Полная версия

Главная arrow Товароведение arrow Биополимеры и перспективные материалы на их основе

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Хитин и хитозан

Хитин и хитозан являются линейными полисахаридами, состоящими из различного количества ]Гацетил-2-амино-2-дезокси-0- глюкопиранозы и 2-амино-2-дезокси-0-глюкозы, находящихся в пи- ранозной форме и связанных 1-4 гликозидными связями [24]:

Хитин является основой скелетной системы, поддерживающей клеточную структуру тканей в панцирях ракообразных, кутикуле насекомых, клеточной стенке грибов и бактерий. Твердость хитиновых структур в организмах ракообразных и насекомых обусловлена образованием хитин-карбонатного комплекса в результате отложения хитина на карбонате кальция как своеобразной неорганической матрице. Однако твердое роговое вещество этих организмов представляет собой не чистый хитин-карбонат кальция, а более сложную структуру, в которой только поверхностный слой является более или менее чистым хитин-карбонатом кальция, в то время как внутренние слои содержат также и белок.

Поэтому для выделения хитина из основных видов сырья - панцирей ракообразных (крабов, омаров, криля), содержащих 20 - 25 % хитина и около 70 % карбоната кальция, проводят последовательные операции деминерализации и депротеинизации, включающие обработку измельченных панцирей растворами соляной кислоты и едкого натра с последующей промывкой водой, удалением красящих пигментов обработкой отбеливающими реагентами и липофильных веществ промывкой спиртом и эфиром [25].

Хитозан является производным хитина, полученным путем щелочной обработки последнего:

Хитин и хитозан по своему строению близки к целлюлозе - одному из основных волокнообразующих природных полимеров. Поэтому, как и целлюлоза, эти полимеры и их производные обладают волокно- и пленкообразующими свойствами.

Благодаря биосовместимости с тканями человека, низкой токсичности, способности усиливать регенеративные процессы при заживлении ран, биодеградируемости такие материалы представляют особый интерес для медицины. Внешний вид очищенного хитозана представлен на рис. 21.

При лечении гнойных и ожоговых ран широкое применение получили ферменты, эффективность использования которых может быть повышена за счет их включения в структуру волокон и губок. Такие полимеры, как хитин, хитозан, карбоксиметилхитин, благодаря широкому набору функциональных групп обеспечивают возможность образования между полимером-носителем и ферментом связей различной прочности, что создает предпосылки для регулирования активности и стабильности фермента, скорости его диффузии в рану.

Внешний вид образцов хитозана разной степени дисперсности

Рис. 21. Внешний вид образцов хитозана разной степени дисперсности

В медицине для лечения и профилактики тромбозов используется природный антикоагулянт крови - гепарин, по химическому строению являющийся смешанным полисахаридом. Наиболее близкий его структурный аналог - сульфат хитозана - также обладает антикоагулянтной активностью, возрастающей при увеличении степени сульфа- тирования. Возможность реализации синергического эффекта (усиления активности гепарина при введении добавок сульфата хитозана) делает это соединение перспективным для создания лекарственных препаратов антикоагулянтного и антисклеротического действия.

N- и О-сульфатированные производные частично дезацетилиро- ванного карбоксиметилхитина не только препятствуют свертыванию крови благодаря селективной адсорбции антитромбина, но и резко уменьшают интенсивность деления раковых клеток.

Еще одна возможность использования хитина, хитозана и их производных (карбоксиметилхитина, карбоксиметилхитозана, сукци- нилхитозана) - создание биодеградируемых носителей фармацевтических препаратов (антибиотиков, антивирусных, противоопухолевых и антиаллергенных препаратов) в виде пленок (мембран). Применение таких пленок создает условия для выделения лекарственных средств, обеспечивая эффект пролонгирования их действия.

Образование комплексов полимерными лигандами с различными металлами находит все более широкое применение в аналитической химии, хроматографии, биотехнологических процессах. Полимерные комплексообразователи, в том числе хитин, хитозан и их производные, например карбоксиметиловые эфиры, могут рассматриваться как реальная альтернатива традиционным методам очистки сточных вод промышленных предприятий от соединений металлов, используемых для нанесения защитных покрытий (никель, хром, цинк), а также от таких металлов, как ртуть и кадмий, способных аккумулироваться живыми организмами. Наличие электронодонорных амино- и гидроксильных групп, широкие возможности введения различных ионогенных групп кислотного и основного характера делают производные хитина и хитозана весьма перспективными для использования в хроматографии при разделении и очистке биологически активных соединений (нуклеиновых кислот и продуктов их гидролиза, стероидов, аминокислот).

