Все о хитозане – хитозан в промышленности
Хитозан – модная биодобавка. Больше всего известна его сорбционная активность. Но у этого уникального биополимера и его производных есть и другие, не менее важные свойства. Например, использование в фармакологической промышленности в качестве носителя других лекарств.
Все эти особенности обусловлены химической структурой хитозана и его производных, а также способом получения соединений. В предыдущих статьях «Все о хитозане – чем нам интересно производное хитина» и «Все о хитозане – химическая структура хитозана и его свойства» мы поговорили о том, насколько разные варианты хитозана выходят при разных способах его получения, как велико семейство полимеров, которые мы привыкли называть одним словом «хитозан», и какие незначительные нюансы в структуре вещества могут полностью изменить его главные свойства. Сегодня мы обратимся к использованию хитозана и его производных промышленностью.
В основу статьи легли данные системного обзора Chitosan: An Overview of Its Properties and Applications, который был проведен в 2021 году международной группой исследователей 1.
Однако для начала про еще одно важное, но оставшееся неосвещенным, свойство хитозана – его противовоспалительную активность.
Противовоспалительные свойства хитозана
Воспалительный процесс представляет собой физиологическую реакцию организма, связанную с повреждением тканей. Основной целью воспалительной реакции является приведение циркулирующих лейкоцитов и белков плазмы к очагу инфекции или повреждения тканей, уничтожение (по возможности) возбудителя и запуск процесса заживления.
И хотя воспаление – необходимая для нашего выживания реакция, в ряде случаев оно может «перехлестнуть через край», как при COVID, и начать вредить своему хозяину.
Воспалительный процесс тесно связан с образованием свободных радикалов, поэтому в основе противовоспалительных свойств хитозана лежат практически те же самые механизмы, что и обуславливающие его антиоксидантное действие. Точно так же, как и в случае с антиоксидантной активностью, противовоспалительный эффект более выражен у тех вариантов хитозана, у которых молекулярная масса ниже. Так, например, известно, что низко- и среднемолекулярные хитозаны значительно ингибируют продукцию оксида азота.
В случае же с активацией NF-κB (ядерный фактор «каппа-би»; универсальный фактор транскрипции, контролирующий экспрессию генов иммунного ответа, апоптоза и клеточного цикла) и экспрессией синтазы оксида азота (iNOS) все не так однозначно.
Наблюдалось несколько вариантов реакции.
Так, средне-, низкомолекулярные и «обычные» хитозаны подавляли активацию NF-κB и экспрессию iNOS путем связывания с CR3, а низкомолекулярные хитоолигосахариды, напротив, связывались с рецепторами CD14, CR3 и TLR4 и активировали NF-κB и усиливали экспрессию iNOS. В то же время, модифицированные олигосахариды снижали уровни экспрессии фактора некроза опухолей α, способствуя секреции интерлейкина-4 и интерлейкина-10, и инактивировали сигнальный путь NF-κB посредством ингибирования фосфорилирования p65, IKBα и IKKβ.
Таким образом, легко придти к выводу, что противовоспалительная активность хитозана и его производных сильно различается в зависимости от вида соединения, его структуры и способа получения. Так, хитоолигосахариды, состоящие в основном из 42% полностью деацетилированных олигомеров плюс 54% моноацетилированных олигомеров, полученные ферментативным расщеплением хитозаназой, ослабляли воспаление у мышей, а хитоолигосахариды, полученные двухэтапным процессом (химическое расщепление с последующим ферментативным расщеплением хитозаназой), и состоящие из 50 % полностью деацетилированных олигомеров плюс 27 % моноацетилированных олигомеров, напротив, способствовали развитию воспалительной реакции.
Хитозан и доставка лекарств
С самого начала разработки веществ, способных нести на себе лекарственные вещества, полимерам уделяется особое внимание. Поэтому неудивительно, что хитозан, будучи биополимером, как и многие другие свои «родственники» продемонстрировал идеально подходящие для широкого спектра биомедицинского и промышленного применения биологические и физико-химические свойства.
