Kwas hialuronowy to produkt pochodzenia zwierzęcego, który ma szerokie zastosowanie w medycynie i kosmetyce. Właściwości tej substancji nie są jeszcze w pełni poznane, a jej wpływ na organizm ludzki jest obiecujący dla tworzenia leków nowej generacji. Związek ten aktywnie uczestniczy w procesach embriogenezy, podziału komórek, ich różnicowania i przemieszczania się podczas odpowiedzi immunologicznej.
Historia i terminologia odkryć
Kwas hialuronowy według wzoru odnosi się do glikozaminoglikanów, których cząsteczki składają się z powtarzających się jednostek, które nie zawierają grup siarczanowych. Po raz pierwszy ten wysokocząsteczkowy związek został wyizolowany z ciała szklistego bydła. Początkowo naukowcy zakładali, że substancja jest charakterystyczna tylko dla ssaków. Jednak w 1937 roku zostało to obalone - uzyskano je z płynnej pożywki, w której hodowano paciorkowce hemolityczne. W 1954 roku w brytyjskim ogólnonaukowym czasopiśmie Nature został po raz pierwszy opublikowanywzór strukturalny kwasu hialuronowego.
Powszechna nazwa substancji wiąże się z historią jej odkrycia (pol. „szklistek” – ciało szkliste, „kwas uronowy” – kwas uronowy). W międzynarodowej terminologii chemicznej istnieje również nazwa „hialuronian”, która łączy kwas i jego sole. Wzór chemiczny kwasu hialuronowego to: C₂₈H₄₄N₂O₂₃.
Obecnie zakres jej zastosowania jest bardzo szeroki: medycyna, kosmetologia, farmacja. Kwas hialuronowy jest stosowany jako substancja główna i pomocnicza. Właściwości związku, odkryte w ostatnich latach, mają duże perspektywy do wykorzystania w przyszłości, dlatego zapotrzebowanie na ten biopolimer stale rośnie.
Budynek
Formuła kwasu hialuronowego to typowy anionowy polisacharyd. Cząsteczki są połączone w długie liniowe łańcuchy. Substancje pokrewne - aminoglikany glukozy - mają dużą liczbę grup siarczanowych. To tłumaczy powstawanie różnych izomerów – związków różniących się przestrzennym rozmieszczeniem atomów. Różnią się również ich właściwości chemiczne. Kwas hialuronowy, w przeciwieństwie do glikozaminoglikanów, jest zawsze chemicznie identyczny. Jego właściwości nie zależą od metod pozyskiwania i rodzaju materiałów źródłowych.
Skład kwasu hialuronowego obejmuje kwas D-glukuronowy i N-acetylo-D-glikozaminę, które są połączone wiązaniem beta-glikozydowym i tworzą jego jednostki disacharydowe (pierścienie glukopiranozowe o masie cząsteczkowej około 450 Da). Ich liczba w cząsteczkach tego związku może sięgać 25 000. Dzięki temu kwas ma wysoką masę cząsteczkową (5 000-20 000 000 Da).
Wzór strukturalny fragmentu disacharydowego kwasu hialuronowego przedstawiono na poniższym rysunku.
Skład kwasu zawiera obszary hydrofobowe i hydrofilowe, dzięki czemu ten wysokocząsteczkowy związek w przestrzeni wygląda jak skręcona wstęga. Połączenie kilku łańcuszków tworzy kulę o luźnej strukturze. Zdolność do wiązania i zatrzymywania do 1000 cząsteczek wody to kolejna cecha formuły kwasu hialuronowego. Biochemia tej substancji wynika przede wszystkim z jej wysokiej higroskopijności, która zapewnia nasycenie tkanek wodą oraz utrzymanie objętości wewnętrznej.
Właściwości chemiczne
Kwas hialuronowy ma następujące charakterystyczne właściwości chemiczne:
- tworzenie dużej liczby wiązań wodorowych;
- tworzenie odczynu kwaśnego ośrodka w roztworach wodnych ze względu na obecność zdeprotonowanej grupy karboksylowej;
- tworzenie rozpuszczalnych soli z metalami alkalicznymi;
- tworzenie w wodnym roztworze silnej struktury żelowej (pseudożel) zawierającej znaczną ilość wilgoci (kompleksy białkowe często wytrącają się);
- tworzenie nierozpuszczalnych kompleksów z metalami ciężkimi i barwnikami.
Zewnętrznie wodne roztwory substancji przypominają konsystencję białka jaja. Strukturalna formuła kwasu hialuronowego pozwala na przyjmowaniema kilka form, w zależności od środowiska jonowego medium:
- lewa pojedyncza spirala;
- multifilamentowe struktury płaskie;
- podwójna helisa;
- struktury superskręcone z gęstą siecią molekularną.
Ostatnia forma jest trzeciorzędowa i jest w stanie wchłonąć duże ilości wody, elektrolitów, białek o dużej masie cząsteczkowej.
