Фарзане Джаббари, Валиолла Бабейпур, Саид Сахархиз
Факультет нанотехнологий и передовых материалов, Центр исследований материалов и энергетики, Тегеран, Иран
Факультет химии и химической инженерии, Технологический университет Малек Аштар, Иран
Гиалуроновая кислота (ГК), анионный и несульфированный гликозаминогликан, является основным структурным компонентом различных тканей и играет важную роль в различных биологических процессах. Учитывая многообещающие свойства ГК, такие как высокая совместимость с клетками, удержание влаги, защита от старения, правильное взаимодействие с клетками и Ориентирование на CD44, ГК может широко использоваться для доставки лекарств, тканевой инженерии, заживления ран и терапии рака. ГК может быть получена из тканей животных и путем микробиологической ферментации, но его применение зависит от его молекулярной массы. Микробиологическая ферментация является распространенным методом производства ГК в промышленных масштабах.
Streptococcus zooepidemicus является наиболее часто используемым штаммом при производстве ГК. Условия культивирования, включая рН, температуру, скорость перемешивания, скорость аэрации, напряжение сдвига, содержание растворенного кислорода и тип биореактора, существенно влияют на свойства биосинтеза ГК. В этом обзоре доказано, что молекулярная масса ГК может существенно влиять на ее свойства и применение.
Факультет нанотехнологий и передовых материалов, Центр исследований материалов и энергетики, Тегеран, Иран
Факультет химии и химической инженерии, Технологический университет Малек Аштар, Иран
Гиалуроновая кислота (ГК), анионный и несульфированный гликозаминогликан, является основным структурным компонентом различных тканей и играет важную роль в различных биологических процессах. Учитывая многообещающие свойства ГК, такие как высокая совместимость с клетками, удержание влаги, защита от старения, правильное взаимодействие с клетками и Ориентирование на CD44, ГК может широко использоваться для доставки лекарств, тканевой инженерии, заживления ран и терапии рака. ГК может быть получена из тканей животных и путем микробиологической ферментации, но его применение зависит от его молекулярной массы. Микробиологическая ферментация является распространенным методом производства ГК в промышленных масштабах.
Streptococcus zooepidemicus является наиболее часто используемым штаммом при производстве ГК. Условия культивирования, включая рН, температуру, скорость перемешивания, скорость аэрации, напряжение сдвига, содержание растворенного кислорода и тип биореактора, существенно влияют на свойства биосинтеза ГК. В этом обзоре доказано, что молекулярная масса ГК может существенно влиять на ее свойства и применение.
Рисунок 1. Различные методы получения гиалуроновой кислоты (F. Jabbari et al., 2023)
ГК может быть получена из различных источников, включая микроорганизмы, бесклеточные системы и ткани животных. Одним из наиболее важных источников получения ГК является экстракция тканей животных, таких как кожа, глаза и синовиальная жидкость между суставами. Экстракция состоит из различных этапов, таких как ферментативное разложение, удаление нежелательных белков, осаждение спирта и четвертичных аммониевых солей, обезвоживание и сепарация. Этот метод не часто используется из-за низкой эффективности ГК (рис.1)
Сегодняэлектрофорез широко используется для удаления белков, и его эффективность зависит от многих факторов, таких как плотность геля, чистота и размер молекул-мишеней. Этот метод не очень распространен для очистки ГК из-за его низкой способности удалять белки. Другим методом очистки ГК является использование листовых полисульфоновых мембран с молекулярной массой 100, 300 и 675 кДа.
Многочисленныеисследования подтвердили, что ГК с различной молекулярной массой выполняет различныефункции. ГК с высокой молекулярной массой благодаря своей высокой вязкоэластичности подавлению воспалительных реакций, широко используется в глазной хирургии и в препаратах для инъекций в суставы. ГК со средней молекулярной массой используется в косметике, глазных каплях, для регенерации тканей кожи и послеоперационных противоадгезионных средствах благодаря своей превосходной влагоудерживающей способности. Низкомолекулярная ГК всасывается в кишечнике и используется в косметических продуктах. Многие лабораторные исследования показали, что физическое разложение, химическая деструкция и биологические методы являются наиболее распространенными и эффективными методами регулирования молекулярной массы ГК.
ГК играет важную роль в гидродинамике клеток и тканей, ионном обмене и транспортировке различных соединений. В зависимости от концентрации и молекулярной массы ГК определяет физиологическую функцию клеток и тканей и защищает от проникновения высокомолекулярных токсинов и микробиологических инвазий. Этот биополимер играет важную роль в развитии макрофагов, эозинофилов и эпителиальных клеток тканей. Его отрицательный заряд, гидрофильность и большая длина полимера приводят к связыванию большого количества воды с матриксом. ГК имеет шесть известных рецепторов на клеточной поверхности, включая CD44, RHAMM, LYVE-1 (рецептор эндотелия лимфатических сосудов HA-1), HARE (рецептор гиалуроновой кислоты для эндоцитоза), lylin и Toll-4 [43]. ГК широко используется в тканевой инженерии и медицине благодаря своим уникальным свойствам.
