CC BY
41
УДК 577.121:616-006.4 ТАКАНАЕВ А. А.
доктор биологических наук, профессор, кафедра общей, биологической, фармацевтической химии и фармакогнозии, Орловский государственный университет имени И. С. Тургенева ЯРОВАТАЯ М.А.
кандидат биологический наук, доцент, кафедра общей, биологической, фармацевтической химии и фармакогнозии, Орловский государственный университет имени И. С. Тургенева E-mail: maya0330@mail.ru
UDC 577.121:616-006.4 TAKANAEV A.A.
Dосtor of biological sciences, Professor, Department of General, Biological, Farmaceutical Chemistry and Farmacognosy, Orel State University YAROVATAYA M.A. Candidate of biological sciences, Associate Professor, Department of General, Biological, Farmaceutical Chemistry and Farmacognosy, Orel State University E-mail:maya0330@mail.ru
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ БИОДЕГРАДАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ В РАМКАХ ЭЛЕКТИВНОГО КУРСА
«КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МЕДИЦИНЕ»
METHODS OF STUDYING BIODEGRADATION OF POLYMER SYSTEMS IN THE LIMITSOF THE ELECTIVE COURSE «COMPOSITE MATERIALS IN MEDICINE»
Данная статья предназначена для ознакомления студентов в рамках элективного курса «Композитные материалы в медицине» с взаимодействием физиологически активных полимеров со структурно-функциональными компонентами клеток и процессами их биодеградации в норме и патологии.
Ключевые слова: композитные материалы в медицине, биодеградация, биополимеры, биотрансформация.
The aim of the article is to familiarize students in thelimits of the elective course «Composite materials in medicine» with the interaction of physiologically active polymers with the structural and functional components of cells and their biodegradation processes in norm and pathology.
Keywords: composite materials in medicine, biodegradation, biopolymers, biotransformation.
Обычно при изучении биодеградации полимеров используют такие системы шуйго как:
- деградация модельными ферментами (химо-трипсин, трипсин, папаин, субтилизин, эластаза);
- деградация внутриклеточными ферментами (смесь лизосомных ферментов или индивидуальными ферментами - катепсин);
- деградация сывороткой крови;
- деградация культурой клеток.
Однако во всех случаях как завершающий тест осуществляется эксперимент шугуо с использованием меченых соединений. Во время опытов шугуо исследуют такие процессы, как элиминация из кровяного русла, скорость выделения из организма, аккумуляцияполи-меров в органах и, если возможно, изменение в распределении молекулярной массы. Наиболее глубоко изучена биодеградация таких водорастворимых полимеров, как декстран, ПВП, поли-(а-аминокислоты и полиэлектролиты). Например, молекулы декстрана с молекулярной массой 50000 кДа и большинство других растворимых полимеров, легко удаляется через поч-ки[8]. Примолекулярной массе 70000 в течение суток удаляется приблизительно 30-40% от введенной дозы. Декстран сначала накапливается в клетках РЭС, где деградируется ферментом декстраназой (декстран-1,6-
гликозидаза)до глюкозы. При сравнении результатов кислотного гидролиза с гидролизом, катализируемым эндодекстраназой было показано, что при энзиматиче-ском гидролизе образуются фрагменты меньшего молекулярного веса и скорость гидролиза пропорциональна молекулярному весу. Изучение биодеградации высокомолекулярных полисахаридов, показало, что они легко гидролизуются а-амилазой, присутствующей в сыворотке крови.
Однако при использовании полисахаридов в качестве заменителей плазмы их модифицируют окисью этилена. При увеличении степени замещения резко уменьшается чувствительность к гидролизу, катализируемому а-амилазой. Аналогичные результаты были получены при изучении линейного фрагмента крахмала - амилазы.
Синтетические поли-(а-аминокислоты) также могут подвергаться энзиматической биодеградации. Скорость их деградации зависит от физической и химической структуры полимеров. Для каждого данного полимера и фермента эти структуры могут варьироваться в широких пределах при изменении рН, ионной силы или при добавлении растворителей. Детальные исследования триптического гидролиза полилизина показали, что гидролиз начинается не с концевых связей, а со
© Таканаев А. А., Яроватая М.А. © Takanaev A.A., Yarovataya M.A.
