Хиалуроновата киселина е продукт от животински произход, който се използва широко в медицината и козметологията. Свойствата на това вещество все още не са напълно изяснени и ефектът му върху човешкото тяло е обещаващ за създаването на лекарства от ново поколение. Това съединение участва активно в процесите на ембриогенеза, клетъчно делене, тяхната диференциация и движение по време на имунния отговор.
История на откриването и терминология
Хиалуроновата киселина съгласно формулата се отнася до гликозаминогликани, чиито молекули се състоят от повтарящи се единици, които не съдържат сулфатни групи. За първи път това високомолекулно съединение е изолирано от стъкловидното тяло на говеда. Първоначално учените предположиха, че веществото е характерно само за бозайници. През 1937 г. обаче това е опровергано – получено е от течна среда, в която е култивиран хемолитичен стрептокок. През 1954 г. в британското общо научно списание Nature е публикувано за първи пътструктурна формула на хиалуронова киселина.
Общото наименование на веществото се свързва с историята на неговото откриване (англ. "hyaloid" - стъкловидно тяло, "uronic acid" - уронова киселина). В международната химическа терминология има и името "хиалуронан", което съчетава киселината и нейните соли. Химическата формула на хиалуроновата киселина е: C₂₈H₄₄N₂O₂₃.
В момента обхватът на неговото приложение е много широк: медицина, козметология, фармация. Хиалуроновата киселина се използва като основно и спомагателно вещество. Свойствата на съединението, открити през последните години, имат големи перспективи за използване в бъдеще, така че търсенето на този биополимер непрекъснато нараства.
Сграда
Формулата на хиалуроновата киселина е типичен анионен полизахарид. Молекулите са свързани в дълги линейни вериги. Сродните вещества - глюкозните аминогликани - имат голям брой сулфатирани групи. Това обяснява образуването на различни изомери - съединения, които се различават по пространственото подреждане на атомите. Техните химични свойства също се различават. Хиалуроновата киселина, за разлика от гликозаминогликаните, винаги е химически идентична. Неговите свойства не зависят от методите на получаване и вида на изходните материали.
Съставът на хиалуроновата киселина включва D-глюкуронова киселина и N-ацетил-D-гликозамин, които са свързани помежду си чрез бета-гликозидна връзка и образуват нейните дизахаридни единици (глюкопиранозни пръстени с молекулно тегло около 450 Da). Техният брой в молекулите на това съединение може да достигне 25 000. Поради това киселината има високо молекулно тегло (5 000-20 000 000 Da).
Структурната формула на дизахаридния фрагмент на хиалуроновата киселина е показана на фигурата по-долу.
Съставът на киселината съдържа хидрофобни и хидрофилни зони, поради което това високомолекулно съединение в космоса изглежда като усукана лента. Комбинацията от няколко вериги образуват топка с насипна структура. Способността да се свързват и задържат до 1000 водни молекули е друга характеристика на формулата на хиалуроновата киселина. Биохимията на това вещество се дължи преди всичко на неговата висока хигроскопичност, която осигурява насищане на тъканите с вода и поддържане на вътрешния обем.
Химически свойства
Хиалуроновата киселина има следните характерни химични свойства:
- образуване на голям брой водородни връзки;
- създаване на киселинна реакция на средата във водни разтвори поради наличието на депротонирана карбоксилна група;
- образуване на разтворими соли с алкални метали;
- образуване във воден разтвор на силна гелна структура (псевдогел), съдържащ значително количество влага (протеиновите комплекси често се утаяват);
- създаване на неразтворими комплекси с тежки метали и багрила.
Външно водните разтвори на вещество наподобяват по консистенция яйчен белтък. Структурната формула на хиалуроновата киселина ви позволява да приематеима няколко форми, в зависимост от йонната среда на средата:
- лява единична спирала;
- многонишкови плоски структури;
- двойна спирала;
- суперспирални структури с гъста молекулярна мрежа.
Последната форма е третична и е в състояние да абсорбира голямо количество вода, електролити, протеини с високо молекулно тегло.
Разлики в хиалуроновата киселина от различен произход
Както бе споменато по-горе, структурата на това вещество е много сходна, независимо от източника на неговото производство. Разликата между киселините от бактериален и животински произход е степента на тяхната полимеризация. Формулата на хиалуроновата киселина от животински произход е по-дълга от бактериалната форма (4 000-6 000 и 10 000-15 000 мономера съответно).
