Реферат полисахариды в биотехнологии. Полисахариды в биотехнологии. Получение бактериальных полисахаридов медицинского назначения
 Скачать 1.02 Mb.
|
|
Рис.4. Пленки бактериальной целлюлозы Результаты определения антибиотикоустойчивости тест-штаммов диско-диффузионным методом (ДДМ) на дисках бактериальной целлюлозы показали сохранение активности антибиотиков п пленках бактериальной целлюлозы. Нано серебро является универсальным веществом, имеющим широкий спектр действия против всех бактерией. Результаты оценки адсорбционных свойств показали, что пленки бактериальной целлюлозы, с нанесенным нано серебром, обладали бактерицидными свойствами в отношении E.coli, что дает основание использовать такой полимер в медицинских целях.  Рис.5. Микрофотография целлюлозной пленки При нанесении пчелиного воска на поверхность пленки бактериальной целлюлозы с адсорбированным наносеребром образуется водонепроницаемый слой, при этом хорошо сохраняется влажность и прочность. Бактериальная целлюлоза и материалы на ее основе находят крайне широкое применение в современной регенеративной и диагностической медицине. БЦ – это высокочистый, биосовместимый и универсальный материал, который может быть использован в различных сферах. Целлюлозные материалы широко используются для лечения кожи при ожогах, ранах и язвах. Пленки БЦ ускоряют процесс эпителизации и позволяют избежать инфекций. Кроме того, биокомпозиты на основе БЦ обладают способностью регулировать клеточную адгезию, что является важной характеристикой для скаффолдов и трансплантатов; ультратонкие пленки БЦ могут также использоваться при разработке диагностических датчиков для определения их способности к иммобилизации нескольких антигенов. БЦ представляет собой широко распространенный биоматериал, который может использоваться, как в научных исследованиях, так и в фармацевтической и медицинской промышленности: в качестве искусственной кожи, имплантатов in vivo, искусственных кровеносных сосудов, ранозаживляющих покрытий и гемостатических материалов. Таблица 3. Применение БЦ в медицине
Гиалуроновая кислота и ее применение в медицине Несульфированный гликозаминогликан, входящий в состав соединительной, эпителиальной и нервной тканей. Является одним из основных компонентов внеклеточного матрикса, содержится во многих биологических жидкостях (слюне, синовиальной жидкости и др.). Принимает значительное участие в пролиферации и миграции клеток, может быть вовлечена в процесс развития злокачественных опухолей. Продуцируется некоторыми бактериями (напр. Streptococcus). Структура гиалуроновой кислоты была установлена в 1950-х годах в лаборатории Карла Мейера (Karl Meyer).  Рис. 6. Структура гиалуроновой кислоты Молекула гиалуроновой кислоты содержит до 25000 дисахаридных звеньев, имея молекулярную массу до 5000 до 20000000 Да. Средняя молекулярная масса гиалуроновой кислоты, обнаруживающейся в синовиальной жидкости у человека, составляет 3,15 КДа. Гиалуроновая кислота является энергетически стабильной благодаря стереохимии дисахаридов. ГК синтезируется классом мембранных белков - гиалуронатсинтетазами. Ферменты организма млекопитающих HAS1, HAS2 и HAS3 удлиняют структуру гиалуроновой кислоты, присоединяя глюкуроновую кислоту и N-ацетилглюкозамин. Деградируется гиалуроновая кислота ферментами гиалуронидазами. В организме человека имеется 7 типов гиалуронидаз, некоторые из которых являются супрессорами опухолевого роста. Продукты гидролиза – олигосазхариды и гиалуронаты – обладают ангиогенными свойствами. Кроме того, установлено, что гиалуронидазы индуцируют воспалительный процесс в макрофагах и дендритных клетках при отторжении трансплантатов. Биологическая роль ГК в организме человека чрезвычайно многогранна: в межклеточном матриксе от нее зависит миграция, размножение и дифференцировка клеток во время эмбриогенеза; с функционированием гиалуронана в соединительных тканях связаны процессы обновления, ремоделирования, регенерации тканей и органов, а с его избытком или недостатком — многие заболевания, такие как остеоартрит, атеросклероз, воспаления, метастазирование опухолевых клеток, мукополисахаридозы и др. Наконец, старение клеток, тканей, органов организма также тесно связано с обменом гиалуронана и других гликозаминогликанов. Снижение концентрации полисахарида в процессе старения представляет клинический интерес. Во многих тканях организма снижается как количество, так и качество ГК, изменяется ее распределение между тканями организма. В научной литературе подтверждено, что зависимые от данного полисахарида эластичные свойства соединительных тканей, суставной жидкости уменьшаются с возрастом. Снижение содержания ГК в тканях глаза увеличивает частоту патологий сетчатки. Обнаружено, что возрастная глаукома связана с почти полным отсутствием гиалуронана в зоне зрительного нерва. У