От чего гиалуроновая кислота. Что такое гиалуроновая кислота и почему все ею одержимы

В косметологии наибольший успех имеют инъекционные процедуры - контурная пластика, биоревитализация, биорепарация. Активным компонентом препаратов, применяющихся для их выполнения, является гиалуроновая кислота (ГК). Несмотря на неоднозначные высказывания в СМИ, гиалуроновая кислота в косметологии не теряет своей популярности уже на протяжении около двух десятков лет.

Роль ГК в организме человека

Все системы и органы состоят из клеток: кровь - из форменных элементов, печень - из гепатоцитов, нервная система - из нейронов. Пространство между всеми клетками занимает соединительная ткань, составляющая около 85% всего организма. Являясь единой структурой, она взаимодействует со всеми другими тканями (эпителиальной, нервной, мышечной и т. д.) и осуществляет их взаимосвязь между собой.

Соединительная ткань, в зависимости от ее состава, может быть в различных физических состояниях - в жидком (кровь, лимфа, синовиальная внутрисуставная и спинномозговая жидкость), твердом (кость), в виде геля (межклеточная жидкость и хрящ, стекловидное тело глаза). Наиболее полно она присутствует в кожных структурах - дерме, гиподермальном и базальном слоях.

Соединительную ткань от других тканей организма отличает высокая развитость ее основы при относительно небольшом количестве структур клеток. Основа состоит из эластиновых и коллагеновых волокон, а также сложных молекулярных белковых и аминокислотных соединений с аминосахарами. Важнейшим из них и является гиалуроновая кислота.

Одна молекула ГК способна связывать около 500 молекул воды. В организме человека среднего возраста она синтезируется фибробластами в количестве 15-17 гр. Половина ее содержится в клетках рогового слоя кожи, а также между волокнами эластина и коллагена. Она стимулирует выработку этих белков, создает условия для их фиксированного расположения, придавая тем самым упругость и эластичность кожному покрову.

Видео

Процессы старения тканей

Под воздействием фермента гиалуронидазы гиалуроновая кислота разрушается. Процессы ее восстановления и расщепления происходят непрерывно. Около 70% разрушается и восстанавливается в течение суток. Преобладание того или иного процесса зависит от:

• суточных и сезонных биоритмов;
• возраста;
• психологического состояния;
• нерационального питания;
• никотиновой интоксикации и избыточного УФ облучения;
• приема определенных медикаментозных препаратов и пр.

Эти факторы влияют не только на синтез ГК (гиалуроната), но и на его структуру. Снижение его количества приводит к уменьшению связанной воды в тканях и появлению признаков их старения. Дефектные же молекулы сохраняют способность связывать воду, но теряют способность отдавать ее. Кроме того, естественные возрастные процессы приводят к концентрации ГК в глубоких кожных слоях, что является причиной межклеточного отека ткани на границе дермы и гиподермы и обезвоженности более поверхностных слоев.

Все эти процессы с увеличением возраста и под влиянием негативных факторов нарастают и приводят к сухости кожи при одновременной одутловатости лица и отеков под глазами, снижению ее эластичности и упругости, появлению морщин и пигментации.

Виды ГК в организме

Уникальность ее состоит в наличии молекул с различной длиной цепочки полисахаридов. От длины цепочки во многом зависят свойства гиалуроновой кислоты и ее влияние на клетки:

1. Молекулы с короткой цепью, или низкомолекулярная гиалуроновая кислота - оказывает противовоспалительное действие. Этот вид кислоты применяется в целях лечения ожоговой болезни, трофических язв, угрей, псориаза и герпетических высыпаний. Она используется в косметологии в виде одного из компонентов тоников и кремов наружного применения, так как, не теряя своих свойств, длительно и глубоко проникает в кожу.
2. Среднемолекулярная ГК, обладающая свойством подавления миграции, размножения клеток и др. Она используется при лечении глаз и некоторых видов артритов.
3. Высокомолекулярная - стимулирует клеточные процессы в коже и обладает свойством удерживать большое число молекул воды. Она придает коже упругость и высокую устойчивость к внешним негативным факторам. Этот вид используется в офтальмологии, хирургии, а в косметологии - в препаратах для инъекционных методик.

Промышленные виды

В зависимости от технологии производства гиалуронат натрия подразделяется на два вида:

1. Длительное время применялись препараты с гиалуроновой кислотой животного происхождения. Ее получали путем ферментативного расщепления измельченных частей животных (глаза и хрящи крупного рогатого скота, петушиные гребни, синовиальная внутрисуставная жидкость, пуповины) в результате специальной двухэтапной очистки и осаждения. Технология предусматривала использование дистиллированной воды и высокой температуры (85-100 градусов). Значительная часть высокомолекулярной фракции разрушалась, превращаясь в низкомолекулярную. Кроме того, оставались белки животного происхождения.

   Эффект после инъекций таких препаратов в целях косметической коррекции лица сохранялся недолго, иногда способствовал образованию дермальных узлов. Но препарат особенно был опасен тем, что часто становился причиной выраженных воспалительных и аллергических реакций из-за наличия животного белка. Поэтому такая технология уже почти не применяется.

2. С недавнего времени в фармацевтической промышленности ГК получают способом биотехнологического синтеза. В этих целях используются микроорганизмы (стрептококки), выращенные на пшеничном бульоне. Они вырабатывают гиалуроновую кислоту, которая на последующих этапах очищается, высушивается и подвергается многократному бактериологическому и химическому исследованиям. Такой препарат почти полностью соответствует кислоте, вырабатываемой в организме человека. Он почти не вызывает аллергических и воспалительных реакций.

Применение в косметологии

Гиалуроновая кислота применяется для введения в кожу и подкожные слои с помощью различных способов:

1. Инъекционных.
2. Безинъекционных.

Инъекционные процедуры с гиалуроновой кислотой применяются в таких методиках, как:

• , и - введение препарата в средние слои кожи; применяется при возрастных изменениях, сухости кожного покрова и для повышения его эластичности, тонуса и цвета, устранения угревой сыпи, растяжек и т. д.; длительность сохранения гиалуроновой кислоты в дерме - до 14 суток;
• - заполнение веществом подкожных структур с целью разглаживания морщин и коррекции контуров лица; препарат сохраняется под кожей в течение 1-2 недель;
• и - введение модифицированной гиалуроновой кислоты, которая сохраняется в коже до 3 недель.

Вопросы

Что лучше: ботокс или ГК?

Учитывая разнонаправленность механизмов действия ботокса и гиалуроновой кислоты, они применяются для достижения различных эффектов. Возможно их сочетание. Однако необходимо помнить о том, что после введения должно пройти не менее двух недель.

Можно ли совмещать введение коллагеновых филлеров и ГК?

Хорошо сочетаются филеры на основе коллагена и ГК. Первый обеспечивает коже плотность и структуру и действует в среднем 4 месяца, второй - естественное увлажнение и прочность в течение 6-9 месяцев.

Любое применение инъекций гиалуроновой кислоты должно осуществляться только врачом-косметологом.

1

Дан краткий исторический очерк об открытии и комплексном изучении гиалуроновых кислот. В сравнительном плане проведена систематизация данных научной литературы по особенностям химического строения, физико-химических свойств, гистологической и цитологической принадлежности, функций и метаболизма гиалуроновых кислот у организмов различных таксономических групп. Выявлены особенности ферментного состава, обеспечивающие синтез и деградацию биополимера у микроорганизмов и в клетках тканей млекопитающих. Проанализированы традиционные технологии извлечения из животного сырья и способы его получения на основе культур Streptococcus equi subsp. equi, S. equi subsp. zooepidеmiсus и Bacillus subtilis. Обоснована научно-техническая разработка инновационных биотехнологий гиалуроновых кислот различной молекулярной массы и перспективы их производственной реализации. Представлены сведения о применении продукции на их основе в различных сферах современной жизни.

гиалуроновая кислота

технологии микробного синтеза

биотехнология

бактерии

1. Белодед А. В. Микробиологический синтез и деградация гиалуроновой кислоты бактериями р. Streptococcus: Автореф. дис. канд. биол. наук: МГУПБ - М., 2008. - 23 с.

2. Бычков С.М., Колесников М.Ф. Способ получения гиалуроновой кислоты //A. с № 219752 СССР, 1968. - Бюл. № 19. - С. 90.

3. Забненкова О.В. Внутридермальные филлеры на основе гиалуроновой кислоты. Показания к применению, возможные комбинации // Пластическая хирургия и косметология: научно-практический журнал, 2010. - № 1 - С. 101-115. URL: http://www.pscj.ru/upload/iblock/569/11.pdf (дата обращения: 24.11.2016)

4. Костина Г., Радаева И. Использование гиалуроновой кислоты в медицине и косметологии // Косметика и медицина, 1999. - № 2-3. - С. 53-57.

5. Лупына Т. П., Волошина Е. С. Микробиологический способ получения гиалуроновой кислоты и перспективы её использования в фармацевтике. Национальный университет пищевых технологий, Украина. - 2014. - С. 4.

6. Препараты Princess filler и Princess volume в коррекции возрастных изменений лица и атрофических рубцов // Инъекционные методы в косметологии, 2013. - №2 /http://corneal.ru/events/publications/43/ (дата обращения:24.11.2016)

7. Португалова B.B., Ерзикян К.Л. Гиалуроновая кислота и ее роль в жизнедеятельности организмов // Успехи соврем. биол., 1986. - Т. 101, № 3. - С. 344-358.

8. Радаева И.Ф., Костина Г.А., Змиевский A.B. Гиалуроновая кислота: биологическая роль, строение, синтез, выделение, очистка и применение // Прикл. биохим. микробиол., 1997. - Т. 33, №2. - С. 133-137.

9. Ряшенцев В.Ю., Никольский С.Ф., Вайнермен Е.С. и др. Способ получения гиалуроновой кислоты // Патент № 2017751 РФ, 1994. - Бюл. № 15. - С. 75-76.

10. Толстых П.И., Стекольников Л.И., Рыльцев В.В. и др. Лекарственные препараты животного происхождения для наружного применения // Хим.-фарм. журн., 1991. - Т. 25, № 4. - С. 83-87

11. Филлеры: что это такое [Электронный ресурс] // Стоматология & косметология http://24stoma.ru/filleri.html (дата обращения: 24.11.2016 г.)

12. Abatangelo G., Martinelli M., Vecchia P. Healing of hyaluronic acid-enriched wounds:histological observations // J. Surg. Res., 1983. - V. 35, № 5. - P. 410-416.

13. Ahmet Tezel & Clenn H. Fredrickon Дермальные филлеры на основе гиалуроновой кислоты: взгляд с позиции науки [Калифорнийский университет, Санта-Барбара, США] [Электронный ресурс] // SKIN AESTHETIC http://estetika.uz/upload/files/da25b536d87b2edf853c5bc5d10f2968.pdf (дата обращения: 24.11.2016)

14. Carter G.R. Pasteurellosis: Pasteurella multocida and Pasteurella hemolytica. // Adv. Vet. Sci., 1967. - V. 11. - P. 321-379.

15. DeAngelis P.L., Jing W., Graves M.V., Burbank D.E., van Etten J.L. Hyaluronan synthase оf chlorella virus PBCV-1 // Science, 1997. - V. 278. - P. 1800-1803.

16. DeAngelis P.L., Papaconstantinou J., Weigel P.H. Isolation of a Streptococcus pyogenes gene locus that directs hyaluronan biosynthesis in acapsular mutants and in heterologous bacteria // J. Biol. Chem, 1993. - V. 268. - P. 14568-14571.

