Гиалуроновая кислота ( / ˌ h aɪ . ə l j ʊəˈr ɒ n ɪ k / ; [1] [2] сокращенно HA ; сопряженный базовый гиалуронат ), также называемый гиалуронаном , является анионным , несульфатированным гликозаминогликаном , широко распространенным в соединительной , эпителиальной и нервной тканях . Он уникален среди гликозаминогликанов , поскольку он несульфатирован , образуется в плазматической мембране вместо аппарата Гольджи и может быть очень большим: человеческий синовиальный HA в среднем составляет около7 МДа на молекулу, или около 20 000 дисахаридных мономеров, [3] в то время как другие источники упоминают3–4 МДа . [4]
В медицине гиалуроновая кислота используется для лечения остеоартрита коленного сустава, синдрома сухого глаза, для заживления ран и в качестве косметического наполнителя. [5]
В организме среднестатистического человека весом 70 кг (150 фунтов) содержится около 15 граммов гиалуроновой кислоты, треть которой обновляется (т.е. расщепляется и синтезируется) в день. [6]
Как один из главных компонентов внеклеточного матрикса , он вносит значительный вклад в пролиферацию и миграцию клеток и участвует в прогрессировании многих злокачественных опухолей . [7] [8] Гиалуроновая кислота также является компонентом внеклеточной капсулы стрептококков группы А , [9] и, как полагают, играет роль в вирулентности . [10] [11] [12]
До конца 1970-х годов гиалуроновая кислота описывалась как молекула «липкого вещества», вездесущий углеводный полимер, являющийся частью внеклеточного матрикса. [13] Например, гиалуроновая кислота является основным компонентом синовиальной жидкости и, как было обнаружено, увеличивает вязкость жидкости. Наряду с лубрицином , она является одним из основных смазочных компонентов жидкости.
Гиалуроновая кислота является важным компонентом суставного хряща , где она присутствует в виде оболочки вокруг каждой клетки ( хондроцита ). Когда мономеры аггрекана связываются с гиалуронаном в присутствии HAPLN1 (белок связи гиалуроновой кислоты и протеогликана 1), образуются большие, сильно отрицательно заряженные агрегаты. Эти агрегаты впитывают воду и отвечают за упругость хряща (его устойчивость к сжатию). Молекулярная масса (размер) гиалуронана в хряще уменьшается с возрастом, но его количество увеличивается. [14]
Была высказана мысль о смазочной роли гиалуронана в мышечной соединительной ткани для улучшения скольжения между соседними слоями ткани. Особый тип фибробластов , встроенных в плотные фасциальные ткани, был предложен как клетки, специализированные для биосинтеза богатой гиалуронаном матрицы. Их связанная активность может быть вовлечена в регулирование скользящей способности между соседними мышечными соединительными тканями. [15]
Гиалуроновая кислота также является основным компонентом кожи, где она участвует в восстановлении тканей. Когда кожа подвергается чрезмерному воздействию лучей UVB , она воспаляется ( солнечный ожог ), и клетки дермы перестают вырабатывать столько гиалуронана и увеличивают скорость его деградации. Продукты деградации гиалуронана затем накапливаются в коже после воздействия УФ-излучения . [16]
Хотя гиалуронан в изобилии присутствует во внеклеточных матрицах , он также участвует в гидродинамике тканей, движении и пролиферации клеток и участвует в ряде взаимодействий рецепторов клеточной поверхности , в частности, в тех, которые включают его основные рецепторы, CD44 и RHAMM . Повышение уровня самого CD44 широко признано в качестве маркера активации клеток в лимфоцитах . Вклад гиалуронана в рост опухоли может быть обусловлен его взаимодействием с CD44. Рецептор CD44 участвует во взаимодействиях клеточной адгезии, необходимых опухолевым клеткам.
Хотя гиалуронан связывается с рецептором CD44, есть данные, что продукты распада гиалуронана передают свой воспалительный сигнал через толл-подобный рецептор 2 ( TLR2 ), TLR4 или оба TLR2 и TLR4 в макрофагах и дендритных клетках . TLR и гиалуронан играют роль во врожденном иммунитете .
Существуют ограничения, включая потерю этого соединения in vivo, что ограничивает продолжительность эффекта. [17]
Как основной компонент внеклеточного матрикса , гиалуроновая кислота играет ключевую роль в регенерации тканей , воспалительной реакции и ангиогенезе , которые являются фазами заживления ран . [18] Однако по состоянию на 2023 год обзоры ее влияния на заживление хронических ран, включая ожоги , язвы диабетической стопы или хирургическое восстановление кожи, показывают либо недостаточно доказательств, либо лишь ограниченные положительные клинические исследовательские данные. [18] [19] Также имеются некоторые ограниченные доказательства, позволяющие предположить, что гиалуроновая кислота может быть полезна для заживления язв и может в небольшой степени помочь в контроле боли. [19] Гиалуроновая кислота соединяется с водой и набухает, образуя гель , что делает ее полезной при лечении кожи в качестве дермального наполнителя для морщин на лице ; ее эффект длится около 6-12 месяцев, и лечение имеет нормативное одобрение Управления по контролю за продуктами и лекарствами США . [20]
Грануляционная ткань — это перфузируемая волокнистая соединительная ткань, которая заменяет фибриновый сгусток в заживающих ранах. Обычно она растет из основания раны и способна заполнять раны практически любого размера, которые она заживляет. ГК в изобилии содержится в матрице грануляционной ткани. Разнообразие клеточных функций, которые необходимы для восстановления тканей, может быть отнесено к этой богатой ГК сети. Эти функции включают в себя облегчение миграции клеток в предварительную матрицу раны, пролиферацию клеток и организацию матрицы грануляционной ткани. Инициирование воспаления имеет решающее значение для формирования грануляционной ткани; поэтому провоспалительная роль ГК, как обсуждалось выше, также способствует этой стадии заживления ран.
