CC BY
37
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 биологических наук, доцент, кафедра общей, биологической, фармацевтической химии и фармакогнозии, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева E-mail: [email protected]
UDC 577.121:616-006.4 TAKANAEVA.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: [email protected]
ПУТИ БИОДЕГРАДАЦИИ И ЭЛИМИНАЦИИ СИНТЕТИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРОВ IN VIVO КАК ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ «БИОХИМИЯ»
WAYS OF BIODEGRADATION AND ELIMINATION OF SYNTHETIC POLYMERS IN VIVO AS A THEORETICAL BASIS FOR STUDYING THE DISCIPLINE "BIOCHEMISTRY"
Задачей высшего образования в современных условиях является подготовка широко образованного компетентного специалиста медицинского профиля, что, в свою очередь, подразумевает целенаправленную и активную организацию взаимосвязи методологических и естественнонаучных идей современного медико-биологического образования. Предлагаемая статья является заключительной частью электива «Композитные материалы в медицинской биохимии, фармации и стоматологии», в которой описываются так называемые «полимерные эффекты», когда полимеризация придает лекарственным соединениям новые фармакологические свойства, которыми не обладали исходные низкомолекулярные соединения. Материалы данной статьи применяются при изучении таких разделов медицинской биохимии, как «Общий путь катаболизма», «Онкогенез», «Детоксикация экзогенных и эндогенных ксенобиотиков». Использование полученных данных позволяет показать и ознакомить обучающихся с радиометрическими методами исследования биотрансформации полимерных производных физиологически активных соединений.
Ключевые слова: композитные материалы в медицине, биодеградация, элиминация, биополимеры, биотрансформация, полимерные эффекты.
The task of higher education in modern conditions is to prepare a well-educated and competent medical specialist which implies a purposeful and active connection between methodological and scientific ideas of modern medical and biological education. The proposed article is the final part of the elective course "Composite materials in medical biochemistry, pharmacy and dentistry". It describes the so-called «polymeric effects» when polymerization gives drug compounds new pharmacological properties which the original low-molecular compounds did not have before. The materials of this article are used in the study of such branches of medical biochemistry as "Common catabolw pathway", "Oncogenesis", «Detoxification of exogenous and endogenous xenobiotics». The use of the obtained data enables students to study the radiometric methods of research in relation to the biotransformation of polymeric derivatives of physiologically active compounds.
Keywords: composite materials in medicine, biodegradation, elimination, biopolymers, biotransformation, polymeric effects.
Введение в организм высокомолекулярных соединений вызывает множество проблем, одни из которых успешно решаются, другие еще ждут своего решения. Решение проблемы неконтролируемой биодеградации позволило бы синтезировать полимеры, необходимые медицине, сельскому хозяйству и безопасные для экологии.
Независимо от путей введения лекарств и других веществ в организм человека и животных конечные продукты их метаболизма должны выводиться из него. Основную роль в этом процессе играют почки и печень. Почечный гломерулярный фильтр содержит значительное количество пор диаметром 20-100 нм, позволяющих осуществлять фильтрацию веществ, циркулирующих в крови. Для полидисперсных полимеров способность к почечной филь-
трации зависит от молекулярно-массового распределения, а точнее от гидродинамических радиусов макромолеку-лярного клубка. Поэтому наиболее высокомолекулярные фракции будут определять способность полимеров к полному удалению через почки. Большую роль играют относительные скорости фильтрации и поглощения клубками РЭС, которые зависят, соответственно, от массы и гидро-фобности полимера.
Чем больше масса, тем медленнее фильтрация, а чем гидрофобнее полимер, тем сильнее он захватывается клетками. Реабсорбция в почках также увеличивается с ростом гидрофобности.
Ранее была описана биотрансформация поливиниль-ного аналога нуклеиновых кислот, которые после введения
© Таканаев А. А., Яроватая М.А. © Takanaev A.A., Yarovataya M.A.
в кровяной поток постепенно разрушаются и частично выводятся из организма [1,2,3]. В зависимости от структуры и молекулярного веса полимерные фракции экскретиру-ются с мочой. Одновременно кровяной поток очищается от полимера посредством эндоцитозных клеток, локализованных в основном в печени, селезёнке, тимусе и костном мозге.