17. Frost G.I., Csoka Т., Stern R. The hyaluronidases: a chemical, biological and clinical overview // Trends Glycosci. Glycotech., 1996. - V. 8. - P. 419-434.

18. Graves M.V., Burbank D.E., Roth R., Heuser J., DeAngelis P.L., van Etten J.L. Hyaluronan synthesis in virus PBCV-1-infected chlorella-like green algae // Virology, 1999. - V. 257. - P.15-23.

19. Karlstam В., Vincent J., Johansson В., Bryno C. A simple purification method of squeezed krill for obtaining high levels of hydrolytic enzymes // Prep. Biochem., 1991. - V. 21. - P. 237-256.

20. Kendall F.E., Heidelberger M., Dawson M.H. A serologically inactive polysaccharide elaborated by mucoid strains of group A hemolytic Streptococcus. // J. Biol. Chem., 1937. - V. 118. - P. 61-69.

21. Kim J.H., Yoo S.J., Oh D.K., Kweon Y.G. et al. Selection of a Streptococcus equi mutant and optimization of culture conditions for the production of high molecular weight hyaluronic acid. // Enzyme Microb. Technol., 1996. - V. 19. - P. 440-445.

22. Lansing M., Lellig S., Mausolf A., Martini I., Crescenzi F., Oregon M., Prehm P. Hyaluronate synthase: cloning and sequencing of the gene from Streptococcus sp. // Biochem. J., 1993. -V. 289. - P. 179-184.

23. Linker A., Meyer K. Production of Unsaturated Uronides by Bacterial Hyaluronidases //Nature, 1954. - V. 174. - P. 1192-1194.

24. Matsubara C, Kajiwara M., Akasaka H., Haze S. Carbon-13 nuclear magnetic resonance studies on the biosynthesis of hyaluronic acid // Chem. Pharm. Bull., 1991. - V. 39. - P. 2446-2448.

25. Meyer K. Highly viscous sodium hyaluronate // J. Biol. Chem., 1948. - V. 176. - № 2. - P. 993-997.

26. Meyer K. Hyaluronidases // The Enzymes. - V. 5. / ed. Boyer P.D. - New York: Academic Press, 1971. - P . 307-320.

27. Meyer K., Palmer J. The polysaccharide of the vitreous humor // J. Biol. Chem., 1934. -V. 107. - P. 629-634.

28. Mortimer E.A., Vastine E.L. Production of Capsular Polysaccharide (Hyaluronic Acid)by L Colonies of Group A Streptococci. // J. Bacteriol., 1967. - V. 94, № 1. - P. 268-271.

29. Prehm P. Hyaluronan. // Biopolymers: biology, chemistry, biotechnology, applications. -V. 5: Polysaccharides I. Polysaccharides from prokaryotes. / eds. Vandamme E.J., DeBaets S.,Steinbuchel A. - Weinheim: Wiley-VCH, 2000. - P. 379-404.

30. Prehm P. Synthesis of hyaluronate in differentiated teratocarcinoma cells: characterization of the synthase. // Biochem. J., 1983. - V. 211. - P. 181-189.

31. Roseman S., Moses F.E., Ludowieg J., Dorfman A. The biosynthesis of hyaluronic acidby group A Streptococcus. Utilization of l-C14-glucose // J. Biol. Chem., 1953. - V. 203. - P.213-225.

32. Scott J.E., Cummings C, Brass A., Chen Y. Secondary and tertiary structures of hyaluronan in aqueous solution, investigated by rotary shadowing-electron microscopy and computer simulation. Hyaluronan is a very efficient network-forming polymer // Biochem. J., 1991. - V.274. - P. 699-705.

33. Shimada Е., Matsumura G.J. Molecular Weight of Hyaluronic Acid from Rabbit Skin //J. Biochem., 1977. - V. 81. - № l. - P. 79-91.

34. Stern R., Asari A.A., Sugahara K.N. Hyaluronan fragments: an information-rich system // Eur. J. Cell Biol., 2006. - V. 85. - P. 699-715.

35. Sugahara K., Schwartz N.B., Dorfman A. Biosynthesis of Hyaluronic Acid by Streptococcus // J. Biol. Chem., 1979. - V. 254, № 14. - P. 6252-6261.

36. Weigel P.H., Hascall V.C., Tammi M. Hyaluronan Synthases // J. Biol. Chem., 1997. - V. 272, № 22. - P. 13997-14000.

37. Widner В., Behr R., Von Dollen S., Tang M., Ней Т., Sloma A., Sternberg D., DeAngelis P.L., Weigel P.H., Brown S. Hyaluronic Acid Production in Bacillus subtilis // Appl. Environ. Microbiol., 2005. - V. 71, № 7. - P. 3747-3752.

A DESCRIPTION OF DIFFERENT METHODS USED TO OBTAIN HYALURONIC ACID

Savoskin O. V. 1 Semyonova E. F. 1 Rashevskaya E. Yu. 1 Polyakova A. A. 1 Grybkova E. A. 1 Agabalaeva K. O. 1 Moiseeva I. Ya. 1

1 Penza State University

Abstract:

The article gives a brief historical outline of the discovery and comprehensive study of hyaluronic acids. We compare and systematize scientific papers focusing on the specific features of functions, metabolism, chemical constitution, physical, chemical, histological and cytological properties of hyaluronic acids in organisms belonging to different taxonomic groups. We also reveal the specific features of enzyme composition that ensure the synthesis and degradation of biopolymers in microorganisms and mammals’ tissue cells. In addition, we analyze traditional extraction technologies used with animal-based raw materials and ways of obtaining them from Streptococcus equi subsp. equi, S. equi subsp. zooepidеmiсus and Bacillus subtilis. Furthermore, we present the grounds for the scientific and technical development of innovative biotechnologies related to hyaluronic acids with different molecular weight and their production prospects. Finally, we give information about how hyaluronic acid-based goods are used in different spheres of modern life.

Keywords:

technologies of microbial synthesis

В последние годы медицина, фармацевтика и косметология далеко шагнули в вопросе использования высокомолекулярных соединений (ВМС), в качестве основных действующих, а также вспомогательных, корригирующих веществ и наполнителей. Одним из наиболее востребованных в медицине и косметологии ВМС на сегодняшний момент, является гиалуроновая кислота (ГК), которая нашла свое применения в хирургии, как заменитель синовиальной жидкости в суставах в качестве смазывающего и хондропротекторного компонента; дерматологии, в качестве ремоделирующего агента при коррекции возрастных деформаций кожи лица, особенно кожи вокруг глаз; гинекологии, в качестве противоспаечного средства при внутривлагалищных сращениях. Таким образом, спектр применения гиалуроновой кислоты весьма широк; он постоянно пополняется, что приводит к повышению спроса на данный вид биополимера, а, следовательно, интересу к альтернативным источникам его получения.

1. История открытия гиалуроновой кислоты

В 1934 г. в журнале Journal of Biological Chemistry была опубликована статья Карла Маера и Джона Палмера, в которой упоминался необычный полисахарид, выделенный из стекловидного тела бычьего глаза (от греч. hyalos — стекловидный и англ. uronic acid - уроновая кислота), достаточно высокой молекулярной массы 450 г/моль и не содержащий сульфатных групп . Дальнейшие исследования показали, что полисахарид представлен фрагментами дисахарида, который состоит из D-глюкуроновой кислоты и N-ацетилировананного глюкозоамина.

Данные о принадлежности биополимера только структурам организмов млекопитающих опровергли, когда в 1937 г. Кендал и Хейдельбергер заявили о выделении полисахарида идентичного гиалуронану из культуральной жидкости гемолитического стрептококка. Идентичность выделенного биополимера подтвердилась ими же позже после установления структуры полисахарида в 60-е годы . В 1954 г. в журнале Nature руководитель лаборатории Meyer опубликовал структурную формулу фрагмента дисахарида, продукта расщепления стрептококковой гиалуронатлиазой .

Научный интерес к гиалуроновой кислоте, ее получению, выделению и применению все больше увеличивался. К настоящему времени опубликовано более 15000 статей в зарубежных и отечественных журналах. Результатом исследований было получение достоверных данных о выделении гиалуронана из различных органов млекопитающих, а также из культур различных клеток (гемолитический стрептококк, стрептомицеты, коринебактерии). Некоторые данные имели промышленное значение, например, экстракция гиалуроновой кислоты из гребней кур используется и сейчас. За полвека увеличился и спектр применения гиалуронана (хирургия, косметология, травматология и ортопедия, дерматология и др.), а также были созданы новейшие лекарственные формы на основе его полимерной структуры . Все это не было возможно без установления биологической роли биополимера, который, как оказалось, служил компонентом клеточного матрикса, необходимого для нормального осуществления метаболических процессов пролиферации и дифференциации тканей. Так был изучен процесс метаболизма гиалуронана в организме человека. Стало известно, что в день распадается и синтезируется около 5 г гиалуроновой кислоты, а ее содержание в теле человека составляет примерно 0,007%, что составляет около 15 г у женщины массой 70 кг .

В 1953 г. Роземан, Мозес и Дорфман опубликовали работы, где был указан способ получения гиалуронана, его осаждения и выделения в свободном виде на основе культур гемолитического стрептококка. В дальнейшем их методы выделения и осаждения были усовершенствованы Цифонелли и Маедо, что позволило повысить выход и чистоту продукта . Механизм образования гиалуронана в бактериях, в том числе стрептококков, был выявлен позже, когда был исследован ферментный состав микроорганизмов, способных к синтезу гиалуроновой кислоты. В 1959 г. было доказано существование специфических пептидов гиалуронатсинтетаз, которые осуществляют синтез полисахарида в мембранах бактерий .

В 1992 г. американские ученые заявили о клонировании гена, отвечающего за синтез гиалуронатсинтетазы, и передаче его штамму кишечной палочки. Однако активного фермента получить не смогли. ДеАнгелис в 2002 г. сообщил об успешном выделении оперона гиалуронатсинтетазы и экспрессии его в микроорганизм. Это был первый случай клонирования глюкозоаминогликансинтетаз в мировой практике .

В настоящее время в мире проводятся исследования механизмов действия гиалуроновых кислот, их роли в организме человека и альтернативных путей использования. Однако, особенно актуальными являются вопросы микробного синтеза гиалуронана, что подтверждает цена за килограмм очищенного продукта, составляющая около 700000 т. руб. (импортируемый продукт на основе животного сырья). Так, за последние 20 лет в мире было выдано более 50 патентов, что свидетельствует о высоком интересе к рассматриваемой проблеме.

2. Химическое строение и физические свойства гиалуроновой кислоты

Около 20 лет с момента первой публикации об открытии животного полисахарида гиалуроновой кислоты (1934 г.) понадобилось лаборатории Meyer, для установления точного химического строения гиалуроновой кислоты. Гиалуроновая кислота, гиалуронат или гиалуронан - (C14H21NO11)n - органическое соединение, относящееся к группе несульфатированных глюкозоаминогликанов (рис. 1). Наличие многочисленных сульфатированных групп у родственных глюкозоаминогликанов является причиной многочисленной изомерии, чего не наблюдается у гиалуроновой кислоты, которая всегда химически идентична, в независимости от методов и источников получения. Молекула гиалуроновой кислоты построена из повторяющихся фрагментов D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-D-глюкозоамина, соединенных β-(1-3)гликозидной связью. Основы фрагментов сахаров - это глюкопиранозное кольцо с различными заместителями (ацетамидная группа, гидроксильные и карбоксильные функциональные группы).

