Биологические науки/6. Микробиология

Лупына Т. П., к.б.н. Волошина Е. С.

Национальный университет пищевых технологий, Украина

Микробилогический способ получения гиалуроновой кислоты и перспективы её использования в фармацевтике

Прогресс в понимании биологических функций гиалуроновой кислоты (ГК) привел, и безусловно, еще приведет к расширению сфер применения данного гликозаминогликана в составе различных медицинских, косметических, ветеринарных препаратов и дальнейшему увеличению спроса на биополимер. При этом уже сейчас наблюдается определенный дефицит ГК с различной молекулярной массой, что сказывается на цене этого полисахарида, особенно по сравнению с аналогичными соединениями растительного, животного или микробного происхождения [1].

Гиалуроновая кислота (hialuronic acid - HA, гиалуронан) - натуральный полисахарид, встречается у всех позвоночных организмов и содержится в тканях хрящей, в синовиальной жидкости, коже и стекловидном теле глаза. Клеточный синтез ГК - это уникальный и висококонтролированный процесс. Она синтезируется особым видом мембраносвязанных протеинов - гиалуронансинтазами, которые у позвоночных бывают трех типов: HAS1, HAS2 и HAS3. ГК - несульфатированный гликозаминогликан, относится к гетеро-полисахаридам. Представляет собой линейную структуру, построенную из повторяющихся дисахаридных единиц, соединенных β-(1,4)-гликозидной связью. Дисахаридные фрагменты состоят из остатков β-D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-β-D-глюкозамина, соединенных между собой β-(1,3)-гликозидной связью. ГК имеет высокую молекулярную массу, около 10³ - 10⁶ kDa и структуру длиной 2-25 мкм [3]. ГК находится главным образом во внеклеточном и периклеточном матриксе клеток, но ее можно встретить и внутриклеточном пространстве.

Функции ГК в организме заключаются в том, что она поддерживает эластичность и вязкость жидкостей соединительных тканей, таких как синовиальная жидкость и жидкость стекловидного тела глаза. В межсуставной жидкости ГК уменьшает трение между суставными поверхностями, играет роль смазывающего вещества, контролирует гидратацию тканей и транспорт воды, выполняет посреднические функции вместе с рецепторами при митозе, миграции, а также при воспалении. ГК не обладает антигенной специфичностью и не приводит к развитию аллергических и иммунных реакций [5].

Экзогенная ГК увеличивает синтез хондроцитов и протеогликанов, снижает образование и активность воспалительных медиаторов и матриксных металлопротеаз и видоизменяет поведение иммунных клеток. Эти свойства проявляются в ингибировании адгезии элементов иммунного комплекса к полиморфонуклеарным клеткам, ингибирование миграции и агрегации лейкоцитов и макрофагов при заживлении ран [4].

Большинство физиологических свойств экзогенной ГК обусловлены ее молекулярной массой. ГК с высокой молекулярной массой выступает в качестве ингибитора ангиогенеза, в то время как олигосахариды ГК с низкой молекулярной массой обладают выраженным ангиогенным эффектом и стимулируют образование коллагена в эндотелиальных клетках [2].

Традиционный способ получения ГК основан на экстракции биополимера из различных органов млекопитающих и птиц, например, из стекловидного тела глаза крупного рогатого скота, гребней кур или пуповины новорожденных. При анализе животных источников ГК видно, что сырьевая база промышленного получения данного полисахарида ограничена и не может полностью удовлетворить постоянно растущий спрос.

Биотехнологический способ получения ГК основан на культивировании микроорганизмов-продуцентов ГК. Основными продуцентами на сегодня являются микроорганизмы рода Streptococcus (S. zooepidemicus), а также генно-инженерные штаммы Bacillus subtilis, Escherichia coli и другие. Сырьем для получения полисахарида данным способом являются сравнительно доступные соединения и компоненты, входящие в состав питательной среды культивирования: глюкоза, дрожжевой экстракт (ДЭ), минеральные соли. Производство ГК на основе микробиологического синтеза не зависит от поставок животного сырья. Процесс выделения ГК значительно проще, поскольку не нужно очищать ее от белков и родственных гликозаминогликанов, которые содержатся в сырье животного происхождения. Гиалуроновая кислота, полученная путем микробного синтеза по своим физико-химическим характеристикам соответствует человеческой [2].

