Молекулярная масса гиалуроновой кислоты. Что такое гиалуроновая кислота и почему все ею одержимы

Гиалуроновая кислота [ГК] найдена во внеклеточном матриксе позвоночных тканей, в поверхностном покрытии определенных видов Streptococcus и болезнетворных бактериальных микроорганизмов Pasteurella, а также на поверхности некоторых частично пораженных вирусом морских водорослей. Синтазы гиалуроновой кислоты [ГКС], это ферменты, которые полимеризуют ГК, используя UDP-сахарные предшественники, которые найдены во внешних мембранах этих организмов. Были идентифицированы гены ГКС из всех вышеупомянутых источников. Кажется, существуют два отличных класса ГКС, что основано на различиях в аминокислотной последовательности, предсказанной топологии в мембране и предполагаемом механизме реакции.

Все ГКС были определены как синтазы класса I, за исключением ГКС у вида Pasteurella. Был также объяснен каталитический способ работы единственной ГКС класса II (пмГКС). Этот фермент удлиняет внешние ГК-присоединяемые олигосахаридные акцепторы путем добавления индивидуальных моносахаридных единиц к неуменьшающемуся концу, чтобы сформировать длинные полимеры in vitro; ни одна ГКС класса I не имеет такой способности. Способ и направление полимеризации ГК, катализируемой ГКС класса I, остаются неясными. Фермент пмГКС также был проанализирован на предмет двух имеющихся у него активностей: GlcUA-трансферазной и GlcNAc-трансферазной. Таким образом, два активных участка существуют в одном пмГКС полипептиде, опровергая широко принятую догму гликобиологи: "один фермент - один модифицированный сахар". Предварительные свидетельства позволяют предполагать, что у ферментов класса I может также быть два участка активности.

Каталитический потенциал фермента пмГКС может использоваться, чтобы создать новые полисахариды или проектировать олигосахариды. Из-за множества потенциальных ГК-базирующихся медицинских методов лечения, эта хемоэнзиматическая технология обещает принести пользу на пути нашего стремления к хорошему здоровью.

Ключевые слова

Гиалуроновая кислота (ГК), хондроитин, гликозилтрансфераза, синтаза, катализ, механизм, химерные полисахариды, монодисперсные олигосахариды

Введение

Гиалуронан [ГК] - очень богатый глюкозаминогликан в организме позвоночных, имеющий и структурную, и сигнальную роли. Определенные патогенные бактерии, а именно, группы А и С вида Streptococcus и тип А Pasteurella multocida, производят внеклеточный покрывающий ГК, называемый капсулой. У обоих видов ГК капсула и является фактором ядовитости, который обеспечивает бактериям сопротивляемость фагоцитам и комплементарность. Другой организм, производящий ГК - это морская водоросля хлорелла, инфицированная определенным большим двухцепочечным ДНКовым вирусом PBCV-1. Роль ГК в жизненном цикле этого вируса пока не ясна на данный момент.

Иллюстрация 1. Реакция биосинтеза ГК.

Ферменты класса гликозилтрансфераз, которые полимеризируют ГК, называются ГК-синтазами (или ГКС), по старой терминологии, включающей также ГК-синтетазы. Все известные ГК-синтазы - это разновидности одного полипептида, ответственные за полимеризацию цепи ГК. UDP-сахарные предшественники, UDP-GlcNAc и UDP-GlcUA используются ГК-синтазами в присутствии двухвалентного катиона (Mn и/или Mg) при нейтральном pH (рис. 1). Все синтазы являются мембранносвязанными белками в живой клетке и обнаружены в мембранной фракции после лизиса клеток.

