Все о хитозане – химическая структура хитозана и его свойства
Хитозан известен в основном в качестве сорбента. Но это вещество обладает множеством полезных свойств (включая противоопухолевую, антимикробную, антиоксидантную и противовоспалительную активность, что позволяет надеяться, что в обозримом будущем хитозан пополнит списки лекарственных препаратов), которые обусловлены его химической структурой, зависящей, в свою очередь, от способа получения полимера. При этом биологической активностью обладает не только сам хитозан, но и продукты его распада, и предшественник – хитин.
Основные свойства хитозана можно представить в виде следующего списка:
- Антимикробное.
- Мукоадгезивное.
- Противовоспалительное.
- Антиоксидантное.
- Противогрибковое.
- Антигипергликемическое.
- Противоопухолевое.
- Ранозаживляющее.
- Технические (например, очистка воды).
В предыдущей статье «Все о хитозане – чем нам интересно производное хитина» мы поговорили о том, насколько разные варианты хитозана выходят при разных способах его получения и как велико семейство полимеров, которые мы привыкли называть одним словом «хитозан». Сегодня мы рассмотрим, как химическая структура хитозана обеспечивает преобладание того или иного свойства этого биополимера.
В основу статьи легли данные системного обзора Chitosan: An Overview of Its Properties and Applications, который был проведен в 2021 году международной группой исследователей1.
Антимикробные свойства хитозана
Устойчивость бактерий к антибиотикам является серьезной проблемой современного здравоохранения, поэтому поиск альтернативы антибиотикам – одна из главных целей фармакологической промышленности. Хитозан, производные хитозана и хитоолигосахариды проявляют антимикробную активность в отношении различных микроорганизмов, в том числе бактерий, мицелиальных грибов и дрожжей.
Так, у хитозана отмечено полное ингибирование: Aeromonas hydrophila, Edwardsiella ictalurid, Flavobacterium columnare; выраженное подавление: Candida albicans, грам-позитивных микроорганизмов (таких как Bacillus cereus, S. aureus, Bacillus megaterium, Lactobacillus plantarum, Listeria monocytogenes, Lactobacillus brevis и Lactobacillus bulgaricus), грам-негативных микроорганизмов (таких как Salmonella typhimurium, E. coli, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas fluorescens, Vibrio parahaemolyticus, Enterobacter aerogenes и Vibrio cholera).
При аппликации хитозана на раневые поверхности выражен антимикробный эффект против P. aeruginosa, B. cereus, L. monocytogenes; при спонжах с хитозаном – на S. aureus, E. coli; при использовании микро- и наночастиц хитозана – E. coli, Vibrio cholerae, S. enterica, Streptococcus uberis, S. uberis, S. enterica, K. pneumonia, S. aureus, V. cholerae, Salmonella choleraesuis, S. typhimurium.
При этом Candida krusei, C. albicans, C. glabrata подавляются хитозан гидрохлоридом, но слабо подавляются карбоксиметилхитозаном и совершенно не ощущают на себе воздействие олигосахаридов хитозана и N-ацетил-D-глюкозамина.
Хитозан, по-видимому, обладает ингибирующей рост активностью, поскольку бактерии способны расти после удаления полимера из среды. Это важная деталь, которая свидетельствует о том, что при адаптации бактерий к хитозану могут появиться резистентные популяции.
Из-за того, что хитозан плохо растворяется при pH раствора выше 6,5, рассматривается возможность использования хитоолигосахаридов (растворимых при этом рН и выше) в качестве поликатионных биоцидов. Растворимые производные хитозана (сульфатированный хитозан, N-триметилхитозан, N-диэтилметилхитозан или 2,6-диаминохитозан) также проявляют противомикробную активность в щелочных средах. Эта антимикробная активность активно используется в пищевой, текстильной и косметической промышленностях.
Также ученые синтезировали особые производные хитозана на основе гетероциклических фрагментов, которые, хотя и не обладают высокой растворимостью в водной среде, проявляют более выраженную способность уничтожать бактерии и грибы, чем исходная форма хитозана.
На данный момент механизм антимикробного воздействия хитозана, хитоолигосахаридов и синтезированных производных хитозана все еще обсуждается. Этот факт можно объяснить отсутствием соответствующей характеристики полимера, вопросами чистоты, использованием различных микроорганизмов и отсутствием методологического единообразия.
