Пагубные зависимости 

Синтез гиалуроновой кислоты. Строение и применение в медицине гиалуроновой кислоты. Физиологическая роль гиалуроновых полимеров

Гиалуроновая кислота [ГК] найдена во внеклеточном матриксе позвоночных тканей, в поверхностном покрытии определенных видов Streptococcus и болезнетворных бактериальных микроорганизмов Pasteurella, а также на поверхности некоторых частично пораженных вирусом морских водорослей. Синтазы гиалуроновой кислоты [ГКС], это ферменты, которые полимеризуют ГК, используя UDP-сахарные предшественники, которые найдены во внешних мембранах этих организмов. Были идентифицированы гены ГКС из всех вышеупомянутых источников. Кажется, существуют два отличных класса ГКС, что основано на различиях в аминокислотной последовательности, предсказанной топологии в мембране и предполагаемом механизме реакции.

Все ГКС были определены как синтазы класса I, за исключением ГКС у вида Pasteurella. Был также объяснен каталитический способ работы единственной ГКС класса II (пмГКС). Этот фермент удлиняет внешние ГК-присоединяемые олигосахаридные акцепторы путем добавления индивидуальных моносахаридных единиц к неуменьшающемуся концу, чтобы сформировать длинные полимеры in vitro; ни одна ГКС класса I не имеет такой способности. Способ и направление полимеризации ГК, катализируемой ГКС класса I, остаются неясными. Фермент пмГКС также был проанализирован на предмет двух имеющихся у него активностей: GlcUA-трансферазной и GlcNAc-трансферазной. Таким образом, два активных участка существуют в одном пмГКС полипептиде, опровергая широко принятую догму гликобиологи: "один фермент - один модифицированный сахар". Предварительные свидетельства позволяют предполагать, что у ферментов класса I может также быть два участка активности.

Каталитический потенциал фермента пмГКС может использоваться, чтобы создать новые полисахариды или проектировать олигосахариды. Из-за множества потенциальных ГК-базирующихся медицинских методов лечения, эта хемоэнзиматическая технология обещает принести пользу на пути нашего стремления к хорошему здоровью.

Ключевые слова

Гиалуроновая кислота (ГК), хондроитин, гликозилтрансфераза, синтаза, катализ, механизм, химерные полисахариды, монодисперсные олигосахариды

Введение

Гиалуронан [ГК] - очень богатый глюкозаминогликан в организме позвоночных, имеющий и структурную, и сигнальную роли. Определенные патогенные бактерии, а именно, группы А и С вида Streptococcus и тип А Pasteurella multocida, производят внеклеточный покрывающий ГК, называемый капсулой. У обоих видов ГК капсула и является фактором ядовитости, который обеспечивает бактериям сопротивляемость фагоцитам и комплементарность. Другой организм, производящий ГК - это морская водоросля хлорелла, инфицированная определенным большим двухцепочечным ДНКовым вирусом PBCV-1. Роль ГК в жизненном цикле этого вируса пока не ясна на данный момент.

Иллюстрация 1. Реакция биосинтеза ГК.

Ферменты класса гликозилтрансфераз, которые полимеризируют ГК, называются ГК-синтазами (или ГКС), по старой терминологии, включающей также ГК-синтетазы. Все известные ГК-синтазы - это разновидности одного полипептида, ответственные за полимеризацию цепи ГК. UDP-сахарные предшественники, UDP-GlcNAc и UDP-GlcUA используются ГК-синтазами в присутствии двухвалентного катиона (Mn и/или Mg) при нейтральном pH (рис. 1). Все синтазы являются мембранносвязанными белками в живой клетке и обнаружены в мембранной фракции после лизиса клеток.

Между 1993 - 1998 были идентифицированы и клонированы на молекулярном уровне ГК-синтазы групп A и С Streptococcus [спГКС и сеГКС соответственно], ГК-синтазы позвоночных животных [ГКС 1,2,3], ГК-синтаза водорослевого вируса [свГКС], а также ГК-синтаза типа A вида Pasteurella multocida [пмГКС]. Первые три типа ГК-синтаз, кажется, очень похожи в размере, аминокислотной последовательности и предсказанной топологии в мембране. ГК-синтаза вида Pasteurella, напротив, больше и обладает существенно отличающейся от других синтаз последовательностью и предсказанной топологией. Поэтому, мы предположили существование двух классов ГК-синтаз (таблица 1). Ферменты класса I включают стрептококковые, позвоночные и вирусные белки, в то время как белок вида Pasteurella в настоящее время единственный член класса II. У нас также есть некоторые свидетельства того, что каталитические процессы ферментов класса I и класса II отличаются.

