CC BY
153
Н. А. Данилов, Н. Ю. Игнатьева
СТАБИЛИЗАЦИЯ СКЛЕРЫ ПРИ ГЛИКАЦИИ
Ключевые слова: миопия, коллаген, глицеральдегид, треоза, гликация, дифференциальная сканирующая калориметрия, энергия Гиббса. myopia, collagen, glyceraldehyde, threose, gly-cation, differential scanning calorimetry, Gibbs free energy
Работа посвящена оцениванию возможности использования глицераль-дегида и треозы в качестве сшивающих агентов для остановки развития миопии. Проведено измерение параметров стабильности (температуры денатурации, модуля упругости, устойчивости к ферментативному протеолизу) и аналитических параметров (интенсивность флуоресценции) как функции времени гликации изолированной склеры кролика. Показано, что проведённая обработка значительно повышает параметры стабильности. Объяснены уникальные особенности реакции коллагена склеры с глицеральдегидом и треозой при малых временах сшивания. Построены энергетические диаграммы Гиббса для различных случаев.
The work aims at the evaluation of prospects for using glyceraldehyde and threose as a cross-linking agent for stop myopic progression and recovery of mechanical properties of scleral tissue. Stability parameters (denaturation temperature, Young’s modulus, proteolytic resistance) and fluorescence intensity were monitored as function of glycation time for isolated rabbit sclera. It is shown that such treatment result to considerably increase in all stability parametres. Unique shown features at small times of reaction of collagen with glyceraldehyde or threose are explained. The scheme of Gibbs free energy changes of collagen in scleral tissue was constructed for various conditions.
Введение
При прогрессирующей миопии в структуре коллагеновых волокон склеры наблюдаются патологические изменения, связанные со снижением количества внутри- и межмо-лекулярных поперечных сшивок в коллагеновой сети, что обуславливает нарушение биомеханических свойств этой опорной оболочки глаза [1, 2, 3]. Представляются перспективными методы укрепления склеры путем воздействия сшивающими агентами. Однако внедрение новых методов в медицинскую практику возможно лишь после тщательных исследований in vitro и in vivo. Междисциплинарные исследования такого рода должны начинаться с изучения физико-химических изменений коллагеновых структур, происходящих в ткани после ее обработки сшивающими агентами.
Глицеральдегид и треоза, простые моносахариды, являются перспективными сшивающим агентами: они малотоксичны, обладает высокой сшивающей активностью, а глубина протекания реакции может измеряться неинвазивным методом по уровню флуоресценции ткани в ультрафиолетовых лучах.
Целью данной работы являлось построение кинетических зависимостей значимых параметров: температуры денатурации коллагена (Тд), ферментной устойчивости, модуля Юнга (E), интенсивности флуоресценции в процессе стабилизации коллагена склеры при её поперечном сшивании глицеральдегидом или треозой. Отметим, что Тд является важнейшей термодинамической характеристикой стабильности ткани [4], а флуоресценция -
аналитический показатель, отражающий глубину протекания гликации [5]. Протеолитиче-ская устойчивость - исключительно важная характеристика, от неё будет зависеть продолжительность лечебного эффекта, поскольку коллаген в живом организме непрерывно подвергается деградации матриксными металлопротеиназами и ресинтезу («turn-over») [6].
Экспериментальная часть
Приготовление тканей. В работе использовалась склеральная оболочка 20 глаз 9- месячных кроликов, умерщвленных в рамках других исследований, не связанных с данной работой. Для биомеханических измерений из склеры вырезали стандартные образцы в виде полосок размером 12х4 мм. Остальная ткань была порезана на мелкие фрагменты массой 1-12 мг, которые перемешали случайным образом и использовали для остальных экспериментов.