Рис. 1. Химическая формула гиалуроновой кислоты

Для молекулы гиалуроновой кислоты характерно образование большого количества водородных связей как внутри молекулы, так и между соседними углеводными остатками, находящимися на значительном друг от друга расстоянии, а в водном растворе даже между соседними молекулами через карбоксил и ацетамидную группу. Имеет кислую реакцию среды ввиду наличия непротонированной карбоксильной группы. Кислотные свойства гиалуроната позволяют получать растворимые в воде соли с щелочными металлами. Гиалуроновая кислота - это анионный линейный полисахарид с различной молекулярной массой 105-107Да. Молекулярная масса зависит от способа получения, причем, ввиду отсутствия изомерии, получаемый гиалуронат всегда химически идентичен стандартному.

Растворы гиалуроновой кислоты 1-4% образуют псевдогели. В водной среде сила кислотности карбоксильной группы (pK) составляет порядка 3-4, поэтому, для сохранения электронейтральности в растворе, молекулу окружают положительно заряженные катионы металлов, Na+, K+, Мg2+ и Ca2+, что приводит к формированию прочной гелевой структуры с большим содержанием воды. С тяжелыми металлами и красителями дает нерастворимые в воде комплексы. Кроме того, гиалуронат специфически реагирует с белками и в результате дает нам сложные гелеобразные комплексы, нередко выпадающие в осадок .

В водном растворе гиалуроновая кислота имеет достаточно большие значения продольного размера полисахаридной цепи - примерно 1 нм, поэтому, находясь в организме млекопитающих, гиалуроновая кислота принимает наиболее компактную форму. Посредством рентгеноструктурного анализа, выяснено, что гиалуронат может формировать левую ординарную и двойную спирали, различные многонитевые плоские структуры, а также сверхспирализованные структуры с вариациями концентраций в различных частях цепи, формирующие плотную молекулярную сетку, что и составляет вторичную структуру полисахарида. Это, в основном, обусловливается образованием водородных связей, связыванием с катионами щелочных металлов и гидрофобными взаимодействиями. Третичная структура гиалуроновой кислоты - это сетка, обладающая высокими реологическими свойствами (домены отталкиваются друг от друга), способная поглощать значительное количество воды и электролитов, а также большие молекулы белков, однако точно определенного размера пор третичная структура не образует. Сети имеют весьма четкую упорядоченность, ввиду наличия электронных эффектов по функциональным группам и по заместителям. При этом молекула принимает наиболее энергетически выгодное положение, которое также зависит от ионного окружения .

3. Гиалуроновая кислота в природе, функции гиалуроната в зависимости от гистологической и цитологической принадлежности у различных организмов

Наличие гиалуронатсинтетаз и гиалуроновых кислот в капсулах вирусов и бактерий родов Streptococcus можно объяснить, как адаптативное эволюционное приспособление, которое бактерии и вирусы позаимствовали у высших животных, тем самым увеличив свою способность преодолевать иммунный ответ хозяина.

3.1 Гиалуроновая кислота в тканях млекопитающих

Гиалуронат - основной компонент межклеточного матрикса различных тканей млекопитающих, однако распределен неравномерно. Так, например, максимальная концентрация содержания гиалуроновой кислоты в теле человека наблюдается в синовиальной жидкости, пупочном канатике, стекловидном теле глаза и коже .

В коже глюкозоаминогликан содержится в интерстициальном пространстве и выполняет ряд функций: удерживает воду, тем самым поддерживает естественную эластичность и объём кожи, что так важно при воспалительных реакциях; участвует в процессах пролиферации и дифференциации кератиноцитов и иммунокомпетентных клеток, тем самым играет роль в поддержании нормального процесса роста и регенерации кожных покровов и осуществлении местного иммунитета, укрепляет волокна коллагена (рис. 2); служит естественным барьером, защищающим от действия свободных радикалов, болезнетворных агентов и химических веществ .

Рис. 2. Воздействие гиалуроновой кислоты на коллагеновые волокна.

При недостатке естественной гиалуроновой кислоты, например, при старении или заболеваниях кожи, развиваются дегенеративные нарушения: снижается местный иммунитет, ранозаживляющая способность, эластичность кожи, что ведёт к возникновению морщин. В хрящевой ткани ГК выполняет функцию структурного элемента матрикса, необходимого для связывания и удержания хондроитинсульфатпротеогликана для укрепления коллагенового каркаса хряща . В синовиальной жидкости гиалуронат обеспечивает смазку для подвижных частей сустава, уменьшая их износ. При воспалительных заболеваниях суставов (артритах), снижается количество гиалуроновой кислоты, уменьшается вязкость синовиальной жидкости, что ведет к ухудшению движения. Также гиалуроновая кислота играет важную роль в эмбриогенезе, является передатчиком сигналов клеточной подвижности.

Таким образом, функции гиалуроната весьма обширны, и по мере дальнейшего расширения сферы изучения ее свойств, будут открываться все новые факты о роли глюкозоаминогликана в организме человека и млекопитающих .

3.2 Гиалуроновая кислота как компонент капсул бактерий

4. Метаболизм гиалуроновой кислоты

Синтез гиалуроновой кислоты достаточно хорошо изучен. Для млекопитающих и бактерий родов Streptococcus и Pasteurella биохимия процесса принципиально не отличается. Для синтеза гиалуроновой кислоты необходимы компоненты полимера: глюкуроновая кислота и N-ацетилглюкозамин. Глюкуроновая кислота синтезируется посредством ряда ферментативных реакций из глюкозо-6-фосфата (рис. 3).

Рис. 3. Схема синтеза глюкозоаминогликанов

Глюкозо-6-фосфат под действием фермента α-фосфоглюкомутазы изомеризуется в глюкозо-1-фосфат. Далее фермент УДФ-глюкозопирофосфорилазы катализирует образование УДФ-глюкозы из уридиндифосфата и глюкозы. После происходит ферментзависимое окисление гидроксогрупп УДФ-глюкозы под действием фермента УДФ-глюкозодегидрогеназы. Результат - образование глюкуроновой кислоты.

N-ацетилглюкозамин синтезируется из фруктозо-6-фосфата. При биосинтезе аминосахара происходит перенос аминогруппы на фруктозо-6-фосфат. Донор аминогруппы - глютамин, фермент амидотранфераза. Результат - образование глюкозамина-6-фосфата, который изомеризируется мутазой в глюкозамин-1-фосфат, который подвергается ацетилированию при участии фермента ацетилтрансферазы в присутствии КoA до N-ацетилглюкозамин-1-фосфата, который необходимо активировать пирофосфорилазой до УДФ-N-ацетилглюкозамин-1-фосфата. Это энергозатратный процесс.

Последней стадией синтеза гиалуроновой кислоты будет осуществление гликозидтрансферазной реакции при помощи единственного фермента гиалуронатсинтетазы. Этот процесс также происходит с затратой энергии АТФ (на синтез 1 моля гиалуроната расходуется 2 моль АТФ) .

4.1. Гиалуронатсинтетазы: строение, функции, локализация, кинетические характеристики и механизмы катализа

Гиалуронатсинтетаза - металлопротеин молекулярной массы 49 кДа, фермент, требующий катионы металлов для координации с фосфатными группами (активации) и использующий глюкозидфосфаты в качестве субстратов. Является единственным в своем роде ферментом, катализирующим синтез гиалуроновой кислоты в организме млекопитающих и в клеточной стенке гемолитического стрептококка, а также у вируса PBCV-1 и бактерии Pasteurella multicida . Исследования, проведенные в 50-е годы, в лаборатории Meyer позволили установить характерные особенности фермента гиалуронатсинтетазы: функционирует при нейтральных значениях pH, для катализа требует активированные посредством конъюгации с уридиндифосфатом глюкуроновую кислоту и N-ацетилглюкозамин, а также присутствие катионов Mg2+ и Mn2+ для координирования фосфатных групп. Фермент проявляет высокую активность в присутствии кардиопина (находится в комплексе). Тип 1 был изучен в 1983-1998 г. Prehm и Asplund, характерен для гемолитического стрептококка млекопитающих: гиалуронатсинтетаза синтезирует гиалуроновую кислоту посредством присоединения углеродных остатков к восстанавливающему концу гиалуроната, при этом чередуются β(1-3) и (1-4)гликозидные связи .

4.2. Ферменты, осуществляющие деполимеризацию гиалуроновой кислоты

Катаболические реакции гиалуроновой кислоты основаны на ферментативном катализе посредством гиалуронатлитических ферментов. Гиалуронатлиазы были классифицированы в 1971 году в лаборатории Meyer . Концепция данной классификации предельно проста: фермент - катализируемая реакция - продукт реакции. В соответствии с данной классификацией выделяют три различных вида гиалуронидаз (гиалуронатлиаз):

Гиалуроноглюкозаминидазы (гиалуронидазы млекопитающих) - эндо-β-N-ацетилгексоаминидазы, расщепляют гиалуроновую кислоту до тетра- и гексасахаридов.

Гиалуроноглюкозаминидазы не облалают субстратной специфичностью, а также способны формировать поперечные сшивки между молекулами гиалуроната и хондроитинсульфата. Одной из дополнительной функции гиалуронидаз в организме млекопитающих является расщепление гиалуроната до дисахаров для получения энергии .

Гиалуронатлиазы (гиалуронидазы бактерий) - это эндо-β-ацетил-гексоаминоэлиминазы, гидролизирующие гиалуронат до 4,5-ненасыщенных дисахаров. Обладают высокой специфичностью к субстрату. У бактерий гиалуронидазы являются фактором патогенности, необходимой для инвазии и адгезии бактерий (для проникновения в организм млекопитающего).

5. Получение гиалуроновой кислоты

Все известные способы получения гиалуроновой кислоты можно разделить на две группы: физико-химический метод, который заключается в экстрагировании гиалуроната из тканей животного сырья млекопитающих, других позвоночных животных и птиц; и микробный метод получения ГК на основе бактерий-продуцентов.

5.1. Физико-химический способ: экстракция из животного сырья

Как было сказано ранее, гиалуроновая кислота встречается во многих тканях млекопитающих и птиц, и, в зависимости от гистологической принадлежности, содержание гиалуроновой кислоты и ее молекулярная масса могут варьировать. Кроме того, в различных тканях гиалуронат может находиться в комплексах с белками и родственными полисахаридами, что затрудняет его очистку с последующим выделением. В настоящее время для промышленного получения используют пупочные канатики новорожденных и гребни кур. Однако, кроме вышеперечисленных методов, описаны разнообразные способы выделения гиалуроната на основе стекловидного тела глаз крупного рогатого скота, синовиальной жидкости, суставных сумок, свиной кожи, плазмы крови и хрящевой ткани . При выделении биополимера прибегают к различным приёмам выделения: гомогенизация, экстракция, фракционное осаждение и т.п.

Любая процедура выделения гиалуронана включает предварительное разрушение органов и тканей, содержащих биополимер, и белково-углеводных комплексов. Разрушение достигается посредством методов измельчения и гомогенизации . После полученный гомогенат подвергают экстракции с использованием водно-органических растворителей. Ковалентно-связанные примеси пептидов удаляют методом ферментативного протеолиза, посредством обработки протеазами (папаином) или химической денатурацией (хлороформ, амиловый спирт с этанолом). Следующий этап — это адсорбция на активированном угле, посредством электродиализа. От примесей мукополисахаридов биополимер очищают методом осаждения хлоридом цетирпиридиния или посредством ионообменной хроматографии.