Тканевая инженерия
Функция ГК в процессе регенерации кости в значительной степени зависит от ее количества и концентрации. ГК в небольших количествах может значительно стимулировать клеточную пролиферацию в бедренной и большеберцовой костях. Высокомолекулярная ГК способствует клеточной адгезии и пролиферации, а также индуцирует экспрессию мРНК остеокальцина, минерализацию и активность щелочной фосфатазы в клетках.
Одни авторы использовали ГК для восстановления костной ткани в зубных полостях человека. Они заполнили одну лунку 1 %-ным раствором геля ГК, а другую - сгустком крови. Через 90 дней после операции в обработанной лунке наблюдался более высокий процент костеобразования, чем в контрольной.
Когда нанофибриллы целлюлозы, функционализированные метакрилатом сшили с метакрилатированной ГК для получения гидрогелей, такой композитный гидрогель продемонстрировал хорошую прочность на сжатие (0,198 ± 0,009 МПа) и хорошую способность к биологическому разложению. Кроме того, гидрогель увеличивал адгезию, пролиферацию и хондрогенную дифференцировку стволовых клеток костного мозга.
Многие исследования подтвердили, что взаимодействие шванновских клеток с внеклеточным матриксом (ВКМ) является ключевым параметром для эффективного восстановления периферических нервов, при котором ВКМ быстро теряет свои исходные белки, включая коллагены, фибронектин и витронектин, сохраняя при этом НА и НА-связывающие белки. ГК играет важную роль в подвижности клеток и накапливается в местах дифференцировки нейронов спинного мозга.
Лечение ран
При повреждении кожи организм немедленно начинает восстанавливать себя. Сразу же после повреждения кожи организм пытается остановить кровоток. Тромбоциты активируются и высвобождают факторы роста и высокомолекулярную ГК. ГК активно вырабатывается в качестве основного компонента отечной жидкости и может значительно увеличить отложение фибриногена для образования первоначального сгустка. Кроме того, ГК ускоряет активность нейтрофильных клеток, участвует в удалении нежизнеспособных тканей и высвобождении интерлейкина-8 (IL-8), IL-1B и фактора некроза опухоли-альфа (TNF-a). Воспалительные цитокины расщепляют высокомолекулярную ГК до низкомолекулярной, которая отвечает за рекрутинг лейкоцитов и моноцитов.
Сегодняэлектрофорез широко используется для удаления белков, и его эффективность зависит от многих факторов, таких как плотность геля, чистота и размер молекул-мишеней. Этот метод не очень распространен для очистки ГК из-за его низкой способности удалять белки. Другим методом очистки ГК является использование листовых полисульфоновых мембран с молекулярной массой 100, 300 и 675 кДа.
Многочисленныеисследования подтвердили, что ГК с различной молекулярной массой выполняет различныефункции. ГК с высокой молекулярной массой благодаря своей высокой вязкоэластичности подавлению воспалительных реакций, широко используется в глазной хирургии и в препаратах для инъекций в суставы. ГК со средней молекулярной массой используется в косметике, глазных каплях, для регенерации тканей кожи и послеоперационных противоадгезионных средствах благодаря своей превосходной влагоудерживающей способности. Низкомолекулярная ГК всасывается в кишечнике и используется в косметических продуктах. Многие лабораторные исследования показали, что физическое разложение, химическая деструкция и биологические методы являются наиболее распространенными и эффективными методами регулирования молекулярной массы ГК.
ГК играет важную роль в гидродинамике клеток и тканей, ионном обмене и транспортировке различных соединений. В зависимости от концентрации и молекулярной массы ГК определяет физиологическую функцию клеток и тканей и защищает от проникновения высокомолекулярных токсинов и микробиологических инвазий. Этот биополимер играет важную роль в развитии макрофагов, эозинофилов и эпителиальных клеток тканей. Его отрицательный заряд, гидрофильность и большая длина полимера приводят к связыванию большого количества воды с матриксом. ГК имеет шесть известных рецепторов на клеточной поверхности, включая CD44, RHAMM, LYVE-1 (рецептор эндотелия лимфатических сосудов HA-1), HARE (рецептор гиалуроновой кислоты для эндоцитоза), lylin и Toll-4 [43]. ГК широко используется в тканевой инженерии и медицине благодаря своим уникальным свойствам.
Тканевая инженерия
Функция ГК в процессе регенерации кости в значительной степени зависит от ее количества и концентрации. ГК в небольших количествах может значительно стимулировать клеточную пролиферацию в бедренной и большеберцовой костях. Высокомолекулярная ГК способствует клеточной адгезии и пролиферации, а также индуцирует экспрессию мРНК остеокальцина, минерализацию и активность щелочной фосфатазы в клетках.