Гиалуроновая кислота нашла широкое применение в различных направлениях медицины. Впервые ее начали использовать при офтальмологических операциях в 50-х годах прошлого века. Сегодня гиалуроновую кислоту также применяют при операциях по удалению и замене хрусталика, лечении отслойки сетчатки. Ее вводят в стекловидное тело для обеспечения достаточной глубины передней камеры, защиты других структур глаза, которые могут быть повреждены при проведении оперативного вмешательства. Используют ГК в составе препаратов для лечения сухости роговицы глаза - так называемые «искусственные слезы» и при производстве контактных линз [1].

Гиалуроновую кислоту широко используют при воспалительно-дегенеративных заболеваниях суставов, она приостанавливает разрушение хрящевой ткани сустава, проявляет хондропротективное действие, нормализует состав внутрисуставной жидкости. Поэтому применение гиалуроновой кислоты при лечении артритов и других заболеваний суставов является очень перспективным [6].

Гиалуроновая кислота обладает выраженными ранозаживляющими свойствами. При нанесении на рану, она образует слой, который не только механически препятствует проникновению патогенных микроорганизмов в рану и активно способствует процессу заживления ран. Благодаря особой структуре, гиалуроновая кислота помимо ее прямого лечебного действия, выступает отличным средством транспортировки некоторых лекарственных средств (в основном, противовоспалительных) в патологический очаг, а также для контроля дозированного высвобождения препарата из лекарственной формы [3].

Гиалуроновая кислота является обязательным компонентом клеток кожи, но с возрастом её количество уменьшается и кожа становится дряблой. Это так называемый процесс естественного старения. Данное соединение ответственно за эластичность и упругость, поэтому его применяют для устранения морщин, коррекции и придания объема губ. Благодаря уникальному свойству гиалуроновой кислоты задерживать воду, при повторном ее введения в подкожную клетчатку, кожа восстанавливает утраченную эластичность и упругость.

Гиалуроновая кислота используется в травматологии при переломах костей, основываясь на особом свойстве вызывать наращивание клеток костной ткани в результате чего кости срастаются быстрее. Это обусловливает ее широкое применение при косметологических операциях. В стоматологии гиалуроновая кислота используется при воспалительно-дегенеративных заболеваниях пародонта, способствует восстановлению тканей десны после перенесенных заболеваний[2].

В данном обзоре приведены только наиболее частые области применения гиалуроновой кислоты в медицине. Постоянно увеличивающийся спрос на этот гликозаминогликан стимулирует поиск новых эффективных и экономичных путей синтеза этого соединения, наиболее перспективным из которых яаляется микробиологический синтез.

Литература:

1. Белодед, А. В. Микробиологический синтез и деградация гиалуроновой кислоты бактериями р. Streptococcus : дис. … канд. биол. наук: 03.00.23 / Белодед Андрей Васильевич. – МГУПБ . – М., 2008. - 23 с.

2. Пустынников, А.В. Современные возможности препаратов гиалуроновой кислоты в пародонтологии и имплантологии /А.В.Пустынников, Р.В. Ушаков, Т.В. Ушакова // Стоматолог. - 2011. - № 3. - С. 53-58.

3. Чайковская, Е.А. Гиалуроновая кислота:биологический контроль над воспалением и ранозаживлением/ Е.А. Чайковская, Е.З. Парсагашвили // Инъекционные методы в косметологии. - 2011. - № 4. - С. 20-29

4. Anand, A. The effects of hyaluronic acid on articular chondrocytes / M. Akmal, A. Singh, A. Anand, at al. // The journal of bone and joint surgery. - 2005. - Vol. 87 (8). - P. 1143-1149.

5. Necas, J. Hyaluronic acid (hyaluronan): a review / J. Necas, L. Bartosikova, P. Brauner, J. Kolar // Veterinarni Medicina. - 2008. - Vol. 53(8). - P. 397–411.

6. Medina, J.M. Knee osteoarthritis: should your patient opt for hyaluronic acid injection / J.M. Medina, A. Thomas, C. R. Denegar // The Journal of Family Practice. - 2006. - Vol. 55(8). - P. 669-675