Полученные данные можно представить в виде схемы распределения и выведения из организма синтетических полимеров.
Эта схема, хотя и составлена для частного примера, но имеет общее значение. Из неё видно, что полимер может быть выведен из организма только двумя путями: с мочой (относительно быстро, но только для макромолекул с ограниченной массой) и желчью (медленно, но без ограничения массы). Из кровотока в ткани полимеры переходят с разной скоростью в зависимости от структуры мембраны органа.
Биодеградация растворимых полимеров, происходящая в основном за счёт образования комплекса фермента с полимером, в значительной степени зависит от лабильности конформации последнего. В случае сшитых или водорастворимых полимеров ситуация значительно осложняется. При сравнении скорости энзиматической деградации двух сополимеров одного состава (сополимеры №(2-гидроксипропил) метакрил-амида, содержащего оли-гопептидные последовательности в боковой цепи, один из которых растворимый, а другой сшитый, последний подвергается биодеградации намного медленнее и скорость этого процесса зависит от степени сшивки (т. е. от степени набухания) [2, 4]. При некоторой определённой степени набухания фермент начинает проникать внутрь полимерных глобул,что обеспечивает деградацию во всём объёме полимера, а не только на поверхности. Скорость деградации обуславливается степенью гидрофильности полимера. Поэтому для деградации гидрофобного нерастворимого полимера необходимо первоначально механическое или окислительное разрушение, вызванное неэнзиматически-ми процессами. Такой дезентегрированный полимер легче легче подвергается биодеградации. Первой реакцией на введение полимера в организм является увеличение в области полимер-ткань клеточных популяций макрофагов, лимфоцитов, плазменных клеток и фибропластов. При введении инертных имплантантов популяция макрофагов уменьшается через 1-2 недели, затем фибропласты образу-
ют коллагеновую капсулу.
Можно предположить, что макрофаги являются донорами гидролазной ферментативной активности в местах локализации полимера. Лизосомы макрофагов содержат множество ферментов, которые легко выделяются в межклеточное пространство. В основном, это гидролазы, липазы, фосфолипазы, фосфомоноэстеразы, эндопептидазы и экзопептидазы. Следует также упомянуть и другие типы клеток, которые также вносят свой вклад в энзиматическую биодеградацию полимеров - это гистиоциты, фиброциты, фибропласты и лимфоциты. Но вклад макрофагов в биодеградацию нерастворимых полимеров является решающим.
К нерастворимым полимерам медицинского назначения относят силиконы, полиуретаны, природные каучуки, полиэфиры, полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиамиды, поли-(метилметакрилаты) и поли-(алкил)-2-цианакрилаты.
Особый интерес представляет использование ряда полимеров в виде наночастиц и микросфер для направленной доставки лекарств к специфическим клеткам или органам. Кром того, наночастицы с включенными во внутрь или адсорбированными антигенами являются перспективными адьювантами. Частицы нанометрового размера обладают намного большей поверхностью, чем плёнки или другие формы полимеров и способны к активному транспорту в организме. Так, при имплантации маленьких кусочков плёнки из поли-метилметакрилата-С-14 крысы начинали эксретировать радиоактивность только через 54 недели. У мышей экскреция с мочой первоначально была очень низкой, но медленно увеличивалась, начиная с третьей недели и внезапно уменьшилась до минимума на девятую неделю. По-видимому, различие в данных по элиминации радиоактивности связано не столько с особенностями метаболизма мышей, но и с присутствием в исследуемом материале низкомолекулярных олигомеров. При внутривенном введении крысам наночастиц поли-(метил-2-С-14-метакрилата было установлено, что за 7 дней один процент от введённой дозы экскретируется с мочой, 3,5% с фекалиями и 1% выдыхается с воздухом. Анализ распределения радиоактивной метки по органам показал, что через 30 мин после введения наибольшая радиоактивность (60%) обнаруживается в печени, 22% в лёгких, 1,2% в селезёнке, 1,7% в ЖКТ, 0,4% в почках. Распределение радиоактивности изменяется с течением времени. Её значение через 7 дней в лёгких уменьшается до 13,2%, а в печени увеличивается до 67%. Радиоактивность также уменьшается в ЖКТ, почках, тестикулах, но увеличивается слабо в селезёнке и костях. Первоначально накопление радиоактивности в лёгких можно объяснить отфильтровыванием наночастиц капиллярами лёгких. С-14 метка в кишечнике позволяет утверждать о некоторой экскреции с желчью. Через 7 дней после введения радиоактивность резко уменьшается во всех органах и тканях, кроме печени. Резко уменьшается во всех органах и тканях, кроме печени, селезенки, костного мозга, т.е. захватывается системой РЭС. Аккумуляция наночастиц в этих иммунокомпетентных органах может быть связана с адъювантным эффектом. Элиминация радиоактивности с мочой, фекалиями и другими выделениями была максимально короткой после введения. Уменьшением активности в ЖКТ и в почках можно объяснить элиминацией низкомолекулярного содержимого наночастиц. 5% от вве-
дённой дозы, экскретируемых в течение 7 дней, несомненно, относится к полимерам.
