CC BY
64
УДК 544.777
Д. С. Турсуметов (к.м.н., асс.)1, Г. Е. Заиков (д.х.н., проф.)2, Т. П. Мудрик (к.х.н., доц.)3, С. Ю. Шавшукова (д.т.н., доц.)4
ОСОБЕННОСТИ БИОДЕГРАДАЦИИ И МЕДИЦИНСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПГБ
1 Башкирский государственный медицинский университет, кафедра онкологии 450000, г. Уфа, ул. Ленина, д.3; e-mail: ufa.davlat@gmail.ru 2Институт биохимической физики имени Н. М. Эмануэля, кафедра технологии пластических масс 119334, г. Москва, ул. Косыгина, д.4; e-mail: chembio@sky.chph.ras.ru 3Стерлитамакский филиал Башкирского государственного университета, кафедра биологии и химии 453103, г. Стерлитамак, пр. Ленина, 49; тел. (3473) 431943, e-mail: t.mudrik@yandex.ru Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра общей и аналитической химии 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2420854, e-mail: sshavshukova@mail.ru
D. S. Tursumetov1, G. E. Zaikov2, T. P. Mudrik3, S. Yu. Shavshukova4
BIODEGRADATION AND MEDICAL APPLICATION OF PHB
1 Bashkir State Medical University, 3, Lenin Str., 450000, Ufa; e-mail: ufa.davlat@gmail.ru 2General Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, 4, Kosygin Str, 119991, Moscow; e-mail: chembio@sky.chph.ras.ru 3Sterlitamak Branch of Bashir State University 49, Lenin Str., 453103, Sterlitamak, Russia; ph. (3473)431943, e-mail: t.mudrik@yandex.ru 4Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa; ph. (347) 2420854, e-mail: sshavshukova@mail.ru
Рассмотрены физико-химические аспекты биоразложения поли(З-гидроксибутирата), включая взаимосвязь структура/свойство для образцов различной конфигурации. Рассмотрен гидролиз поли(З-гидроксибутирата) (ПГБ) в отсутствие энзимов, а также катализированная энзимами деградация ПГБ. Рассматриваемые результаты позволяют успешно использовать ПГБ для решения важных медико-биологических проблем.
Ключевые слова: деградация; деполимераза; деполимеризация; деструкция; имплантанты; лекарственные препараты; поли(З-гидроксибути-рат); полимеризация; фосфатный буфер; энзимы.
Поли(З-гидроксибутират) (ПГБ) применяется в производстве биоразлагаемых полимерных имплантантов и в приготовлении лекарственных препаратов 1-3. В связи с этим сведения о кинетике и механизме разложения ПГБ в биологических средах чрезвычайно важны.
Установлено, что деполимеризация ПГБ в живых системах и окружающей среде протекает с участием энзимов 4-6. Ряд факторов существенно влияет на кинетику деструкции ПГБ 7'8:
Дата поступления 18.03.14
This article presents physical and chemical aspects of biodegradable of poly(3-hydroxy-butyrate), including relationship structure/ property for samples of different geometry. It was discussed the hydrolysis of poly(3-hydro-xybuty-rate) without enzymes and PHB degradation catalyzed by enzymes. The considered results allow use successfully PHB to solve the important biomedical problems.
Key words: degradation; depolymerase; depolymerization; destruction; implants; medications; poly(3-hydroxybutyrate); polymerization; phosphate buffer; enzymes.
— химическая структура;
— степень кристаллизации;
— молекулярная масса;
— строение концевых групп.
Кроме того, различную скорость деградации имеют таблетки, пластинки, цилиндрические гранулы и другие конструкции из ПГБ 9-18.
Рассмотрим основные сведения о двух различных процессах разрушения ПГБ.
Гидролиз ПГБ в отсутствие энзимов. Гидролиз ПГБ и его сравнение с гидролизом других широко распространенных биополиме-
ров был проведен N. Koyama и Y. Doi 19 Они получили из ПГБ пленки (размером 10x10 мм, толщиной 50 мкм, первоначальной массой 5 мг) и показали, что гидролиз представляет собой очень медленный процесс. Масса пленки остается неизменной при 37 0С (pH=7.4) в течение 150 дней. Молекулярная масса ПГБ уменьшается примерно до 65% от первоначальной массы после 150 дней. Скорость потери массы полимерной пленки из ПГБ остается без изменений при 37 0С (pH=7.4) в течение 87 дней 20.
