Гиалуроновая кислота для кожи и суставов: свойства, назначение, противопоказания. Гиалуроновая кислота! Что такое гиалуроновая кислота краткое описание

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 (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.

Гиалуронат, или гиалуроновая кислота, свойства и пользу которой рекламируют косметические компании, является основным средством, применяемым для омоложения кожи лица. Широкое распространение средств с ее содержанием заставляет многих задумываться о том, полезны ли процедуры и домашний уход с помощью таких препаратов, или они вредны для лица. Чтобы решить этот вопрос, нужно понять, что такое гиалуроновая кислота и как правильно выбрать косметику, чтобы получить прекрасный результат.

Гиалуроновая кислота в организме человека

Полисахарид — это химический термин, который подразумевает, что в состав вещества входят молекулы глюкозы. В гиалуронате они соединены в длинные цепочки. Молекула гиалуроновой кислоты может содержать до 25 000 одинаковых звеньев. При взаимодействии с особым белком (аггреканом) она приобретает способность связывать и удерживать в тканях молекулы воды.

Гиалуроновая кислота в организме человека входит в состав соединительной ткани: хрящей, сухожилий и т.п. Много гиалуроната содержится в стекловидном теле глаза, в синовиальной жидкости, где она обеспечивает вязкость среды. Вместе с волокнами коллагена и эластина вещество входит в структуру кожи, обеспечивая ее упругость и участвуя в процессах регенерации. Откуда берется гиалуроновая кислота, если ее еще не начали вводить во время косметических процедур?

Гиалуронат вырабатывается самим организмом. В теле взрослого человека общая масса этого вещества достигает 15 г. Но естественный синтез его замедляется после 25-летнего возраста, и процессы распада гиалуроната преобладают над его производством в организме. С течением времени доля кислоты в кожных покровах снижается, а ткани обезвоживаются. В дерме происходят изменения, которые внешне выглядят как морщины. Из-за снижения количества гиалуроната в других тканях возрастные изменения затрагивают весь организм.

Растения не вырабатывают гиалуроновую кислоту. Поэтому никакая диета с приемом пищи, содержащей соевые бобы, клетчатку или другие вещества, не влияет на выработку собственной кислоты в организме. Для омоложения кожи нужна та или иная косметическая процедура с применением препаратов гиалуроната.

Гиалуроновая кислота в косметологии

Применение гиалуроновой кислоты в косметологии основано на ее способности удерживать воду. Исследования ученых доказали, что сочетание гиалуроната и янтарной кислоты активизирует обмен веществ в тканях кожи, способствуя восстановлению ее клеток. Восстанавливающее действие гиалуроновой кислоты на кожу лица приводит не только к визуальному улучшению состояния кожи, но и обновляет ее на клеточном уровне. Чтобы убедиться в этом, нужно разобраться, как действует гиалуроновая кислота на кожу лица и зачем нужна та или иная процедура.

В качестве составляющей межклеточного вещества гиалуронат способствует движению лимфоцитов и фибробластов к местам повреждения кожи. При воспалительных явлениях, в случае мелкой травмы эти клетки обеспечивают борьбу с микроорганизмами и заживление тканей. Процессы регенерации состоят и в образовании большого количества волокон эластина и коллагена, которые и сохраняют упругость кожи.

В косметических кабинетах посетителям предлагают услуги, которые основаны на инъекционном введении препаратов гиалуроновой кислоты в кожные покровы. Результат всех процедур сводится к увеличению объема истонченной кожи, заполнению морщин, устранению кожных дефектов (рубцов от прыщей). Различают следующие виды использования гиалуроновой кислоты:

• биоревитализация — для лечения угрей, послеродовых растяжек, восстановления кожи лица при возрастных изменениях;
• мезотерапия — исправление дефектов кожи лица;
• при редермализации в состав препаратов в качестве действующего вещества входят и гиалуроновая, и янтарная кислоты;
• для биорепарации применяют филлеры с пептидами и витаминами;
• заключается в восстановлении овала лица при помощи гиалуроновой кислоты;
• контурная пластика применяется для изменения формы и объема отдельных частей лица (например, для ).

Кроме салонных методик существуют средства косметики, в состав которых входит низкомолекулярная гиалуроновая кислота. Они предназначены для ухода за кожей в домашних условиях. Чтобы получился желаемый эффект, а кожа была упругой и бархатистой, при использовании сыворотки или крема нужно соблюдать инструкцию к препарату.

Видео о плюсах и минусах использования гиалуроновой кислоты для лица

Когда нельзя применять средства с гиалуроновой кислотой?