молодых людей и лиц пожилого возраста с нормальным зрением подобных изменений не отмечено. Данный полисахарид широко представлен в тканях, присутствуя в высоких концентрациях в синовиальной жидкости, стекловидном теле глаза и в составе соединительной ткани пуповины и дермы. Продукция ГК обычно увеличивается во время таких процессов, как заживление ран, клеточная миграция и прорастание новых кровеносных сосудов. Считается, что во время заживления ран гиалуронан на ранних стадиях вызывает формирование временного фибринового матрикса, который необходим для того, чтобы новые клетки могли заполнить рану и ремоделировать ткань. Эти же процессы протекают и в стареющем организме, но с некоторыми изменениями. Раны у пожилых лиц заживают медленнее, но у них повышается качество рубцов (редки гипертрофические и келоидные рубцы). Возможно, что в ранах у пожилых лиц появляются фибробласты фетального подтипа, которые синтезируют больше ГК и коллагены III и IV типов, а фибробласты взрослого организма — в основном коллаген I типа, много коллагеназы и мало гиалуронана. В хряще ГК связана с белком и участвует в образовании протеогликановых агрегатов; в некоторых органах (стекловидное тело глаза, пупочный канатик, суставная жидкость) встречается и в свободном виде. С расширением знаний о ГК происходит постепенная переоценка ее роли как пассивного структурного компонента матрикса соединительной ткани к пониманию первостепенной роли этой макромолекулы во многих жизненно важных физиологических процессах от клеточной коммуникации, миграции и дифференциации до регуляции процессов, протекающих в межклеточном матриксе, и активации метаболизма клеточных структур. В настоящее время считается установленным, что ГК не просто пассивная макромолекула соединительной ткани, а метаболически высокоактивный биополимер. Время полужизни (периода полураспада) отдельной макромолекулы гиалуронана в организме человека зависит от ее локализации: в крови это 2–5 мин, 12 ч в эпидермисе и синовиальной жидкости, 20–24 ч в дерме и 2–3 нед в хрящах. Такое различие подразумевает наличие различных механизмов, контролирующих своевременное восполнение количества этого полисахарида. Механизмы эти неизвестны, но, например, причину быстрого оборота гиалуронана в крови объясняют его способностью быть «чистильщиком» от свободных радикалов и других активных продуктов окислительных реакций, которые переходят в кровь из тканей. Говоря о биологической активности, необходимо подчеркнуть одну уникальную особенность макромолекул ГК, а именно зависимость протекания биологических процессов от параметра ММ полисахарида. Контролируя такие процессы, как воспаление, репарация тканей, клеточная дифференцировка, морфогенез, ангиогенез, макромолекулы различной молекулярной массы оказывают разное действие на клеточное поведение. Продукты катаболизма гиалуроновой кислоты вовлечены в огромное количество физиологических процессов. Связываясь со своими рецепторами, фрагменты полисахаридных молекул запускают каскады реакций, конечные продукты которых позволяют клетке приспособиться к изменениям в ее жизнедеятельности или защите от «пришельцев». Их функции напрямую зависят от молекулярной массы и могут быть противоположными по своему биологическому эффекту. В этом феномене, по всей видимости, заключена главная и уникальная особенность биохимического поведения данного полисахарида. По мере накопления информации о свойствах ГК расширяются представления о путях ее практического использования в составе разнообразных медицинских, косметических, ветеринарных, фитотерапевтических, гигиенических и других препаратов. Такой широкий спектр применения полисахарида основан на том, что гиалуронан оказывает противовоспалительное, дезинфицирующее и ранозаживляющее действие, способствует регенерации эпителия, предотвращает образование грануляционных тканей, спаек, рубцов, снижает отечность, уменьшает кожный зуд, нормализует кровообращение, способствует рубцеванию трофических язв, предохраняет внутренние ткани глаза. ГК также используется в прикладной биохимии и энзимологии в качестве субстрата для количественного определения ферментов гиалуронидазного действия. В последние 20–25 лет гидрогели на основе гиалуронана стали активно использовать в эстетической медицине в качестве препаратов для контурной пластики.  Рис.7. Модель клеточного строения кожи человека до и после насыщения ГК Введение ГК — наиболее естественный способ устранения морщин, коррекции формы и объема губ, лечения кожных депрессий, так как она нетоксична и полностью биосовместима с тканями организма. Сегодня с полной уверенностью можно сказать, что препараты ГК являются лучшими в этой области косметической медицины.  