Таблица 1. Два класса ГК-синтаз:

Хотя ГК-синтаза вида Pasteurella был последним обнаруженным ферментом из всех, некоторые особенности пмГКС способствовали существенному продвижению в его изучении в сравнении с некоторыми членами ферментов класса I, которые исследовались четыре десятилетия. Ключевая особенностью пмГКС, которая позволила разъяснить молекулярное направление полимеризации и идентификацию ее двух активных участков - это способность пмГКС удлиннять внешне расположенный акцепторный олигосахарид. Рекомбинантная пмГКС добавляет одиночные моносахариды повторным способом к ГК-ассоциированному олигосахариду in vitro. Внутренняя особенность каждой передачи моносахарида ответственна для того, чтобы формировать альтернативное повторение дисахаридов в этом глюкозаминогликане; одновременное формирование дисахаридной единицы не требуется. С другой стороны, никакое подобное удлиннение внешних акцепторов не было доказано ни для какого фермента класса I. Через фундаментальное научное исследование мы теперь развили некоторые биотехнологические применения замечательного белка класса ГК-синтаз вида Pasteurella.

Материалы & методы

Реагенты

Все реактивы для молекулярнобиологических исследований без специальной пометки были от Promega. Стандартные олигонуклеотиды были от Great American Gene Company. Все другие реактивы высокой чистоты, если иначе не отмечено, были от Sigma или от Fisher.

Усечение пмГКС и точечные мутанты

Был произведен ряд усеченных полипептидов, путем амплификации pPm7А вставки методом полимеразной цепной реакцией с Taq-полимеразой (Fisher) и синтетическими олигонуклеотидными праймерами, соответствующими различным частям пмГКС, с открытой рамкой считывания. Ампликоны затем были клонированы в плазмиду для экспрессии pKK223-3 (tac промотор, Pharmacia). Получившимися рекомбинантными конструкциями были трансформированы клетки Escherichia coli штамма TOP 10F" (Invitrogen) и выращены на среде LB (Luria-Bertani) с ампициллиновой селекцией. Мутации были сделаны, используя метод QuickChange сайт-направленного мутагенеза (Stratagene) с плазмидой pKK/пмГКС как ДНК шаблон.

Приготовление фермента

Для приготовления мембраны, содержащей рекомбинантный пмГКС полной длины, пмГК1-972 был изолирован из E.coli, как описано. Для растворимых усеченных пмГКС белков, пмГКС1-703, пмГКС1-650 и пмГКС1-703 - содержащих мутантов, клетки были извлечены с помощью В-PerТМ II Bacterial Protein Extraction Reagent (Pieree) согласно инструкции производителя, за исключением того, что процедура была выполнена при 7°C в присутствии ингибиторов протеаз.

Ферментные пути полимеризации ГК. GlcNAc модификация или GlcUA модификация

Три варианта было разработано, чтобы обнаружить происходит ли (а) полимеризация длинных цепей ГК или (b) добавление одиночного GlcNAc к GlcUA-конечному акцепторному олигосахариду ГК , или (c) добавление одиночного GlcUA к GlcNAc-конечному акцепторному олигосахариду ГК . Полная активность ГКС была оценена для раствора, содержащего 50 mM Tris, pH 7.2, 20 mM MnCl2, 0.1 M (NH4)2SO4, 1 M этиленгликоля, 0.12 mM UDP-(14C)GlcUA (0.01 μCi; NEN), 0.3 mM UDP-GlcNAc и различный набор ГК олигосахаридов, полученный из тестикул путем обработки гиалуронидазой [(GlcNAc-GlcUA)n, n= 4-10] при 30°C в течение 25 минут в объеме реакционной смеси 50 мкл. GlcNAc-трансферазная активность была оценена в течение 4 минут в той же буферной системе с различным набором ГК олигосахаридов, но только с одним сахаром в роли предшественника - 0.3 mM UDP-(3H)GlcUA (0.2 μCi; NEN). GlcUA-трансферазная активность была оценена в течение 4 минут в той же самой буферной системе, но только с 0.12 mM UDP-(14C)GlcUA (0.02 μCi) и с нечетным набором ГК олигосахаридов (3.5 мкг уроновой кислоты), приготовленных при помощи воздействия ацетата ртути на ГК-лиазу Streptomyces. Реакции были прекращены путем добавления SDS до 2% (w/v). Продукты реакции были отделены от субстратов путем бумажной (Whatman 3M) хроматографии с этанолом/1 М сульфат аммония, pH 5 5, как основной растворитель (65:35 для ГКС и оценки GlcUA-Tase; 75:25 для оценки GlcNAc-Tase). Для оценки ГКС образец бумажной полосы был промыт водой, и объединение радиоактивных сахаров в полимер ГК было обнаружено по сцинтилляции жидкости, рассчитанной при помощи BioSafe II коктейля (RPI). Для реакций полуиспытания образец и расположенные вниз по течению 6 см полосы были посчитаны по частям в 2 см. Все оценочные эксперименты были просчитаны таким образом, чтобы быть линейными относительно времени инкубации и концентрации белка.

Гель-фильтрационная хроматография

Размер ГК полимеров был проанализирован хроматографически на колонках Phenomenex PolySep-GFC-P 3000, элюция производилась 0.2 M нитратом натрия. Колонка была стандартизована флуоресцентными декстранами различного размера. Радиоактивные компоненты были обнаружены с помощью датчика LB508 Radioflow (EG & G Berthold) и коктейля Zinsser. По сравнению с полной оценкой ГКС, используя бумажную хроматографию, описанную выше, эти 3-минутные реакции содержали дважды UDP-сахарные концентрации, 0.06 μCi UDP-(14C)GlcUA и 0.25 нанограмма ряда ГК олигосахаридов. Кроме того, использовалось добавление кипящего (2 минуты) этилендиамина тетрациловой кислоты (финальная концентрация 22 mM), чтобы закончить реакции вместо добавления SDS.

