CC BY
22
УДК 66.092-977
Серегина Т.С., Иванова В.Р., Харитонова В.Г., Деревнин И.А., Зайцев В.В., Дятлов В.А.
СИНТЕЗ ПОЛИМЕРНЫХ МОДИФИКАТОРОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ, СОДЕРЖАЩИХ АМИНОГЛИКОЗИДНЫЕ АНТИБИОТИКИ
Серегина Татьяна Сергеевна бакалавр 2 курса кафедры химической технологии пластических масс; e-mail: tatiana.seregina.2016@yandex.ru;
Иванова Виктория Романовна бакалавр 4 курса кафедры химической технологии пластических масс; Харитонова Виктория Геннадьевна, магистр 1 курса кафедры химической технологии пластических масс; Деревнин Игорь Алексеевич бакалавр 2 курса кафедры химической технологии пластических масс; Зайцев Владимир Валентинович, к.м.н., ведущий научный сотрудник ФГБУ ЦИТО им Н. Н. Приорова, Россия, Москва;
Дятлов Валерий Александрович, д.х.н., профессор, РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва, Миусская пл., 9 ФГБУ "НМИЦ ТО им. Н.Н. Приорова" Минздрава России Москва, 127299, ул. Приорова 10
Предложены способы химической обработки биологической ткани - ксеноперекарда и глисоновой капсулы печени, которые используются в качестве основы биологических протезов клапанов сердца и разделительных мембран. Способы позволяют получать материалы с улучшенной тромборезистентностью и бактериостатическими свойствами. В качестве полимеров-носителей использованы химически модифицированные полисахариды эпоксипропилдекстран и диальдегиддекстран, с которыми ковалентно связаны аминогликозидные антибиотики амикацин и гентамицин, а также антикоагулянт гепарин. Предложена концепция создания антибактериальных покрытий, локально выделяющих антибиотик под воздействием ферментов бактерий при инфицировании.
Ключевые слова: полисахариды, эпоксипропилдекстран, диальдегиддекстран, полимерные производные амикацина и гентамицина, методы обработки ксеноперикарда, биологические протезы клапанов сердца.
SYNTHESIS OF POLYMER MODIFIER BIOLOGICAL TISSUE CONTAINING AMINOGLYCOSIDE ANTIBIOTICS.
Seregina T.S., Ivanova V.R., Kharitonova V.G., Derevnin I.A., Zaitsev V.V.*, Dyatlov V.A. D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *N. N. Priorov Institute of Orthopedics and Traumatology, Moscow, Russia
Methods of chemical treatment of biological tissue - xenopericardium and gelon capsule, which are used as the material for biological prostheses of heart valves and separation membranes are proposed. The methods allow to obtain materials with improved thrombosis resistance and bacteriostatic properties. Chemically modified polysaccharides epoxypropyl dextran and dialdehydextran have been used as the polymer drug carriers. That contain aminoglycoside antibiotics amikacin and gentamicin as well as anticoagulant heparin covalently bonded to the carrier. The concept is proposed comprises the creation of antibacterial coatings, locally secreted antibiotics on the action of bacterial enzymes during infection.
Keywords: polysaccharide, epoxypropyl dextran, dialdehyde dextran, polymeric derivatives of amikacin and gentamicin, methods of processing xenopericardium, heart valves biological prostheses.