Różnice w kwasie hialuronowym różnego pochodzenia
Jak wspomniano powyżej, struktura tej substancji jest bardzo podobna, niezależnie od źródła jej produkcji. Różnica między kwasami pochodzenia bakteryjnego i zwierzęcego polega na stopniu ich polimeryzacji. Formuła kwasu hialuronowego pochodzenia zwierzęcego jest dłuższa niż forma bakteryjna (odpowiednio 4000-6000 i 10000-15000 monomerów).
Rozpuszczalność tych substancji w wodzie jest taka sama i zależy głównie od obecności grup hydroksylowych i soli w resztach disacharydowych. Ponieważ struktura chemiczna kwasu jest z natury podobna u wszystkich żyjących osobników, minimalizuje to ryzyko niepożądanych reakcji immunologicznych i odrzucenia po podaniu ludziom i zwierzętom.
Rola w przyrodzie
Główną lokalizacją kwasu hialuronowego jest skład międzykomórkowej (lub pozakomórkowej) macierzy tkanek ssaków. Jak pokazują badania naukowe, jest on również obecny w kapsułkach niektórych bakterii – paciorkowców, gronkowców i innych pasożytniczych mikroorganizmów. Synteza związku zachodzi również w organizmie zwierząt bezkręgowych (pierwotniaki,stawonogi, szkarłupnie, robaki).
Naukowcy sugerują, że zdolność do wytwarzania kwasu hialuronowego w bakteriach rozwinęła się w celu zwiększenia ich zjadliwości w organizmie gospodarza. Dzięki jego obecności drobnoustroje mogą łatwo wnikać w skórę i ją kolonizować. Takie bakterie pasożytnicze są w stanie zneutralizować odpowiedź immunologiczną gospodarza i wywołać rozwój bardziej aktywnego procesu zapalnego niż inne szczepy drobnoustrojów.
Kwas hialuronowy jest wytwarzany przez białka osadzone w ścianie komórkowej lub błonach organelli wewnątrzkomórkowych. Najwyższe stężenie substancji w ludzkim ciele odnotowuje się w płynie wypełniającym jamę stawową, w pępowinie, ciele szklistym oka i skórze.
Metabolizm
Synteza kwasu hialuronowego odbywa się w formie reakcji enzymatycznych w 3 etapach:
- Glukozo-6-fosforan – glukozo-1-fosforan (fosforylowana glukoza) – UDP-glukoza – kwas glukuronowy.
- Aminocukier – glukozamino-6-fosforan – N-acetyloglukozamino-1-fosforan – UDP-N-acetyloglukozamino-1-fosforan.
- Reakcja transferazy glikozydowej z udziałem enzymu syntetazy hialuronianu.
Około 5 g tej substancji jest produkowane i rozkładane w ludzkim ciele dziennie. Całkowita ilość kwasu wynosi około siedmiu tysięcznych procenta wagowego. U kręgowców synteza kwasów zachodzi pod wpływem 3 rodzajów białek enzymatycznych (syntetazy hialuronianu). Są to metaloproteiny składające się z kationów metali i fosforanów glukozydowych. Syntetazy hialuronianu to jedyne enzymykatalizowanie produkcji kwasu.
Proces niszczenia cząsteczek C₂₈H₄₄N₂O₂₃ zachodzi pod wpływem enzymów hialuronian litycznych. W ludzkim ciele jest ich co najmniej siedem, a niektóre z nich hamują procesy powstawania guza. Produktami rozpadu kwasu hialuronowego są oligo- i polisacharydy, które stymulują tworzenie nowych naczyń krwionośnych.
Funkcje w ludzkim ciele
Kolagen i kwas hialuronowy w składzie ludzkiej skóry to najcenniejsze substancje, od których zależy elastyczność i gładkość skóry właściwej. C₂₈H₄₄N₂O₂₃ wykonuje następujące funkcje:
- zachowanie wody, co zapewnia elastyczność skóry i jej turgor;
- tworzenie wymaganego stopnia lepkości płynu śródmiąższowego;
- udział w reprodukcji głównych i immunokompetentnych komórek naskórka;
- wspieranie wzrostu i naprawy uszkodzonej skóry;
- wzmacnianie włókien kolagenowych;
- wzmocnienie odporności miejscowej;
- ochrona przed wolnymi rodnikami, czynnikami chemicznymi i biologicznymi.
Najwyższe stężenie tej substancji obserwuje się w skórze zarodka. Wraz z wiekiem większość kwasu wiąże się z białkami, co zmniejsza poziom nawilżenia skóry. Zdolność do samoregulacji metabolizmu jest szczególnie silnie obniżona u osób po 50. roku życia.
Określono również następujące właściwości kwasu hialuronowego w mazi stawowej:
- formacjajednorodna struktura do przechowywania określonego składnika chrząstki - siarczanu chondroityny;
- wzmocnienie kolagenowego szkieletu chrząstki;
- zapewnienie smarowania ruchomych części stawów, zmniejszając ich zużycie.
Biologiczna rola cząsteczek kwasu różni się w zależności od ich masy cząsteczkowej. Tym samym związki zawierające do 1500 monomerów działają przeciwzapalnie i biorą czynny udział w budowie sieci kolagenowej. Polimery z łańcuchem do 2000 monomerów odgrywają rolę w utrzymaniu równowagi wodnej, a związki wielkocząsteczkowe mają najsilniejsze właściwości przeciwutleniające.