Результаты и обсуждение

Утилизация и специфичность акцептора ГКС

Некоторые олигосахариды были проверены, в качестве акцепторов для рекомбинантного пмГКС1-972(Таблица 2). ГК олигосахариды были получены из тестикул путем гиалуронидазного щепления, а удлиннены пмГКС с помощью доставляемых подходящих UDP-сахаров. Восстановление борогидратом натрия не нарушает активность акцептора. С другой стороны, олигосахариды, полученные из ГК при помощи отщепления лиазой, не поддерживают удлиннение; дегидратированные ненасыщенные невосстановленные концевые остатки GlcUA нуждаются в гидроксильных группах, которые смогли бы присоединить входящий сахар из UDP-предшественника. Поэтому пмГКС-катализируемое удлиннение происходит в случае невосстановленных концевых групп. В ряде параллельных экспериментов было обнаружены рекомбинантные формы синтаз класса I - спГКС и х1ГКС, которые не удлинняют ГК-получаемые акцепторы. Принимая во внимание направление активности ферментов класса I, противоречивые сообщения были сделаны и необходимы дальнейшие исследования.

Таблица 2. Специфика олигосахаридных акцепторо пмГКС:

Интересно, что хондроитин сульфат пентамер является хорошим акцептором для пмГКС. Другие структурно связанные олигосахариды такие, как хитотетроза или хепарозан пентамер, однако, не служат акцепторами для пмГКС. В целом, пмГКС, кажется, требует, β-связанных GlcUA-содержащих акцепторных олигосахаридов. Мы выдвигаем гипотезу, что участок связывания олигосахаридов промежуточен в цепи удерживания ГК во время полимеризации.

Молекулярный анализ активности пмГКС трансферазы: два активных участка в одном полипептиде

Возможность измерить два компонента гликозилтрансферазной активности ГК синтазы, GlcNAc-трансфераза и GlcUA-трансфераза, позволил молекулярный анализ пмГКС. Мы отметили, что короткий дублированный мотив последовательности: Asp-Gly-Ser (Аспарагиновая к-та-Глицин-Серин), присутствовал в пмГКС. Из анализа сравнения гидрофобных групп многих других гликозилтрансфераз, которые производят β-связанные полисахариды или олигосахариды предположили, что вообще, существует два типа доменов: области "A" и "Б". ПмГКС, синтаза класса II, тем и уникальна, что содержит два "А" домена (личная коммуникация, B.Henrissat). Было предложено, что определенные члены класса I ГК синтаз (спГКС) содержат одиночные "А" и одиночные "Б" области. Различное удаление или точечные мутанты пмГКС были оценены для их способности полимеризовать ГК цепи или их способность добавлять одиночный сахар к ГК акцепторному олигосахариду (Таблица 3). Суммируя сказанное, пмГКС содержит два отличных друг от друга активных участка. Мутагенез аспартата мотива DGS (остаток 196 или 477) по обоим сайтам приводи к потере ГК полимеризации, но активность другого сайта оставалась относительно незатронутой. Таким образом, двойная активность ГК синтазы была преобразована в два различных одиночных действия гликозилтрансферазы.

Таблица 3. Активность пмГКС с удаленным участком или точечной мутацией.

Удаление последних 269 остатков от конечной карбоксильной группы преобразовало слабо выраженный мембранный белок в хорошо выраженный растворимый. Рассмотрение аминокислотной последовательности белка пмГКС в этой области, однако, не показывает типичных особенностей вторичной структуры, которые обеспечили бы прямое взаимодействие фермента с двойным слоем липида. Мы выдвигаем гипотезу, что конечная карбоксильная группа каталитического фермента пмГКС стыкуется с направляющим мембраносвязанным полисахарида транспортного аппарата живущей бактериальной клетки.

Первая "A" область пмГКС, А1, является GlcNAc-тазой, в то время как вторая "A" область, A2, является GlcUA-тазой (рис. 2). Это - первая идентификация двух активных участков для фермента, который производит гетерополисахарид, так же как ясное доказательство, что один фермент может действительно передать два различных сахара. Отличный от типа F фермент вида P. multocida, названный пмЦС, был найден, и вяснено, что он катализирует формирование несульфатируемого полимера хондроитина. ГК и хондроитин идентичны в структуре, за исключением упомянутого выше полимера, который содержит N-ацетилглюкозамин вместо GlcNAc. И пмГКС, и пмЦС на 87 % идентичны на уровне аминокислот. Большинство изменений в остатках находятся в области А1, что вполне совместимо с гипотезой о том, что эта область ответственна за передачу гексозамина.