От использования гиалуроновой кислоты и средств с ее содержанием иногда приходится отказываться. Это связано с особенностями получения вещества. Несмотря на современные способы очистки гиалуроновой кислоты, она способна вызвать аллергические реакции. Способность межклеточной среды к проведению полезных веществ и лимфоцитов внутри кожи может сыграть отрицательную роль и послужить способом перемещения инфекционных агентов или даже измененных клеток (когда в организме есть опухоли). Побочные эффекты могут возникнуть и от индивидуальной реакции организма, поэтому получать консультацию и проводить омолаживающее лечение лучше в крупных салонах, где работают сертифицированные специалисты.

При следующих состояниях:

• острых инфекционных и воспалительных процессах;
• сниженной свертываемости крови или при приеме антикоагулянтов;
• аутоиммунных заболеваниях;
• индивидуальной непереносимости препаратов с гиалуронатом;
• аллергии;
• беременности и кормлении грудью.

Нежелательно начинать процедуры, если менее 30 дней назад проводился пилинг лица (лазерный или химический).

Какая она бывает?

Производители выпускают множество препаратов с обозначениями, которые не всегда понятны потребителям их продукции.

Чтобы правильно выбрать средство для домашнего пользования или салонного ухода, надо иметь в виду, что виды гиалуроновой кислоты могут различаться по длине молекулы:

1. Для лечения артрита, глазных болезней медики применяют среднемолекулярное вещество. Такая гиалуронка — скорее лекарство, чем косметика. Ее введение в организм стимулирует фибробласты и помогает организму начать продуцировать собственный гиалуронат.
2. Низкомолекулярная гиалуроновая кислота состоит из коротких отрезков и входит в состав средств для домашнего применения: тоников или сывороток, эмульсий, кремов и т.д. Небольшие размеры частиц помогают им проникать в глубину дермы. С помощью лекарств на основе этой формы гиалуроната производят и лечение сложных заболеваний кожи (трофических язв, псориаза и т.п.). Недостатком является малый срок депонирования кислотного вещества: оно сохраняется в тканях всего 7-8 суток.
3. В салонных процедурах чаще используется высокомолекулярная гиалуроновая кислота, состоящая из длинных полимерных цепочек. Она способствует гидратации кожи и удержанию влаги в ней. Введенная внутрь дермы, гиалуроновая кислота для лица более полезна, чем предыдущая, т.к. растворы на ее основе имеют большую вязкость и могут сохраняться в коже до 2 недель. После этого начинаются процессы ее деградации, и процедуры приходится повторять через 6-10 месяцев.

Различают разновидности гиалуроната и по способу производства. При выборе средства стоит поинтересоваться, из чего изготовлена гиалуронка. В настоящее время все реже применяется вещество, полученное из животных материалов (пупочных канатиков, петушиных гребешков, рыбы и т.п.). Его не удавалось качественно очистить от примесей белка, поэтому инъекции могли вызвать аллергическую реакцию или отторжение.

В настоящее время производители косметики выпускают биосинтезированный гиалуронат. Его получают благодаря деятельности микроорганизмов. с этим видом гиалуронки считаются гипоалергенными.

Система гиалуроновых кислот, применяемых в косметологии, включает в себя и такие виды, как:

• стабилизированная, или нативная — биосинтезированные молекулы, прошедшие процесс сшивки, которые меньше подвергаются деградации в тканях человека;
• нестабилизированная, т.е. лишенная этих качеств.

Из-за особенностей каждого типа косметология применяет их по-разному. Нестабилизированная гиалуроновая кислота для лица чаще находит применение для общего улучшения состояния кожи (в или при биоревитализации), для увлажняющих процедур. Стабилизированную форму применяют, чтобы моделировать контуры лица, восполнять объемы тканей на отдельных участках (для заполнения морщин и выравнивания складок). Сфера использования того или иного препарата зависит от степени стабилизации молекул: менее стабилизированные препараты рекомендуются для коррекции мелких морщин, более вязкие, с высокой стабилизацией — для выравнивания складок и провалов.

Потребительские свойства гиалуроновой кислоты разных видов различаются незначительно. Основное отличие — это срок ее сохранения под кожей до начала деградации и наличие или отсутствие вероятности возникновения побочных эффектов.

Препараты и средства с гиалуроновой кислотой

Производство гиалуроновой кислоты для лица и препаратов на ее основе осуществляется в разных странах. Несомненным лидером по выпуску косметики с омолаживающим эффектом является Корея. Именно корейская косметика подарила гиалуроновой кислоте нынешнюю популярность.