В фотографических процессах, связанных с быстрым проявлением изображения, используют такие важные характеристики хитозана, как его пленкообразующие свойства, поведение в системах, содержащих желатин и комплексы серебра, обеспечивающее отсутствие поперечной (в слоях пленки) диффузии красителя, оптические характеристики полимера.

Весьма перспективно использование хитозана в бумажной промышленности: благодаря большей прочности при водных обработках ионных связей, образующихся при нанесении хитозана на целлюлозное волокно при формировании бумаги, по сравнению с существующими в обычной бумаге водородными связями заметно возрастает прочность бумажного листа, особенно в мокром состоянии. При этом одновременно улучшаются и другие важные свойства (сопротивление продавливанию, излому, стабильность изображения).

В последнее время все большее внимание уделяется исследованиям процессов образования, изучению свойств и возможностей практического применения особого класса продуктов химических превращений полимеров - интерполимерных комплексов. Эти соединения, образующиеся при взаимодействии макромолекул противоположно заряженных полиэлектролитов, характеризуются высокой гидрофиль- ностью, что позволяет использовать их в качестве эффективных фло- кулянтов, структурообразователей, а в виде пленок - в качестве полупроницаемых мембран и покрытий, в том числе в медицине.

Использование в качестве компонента интерполимерного комплекса сравнительно жесткоцепного хитозана, способного благодаря наличию ионогенных групп к образованию межмолекулярных ион- ионных и ион-дипольных связей, обеспечивает возможность улучшения физико-механических свойств получаемых пленок. Одним из направлений успешного использования таких пленок могут быть перва- порационные процессы разделения водно-органических смесей. Так, пленка на основе интерполимерного комплекса хитозан - полиакриловая кислота в процессе разделения методом первапорации[1] водно- изопропанольной смеси не уступает по транспортным характеристикам пленкам из традиционных материалов (ацетат целлюлозы, поливиниловый спирт), заметно превосходя их по селективности [25].

Новое перспективное направление исследований посвящено разработке носителей крупных молекул через тканевые барьеры. Одним из первых на роль транспортного средства был предложен хитозан. Наночастицы на основе хитозана и его дериватов способны защитить макромолекулы от кислотной денатурации и ферментной деградации, обладают мукоадгезивными свойствами и пролонгируют время нахождения макромолекул в тонкой кишке. Более того, хитозан способен запускать обратимое открытие плотных контактов между эпителиальными клетками, тем самым облегчая параклеточный транспорт крупных гидрофильных соединений [26].

Отдельное рассмотрение следует уделить тому, как молекулы- переносчики влияют на биологический эффект некоторых лекарственных средств.

Инсулин. Известно, что эндогенный инсулин подавляет печеночную продукцию глюкозы и понуждает клетки печени, мышц и жировой ткани поглощать глюкозу из крови. Пероральная доставка экзогенного инсулина является предпочтительным путем, поскольку может улучшить гомеостаз глюкозы и избежать гиперинсулинемию, вызванную подкожным введением гормона. Однако таблетированные и капсульные формы инсулина характеризуются низкой биодоступностью из-за его предшествующей протеолитической деградации в ЖКТ, а также слабого проникновения через кишечный эпителий.

Методом ионотропного желирования были получены наночастицы хитозана с поли-у-глутаминовой кислотой, обеспечившие устойчивость инсулина к протеолитическим ферментам. Флуоресцентно-микроскопические исследования in vivo с наночастицами хитозан- поли-у-глутаминовой кислоты, загруженными инсулином, показали, что после перорального введения инсулин может абсорбироваться в системный кровоток, в то время как большая часть хитозана остается в структурах микроворсинок [27]. У диабетических крыс эти наночастицы вызывали достоверный гипогликемический эффект в течение по крайней мере 10 часов, при этом относительная биодоступность инсулина в сравнении с подкожным введением составила 15 % [28]. Для дальнейшего увеличения биодоступности инсулина наночастицы помещали в капсулы, растворимые в кишечнике. Это позволило защитить нагруженные инсулином наночастицы от контакта с кислой средой желудка, но приводило к его быстрому высвобождению в проксимальном сегменте тонкой кишки. Тем не менее относительная биодоступность инсулина достигла 20 %.