Иллюстрация 2. Схематическое изображение пмГКС областей.
Два независимых трансферазных домена, А1 и A2, ответственны за катализ полимеризации цепи ГК. Повторяющиеся последовательные добавления одиночных сахаров быстро строят цепь ГК. Похоже, что карбоксильный конец пмГКС некоторым способом взаимодействует с мембранносвязанным транспортным аппаратом бактериальной клетки.

Иллюстрация 3. Модель биосинтеза ГК при помощи пмГКС.
Одиночные сахара добавляются к каждому "A" домену повторным способом к невосстанавливающемуся концу цепи ГК. Внутренняя точность каждой стадии активности трансферазы поддерживает повторение структуры дисахаридов ГК. Возникающая цепь ГК вероятно сохраняется пмГКС во время катализа через олигосахарид-связывающий участок.

Мы продемонстрировали эффективную передачу одиночного сахара с помощью пмГКС in vitro несколькими типами экспериментов, поэтому, мы выдвинули гипотезу, что цепи ГК формируются быстрым, повторяющимся добавлением одиночного сахара синтазой класса II (рис. 3). К настоящему времени, одна линия свидетельства предполагает, что фермент класса I также обладает двумя участками трансферазы. Мутация лейцинового остатка 314 на валин в ммГКС1, в части предварительного участка GlcUA-тазы, как сообщали, преобразовала эту ГКС позвоночного животного в хито-олигосахаридную синтазу. Ни один участок с соответствующей активностью GlcNAc-трансферазы не был идентифицирован.

Прививание полимера полисахаридными синтазами: добавление ГК к молекулам или твердым частицам

Исследование пмГКС в научно-исследовательской лаборатории преобразовало представления о ГК синтазах от царства трудных, упорных животноподобных чудовищ до потенциальных биотехнологических рабочих лошадок. Новые молекулы могут быть сформированы, используя способность пмГКС привить длинные цепи ГК на коротких ГК полученных цепях или хондроитин-производных акцепторах. Например, полезные акцепторы могут состоять из маленьких молекул или лекарств с ковалентно связанной ГК или хондроитин-олигосахаридные цепи (длиной в 4 сахара, например). В другом случае, цепи ГК могут быть добавлены к олигосахаридному праймеру, иммобилизованному на твердой поверхности (таблица 4). Таким образом, длинные цепи ГК могут быть мягко добавлены к чувствительным веществам или тонким устройствам.

В другом приложении, новые химерные полисахариды могут быть сформированы потому, что использование пмГКС олигосахаридным акцептором не столь же строго, как сахаридная трансферазная специфика. Хондроитин и хондроитин-сульфат признаны как акцепторы пмГКС и удлинняются ГК цепью различных длин (рис. 4). Наоборот, пмЦС очень гомлогичная хондроитин синтазе, распознает и удлинняет ГК акцепторы цепями хондроитина. Химерные молекулы глюкозаминогликана сформированы, содержа естественные, определенного соединения связи. Эти привитые полисахариды могут служить, чтобы присоединиться к клетке или ткани, которая связывает ГК с другой клеткой или ткань, связывающей хондроитин или хондроитин-сульфат. В определенных аспектах, привитые глюкозаминогликаны напоминают протеогликаны, которые являются существенными компонентами матрикса в тканях позвоночных. Но так как никакие компоновщики белка не присутствуют в химерных полимерах, то антигенность и проблемы протеолизиса, возникающие вокруг медицинского использования протеогликанов, устранены. Риск передачи инфекционных агентов тканями, извлеченными из животных, человеческому пациенту также уменьшен при использовании химерных полимеров.

Таблица 4. ПмГКС-инициированное прививание ГК на бусинки полиакриламида. Реакционная смесь содержит пмГКС, несущий радиоактивную метку UDP-(14C)GlcUA и UDP-(3H)GlcNAc, а также различные иммобилизованные праймеры сахаров (акцепторы, соединенные восстановительным аминированием в аминобусины) были представлены. Бусинки были промыты и радиоактивно инкорпорированы на другие бусины, измеренные методом расчета жидкостной сцинтилляции. ГК цепи были привиты на пластиковые бусины при использовании подходящего праймера и пмГКС.

Иллюстрация 4. Схематическое изображение привитых полисахаридных структур. ГК синтаза вида Pasteurella или хондроитин синтаза будут удлиннять определенные другие полимеры на невосстанавливающемся конце in vitro, чтобы сформировать новые химерные глюкозаминогликаны. Изображены некоторые примеры.

Синтез монодисперсной ГК и ГК-связанных олигосахаридов

В дополнение к добавлению большой полимерной ГК цепи к молекулам акцептора, пмГКС синтезируют определенные меньшие ГК олигосахариды в диапазоне от 5 до 24 сахаров. Используя фермент дикого типа и различные условия реакции, был относительно легко получен ГК олигосахарид, содержащий 4 или 5 моноахаридов, удлиненных несколькими сахарами до более длинных версий, которые очень часто трудно получить в больших количествах. Мы выяснили, что, комбинируя растворимый мутант GlcUA-Tase и растворимый мутант GlcNAc-Tase в той же самой смеси реакции позволяет формирование ГК полимера, если система снабжена акцептором. В течение 3-х минут была сделана цепь из примерно 150 сахаров (-30 кДа). Любая одиночная мутант-синтаза не сформирует в результате цепь ГК. Поэтому, если дальнейший контроль реакции сделан путем выборочного комбинирования различных ферментов, UDP-сахаров и акцепторов, то могут быть получены определенные монодисперсные олигосахариды (рис. 5).