Наибольшее распространение, в силу доступности сырья и высокого содержания биополимера, получил метод выделения гиалуроновой кислоты из петушиных гребней. Экстракция производится смесью ацетона с хлороформом (удаление белка), водой, либо водно-спиртовой смесью (пропионовый, трет-бутиловый спирты) с последующей сорбцией на активированном угле, посредством электрофореза или на ионообменной смоле .

5.2. Микробный синтез, продуценты гиалуроновой кислоты

Экономически более выгодным является метод микробного синтеза гиалуроновой кислоты на основе бактериальных штаммов-продуцентов. Такой синтез при введении его в масштабы производства, будет иметь меньше издержек, таких как затраты на животное сырье и зависимость от сезонных поставок. И, напротив, производство гиалуронана на основе микробного синтеза позволит масштабировать производство и получить продукт высокой степени очистки, не содержащий примесей, а, следовательно, имеющий низкую аллергенность . С момента открытия способности бактерий к синтезу гиалуроновой кислоты, постоянно ведутся исследования возможности получения искомого полимера биотехнологическим путем, т. е. путем культивирования бактерий-продуцентов на питательных средах определенного состава в строго заданных условиях с последующим выделением целевого продукта. К продуцентам гиалуронана можно отнести капсулообразующие бактерии родов Streptococcus и Pasteurella . К штаммам-продуцентам предъявляется ряд требований:

Отсутствие патогенности и, особенно, гемолитической активности;

Способность к синтезу высокомолекулярной гиалуроновой кислоты;

Большие размеры капсул с высоким содержанием биополимера (капсулы при этом должны легко отделяться, желательно при экстракции);

Отсутствие гиалуронидазной активности, чтобы исключить потери целевого продукта;

Высокая способность к росту, при этом наиболее полное использование субстрата;

Сохранение стабильности физиолого-биохимических свойств.

Исследования в области поиска штамма, способного удовлетворить потребности в биополимере и соответствующего всем параметрам, привели к Streptococcus equi surbsp. equi. и Streptococcus equi surbsp. zooepidеmiсus .

Дикие типы стрептококков синтезируют внеклеточные белки, что снижает выход биополимера. Поэтому для получения воспроизводительных гиалуронидазанегативных, не гемолитических штаммов, проводили их модификацию посредством химического и УФ-индуцированного мутагенеза или ненаправленного мутагенеза с последующей селекцией. Генно-инженерные штаммы кишечных палочек, полученные на основе методов экспрессии оперонов, кодирующих синтез гиалуронатсинтетазы стрептококков на матрицу бактерий, в настоящее время не применяются, ввиду низких показателей выхода биополимера. Исключением можно считать генно-инженерный штамм Bacillus subtilis, показывающий высокие результаты выхода биополимера, при росте на сложных ферментированных средах .

Биотехнология микробного синтеза гиалуроновой кислоты на основе штаммов Streptococcus zooepidemicus. Типичный состав синтетической питательной среды для бактерий рода Streptococcus, синтезирующих гиалуроновая кислоту, приведен ниже.

Источник углевода и энергии: глюкоза - 1000; аминокислоты: DL-аланин, L-аргинин, L-аспарагиновая кислота, L- цистин, L-цистеин, L-глютаминовая кислота, L-глутамин, L-глицин, L-гистидин, L-изолейцин, L-лейцин, L-лизин, L-метионин, L-фенилаланин, гидрокси-L-пролин, L-серин, L-треонин, L-триптофан, L-тирозин, L-валин по 100; витамины: биотин - 0,2, фолиевая кислота - 0,8, никотинамид - 1, никотинамидадениндинуклеотид - 2,5, пантотенат кальция - 2, пиридоксаль — 1, пиридоксамин гидрохлорид - 1, рибофлавин — 2, тиамин гидрохлорид - 1; нуклеотиды: аденин - 20, гуанин гидрохлорид - 20, урацил - 20; соли органических и неорганических кислот: FeS04*7H20 - 5, Fe(N03)2*9H20 - 1, К2НР04 - 200, КН2Р04 - 1000, MgS04*7H20 - 700, MnS04 - 5, СаС12*6Н20 - 10, NaC2H302*3H2O - 4500, NaHC03 - 2500, NaH2P04*H20 - 3195, Na2HP04 - 7350.

Культивирование бактерий pода Streptococcus с целью получения ГК осуществляется, как правило, в периодических условиях. Питательную среду готовят однократно, растворяя необходимые компоненты среды в воде, после чего среду стерилизуют. Источник углерода стерилизуется отдельно. После засева за ходом ферментации следят по потреблению субстрата, росту концентрации клеток, образованию продукта (ГК), продуктов метаболизма, изменению рН среды. Максимальная концентрация ГК составляет приблизительно 5 г/л. Дальнейший рост содержания в среде ГК ведет к многократному возрастанию вязкости КЖ, резкому ухудшению массообменных характеристик процесса ферментации, трудностям при аэрировании и перемешивании. Концентрация ГК при периодической или периодической с подпитками по субстрату ферментации достигает заданного значения за 6 - 26 часа. Как правило, после выхода культуры в стационарную фазу процесс завершают. Клетки микроорганизмов инактивируют прогреванием при 60 - 80 °С. Биомассу отделяют одним из хорошо известных способов - флокуляцией, сепарированием, центрифугированием, фильтрованием. ГК из КЖ осаждают органическими растворителями или катионными ПАВ. Очистку проводят с помощью ультрафильтрационных методов, переосаждения или хроматографией.

Данные методы принципиально не отличаются от методов выделения ГК из животного сырья, описанных ранее. Например, в патенте на метод получения ГК описан следующий способ культивирования штамма-продуцента и выделения ГК. Ферментацию осуществляли в биореакторе на 3 л (коэффициент заполнения ферментера 0,5) на среде состава: 2,0 % глюкозы, 0,5 % ДЭ, 1,5 % пептона, 0,3 % КН2Р04, 0,2 % К2НР04, 0,011 % Na2S203, 0,01 % MgS04 * 7Н20, 0,002 % Na2S03, 0,001 % СоС12, 0,001 % MnCl2 и 0,5 % соевого масла; рН среды 7,0. Стерилизация среды осуществлялась глухим паром 120 °С в течение 15 мин. После охлаждения до комнатной температуры вносился инокулят культуры S. zooepidemicus штамм Ferm ВР-878 в количестве 0,1 л. Аэробное культивирование (расход воздуха 0,7 л/(л*мин) длилось 26 часов при постоянном термостатировании (35 °С) и перемешивании среды (300 об/мин). рН среды поддерживался постоянным на уровне 7,0. На 24-ом часу культивирования в асептических условиях вносилась подпитка по субстрату - 100 мл 50 % раствора глюкозы. Процесс завершали по прошествии 26 часов культивирования.

Для выделения ГК проводили следующие процедуры. К бактериальной культуре добавляли 3,2 л дистиллированной воды. После тщательного и длительного перемешивания биомассу отделяли центрифугированием. Супернатант концентрировали до 1,6 л на ультрафильтрационном половолоконном аппарате и проводили диализ против дистиллированной воды. В образовавшийся раствор вносили ацетат натрия до конечной концентрации 0,5 % и проводили осаждение 5 л этилового спирта. Осадок полисахаридов отделяли центрифугированием. Очистку ГК проводили, растворяя полученный осадок в дистиллированной воде (0,5 л) и добавляя 4 % водный раствор бромида цетилпиридиния. Осадок связанной с катионным ПАВ ГК отделяли и растворяли в 40 мл 0,3 М раствора хлорида натрия. Нерастворенную часть осадка отбраковывали. К раствору добавляли 120 мл этанола для осаждения ГК. Осадок отделяли и растворяли в дистиллированной воде, после чего проводили очистку на ионообменной смоле и повторное спиртоосаждение. Выход очищенного гиалуроната натрия с одной ферментации составлял 7,8 г. Содержание белка в препарате составляло менее 0,05 %. Молекулярная масса ГК равнялась 1,005 МДа .

Другие способы биотехнологического получения ГК, описанные в патентах, незначительно отличаются составом сред.

Биотехнология микробного синтеза гиалуроновой кислоты на основе штаммов бактерий Bacillus subtilis. К способам получения гиалуроновой кислоты, относится метод биосинтеза ГК на основе генно-модифицированного штамма Bacillus subtilis, содержащий генетическую конструкцию, включающую промотор, функционально активный в указанной клетке, и кодирующую область, состоящую из нуклеотидной последовательности, кодирующей стрептококковую гиалуронансинтазу (hasA); последовательности, кодирующей UDP-глюкозо-6-дегидрогеназу Bacillus (tuaD) или аналогичный фермент стрептококкового происхождения (hasB), и последовательность, кодирующую бактериальную или стрептококковую UDP-глюкозопирофосфорилазу.

Метод включает культивирование клетки-хозяина Bacillus в условиях, подходящих для продуцирования гиалуроновой кислоты, при этом клетка-хозяин Bacillus содержит конструкцию нуклеиновой кислоты, включающую последовательность, кодирующую гиалуронансинтазу, функционально связанную с промоторной последовательностью, чужеродной в отношении последовательности, кодирующей гиалуронансинтазу; и извлечения гиалуроновой кислоты из среды культивирования .

6. Применение гиалуроновой кислоты

Гиалуроновая кислота - вещество с огромным спектром действия, и поистине удивительными свойствами. Спустя несколько лет после открытия гиалуроновой кислоты начинается разработка препаратов на основе глюкозоаминоликана для наружного применения в качестве средства, повышающего регенеративные и барьерные функции кожи. Однако, как известно, субстанция, изготовленная из животного сырья, требует тщательной очистки от примесей, что накладывает дополнительные издержки производства и отражается на цене конечного продукта . Действительно высокая себестоимость гиалуроновой кислоты долгое время препятствовала расширению спектра применения биополимера, однако постепенное увеличение знаний о свойствах полимера и внедрение биотехнологических методов на основе микробного синтеза, позволило существенно снизить себестоимость субстанции, подталкивает развитие разнообразных приложений, в которых находит применение гиалуроновой кислоты в областях медицины, пищевой, фармацевтической, космецевтической промышленности. Ведутся исследования по созданию лекарственных препаратов и БАД на основе гиалуроната с противовоспалительным, иммуномодулирующим и пролонгирующим действием, которые, возможно, в будущем можно будет применять в качестве основы терапии заболеваний в онкологии, оториноларингологии, хирургии, эндокринологии и многих других сферах человеческой деятельности .

6.1. Гиалуроновая кислота в медицине

Гиалуроновая кислота обладает антимикробным и регенерирующим действиями, поэтому на основе ее разработаны препараты для эффективной терапии поражений кожи. Созданные изначально как препараты против ожогов, данная группа активно применяется при терапии трофических нарушений кожного эпителия посттромботического генеза. Доказано, что низкомолекулярная гиалуроновая кислота (менее 10 кДа) оказывает ангиогенное действие, тем самым снижая образование спаек и разрастание соединительной ткани, так же улучшает микроциркуляцию и снижает эффекты воспаления .

