В косметологии наибольший успех имеют инъекционные процедуры - контурная пластика, биоревитализация, биорепарация. Активным компонентом препаратов, применяющихся для их выполнения, является гиалуроновая кислота (ГК). Несмотря на неоднозначные высказывания в СМИ, гиалуроновая кислота в косметологии не теряет своей популярности уже на протяжении около двух десятков лет.

Роль ГК в организме человека

Все системы и органы состоят из клеток: кровь - из форменных элементов, печень - из гепатоцитов, нервная система - из нейронов. Пространство между всеми клетками занимает соединительная ткань, составляющая около 85% всего организма. Являясь единой структурой, она взаимодействует со всеми другими тканями (эпителиальной, нервной, мышечной и т. д.) и осуществляет их взаимосвязь между собой.

Соединительная ткань, в зависимости от ее состава, может быть в различных физических состояниях - в жидком (кровь, лимфа, синовиальная внутрисуставная и спинномозговая жидкость), твердом (кость), в виде геля (межклеточная жидкость и хрящ, стекловидное тело глаза). Наиболее полно она присутствует в кожных структурах - дерме, гиподермальном и базальном слоях.

Соединительную ткань от других тканей организма отличает высокая развитость ее основы при относительно небольшом количестве структур клеток. Основа состоит из эластиновых и коллагеновых волокон, а также сложных молекулярных белковых и аминокислотных соединений с аминосахарами. Важнейшим из них и является гиалуроновая кислота.

Одна молекула ГК способна связывать около 500 молекул воды. В организме человека среднего возраста она синтезируется фибробластами в количестве 15-17 гр. Половина ее содержится в клетках рогового слоя кожи, а также между волокнами эластина и коллагена. Она стимулирует выработку этих белков, создает условия для их фиксированного расположения, придавая тем самым упругость и эластичность кожному покрову.

Видео

Процессы старения тканей

Под воздействием фермента гиалуронидазы гиалуроновая кислота разрушается. Процессы ее восстановления и расщепления происходят непрерывно. Около 70% разрушается и восстанавливается в течение суток. Преобладание того или иного процесса зависит от:

• суточных и сезонных биоритмов;
• возраста;
• психологического состояния;
• нерационального питания;
• никотиновой интоксикации и избыточного УФ облучения;
• приема определенных медикаментозных препаратов и пр.

Эти факторы влияют не только на синтез ГК (гиалуроната), но и на его структуру. Снижение его количества приводит к уменьшению связанной воды в тканях и появлению признаков их старения. Дефектные же молекулы сохраняют способность связывать воду, но теряют способность отдавать ее. Кроме того, естественные возрастные процессы приводят к концентрации ГК в глубоких кожных слоях, что является причиной межклеточного отека ткани на границе дермы и гиподермы и обезвоженности более поверхностных слоев.

Все эти процессы с увеличением возраста и под влиянием негативных факторов нарастают и приводят к сухости кожи при одновременной одутловатости лица и отеков под глазами, снижению ее эластичности и упругости, появлению морщин и пигментации.

Виды ГК в организме

Уникальность ее состоит в наличии молекул с различной длиной цепочки полисахаридов. От длины цепочки во многом зависят свойства гиалуроновой кислоты и ее влияние на клетки:

1. Молекулы с короткой цепью, или низкомолекулярная гиалуроновая кислота - оказывает противовоспалительное действие. Этот вид кислоты применяется в целях лечения ожоговой болезни, трофических язв, угрей, псориаза и герпетических высыпаний. Она используется в косметологии в виде одного из компонентов тоников и кремов наружного применения, так как, не теряя своих свойств, длительно и глубоко проникает в кожу.
2. Среднемолекулярная ГК, обладающая свойством подавления миграции, размножения клеток и др. Она используется при лечении глаз и некоторых видов артритов.
3. Высокомолекулярная - стимулирует клеточные процессы в коже и обладает свойством удерживать большое число молекул воды. Она придает коже упругость и высокую устойчивость к внешним негативным факторам. Этот вид используется в офтальмологии, хирургии, а в косметологии - в препаратах для инъекционных методик.

Промышленные виды

В зависимости от технологии производства гиалуронат натрия подразделяется на два вида:

1. Длительное время применялись препараты с гиалуроновой кислотой животного происхождения. Ее получали путем ферментативного расщепления измельченных частей животных (глаза и хрящи крупного рогатого скота, петушиные гребни, синовиальная внутрисуставная жидкость, пуповины) в результате специальной двухэтапной очистки и осаждения. Технология предусматривала использование дистиллированной воды и высокой температуры (85-100 градусов). Значительная часть высокомолекулярной фракции разрушалась, превращаясь в низкомолекулярную. Кроме того, оставались белки животного происхождения.