Гиалуроновая кислота от морщин применяется в виде наружных и внутренних средств. Среди препаратов можно выделить следующие разновидности:

1. Крем или сыворотку могут применять девушки до 25-летнего возраста. Гиалуроновая кислота для лица в виде наружного средства, дополненного маслами растительного происхождения, может защищать кожу от пересыхания, но практически неспособна исправить дефекты дермы. Наружные средства могут помочь и от прыщей.
2. Тем, кому за 30, омоложение гиалуроновой кислотой следует проводить при помощи инъекционных методов. При проведении процедуры косметолог введет филлер туда, где требуется заполнение морщин: гиалуроновой кислотой можно выровнять даже резкие носогубные, межбровные или лобные складки. Собирая и удерживая влагу, препарат разбухнет и разгладит кожу.
3. Можно приобрести препарат и для приема внутрь. Пить гиалуроновую кислоту нужно в соответствии с инструкцией к средству: чаще всего по 1 таблетке или капсуле в день. Это лучшая методика для тех, кто боится уколов или не доверяет и другим орепроцедурам. Эффект от приема лекарств придется ждать 2-3 месяца, постоянно принимая средство.

Современная косметология применяет гиалуронат не только для кожи лица. Существует корейская косметика и (маски, сыворотки и пр.). Они действуют на волосы по той же схеме, по которой происходит увлажнение кожи лица гиалуроновой кислотой, т.е. создают защитную пленку, удерживая влагу внутри волоса. Широко применяются и специальные средства для мужчин (для увеличения полового органа).

Мифы о гиалуроновой кислоте

Из-за относительной новизны восстанавливающей косметики с гиалуронатом вокруг способов омоложения ходит большое количество разных мифов и домыслов. Часть их имеет под собой основания, но большинство являются неправдой. Один из таких — миф о том, что гиалуроновая кислота в косметологии является аналогом ботокса.

На самом деле, ботокс — это препарат, содержащий токсин бактерии ботулизма. Вещество расслабляет и парализует мышечные ткани, разглаживая морщины. Принцип действия гиалуроновой кислоты иной: вязкая жидкость просто заполняет пространство под кожей, выталкивая часть ее наружу. Качественные филлеры нетоксичны и абсолютно безопасны, т.к. гиалуронка распадается под воздействием ферментов человека до простых сахаров.

Женщины считают, что лучше не применять в зимние холода увлажняющие маски и кремы с содержанием гиалуроновой кислоты (для лица). Но именно зимой кожа подвергается воздействию сухого воздуха и на улице, и в помещении. Увлажняющие препараты необходимы, чтобы уберечь ее от шелушения и обезвоживания. Используя увлажняющее средство, нужно знать, что гиалуроновая кислота на кожу лица наносится за 30-40 минут до выхода на улицу. Средство успеет впитаться в дерму и предохранит ее от пересыхания.

Другой миф повествует о том, что из-за применения гиалуроната может повыситься внутриглазное давление. Это убеждение совершенно не обосновано, т.к. препараты не влияют на процессы в организме. Гиалуроновая кислота, функции которой состоят в накоплении и сохранении влаги, уже содержится внутри глаза и попасть туда из крема или филлера не может.

Многих интересует и вопрос о том, может ли быть аллергия на гиалуроновую кислоту. При выборе качественных препаратов, произведенных на основе биосинтезированной гиалуроновой кислоты, риск аллергических реакций сведен к минимуму. При этом не играет роли, какой тип вещества использовал производитель в своих средствах ухода: и низкомолекулярная, и высокомолекулярная гиалуронка имеют одинаковые побочные эффекты и противопоказания. Состав гиалуроновой кислоты не меняется, можно изменить только длину ее молекул. При применении кремов и сывороток аллергия чаще возникает из-за содержания сопутствующих веществ растительного и животного происхождения (масел, отдушек или экстрактов).

У потребителей вызывает сомнения и способность молекул проникать в дерму при нанесении препарата на кожу. Гиалуроновая кислота, которая применяется для изготовления таких средств ухода, обладает небольшими размерами молекул и беспрепятственно проникает в межклеточное пространство. Различие с инъекциями состоит в глубине проникновения: наружные средства способны увлажнить только верхние слои дермы. Поэтому их применение ограничено возрастом женщины.