Сшивание. Инкубация образцов проводилась при 37° от 1 до 48 часов в случае глицеральде-гида (ГА) и от 0.5 до 7 суток в случае менее активной треозы (ТР). 0.1 М растворы сахаров (“Sigma”, США) готовили в 1.5 мл буферного раствора с pH=7.41. Сшитые образцы промывались в тёплом 0.1 М Tris-HCl (THB), инактивирующем альдегидные соединения [4]. Несшитые образцы, инкубировавшиеся в том же буферном растворе без ГА или ТР, считались интактными и использовались как контроль во всех экспериментах.
Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК). Образцы массой 3-8 мг запечатывались в герметичную алюминиевую капсулу. Пустая капсула использовалась как образец сравнения. Обе капсулы помещались в ячейку дифференциального сканирующего калориметра TA 4000 (Mettler). Начальная температура, конечная температура и скорость нагревания составляли, соответственно, 25°, 100°, 10°/мин. Температура денатурации Тд определялась как температура пика эндотермического перехода на термограммах.
Биомеханические испытания. Использовался тестер биоматериалов «MINIMAT 2000» (Rheometric Scientific GmbH, Германия), где устанавливали тензометрический датчик на 20 Н. После измерения толщины образцы помещали в зажимы аппарата и подвергали одноосному растяжению (скорость 1 мм/мин) вплоть до разрыва. Зависимость напряжение-деформация непрерывно записывалась компьютерным блоком аппарата. Обработка полученных зависимостей позволила определить модуль упругости Е(МПа).
Ферментативный протеолиз. Использовали протеолитический препарат «Морикраза», выделяемый из печени краба Paralithodes camtschatica [7, 8, 9]. Его растворяли в THB, содержащем 25 mM CaCl2 и 0.02% NaN3. Образцы массой около 10 мг (в пересчете на сухой вес) выдерживали 72 ч при 37° в 1.5 мл 0.2% раствора. Смесь декантировали, осадок промывали деионированной (MilliQ) водой, лиофилизировали и взвешивали. Изменения в весе частично деградированных образцов выражали в % от начального веса.
Флуориметрия. Образцы массой 1-5 мг растворяли в 1.5 мл 0.5% раствора папаина (Sigma, США, 2.9U/mg) при температуре 65°С. Пробу объемом 0.2 мл доводили THB до 2.0 мл и помещали в кювету (l=1 см) спектрофлуориметра СМ2203 (Солар, Белоруссия). Интенсивность флуоресценции (IF) определялась как интенсивность в максимуме пика при ЛвОзб=370 нм [5]. Далее величины IF были нормализованы к содержанию коллагена в супернатанте, т.е. IF на 1 мг коллагена (NFI).
Определение коллагена. Измеряли содержание коллаген-специфичной аминокислоты гид-роксипролина (Hyp) [10]. Аликвоту папаинового супернатанта гидролизовали в 1 мл 6N HCl при 110°C в течение 16 ч. Гидролизат упаривали под вакуумом, содержание Hyp измеряли спектрофотометрически по модифицированному методу Восснера [11]. Содержание коллагена рассчитывали в предположении, что массовая доля Hyp составляет 13,5% [12].
'Использовался фосфатный буфер с добавкой бактериостатика азида натрия: 0.1М Ыа01, 0.05 М ЫаН2Р04, 0.05 М Ма2НР04, 0.02% ЫаЫз на 1 л деионизованной (Мй^) воды.