Рис.8. Особенности сорбции гиалуроновой кислоты Если еще несколько лет назад на рынке препаратов для эстетической медицины присутствовало всего несколько разновидностей ГК, то в последнее время каждый год появляются все новые и новые торговые марки, и этот стремительный рост популярности инъекционного введения, по-видимому, будет продолжаться и далее. Еще одно применение гиалуроновой кислоты – введение инъекций в суставы и межсуставные ткани для лечения артрита, коксартроза и эпикондилитов. Раствор для внутрисуставного введения ГИАЛУРОМ - 1,5 % раствор натрия гиалуроната в одноразовых шприцах по 2 мл представляет собой стерильный, вязкоэластичный раствор гиалуроната натрия. Гиалуронат натрия получен в результате брожения. Гиалуронат натрия ГИАЛУРОМ представляет собой полисахарид идентичный человеческому, состоит из повторяющихся дисахаридных звеньев N-ацетилгликозамина и глюкуроната натрия, с молекулярной массой, превышающей 2 400 000 Да. Натрия гиалуронат присутствует повсеместно в организме человека и присутствует в больших концентрациях в тканях, таких как стекловидное тело, синовиальной жидкости, пуповине и дерме. В синовиальной жидкости гиалуронат натрия выступает как смазка и поглотитель удара, что способствует нормальному движению без боли. При заболевании типа артрита, вязкоупругость синовиальной жидкости снижается, так что значительно увеличивает механическую нагрузку на сустав и усиливается разрушение суставного хряща, проявляется ограничением и болями при движении в суставах.  Рис.9. Состояние коленного сустава до и после введения ГК Смазывающее и амортизирующее действие этого препарата смягчают боли и улучшают подвижность сустава при внутрисуставном применении. Данные эффекты продолжаются более 6 месяцев после одного курса лечения. Декстран и его применение в медицине Декстраны являются полимерами глюкозы, могут иметь различную степень полимеризации, в зависимости от которой растворы, получаемые из них, имеют различное функциональное назначение. Растворы, содержащие декстран с относительной молекулярной массой около 60000, используются в качестве гемодинамических средств, восстанавливающих ОЦК. Вследствие высокого онкотического давления, превышающего онкотическое давление белков плазмы в 2,5 раза, они очень медленно проходят через сосудистую стенку и длительное время циркулируют в сосудистом русле, нормализуя гемодинамику за счет тока жидкости по градиенту концентрации — из тканей в сосуды. Как результат, быстро повышается и длительно удерживается на высоком уровне АД, уменьшается отек тканей.  Рис.10. Структурная формула декстрана Растворы, содержащие среднемолекулярные декстраны (30000–40000), используют в качестве дезинтоксикационных средств. При их введении улучшается текучесть крови, уменьшается агрегация форменных элементов. Они также по осмотическим механизмам стимулируют диурез (фильтруются в клубочках, создают в первичной моче высокое онкотическое давление и препятствуют реабсорбции воды в канальцах), чем способствуют (и ускоряют) выводу из организма ядов, токсинов, деградационных продуктов обмена. Сами декстраны нетоксичны, экскретируются почками в неизмененном виде. В углеводном обмене не участвуют. Какая-то часть высокомолекулярных декстранов при применении в больших дозах может откладываться в клетках ретикулярной системы, где метаболизируется до глюкозы. Декстраны, синтезируемые различными микроорганизмами, отличаются по структуре и физ.-хим. свойствам. Окончательная структура Д. и его мол. вес (масса) не установлены. Большинство Д. содержат в точках ветвления молекулы также альфа-1,2-, альфа-1,3-, альфа-1,4-связи; альфа-1,3-связи иногда встречаются и в линейной цепи молекулы.  Рис.11. Гидролиз декстрана Бактерии, синтезирующие Декстран, чаще всего относятся к представителям семейства Lactobacillaceae, родов Lactobacillus, Leuconostoc и Streptococcus. Д. синтезируются из сахарозы вне бактериальных клеток при участии выделяемого бактериями в культуральную среду фермента декстрансахаразы (КФ 2.4.1.5.), катализирующего расщепление сахарозы и последующий синтез Д. из остатков глюкозы без образования каких-либо промежуточных продуктов. Точки ветвления в молекуле Д. определяются, по-видимому, тем же ферментом.  Рис.12. Определение остатков гидролиза декстрана в растворе Отечественный препарат Декстрана «полиглюкин» (Polyglucinum) состоит преимущественно из среднемолекулярных фракций частично гидролизованного Д. в изотоническом р-ре хлорида натрия. Полиглюкин представляет собой бесцветную (слегка желтоватую) жидкость. Средний мол. вес 60 000 ± 10 000, относительная вязкость 2,8—4,0, pH 4,5—6,5. За рубежом выпускаются аналоги полиглюкина — Dextraven, Expandex, Macrodex и др. Полиглюкин является плазмозамещающим противошоковым препаратом. Наличие в нем низкомолекулярных фракций, которые образуют безвредные конъюгаты с различными токсичными веществами в организме, объясняет дезинтоксикационное действие препарата.  |