Гиалуронат имеет свойства повышать активность интерферона, тем самым проявляя выраженное противовирусное действие. Была доказана высокая активность препаратов на основе гиалуроновой кислоты в отношении вируса герпеса и некоторых других. По данным некоторых источников высокомолекулярная гиалуроновая кислота является пролонгатором действия других БАВ, растворенных в ней Лекарственные вещества, за счет высокой вязкости гиалуроната, выделяются в ткани в течение длительного времени. Создается так называемое депо, из которого БАВ постепенно диффундирует в среду организма. Это позволяет увеличить терапевтическую широту, потенцировать в некоторых случаях фармакологический эффект, снизить побочные эффекты, а также расширить возможности применения других лекарственных веществ (стероидных препаратов, антибиотиков, пептидов, НПВС и т.д.) в комбинации с гиалуроновой кислотой. Широко применение гиалуроната в хирургии:

1. Офтальмологическая хирургия - гиалуронат натрия используется в качестве репаративного средства при оперативных вмешательствах на эндотелиальном слое роговицы (удаление катаракты).

2. Хирургическая травматология - при хирургических операциях с обширным сечением хрящевой ткани и осложненных артритах используется в качестве регенерирующего, смазывающего, противовоспалительного и анальгезирующего средства .

6.2. Гиалуроновая кислота в косметологии

Применение гиалуроната и его солей в косметологии основывается на способности гиалуронатсодержащих препаратов оказывать местное противовоспалительное, ранозаживляющее и иммуномодулирующее действие. Способность задерживать в межклеточном пространстве воду является основой механизма коррекции возрастных деформаций кожи. На данный момент в косметологической практике стали весьма популярны инъекции 1-3% водного раствора гиалуроновой кислоты для внутри- или подкожного введения. Введение гиалуроновой кислоты в эпителий в виде водного геля повышает эластичность и упругость тканей, тем самым придавая коже прежние качества и красоту . Однако широчайшее применение высокомолекулярный гиалуронат получил при изготовлении различных комбинированных кремов и гелей для наружного применения. Данный вид продукции имеет ту же направленность, что и инъекции - восстановить реологические свойства кожи, тем самым предотвратить образование морщин, прыщей и т.д. .

Гиалуроновая кислота обладает свойствами, которые делают ее крайне подходящей для использования в качестве дермального филлера: она способна связывать большое количество воды, присутствует в коже в естественных условиях и не склонна вызывать нежелательные реакции. Филлеры (Fill — от англ. — наполнять) - это инъекционные кожные наполнители, которые используются в косметологии для уменьшения глубины морщин, носогубных складок и складок в уголках рта . Филлеры также используются для придания дополнительного объема лицу в области скул, щек и губ В настоящее время широкое распространение получила группа ГК- филлеров семейства Surgiderm и Juvederm Ultra А. Surgiderm и Juvederm Ultra представляют собой однородные монофазные гели гиалуроновой кислоты неживотного происхождения. Они являются одними из наиболее пластичных материалов для инъекционной контурной пластики, что определяет не только легкость их введения, но и равномерное распределение в тканях, позволяет полностью исключить контурирование материла .

Современная серия препаратов на основе гиалуроновой кислоты PRINCESS®. «PRINCESS® Filler» представляет собой стерильный, биодеградируемый, вязкоэластичный, прозрачный, бесцветный, изотонический и гомогенизированный гелевый имплантат для интрадермальных инъекций. Содержащаяся в «PRINCESS® Filler» гиалуроновая кислота с поперечно-сшитой структурой продуцируется бактериями Streptococcus equi, представлена в виде раствора с концентрацией 23 мг/мл в физиологическом буфере .

Заключение

Гиалуроновая кислота - продукт животного происхождения, имеющий поистине удивительные свойства и высочайший спектр применения как сейчас, так и в перспективе дальнейшего ее использования. Поэтому совсем не удивительно, что ее свойства изучаются во всем мире.

В настоящее время исследуются процессы и механизмы действия гиалуроновой кислоты на ткани организма. Выдвигаются гипотезы относительно роли гиалуроната и родственных глюкозоаминогликанов в процессах пролиферации, дифференциации, миграции животных клеток в процессах иммунного ответа и эмбриогенеза, а также делаются попытки по установлению связи между молекулярной массой, степенью очистки и эффективностью препаратов.

Физико-химический способ, в виду своей экономической нерентабельности, постепенно уступает место биотехнологическому методу синтеза биополимера. Были проведены поиски продуцентов, соответствующих всем параметрам, а также различного рода испытания на предмет изучения метаболизма гиалуроновых кислот. Результатом исследования служило выявление прямая связи между способностью синтеза гиалуроновых кислот и наличием специфических ферментов гиалуронатсинтетаз.

В последние 20 лет оперон, кодирующий синтез гиалуронатсинтетаз, был выделен в чистом виде и неоднократно экспрессировался различным видам микроорганизмов с целью получения генно-модифицированных штаммов-продуцентов гиалуроновых кислот. Однако результата не могли добиться очень долгое время. Генно-модифицированные штаммы производили неактивную форму фермента, следовательно, способностью к продукции гиалуроновых кислот не обладали. Но недавно проведенные исследования по созданию генно-модифицированного штамма на основе бактерий Bacillus sibtilis показали хорошие результаты. Штаммы бактерий активно синтезировали гиалуронат высокой молекулярной массы, лишенной пептидных включений и связей с родственными мукополисахаридами.

Однако поиск штаммов-продуцентов сейчас продолжается. Проверяются возможности синтеза гиалуроната бактериями рода Streptomyces, и ведется разработка биотехнологии на их основе; кроме того, изучаются пути использования и внедрения гиалуроната во все сферы жизнедеятельности общества.

Библиографическая ссылка

Савоськин О. В., Семенова Е. Ф., Рашевская Е. Ю., Полякова А. А., Грибкова Е. А., Агабалаева К. О., Моисеева И. Я. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ГИАЛУРОНОВОЙ КИСЛОТЫ // Научное обозрение. Биологические науки. – 2017. – № 2. – С. 125-135;
URL: https://science-biology.ru/ru/article/view?id=1060 (дата обращения: 13.12.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Жить долго и счастливо, не стареть и не умирать — мечта каждого человека. Мир не стоит на месте, и человечество уже на грани открытия. Все это станет возможным благодаря гиалуроновой кислоте и её применению в медицине и косметологии.

Любая женщина хотя бы раз в жизни сталкивалась с термином «гиалуроновая кислота». Тем не менее не каждая понимает, почему именно гиалуроновая кислота так ценится в мире косметологии. За что её признают все косметологи и врачи?

Что такое гиалуроновая кислота?

Гиалуроновая кислота является полисахаридом из семейства глюкозаминогликанов, которая является одним из компонентов тканей и жидкостей человека. Эта кислота содержится как в клетках человека, так и в клетках животных и даже бактерий. Еще со времен школьных уроков по биологии мы знаем что тело человека состоит из клеток, те в свою очередь образуют органы, а вот пустое место между органами и клетками наполнено соединительной тканью.

Гиалуроновая кислота входит в состав соединительной ткани и является главным элементом межклеточного матрикса. Соединительная ткань может быть в жидком и твердом состоянии, а также в виде геля. В жидком состоянии гиалуроновая кислота присутствует в слюне, в спинномозговой жидкости, а также в синовиальной(жидкость, заполняющая полость суставов).

В твердом состоянии гиалуронат входит в состав костей, а в виде геля она присутствует в стекловидном теле, хрящах и межклеточной жидкости. В большом объеме гиалуроновую кислоту синтезируют в коже специфические клетки – фибробласты. Фибробласты – это клетки соединительной ткани, основная функция которых состоит в синтезе, помимо гиалуроновой кислоты, коллагена и эластина.

Основное количество всей гиалуроновой кислоты сосредоточено в коже, располагается она в соединительной ткани дермы между волокнами коллагена и эластина, а также в клетках рогового слоя корнеоцитах. Если провести некую аналогию и представить нашу кожу в виде матраса, то можно сказать, что коллаген и эластин – это пружины, а гиалуроновая кислота – это поролон, заполняющий пространство между ними.

Как мы успели заметить из вышесказанного, гиалуроновая кислота является естественной составляющей нашего организма. Она синтезируется в нем и участвует во многих биологических процесса. Ее роль в организме поистине неоценима.

Роль гиалуроновой кислоты в организме

Гиалуроновая кислота обладает замечательными свойствами. Самое важное и ценное качество – это способность связывать и удерживать воду. Известно, что одна молекула гиалуроновой кислоты связывает 500 молекул воды. Также она обладает так называемым «эффектом памперса» – способностью не отдавать влагу из кожи.

Будучи важным компонентом внеклеточного матрикса, гиалуронат обеспечивает жизнедеятельность клеток, заполняя пространство между ними. Гиалуроновая кислота принимает участие в процессе пролиферации (разрастание ткани путем деления клеток), обеспечивает транспортировку кислорода, лимфоцитов и других молекул крови и питательных веществ к месту повреждения тканей и очагов воспаления.

Но мало кто знает, что, помимо своих чудодейственных качеств, гиалуронат играет важную роль в процессе миграции злокачественных опухолей и диффузии стрептококковой инфекции. По этой причине избыток гиалуроновой кислоты также опасен, как и ее недостаток: все зависит от процессов, которые происходят в организме.

Производство гиалуроновой кислоты в организме может ускоряться или замедляться, ее количество может увеличиваться или уменьшаться, и это отнюдь не связанно с возрастом. Косметологи привыкли считать, что дефицит гиалуроновой кислоты в организме служит неким показателем старения кожи, который позволяет назначать препараты на ее основе в качестве лечения и профилактики возрастных изменений кожи. Но это не так.

Важнейшие причины, которые способствуют синтезу гиалуроната – это воспаление, повреждение тканей или травма. В местах повреждения тканей, воспаления или травмы значительно увеличивается количество гиалуроновой кислоты.

Виды гиалуроновой кислоты

В зависимости от количества фрагментов, составляющих молекулу гиалуроновой кислоты, она может иметь различную массу и длину.

Низкомолекулярная гиалуроновая кислота имеет выраженное противовоспалительное действие. Используется при лечении трофических язв, ожогов, псориаза и других кожных заболеваний. Этот вид гиалуроната входит в состав средств для наружного применения: кремов, тоников, эмульсий и сывороток. Они способны, не теряя свои свойства, глубоко проникать в кожу.

Важный момент, который следует учитывать при использовании препаратов на основе гиалуроновой кислоты,– это влажность воздуха.

Когда влажность воздуха низкая, гиалуроновая кислота дает обратный увлажнению эффект. Верхние слои кожи стягиваются, становятся сухими, создается эффект натянутой маски на лице. Чтоб устранить эти неприятные ощущения, нужно сразу же после гиалуроновой кислоты нанести на лицо увлажняющую сыворотку или питательный крем. Питательный и увлажняющий крем создаст ощущение комфорта и снимет неприятные симптомы. Низкомолекулярные формы гиалуроновой кислоты способны повысить упругость кожи и частично заполнить уже сформировавшиеся морщины.

Среднемолекулярная гиалуроновая кислота в инъекциях с массой от 100 до 500 кДа, запускает синтез эндогенной (собственной) гиалуроновой кислоты и процесс неоколлагеногенеза за счет стимуляции фибробластов. Также она активно употребляется в медицинских целях, в частности для лечения некоторых форм артрита и в офтальмологии для лечения глаз.