   Эффект после инъекций таких препаратов в целях косметической коррекции лица сохранялся недолго, иногда способствовал образованию дермальных узлов. Но препарат особенно был опасен тем, что часто становился причиной выраженных воспалительных и аллергических реакций из-за наличия животного белка. Поэтому такая технология уже почти не применяется.

2. С недавнего времени в фармацевтической промышленности ГК получают способом биотехнологического синтеза. В этих целях используются микроорганизмы (стрептококки), выращенные на пшеничном бульоне. Они вырабатывают гиалуроновую кислоту, которая на последующих этапах очищается, высушивается и подвергается многократному бактериологическому и химическому исследованиям. Такой препарат почти полностью соответствует кислоте, вырабатываемой в организме человека. Он почти не вызывает аллергических и воспалительных реакций.

Применение в косметологии

Гиалуроновая кислота применяется для введения в кожу и подкожные слои с помощью различных способов:

1. Инъекционных.
2. Безинъекционных.

Инъекционные процедуры с гиалуроновой кислотой применяются в таких методиках, как:

• , и - введение препарата в средние слои кожи; применяется при возрастных изменениях, сухости кожного покрова и для повышения его эластичности, тонуса и цвета, устранения угревой сыпи, растяжек и т. д.; длительность сохранения гиалуроновой кислоты в дерме - до 14 суток;
• - заполнение веществом подкожных структур с целью разглаживания морщин и коррекции контуров лица; препарат сохраняется под кожей в течение 1-2 недель;
• и - введение модифицированной гиалуроновой кислоты, которая сохраняется в коже до 3 недель.

Вопросы

Что лучше: ботокс или ГК?

Учитывая разнонаправленность механизмов действия ботокса и гиалуроновой кислоты, они применяются для достижения различных эффектов. Возможно их сочетание. Однако необходимо помнить о том, что после введения должно пройти не менее двух недель.

Можно ли совмещать введение коллагеновых филлеров и ГК?

Хорошо сочетаются филеры на основе коллагена и ГК. Первый обеспечивает коже плотность и структуру и действует в среднем 4 месяца, второй - естественное увлажнение и прочность в течение 6-9 месяцев.

Любое применение инъекций гиалуроновой кислоты должно осуществляться только врачом-косметологом.

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

ВВЕДЕНИЕ

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

КАК ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ОТКРЫТИЕ ГИАЛУРОНАТА И ГИАЛУРОНИДАЗЫ

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

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

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

ВЫДЕЛЕНИЕ ГИАЛУРОНАТА

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

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

СТРУКТУРА И КОНФОРМАЦИЯ ГИАЛУРОНАТА

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

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

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

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

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

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

АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДИКИ

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

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

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

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

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ГИАЛУРОНАТА

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

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

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

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

ЭЛАСТИЧНОСТЬ И РЕОЛОГИЯ

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

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

ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ГИАЛУРОНОВЫХ ПОЛИМЕРОВ

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

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

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

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

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

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

ГИАЛУРОН-СВЯЗЫВАЮЩИЕ БЕЛКИ (ГИАЛАДГЕРИНЫ)

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

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

РОЛЬ ГИАЛУРОНАТА В КЛЕТКЕ

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

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

БИОСИНТЕЗ ГИАЛУРОНАТА

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

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

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

МЕТАБОЛИЗМ И ДЕГРАДАЦИЯ ГИАЛУРОНАТА

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

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

ГИАЛУРОНАТ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ

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

КЛИНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

1

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

гиалуроновая кислота

технологии микробного синтеза

биотехнология

бактерии

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

A DESCRIPTION OF DIFFERENT METHODS USED TO OBTAIN HYALURONIC ACID

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

1 Penza State University

Abstract:

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

Keywords:

technologies of microbial synthesis

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

1. История открытия гиалуроновой кислоты

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

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

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

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

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

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

2. Химическое строение и физические свойства гиалуроновой кислоты

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

Рис. 1. Химическая формула гиалуроновой кислоты

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

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

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

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

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

3.1 Гиалуроновая кислота в тканях млекопитающих

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

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

Рис. 2. Воздействие гиалуроновой кислоты на коллагеновые волокна.