13.00.00 - ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ НАУКИ 13.00.00 - PEDAGOGICAL SCIENCES
связей, находящихся вблизи конца, и первоначальными продуктами гидролиза являются ди-, три- и тетрализин. При использовании более низких концентраций трипсина получены олигопептиды, содержащие 2-9 остатков лизина.
При изучении гидролиза различных олигопептид-ных цепей смесью лизосомальных ферментов было найдено, что наиболее важную роль играют тиольные протеазы - катепсин В, Н. Ь. Растворимые полимеры, имеющие в своей основе структуру -С-С-, например поливинилпирролидон, не подвергаются биодеградации, и их поведение в организме в значительной мере зависит от молекулярно-массового распределения [2]. Фармокинетические эксперименты, проведенные с по-ливинилпирролидоном с молекулярной массой 25-110 тысяч показали, что препарат выводится в течение недели постгломерулярной фильтрацией. Препараты с молекулярной массой выше 110 тысяч захватываются преимущественно клетками РЭС, хотя некоторое количество элиминируется через постгломерулярные эндотелиальные щели. Аккумуляция радиоактивности в ЖКТ и частичная элиминация с фекалиями (до 4%) указывает на другой путь удаления молекул по-ливинилпирролидона из организма - через печень и ее желчную систему в кишечник. Этим путем удаляется преимущественно молекулы с ММ между 6000 и 10000. Поливинилпирролидон с ММ 7500-1000 выводится преимущественно с мочой в течение суток, причем 5% выводилось через ЖКТ с фекалиями.
При анализе фармокинетических данных, полученных в результате исследования полимерных препаратов, необходимо учитывать их молекулярно-массовое распределение. При изучении поливинилпирролидона, содержащего 95% молекул с ММ ниже 25000, через 24 часа после внутривенного введения экскретируется около 7% радиоактивности с мочой и около 4% с фекалиями. Авторадиографически было показано, что через 72 часа около 8% радиоактивности, в основном, локализовано в почках. Гистохимическим методом обнаружено, что поливинилпирролидон локализуется в эндотелиаль-ных клетках гломерул и тубол.
Биодеструкции также подвергаются синтетические полиэлектролиты, которые наряду с-С-С- связью содержат связьс -С-С-С-. Как токсичность, так и
скорость элиминации из организма полиэлектролитов зависит от молекулярной массы или ее распределения [1]. Например, нефракционированный сополимер малеинового ангидрида с дивиниловым эфиром (пи-рановый сополимер) содержит высокомолекулярные фракции до 500000, которые при введении вызывают ряд побочных эффектов: влияние на лейкоцитоз, индуцирование ферментов печени, сенсибилизацию к эндотоксинам и т.д. Большая часть полимера, меченого С-14, выводится довольно быстро (70% за 6 недель), в то время как остаток циркулирует в организме в течение 9 месяцев. По-видимому, до достаточно долгой циркуляции в организме и последующей элиминации из него оптимум молекулярной массы должен находиться в пределах 30-50 тысяч. Подобные результаты были получены и для сополимера акриловой кислоты с ма-леиновым ангидридом [4]. Однако во многих случаях оптимизировать молекулярную массу небиодеструкти-рующего полимера-носителя не позволяет достигнуть необходимого времени циркуляции физиологически активного полимера в кровяном русле. Тогда применяют другой прием: относительно небольшие карбоцепные блоки соединяют друг с другом биодеструктивными блоками. Так для получения способных к биодеструк-цииполиалкиламинов конидин был сополимеризован с Р-пропиолактоном [7]. Полученный после кватерниза-ции чередующийся сополимер оказался подверженным биодеструкции за счет гидролиза сложноэфирных связей в главной полимерной цепи.
Скорость выведения полимеров из организма зависела от молекулярной массы и снижалась с ее увеличением. За 3-е суток все изучаемые сополимеры выводились полностью. Наибольшая эффективность сополимеров как антигепаринатов достигалась при п=25.
Таким образом, вариацией структурных факторов, так же как и изменением молекулярной массы, можно регулировать время циркуляции сополимера в кровяном русле.