Процесс расщепления полиэфирных цепочек, как было показано, ускоряется карбоксильными концевыми группами, а его скорость пропорциональна концентрации эфирных связей.
Катализированная энзимами деградация ПГБ. Изучение ферментативного расщепления ПГБ in vitro представляет собой важный этап для понимания действия ПГБ в тканях животных и окружающей среде. Во многих работах расщепление ПГБ in vitro деполиме-разой было всесторонне исследовано и механизм ферментативного расщепления ПГБ прекрасно объяснен Y. Doi 19,21. В этих ранних работах было показано, что 65—85 % потери массы пленки ПГБ (50—65 мкм толщина) происходит за 20 ч при 37 0С в фосфатном буфере (pH=7.4) в присутствии деполимеразы (1.5— 3 мг/мл), выделенной из A. faecalis. Скорость ферментативного расщепления пленок из ПГБ составляет 0.15 мг/ч. В процессе инкубации толщина полимерных пленок снижается с 65 до 22 мкм (на 32% от исходной толщины). Исследования с помощью сканирующего электронного микроскопа показали, что поверхность пленки ПГБ после ферментативного расщепления повреждена воздействием деполиме-разы, в то время как внутри пленки каких-либо изменений не наблюдалось. Кроме того, молекулярная масса ПГБ после ферментативного гидролиза практически не изменилась 19,21.
Обширные литературные данные по ферментативному расщеплению ПГБ по конкретным ПГБ деполимеразам собраны и подробно рассмотрены в обзоре K. Sudesh, H. Abe и Y. Doi 22 Следует отметить, что деполимера-за ПГБ представляет собой очень специфический фермент, и гидролиз является уникальным процессом. Однако, ферментативное расщепление ПГБ в тканях животных и окружающей среде производится, в основном, неспецифическими эстеразами 18,23.
Ферментативное расщепление твердого полимера ПГБ представляет собой гетерогенную реакцию, включающую два этапа, а именно, адсорбцию и гидролиз. Первый этап — адсорбция фермента на поверхности ПГБ, второй — гидролиз полиэфирных цепей — активным центром фермента. Скорость ферментативного разрушения ПГБ сильно зависит как от пространственного строения, так и от последовательности молекулярной структуры образца. Водорастворимые продукты гидролиза ПГБ ферментом показали, что образуется смесь мономеров и олигомеров (Ю-3-гидроксибутира-та. Предполагается, что ПГБ деполимераза преимущественно гидролизует полимерные цепи аморфной фазы, а затем, последовательно, кристаллической фазы. Таким образом, де-полимераза гидролизует полиэфирные цепи
поверхностного слоя пленки, и разрушение по-
22
лимера протекает на поверхностных слоях 22.
Использование ПГБ в медицинской практике ПГБ применяется не только для изготовления медицинских приборов и лекарственных средств, но может быть также использован для производства систем контролируемого высвобождения активаторов или ингибиторов ферментов. Это позволяет разрабатывать физиологические модели пролонгированной местной активации или ингибирования ферментов в естественных условиях на живых организмах. ПГБ является перспективным средством в проектировании новых физиологических моделей благодаря минимальной побочной воспалительной реакции тканей к имплантации ПГБ-матрицы. Так, разработана система доставки донора устойчивого оксида азота (NO) на основе ПГБ. Эта система может быть использована для изучения длительного действия NO в нормальных тканях кровеносных сосудов в естественных условиях. Развитие модели in vivo в условиях местного пролонгированного действия NO на сосудистые ткани представляет собой весьма трудную задачу, поскольку доноры доставляют NO не больше, чем за несколько минут. Описана модель пролонгированного местного действия NO на соответствующую артерию на основе насыщенного ПГБ с новым эффективным донором 24. Было показано, что цилиндры насыщенного ПГБ могут освобождать NO в течение 1 месяца с относительно постоянной скоростью.
Работы по медико-биологическому использованию ПГБ активно продолжаются в ряде исследовательских центров Европы.