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

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

3.2 Гиалуроновая кислота как компонент капсул бактерий

4. Метаболизм гиалуроновой кислоты

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

Рис. 3. Схема синтеза глюкозоаминогликанов

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

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

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

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

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

4.2. Ферменты, осуществляющие деполимеризацию гиалуроновой кислоты

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

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

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

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

5. Получение гиалуроновой кислоты

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

5.1. Физико-химический способ: экстракция из животного сырья

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

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

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

5.2. Микробный синтез, продуценты гиалуроновой кислоты

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

Отсутствие патогенности и, особенно, гемолитической активности;

Способность к синтезу высокомолекулярной гиалуроновой кислоты;

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

Отсутствие гиалуронидазной активности, чтобы исключить потери целевого продукта;

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

Сохранение стабильности физиолого-биохимических свойств.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

6. Применение гиалуроновой кислоты

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

6.1. Гиалуроновая кислота в медицине

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

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

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

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

6.2. Гиалуроновая кислота в косметологии

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

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

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

Заключение

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

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

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

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

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

Библиографическая ссылка

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

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

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

Гиалуронан состоит из повторяющихся единиц дисахаридов, связанных в длинные цепи

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Гиалуроновая кислота (гиалуронат) – это один из важнейших компонентов внеклеточных структур тканей, вещество, входящее в состав большинства биологических жидкостей и выполняющее целый ряд жизненно необходимых функций в человеческом организме. В теле молодого человека, весящего 70 кг, присутствует около 15 г данного соединения. При этом более трети его запасов ежедневно подвергается преобразованию (синтезируется или расщепляется).

Доказано, что с течением времени концентрация гиалуроновой кислоты в организме снижается. Так, например, в органах и тканях человека, достигшего 50-летнего возраста, присутствует на 30–40 % меньше этого соединения, чем в теле 17-летнего подростка. По этой причине современные диетологи рекомендуют каждому человеку, достигшему возраста 33–35 лет, увеличивать поступление этого вещества извне, то есть с пищевыми продуктами.

Впервые гиалуронат был выделен учеными К. Мейером и Д. Палмером из стекловидного тела коровьего глаза в 1934 году. Химическая структура этого соединения была определена значительно позже – во второй половине минувшего века. Что же касается медико-биологических свойств гиалуроновой кислоты, то их изучение продолжается до сих пор.

Биологические функции гиалуроната

Гиалуроновая кислота – это жизненно необходимое человеку вещество, выполняющее широкий спектр биохимических функций. На сегодняшний день доказано, что указанное соединение:

• является важнейшим составным компонентом эпителиальных, соединительных и нервных тканей, биологических жидкостей;
• повышает интенсивность натриевого, калиевого, магниевого обмена в клетках;
• поддерживает оптимальный жидкостный баланс во всех тканях человеческого тела;
• предотвращает преждевременное старение;
• ускоряет процессы регенерации за счет активизации секретирующей способности фибробластов (клеток, из которых состоят соединительные ткани);
• ускоряет процессы сращивания костных тканей при переломах и других повреждениях;
• придает вязкую консистенцию синовиальной жидкости;
• создает оптимальные условия для пролиферации (деления) и миграции клеток;
• улучшает микроциркуляцию крови;
• повышает скорость транспортировки полезных веществ по организму;
• защищает органы и ткани от травмирования при сдавливании;
• обеспечивает защиту кожных покровов от негативного действия прямых солнечных лучей;
• стимулирует процессы, отвечающие за синтез эластина и коллагена;
• оказывает выраженное противовоспалительное действие;
• входит в число компонентов, из которых состоят суставные хрящи, обеспечивает их нормальное функционирование;
• устраняет последствия внутренней интоксикации;
• защищает организм от микробов (активизирует бактерицидные факторы на раневой поверхности и на кожных покровах);
• изменяет активность лимфоцитов, укрепляя тем самым иммунитет человека;
• является антиоксидантом;
• способствует удалению из организма погибших клеточных структур и продуктов жизнедеятельности клеток;
• предотвращает развитие целого ряда офтальмологических заболеваний, является структурным элементом стекловидного тела человеческого глаза и входит в состав других элементов зрительного аппарата, способствует прохождению световых лучей к глазной сетчатке, не допуская при этом их искажения;
• препятствует появлению нарушений в работе суставов;
• является модулятором контуров лица и тела;
• обладает способностью удерживать влагу в кожных покровах, придает коже упругость, повышает ее устойчивость к влиянию неблагоприятных факторов и препятствует появлению возрастных и мимических морщин;
• оказывает благотворное влияние на работу репродуктивной системы;
• участвует в процессах внутриутробного развития и роста плода во время беременности.

Стоит отметить, что указанное соединение играет значимую роль и в процессе оплодотворения яйцеклетки. В норме ооцит, вышедший в периоде овуляции из яичника, покрыт двумя защитными оболочками (zona pellucida и corona radiata), содержащими большое количество гиалуроната. Оплодотворение его возможно только в том случае, если целостность этих оболочек не нарушена. При разрушении защитных слоев яйцеклетка теряет способность к оплодотворению сперматозоидами и погибает. Другими словами, недостаточное поступление гиалуроната в организм может стать причиной женского бесплодия.