Высокомолекулярная форма гиалуроната успешно применяется в косметологии для усиленной гидратации кожи и восполнения потерянных объемов. Благодаря своим свойствам она способна удерживать большое количество молекул воды. Высокомолекулярная гиалуроновая кислота от 900 кДа и выше обладает большими реструктурирующими и антиоксидантными способностями. Кроме того, ее депонирование в тканях составляет две недели, по сравнению с низкомолекулярной гиалуроновой кислотой, которая сохраняется в тканях одну неделю. Чем выше молекулярная масса гиалуроната, тем лучше морфогенез полимерной сети, тем более вязким становится раствор при низких ее концентрациях. Это позволяет покрыть большую площадь кожи сплошной увлажняющей пленкой.

Мы ее теряем. Причины?

Со временем процесс распада гиалуроновой кислоты в организме преобладает над ее синтезом. По какой причине это происходит? Как это ни странно, но вопреки доминирующему убеждению, вовсе не возраст играет господствующую роль в этом процессе. Главная причина – это повреждение кожи ультрафиолетовым облучением типа А и В. Под пагубным действием УФ-излучения происходит повреждение клеток кожи и уменьшение синтеза гиалуроновой кислоты.

Одновременно с уменьшением гиалуроновой кислоты в организме, усиливаются процессы ее распада, при этом продукты распада накапливаются и выводятся из кожи очень медленно. На самом деле, данный процесс является защитной реакцией организма, так как УФ-излучение является главной причиной канцерогенеза, а гиалуронат принимает участие в миграции и отсеивании опухолевых клеток.

Второй важный фактор, способствующий деградации гиалуроновой кислоты – фермент гиалуронидаза. Гиалуронидаза расщепляет гиалуроновую кислоту, и этот процесс происходит непрерывно. Основная часть гиалуроната распадается и восстанавливается вновь в течение суток. Полное обновление всего объема гиалуроновой кислоты происходит в течение 3-4 дней. И это предполагает распад и новый синтез гиалуроната во всех тканях организма. Причиной распада может быть:

• возраст;
• ультрафиолетовое излучение;
• несбалансированное питание;
• вредные привычки (никотин, алкоголь);
• психоэмоциональное состояние;
• прием определенных лекарственных средств.

Эти причины влияют не только на количество синтезированной гиалуроновой кислоты, но и на ее структуру. Снижение количества гиалуроновой кислоты способствует уменьшению воды в составе некоторых клеточных структур и появлению первых признаков старения.

К тому же естественные возрастные процессы могут привести к увеличению объема гиалуроновой кислоты в дерме, что может стать причиной межклеточного отека, с одной стороны, и обезвоживанию поверхностных слоев кожи, с другой стороны.

Все эти процессы сказываются негативно на состояние кожи. Она становится сухой, дряблой, теряет эластичность и упругость, на ней образуются многочисленные морщины. И как результат: отражение в зеркале совсем не радует и становится источником огорчения.

Гиалуроновая кислота в косметологии

В косметологии используются два промышленных вида гиалуроновой кислоты:

• животного происхождения;
• на основе биотехнологического синтеза.

Долгое время в косметологии применяли гиалуроновую кислоту животного происхождения. Ее получали путем размельчения органов животных (гребней зрелых петухов, пупочных канатиков) в результате двухфазовой отчистки. В таком препарате сохранялись белки и пептиды животного, что способствовало развитию аллергических реакций и отторжению препарата.

Организм позиционировал эту форму гиалуроната как чужеродное вещество и запускал реакцию по устранению чужака. Все это, естественно, влияло на эстетический результат процедуры. И вместо долгожданного омоложения, прибавлялись лишние хлопоты по устранению возникших осложнений. В наши дни гиалуроновая кислота животного происхождения почти не используется.

Но наука не стоит на месте. Создаются новые технологии и препараты, способные полностью минимизировать побочные эффекты, осложнения и риски. Поэтому сейчас в косметологии используют гиалуроновую кислоту, полученную путем биохимического синтеза.

Для этих целей используют бактериальные культуры, а конкретно стрептококки, выращенные на растительной основе (пшеничном бульоне). Этот метод базируется на способности некоторых микроорганизмов синтезировать гиалуроновую кислоту. Биохимический метод позволяет добиться большого количества вещества с нужным молекулярным весом и с приемлемой структурой.

Непосредственно в филлерах употребляется:

• стабилизированная (нативная, натуральная);
• нестабилизированная (химически модифицированная).

Действие гиалуроновой кислоты напрямую зависит от ее вида. Каждый вид обладает своими преимуществами и своими эффектами. Большое значение имеет степень очистки препарата. Некоторые препараты на основе гиалуроната содержат дополнительные вещества в виде витаминов, аминокислот, биологические активных веществ. Другие же являются «чистыми», в них содержится только гиалуроновая кислота, которая действует как самостоятельный компонент. Самой эффективной считается стабилизированная гиалуроновая кислота.

Препараты на основе стабилизированной гиалуроновой кислоты долго хранятся в коже, составляют основу препаратов гидрорезерва и запускают регенеративные процессы в дерме.

Молекула гиалуроновой кислоты очень чувствительна. Она остро реагирует на химическую модификацию: термическую или механическую. По этой причине следует правильно сохранять ее в процессе химических реакций. Стабилизированная гиалуроновая кислота получается методом биохимического синтеза, затем следует процесс сшивания, который называется стабилизацией (формирование пересекающихся сшивок между молекулами гиалуроновой кислоты).

Молекулы гиалуроновой кислоты подвергаются сшиванию в целях предотвращения их быстрой деградации. Такая гиалуроновая кислота демонстрирует долгие клинические эффекты при ее внедрении в кожу. После сшивания полученные гели проходят очистку, которая представляет собой очень кропотливый процесс и является решающим фактором при ценообразовании препаратов стабилизирующей гиалуроновой кислоты.

В зависимости от уровня стабилизации производятся гели различной вязкости для устранения разнообразных эстетических проблем: мало стабилизированные – для устранения мелких морщин, более стабилизированные и более вязкие – для коррекции носогубных складок и восстановления утраченных объемов.

Стабилизированная гиалуроновая кислота используется в контурной практике и при армировании лица, так как этот вид гиалуроната хорошо держит объем. То есть, когда надо восполнить утраченные объемы, например, щек, вытолкнуть носогубные складки извне, смоделировать контур лица и заполнить провалы на лице, используется стабилизированная гиалуроновая кислота.

Нестабилизированная гиалуроновая кислота употребляется в мезотерапии и биоревитализации для гидратации тканей и улучшения эластичности кожи.

Инъекционные методы на основе гиалуроновой кислоты

Инъекционные методы и техники на основе препаратов с гиалуроновой кислотой дают фантастические результаты. Но не всякая гиалуроновая кислота способствует улучшению кожных характеристик. Для того чтобы запускались механизмы регенерации в дерме необходимо соблюдение нескольких условий:

1. Гиалуронат должен быть стабилизированным (натуральным, нативным).
2. Молекулярная масса гиалуроната должна превышать 1 млн Дальтон.
3. Концентрация гиалуроновой кислоты в препарате должна превышать 15 мг на миллилитр.
4. Гиалуроновая кислота должна быть вязкой консистенции.

Если не соблюдаются эти условия, то фибробласты не активизируются и процесс омоложения не запускается.

Препараты на основе гиалуроновой кислоты используются в следующих инъекционных методиках:

• биоревитализация;
• мезотерапия;
• биорепарация;
• редермализация;
• контурная пластика;
• биоармирование.

Биоревитализация – самая востребованная и эффективная процедура в косметологии. Она основывается на введение гиалуроновой кислоты в средние слои кожи. Используется во всех случаях возрастного увядания кожи, при лечении акне и послеродовых растяжек.

Мезотерапия – введение гиалуроновой кислоты и коктейлей на ее основе методом множественных инъекций.

Биорепарация – введение гиалуроновой кислоты с витаминами, аминокислотами и пептидами.

Редермализация – введение инъекций гиалуроновой кислоты и сукцината натрия (производное янтарной кислоты).

Контурная пластика – восполнение утраченных объемов с помощью гиалуронового геля.

Биоармирование лица – восстановление контурного очертания овала лица гиалуроновым биогелем.

Противопоказание к применению гиалуроновой кислоты

Несмотря на то, что гиалуроновая кислота синтезируется нашим организмом, а модифицированные препараты на ее основе обладают высокой степенью отчистки, все же бывают случаи отторжения препарата и возникновения аллергических реакций. Это обусловлено тем, что невозможно полностью очистить полученный препарат от содержания чужеродных белковых примесей. Именно эти примеси вызывают нежелательные побочные действия и осложнения. Также дополнительное внедрение гиалуроновой кислоты в организм может вызвать непредвиденные последствия, так как она играет большую роль в миграции злокачественных опухолей и распространении различных инфекций.Существует ряд серьезных противопоказаний, которые необходимо учитывать.

Не следует использовать препараты на основе гиалуроновой кислоты в случаях:

• аутоиммунных и онкологических заболеваний;
• инфекционных и хронических заболеваний в стадии обострения;
• беременности и лактации;
• воспаления кожи на лице;
• индивидуальной непереносимости к препарату.

Несоблюдение данных предостережений может привести к тяжелым последствиям.

Гиалуроновая кислота – правда и вымысел

Любое чудодейственное вещество вызывает массу споров и толков, в которых очень мало правды, но много вымысла. Излишне впечатлительные натуры приписывают гиалуроновой кислоте то волшебные и магические свойства, то везде ищут подвох и скрытые заговоры. Рассмотрим некоторые устоявшиеся мифы.

Миф первый: инъекции с гиалуроновой кислотой вызывают привыкание.

Это неверно. «Подсесть на иглу» можно только с психологической точки зрения. Когда пациент употребляет эффективные косметические препараты, он замечает, как улучшается его внешний вид. Это состояние ему нравится, поднимается его самооценка, он начинает к нему привыкать. Возрастает желание выглядеть все лучше и лучше. Но это никак не связано с гиалуроновой кислотой. Гиалуроновая кислота в кремах действует только на поверхностный слой эпидермиса. В инъекциях гиалуроновая кислота стимулирует собственные клетки, возвращая их к естественным процессам, которые они успели подзабыть по мере взросления кожи. А по истечении срока действия гиалуроновая кислота распадается в организме и полностью исчезает. Она никак не может вызвать зависимость.

Миф второй: большая молекулярная масса гиалуроновой кислоты не позволяет ей проникать в кожу.

Отчасти верно. Если речь идет о косметических препаратах в виде кремов, эмульсий, сывороток, то так и есть. Эти препараты призваны «работать» в верхних слоях эпидермиса. Они не являются лекарством и не должны проникать сквозь кожный барьер. Но дело в том, что ученые давно научились дробить молекулу гиалуроновой кислоты и создавать ее низкомолекулярные формы. Низкомолекулярная гиалуроновая кислота, содержащаяся в креме, вполне способна проникать в кожу.

Миф третий: гиалуроновая кислота в инъекциях способствует повышению внутриглазного давления.

Гиалуроновая кислота входит в состав многих биологических жидкостей, она является компонентом нашего организма, присутствует во многих органах, в частности входит в состав стекловидного тела. Впервые в истории гиалуроновая кислота стала употребляться в офтальмологии. По этой причине она никак не может повышать внутриглазное давление.

Миф четвертый: уколы красоты с ботулином и гиалуроновой кислотой – это одно и то же.

Очень безграмотное утверждение. Ботулин – это нейротоксин, продукт жизнедеятельности бактерий Clostridium botulinum. Препараты на основе ботулина парализуют мышцу, не позволяя ей сокращаться. Он не воздействует на кожные механизмы, не запускает процесс регенерации клеток, а лишь на время расслабляет мышцу и тем самым способствует устранению морщин. Гиалуроновая кислота входит в состав нашего организма, она запускает процессы регенерации и активизации клеток дермы, увлажняет кожу, восполняет утраченные объемы. Это два совершенно разных вещества, у них разные функции и роли.