Главной особенностью этого хитозана, обеспечившей ему важное место в промышленном использовании, является его катионный характер за счет аминогрупп. Эти аминогруппы также отвечают за такие свойства, как контролируемое высвобождение лекарственного средства, мукоадгезия, гелеобразование in situ, трансфекция, усиление проницаемости и ингибирование эффлюксной помпы (последнее является механизмом, благодаря которому бактерия может «выкачать» наружу уже попавший вовнутрь антибиотик).
Более того, хитозан способен преодолевать гематоэнцефалический барьер, а, следовательно, его можно применять для введения веществ в ЦНС!
Из хитозана легко получаются: пленки, губки, опорные структуры, наночастицы, микросферы, гидро- и аэрогели, волокна, микроиглы, липосомы с покрытием, нанокомпозиты и композиты – словом, практически весь ассортимент носителей, которые использует современная фармакология для доставки лекарственного вещества.
Первым одобренным Фармакопеей веществом стала соль хитозана (гидрохлорид хитозана, 2002 год). Почти 10 лет спустя хитозан был впервые введен в качестве вспомогательного вещества в Европейскую фармакопею и 29-е издание Фармакопеи США.
Тем не менее, число публикаций, касающихся использования этого полимера для доставки лекарств, продолжает расти с 2002 года и посейчас, что позволяет надеяться, что его потенциал в данном качестве все раскрыт еще не полностью. Более того, на данный момент количество патентов, касающихся использования хитозана и доставки лекарственных средств, превышает количество публикаций на эту тему, что говорит о том, что отрасль развивается стремительными шагами.
Пленки
Хитозановые пленки легко изготавливаются методом применения растворителя, но более сложные системы могут быть получены путем смешивания полимера с другими полимерами, такими как пектин, или путем производства послойных пленок с отрицательно заряженными полимерами, например поликислотой, поли (молочно-гликолевой кислотой) или полимолочной кислотой.
Помимо своей безопасности, биосовместимости и биоразлагаемости, пленки на основе биополимеров вызывают растущий интерес как отличные кандидаты не только в качестве систем контролируемой доставки лекарств, но и в качестве материалов для производства контактных линз, повязок для ран и матриц для тканевой инженерии.
Другие формы
Микро- и наносистемы на основе частиц хитозана широко используются для инкапсуляции огромного количества лекарственных веществ, в первую очередь – факторов роста, противомикробных препаратов, аналгетиков, противоопухолевых или противовоспалительных препаратов.
Не так давно хитозан был впервые использован для изготовления микроигл. Его пленкообразующая способность, биоразлагаемость и биосовместимость делает его пригодным для местной и чрескожной доставки лекарств.
Перспективным считается использование микроигл хитозана для вакцинации. Также предполагается, что микроиглы из хитозана могут использоваться и для заживления ран. Однако рад недостатков материала все еще тормозит его широкое применение в этих областях.
Так, например, все еще необходима разработка микроигл с достаточной механической прочностью для проникновения через кожу без боли и повреждения кожи, а также изобретение эффективных методов стерилизации таких игл.
Металлические наночастицы и хитозан
Металлические наночастицы – это частицы атомов металла размером от 1 нм до нескольких сотен нанометров. Такие частицы обладают оптическими, химическими и электронными свойствами, которые отличаются от свойств отдельных атомов или объемных материалов. Эти уникальные свойства высоко ценятся в различных отраслях науки и промышленности, в особенности – в катализе, фотонике или биомедицине.
Производятся металлические наночастицы множеством физических или химических способов. Так, ионы металлов можно восстановить с помощью химических веществ, растительных экстрактов (из-за их фенольных соединений), с помощью полимеров (хондроитинсульфат или гепарин) и даже с помощью микроорганизмов, содержащих специфические ферменты, такие как нитратредуктаза.
Из физических методов распространены сонохимическое восстановление (с помощью ультразвукового гомогенизатора), облучение, электрохимическое восстановление или тепловое испарение.
Как только образовавшиеся металлические наночастицы агрегируют, необходимо добавление стабилизаторов.
Хитозан используется как при синтезе, так и при стабилизации металлических наночастиц. Некоторые ученые также предполагают, что хитозан играет роль в контроле зарождения наночастиц – в частности, контролируя их размер.