Разтворимостта във вода за тези вещества е една и съща и зависи главно от наличието на хидроксилни и солни групи в дизахаридните остатъци. Тъй като химичната структура на киселината е сходна по своята същност при всички живи индивиди, това минимизира риска от нежелани имунологични реакции и отхвърляне, когато се прилага на хора и животни.
Роля в природата
Основното местоположение на хиалуроновата киселина е съставът на междуклетъчния (или извънклетъчен) матрикс на тъканите на бозайниците. Както показват научните изследвания, той присъства и в капсулите на някои бактерии – стрептококи, стафилококи и други паразитни микроорганизми. Синтезът на съединението се извършва и в тялото на безгръбначни животни (протозои,членестоноги, бодлокожи, червеи).
Учените предполагат, че способността за производство на хиалуронова киселина в бактериите се е развила, за да повиши техните вирулентни свойства в организма на гостоприемника. Поради присъствието си микроорганизмите могат лесно да проникнат в кожата и да я колонизират. Такива паразитни бактерии са в състояние да неутрализират имунния отговор на гостоприемника и да провокират развитието на по-активен възпалителен процес от другите щамове микроби.
Хиалуроновата киселина се произвежда от протеини, които са вградени в клетъчната стена или мембраните на вътреклетъчните органели. Най-високата концентрация на вещество в човешкото тяло се отбелязва в течността, която запълва кухините на ставите, в пъпната връв, стъкловидното тяло на окото и кожата.
Метаболизъм
Синтезът на хиалуроновата киселина се осъществява под формата на ензимни реакции в 3 етапа:
- Глюкоза-6-фосфат – глюкоза-1-фосфат (фосфорилирана глюкоза) – UDP-глюкоза – глюкуронова киселина.
- Аминозахар – глюкозамин-6-фосфат – N-ацетилглюкозамин-1-фосфат – UDP-N-ацетилглюкозамин-1-фосфат.
- Реакция на гликозид трансфераза, включваща ензима хиалуронат синтетаза.
Около 5 g от това вещество се произвежда и разгражда в човешкото тяло на ден. Общото количество киселина е около седем хилядна от тегловния процент. При гръбначните киселинният синтез се осъществява под въздействието на 3 вида ензимни протеини (хиалуронат синтетази). Те са металопротеини, съставени от метални катиони и глюкозидни фосфати. Хиалуронат синтетазите са единствените ензимикатализира производството на киселина.
Процесът на разрушаване на C₂₈H₄₄N₂O₂₃ молекули протича под действието на хиалурон-литични ензими. В човешкото тяло има най-малко седем от тях, като някои от тях потискат процесите на образуване на тумори. Продуктите на разграждането на хиалуроновата киселина са олиго- и полизахариди, които стимулират образуването на нови кръвоносни съдове.
Функции в човешкото тяло
Колагенът и хиалуроновата киселина в състава на човешката кожа са най-ценните вещества, от които зависи еластичността и гладкостта на дермата. C₂₈H₄₄N₂O₂₃ изпълнява следните функции:
- запазване на водата, която гарантира еластичността на кожата и нейния тургор;
- създаване на необходимата степен на вискозитет на интерстициалната течност;
- участие във възпроизводството на основните и имунокомпетентни клетки на епидермиса;
- поддържа растежа и възстановяването на увредена кожа;
- укрепване на колагеновите влакна;
- укрепване на местния имунитет;
- защита срещу свободни радикали, химични и биологични агенти.
Най-високата концентрация на това вещество се наблюдава в кожата на ембриона. С остаряването по-голямата част от киселината се свързва с протеини, което намалява нивото на хидратация на кожата. Способността за саморегулиране на метаболизма е особено силно намалена при хора над 50 години.
Следните свойства на хиалуроновата киселина в синовиалната течност също са определени:
- формацияхомогенна структура за задържане на специфичен компонент на хрущяла - хондроитин сулфат;
- укрепване на колагеновата рамка на хрущяла;
- осигурява смазване на подвижните части на ставите, намалявайки тяхното износване.
Биологичната роля на киселинните молекули се различава в зависимост от тяхното молекулно тегло. Така съединенията, съдържащи до 1500 мономера, имат противовъзпалителен ефект и участват активно в изграждането на колагеновата мрежа. Полимерите с верига от до 2000 мономера играят роля в поддържането на хидробаланса, а високомолекулните съединения имат най-силно изразени антиоксидантни свойства.
