CC BY
113
|Д> ВСЕ ЛУЧШЕЕ ~ ДЕТЯМ
ТЕМА НОМЕРА
УДК 637.127.3
Полифункциональная наночастица лактоферрин
И.Н. Никишина, С.В. Симоненко, канд. техн. наук НИИ детского питания
Ключевые слова: нанотехнология; наноструктуры; наносистемы; наночастица; молоко; лактоферрин; иммунитет.
Keywords: nanotechnology; nano-structures; nanosystems; nanopart; milk; lactoferrin; immunity.
В последнее время во всем мире широкое общественное признание получило развитие нового направления в индустрии продуктов питания - пищевых нанотехнологий.
Нанотехнология как междисциплинарная наука объединяет не только фундаментальные (физика, химия, математика, биология), но и прикладные науки (материаловедение, механика, электроника, энергетика и др.). Нано-технологию можно определить как набор технологий или методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами, т. е. методик регулирования структуры и состава вещества. К наноструктурам относят объекты, имеющие характерные размеры. Линейные размеры нанообъек-тов составляют от 1 до 100 нм, следовательно, верхняя граница нанометрово-го диапазона определяется размерами биомолекул, при которых утрачивается специфика поведения и свойств нано-частиц.
Проявление повышенного интереса к наночастицам связано с тем, что в области наноразмеров частицы различных материалов приобретают совершенно новые физические и химические свойства, существенно отличающиеся от свойств частиц этих же самых материалов, имеющих обычные размеры. Оказывается, что их иные свойства невозможно описать известными современной науке закономерностями, здесь необходимы глубокие исследования квантово-механических эффектов, вызывающих изменения свойств нанообъектов. Суть происходящих изменений свойств материалов при переходе в нанометровый диапазон размеров одна и та же для всех направлений науки и отраслей техники и определяется законами квантовой механики.
В силу особенностей своей структуры наносистемы, как правило, являются неравновесными, находящимися в метастабильном состоянии и поэтому весьма активными. Относительная стабильность отдельных частей наноструктур зависит от кинетических и термодинамических факторов, таким образом, для наносистем характерно
наличие различных флуктуаций. Это открывает новые возможности использования наноматериалов в области биомедицины, фармакологии, производстве продуктов питания, при решении экологических и сельскохозяйственных проблем.
Оперирование с такими исходными объектами, их получение и дальнейшее использование относятся к нано-технологиям. Оперирование с единичными атомами, ионами или молекулами присуще химии.
Наночастицы различных материалов применяются повсеместно. Не является исключением и пищевая промышленность. В производстве продуктов питания в той или иной мере изначально присутствуют нанообъекты различной природы, участвующие в разных на-нопроцессах и образующие разнообразные наноструктуры.
Основные белковые компоненты молока представляют собой природные наноматериалы, ведь именно в молоке признаки наночастиц, наноструктур и нанокомпозиций по сравнению с другими пищевыми продуктами проявляются в наибольшей степени. Известно, что мицеллы казеина в натуральном молоке имеют размеры от 40 до 200 нм, а размеры молекул сывороточных белков находятся в пределах 3-6 нм. Первые фундаментальные исследования в мире в области пищевых нано-технологий были начаты с изучения свойств мицелл казеина в натуральном молоке. На сегодняшний момент уже созданы нанотехнологии инкапсулирования наночастиц лекарств в казеиновые мицеллы с последующей доставкой этих лекарств в больные органы. Существуют и другие нанотехнологии, использующие молочные белки.
Суммированы данные о биологически активных пептидах, выделенных за последнее десятилетие из молока. Такие пептиды проявляют свойства опио-идных агонистов и антагонистов, имму-номодуляторов, антитромбозную активность, способны снижать кровяное давление, обладают антибактериальным и противовирусным действием.
Особое внимание уделяется физиологически значимому белку лактофер-
рину, входящему в защитный белковый комплекс молока и являющемуся одним из факторов пассивного иммунитета, передаваемого от матери потомству, высокий уровень которого наблюдается именно в ранний период лактации.