Биологическая ткань - перикард и ксеногенная глисоновая капсула печени, обработанная химическими сшивающими агентами, находит все более широкое применение в медицине при создании уникальных биологических протезов, разделительных мембран и биоразлагаемых тканезамещающих материалов. На основе бычьего перикарда созданы протезы аортальных клапанов, имплантируемые через венозный катетер непосредственно в работающее сердце. Это позволяет в ряде случаев заменить травматичные полостные хирургические операции, требующие искусственного кровообращения, на
малоинвазивные эндоскопические манипуляции. Обычно для химической обработки биоткани используют формальдегид, глутаровый альдегид и их смеси с сильными анионными детергентами
сульфатного или фосфатного типа [1]. Такой способ позволяет химически модифицировать коллагеновые волокна биоткани на достаточную глубину, придать материалу дополнительную прочность,
устойчивость к протеолитическим ферментам, снизить иммуногенность с некоторой потерей эластичности, однако способ не позволяет придать поверхности перикардиальной мембраны
дополнительные полезные свойства, к которым относят бактериостатичность и
тромборезистентность. Традиционным подходом при лечении бактериальных поражений клапанов сердца является классическая лекарственная терапия. Для уничтожения инфекций локализованных на поверхности клапана приходится заполнять антибиотиком весь организм, при этом создать местную повышенную концентрацию путем
локальной инъекции не удается, так как он непрерывно смывается кровью. В то же время прочно связанный с поверхностью антибиотик не активен. Для осуществления его действия требуется контакт с мембраной либо проникновение внутрь клетки бактерии. Основным принципом, использованным в настоящей работе при создании бактерицидных покрытий длительного действия, является контролируемое выделение антибиотика с поверхности биопротеза под действием ферментов бактерий. При этом сигналом инициирующим выделение является сама инфекция, антибиотик выделяется только в месте бактериальной атаки, локальная концентрация в сотни раз превышает терапевтическую, а выделение прекращается после смерти бактерии и ее удаления с поверхности биопротеза.
Колагенновые волокна
Полисахаридный гель
Лизис поверхностного геля с выделением антибиотика
Схема 1. Взаимодействие антибиотика с бактерией
Настоящая работа посвящена синтезу физиологически активных полимеров, содержащих функциональные группы, способные ковалентно связываться с коллагеном поверхности биоткани, аминогликозидными антибиотиками и гепарином (рис. 4.) с образованием биокомпозитного материала, обладающего антибактериальными и тромборезистентными свойствами.
В качестве основы использовали 1-6-а-полиглюкозу-полисахарид декстран (рис. 1.), который используется как клинический кровозаменитель (Полиглюкин). Он апирогенен, нетоксичен, неиммуногенен. В отличии от других полисахаридов он не подвержен ферментному гидролизу. В организме не имеется специфических гидролаз, способных расщеплять 1-6-а-гликозидную связь.
-СН
он
Рис.1. Декстран В работе использовали аминогликозидные антибиотики широкого спектра действия амикацин (рис.2.) и гентамицин (рис. 3.), дестабилизирующие клеточные мембраны бактерий, не требующие проникновения внутрь клетки для осуществления антибактериального действия. Это обусловлено невозможностью проникновения полимерных
антибиотиков внутрь живой клетки бактерии, не использующей механизм фагоцитоза.
он
Рис. 2. Амикацин
мн.
Рис. 3. Гентамицин
Рис. 4. Гепарин Для химического активирования полисахарида использовали два подхода: его модификацию эпихлоргидрином в щелочной среде с образованием эпоксипропилдекстрана схема 2.а. и периодатное окисление с образованием диальдегиддекстрана в соответствии со схемой 2.б.
а.
+ ну:-сн—сньа
\/ о
ОН он
о-сна-нс—сн2
\ / о
Схема 2. Синтез а) эпоксипропилдекстрана (Э-О-СН2СН(О)СН2) и б) диальдегиддекстрана (Э-СНО)
В качестве исходных полимеров использовали два типа декстранов имеющих молекулярно-
№№ пп Тип Найдено, кД
Мп М7 М2+1 РБ I
1. Полиглюкин 57.6 22.4 182 457 2.57
2. Реополиглюкин 43,3 29,9 62,1 92,7 1,44
Химическая модификация приводит к изменению этих характеристик и образованию сшитых нерастворимых полимеров. Однако, они способны к биодеградации в почках с последующим
выведением фрагментов без риска блокады в клубочковой фильтрации. Скорость биодеградации зависит от химической модификации и в случае диальдегиддекстрана происходит сравнительно быстрее по сравнению с эпихлогидрин активированным аналогом.