Очень распространенное заблуждение. Защищать кожу надо в любое время года, особенно зимой, когда сухой кондиционированный воздух и горячий воздух от батарей в помещениях способствуют сухости и обезвоживанию кожи. Просто надо знать, что наносится увлажняющий крем за полчаса до выхода на мороз. В этот период года нужно усилено как питать, так и увлажнять кожу.

Миф шестой: инъекции с гиалуроновой кислотой вытягивают влагу из глубоких слоев кожи.

Разумеется, это не так. Все происходит с точностью наоборот. Гиалуроновая кислота увлажняет, насыщает кожу влагой. В нашем организме распад и синтез гиалуроновой кислоты происходит каждый день. И каждые три-четыре дня полностью восполняется количество гиалуроновой кислоты во всех системах и органах. Инъекции или кремы не способны «вытягивать» воду из глубоких слоев кожи еще и потому, что гиалуроновая кислота обладает «эффектом памперса» и не отдает влагу из кожи.

В современной косметологии появилось мощное орудие – гиалуроновая кислота. Она стала предметом серьезных научных исследований и стала активно использоваться в эстетической медицине. За последние несколько лет гиалуроновая кислота доказала свою эффективность, признанную во всем мире. На ее основе построена целая индустрия омолаживающих технологий и препаратов. Но для того чтобы не попасть в ловушку к собственным пристрастиям, надо ознакомится с ее лечебными эффектами, способами производства и видами. Ведь даже самый чудодейственный препарат может принести как пользу, так и вред.

Будьте интересными вместе с !

Структура

Молекула гиалуроновой кислоты похожа на длинную ленту, построенную из чередующихся сахаров - D-глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина. образующих базовую дисахаридную единицу (рис. 1 ).

Рис.1. Гиалуроновая кислота состоит из чередующихся дисахаридных едениц

В одной цепочке может быть до 250 тысяч дисахаридных единиц. Молекулярная масса этого природного полисахарида достигает 10 тысяч кДа. ГК входит в состав синовиальной жидкости, стекловидного тела, встречается в пупочном канатике, роговице, костях, клапанах сердца, оболочках яйцеклеток.

Принципиально важным является свойство гиалуроновой кислоты (ГК) связывать и удерживать (за счет водородных связей) большое количество воды: 1 молекула ГК связывает 200-500 молекул воды. При этом она обладает эффектом «памперса» - не отдает воду даже при уменьшении ее содержания в окружающей среде. Высокая плотность отрицательных зарядов, образующихся при диссоциации карбоксильных (кислотных) групп, притягивает массу катионов, таких как ионы Na+, которые являются осмотически активными и обуславливают поступление в матрикс еще большего количества воды. Формирующееся при этом высокое давление набухания и есть то, что мы называем тургором. Тургор дермы, определяющийся содержанием и свойствами ГК, обеспечивает тургор .

Поскольку в молекуле есть как гидрофильные, так и гидрофобные участки, в растворах высокомолекулярная ГК (М.м > 1000 кДа) приобретает пространственную структуру в виде хаотично закрученной ленты, которая в трехмерном пространстве образует рыхлый клубок. Такие клубки занимают огромный объем (в тысячи раз больший, чем объем самих макромолекул!), образуя вязкий гель даже при очень низкой концентрации.

Формирующиеся пространственные сети с ячейками определенного размера обеспечивают «естественный отбор» циркулирующих молекул. Такое природное «молекулярное сито» свободно пропускает ионы, сахара, аминокислоты, сигнальные молекулы, но задерживает (и накапливает) большие молекулы, в том числе и различные токсины.

Метаболизм

Синтез ГК происходит на внутренней поверхности плазматической мембраны фибробластов. Молекулы моносахаров, из которых выстраивается полимерная цепочка, образуются из глюкозы, донором аминогруппы является глутамин. По мере формирования макромолекула выводится наружу (рис. 2 ).

Рис.2. Синтез гликозаминогликатов фибропластами (по H. Heine, 1997)

Синтез ГК катализируется ферментом гиалуронатсинтетазой (HAS), представленной тремя разновидностями (Itano N.):

• HASi - осуществляет медленный синтез цепей с М.м около 200-2000 кДа,
• HAS2 - отвечает за быстрый синтез высокомолекулярной ГК с М.м. более 2000 кДа),
• HAS3 - самый активный из ферментов, участвующий в синтезе ГК с М.м. около 200-2000 кДа.

Гиалуроновой кислоты в дерме синтезируется намного больше, чем катаболизируется. Оказывается, значительная ее часть предназначена для дренирования через лимфатическую систему, что является важным механизмом детоксикации ткани, ведь вместе с ней удаляются «запутавшиеся» 8 молекулярных «сетях» экзо- и эндотоксины. В лимфатические сосуды способны проникать даже большие цепи ГК с М.м. около 1000 кДа.

Катаболизм ГК носит ступенчатый характер, и ему придается большое значение в регуляции состояния матрикса. В настоящее время биотрансформацию ГК рассматривают как важнейший фактор поддержания гомеостаза и один из универсальных механизмов развития патологических процессов (воспаления.опухолевой инвазии и метастазирования), ведь по мере уменьшения длины исходной цепочки образуются фрагменты с собственной биологической активностью (таблица 2 ).

Катаболизируется ГК с участием гиалуронидаз (I и II типа), катализирующих реакции гидролиза и деполимеризации (внеклеточная деградация). Мелкие фрагменты частично фагоцитируются макрофагами и подвергаются дальнейшему катаболизму с участием лизосомальных ферментов (3-глюкуронидазы и (3-ацетилглюкозаминидазы (внутриклеточная деградация). 90% ГК, попавшей в периферический лимфоток, разрушается в лимфоузлах, 9% - в эндотелиоцитах печени и 1% - в селезенке.

В организме взрослого человека весом 70 кг в составе всех органов и тканей суммарно содержится около 15 г гиалуроновой кислоты, причем 50% приходится именно на кожу.
Ежедневно около 5 г ГК разрушается и вновь синтезируется, то есть время «жизни» этой молекулы ограничивается несколькими днями. ГК - самый быстро обновляемый компонент внеклеточного матрикса. Для сравнения: «продолжительность жизни» зрелого коллагенового волокна - несколько месяцев, волокна эластина вообще относятся к практически необновляемым структурам.

Таблица 2. Биологические функции молекул гиалуроновой кислоты с различной молекулярной массой (Stern R et al, 2006)

Длинные цепи с М.м. около 500 кДа	Подавляют ангиогенез, препятствуют миграции и делению клеток, возможно за счет изменения межклеточного взаимодействия, ингибируют продукцию цитокина IL-1b, простагландина Е2, оказывают иммуносупрессивное действие.
Молекулы с массой 20-100 кДа	Стимулируют миграцию и деление клеток, способствуют заживлению ран, обеспечивают целостность эпителия, участвуют в овуляции и эмбриогенезе.
Короткие цепи ГК с М.м. менее 0.4-10 кДа	Стимулируют ангиогенез, оказывают иммуномодулирующее и противовоспалительное действие.
Тетрасахариды	Обладают антиапоптотическими свойствами, стимулируют синтез белков теплового шока.

ГК в жизни клеточного сообщества

ГК входит в состав не только , но и многих других органов и тканей. И на уровне всего организма регуляция ее биосинтеза фибробластами осуществляется нейроэндокринной системой. Важная роль принадлежит гормону передней доли гипофиза - соматотропину, который стимулирует деление и синтетическую активность клеток соединительной ткани. Кортикотропин и глюкокортикоиды (кортизон, гидрокортизон) угнетают деление фибробластов, способствуют их «ускоренному старению», что сопровождается уменьшением синтеза коллагена и гиалуроновой кислоты. Минералокортикоиды (альдостерон, дезоксикортикостерон), напротив, стимулируют образование ГК. Аналогичным эффектом обладают эстрогены (см. Приложение «ГК в организме человека: интересные факты»).

В дерме поддержание уровня ГК обеспечивается механизмами ауторегуляции по принципу обратной связи (схема 2 ).

Взаимодействие ГК с клетками происходит с участием специфичных белков- гиаладгеринов, которые могут быть как элементами рецепторного аппарата клеток (RHAMM, IHABP), так и внеклеточными структурами, к которым относятся верзикан, аггрекан, фибриноген, коллаген VI типа (см. Приложение «Взаимодействие ГК с рецепторами - механизм реализации ее биологической активности»).

На этом самом месте стоит, наверное, приостановиться и задуматься. С чем связано такое широкое распространение ГК в организме человека? И в животном мире вообще? Чем определяется многообразие механизмов регуляции ее метаболизма? Почему по мере деградации биологическая активность не исчезает, а видоизменяется? Обобщая все вышесказанное и заглядывая вперед, можно предположить: ответ кроется в многообразии биологических функций этого уникального биополимера (таблица 3 ).

Таблица 3 . Биологическая роль гиалуроновой кислоты

Является основой гидратированного межклеточного матрикса - физиологической среды для миграции, деления и дифференциации клеток.

Регулирует синтетическую активность фибробластов, в том числе и внеклеточный этап синтеза коллагена.

Оказывает опосредованное иммуномодулирующее действие (как стимулируя, так и подавляя иммунитет).

Обеспечивает транспорт питательных веществ и сигнальных молекул от кровеносных сосудов к клеткам, а также выведение продуктов жизнедеятельности.

Способствует дренажу и детоксикации соединительной ткани, является «ловушкой» для свободных радикалов.

Обеспечивает регенерацию тканей и репарацию повреждений (пластическая функция).

Участвует в регуляции ангиогенеза.

Регулирует морфогенез тканей в период эмбрионального развития.

ГК и старение

Вопрос о том, изменяется ли с возрастом содержание ГК в коже, остается дискуссионным. Однако известно точно, что по мере старения организма все большее количество ГК переходит из свободного состояния в связанное (с белками). При этом она частично утрачивает свои уникальные способности, а именно: ингибировать реакции свободно-радикального окисления, вовлекаться в метаболический путь и стимулировать фибробласты, привлекать и удерживать воду. За счет снижения содержания воды кожа теряет упругость, и ее гладкий рельеф деформируется морщинами и складками.

Гиалуроновая кислота!О ней много говорят, ее включают в состав рецептур новых средств по уходу за кожей. Все производители косметики утверждают, что используют лучшие типы гиалуроновой кислоты в своих продуктах. Но что такое гиалуроновая кислота, что она делает, как она работает и какой ее тип считается лучшим?

Гиалуроновая кислота (ГК) – самый важный фактор гидратации кожи. Эта молекула образует трехмерную сеть, которая действует как губка и буквально улавливает воду вокруг и внутри своих складок.

Кроме того, ГК используется организмом в качестве смазки в суставах, из нее в основном состоит ушная раковина, она же один из структурных полимеров стекловидного тела глаза. ГК способна стимулировать или ингибировать воспаление, способствует заживлению ран и восстановлению кожного покрова. Она – важная составляющая межклеточного вещества буквально всей соединительной ткани человеческого организма.

В коже ГК находится главным образом в базальной мембране эпидермиса и дерме, поддерживая пространство между клетками, увлажняя и облегчая прохождение питательных веществ.