Впервые лактоферрин молока был описан в 1939 г. В 1969 г. лактоферрин был идентифицирован иммунологи-чески в гранулярном аппарате нейтро-фильных гранулоцитов человека и морской свинки. Лактоферрин - маркерный белок специфических гранул нейтрофильных гранулоцитов.
Белок лактоферрин присутствует в молоке многих млекопитающих (коровы, свиньи, лошади, козы и мыши). Лактоферрин выделен вначале из коровьего, затем из женского молока методами фракционирования сульфатом аммония и ионообменной хроматографии на ДЭАЭ-целлюлозе и КМ-сефа-дексе.
Лактоферрин - природный глико-протеин с относительной молекулярной массой около 80 кДа, относящийся к семейству железосодержащих белков трансферринов. Это семейство протеинов включает трансферрин, транспортирующий железо из сыворотки позвоночных животных, и овотрансферрин -из белка яиц птиц. Лактоферрин также называют лактотрансферрином.
Строение лактоферрина подобно строению других членов семейства трансферринов. Этот белок состоит из одной полипептидной цепи. По молекулярной массе и аминокислотному составу он похож на трансферрин, но отличается от него антигенной структурой. Определение первичной структуры показало, что длина полипептидной цепи составляет 680-700 аминокислот (лактоферрин грудного молока состоит из 691 аминокислотного остатка), и она может быть разделена на две гомологичные части (совпадают 35-40 % аминокислот). Гомологичные половины образуют глобулярные доли, соединенные спиральным участком из 11 аминокислот. Молекула белка несимметрична.
Гомология лактоферринов, выделенных из молока различных видов
ALL THE BEST - TO CHILDREN
животных, составляет 60 % и более, что указывает на его консервативную структуру. В природе лактоферрин существует в двух формах: связанной (холо-лактоферрин) и несвязанной (апо-лактоферрин) с ионами железа. Соотношение между этими формами составляет примерно 1:5, что несет определенную функциональную нагрузку.
Кристаллографическое исследование различных форм лактоферрина позволило определить строение желе-зосвязывающего сайта, а также подробности процесса связывания ионов железа с лактоферрином.
Молекула лактоферрина содержит два активных центра связывания неге-мового железа ^е3+), которые располагаются на двух функциональных доменах белка. Каждый ион железа скоординирован четырьмя боковыми белковыми лигандами, а именно двумя остатками тирозина, одним аспарагина и одним гистидина вместе с экзогенным карбонат-ионом. При связывании железа глобулы меняют конформацию и положение относительно друг друга с закрытием междоменной ниши. В отличие от трансферрина, лактоферрин является сильноосновным белком с рН 8-9.
Важное свойство лактоферрина состоит в том, что он может псевдоспеци-фически связывать множество кислых молекул, таких как гепарин и различные молекулы клеточных мембран. Константа связывания железа у лакто-феррина значительно выше, чем у трансферрина. Эти свойства, возможно, указывают на физиологическую роль лактоферрина, однако это трудно доказать в связи со сложным обнаружением мембранных рецепторов клеток.
Как оказалось, лактоферрин обладает большим количеством ферментативных свойств. Так, отмечена его про-теолитическая, дезоксирибо- и рибо-нуклеазная активность, обнаружена ингибирующая активность лактофер-рина по отношению к БН-протеиназе, а также к некоторым полимеразам вирусов.
Местом синтеза лактоферрина молока, слюны, слез и других экскретов считаются железистые клетки соответствующих эпителиальных тканей, а лактоферрина сыворотки - нейтрофи-лы. Установлены одинаковые физико-химические свойства и иммунохими-ческая идентичность экскреторного и сывороточного лактоферрина.
Наиболее важные функции лакто-феррина - противоинфекционная, им-муномодуляторная, противовоспалительная, антиоксидантная и регенеративная.