Химическое связывание антибиотиков и гепарина с полимерами носителями происходит с образованием ковалентных связей аминогрупп физиологически активных веществ с эпоксидными или альдегидными группами носителей в соответствии со схемой.
0-0-СНг-НС —-СН; + А-МН; —- 0—0-СН;—СН —СНг-НН-А
0 но
б.
Схема 3. Присоединение антибиотиков (А) к полимерам носителям а) к эпихлоргидрин активированному декстрану и б) к диальдегиддекстрану
В случае эпихлоргидрина активированного декстрана образуется полимер, в котором антибиотик связан с носителем ковалентной связью устойчивой к гидролизу. Бактериальная атака такого покрытия инициируют ферментативное
расщепление гликозидной связи носителя с выделением низкомолекулярных фрагментов содержащих гликозилированный антибиотик. В случае использования диальдегиддекстрана антибиотик связан с носителем азометиновой связью, которая значительно менее устойчива к гидролизу по сравнению с гликозидной связью основной цепи. При гидролизе происходит выделение в кровь антибиотика в химически неизменном виде.
Блок схема синтеза композиционного материала предусматривает четыре основных технологических стадии. На первой стадии химической модификации полимероносителя синтезируют активированные полисахариды (эпихлоргидрин активированный декстран и диальдегиддекстран), которыми на второй стадии обрабатывают нативный (нестабилизированный) или предварительно стабилизированный глутаровым альдегидом ксеноперекард. При этом происходит химическая сшивка полисахарида и его ковалентное связывание с аминогруппами на поверхности коллагеновых волокон. На третьей стадии компазиционный материал обрабатывают аминогликозидным антибиотиком с образованием ковалентносвязанного антибактериального слоя. Оставшиеся
функциональные группы закрывают гепарином на четвертой стадии обработки в соответствии с блок схемой.
Синтез
активированных полисахаридов
Обработка биоткани
Обработка
КОМПОЗИЦИОННОГО^
материала антибиотиком
Закрытие функциональных групп гепарином
Блок схема. Синтез композиционного материала.
Таким образом, в работе предложен подход и разработаны основы метода получения биокомпозитного материала на основе ксеноперекарда или глисоновой капсулы печени, содержащего ковалентно связанные антибиотики и гепарин.
В работе использованы два различных типа антибиотика (амикацин и гентамицин), два типа носителей (диальдегидекстран и
эпоксипропилдекстран), два типа химических связей (легко гидрозизуемая азометиновая и трудно гидролизуемая вторично аминная) и два вида биоткани (ксеноперекард и бычья глисоновая капсула печени).
Список литературы
1.Вирник А.Д. Декстан и его производные / Успехи химии, 1975 г. Вып.7. С. 1280-1307.
2.Rustamov I.R., Dyatlov V.A., Grebeneva T.A., Dyatlov A.V., Zaitsev V.V., Maleev V.I.
Polycyanoacrylate porous material for bone tissue substitution // Journal of Material Chemistry. B. 2014. I
2. P.4310-4317.
3.Дятлов В.А., Фурсов Б.А., Зайцев В.В., Гололобов Ю.Г. Новый подход к защите биопротезов от бактериальной инфекции // Доклады. АН УССР. Б.
1987. №12. С.65-67
4.Цукерман Г.И., Фурсов Б.А., Бычкова В.А., Мищенко Б.П., Ярошинский Ю.Н., Зайцев В.В., Дятлов В.А., Матковская Т.А., Зайцев Л.В., Русанов Н.И. Перспективы дальнейшего развития проблемы биопротезирования клапанов сердца // Вестник Российской академии наук (Весник АМН СССР).
1988. № 12. С. 56-60
5.Фурсов Б.А., Зайцев В.В., Дятлов В.А., Быкова В.А., Миценко Б.П., Ярошинский Ю.Н., Перспективы использования биологических тканей в сердечно-сосудистой хирургии // Грудная и Сердечно-сосудистая Хирургия. 1989. №6. С.80-82.