В организме женщины весом 60 кг содержится около 13 г гиалуроновой кислоты, 4,3 г из этого количества перерабатываются и обновляются каждый день.

Однако прежде чем обсуждать, как работает ГК и что она может сделать для кожи, было бы неплохо сначала представить короткое досье на это вещество для лучшего понимания способа его действия.

Гиалуроновая кислота 101

Гиалуронан, или гиалуроновая кислота, – это натуральный полимер, то есть большая молекула, состоящая из множества повторяющихся маленьких молекул-«субъединиц».

В случае гиалуроновой кислоты этой субъединицей является дисахарид D-глюкуроновая кислота и N-ацетил-D-глюкозамин, связанные вместе.

Длина молекулы ГК может составлять от 2 до 25 тыс. дисахаридов. Молекулярная масса этого природного полимера колеблется от 800 до 2 000 000 Дальтон (Да), при этом средняя молекулярная масса ГК составляет 3 МДа в суставах и около 2 МДа в коже.

Организм непрерывно синтезирует и разрушает ГК (как упоминалось выше, полная замена ГК в организме происходит примерно каждые три дня). По мере постепенной деградации больших молекул ГК образуются фрагменты самой разной молекулярной массы. Набор этих фрагментов – от 800 Да до 2 MДа – присутствует в любой момент времени в нормальных тканях.

По размерам молекулы ГК делятся на разные фракции.

• Очень высокая молекулярная масса: 3–20 MДа.
• Высокая молекулярная масса: ~ 2 MДа.
• Средняя молекулярная масса: ~ 1 MДа.
• Низкая молекулярная масса: ~ 300 кДа.
• Очень низкая молекулярная масса: ~ 60 кДа.
• Олигомеры: от 800 Да до10 кДа.

Внешний вид и биологические эффекты

Очевидно, что молекулы, молекулярная масса которых может различаться в 12 500 раз, выглядят и ведут себя в биологических системах совершенно по-разному, оказывая разные биологические эффекты. Это более подробно показано в многочисленных исследованиях, проведенных в последние годы.

Обычно говорят, что ГК может поглотить воды в 1000 раз больше ее собственного веса. Однако это относится только к высокомолекулярной ГК, а та, что имеет более низкую молекулярную массу, очевидно, способна поглощать гораздо меньше воды.

Поэтому на практике, если взять 1% высокомолекулярной ГК в воде, то можно получить довольно вязкую жидкость или жидкий гель. Низкомолекулярная ГК в той же концентрации будет гораздо менее вязкой жидкостью или совсем водянистым гелем, тогда как олигомер будет таким же жидким, как вода. Излишне говорить, что ГК с молекулярной массой 20 MДа будет в этом случае очень густым гелем.

Вы можете задаться вопросом, зачем столько информации о размерах молекул и внешнем виде геля. Ответ довольно интересен. ГК с молекулярной массой 3–20 MДа, то есть высокомолекулярная ГК, – это тот тип ГК, который обнаруживается при целлюлите. Это аномально большой размер молекул ГА, за счет чего происходит прочное удержание воды в подкожной жировой клетчатке, что в свою очередь способствует проявлению видимых признаков целлюлита.

Поэтому присутствие в тканях ГК со слишком высокой молекулярной массой нежелательно – это признак патологического процесса. С другой стороны, присутствие в тканях слишком большого числа ГК-фрагментов, то есть слишком большого количества олигомеров или даже ГК с молекулярной массой 20 кДа, также нежелательно, поскольку они, как известно, стимулируют воспаление. Однако даже воспаление в некоторых ситуациях имеет право на существование, и иногда это необходимо (например, при заживлении ран).

Все остальные молекулярные массы (50 кДа – 2 МДа) кажутся нейтральными или полезными, причем 2 МДа считается наиболее «нормальной» (если так можно выразиться) и препятствует воспалению.

Таким образом, мы можем утверждать, что единственный действительно «плохой» тип ГК – это ГК с чрезвычайно высокой молекулярной массой, которая также способствует фиброзу.

Диета, образ жизни и гиалуроновая кислота

Предполагается, что диета, богатая овощами (магний) и фруктами (аскорбиновая кислота), помогает повысить естественный синтез ГК в организме. Также некоторые продукты богаты ГК или ее предшественниками. В качестве примера можно привести костный бульон, мясные субпродукты и суставной хрящ.

Гиалуронан можно также принимать внутрь в виде пищевой добавки, и он действительно «достигает» кожи и суставов, помогая увеличить их гидратацию, дольше сохранить молодость и поддержать здоровье. Это похоже на пероральный прием гидролизованного коллагена, что также помогает отсрочить старение кожи, сохранить упругость и эластичность связок и сухожилий.

Ультрафиолетовое излучение уменьшает содержание ГК в коже, что приводит к ее сухости и воспалению. Обеспечив кожу достаточным количеством ГА летом, в том числе «изнутри», мы можем быть уверены, что она сможет оставаться увлажненной и защищенной от солнечных лучей.

Нет никакой специфической пищи, которая обладала бы доказанной способностью увеличивать собственный синтез ГК в организме, но ежедневное употребление определенного количества питьевой воды будет способствовать гидратации, поскольку молекула воды не менее важна для этого, чем гиалуроновая кислота, ведь без воды гиалуронан абсолютно бесполезен. В идеале необходимо выпивать два литра воды в день. Таким образом, для улучшения увлажнения кожи и получения омолаживающего эффекта целесообразно комбинировать оральное применение ГК в виде БАД и употребление достаточного количества воды. Для максимального результата можно дополнительно использовать качественную сыворотку, гель или крем, содержащие ГК.

Кожная абсорбция ГК из косметических рецептур

Поскольку ГК стимулирует репарацию и увлажнение кожи, а кожа производит ее все меньше и меньше по мере старения, само собой разумеется, хочется добавить немного ГК в кожу в виде косметической сыворотки, крема или геля.

Понятно, что ГК с большой молекулярной массой не сможет даже проникнуть в эпидермис, в то время как все, что ниже 300 кДа, проникает в дерму и даже подкожно-жировую клетчатку. Чем ниже молекулярная масса, тем глубже ГК может проникать в кожу.

Однако не все так просто. Как мы уже упоминали выше, нужно понимать, для чего мы используем в своей рецептуре ГК с более низким молекулярным весом. «Проталкивая» ГК с молекулярным весом 20 кДа в кожу, мы вовсе не решаем всех проблем кожи, поскольку для нее это может оказаться как полезным, так и раздражающим воздействием. В случае использования ГК с чрезвычайно низкой молекулярной массой все осложняется еще больше.

Однако в большинстве исследовательских работ показано, что молекулы ГК с молекулярной массой где-то между 50 и 300 кДа хорошо проникают в кожу и оказывают на нее благотворное влияние. Мой личный опыт тоже говорит о том, что это лучший для использования диапазон молекулярных масс.

ГК с молекулярной массой 1 MДа может гидратировать сам эпидермис, не проникая дальше, в то время как молекула с молекулярной массой 2MДа просто сидит на поверхности эпидермиса и больше никуда не идет. С другой стороны, я обнаружил, что ГК с молекулярной массой 10 кДа не так полезна и в высоких концентрациях может раздражать кожу, что подтверждается данными, приведенными в научной литературе.

Столь разная абсорбционная способность ГК, зависящая от ее молекулярной массы, является причиной того, что все больше косметических компаний в настоящее время в рецептурах используют ГК разного молекулярного веса.

Молекулы ГК также могут быть линейными или сшитыми. Линейная молекула – это стандартная ГК, встречающаяся в организме человека и в природе. Сшитая ГК представляет собой изобретение человека, это более стабильная форма ГК с более высокой гидратирующей способностью. Но, к сожалению, сшитая ГК обладает меньшей способностью проникать в кожу, поскольку молекула «более толстая» и не может легко пересечь эпидермис.

Сшитая ГК используется в качестве филлера в мезотерапии, но сегодня ее также можно встретить в составе некоторых антивозрастных кремов.

Сыворотки, гели и кремы

Достаточно легко получить косметическую сыворотку или гель, используя ГК и воду. Однако кремы – это другое дело. Здесь ГК может сильно увеличить нестабильность эмульсионной системы. Поэтому большинство продуктов с ГК на рынке – это гели и сыворотки, которые легче получить.

Многие представленные на рынке косметические средства с ГК содержат около 0,1% этого вещества, то есть 1 часть ГК и 999 частей воды и некоторых других ингредиентов. Однако более концентрированные продукты могут содержать до 2% ГК. Более высокие концентрации нецелесообразны, поскольку крем или гель становятся слишком густыми и неудобными.

Гиалуроновая кислота в настоящее время – один из самых популярных и важных ингредиентов для борьбы со старением кожи и в уходе за лицом. Ее также можно встретить в некоторых средствах для ухода за телом. К сожалению, если тип и концентрация ГК специально не упоминаются на упаковке косметического средства, очень сложно понять, что именно и в каких концентрациях в нем используется, но это относится ко всем ингредиентам косметических рецептур.

С другой стороны, некоторые продукты для ухода за кожей включают в себя активные вещества, которые повышают собственный синтез ГК в коже. Это дает несколько отсроченный результат, но обходит проблему абсорбции ГК, поскольку «собственная» ГК синтезируется внутри кожи. Другие активные вещества, используемые в косметике, могут ингибировать в человеческом организме действие разрушающих ГК ферментов – гиалуронидаз (большинство полифенолов обладает такой активностью). Это продлевает срок полезного использования ГК в коже и подавляет ее раннюю или чрезмерную деградацию.

Каково происхождение ГК для косметики?

Когда-то давно в косметике использовали ГК животного происхождения, получаемую из свиных ушей или петушиных гребней. Я помню, что первая ГК, которую мы купили для использования в наших продуктах в 2002 году, была получена из поросят.

Сегодня ГК производится путем бактериальной ферментации, что позволяет получить стандартный размер молекул – 2 MДa. Затем ее «разрезают» либо ферментами, либо гидролизом и получают молекулы меньшего размера. В организме человека происходит то же самое – ГК с молекулярной массой 2 MДа разрезается на более «мелкие кусочки» ферментами, называемыми гиалуронидазами.

Гиалуронидаза и целлюлит

Иногда, чтобы разрушить ГК с чрезмерно высокой молекулярной массой, о которой мы упоминали выше, врачи вводят в ткани гиалуронидазу.

Одно из таких применений гиалуронидазы – временное сокращение признаков целлюлита. Я использую слово «временное», потому что человеческий организм может восстановить молекулярную массу только что синтезированной ГК до 20 MДа всего за несколько дней.

Таким образом, долгосрочное решение проблемы целлюлита не может быть достигнуто инъекциями гиалуронидазы. Это должны быть меры, в первую очередь направленные на снижение удержания воды в тканях и уменьшение синтеза ГК с молекулярной массой 20 MДa. Но это история для другой статьи…

Заключение

По мере старения в организме человека синтезируется все меньше и меньше ГК, в связи с чем необходимо защитить уже имеющуюся ГК и увеличить ее содержание в коже.

Это можно сделать, избегая чрезмерного воздействия солнца; с помощью диеты, богатой овощами, травами, субпродуктами; выпивая достаточное количество воды; используя хорошие косметические средства для ухода за кожей на основе ГК с молекулами разных молекулярных масс, в идеале – от 50 до 300 кДа.

Биологически активные добавки с гиалуроновой кислотой также помогают, поскольку действительно оказывают благотворное влияние на кожу (и суставы), помогая увлажнять и питать организм «изнутри».