THE NEWEST ACHIEVEMENTS OF PHARMACEUTICAL DEVELOPMENT BASED ON THE USE OF COLLAGEN

Full Text

Коллаген - фибриллярный белок, со- ставляющий основу соединительной ткани организма и обеспечивающий ее прочность и эластичность. В соединительной ткани содержится от 1 до 9 % коллагена. Коллаген относится к классу белков, именуемых склеропротеинами. Особенно- стью белков данного класса является их филогенетическое родство у разных видов животных и человека. Термином «коллаген» называют спе- цифические мономерные белковые моле- кулы и агрегаты этих молекул, которые об- разуют во внеклеточном матриксе соеди- нительной ткани фибриллярные структуры (рис.1.). Рисунок 1 - Структура коллагенового волокна В молекуле коллагена каждая третья аминокислота является глицином. Также для коллагена характерны аминокислоты, не встречающиеся в других белках, такие как оксипролин и оксилизин, содержание которых составляет 23% всего аминокис- лотного состава молекулы коллагена [1]. Пептидная цепочка молекулы коллаге- на, называемая ά-цепью состоит из 1050 аминокислотных остатков и имеет молеку- лярную массу примерно 95 килодальтон (кД), масса всей молекулы составляет око- ло 300 кД, тогда как длина макромолекулы 280 нм, а диаметр-1,4 нм. Установлено, что концевые участки ά-цепей на N- и С- концах молекулы (телопептиды) имеют от- личный от основной части аминокислот- ный состав: не содержат пролина и окси- пролина, не имеют глицина в каждой тре- тьей позиции и поэтому не принимают участия в образовании тройной спирали. Тем не менее, именно они играют важную роль в механизме полимеризации молекул, формировании межмолекулярных поперечных связей, а также антигенных свойств коллагена. Макромолекула коллагена представля- ет собой трехспиральную спираль, в кото- рой три отдельные полипептидные цепи, свернутые в левовинтовую спираль, пере- плетаются в одну правовинтовую супер- спираль (трехспиральная спираль). Трой- ную спираль молекулы коллагена стабили- зируют водородные связи, имеющие меж- спиральный характер. Кроме того, она ста- билизирована комплексом электростатиче- ских и гидрофобных связей, что подтвер- ждается расшифровкой структуры отдель- ных цепей. Данная структурная модель мо- лекулы, предложенная A.Rich и F.H.Crick в 1961 г., с некоторыми видоизменениями в настоящее время общепринята. Сложная трехспиральная молекула упорядочена та- ким образом, что свободные боковые цепи глицина каждой полипептидной цепи находятся внутри общей спирали, а кольца пролина, оксипролина и боковые группы аминокислот выступают наружу (рис. 2.). Рисунок 2 - Троично-спиральная модель молекулы коллагена В соединительной ткани молекулы коллагена за счет межмолекулярных попе- речных связей объединяются в фибриллы и волокна, образуя сложную морфологиче- скую структуру. Коллаген обладает рядом свойств, ко- торые позволяют использовать его как биоматериал в фармацевтической про- мышленности: физико-механические - высокая прочность на разрыв, низкая растяжимость, ориентация волокон; физико-химические - контролируе- мое поперечное соединение дубящими ве- ществами, влияющими на растяжимость, набухание, резорбцию; ионообменные функции за счет полупроницаемости мем- бран; биологические - низкая антигенность, стимуляция репарации поврежденных тка- ней, гемостатический эффект. Коллагенсодержащее сырье представ- ляет собой в основном соединительную ткань, состоящую из клеток, межклеточно- го вещества и волокон коллагенового ха- рактера; кроме этого, она содержит незна- чительное количество эластиновых и рети- кулиновых волокон, а также проходящие кровеносные сосуды. Наиболее часто сырьем для производ- ства служит коллаген, получаемый в процессе переработки спилка со шкур крупно- го рогатого скота. Его подвергают тща- тельной очистке, чтобы избавиться от ком- понентов, способных вызвать аллергиче- ские реакции и другие осложнения. Эти операции включают измельчение сырья, его предварительную обработку, экстрак- цию коллагена растворами кислот (уксус- ная) в присутствии пепсина или других протеаз, осаждение из экстракта