Литература (References)
1. Chen G. Q., Wu Q. Biomaterials. 2005. 26(33). P.6565.
2. Lenz R. W., Marchessault R. H. Biomacro-molecules. 2005. 6(1). P.1.
3. Anderson A. J., Dawes E. A. Microbiological Reviews. 1990. V.54, no.4. P.450.
4. Jendrossek D., Handrick R. Annu Rev Microbiol. 2002. No.56. P.403.
5. Kim D. Y., Rhee Y. H. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2003. No.61. P.300.
6. Steinbüchel A., Lutke-Eversloh T. Biochem. Eng. J. 2003. No.16. P.81.
7. Abe H., Doi Y. Biomacromolecules. 2002. 3(1). P.133.
8. Renstad R., Karlsson S., Albertsson A. C. Polym. Degrad. Stab. 1999. No.63. P.201.
9. Qu X. H., Wu Q., Zhang K. Y., Chen G. Q. Biomaterials. 2006. 27(19). P.3540.
10. Freier T., Kunze C., Nischan C., Kramer S., Sternberg K., Sass M., Hopt U. T., Schmitz K. P. Biomaterials. 2002. 23(13). P.2649.
11. Kunze C., Edgar Bernd H, Androsch R., Nischan C., Freier T, Kramer S., Kramp B., Schmitz K. P. Biomaterials. 2006. 27(2). P.192.
12. Gogolewski S., Jovanovic M., Perren S. M., Dillon J. G., Hughes M. K. J. Biomed. Mater. Res. 1993. 27(9). P.1135.
13. Borkenhagen M., Stoll R. C., Neuenschwan-der P., Suter U. W., Aebischer P. Biomaterials. 1998. 19(23). P.2155.
14. Hazari A., Johansson-Ruden G., JunemoBostrom K., Ljungberg C., Terenghi G., Green C., Wiberg M. Journal of Hand Surgery, British and European Volume. 1999. No.24B:3. P.291.
15. Hazari A., Wiberg M., Johansson-Rudftn G., Green C., Terenghi G. British Journal of Plastic Surgery. 1999. No.52. P.653.
16. Miller N. D, Williams D. F. Biomaterials. 1987. 8(2). P.129.
17. Shishatskaya E. I., Volova T. G., Gordeev S. A., Puzyr A. P. J. Biomater Sci Polym Ed. 2005. 16(5). P.643.
18. Saito T., Tomita K., Juni K., Ooba K. Biomaterials. 1991. 12(3). P.309.
19. Koyama N., Doi Y. Can. J. Microbiol. 1995. 41(Suppl. 1). P.316.
20. Bonartsev A. P., Myshkina V. L., Nikolaeva D. A., Furina E. K., Makhina T. A., Livshits V. A., Boskhomdzhiev A. P., Ivanov E. A., Iordanskii A. L., Bonartseva G. A. Biosynthesis, biodegradation, and application of poly(3-hydroxybutyrate) and its copolymers - natural polyesters produced by diazotrophic bacteria. Communicating Current Research and Educational Topics and Trends in Applied Microbiology, Ed: A. Mundez-Vilas, Formatex, Spain. 2007. V.1. P.295.
21. Doi Y., Kanesawa Y., Kunioka M., Saito T. Macromolecules. 1990. No.23. P.26.
22. Sudesh K., Abe H., Doi Y. Prog. Polym. Sci. 2000. No.25. P.1503.
23. Lobler M., Sass M., Kunze C., Schmitz K. P., Hopt U. T. Biomaterials. 2002. No.23. P.577.
24. Kots A. Y., Grafov M. A., Khropov Y. V., Betin V. L., Belushkina N. N., Busygina O. G., Yazykova M. Y., Ovchinnikov I. V., Kulikov A. S., Makhova N. N., Medvedeva N. A., Bulargina T. V., Severina I. S. Br. J. Pharmacol.- 2000.- 129(6). P.1163.
Работа выполнена в рамках конкурса «Научных проектов, выполняемых российскими молодыми учеными под руководством кандидатов и докторов наук в научных организациях Российской Федерации в 2013 г.», мол_рф_нр, № 13-04-90793.