Иллюстрация 5. Приготовление определенных олигосахаридов.
В этом примере, акцептор ГК тетрасахарид удлинняется одиночной хондроитин дисахаридной единицей, используя два шага с иммобилизованным мутантом синтазы вида Pasteurella (показано белыми стрелками). Изображенный продукт является новым гексасахаридом. Повторение цикла еще раз производит олигосахарид, два цикла формируют декасахарид, и т.д. Если акцептор был ранее соединен с другой молекулой (например препарат или лекарство), тогда новый конъюгат был бы удлиннен коротким ГК, хондроитином или гибридной цепью как и желательно.

Например, в одном воплощении, смесь UDP-GlcNAc, UDP-GlcUA и акцептора постоянно циркулирует через отдельные биореакторы с иммобилизованными мутант-синтазами, которые передают только одиночный сахар. С каждым циклом инкубации биореактора другая сахарная группа добавляется к акцептору, чтобы сформировать маленькие определенные ГК олигосахариды. Использование похожего пмЦС мутанта (например GalNAc-Tase) в одном из шагов позволило происходить формированию смешанных олигосахаридов при использовании UDP-GlcNAc. Биологическая активность и терапевтический потенциал маленьких ГК олигосахаридов - сложная область для исследования, которая потребует определенных, монодисперсных сахаров для однозначной интерпретации.

Заключение

Очевидно, существуют два различных класса ГК синтаз. Наиболее хорошо охарактеризован фермент класса II вида Рasteurella, удлинняющий цепь ГК повторяющимся присоединением одиночного сахара на невосстанавливающийся конец цепи ГК. Направление и способ работы синтаз класса I (стрептококковые, вирусные и ферменты позвоночных) остаются неясными. Относительно прикладных наук, способность пмГКС удлиннять экзогенно расположенные акцепторные молекулы полезна для создания новых молекул и/или устройств с потенциальным медицинским применением.

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.

В косметологии наибольший успех имеют инъекционные процедуры - контурная пластика, биоревитализация, биорепарация. Активным компонентом препаратов, применяющихся для их выполнения, является гиалуроновая кислота (ГК). Несмотря на неоднозначные высказывания в СМИ, гиалуроновая кислота в косметологии не теряет своей популярности уже на протяжении около двух десятков лет.

Роль ГК в организме человека

Все системы и органы состоят из клеток: кровь - из форменных элементов, печень - из гепатоцитов, нервная система - из нейронов. Пространство между всеми клетками занимает соединительная ткань, составляющая около 85% всего организма. Являясь единой структурой, она взаимодействует со всеми другими тканями (эпителиальной, нервной, мышечной и т. д.) и осуществляет их взаимосвязь между собой.

Соединительная ткань, в зависимости от ее состава, может быть в различных физических состояниях - в жидком (кровь, лимфа, синовиальная внутрисуставная и спинномозговая жидкость), твердом (кость), в виде геля (межклеточная жидкость и хрящ, стекловидное тело глаза). Наиболее полно она присутствует в кожных структурах - дерме, гиподермальном и базальном слоях.

Соединительную ткань от других тканей организма отличает высокая развитость ее основы при относительно небольшом количестве структур клеток. Основа состоит из эластиновых и коллагеновых волокон, а также сложных молекулярных белковых и аминокислотных соединений с аминосахарами. Важнейшим из них и является гиалуроновая кислота.

Одна молекула ГК способна связывать около 500 молекул воды. В организме человека среднего возраста она синтезируется фибробластами в количестве 15-17 гр. Половина ее содержится в клетках рогового слоя кожи, а также между волокнами эластина и коллагена. Она стимулирует выработку этих белков, создает условия для их фиксированного расположения, придавая тем самым упругость и эластичность кожному покрову.

Видео

Процессы старения тканей

Под воздействием фермента гиалуронидазы гиалуроновая кислота разрушается. Процессы ее восстановления и расщепления происходят непрерывно. Около 70% разрушается и восстанавливается в течение суток. Преобладание того или иного процесса зависит от:

  • суточных и сезонных биоритмов;
  • возраста;
  • психологического состояния;
  • нерационального питания;
  • никотиновой интоксикации и избыточного УФ облучения;
  • приема определенных медикаментозных препаратов и пр.

Эти факторы влияют не только на синтез ГК (гиалуроната), но и на его структуру. Снижение его количества приводит к уменьшению связанной воды в тканях и появлению признаков их старения. Дефектные же молекулы сохраняют способность связывать воду, но теряют способность отдавать ее. Кроме того, естественные возрастные процессы приводят к концентрации ГК в глубоких кожных слоях, что является причиной межклеточного отека ткани на границе дермы и гиподермы и обезвоженности более поверхностных слоев.

