Спецпрактикум кафедры химической энзимологии Задача 4. Применение иммобилизованных ферментных препаратов в биотехнологии и медицине (стр. 1 )

Спецпрактикум кафедры химической энзимологии

Химический факультет МГУ им. , 119991, Москва

*****@***com

ЗАДАЧА 4.

ПРИМЕНЕНИЕ ИММОБИЛИЗОВАННЫХ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ В БИОТЕХНОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ.

В последние годы в результате интенсивного развития биотехнологии и генной инженерии ферменты и белки находят широкое применение в медицине. В настоящее время существует более 400 видов лекарственных средств на основе белков. Однако при пероральном применении таких лекарств стоит проблема ферментативной и/или кислотной деградации в желудочно-кишечном тракте. При внутривенном введении препаратов ряд белок-содержащих лекарств также характеризуются коротким временем полураспада, в частности, вследствие поглощения клетками ретикулоэндотелиальной системы (РЭС), состоящей в основном из макрофагов. Другой проблемой, связанной с применением белков медицинского назначения, является наличие аллергических реакций. Для решения данной проблемы разработан ряд подходов основанных на создании фермент-содержащих функциональных систем, различного типа (по природе, структурной организации и функциональным свойствам), которые применяются в зависимости от назначения лекарств и требований предъявляемых к системам.

Иммобилизация белков (ферментов) – суть ограничение подвижности данных биомолекул. Иммобилизация биомолекул является одним из основных методов биотехнологии. Метод иммобилизации широко применяется в производстве лекарственных средств; в пищевой промышленности; в производстве косметических средств; в химическом анализе и многих других областях. Цели иммобилизации весьма разнообразны: это может быть перевод биокатализатора в гетерогенное состояние; стабилизация биокатализатора и/или придание новых функциональных или структурных свойств для более эффективного использования в биокаталитическом процессе. При иммобилизации ферменты из разряда гомогенных катализаторов переходят в разряд гетерогенных или микрогетерогенных. Иммобилизация позволяет пространственно разделить фермент и реагенты, что обуславливает возможность получать продукт без примеси фермента; в нужный момент остановить реакцию; регенерировать фермент после окончания реакции и использовать его для нового цикла биотехнологического процесса. Другим, не менее важным аспектом, является придание белкам по средствам образования надмолекулярных структур требуемых физико-химических свойств (гидродинамические свойства, пространственная ориентация биомолекул, агрегатное состояние). Перечисленные свойства важны для расширения области практического использования ферментов. Фактором, способствующим длительному, в том числе непрерывному, функционированию иммобилизованных ферментов является их повышенная стабильность, сохранение активности в течении длительного времени как при хранении, так и в ходе протекания биокаталитической реакции (операционная стабильность). В результате иммобилизации ферменты могут приобретать свойства, не характерные для них в свободном состоянии.

Каковы основные преимущества применения методов иммобилизации (инкапсулирования) при разработке новых лекарственных форм?

Адресная доставка. Первое и главное преимущество - включение лекарственных препаратов в наносистемы позволяет осуществлять адресную доставку лекарства. Это может реализоваться за счет целенаправленного подбора размеров наночастиц. Например, размер наночастиц может быть больше диаметра пор капилляров, тогда объем распределения наночастиц, содержащих лекарство ограничивается компартаментом введения. Например, при внутривенном введении наночастицы плохо проникают в здоровые органы и ткани, но хорошо проникают в очаги воспаления, т. к. вблизи очагов воспаления капилляры, снабжающие эти области кровью, сильно перфорированы. Этот процесс называется пассивное нацеливание. Существует также метод «активной» адресной доставки лекарства, где в качестве "молекулярного адреса" наиболее часто выбирают иммуноглобулины, имеющие соответствующие мишени на целевых клетках. Ясно, что в результате адресной доставки (как пассивной так и активной) достигается значительное увеличение эффективности действия препаратов при существенном снижении токсичности. Пролонгированное действие лекарства. Важное преимущество наночастиц как лекарственной формы - постепенное высвобождение лекарственного вещества, инкорпорированного в них, что увеличивает время его действия. Стабилизация против био - и кислотной деградации в желудочно-кишечном тракте при пероральном применении лекарственного препарата. При внутривенном введении – возможна защита (маскирование, экранирование) от захвата макрофагов клетками ретикулоэндотелиальной системы РЭС (например, при модификации поверхности частицы полиэтиленгликолем (ПЭГ)). Снижение иммуногенности за счет маскирования лекарственного материала включенного в микрокапсулы Возможность конструировать комплексные препараты, например, поливалентные вакцины.

1. Биосовместимые материалы для получения фермент-содержащих надмолекулярных систем, применяемых в биотехнологии и медицине.

Среди основных требований предъявляемых к носителям предназначенным для применения в биологии и медицине отметим следующие: (1) возможность синтезировать требуемые системы в мягких условиях; (2) возможность контролировать свойства синтезируемых систем (структуры, размера, гидродинамических свойств, прочности); (3) возможность включения целевых биомолекул в мягких условиях; (4) возможность придавать системам желаемые функциональные свойства (например, флуоресцентные или магнитные) путем включения в микро - (нано)капсулы или на их поверхность соответствующих компонентов (например, квантовых точек); (5) биосовместимость и биодеградируемость материалов; (6) стабильность. 