Результаты и обсуждение
Все исследованные параметры (^!, E, Тд, протеолитическая устойчивость) изменялись в ходе сшивания сходным образом: относительно быстрое возрастание в интервале
0-10 ч для ГА и 0-3 суток для ТР сменялось выходом графика на плато в интервале 12-18 ч для ГА и 5-7 суток для ТР (рис. 1). Это позволяет сделать вывод о почти полном протекании реакции гликации коллагена за указанные временные интервалы. Модуль Юнга склеры в течение этого времени постепенно увеличивался в 4-6 раз. Резкое возрастание Тд, модуля Юнга и ферментной устойчивости однозначно указывает на возрастание структурной стабильности коллагена склеры вследствие поперечного сшивания и перспективность дальнейшего изучения возможности использования этих реагентов._______________________
Рис. 1 - Общие закономерности изменения параметров при сшивании склеральной ткани ГА в интервале 0 - 50 ч (данные представлены как «среднее»±«стандартное отклонение», П=3). Для сшивания коллагена склеры с помощью реагента ТР в общем и целом были получены аналогичные графики, только с увеличенными примерно в 8 раз характерными временами
На ранних стадиях гликации (КЗ ч для ГА и К2 суток для ТР) были отмечены особенности изменения наблюдавшихся параметров: множественные пики на ДСК-термограммах для обеих ГА и ТР и локальный минимум протеолитической устойчивости для ГА (рис. 2). До сшивания наблюдались единичные пики денатурации; анало-
гичные пики, но с более высокой Тд, наблюдались на поздних этапах реакции гликации. Однако между этими этапами обнаруживалось расщепление пика на несколько: в общем случае, это низкотемпературный пик (61-64°), исходный пик (67-68°), высокотемпературный пик (71-80°).
Возникновение нескольких пиков на ДСК-термограммах однозначно указывает на появление в образце нескольких фракций с разными свойствами [13]. Изменение в картине этих пиков в дальнейшем указывает на превращение этих фракций. Аналогичный эффект отмечался для глутарового альдегида, и связывают его с явлением медленной диффузии реагента внутрь образца или коллагеновых фибрилл, а также с возможным разбросом параметров активности аминогрупп разных участков одного и того же образца [14].
Рис. 2 - Особенности изменения параметров на ранних стадиях реакции гликации: типичная многостадийная денатурационная кривая ДСК (общий феномен для ГА и ТР) и локальный минимум на кривой ферментативной устойчивости (только для ГА)
Фракция с повышенной Тд является результатом поперечного сшивания. Те участки образца или коллагеновых фибрилл, в которых реакция ещё не прошла в достаточной степени, имеют Тд = Тд (интактного образца).
Интересным результатом является обнаружение пиков с пониженной Тд. Понижение Тд отмечалось некоторыми исследователями при обработке коллагена ацилирующими агентами или монофункциональными эпоки-соединениями [15, 16, 17], приводящей к так называемому «маскированию» аминогрупп - образованию дополнительных боковых цепей, но не сшивок. Результатом является частичная дезорганизация структуры коллагенового волокна. Мы полагаем, что ДСК обнаруживает фракции коллагена, которые содержат продукты начального бесшивочного присоединения ГА и ТР к аминогруппам, то есть подобные упомянутым боковые цепи; поперечные сшивки же образуются позднее.
Такое предположение насчет структурных изменений подтверждается наличием локального минимума на графике зависимости устойчивости к протеолизу от времени сшивания ГА. Мы наблюдали значительное падение устойчивости к «Марикразе» в интервале
1-3 ч, после её небольшого возрастания в интервале 0-1 ч. Подобная зависимость хорошо объясняется упомянутым в литературе противоречивым влиянием эффекта «маскирования» на устойчивость к ферментам: с одной стороны, маскировка аминогрупп создаёт пространственные затруднения для молекул фермента, но в то же время облегчает расщепление из-за нарушения упорядоченной укладки макромолекул [15, 17].
Фракция с пониженной Тд, а также локальный минимум протеолитической устойчивости со временем исчезают; продукты «маскирования», то есть начального одиночного присоединения реагента, вероятно, переходят в нормальные поперечные сшивки.
Принято считать, что денатурация коллагена описывается в рамках модели фазового перехода I рода [18, 19]. Коллаген в фибриллах образуем квазикристаллическую структуру, проявляемую на рентгенограммах и электронных микрофотографиях [20]. После денатурации эти свойства исчезают, образуется аморфная фаза [21]. При понижении температуры эти свойства частично восстанавливаются. Флори методами статистической термодинамики доказал равенство химических потенциалов лишь в одной точке [21].