Одни авторы использовали ГК для восстановления костной ткани в зубных полостях человека. Они заполнили одну лунку 1 %-ным раствором геля ГК, а другую - сгустком крови. Через 90 дней после операции в обработанной лунке наблюдался более высокий процент костеобразования, чем в контрольной.
Когда нанофибриллы целлюлозы, функционализированные метакрилатом сшили с метакрилатированной ГК для получения гидрогелей, такой композитный гидрогель продемонстрировал хорошую прочность на сжатие (0,198 ± 0,009 МПа) и хорошую способность к биологическому разложению. Кроме того, гидрогель увеличивал адгезию, пролиферацию и хондрогенную дифференцировку стволовых клеток костного мозга.
Многие исследования подтвердили, что взаимодействие шванновских клеток с внеклеточным матриксом (ВКМ) является ключевым параметром для эффективного восстановления периферических нервов, при котором ВКМ быстро теряет свои исходные белки, включая коллагены, фибронектин и витронектин, сохраняя при этом НА и НА-связывающие белки. ГК играет важную роль в подвижности клеток и накапливается в местах дифференцировки нейронов спинного мозга.
Лечение ран
При повреждении кожи организм немедленно начинает восстанавливать себя. Сразу же после повреждения кожи организм пытается остановить кровоток. Тромбоциты активируются и высвобождают факторы роста и высокомолекулярную ГК. ГК активно вырабатывается в качестве основного компонента отечной жидкости и может значительно увеличить отложение фибриногена для образования первоначального сгустка. Кроме того, ГК ускоряет активность нейтрофильных клеток, участвует в удалении нежизнеспособных тканей и высвобождении интерлейкина-8 (IL-8), IL-1B и фактора некроза опухоли-альфа (TNF-a). Воспалительные цитокины расщепляют высокомолекулярную ГК до низкомолекулярной, которая отвечает за рекрутинг лейкоцитов и моноцитов.
Рисунок 2 гиалуроновая кислота в заживлении ран и регенерации кожи (F. Jabbari et al., 2023)
Есть работа в которой ученые разработали нановолокна на основе ГК, поливинилового спирта и полиэтиленоксида, содержащие эфирное масло корицы и наночастицы ZnO для улучшения заживления ран. Эффективность наночастиц для заживления ран была измерена с использованием полнослойных ран у крыс. Результаты подтвердили, что наночастицы ускоряют заживление без образования гноя в раневом слое. Присутствие антимикробных агентов в составе наночистиц ускоряло заживление ран и значительно повышало антибактериальную активность. На необработанных ранах было обнаружено большое количество грануляционной ткани без каких-либо новообразованных кровеносных сосудов и волосяных фолликулов, в то время как на ранах, обработанных наночастицами с ГК, наблюдалось значительное отложение коллагена, образование толстого слоя эпидермиса с новообразованными кровеносными сосудами и волосяными фолликулами. Они пришли к выводу, что удовлетворительные результаты можно объяснить превосходными ранозаживляющими свойствами ГК, которые усиливают воспаление, миграцию клеток и ангиогенные процессы в процессе заживления ран.
Лечение рака
В последние годы химиотерапия отошла на второй план из-за своих серьезных недостатков, Поэтому для устранения этих недостатков были разработаны различные системы доставки лекарственных средств. Они должны быть безопасными и эффективными и обеспечивать специфическое и долговременное лечение. CD44 сильно экспрессируется в различных раковых клетках, поэтому ГК можно комбинировать с лекарственными препаратами для формирования целевых систем доставки лекарственных средств.
Есть работа в которой ученые разработали нановолокна на основе ГК, поливинилового спирта и полиэтиленоксида, содержащие эфирное масло корицы и наночастицы ZnO для улучшения заживления ран. Эффективность наночастиц для заживления ран была измерена с использованием полнослойных ран у крыс. Результаты подтвердили, что наночастицы ускоряют заживление без образования гноя в раневом слое. Присутствие антимикробных агентов в составе наночистиц ускоряло заживление ран и значительно повышало антибактериальную активность. На необработанных ранах было обнаружено большое количество грануляционной ткани без каких-либо новообразованных кровеносных сосудов и волосяных фолликулов, в то время как на ранах, обработанных наночастицами с ГК, наблюдалось значительное отложение коллагена, образование толстого слоя эпидермиса с новообразованными кровеносными сосудами и волосяными фолликулами. Они пришли к выводу, что удовлетворительные результаты можно объяснить превосходными ранозаживляющими свойствами ГК, которые усиливают воспаление, миграцию клеток и ангиогенные процессы в процессе заживления ран.
Лечение рака
В последние годы химиотерапия отошла на второй план из-за своих серьезных недостатков, Поэтому для устранения этих недостатков были разработаны различные системы доставки лекарственных средств. Они должны быть безопасными и эффективными и обеспечивать специфическое и долговременное лечение. CD44 сильно экспрессируется в различных раковых клетках, поэтому ГК можно комбинировать с лекарственными препаратами для формирования целевых систем доставки лекарственных средств.