Аналогичные результаты были получены при исследовании кинетики элиминации из крови и распределения по органам полиакриламидных микросфер введённых веществ [6,8,9]. Исследована серия препаратов отличающихся размером частиц и поверхностными характеристиками за счёт иммобилизации белков. Было выявлено, что с увеличением количества иммобилизированного белка значительно увеличивается скорость элиминации. Период полувыведение пустых микросфер составил 61 мин, частиц, содержащих 0,05 мг белка/ мг -33 мин. Блокирование первичных аминогрупп альбумина, активированным поли-этиленгликолем пролонгировало (Т0 5=84 мин) - период полувыведения этих частиц из циркулярной системы.
Зависимость скорости элиминации из крови от поверхностных характеристик микросфер была подтверждена в опытах in vitro путём измерения величины фагоцитоза С-14 меченых частиц, добавленных к культуре мышиных макрофагов [5,7]. Скорость захвата пустых частиц была ниже, чем частиц, содержащих четвертичные аммонийные соли, но выше, чем частиц с модифицированным альбумином. Полученные результаты показывают, что скорость элиминации микросфер из циркулярной системы регулируется определёнными рецепторами на поверхности макрофагов. Изучение распределения микросфер по органам в течение 2-х недель показало, что частицы больших размеров (0,86 мкм) задерживаются в лёгких. Так, через 6 часов после внутривенного введения их содержание составляло 30%, а частиц меньших размеров (0,52 мкм) - 9%. Через 2 недели после инъекции 10% больших микрочастиц ещё оставалось в легких, а меньшие полностью элиминировались. Поверхностные свойства микрочастиц не выявили различий в распределении по органам, однако, скорость элиминации существенно зависит от поверхностных характеристик, как самих частиц, так и лигандов, иммобилизованных на них. Видимо, скорость фагоцитоза определяется
специфическим рецептурным механизмом, который позволяет макрофагам оценивать различия в поверхностных характеристиках, а также степень экзогенности частиц [7,10].
Эта инородность микрочастиц, определяемая поверх-ностнолокализованными белками, может быть замаскирована полиэтиленгликолем, что отражается в увеличении времени циркуляции в крови. Модификация полиэтилен-гликолем микрочастиц с иммобилизованным человеческим сывороточным альбумином приводит к увеличению периода полувыведения из крови в два с половиной раза. Можно предположить, что модификация поверхностных свойств обуславливает появление целого ряда новых факторов элиминации: уменьшение чужеродности, изменение гидрофобности, увеличение размера частиц.
Больший период полувыведения модифицированных микрочастиц по сравнению с частицами, не содержащих белок, предполагает влияние и других факторов, например, физико-химических поверхностных свойств. Проведённые эксперименты показывают накопление микрочастиц в органах с мощной системой РЭС, в особенности в печени и селезенке. Например, для полной блокады РЭС мышей необходимо ввести специальную тушь с величиной частиц 20-50 нм в дозе 24 мг/100г или коллоидный краситель три-пановый синий в виде 1%-ноги раствора в дозе 2,5 мг/100г Блокирование РЭС различными блокаторами подтверждает доминирующую роль этой системы в клиренсе частиц размером 1-3 мм.