Библиографический список
1. Таканаев А.А., Халилов М.А., Юшкова Е.И., Яроватая М.А. Некоторые аспекты биотрансформацииЫ-нитрозосоединений// Ученые записки Орловского государственного университета. № 4 (67) 2015. C.405-406.
2. Яроватая М.А., Таканаев А.А., Юшкова Е.И. Метаболизм гетероциклическихЫ-нитрозаминов// Ученые записки Орловского государственного университета. № 4 (67) 2015. С.424-425.
3. Таканаев А.А., Юшкова Е.И., Яроватая М.А. Изучение биотрансформацииЫ-нитрозаминов как интерактивное приложение к лекционному курсу по биохимии// Ученые записки Орловского государственного университета. № 6 (69) 2015. С. 355-358.
4. Таканаев А.А., Юшкова Е.И.,.Яроватая М.А. Получение меченых униформ физиологически активных аминов и их производных как приложение к лабораторному практикуму по биохимии// Ученые записки Орловского государственного университета. № 1(70) 2016. С. 237-239
5. Яроватая М.А., Таканаев А.А., Юшкова Е.И. Получение аминов, меченных по водороду - Н3, в качестве элективного курса «Практические методы биохимии»// Ученые записки Орловского государственного университета.№ 1(70) 2016. С. 257-259.
6. Таканаев А.А, Яроватая М.А. Введение в электив «Композитные материалы в медицине»// Ученые записки Орловского государственного университета. № 1(74) 2017. С. 233-235
7. Таканаев А.А, Яроватая М.А. Повышение эффективности процесса преподавания биохимии высокомолекулярных соединений в вузах медицинского профиля (на примерах биотрансформации полимерных производных некоторых гетероциклов)// Ученые записки Орловского государственного университета. № 2(75) 2017. С. 344-346.
8. Использование особенностей биодеградации полимерных производных для более эффективного усвоения динамической биохимии биомакромолекул студентами медицинских вузов Научный журнал «Ученые записки Орловского государственного университета», № 4 (77), 2017 г С. 322-324.
9. http://www.oncolog.su/carcinogen/nitrate/.
10. http://www.medfrance.ru/onco/nitrate/nitrozamines/.
References
1. Takanaev A.A., KhalilovM.A., Yushkova E.I., YarovatayaM.A. Some aspects of N-nitrosocompounds biotransformation //Scientific notes of Orel State University.№ 4 (67) 2015. Pp. 405-406.
2. Yarovataya M.A., Takanaev A.A., Yushkova E.I. Metabolism of geterocyclic N-nitrosamines //Scientific notes of Orel State University. № 4 (67) 2015. Рр. 424-425.
3. TakanaevA.A., YushkovaE.I., YarovatayaM.A. The study of N-nitrosamines biotransformation as an interactive part of the lecture course in biochemistry//Scientific notes of Orel State University. № 6(69) 2015. Pp. 355-358.
4. Takanaev A.A., Yushkova E.I., Yarovataya M.A. The preparation of labeled forms of physiologically active amines and their derivatives as additional material for the laboratory practicum in biochemistry//Scientific notes of Orel State University. № 1(70) 2016. Pp. 237-239.
5. YarovatayaM.A., TakanaevA.A., Yushkova E.I.The preparation of hydrogen-3 (H-3)labelled amines as a part of the optinalcourse "Practical methods in biochemistry"//Scientific notes of Orel State University. № 1(70) 2016. Pp. 257-259.
6. TakanaevA.A., YarovatayaMA.Introduction to the elective course "Composite materials in medicine"//Scientific notes of Orel State University. № 1(74) 2017. Pp. 233-235.
7. Improving the process of teachingbiochemistry of high molecular-weight compounds at medical institute and universities (using the example ofbiotransformationfor some geterocycles polymeric derivatives)//Scientific notes of Orel State University. № 2(75) 2017. Pp. 344-346.
8. The use of biodegradable polymer derivatives features for more effective learning of dynamic chemistry biomacromolecules by medical graduates)//Scientific notes of Orel State University. № 4(77) 2017.Pp. 322-324.
9. http://www.oncolog.su/carcinogen/nitrate/.
10. http://www.medfrance.ru/onco/nitrate/nitrozamines/.