Между 1993 - 1998 были идентифицированы и клонированы на молекулярном уровне ГК-синтазы групп A и С Streptococcus [спГКС и сеГКС соответственно], ГК-синтазы позвоночных животных [ГКС 1,2,3], ГК-синтаза водорослевого вируса [свГКС], а также ГК-синтаза типа A вида Pasteurella multocida [пмГКС]. Первые три типа ГК-синтаз, кажется, очень похожи в размере, аминокислотной последовательности и предсказанной топологии в мембране. ГК-синтаза вида Pasteurella, напротив, больше и обладает существенно отличающейся от других синтаз последовательностью и предсказанной топологией. Поэтому, мы предположили существование двух классов ГК-синтаз (таблица 1). Ферменты класса I включают стрептококковые, позвоночные и вирусные белки, в то время как белок вида Pasteurella в настоящее время единственный член класса II. У нас также есть некоторые свидетельства того, что каталитические процессы ферментов класса I и класса II отличаются.

Таблица 1. Два класса ГК-синтаз:

Хотя ГК-синтаза вида Pasteurella был последним обнаруженным ферментом из всех, некоторые особенности пмГКС способствовали существенному продвижению в его изучении в сравнении с некоторыми членами ферментов класса I, которые исследовались четыре десятилетия. Ключевая особенностью пмГКС, которая позволила разъяснить молекулярное направление полимеризации и идентификацию ее двух активных участков - это способность пмГКС удлиннять внешне расположенный акцепторный олигосахарид. Рекомбинантная пмГКС добавляет одиночные моносахариды повторным способом к ГК-ассоциированному олигосахариду in vitro. Внутренняя особенность каждой передачи моносахарида ответственна для того, чтобы формировать альтернативное повторение дисахаридов в этом глюкозаминогликане; одновременное формирование дисахаридной единицы не требуется. С другой стороны, никакое подобное удлиннение внешних акцепторов не было доказано ни для какого фермента класса I. Через фундаментальное научное исследование мы теперь развили некоторые биотехнологические применения замечательного белка класса ГК-синтаз вида Pasteurella.

Материалы & методы

Реагенты

Все реактивы для молекулярнобиологических исследований без специальной пометки были от Promega. Стандартные олигонуклеотиды были от Great American Gene Company. Все другие реактивы высокой чистоты, если иначе не отмечено, были от Sigma или от Fisher.

Усечение пмГКС и точечные мутанты

Был произведен ряд усеченных полипептидов, путем амплификации pPm7А вставки методом полимеразной цепной реакцией с Taq-полимеразой (Fisher) и синтетическими олигонуклеотидными праймерами, соответствующими различным частям пмГКС, с открытой рамкой считывания. Ампликоны затем были клонированы в плазмиду для экспрессии pKK223-3 (tac промотор, Pharmacia). Получившимися рекомбинантными конструкциями были трансформированы клетки Escherichia coli штамма TOP 10F" (Invitrogen) и выращены на среде LB (Luria-Bertani) с ампициллиновой селекцией. Мутации были сделаны, используя метод QuickChange сайт-направленного мутагенеза (Stratagene) с плазмидой pKK/пмГКС как ДНК шаблон.

Приготовление фермента

Для приготовления мембраны, содержащей рекомбинантный пмГКС полной длины, пмГК1-972 был изолирован из E.coli, как описано. Для растворимых усеченных пмГКС белков, пмГКС1-703, пмГКС1-650 и пмГКС1-703 - содержащих мутантов, клетки были извлечены с помощью В-PerТМ II Bacterial Protein Extraction Reagent (Pieree) согласно инструкции производителя, за исключением того, что процедура была выполнена при 7°C в присутствии ингибиторов протеаз.