В каких продуктах содержится гиалуроновая кислота?

В молодости организм человека способен синтезировать гиалуроновую кислоту и самостоятельно удовлетворять свою потребность в этом веществе. Однако с возрастом выработка данного соединения снижается, а его дефицит начинает оказывать отрицательное влияние на состояние кожи, суставов, на работу внутренних органов и систем. Одним из способов устранения неприятной симптоматики, сопровождающей нехватку гиалуроната, является включение в меню продуктов, богатых этим веществом или соединениями, стимулирующими его выработку.

Основным пищевым источником гиалуроновой кислоты считаются мясные продукты. При этом наибольшее количество этого вещества присутствует в тех сортах мяса (и блюдах, приготовленных на их основе), которые содержат достаточное количество суставов, сухожилий, хрящей и кожи. Так, например, восполнить утраченные запасы гиалуроната можно, регулярно включая в меню:

• наваристые мясные бульоны;
• отварное или тушеное мясо на кости;
• холодец, приготовленный на основе индейки, свинины, курицы или говядины;
• любые блюда, содержащие желатин (желе, мармелад, зефир и пр.).

Стоит отметить, что богатым источником гиалуроновой кислоты является и растительная пища. В частности, повышенные концентрации этого вещества были обнаружены в бобах сои, соевом молоке и овощах, содержащих большое количество крахмала. В конце XX века вещества, стимулирующие выработку гиалуроната, были обнаружены в кожице красного винограда. В результате в число растительных продуктов, позволяющих восполнить запасы этого уникального соединения в теле человека, были включены красные вина и натуральный виноградный сок.

Значительное количество гиалуроновой кислоты содержится и в некоторых лекарственных травах. В частности, богатым источником этого вещества признаны листья и плоды репейника, которые используют для приготовления полезных и вкусных травяных чаев.

Какие факторы влияют на синтез и усвоение гиалуроната в организме?

Существует несколько факторов, способных оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на процессы выработки и усвоения гиалуроновой кислоты. Так, например, синтез этого соединения и его усвояемость значительно повышаются при одновременном употреблении продуктов, обогащенных аскорбиновой кислотой и рутином. По этой причине диетологи рекомендуют лицам, страдающим от недостатка гиалуроновой кислоты, как можно чаще включать в свой рацион следующие продукты и блюда:

• зеленый чай;
• цитрусовые фрукты (лучше всего – грейпфруты, апельсины и лимоны);
• рябину;
• некоторые ягоды (ежевику, черную смородину, малину);
• грецкие орехи;
• абрикосы;
• черешню;
• зелень (петрушку, кинзу, укроп);
• все разновидности капусты;
• листовой салат;
• шиповник и приготовленные на его основе настои;
• томаты.

Одновременно с этим существуют факторы, которые могут существенно замедлять процессы выработки и всасывания гиалуроновой кислоты. Именно они и являются основными причинами развития дефицита этого вещества в организме.

Недостаток гиалуроновой кислоты и его последствия

Основными причинами формирования дефицита гиалуроновой кислоты в организме становятся:

• курение;
• злоупотребление спиртными напитками, имеющими повышенную крепость, употребление красного вина в дозах, превышающих допустимые (более 140 мл в течение дня);
• недостаточное поступление витамина C, рутина и других полезных веществ;
• чрезмерно долгое пребывание в солярии, под воздействием прямых солнечных лучей, отказ от использования солнцезащитных кремов;
• возрастное уменьшение концентрации данного вещества в тканях человеческого тела.

Недостаток этого соединения может повлечь за собой широкий ряд неблагоприятных последствий. В частности, признаками формирования дефицита гиалуроната могут явиться:

• ухудшение общего самочувствия, усталость, безразличие к происходящим событиям;
• ослабление иммунных сил организма, частое возникновение простудных заболеваний;
• обезвоживание, дряблость, чрезмерная сухость кожи;
• изменение контуров лица и тела в худшую сторону;
• развитие дерматологических заболеваний;
• ухудшение зрения и появление других нарушений в работе зрительного аппарата;
• раннее появление морщин и иных признаков старения организма;
• развитие болезней суставов и возникновение других патологий в работе опорно-двигательного аппарата;
• длительное заживление ран, медленное срастание костных тканей при переломах;
• появление признаков интоксикации организма;
• неспособность зачать ребенка в течение длительного времени;
• появление нарушений во внутриутробном развитии плода, замедление его роста.

При обнаружении подобных симптомов необходимо пересмотреть свой рацион и обогатить его продуктами, богатыми гиалуроновой кислотой и веществами, активизирующими ее синтез. Помимо этого, необходимо отказаться от вредных привычек и максимально оградиться от действия факторов, отрицательно сказывающихся на выработке этого незаменимого соединения.