Среди изобилия средств и методик их применения легко выбрать наилучший способ, подходящий каждой женщине. При выборе какого-то из них следует учесть и свой возраст, и противопоказания, которые могут способствовать аллергической реакции или вызвать другие неприятности. Перед проведением процедуры лучше всего посоветоваться с опытным специалистом-косметологом.

Структура

Молекула гиалуроновой кислоты похожа на длинную ленту, построенную из чередующихся сахаров - D-глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина. образующих базовую дисахаридную единицу (рис. 1 ).

Рис.1. Гиалуроновая кислота состоит из чередующихся дисахаридных едениц

В одной цепочке может быть до 250 тысяч дисахаридных единиц. Молекулярная масса этого природного полисахарида достигает 10 тысяч кДа. ГК входит в состав синовиальной жидкости, стекловидного тела, встречается в пупочном канатике, роговице, костях, клапанах сердца, оболочках яйцеклеток.

Принципиально важным является свойство гиалуроновой кислоты (ГК) связывать и удерживать (за счет водородных связей) большое количество воды: 1 молекула ГК связывает 200-500 молекул воды. При этом она обладает эффектом «памперса» - не отдает воду даже при уменьшении ее содержания в окружающей среде. Высокая плотность отрицательных зарядов, образующихся при диссоциации карбоксильных (кислотных) групп, притягивает массу катионов, таких как ионы Na+, которые являются осмотически активными и обуславливают поступление в матрикс еще большего количества воды. Формирующееся при этом высокое давление набухания и есть то, что мы называем тургором. Тургор дермы, определяющийся содержанием и свойствами ГК, обеспечивает тургор .

Поскольку в молекуле есть как гидрофильные, так и гидрофобные участки, в растворах высокомолекулярная ГК (М.м > 1000 кДа) приобретает пространственную структуру в виде хаотично закрученной ленты, которая в трехмерном пространстве образует рыхлый клубок. Такие клубки занимают огромный объем (в тысячи раз больший, чем объем самих макромолекул!), образуя вязкий гель даже при очень низкой концентрации.

Формирующиеся пространственные сети с ячейками определенного размера обеспечивают «естественный отбор» циркулирующих молекул. Такое природное «молекулярное сито» свободно пропускает ионы, сахара, аминокислоты, сигнальные молекулы, но задерживает (и накапливает) большие молекулы, в том числе и различные токсины.

Метаболизм

Синтез ГК происходит на внутренней поверхности плазматической мембраны фибробластов. Молекулы моносахаров, из которых выстраивается полимерная цепочка, образуются из глюкозы, донором аминогруппы является глутамин. По мере формирования макромолекула выводится наружу (рис. 2 ).

Рис.2. Синтез гликозаминогликатов фибропластами (по H. Heine, 1997)

Синтез ГК катализируется ферментом гиалуронатсинтетазой (HAS), представленной тремя разновидностями (Itano N.):

• HASi - осуществляет медленный синтез цепей с М.м около 200-2000 кДа,
• HAS2 - отвечает за быстрый синтез высокомолекулярной ГК с М.м. более 2000 кДа),
• HAS3 - самый активный из ферментов, участвующий в синтезе ГК с М.м. около 200-2000 кДа.

Гиалуроновой кислоты в дерме синтезируется намного больше, чем катаболизируется. Оказывается, значительная ее часть предназначена для дренирования через лимфатическую систему, что является важным механизмом детоксикации ткани, ведь вместе с ней удаляются «запутавшиеся» 8 молекулярных «сетях» экзо- и эндотоксины. В лимфатические сосуды способны проникать даже большие цепи ГК с М.м. около 1000 кДа.

Катаболизм ГК носит ступенчатый характер, и ему придается большое значение в регуляции состояния матрикса. В настоящее время биотрансформацию ГК рассматривают как важнейший фактор поддержания гомеостаза и один из универсальных механизмов развития патологических процессов (воспаления.опухолевой инвазии и метастазирования), ведь по мере уменьшения длины исходной цепочки образуются фрагменты с собственной биологической активностью (таблица 2 ).

Катаболизируется ГК с участием гиалуронидаз (I и II типа), катализирующих реакции гидролиза и деполимеризации (внеклеточная деградация). Мелкие фрагменты частично фагоцитируются макрофагами и подвергаются дальнейшему катаболизму с участием лизосомальных ферментов (3-глюкуронидазы и (3-ацетилглюкозаминидазы (внутриклеточная деградация). 90% ГК, попавшей в периферический лимфоток, разрушается в лимфоузлах, 9% - в эндотелиоцитах печени и 1% - в селезенке.