Ферментные пути полимеризации ГК. GlcNAc модификация или GlcUA модификация

Три варианта было разработано, чтобы обнаружить происходит ли (а) полимеризация длинных цепей ГК или (b) добавление одиночного GlcNAc к GlcUA-конечному акцепторному олигосахариду ГК , или (c) добавление одиночного GlcUA к GlcNAc-конечному акцепторному олигосахариду ГК . Полная активность ГКС была оценена для раствора, содержащего 50 mM Tris, pH 7.2, 20 mM MnCl2, 0.1 M (NH4)2SO4, 1 M этиленгликоля, 0.12 mM UDP-(14C)GlcUA (0.01 μCi; NEN), 0.3 mM UDP-GlcNAc и различный набор ГК олигосахаридов, полученный из тестикул путем обработки гиалуронидазой [(GlcNAc-GlcUA)n, n= 4-10] при 30°C в течение 25 минут в объеме реакционной смеси 50 мкл. GlcNAc-трансферазная активность была оценена в течение 4 минут в той же буферной системе с различным набором ГК олигосахаридов, но только с одним сахаром в роли предшественника - 0.3 mM UDP-(3H)GlcUA (0.2 μCi; NEN). GlcUA-трансферазная активность была оценена в течение 4 минут в той же самой буферной системе, но только с 0.12 mM UDP-(14C)GlcUA (0.02 μCi) и с нечетным набором ГК олигосахаридов (3.5 мкг уроновой кислоты), приготовленных при помощи воздействия ацетата ртути на ГК-лиазу Streptomyces. Реакции были прекращены путем добавления SDS до 2% (w/v). Продукты реакции были отделены от субстратов путем бумажной (Whatman 3M) хроматографии с этанолом/1 М сульфат аммония, pH 5 5, как основной растворитель (65:35 для ГКС и оценки GlcUA-Tase; 75:25 для оценки GlcNAc-Tase). Для оценки ГКС образец бумажной полосы был промыт водой, и объединение радиоактивных сахаров в полимер ГК было обнаружено по сцинтилляции жидкости, рассчитанной при помощи BioSafe II коктейля (RPI). Для реакций полуиспытания образец и расположенные вниз по течению 6 см полосы были посчитаны по частям в 2 см. Все оценочные эксперименты были просчитаны таким образом, чтобы быть линейными относительно времени инкубации и концентрации белка.

Гель-фильтрационная хроматография

Размер ГК полимеров был проанализирован хроматографически на колонках Phenomenex PolySep-GFC-P 3000, элюция производилась 0.2 M нитратом натрия. Колонка была стандартизована флуоресцентными декстранами различного размера. Радиоактивные компоненты были обнаружены с помощью датчика LB508 Radioflow (EG & G Berthold) и коктейля Zinsser. По сравнению с полной оценкой ГКС, используя бумажную хроматографию, описанную выше, эти 3-минутные реакции содержали дважды UDP-сахарные концентрации, 0.06 μCi UDP-(14C)GlcUA и 0.25 нанограмма ряда ГК олигосахаридов. Кроме того, использовалось добавление кипящего (2 минуты) этилендиамина тетрациловой кислоты (финальная концентрация 22 mM), чтобы закончить реакции вместо добавления SDS.

Результаты и обсуждение

Утилизация и специфичность акцептора ГКС

Некоторые олигосахариды были проверены, в качестве акцепторов для рекомбинантного пмГКС1-972(Таблица 2). ГК олигосахариды были получены из тестикул путем гиалуронидазного щепления, а удлиннены пмГКС с помощью доставляемых подходящих UDP-сахаров. Восстановление борогидратом натрия не нарушает активность акцептора. С другой стороны, олигосахариды, полученные из ГК при помощи отщепления лиазой, не поддерживают удлиннение; дегидратированные ненасыщенные невосстановленные концевые остатки GlcUA нуждаются в гидроксильных группах, которые смогли бы присоединить входящий сахар из UDP-предшественника. Поэтому пмГКС-катализируемое удлиннение происходит в случае невосстановленных концевых групп. В ряде параллельных экспериментов было обнаружены рекомбинантные формы синтаз класса I - спГКС и х1ГКС, которые не удлинняют ГК-получаемые акцепторы. Принимая во внимание направление активности ферментов класса I, противоречивые сообщения были сделаны и необходимы дальнейшие исследования.