Лактоферрин обладает бактериоста-тической и бактериолитической активностями. Список прокариотических патогенов, которые инактивируются лак-тоферрином, постоянно пополняется. Известно два механизма, с помощью которых лактоферрин подавляет микроорганизмы. Прежде всего, форма лактоферрина, не содержащая ионов железа, лишает патоген источника железа, что приводит к угнетению роста микрофлоры. В другом случае лакто-феррин напрямую связывается с поверхностью микроорганизма, что приводит к нарушению проницаемости мембраны микроба и его лизису.
Действие лактоферрина на вирусы также возможно по двум механизмам: прямое ингибирование внедрения вируса путем его связывания с лактофер-рином и блокирование рецепторных участков мембран клеток-мишеней, не позволяющее вирусу сорбироваться на субстрате. Наряду с этим установлено, что лактоферрин проявляет ингибитор-ную активность к ключевому ферменту ретровирусов - обратной транскрипта-зе. В Японии в настоящее время лакто-феррин успешно используют в терапии хронических больных с вирусом гепатита С.
Иммуномодуляторная функция лак-тоферрина определяет его антиканцерогенную и антипатогенную активность. На моделях с животными показано, что лактоферрин редуцирует метастазы аденомы и карциномы легких, мочевого пузыря, пищевода, прямой кишки. Кроме того, лактоферрин ускоряет созревание Т-клеток и активирует полиядерные лимфоциты, что приводит к усилению клеточной иммунной защиты против вирусов и токсинов.
Клинические испытания показывают, что лактоферрин редуцирует воспалительный процесс, вызываемый энтеро-токсином. Установлено, что лактоферрин индуцирует синтез интерлейкина-18 и интерферона гамма, которые являются противовоспалительными ци-токинами.
Необходимо отметить практическое применение лактоферрина, основанное на его антиоксидантных свойствах. Помимо активации защитных механизмов организма против воспалительных процессов, лактоферрин сам является мощным инактиватором токсинов различной природы, включая химические радикалы. Экспериментально установлено, что применение химио- и радиотерапии при лечении злокачественных опухолей на фоне инъекций лактофер-рина позволяет полностью устранить интоксикацию организма и провести эффективную терапию без снижения лекарственных и/или радиоактивных доз.
Как было показано выше, лактофер-рин активирует синтез интерлейкина-18, который является ключевым цито-кином на ранних этапах процессов заживления ран. Более того, лактоферрин непосредственно действует на клетки фибробластов, а также активирует синтез коллагена клетками кера-тиноцитов. Присутствие лактоферрина редуцирует поверхность поврежденной ткани на 50 % уже через 6 ч. Бактериальные инфекции, которые ингиби-руют регенеративные процессы, полностью подавляются лактоферрином.
Однако, несмотря на подробное изучение лактоферрина в течение многих лет, его основная функция до сих пор неясна. Необходимы дальнейшие исследования.
Для производства лактоферрина в промышленных масштабах используют катионообменные смолы, на которых этот белок адсорбируется и проще отделяется от сырья, так как большинство других молочных белков являются анионами. После удаления лактофер-рина состав и физические характеристики молока не изменяются и его можно использовать как обычное. Ученые из Института биологии гена РАН задались целью разработать технологию производства полноценного человеческого лактоферрина с помощью трансгенных коз. Выбор в качестве источника получения этого белка молочных коз не случаен потому, что само по себе козье молоко - исключительно ценный и целебный продукт, обладающий высокой пищевой и биологической ценностью, а также легкой усвояемостью и гипоаллергенностью. Кроме того, оно содержит уникальный комплекс незаменимых биологически активных веществ, крайне необходимых человеку для укрепления его адаптационных возможностей. Использование человеческих белков, по мнению разработчиков, весьма перспективно, поскольку они безопасны, высокоэффективны, не вызывают аллергических реакций, к ним не развивается привыкание, как, например, к антибиотикам, а некоторым из них просто не существует адекватной замены.
На основании анализа обширной информации можно заключить, что пищевые нанотехнологии позволяют рассматривать лактоферрин молока как наночастицу, обладающую еще недостаточно изученными биологическими свойствами различного характера. Таким образом, экспериментальные исследования и разработка перспективных методов производства пищевых продуктов на основе нано-технологий - одно из приоритетных направлений современной науки и техники.