Хиалуроновата киселина също участва в образуването и развитието на ембриона, в контрола на клетъчната мобилност - клетъчна миграция от едно място на друго, в някои взаимодействия с повърхностните клетъчни рецептори.
Получаване
Има 2 основни групи начини за получаване на вещество:
- Физико-химични (екстракция от тъкани на бозайници, гръбначни и птици). Тъй като животинските суровини често съдържат киселина в комбинация с протеини и други полизахариди, е необходимо цялостно пречистване на получения продукт, което се отразява на цената на крайното лекарство. За получаване на киселина в промишлен мащаб се използват пъпната връв на новородени и гребените на домашните пилета. Има и други методи за извличане – от очите на добитъка, течността, която запълва кухините на ставите и ставните торби; кръвна плазма,хрущял, свинска кожа.
- Микробни методи, базирани на култивирани бактерии. Основни производители са бактериите Pasteurellamultocida и Streptococcus. Тези методи са тествани за първи път през 1953 г. Те са по-икономични и също така не зависят от сезонните доставки на суровини.
В първия случай биологичните материали се разрушават чрез смилане и хомогенизиране, след което киселината се екстрахира в смес с пептиди чрез излагане на органични разтворители. Получената маса се обработва с ензими или протеините се отстраняват чрез денатурация с хлороформ или смес от етанол и амил алкохол. След това веществото се концентрира върху активен въглен. Окончателното пречистване се извършва чрез йонообменна хроматография или утаяване с цетилпиридиниев хлорид.
Медицинска употреба
Хиалуроновата киселина се използва при следните патологии:
- офталмология – катаракта; използване като хирургична среда по време на операции;
- ортопедия - остеоартрит, защита на ставния хрущял от разрушаване, както и за стимулиране на възстановяването му (ендопротези на синовиалната течност);
- хирургия - увеличаване на меките тъкани, операции с екстензивно изрязване на хрущял;
- фармацевтични продукти - производство на лекарства на базата на полимерната структура на съединението (таблетки, капсули, кремове, гелове, мехлеми);
- хранителна индустрия - спортно хранене;
- гинекология - антиадхезиясредства;
- дерматология - лечение на изгаряния, посттромботични трофични кожни заболявания.
Според прогнозите на учените, това вещество може да стане основа за нова група лекарства за лечение на рак.
Други свойства на киселината също са обещаващи:
- антимикробен, антивирусен ефект (съединението е активно срещу вируса на херпес и други);
- подобряване на микроциркулацията на кръвта;
- противовъзпалително действие;
- продължително действие (постепенно разтваряне в човешките тъкани).
Витамини
Хиалуроновата киселина в състава на витамините се използва под формата на пречистен натриев хиалуронат, който е негов аналог. Основната цел на веществото е да запази младостта на кожата, да я овлажни и да лекува рани. За подобряване на усвояването, аскорбинова киселина се въвежда в състава на витаминни комплекси.
В ход са и изследвания за разработване на лекарства и хранителни добавки с противовъзпалителни и имуномодулиращи ефекти, които могат да се използват в много области на човешката дейност.
Козметология
В козметологията това съединение се използва за коригиране на промени, свързани с възрастта. Поради факта, че структурата на киселината е сходна във всички живи организми, тя е подходяща за използване като дермален филър (инжекция), особено около очите. За да може веществото да остане по-дълго в епидермиса, то се модифицира с помощта на омрежени молекули.(омрежващи агенти). Омрежените филъри се различават един от друг по отношение на вискозитета на гела, концентрацията на киселина и продължителността на резорбция в кожата.
Инжекциите се прилагат интра- или подкожно под формата на 1-3% воден разтвор. Това спомага за повишаване на еластичността и твърдостта на тъканите, забележимо изглаждане на бръчките.
C₂₈H₄₄N₂O₂₃ също се добавя към състава на външната козметика - гелове, пяни, кремове и други основни продукти. Хиалуроновата киселина в състава се означава като хиалуронова киселина (а натриевият хиалуронат е натриев хиалуронат). Този вид козметичен продукт има същите свойства като филърите - предотвратява образуването на бръчки, акне и спомага за насищането на кожата с влага.