Все эти процессы с увеличением возраста и под влиянием негативных факторов нарастают и приводят к сухости кожи при одновременной одутловатости лица и отеков под глазами, снижению ее эластичности и упругости, появлению морщин и пигментации.

Виды ГК в организме

Уникальность ее состоит в наличии молекул с различной длиной цепочки полисахаридов. От длины цепочки во многом зависят свойства гиалуроновой кислоты и ее влияние на клетки:

  1. Молекулы с короткой цепью, или низкомолекулярная гиалуроновая кислота - оказывает противовоспалительное действие. Этот вид кислоты применяется в целях лечения ожоговой болезни, трофических язв, угрей, псориаза и герпетических высыпаний. Она используется в косметологии в виде одного из компонентов тоников и кремов наружного применения, так как, не теряя своих свойств, длительно и глубоко проникает в кожу.
  2. Среднемолекулярная ГК, обладающая свойством подавления миграции, размножения клеток и др. Она используется при лечении глаз и некоторых видов артритов.
  3. Высокомолекулярная - стимулирует клеточные процессы в коже и обладает свойством удерживать большое число молекул воды. Она придает коже упругость и высокую устойчивость к внешним негативным факторам. Этот вид используется в офтальмологии, хирургии, а в косметологии - в препаратах для инъекционных методик.

Промышленные виды

В зависимости от технологии производства гиалуронат натрия подразделяется на два вида:

  1. Длительное время применялись препараты с гиалуроновой кислотой животного происхождения. Ее получали путем ферментативного расщепления измельченных частей животных (глаза и хрящи крупного рогатого скота, петушиные гребни, синовиальная внутрисуставная жидкость, пуповины) в результате специальной двухэтапной очистки и осаждения. Технология предусматривала использование дистиллированной воды и высокой температуры (85-100 градусов). Значительная часть высокомолекулярной фракции разрушалась, превращаясь в низкомолекулярную. Кроме того, оставались белки животного происхождения.

    Эффект после инъекций таких препаратов в целях косметической коррекции лица сохранялся недолго, иногда способствовал образованию дермальных узлов. Но препарат особенно был опасен тем, что часто становился причиной выраженных воспалительных и аллергических реакций из-за наличия животного белка. Поэтому такая технология уже почти не применяется.

  2. С недавнего времени в фармацевтической промышленности ГК получают способом биотехнологического синтеза. В этих целях используются микроорганизмы (стрептококки), выращенные на пшеничном бульоне. Они вырабатывают гиалуроновую кислоту, которая на последующих этапах очищается, высушивается и подвергается многократному бактериологическому и химическому исследованиям. Такой препарат почти полностью соответствует кислоте, вырабатываемой в организме человека. Он почти не вызывает аллергических и воспалительных реакций.

Применение в косметологии

Гиалуроновая кислота применяется для введения в кожу и подкожные слои с помощью различных способов:

  1. Инъекционных.
  2. Безинъекционных.

Инъекционные процедуры с гиалуроновой кислотой применяются в таких методиках, как:

  • , и - введение препарата в средние слои кожи; применяется при возрастных изменениях, сухости кожного покрова и для повышения его эластичности, тонуса и цвета, устранения угревой сыпи, растяжек и т. д.; длительность сохранения гиалуроновой кислоты в дерме - до 14 суток;
  • - заполнение веществом подкожных структур с целью разглаживания морщин и коррекции контуров лица; препарат сохраняется под кожей в течение 1-2 недель;
  • и - введение модифицированной гиалуроновой кислоты, которая сохраняется в коже до 3 недель.

Вопросы

Что лучше: ботокс или ГК?

Учитывая разнонаправленность механизмов действия ботокса и гиалуроновой кислоты, они применяются для достижения различных эффектов. Возможно их сочетание. Однако необходимо помнить о том, что после введения должно пройти не менее двух недель.

Можно ли совмещать введение коллагеновых филлеров и ГК?

Хорошо сочетаются филеры на основе коллагена и ГК. Первый обеспечивает коже плотность и структуру и действует в среднем 4 месяца, второй - естественное увлажнение и прочность в течение 6-9 месяцев.

Любое применение инъекций гиалуроновой кислоты должно осуществляться только врачом-косметологом.

Гиалуроновая кислота была открыта в 1934 году, первые же детальные ее исследования начали проводиться в 1949 – 1950 годах. Это вещество было выделено из различных тканей животных - суставной жидкости, пуповины и тканей петушиного гребня. Кроме того, в 1937 году гиалуроновую кислоту удалось получить из капсул стрептококков. Первые исследования физических и химических свойств гиалуроновой кислоты проводились методом рентгеновской кристаллографии.

Проблемы получения ГК

Основной проблемой при исследовании гиалуроновой кислоты, с которой столкнулись ученые, была сложность ее выделения в чистом виде, очищенной от белков и иных компонентов. Трудность возникала потому, что всегда имел место риск разрушения полимерной структуры гиалуроновой кислоты в процессе очистки. При этом ученые испробовали разнообразные методы физической, химической и ферментативной очистки.