Следовательно, температура денатурации Тд является частным от энтальпии и энтропии перехода. Мы не наблюдали существенного изменения энтальпии в ходе сшивания, а это значит, изменение величины Тд обуславливается изменением энтропии. Рассмотрим наблюдавшиеся эффекты с точки зрения изменения энергии Гиббса (рис. 3).
Рис. 3 - Термодинамика процесса денатурации в различных случаях (Тпл - температура плавления; Тдо - температура денатурации интактного коллагена)
В процессе денатурации осуществляется переход макромолекулы из состояния тройной спирали в случайный клубок. При температуре функционирования ткани устойчива трехспиральная структура, энергия Гиббса О(спирали) меньше 0(случайного клубка). Энтропия 8(случайного клубка) существенно больше 8(тройной спирали), поэтому 0(случайного клубка) падает быстрее с ростом температуры, и по достижении температуры денатурации Т=Тд наступает равновесие между этими двумя фазами (ДО=0). Эффект
маскирования значительно увеличивает энтропию случайного клубка за счет возникновения новых конформаций, вращения алифатических групп новой боковой цепи вокруг одинарных связей. Изменение энергии Гиббса становится равным нулю при более низких значениях температуры. В физической химии полимеров понижение температуры фазового перехода при введении в линейный полимер боковых цепей является хорошо изученным эффектом [22]. Наконец, в сшитом коллагене энтропия случайного клубка будет значительно меньше, чем в несшитой фракции, за счет уменьшения числа возможных допустимых конформаций. Поэтому Тд становится значительно больше по сравнению с необработанным глицеральдегидом коллагеном.
Выводы
Обработка изолированной склеральной ткани глаза кролика 0.1 М раствором глицеринового альдегида или треозы приводит к значительному повышению ее структурной и биомеханической стабильности за счет формирования поперечных сшивок. Наблюдаемый эффект существенно зависит от продолжительности воздействия: через 3 часа обработки ГА и 2 суток обработки ТР повышение уровня поперечной связанности склеры приобретает устойчивый характер. Полученные результаты свидетельствуют о целесообразности дальнейшего изучения в эксперименте in vivo данных сшивающих агентов в качестве перспективного средства для укрепления склеры при прогрессирующей близорукости. Треоза может иметь преимущество in vivo из-за её меньшей активности: более равномерное сшивание обрабатываемой ткани и меньшую токсичность.
Была произведена интерпретация наблюдавшихся на термограммах ДСК эффектов с точки зрения физической химии. Совокупность использованных физических и химических методов позволяет оценивать состояние коллагена в тканях. Это является важным для решения актуальных проблем современной медицины.
Литература
1. Wollensak, G. Cross-linking of scleral collagen in the rabbit using riboflavin and UVA / G. Wollen-sak, E.N. Iomdina, D-D. Dittert // Acta Ophthalmol. Scand. - 2005. - Vol. 83. - P. 477-482.
2. Иомдина, Е.Н. Биомеханика склеральной оболочки глаза при миопии: диагностика нарушений и их экспериментальная коррекция: aвтореф. дис. ... докт. биол. наук. / Иомдина Елена Наумовна. - М., 2000. - 48 с.
3. Wollensak, G. Collagen cross-linking in the human and porcine sclera / G. Wollensak, E. Spoerl // J. Cataract. Refract. Surg. - 2004. - Vol. 30. - №3. - P. 689-695.
4. Andreassen, T.T. Thermal stability of collagen in relation to non-enzymatic glycolysation and browning in vitro / T.T. Andreassen, H. Oxlund // Diabetologia. - 1985. - Vol. 28. - P.687-691.
5. Malik, S.N. Ageing of the human corneal stroma: structural and biochemical changes / S.N. Malik, S.J. Moss, A.J. Furth, K.M. Meek // Biochem. Biophys. Acta. - 1992. - Vol. 1138. - P.222-228.
6. Bailey, A. J. Molecular mechanisms of ageing in connective tissues / A.J. Bailey // Mech. Ag. Dev. -2001. - Vol. 122. - P. 735-755.