Таблица 2. Специфика олигосахаридных акцепторо пмГКС:

Интересно, что хондроитин сульфат пентамер является хорошим акцептором для пмГКС. Другие структурно связанные олигосахариды такие, как хитотетроза или хепарозан пентамер, однако, не служат акцепторами для пмГКС. В целом, пмГКС, кажется, требует, β-связанных GlcUA-содержащих акцепторных олигосахаридов. Мы выдвигаем гипотезу, что участок связывания олигосахаридов промежуточен в цепи удерживания ГК во время полимеризации.

Молекулярный анализ активности пмГКС трансферазы: два активных участка в одном полипептиде

Возможность измерить два компонента гликозилтрансферазной активности ГК синтазы, GlcNAc-трансфераза и GlcUA-трансфераза, позволил молекулярный анализ пмГКС. Мы отметили, что короткий дублированный мотив последовательности: Asp-Gly-Ser (Аспарагиновая к-та-Глицин-Серин), присутствовал в пмГКС. Из анализа сравнения гидрофобных групп многих других гликозилтрансфераз, которые производят β-связанные полисахариды или олигосахариды предположили, что вообще, существует два типа доменов: области "A" и "Б". ПмГКС, синтаза класса II, тем и уникальна, что содержит два "А" домена (личная коммуникация, B.Henrissat). Было предложено, что определенные члены класса I ГК синтаз (спГКС) содержат одиночные "А" и одиночные "Б" области. Различное удаление или точечные мутанты пмГКС были оценены для их способности полимеризовать ГК цепи или их способность добавлять одиночный сахар к ГК акцепторному олигосахариду (Таблица 3). Суммируя сказанное, пмГКС содержит два отличных друг от друга активных участка. Мутагенез аспартата мотива DGS (остаток 196 или 477) по обоим сайтам приводи к потере ГК полимеризации, но активность другого сайта оставалась относительно незатронутой. Таким образом, двойная активность ГК синтазы была преобразована в два различных одиночных действия гликозилтрансферазы.

Таблица 3. Активность пмГКС с удаленным участком или точечной мутацией.

Удаление последних 269 остатков от конечной карбоксильной группы преобразовало слабо выраженный мембранный белок в хорошо выраженный растворимый. Рассмотрение аминокислотной последовательности белка пмГКС в этой области, однако, не показывает типичных особенностей вторичной структуры, которые обеспечили бы прямое взаимодействие фермента с двойным слоем липида. Мы выдвигаем гипотезу, что конечная карбоксильная группа каталитического фермента пмГКС стыкуется с направляющим мембраносвязанным полисахарида транспортного аппарата живущей бактериальной клетки.

Первая "A" область пмГКС, А1, является GlcNAc-тазой, в то время как вторая "A" область, A2, является GlcUA-тазой (рис. 2). Это - первая идентификация двух активных участков для фермента, который производит гетерополисахарид, так же как ясное доказательство, что один фермент может действительно передать два различных сахара. Отличный от типа F фермент вида P. multocida, названный пмЦС, был найден, и вяснено, что он катализирует формирование несульфатируемого полимера хондроитина. ГК и хондроитин идентичны в структуре, за исключением упомянутого выше полимера, который содержит N-ацетилглюкозамин вместо GlcNAc. И пмГКС, и пмЦС на 87 % идентичны на уровне аминокислот. Большинство изменений в остатках находятся в области А1, что вполне совместимо с гипотезой о том, что эта область ответственна за передачу гексозамина.

Иллюстрация 2. Схематическое изображение пмГКС областей.
Два независимых трансферазных домена, А1 и A2, ответственны за катализ полимеризации цепи ГК. Повторяющиеся последовательные добавления одиночных сахаров быстро строят цепь ГК. Похоже, что карбоксильный конец пмГКС некоторым способом взаимодействует с мембранносвязанным транспортным аппаратом бактериальной клетки.