и даль- нейшую его тонкую очистку. В фармацевтической и медицинской промышленности коллаген нашел широкое применение. На его основе разработаны различные лекарственные формы (мягкие и жидкие), специальные пластыри и губки (губка гемостатическая коллагеновая, губ- ка коллагеновая с метилурацилом, губка коллагеновая с сангвиритрином и др.), а также разнообразные средства для быстрой остановки кровотечений (средства местно- го гемостаза), изделия медицинского назначения для лечения ран, ожогов, тро- фических язв, пролежней и других дефек- тов мягких тканей различного генеза. Коллагеновые покрытия создают опти- мальные условия для заживления раны, за счет чего процесс воспаления протекает в физиологически допустимых пределах, со- кращаются сроки заживления ран, что под- тверждается успешным применением коллагеновых материалов для лечения ожогов и ран. Коллаген способен снижать актив- ность протеолитических ферментов (в частности, матриксных металлопротеиназ) в ране, стимулируя тем самым формирова- ние грануляционной ткани. Современные коллагеновые покрытия применяются для лечения хронических ран на стадии экссу- дации, грануляции и эпителизации у паци- ентов с гнойно-некротическими поражени- ями нижних конечностей, в т. ч. и у паци- ентов с синдромом диабетической стопы (СДС) [1]. Перевязочные материалы на основе коллагена позволяют заживлять раны раз- личной глубины и степени сложности, а также длительно незаживающие раны. Это обусловлено тем, что коллаген благодаря сохраненной структуре волокна не только стимулирует свойственный организму естественный процесс заживления, но и способствует быстрому и эффективному росту новой полноценной ткани на месте дефекта, выступает в качестве матрицы для направленной тканевой регенерации: фиб- робласты, кровеносные и лимфатические сосуды, нервные волокна из окружающей здоровой ткани, внедряясь в коллагеновую матрицу, распространяются строго по ней. Особый интерес в направлении лечения трофических долго незаживающих ран представляет коллагеновый имплантат - «Коллост». Он был разработан сотрудни- ками ГУ «НИИ эпидемиологии и микро- биологии им. Н. Ф. Гамалеи РАМН» сов- местно с российской фирмой ЗАО «Био- Фармахолдинг» и фармацевтическим ин- ститутом «Gentilli» (Пиза, Италия) при участии ООО «Ниармедик плюс». «Кол- лост» представляет собой стерильный био- пластический коллагеновый материал с полностью сохраненной волокнистой структурой, предназначенный для репара- ции поврежденных или патологически из- мененных тканей [3]. Когда имплантат связывается с раной, фибробласты из окружающих тканей ми- грирует к нему и вторгаются в коллагено- вые волокна. Создается переходный мат- рикс, который стимулирует иммунную си- стему организма и активацию гранулоцитов, макрофагов и фибробластов, улучшает перенос факторов роста, высвобождаю- щихся из клеток, усиливает миграцию фибробластов и пролиферацию эпители- альных клеток. Продуцируются новые кол- лагеновые волокна, заполняющие полость в области имплантации, а сам имплантат, постепенно рассасываясь, замещается соб- ственной аутотканью. Экспериментальными исследованиями было доказано, что ответной реакцией ор- ганизма на имплантацию «Коллоста» явля- ется выброс большого количества макро- фагов, тучных клеток, цитокинов в область вмешательства. Ангиогенез в ложе раны происходит с врастанием фибробластов и депозицией внеклеточной матрицы. «Кол- лост» играет ключевую роль в обеспечении необходимой структурной поддержки, спо- собствует направленной миграции клеток по биологической матрице с постепенным замещением её фибробластами. Актив- ность фибробластов способствует восста- новлению непрерывности и укреплению репарированной ткани. Эпителиальные клетки пролиферируют с краев раны и мигрируют вдоль раневой поверхности. Экспериментальные in vitro и in vivo исследования показали, что им- плантация коллагена поддерживает рост эпителиальных клеток в процессе заживле- ния раны [4]. Помимо перевязочных средств и им- плантов, на основе коллагена создаются всевозможные лекарственные формы