Некоторые исследования указывают на снижение проницаемости клеточной мембраны из-за полимерного покрытия на поверхности клеток, которое блокирует доступ клеток к питательным веществам. Этот процесс происходит за счет взаимодействия -NH2-групп хитозановых цепей с -СОО-группами на наружных клеточных мембранах микроорганизмов, то есть антимикробная активность хитозана зависит от степени ацетилирования.
Также предполагалось, что хитозан может проникать в клетки и блокировать транскрипцию РНК в результате адсорбции бактериальной ДНК. Вероятнее всего, антимикробный эффект реализуется одновременно двумя этими путями (как минимум), поскольку они не исключают один другого.
Внутренние факторы, влияющие на антимикробную активность хитозана, обусловлены характеристиками полимера: молекулярной массой, степенью ацетилирования, вязкостью полимера или его концентрацией. Растворитель, используемый для растворения полимера, также влияет на его поведение. Например, часто используемая в процессе производства хитозана и его производных уксусная кислота, лимонная кислота или буферы имеют собственную небольшую противомикробную активность.
Влияние размера полимера на данный момент считается спорным. В ряде исследований получены доказательства того, что противомикробная активность хитозана улучшается с увеличением размера полимера. Так, например, олигосахариды обладают более низкой противомикробной активностью, при этом те из них, чей размер был больше, демонстрировали и более высокую антимикробную активность. Более того, хитоолигосахариды с молекулярной массой 2200 Да не только не обладали противомикробной активностью, но и служили ускорителями роста кишечной палочки!
Однако одновременно существуют и исследования, в которых более выраженной антимикробной активностью обладали как раз хитозаны с более низкой молекулярной массой.
Также наблюдалась разница в выраженности антимикробных свойств и в зависимости от рН среды. В условиях кислого рН антимикробная активность увеличивалась с увеличением молекулярной массы, а в условиях нейтрального – возрастала по мере ее снижения.
Несмотря на такие результаты исследований, нет ни одного исследования, которое бы нашло связь между антимикробной активностью хитозана и его молекулярной массой самой по себе! То есть этот фактор действует только для модификации других и самостоятельного значения не имеет.
Что касается степени ацетилирования, ученые пришли к выводу, что чем ниже степень ацетилирования, тем выше антимикробная активность. Образцы нерастворимого хитозана со средней молекулярной массой проявляют антимикробные свойства наиболее выражено.
Также интересные результаты получены при сравнении антимикробной активности низкомолекулярных хитозанов и олигосахаридов, полученных ферментативным расщеплением (сравнение структуры полимера). Оказалось, что хитоолигосахариды, полученные путем ферментативной деполимеризации хитозана хитозаназой, ингибируют рост E coli и L. monocytogenes более выражено, чем полученные путем деполимеризации в двухстадийном процессе с HNO2 и хитозаназой.
Ученые пришли к выводу, что олигосахариды, получаемые в одностадийном ферментативном процессе, более активны, чем получаемые в двухстадийном химико-ферментативном процессе, даже когда у них практически одинаковые характеристики полимера.
Антиоксидантная активность хитозана
Антиоксиданты вызывают все больший интерес из-за связи между окислительным стрессом и такими тяжелыми заболеваниями, как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона, боковой амиотрофический склероз и рак. Кроме того, с окислительным стрессом связаны и осложнения при, например, сахарном диабете.
Хитозан содержит аминогруппу и несколько гидроксильных групп, которые могут вступать в реакцию со свободными радикалами, проявляя акцепторную способность. Некоторые производные хитозана – в первую очередь, сульфаты и N-2-карбоксиэтилхитозан – демонстрировали выраженную антиоксидантную активность.
Также ученые синтезировали ряд производных хитозана со специально улучшенными антиоксидантными свойствами (модификации с помощью галловой кислоты или фенольных соединений).
Исследования показали, что антиоксидантные свойства более выражены у образцов хитозана с низкой молекулярной массой, поскольку более короткие цепи образуют меньше внутримолекулярных водородных связей и, следовательно, реакционноспособные группы более доступны, что способствует активности по удалению радикалов.
В то же время, степень ацетилирования, видимо, влияет на антиоксидантную активность обратно пропорционально: антиоксидантная активность снижается при увеличении этого параметра.
В следующей части нашей статьи мы познакомим читателя с особенностями противовоспалительного действия хитозана, а также расскажем о его перспективах как основы для доставки лекарств.