Иллюстрация 3. Модель биосинтеза ГК при помощи пмГКС.
Одиночные сахара добавляются к каждому "A" домену повторным способом к невосстанавливающемуся концу цепи ГК. Внутренняя точность каждой стадии активности трансферазы поддерживает повторение структуры дисахаридов ГК. Возникающая цепь ГК вероятно сохраняется пмГКС во время катализа через олигосахарид-связывающий участок.

Мы продемонстрировали эффективную передачу одиночного сахара с помощью пмГКС in vitro несколькими типами экспериментов, поэтому, мы выдвинули гипотезу, что цепи ГК формируются быстрым, повторяющимся добавлением одиночного сахара синтазой класса II (рис. 3). К настоящему времени, одна линия свидетельства предполагает, что фермент класса I также обладает двумя участками трансферазы. Мутация лейцинового остатка 314 на валин в ммГКС1, в части предварительного участка GlcUA-тазы, как сообщали, преобразовала эту ГКС позвоночного животного в хито-олигосахаридную синтазу. Ни один участок с соответствующей активностью GlcNAc-трансферазы не был идентифицирован.

Прививание полимера полисахаридными синтазами: добавление ГК к молекулам или твердым частицам

Исследование пмГКС в научно-исследовательской лаборатории преобразовало представления о ГК синтазах от царства трудных, упорных животноподобных чудовищ до потенциальных биотехнологических рабочих лошадок. Новые молекулы могут быть сформированы, используя способность пмГКС привить длинные цепи ГК на коротких ГК полученных цепях или хондроитин-производных акцепторах. Например, полезные акцепторы могут состоять из маленьких молекул или лекарств с ковалентно связанной ГК или хондроитин-олигосахаридные цепи (длиной в 4 сахара, например). В другом случае, цепи ГК могут быть добавлены к олигосахаридному праймеру, иммобилизованному на твердой поверхности (таблица 4). Таким образом, длинные цепи ГК могут быть мягко добавлены к чувствительным веществам или тонким устройствам.

В другом приложении, новые химерные полисахариды могут быть сформированы потому, что использование пмГКС олигосахаридным акцептором не столь же строго, как сахаридная трансферазная специфика. Хондроитин и хондроитин-сульфат признаны как акцепторы пмГКС и удлинняются ГК цепью различных длин (рис. 4). Наоборот, пмЦС очень гомлогичная хондроитин синтазе, распознает и удлинняет ГК акцепторы цепями хондроитина. Химерные молекулы глюкозаминогликана сформированы, содержа естественные, определенного соединения связи. Эти привитые полисахариды могут служить, чтобы присоединиться к клетке или ткани, которая связывает ГК с другой клеткой или ткань, связывающей хондроитин или хондроитин-сульфат. В определенных аспектах, привитые глюкозаминогликаны напоминают протеогликаны, которые являются существенными компонентами матрикса в тканях позвоночных. Но так как никакие компоновщики белка не присутствуют в химерных полимерах, то антигенность и проблемы протеолизиса, возникающие вокруг медицинского использования протеогликанов, устранены. Риск передачи инфекционных агентов тканями, извлеченными из животных, человеческому пациенту также уменьшен при использовании химерных полимеров.

Таблица 4. ПмГКС-инициированное прививание ГК на бусинки полиакриламида. Реакционная смесь содержит пмГКС, несущий радиоактивную метку UDP-(14C)GlcUA и UDP-(3H)GlcNAc, а также различные иммобилизованные праймеры сахаров (акцепторы, соединенные восстановительным аминированием в аминобусины) были представлены. Бусинки были промыты и радиоактивно инкорпорированы на другие бусины, измеренные методом расчета жидкостной сцинтилляции. ГК цепи были привиты на пластиковые бусины при использовании подходящего праймера и пмГКС.

Иллюстрация 4. Схематическое изображение привитых полисахаридных структур. ГК синтаза вида Pasteurella или хондроитин синтаза будут удлиннять определенные другие полимеры на невосстанавливающемся конце in vitro, чтобы сформировать новые химерные глюкозаминогликаны. Изображены некоторые примеры.