про- лонгированного действия: пленки, мази, капсулы, суппозитории, жидкие лекар- ственные формы. Пролонгирующий эф- фект объясняется равномерным распреде- лением сравнительно малых молекул ле- карственных и биологически активных ве- ществ между макромолекулами коллагена и с постепенным освобождением их как за счет диффузии, так и за счет медленного лизиса коллагена. Коллаген, как и другие биологические полимеры, способен обра- зовывать комплексы с различными лекар- ственными веществами, что способствует увеличению направленности их действия. Эта существенная особенность коллагена дает возможность усиливать свертывание крови, стимулировать восстановление со- единительной ткани, оказывать более вы- раженный антибактериальный эффект и др. Таким образом, открываются широкие перспективы для лекарственных препара- тов пролонгированного действия. Причем коллаген или другие биополимеры играют для лекарственного средства роль депо. На данный момент изучены комплексы коллагена со многими веществами. Напри- мер, комплекс гепарина с коллагеном, в котором коллаген утрачивает свою тромбо- генную природу, обладает пролонгирован- ным антикоагуляционным эффектом за счет прочных ковалентных связей, образу- ющих данный комплекс. В крови агрегаты- молекулы гепарин-коллагена активно функционируют до тех пор, пока белковая часть комплекса полностью не деградиру- ет, после чего гепарин инактивируется обычным путем [2]. Существенное значение также имеет взаимодействие коллагена с антибиотика- ми, так как коллаген не только пролонги- рует действие антибиотиков, но и снижает их токсичность в ряде случаев. Было установлено, что коллагеновые препараты, содержащие линкомицин, при введении сохраняют антибиотик в окру- жающих тканях 23 - 25 суток. На этом принципе сейчас основаны лекарственные средства с увеличенными сроками бакте- риального воздействия на микробную фло- ру, применяющиеся при лечении остеоми- елита, лейшманиозных язв, бронхиальных свищей, при пластике кровеносных сосу- дов в условиях инфекции. Однако, возвращаясь к вышеназванно- му коллагеновому материалу «Коллост», весьма интересным направлением исследо- ваний является определение степени набу- хания данного изделия, в особенности мембран размеров 50×60×1,5 мм и 20×30×0,7 мм, а также их способности по- глощать и образовывать комплексы с ле- карственными веществами и, соответ- ственно, скорости высвобождения лекар- ственных веществ из мембраны. Эти направления обусловлены следующими моментами: коллаген, из которого состоит «Кол- лост» - является ограниченно-набухающим высокомолекулярным соединением, отно- сящимся к коллагену 1 типа, но данных по его степени набухания в доступной литера- туре не обнаружено; предварительная подготовка мембран перед применением подразумевает замачи- вание в физиологическом растворе, либо в растворе антибиотика/антисептика на срок не менее 20 минут с целью набухания, придания эластичности мембране для оп- тимального конструирования и создания депо антибиотика в матрице; длительность нахождения покрытия в дефекте и длительные сроки деградации мембраны с постоянным поддержанием влажной среды и наличия антибактериаль- ного средства в ране. Выводы Уникальные физико-химические, физико-механические и биологические свойства коллагена позволяют широко использовать его в качестве вспомогательного вещества при производстве пролонгированных лекарственных форм, в качестве гемостатического сред- ства и матрицы для направленной тканевой регенерации в виде мембран, губок, покрытий, а также в качестве компонента сложных комбинированных лекарственных систем, вклю- чающих депо-матрицу на основе коллагена, лекарственное вещество (или комбинацию веществ) и модулятор высвобождения. К тому же, сам коллаген ввиду своей «типовой» специфичности как высокомолекулярное соединение обладает высоким потенциалом для фармацевтической разработки.

About the authors

M. M Karasev

Oryol

Email: mikhailkarasev@yandex.ru

M. A Redina

Oryol

O. V Belousova

Belgorod State National Research University

References

Supplementary files