Чуть позже начались исследования возможности биосинтеза гиалуроновой кислоты. В 1955 году такой способ впервые был найден. Группа ученых выделила молекулы гиалуроновой кислоты из экстракта стрептококков. Благодаря этому открытию стало возможным синтезировать гиалуроновую кислоту - используя ферментативную фракцию, взятую из стрептококков.

Гиалуроновая кислота - Применение

Главный прорыв в применении гиалуроновой кислоты произошел в 50-ые годы. Благодаря открытию этого вещества для использования в медицине, было начато его промышленное производство и популяризация в качестве лекарственного средства.

В 1970 году гиалуроновая кислота была утверждена, как доказано эффективное средство от артритов - после получения положительных результатов тестирования на животных. В результате проведенного опыта был отмечен выраженный клинический эффект с уменьшением симптомов.

Несколькими годами позже гиалуроновую кислоту начали использовать в составе имплантируемых внутриглазных линз, что быстро сделало ее одним из наиболее часто использующихся компонентов в хирургической офтальмологии. С этого момента стали предлагаться и испытываться различные способы и области применения гиалуроновой кислоты.

ГК на сегодняшний день

В 90-е годы гиалуроновая кислота нашла широкое применение в эстетической медицине и косметологии, благодаря своим уникальным влагоудерживающим, а также антисептическим и антиоксидантным свойствам. По настоящее время она используется в различных косметологических целях, а исследования ее свойств и возможных областей применения продолжаются.

Сегодня упоминаниями о гиалуроновой кислоте пестрят как глянцевые издания, так и страницы обычных СМИ. Последние несколько лет нам не перестают твердить, что «секрет вечной молодости кожи раскрыт» и предлагают воспользоваться этим «эликсиром». Давайте попробуем разобраться, чего же в этом нездоровом ажиотаже больше – правдивой информации, точного коммерческого расчёта или банальных обывательских заблуждений.

Открытия прошлого, не оправдавшие надежд

Если заглянуть в совсем недавнее прошлое, то можно вспомнить, что аналогичные ситуации уже были в истории медицины:

  • Открытие пенициллина преподносилось, как полная победа над микроорганизмами (чего, к огромному сожалению, не произошло, несмотря на теперешний спектр ).
  • Выпускаемому инсулину пророчили победу над (препарат для диабетиков жизненно важный и крайне необходимый, но до полной победы над диабетом еще очень далеко).
  • Использование первых нейролептиков преподносилось, как возможность излечения от определенных расстройств психики, но и тут все далеко от идеальных ожиданий.

В общем, истинная картина по прошествии некоторого времени всё-таки отличается от прогнозов и первоначальных оценок. Поэтому очень важно относиться ко всему критично и максимально объективно.

Развенчиваем мифы о гиалуроновой кислоте

Никто из медиков не будет спорить, что гиалуроновая кислота важна для организма человека, но то множество информации, которое сегодня можно встретить в СМИ и которое выдаётся за истину, увы, приходит к нам не от профессионалов. Чаще всего новаторские мысли в народ несут различного рода бьюти-эксперты, блоггеры-самоучки и другие люди без профильного – медицинского, фармацевтического или биологического образования. Они высказываются о медицинском препарате на основании собственных оценочных впечатлений, информации из сомнительных источников или информации, вырванной из контекста

Так рождаются заблуждения. Давайте попробуем отделить зерна от плевел и разобраться в этом вопросе более детально.

Истина

Главное заблуждение в том, что препарат называют в единственном числе, а правильно называть во множественном – кислоты, так как это одно из соединений группы кислых мукополисахаридов, куда входят и другие соединения аналогичного состава и свойств, причем масса их может колебаться в широких пределах. Так как подавляющее большинство препаратов, выходящих под названием «гиалуроновая кислота» производится из биологического сырья без специального разделения фракций, то и считать препарат именно одним, чистым, соединением совсем некорректно.

Гиалуроновая кислота – результат открытий бьюти-лабораторий последний двух-трех десятилетий.

Само вещество было открыто еще в 1930 году и изучением её свойств, функций, а также возможностями применения занялись практически сразу после открытия. Сами исследования не прекращались, а начиная с 70-х годов прошлого века их интенсивность стала нарастать.

Данное вещество используется в косметической и косметологической продукции

Помимо этого развитого направления гиалуроновая кислота применяется при различных заболеваниях других органов и систем в качестве лекарственного средства.

В косметологических средствах улучшает проникновение полезных веществ внутрь кожи

Не влияет на уровень клеточной и межклеточной проницаемости для различных веществ

Старение кожи связано с потерей жидкости из-за уменьшения уровня веществ этой группы во всех слоях кожи

Если снижение содержания гиалуронатов и происходит с возрастом, то не столь значительно, а старение, в том числе и кожи, – сложнейший многогранный общебиологический процесс и сводить его проявления к столь банальным причинам – просто глупо

Правда о гиалуроновой кислоте

Все свойства и характеристики и отличительные особенности гиалуроновой кислоты подробно описываются в научной и медицинской литературе. Однако она пересыщена множеством терминов, что делает имеющуюся информацию не всегда понятной для простого обывателя.

