22 (53-28) 24 (44) 45) 51-26-10 (30-6 (2) 34) 19 (12 (36) 8 (4-32) 48-26) 50-27-16 (40 ) 13 (37) 14 (38) 21 (52-27) 23 (42) 43 / h7-22,25-28,31-32,35-41,46H, 3-4h3,1-2h4, (H, 29,33) (H, 30,34) (H, 42,43) (H, 44,45) / t7-, 8-, 9-, 10-, 11-, 12-, 13 +, 14 +, 15-, 16-, 17-, 18?, 19?, 20 +, 21 +, 22 +, 25-, 26 +, 27-, 28- / m1 / s1

Название IUPAC

(2S, 3S, 4R, 5R, 6R) -3 — {[(2S, 3R, 5S, 6R) -4 — {[(2R, 3R, 4S, 5S, 6S) -6-карбокси-3,4,5-тригидроксиоксан -2-ил] окси} -3-ацетамидо-5-гидрокси-6- (гидроксиметил) оксан-2-ил] окси} -6 — {[(2R, 3R, 5S, 6R) -3-ацетамидо-2, 5-дигидрокси-6- (гидроксиметил) оксан-4-ил] окси} -4,5-дигидроксиоксан-2-карбоновая кислота

SMILES 907 13

CC (= O) N [C @ H] 1 [C @ H] (O) O [C @ H] (CO) [C @@ H] (O) C1O [C @@ H] 1O [ C @@ H] ([C @@ H] (O [C @@ H] 2O [C @ H] (CO) [C @@ H] (O) C (O [C @@ H] 3O [C @@ H] ([C @@ H] (O) [C @ H] (O) [C @ H] 3O) C (O) = O) [C @ H] 2NC (C) = O) [C @H] (O) [C @ H] 10) C (O) = O

.