7. Руденская, Г.Н. Аминопептидаза PC из печени камчатского краба: субстратная специфичность и исследования ингибирования / Г.Н. Руденская, А.М. Шмойлов, Д.В. Беседин // Вестн. Моск. унта. - 2000. - Т. 41. - №6. - Приложение. - С.70-72.
8. Rudenskaya, G. Preparation of proteolytic enzymes from kamchatka crab Paralithodes camchatica hepatopancreas and their application / G. Rudenskaya [et al.] // Appl. Biochem. Biotechnol. - 2000. -Vol.88. - P. 175-183.
9. Semenova S. cDNA cloning, purification and properties of Paralithodes camtschatica metalloprotease /
S. Semenova [et al.] // Prot. Pept. Lett. - 2006. - Vol.13. - №6. - P.571-575.
10. Степанов, В.М. Молекулярная биология / В.М. Степанов. - М.: Высш. шк., 1996. - 337 с.
11. Игнатьева, Н.Ю. Определение гидроксипролина в тканях и оценка содержания в них коллагена / Н.Ю. Игнатьева [и др.]// ЖАХ. - 2007. - Т. 62. - №1. - С. 51-57.
12. Gasteiger E. ExPASy: The proteomics server for in-depth protein knowledge and analysis / E. Gasteiger, A. Gattiker, C. Hoogland, I. Ivanyi, R.D. Appel, A. Bairoch // Nucleic Acids Res. - 2003.
- Vol. 31. - P. 3784-3788.
13. Wallac,e D.G. Multiple denaturational transitions in fibrillar collagen / D.G. Wallace, R.A. Condell, J.W. Donovan, A. Paivinen, W.M. Rhee, S.B. Wade // Biopolymers. - 1986. - Vol. 25. - P. 1875-1893.
14. Cheung, D.T. Mechanism of cross-linking of proteins by glutaraldehyde. III.Reaction with collagen in tissues / D.T. Cheung, E.C. Ko, M.E. Nimni // Connect. Tissue Res. - 1985. - Vol. 13. - P.109-115.
15. Zeeman, R. Successive epoxy and carbodiimide cross-linking of dermal sheep collagen / R. Zeeman, P.J. Dijkstra, J. Feijen // Biomaterials. - 1999. - Vol. 20. - P.921-931.
16. Tu, R. Fixation of bioprosthetic tissues with monofunctional and multifunctional polyepoxy compounds / R. Tu, S.H. Shen, D. Lin // J. Biomed. Mater. Res. - 1994. - Vol.28. - P. 677-684.
17. Sung H. W. Degradation potential of biological tissues fixed with various fixatives: An in vitro study / H.W. Sung, C.S. Hsu, S.P. Wang // J. Biomed. Mater. Res. - 1997. - Vol. 34. - P. 147-155.
18. Flory P.J. Phase transitions in collagen and gelatin systems / P.J. Flory, P.R. Garrett //JACS. - 1958. -Vol. 80. - P. 4836-4845.
19. Манделькерн, Л. Кристаллизация полимеров / Л. Манделькерн. - Л.: Химия, 1966. - 337 с.
20. Holmes D.F. STEM/TEM studies of collagen fibrill assembly / D.F. Holmes [et al.] // Micron. - 2001.
- Vol. 32. - P. 273-285.
21. Engel J. Cooperative equilibrium transitions coupled with a slow annealing step explain the sharpness and hysteresis of collagen folding / J. Engel, H.P. Bachinger // Matrix Biol. - 2000. - Vol. 19. -P. 235-244.
22. Flory, P.J. Principles of Polymer Chemistry. Phase equilibria in polymer systems / P.J. Flory. -NewYork: Cornell University Press, 1953. - P. 541-594.
© Н. А. Данилов - асп., мл. науч. сотр. лаб. катализа и газовой электрохимии, каф. физической химии, Московский госуд. ун-та им. М.В. Ломоносова, danilovchem@mail.ru; Н. Ю. Игнатьева -канд. хим. наук, доцент той же кафедры, nyu@genebee.msu.ru