В организме взрослого человека весом 70 кг в составе всех органов и тканей суммарно содержится около 15 г гиалуроновой кислоты, причем 50% приходится именно на кожу.
Ежедневно около 5 г ГК разрушается и вновь синтезируется, то есть время «жизни» этой молекулы ограничивается несколькими днями. ГК - самый быстро обновляемый компонент внеклеточного матрикса. Для сравнения: «продолжительность жизни» зрелого коллагенового волокна - несколько месяцев, волокна эластина вообще относятся к практически необновляемым структурам.

Таблица 2. Биологические функции молекул гиалуроновой кислоты с различной молекулярной массой (Stern R et al, 2006)

Длинные цепи с М.м. около 500 кДа	Подавляют ангиогенез, препятствуют миграции и делению клеток, возможно за счет изменения межклеточного взаимодействия, ингибируют продукцию цитокина IL-1b, простагландина Е2, оказывают иммуносупрессивное действие.
Молекулы с массой 20-100 кДа	Стимулируют миграцию и деление клеток, способствуют заживлению ран, обеспечивают целостность эпителия, участвуют в овуляции и эмбриогенезе.
Короткие цепи ГК с М.м. менее 0.4-10 кДа	Стимулируют ангиогенез, оказывают иммуномодулирующее и противовоспалительное действие.
Тетрасахариды	Обладают антиапоптотическими свойствами, стимулируют синтез белков теплового шока.

ГК в жизни клеточного сообщества

ГК входит в состав не только , но и многих других органов и тканей. И на уровне всего организма регуляция ее биосинтеза фибробластами осуществляется нейроэндокринной системой. Важная роль принадлежит гормону передней доли гипофиза - соматотропину, который стимулирует деление и синтетическую активность клеток соединительной ткани. Кортикотропин и глюкокортикоиды (кортизон, гидрокортизон) угнетают деление фибробластов, способствуют их «ускоренному старению», что сопровождается уменьшением синтеза коллагена и гиалуроновой кислоты. Минералокортикоиды (альдостерон, дезоксикортикостерон), напротив, стимулируют образование ГК. Аналогичным эффектом обладают эстрогены (см. Приложение «ГК в организме человека: интересные факты»).

В дерме поддержание уровня ГК обеспечивается механизмами ауторегуляции по принципу обратной связи (схема 2 ).

Взаимодействие ГК с клетками происходит с участием специфичных белков- гиаладгеринов, которые могут быть как элементами рецепторного аппарата клеток (RHAMM, IHABP), так и внеклеточными структурами, к которым относятся верзикан, аггрекан, фибриноген, коллаген VI типа (см. Приложение «Взаимодействие ГК с рецепторами - механизм реализации ее биологической активности»).

На этом самом месте стоит, наверное, приостановиться и задуматься. С чем связано такое широкое распространение ГК в организме человека? И в животном мире вообще? Чем определяется многообразие механизмов регуляции ее метаболизма? Почему по мере деградации биологическая активность не исчезает, а видоизменяется? Обобщая все вышесказанное и заглядывая вперед, можно предположить: ответ кроется в многообразии биологических функций этого уникального биополимера (таблица 3 ).

Таблица 3 . Биологическая роль гиалуроновой кислоты

Является основой гидратированного межклеточного матрикса - физиологической среды для миграции, деления и дифференциации клеток.

Регулирует синтетическую активность фибробластов, в том числе и внеклеточный этап синтеза коллагена.

Оказывает опосредованное иммуномодулирующее действие (как стимулируя, так и подавляя иммунитет).

Обеспечивает транспорт питательных веществ и сигнальных молекул от кровеносных сосудов к клеткам, а также выведение продуктов жизнедеятельности.

Способствует дренажу и детоксикации соединительной ткани, является «ловушкой» для свободных радикалов.

Обеспечивает регенерацию тканей и репарацию повреждений (пластическая функция).

Участвует в регуляции ангиогенеза.

Регулирует морфогенез тканей в период эмбрионального развития.

ГК и старение

Вопрос о том, изменяется ли с возрастом содержание ГК в коже, остается дискуссионным. Однако известно точно, что по мере старения организма все большее количество ГК переходит из свободного состояния в связанное (с белками). При этом она частично утрачивает свои уникальные способности, а именно: ингибировать реакции свободно-радикального окисления, вовлекаться в метаболический путь и стимулировать фибробласты, привлекать и удерживать воду. За счет снижения содержания воды кожа теряет упругость, и ее гладкий рельеф деформируется морщинами и складками.