Kwas hialuronowy bierze również udział w tworzeniu i rozwoju zarodka, w kontroli mobilności komórek - migracji komórek z jednego miejsca do drugiego, w niektórych interakcjach z receptorami powierzchniowymi komórek.
Odbierz
Istnieją 2 główne grupy sposobów pozyskiwania substancji:
- Fizyko-chemiczne (ekstrakcja z tkanek ssaków, kręgowców i ptaków). Ponieważ surowce zwierzęce często zawierają kwas w połączeniu z białkami i innymi polisacharydami, wymagane jest dokładne oczyszczenie otrzymanego produktu, co wpływa na koszt końcowego leku. Do pozyskiwania kwasu na skalę przemysłową wykorzystuje się pępowinę noworodków oraz grzebienie kurcząt domowych. Istnieją inne metody ekstrakcji - z oczu bydła płyn wypełniający ubytki stawów i worki stawowe; osocze krwi,chrząstka, świńska skóra.
- Metody mikrobiologiczne oparte na hodowlach bakterii. Głównymi producentami są bakterie Pasteurellamultocida i Streptococcus. Metody te zostały po raz pierwszy przetestowane w 1953 roku. Są bardziej ekonomiczne i nie zależą od sezonowych dostaw surowców.
W pierwszym przypadku materiały biologiczne są niszczone metodami mielenia i homogenizacji, a następnie kwas jest ekstrahowany w mieszaninie z peptydami przez wystawienie na działanie rozpuszczalników organicznych. Powstałą masę traktuje się enzymami lub białka usuwa się przez denaturację chloroformem lub mieszaniną etanolu i alkoholu amylowego. Następnie substancja jest skoncentrowana na węglu aktywnym. Ostateczne oczyszczenie odbywa się za pomocą chromatografii jonowymiennej lub wytrącania chlorkiem cetylopirydyniowym.
Zastosowanie medyczne
Kwas hialuronowy jest stosowany w następujących schorzeniach:
- okulistyka – zaćma; używać jako środowiska chirurgicznego podczas operacji;
- ortopedia - choroba zwyrodnieniowa stawów, ochrona chrząstki stawowej przed zniszczeniem, a także stymulowanie jej regeneracji (endoprotezy mazi stawowej);
- chirurgia - augmentacja tkanek miękkich, operacje z rozległym wycięciem chrząstki;
- farmaceutyki - produkcja leków w oparciu o strukturę polimerową związku (tabletki, kapsułki, kremy, żele, maści);
- przemysł spożywczy - odżywianie sportowe;
- ginekologia - antyadhezjafundusze;
- dermatologia - leczenie oparzeń, pozakrzepowych zaburzeń troficznych skóry.
Zgodnie z prognozami naukowców substancja ta może stać się podstawą nowej grupy leków do leczenia raka.
Inne właściwości kwasu są również obiecujące:
- działanie przeciwdrobnoustrojowe, przeciwwirusowe (związek jest aktywny przeciwko wirusowi opryszczki i innym);
- poprawa mikrokrążenia krwi;
- działanie przeciwzapalne;
- przedłużone działanie (stopniowe rozpuszczanie w tkankach ludzkich).
Witaminy
Kwas hialuronowy w składzie witamin stosowany jest w postaci oczyszczonego hialuronianu sodu, który jest jego analogiem. Głównym celem preparatu jest zachowanie młodości skóry, jej nawilżenie oraz gojenie ran. Aby poprawić wchłanianie, do kompozycji kompleksów witaminowych wprowadza się kwas askorbinowy.
Prowadzone są również badania mające na celu opracowanie leków i suplementów diety o działaniu przeciwzapalnym i immunomodulującym, które mogą być stosowane w wielu obszarach ludzkiej działalności.
Kosmetologia
W kosmetologii ten związek służy do korygowania zmian związanych z wiekiem. Ze względu na to, że struktura kwasu jest podobna we wszystkich organizmach żywych, nadaje się do stosowania jako wypełniacz skórny (zastrzyk), szczególnie w okolicach oczu. Aby substancja dłużej pozostawała w naskórku, jest modyfikowana za pomocą cząsteczek sieciujących.(środki sieciujące). Wypełniacze usieciowane różnią się między sobą lepkością żelu, stężeniem kwasu oraz czasem resorpcji w skórze.
Zastrzyki podaje się śród- lub podskórnie w postaci 1-3% roztworu wodnego. Pomaga to zwiększyć elastyczność i jędrność tkanek, zauważalne wygładzenie zmarszczek.
C₂₈H₄₄N₂O₂₃ dodaje się również do składu kosmetyków zewnętrznych - żeli, pianek, kremów i innych podstawowych produktów. Kwas hialuronowy w składzie określany jest jako kwas hialuronowy (a hialuronian sodu to hialuronian sodu). Kosmetyk tego typu ma takie same właściwości jak wypełniacze – zapobiega powstawaniu zmarszczek, trądziku oraz pomaga nasycić skórę wilgocią.