Экзендин-4. Этот сравнительно недавно обнаруженный в слюне ядовитой ящерицы из рода ядозубов пептид, состоящий из 39 аминокислот, обладает мощным инсулинотропным действием и разрешен для применения в качестве дополнительной терапии у больных диабетом 2-го типа, неспособных достичь гликемического контроля пероральными антидиабетическими препаратами. Однако его использование ограничено необходимостью частых инъекций. Разработанные для перорального применения кишечные капсулы, содержащие нанокапсулы с хитозан-у-глутаминовой кислотой, загруженные экзендином-4, обеспечивают максимальную концентрацию последнего в плазме через 5 часов после введения крысам. Капсулы остаются интактными в желудке, но растворяются в проксимальном сегменте кишечника и обеспечивают биодоступность в 15 %. Абсорбированный экзендин-4 стимулирует секрецию инсулина и обеспечивает пролонгированный гипогликемический эффект [29].

Лососевый калыдитонин - пептидный гормон, состоящий из 32 аминокислот, аналог кальцитонина человека, однако почти в 50 раз активнее. Нанокапсулы хитозана оказались эффективным средством повышения оральной абсорбции кальцитонина и снижения уровня кальцемии у крыс. Эти эффекты объясняются уникальной ролью му- коадгезии хитозана в усилении взаимодействия нанокапсул с абсор- бтивным эпителием. Важная роль в стабилизации нанокапсул принадлежит также полиэтиленгликолевому покрытию. Исследования in vivo показали значительное снижение уровня сывороточного кальция в течение по крайней мере 24 часов и способность нанокапсул, покрытых хитозанполиэтиленгликолем, усиливать и пролонгировать кишечную абсорбцию кальцитонина [30]. Нуклеиновые кислоты не могут проходить через кишечный эпителий вследствие их большого молекулярного размера, гидрофильности и отрицательного заряда. Они чрезвычайно лабильны в биологической среде и легко разрушаются нуклеазами, тем самым проявляя низкую трансфекционную активность. Поэтому разработка эффективных носителей для энтеральной доставки нуклеиновых кислот к клеткам-мишеням, так же как и обеспечение их защиты, клеточной интернализации, эндосомального ухода и ядерного захвата, является предпосылкой для реализации их терапевтических функций.

Гепарин. Для пероральной доставки гепарина, высокосульфа- тированного глюкозаминогликана, разработана система из наночастиц, упакованная хитозаном с помощью метода ионного желирования для образования комплексов хитозан/гепарин [31]. Результаты свидетельствуют о том, что наночастицы хитозана существенно повышают кишечную абсорбцию гепарина, обеспечивая 20,5 %-ю биодоступность. Несмотря на то, что полисахаридные наночастицы представляются перспективными для использования в качестве носителей для пероральной доставки белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов, никаких клинических испытаний пока не проводилось. Кроме того, токсикологические вопросы этих вновь появившихся наносистем остаются одной из проблем фармакологии и биомедицины. Нативные углеводные биополимеры рассматриваются безопасными для энтерального введения, но их свойства могут полностью измениться после химической модификации. Токсичность каждого деривата как в свободной форме, так и в форме наночастиц должна быть оценена индивидуально. Для демонстрации приемлемой эффективности и безопасности наносистем, основанных на пектинах, альгинатах, хитозанах, каррагинанах, фукоиданах и их дериватов необходимы дальнейшие доклинические исследования.

  • [1] Первапорация [лат. per — сверх и vapor — пар, испарение] — диффузионноеиспарение через мембрану, процесс, в котором поток жидкости, содержащий два илиболее смешивающихся компонента, помещен в контакт с одной стороной непористойполимерной мембраны или молекулярно-пористой неорганической мембраны (типацеолитной мембраны), в то время как с другой стороны используется вакуумная илигазовая продувка. Компоненты жидкого потока абсорбируются в/на мембране, проникают через мембрану и испаряются; образующийся при этом пар, называемый «пер-меатом», конденсируется. Вследствие различных видов питающих смесей, имеющихне одинаковое сродство к мембране и различные скорости диффузии через мембрану,даже компонент, находящийся в малой концентрации, может быть обогащен с высокойстепенью в пермеате. Используется в мембранных биореакторах для выделения большого класса органических соединений из водно-органических смесей.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>