Таким образом, введение в организм высокомолекулярных соединений вызывает множество проблем, одни из которых уже успешно решаются (такие, как выведение полимеров из организма), другие ещё ждут своего решения (направленный транспорт полимеров в организме в заранее заданный орган или биодеградация полимеров с заранее заданной скоростью). Отдельные положения данной статьи успешно используются при чтении элективного курса «Полимеры в медицине» студентам медицинского и биологического профиля.
Библиографический список
1. Таканаев А.А., Павловская Н.Е., Юшкова Е.И., Яроватая М.А., Лушников А.В. Исследование биологической активности N-галоидалкиламинов// Ученые записки Орловского государственного университета. № 7(63) 2014. C. 223-225.
2. Таканаев А.А., Халилов М.А., Юшкова Е.И., Яроватая М.А. Некоторые аспекты биотрансформации N-нитрозосоединений// Ученые записки Орловского государственного университета. № 4 (67) 2015. C. 405-406.
3. ЯроватаяМ.А., Таканаев А.А., ЮшковаЕ.И. Метаболизм гетероциклических N-нитрозаминов// Ученые записки Орловского государственного университета. № 4 (67) 2015. С.424-425.
4. Таканаев А.А., Юшкова Е.И., Яроватая М.А. Изучение биотрансформации N-нитрозаминов как интерактивное приложение к лекционному курсу по биохимии// Ученые записки Орловского государственного университета. № 6 (69) 2015. С. 355-358.
5. 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
6. 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.
7. Таканаев А.А, Яроватая М.А. Введение в электив «Композитные материалы в медицине» // Ученые записки Орловского государственного университета. № 1(74) 2017. С. 233-235
8. 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
9. Таканаев А.А, Яроватая М.А. Использование особенностей биодеградации полимерных производных для более эффективного усвоения динамической биохимии биомакромолекул студентами медицинских вузов Научный журнал «Ученые записки Орловского государственного университета», № 4 (77), 2017г с. 322-324.
10. Таканаев А.А, Яроватая М.А. Методы изучения биодеградации полимерных систем в рамках элективного курса «Композитные материалы в медицине» // Научный журнал «Ученые записки Орловского государственного университета», № 2 (79), 2018г с. 338-340.
11. http://www.oncolog.su/carcinogen/nitrate/
12. http://www.medfrance.ru/onco/nitrate/nitrozamines/
References
1. Takanaev A.A., Pavlovskaya N.E., Yushkova E.I., Yarovataya M.A., Lushnikov A.V. N-galoidalkilamines biological activity studies// Scientific notes of Orel State University.№ 7 (63) 2014. Pp. 223-225.
2. TakanaevA.A., KhalilovM.A., YushkovaE.I., YarovatayaM.A.Some aspects of N-nitrosocompounds biotransformation //Scientific notes of Orel State University.№ 4 (67) 2015. Pp. 405-406.
3. Yarovataya M.A., Takanaev A.A., Yushkova E.I. Metabolism of geterocyclicN-nitrosamines //Scientific notes of Orel State University. № 4 (67) 2015. Pp. 424-425.
4. 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.
5. 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.
6. Yarovataya M.A., Takanaev A.A., Yushkova E.I. The preparation of hydrogen-3 (H-3) labelled amines as a part of the optinal course "Practical methods in biochemistry"//Scientific notes of Orel State University. № 1 (70) 2016.Pp. 257-259.
7. Takanaev A.A., Yarovataya M.A. Introduction to the elective course "Composite materials in medicine"//Scientific notes of Orel State University. № 1 (74) 2017. Pp. 233-235.
8. Takanaev A.A., Yarovataya M.A Improving the process of teaching biochemistry of high molecular-weight compounds at medical institute and universities (using the example of biotransformation for some geterocycles polymeric derivatives)//Scientific notes of Orel State University. № 2 (75) 2017. Pp. 344-346.
9. Takanaev A.A., Yarovataya M.A 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.
10. Takanaev A.A., Yarovataya M.A Methods of studying biodegradation of polymer systems in the limits of the elective course «Composite materials in medicine» //Scientific notes of Orel State University. № 2 (79) 2018. Pp. 338-340.
11. http://www.oncolog.su/carcinogen/nitrate/
12. http://www.medfrance.ru/onco/nitrate/nitrozamines/