Синтез монодисперсной ГК и ГК-связанных олигосахаридов

В дополнение к добавлению большой полимерной ГК цепи к молекулам акцептора, пмГКС синтезируют определенные меньшие ГК олигосахариды в диапазоне от 5 до 24 сахаров. Используя фермент дикого типа и различные условия реакции, был относительно легко получен ГК олигосахарид, содержащий 4 или 5 моноахаридов, удлиненных несколькими сахарами до более длинных версий, которые очень часто трудно получить в больших количествах. Мы выяснили, что, комбинируя растворимый мутант GlcUA-Tase и растворимый мутант GlcNAc-Tase в той же самой смеси реакции позволяет формирование ГК полимера, если система снабжена акцептором. В течение 3-х минут была сделана цепь из примерно 150 сахаров (-30 кДа). Любая одиночная мутант-синтаза не сформирует в результате цепь ГК. Поэтому, если дальнейший контроль реакции сделан путем выборочного комбинирования различных ферментов, UDP-сахаров и акцепторов, то могут быть получены определенные монодисперсные олигосахариды (рис. 5).

Иллюстрация 5. Приготовление определенных олигосахаридов.
В этом примере, акцептор ГК тетрасахарид удлинняется одиночной хондроитин дисахаридной единицей, используя два шага с иммобилизованным мутантом синтазы вида Pasteurella (показано белыми стрелками). Изображенный продукт является новым гексасахаридом. Повторение цикла еще раз производит олигосахарид, два цикла формируют декасахарид, и т.д. Если акцептор был ранее соединен с другой молекулой (например препарат или лекарство), тогда новый конъюгат был бы удлиннен коротким ГК, хондроитином или гибридной цепью как и желательно.

Например, в одном воплощении, смесь UDP-GlcNAc, UDP-GlcUA и акцептора постоянно циркулирует через отдельные биореакторы с иммобилизованными мутант-синтазами, которые передают только одиночный сахар. С каждым циклом инкубации биореактора другая сахарная группа добавляется к акцептору, чтобы сформировать маленькие определенные ГК олигосахариды. Использование похожего пмЦС мутанта (например GalNAc-Tase) в одном из шагов позволило происходить формированию смешанных олигосахаридов при использовании UDP-GlcNAc. Биологическая активность и терапевтический потенциал маленьких ГК олигосахаридов - сложная область для исследования, которая потребует определенных, монодисперсных сахаров для однозначной интерпретации.

Заключение

Очевидно, существуют два различных класса ГК синтаз. Наиболее хорошо охарактеризован фермент класса II вида Рasteurella, удлинняющий цепь ГК повторяющимся присоединением одиночного сахара на невосстанавливающийся конец цепи ГК. Направление и способ работы синтаз класса I (стрептококковые, вирусные и ферменты позвоночных) остаются неясными. Относительно прикладных наук, способность пмГКС удлиннять экзогенно расположенные акцепторные молекулы полезна для создания новых молекул и/или устройств с потенциальным медицинским применением.

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»

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.

Гиалуроновая кислота (hyaloid = стекловидный + uronic = кислота) – вещество, относящееся к группе полисахаридов, синтезируемое клетками большинства живых организмов, являющееся важным компонентом кожи, мышц, нервов и других тканей человека.

В описаниях составов косметических средств её иногда назывют «гиалурон», биохимики чаще употребляют словосочетание «гиалуронат натрия», поскольку в организме человека она присутствует в основном в форме натриевой соли.

Биологическая роль

Гиалуроновая кислота необходима для формирования межклеточного вещества, которое является средой для функционирования клеток: их деления, поступления к ним питательных веществ, выведения продуктов жизнедеятельности.

Половина всей гиалуроновой кислоты, находящейся в организме, содержится в коже. Здесь она является естественным заполнителем промежутков между волокнистыми элементами кожи – коллагеном и эластином , участвует в их синтезе.

Также гиалуроновая кислота задействована в процессах заживления ран, влияет на иммунные реакции, блокирует действие на клетки свободных радикалов, оберегая ткани от преждевременного старения.