Если попытаться все несколько упростить – получается что:


Для каждой из фракций присущ свой набор свойств и характеристик. Так низкомолекулярные разновидности вещества обладают прекрасным противовоспалительным действием, что обеспечило их применение при ожогах, трофических язвах, герпетических высыпаниях, псориазе. Среднемолекулярная гиалуроновая кислота способна подавлять размножение клеток и их миграции. Благодаря этим свойствам её задействуют при лечении некоторых артритов и болезней глаз. Высокомолекулярные фракции удерживают вокруг себя огромное количество молекул воды и стимулируют клеточные процессы в самой коже. Эта разновидность гиалуроновой кислоты нашла своё применение в хирургии, офтальмологии и косметологии

Важно знать! Использовать препарат с неуказанной величиной молекул действующего вещества категорически нельзя, так как можно не только не добиться желаемого результата, но и ухудшить состояние.

Основные показания к применению гиалуроновой кислоты

Всегда следует помнить, что введение в организм препаратов гиалуроновой кислоты инъекционно является в первую очередь медицинской манипуляцией. Для использования различных методик и проведения процедур имеются достаточно строгие медицинские критерии.

Так, основными показаниями к применению гиалуроновой кислоты являются:

  • появление морщин (снижение тургора кожи) вследствие потери влаги;
  • увеличение выраженности имеющихся морщин;
  • выраженные мимические морщины;
  • необходимость нормализации рельефа кожи;
  • необходимость улучшения тургора и контура красной каймы губ.

Препараты гиалуроновой кислоты в эстетической медицине

В современной косметологии восстребованность гиалуроновой кислоты в виде уколов или других форм препарата объясняется:


Современный фармакологический рынок предлагает гиалуроновую кислоту в виде инъекций. При этом она может быть в виде:

  • Мезококтейля , включающего в себя основное вещество, дополненное пантенолом, витаминами, коэнзимами, факторами клеточного роста, пептидами и пр. веществами
  • Филлеров – дермального наполнителя из сшитой ГК, который со временем биодеградирует – рассасывается в организме. Выпускается в виде геля различной степени вязкости. Чем более вязкое вещество, тем с большими проблемами оно призвано справиться.
  • Редермализантов и биоревитализантов . В настоящее время на прилавках аптек можно найти 3 поколения этих препаратов. В основе последних – нуклеиновые кислоты, создающие с ГК комплексы, способные восстанавливать ДНК клеток и ускорять выработку собственной гиалуроновой кислоты, а также эластина и коллагена.
  • Биорепарантов – препаратов, содержащих измененную ГК, к цепи которой прикреплены пептиды, витамины, аминокислоты. Они обладают пролонгированным и усиленным действием.

Обратите внимание: в индустрии красоты могут быть задействованы мази, кремы, гели, лосьоны для наружного применения, но их эффективность гораздо ниже эффективности гиалуроновой кислоты для инъекций.

Основные типы процедур для улучшения состояния кожи лица

Наиболее востребованнымиинъекционными процедурами с гиалуроновой кислотой стали:


Основные противопоказания к применению гиалуроновой кислоты

Если маркетологи пытаются вас уверить в том, что уколы гиалуроновой кислоты, куда бы они не осуществлялись, максимально безопасны, знайте: это ложь! На фоне определенных процедур они действительно безопаснее, однако и у этого препарата есть собственные противопоказания.

В числу основных относятся:

  1. Любые аллергические реакции на действующее вещество или его компоненты.
  2. Любые инфекционные заболевания в остром периоде.
  3. Беременность, роды и последующая лактация.
  4. Патология соединительной ткани.
  5. Общие и системные заболевания, такие как аутоиммунные поражения, онкологическая патология любых органов и систем, сахарный , патология свертывающей системы крови.

Ко всему, в месте инъекций не должны располагаться , родимые пятна, родинки, шрамы и воспалительные процессы. При несоблюдении этих противопоказаний результаты могут быть плачевными.

Эффективность кремов с гиалуроновой кислотой

Отдельную группу препаратов, причем достаточно распространенных, составляют кремы с гиалуроновой кислотой. Их применяют путем нанесения на поверхность кожи, где они и производят непосредственный эффект.

Для поверхностных изменений, защиты кожи используются средства, содержащие высокомолекулярные фракции, которые создают защитный слой и не проникают внутрь кожи.

Для корректировки глубоких, возрастных изменений лучше подходят средства с низкомолекулярными фракциями действующего вещества, так как оно частично может проникать на определенную глубину во внутренние слои, где и осуществляется их биологическое действие.

Всё большую популярность в последнее время приобретают безинъекционные методики, подразумевающие нанесение геля на кожу с последующим воздействием микротоков, лазера, ультразвука.

Хочется закончить советом: для всего есть свое время и свои причины, а основное правило здоровой жизни, отличного настроения и прекрасной внешности – это умеренность. В погоне за красотой старайтесь использовать даже такое средство, как гиалуроновая кислота, без излишеств, и ваша кожа будет выглядеть хорошо даже в глубокой старости.

Более подробную информацию о применении препаратов гиалуроновой кислоты для лица вы получите, посмотрев видео-обзор:

Совинская Елена Николаевна, терапевт.