Восстановительные и стабилизирующие свойства хитозана, по-видимому, связаны с наличием в полимерной цепи групп CH2OH, CHO и NH2. Изменения молекулярной массы или степени деацетилирования не только изменяют количество этих реакционноспособных групп, но и модифицируют взаимодействия (водородные связи, электростатические взаимодействия или стерические взаимодействия), присутствующие в системе.
Характеристики полученных наночастиц зависят от метода, используемого для получения наночастиц, и характеристик хитозана, используемого для восстановления и стабилизации ионов металлов. На данный момент данных исследований недостаточно, чтобы с уверенностью утверждать, как именно молекулярная масса, степень ацетилирования и другие характеристики этого биополимера влияют на результат, однако есть работы, свидетельствующие о том, что степень ацетилирования хитозана и концентрация полимера являются основными параметрами, влияющими на размер и форму наночастиц.
Молекулярная масса при этом связана с эффективностью восстановления, поскольку уменьшение размера полимера увеличивает количество восстанавливающих сахаров в среде. Также предполагается, что определенную роль играет и сама структура полимера.
Производство антибиотиков и других соединений
Использование иммобилизованных ферментов для катализации химических реакций является очень хорошо известным методом, дающим отличные результаты. Хитозан в этом случае выступает либо как носитель для ковалентного связывания, либо как носитель для инкапсуляции.
Процесс можно описать на примере синтеза антибиотиков.
Так, для получения целого ряда полусинтетических антибиотиков, таких как амоксициллин, цефадроксил, цефпрозил или цефоперазон (а также некоторых противораковых препаратов и гетероциклических соединений), используется вещество D-p-HPG, по своей природе аминокислота (или просто D-HPG, D-аминокислота).
Ее, в свою очередь, получают путем целого каскада ферментативных реакций, т.н. «гидантоиназного процесса», начальной стадией которого выступает превращение D-р-гидроксифенилгидантоина (D-HPH) в N-карбамоил-D-р-гидроксифенилглицин (C-p-HPG) под воздействием катализирующего фермента под названием D-специфическая гидантоиназа. Далее C-p-HPG гидролизуется вторым ферментом, высокоэнантиоспецифичной амидогидролазой N-карбамоиламинокислот (D-карбамоилаза), и получается свободная аминокислота.
Одной из основных особенностей гидантоиназного процесса является спонтанная рацемизация D-HPH при значениях pH выше pH 8, вызванная кислым водородом в положении 5 имидазолидин-2,4-дионового кольца. Это позволяет использовать смесь L- и D-HPH в качестве исходного субстрата, а также получить 100% оптически чистую D-аминокислоту.
Оба упомянутых фермента имеются в различных микроорганизмах (Agrobacterium sp., Pseudomonas sp., Arthrobacter crystallopoites, Sinorhizobium morelense), и могут использоваться как в составе всей бактерии, так и в виде очищенных ферментов. Если в процессе получения D-аминокислоты используют ферменты как таковые, то их иммобилизация помогает стабилизировать D-карбамоилазы, которые, в отличие от D-гидантоиназ, обладают низкой термостабильностью и склонны к окислительной деградации.
Одним из применяемых для иммобилизации ферментов методов является их адсорбция на хитине и хитозане для использования в синтезе р-гидроксифенилглицина. Более того, есть способы повторно использовать иммобилизованные производные, и они также связаны с хитозаном (например, хитозан-альгинатные матрицы)!
Таким образом, мы можем смело заключить, что хитозан – не только отличный сорбент с целым спектром полезных качеств. Это вещество поистине многолико и может применяться в самых различных отраслях промышленности – причем способ и ареол его применения напрямую зависят от вида хитозана и его производных, а те, в свою очередь, обуславливаются только задачей, под которую совершается та или иная модификация этого биополимера.
На данный момент раскрытие потенциала хитозана сдерживается лишь недостаточностью исследований и масштабом использования биотехнологических процессов – но и эта задержка, судя по всему, временная. Динамика роста статей ясно показывает, что уже в самом ближайшем будущем мы сможем увидеть хитозан в самом неожиданном для нас амплуа, а внедрение экотехнологий – неотвратимый этап изменения промышленности под современные требования.