Одним из важнейших свойств гиалуроновой кислоты является её высочайшая гидрофильность - способность связывать влагу. Одна её молекула способна удерживать до 500 молекул воды. Даже 1% водный раствор гиалуроновой кислоты уже не жидкость, а вязкий гель.

К чему приводит дефицит гиалуроновой кислоты?

С возрастом, под влиянием факторов окружающей среды и естественных процессов старения, содержание гиалуроновой кислоты в организме человека уменьшается, к 50-летнему возрасту её количество снижается вдвое. Снижение концентрации г.к. в коже приводит к её обезвоживанию, уменьшению синтеза в ней коллагена и эластина, что проявляется в виде сухости , дряблости , появлении морщин .

Применение в косметологии

В современной косметологии гиалуроновая кислота используется в качестве основного компонента препаратов для увлажнения кожи. Более эффективного вещества для этой цели ещё не найдено.

Поскольку гиалуроновая кислота не является чужеродным веществом для организма, препараты на её основе являются гипоаллергенными.

Гиалуроновая кислота, применяемая в косметологии, может быть как естественного, так и искусственного происхождения. Поскольку её метаболизм очень активен (молекула г.к. «живет» в организме 2-3 дня, затем она разрушается и клетками синтезируется новая) для введения в глубокие слои кожи чаще используется искусственно синтезированные вещества, отличающиеся тем, что в них молекулы г.к. «сшиты» между собой и для их расщепления организму требуется большее время.

В составе средств для наружного применения (кремов, эмульсий, лосьонов и др.) гиалуроновая кислота выступает в роли увлажнителя. Тончайшая пленка на поверхности кожи, образуемая ей, предотвращает чрезмерное испарение воды, задерживает необходимую влагу. При этом она не закупоривает поры кожи, не нарушает чрезкожный газообмен, способствует более глубокому проникновению других активных веществ, входящих в состав средства. Но, нанесенная на поверхность кожи, гиалуроновая кислота не проникает в её глубокие слои, обеспечивает лишь поверхностное, кратковременное увлажнение.

Для глубокого и долговременного увлажнения, для стимуляции фибробластов используется введение гиалуроновой кислоты в глубокие слои кожи - метод биоревитализации .

Препараты с высокой концентрацией гиалуроновой кислоты, имеющие гелеобразную форму, используются в контурной пластике – для коррекции носогубных складок, морщин, увеличения объема губ.

В препаратах для мезотерапии используется свойство гиалуроновой кислоты улучшать проникновение внутрь клеток других веществ, вводимых вместе с ней.

Гиалуроновая кислота используется не только в косметологии, она входит в состав лекарств, широко применяемых во многих областях медицины – офтальмологии, кардиологии, трансплантологии, хирургии и др.

В конце 80-х годов ХХ века врачи заметили, что процесс заживления ран во внутриутробном периоде происходит несколько иначе, чем после рождения. Для лечения врожденных аномалий развития хирургические операции проводили плодам, находящимся внутри тела беременных (на 2-6 месяце беременности). После родов на телах этих детей никаких следов проведенных операций не обнаруживалось. Ученые объясняют это очень большой концентрацией гиалуроновой кислоты в теле плода и амниотической жидкости, его окружающей.

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

Медицинское применение

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

Функции

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

Структура

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

Биологический синтез

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

Клеточные рецепторы гиалуроновой кислоты

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

Расщепление

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

Действие

Заживление ран

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

Воспаление

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

Гранулирование и организация матрицы грануляционной ткани

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

ГК и миграция клеток

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

Роль ГК при регулировании воспалительного ответа

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

Реэпителизация

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

Эмбриональное заживление ран и рубцов

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

Роль в метастазировании

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

Инъекции гиалуроновой кислоты

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

Добавки в коневодстве

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

Этимология

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

История

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

Исследования

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

Гиалуроновая кислота купить

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