Материалы, используемые в качестве носителей при иммобилизации биокатализаторов, чрезвычайно разнообразны. Это могут быть частицы на основе силикагеля, гидрооксида титана, циркония, железа и др., полимерные синтетические и природные материалы. Для синтеза оболочек при инкапсулировании биокатализаторов часто используются полиэлектролиты и полиэлектролитные пары поликатион-полианион. Химическая природа, молекулярный вес и структура полиэлектролитов входящих в состав оболочки капсул определяют свойства синтезируемых капсул, структуру, размер, проницаемость, прочность и др. Синтетические полимеры обладают рядом преимуществ: четко контролируемые свойства, высокая стабильность, химическая инертность.

Однако, при получении фермент-содержащих надмолекулярных систем предназначенных для применения в биологии и медицине в качестве носителей наиболее широко используются природные материалы: полиэлектролиты или полиэлектролитные пары природных полисахаридов, альгиновая кислота, каррагенан, пектин, хитозан; а также это могут быть белки, которые в силу своих амфотерных свойств в зависимости от рН могут являться как поликатионами, так и полианионами; для приготовления функциональных систем на основе липосом используются природные липиды – компоненты биомембран. Преимущество природных соединений перед синтетическими полимерами в том, что они биосовместимы, нетоксичны и биодеградируемы в физиологических условиях. Рассмотрим некоторые широко применяемые в биотехнологии и медицине полисахариды.

Альгинаты, соли альгиновой кислоты, широко используется для получения микро - и нанокапсул многих биоактивных молекул, ферментов, вакцин, инсулина и цитокинов. Альгинаты (соли альгиновых кислот) получают из бурых морских водорослей, они состоят из связанных 1.4-β- связями остатков D-маннуроновой (рКа=3.38) и α-L-гулуроновой (рКа=3.2) кислот. Альгинат образует гели с высокой степенью гидратации (высоким содержанием воды), высокой прочности, но относительно мягкой консистенции, что делает гидродинамические свойства геля близки по своим характеристикам к природным тканям. Гель на основе альгината образуется в мягких условиях при комнатной температуре без добавления органических растворителей, гель биодеградируем в физиологических условиях. Уникальные свойства альгината делают его одним из основных белковых носителей для доставки лекарств в организме.

Пектин. Среди природных полисахаридов, содержащих отрицательно заряженные группы, помимо альгината широко распространенным является пектин, который используется в качестве гелеобразующего и влагоудерживающего агента, а также в качестве загустителя в пищевой и фармацевтической промышленности. Пектин выделяют из клеточных стенок растений, например, из лимонной кожуры. Пектин представляет собой линейный полимер б-галактуроновой кислоты, в котором часть карбоксильных групп находится в метоксилированном состоянии (рис. 1.). Молекулярный вес пектинов обычно находится в интервале 100-1000 кДа. Различают высоко-метоксилированный пектин, в котором степень метоксилирования более 50%, и низко-метоксилированный пектин, в котором степень метоксилирования соответственно меньше 50%.

Рис. 1. Структурная формула низкометоксилированного пектина.

Взаимодействие пектина с белками лежит в основе его многочисленных практических применениях, в основном для гелеобразования и стабилизации пен и эмульсий в производстве лекарственных средств, пищевых добавок и в пищевой промышленности. Классическим примером является использование пектина для стабилизации казеин-содержащих мицелл в кисломолочных напитках. Благодаря электростатическому взаимодействию отрицательно заряженных групп пектина с положительно заряженными аминогруппами казеина, молекулы пектина адсорбируются на казеиновых мицеллах, тем самым, предотвращая агрегацию в кислых средах.

Свойства комплексов белков с анионными полисахаридами (в частности, пектином), применяющихся для стабилизации пищевых коллоидных систем, пен и эмульсий, интенсивно изучаются в связи с открывающимися перспективами промышленного применения. Так, для смеси молочных белков, и некоторых других глобулярных белков было установлено, что в присутствие пектина система может находиться в четырех различных состояниях в зависимости от рН, ионной силы и соотношения компонентов. При нейтральных значениях рН пектин отрицательно заряжен, и хотя общий заряд белков также отрицателен, имеет место взаимодействие положительно заряженных аминогрупп групп белков с карбоксильными группами полисахарида. В таких условиях образуется гомогенная система, состоящая из расторимых белок-полисахаридных комплексов находящихся в  равновесии со свободными компонентами (1). При снижении значения рН до изоэлектрической точки белка и ниже образуется растворимый белок-полисахаридный комплекс (2). В частности, в случае в-лактоглобулина растворимый комплекс с пектином образуется  при значениях рН 4-5. Дальнейшее снижение значения рН приводит к снижению общего отрицательного заряда комплекса. Наблюдается образование двухфазной системы, состоящей из нерастворимого комплекса, в котором большая часть зарядов ПЭ компенсирована, за счет взаимодействия с белком (образуется белок-ПЭ комплекс «стехиометрического» состава) и водной фазы, в которой растворен избыток полисахарида (3). При значениях рН ниже рКа полисахарида происходит протонирование карбоксильных групп пектина и комплексообразования не наблюдается (4). Таким образом, в случае белок-полисахаридных комплексов,  варьирование параметров среды позволяет в широких пределах изменять состояние системы, переходить от гомогенных водных растворов к гетерогенным системам, формировать комплексы различной структуры, и размеров. На этом основано все возрастающее применение пектина и других природных полисахаридов в пищевой и косметической промышленности, в производстве пищевых добавок и лекарственных средств.