Миграция клеток необходима для формирования грануляционной ткани. [21] На ранней стадии грануляционной ткани доминирует богатый HA внеклеточный матрикс, который рассматривается как благоприятная среда для миграции клеток в этот временный матрикс раны. [21] HA обеспечивает открытую гидратированную матрицу, которая облегчает миграцию клеток, тогда как в последнем сценарии направленная миграция и контроль связанных с ней клеточных механизмов опосредуются посредством специфического взаимодействия клеток между HA и рецепторами HA на поверхности клеток. [21] Он образует связи с несколькими протеинкиназами, связанными с движением клеток, например, с внеклеточной сигнал-регулируемой киназой , киназой фокальной адгезии и другими нерецепторными тирозинкиназами . [21] Во время развития плода путь миграции, по которому мигрируют клетки нервного гребня , богат HA. HA тесно связан с процессом миграции клеток в матриксе грануляционной ткани, и исследования показывают, что движение клеток может быть ингибировано, по крайней мере частично, путем деградации HA или блокирования занятости рецепторов HA. [21]
Было также показано, что синтез HA, обеспечивая динамическую силу для клетки, связан с миграцией клеток. [21] В основном, HA синтезируется на плазматической мембране и высвобождается непосредственно во внеклеточную среду. [21] Это может способствовать образованию гидратированной микросреды в местах синтеза и имеет важное значение для миграции клеток, способствуя отсоединению клеток. [21]
HA играет важную роль в нормальном эпидермисе . HA также имеет важные функции в процессе реэпителизации из-за нескольких своих свойств. Они включают в себя то, что она является неотъемлемой частью внеклеточного матрикса базальных кератиноцитов , которые являются основными составляющими эпидермиса; ее функция очистки от свободных радикалов и ее роль в пролиферации и миграции кератиноцитов.
В нормальной коже HA обнаруживается в относительно высоких концентрациях в базальном слое эпидермиса, где находятся пролиферирующие кератиноциты. [22] CD44 локализуется с HA в базальном слое эпидермиса, где, кроме того, было показано, что он преимущественно экспрессируется на плазматической мембране, обращенной к богатым HA матричным карманам. [23] Поддержание внеклеточного пространства и обеспечение открытой, а также гидратированной структуры для прохождения питательных веществ являются основными функциями HA в эпидермисе. В отчете было обнаружено, что содержание HA увеличивается в присутствии ретиноевой кислоты (витамина А). [22] Предполагаемые эффекты ретиноевой кислоты против фотоповреждения кожи и фотостарения могут быть связаны, по крайней мере частично, с увеличением содержания HA в коже, что приводит к повышению гидратации тканей. Было высказано предположение, что способность гиалуроновой кислоты поглощать свободные радикалы способствует защите от солнечного излучения, что подтверждает роль CD44 как рецептора гиалуроновой кислоты в эпидермисе.
Эпидермальный HA также выполняет функцию манипулятора в процессе пролиферации кератиноцитов, что необходимо для нормальной функции эпидермиса, а также во время реэпителизации при восстановлении тканей. В процессе заживления ран HA экспрессируется в крае раны, в соединительнотканном матриксе и коллокируется с экспрессией CD44 в мигрирующих кератиноцитах.
Гиалуроновая кислота была одобрена FDA для лечения остеоартрита коленного сустава путем внутрисуставной инъекции . [24] Обзор 2012 года показал, что качество исследований, поддерживающих это использование, было в основном низким, с общим отсутствием существенных преимуществ, и что внутрисуставная инъекция ГК может вызывать побочные эффекты . [25] Метаанализ 2020 года показал, что внутрисуставная инъекция высокомолекулярной ГК улучшила как боль, так и функцию у людей с остеоартритом коленного сустава. [26]
Гиалуроновая кислота использовалась для лечения синдрома сухого глаза . [27] Гиалуроновая кислота является распространенным ингредиентом в средствах по уходу за кожей . Гиалуроновая кислота используется в качестве дермального наполнителя в косметической хирургии. [28] Обычно ее вводят с помощью классической острой иглы для подкожных инъекций или микроканюли . Некоторые исследования показали, что использование микроканюль может значительно снизить эмболию сосудов во время инъекций. [29] [30] В настоящее время гиалуроновая кислота используется в качестве наполнителя мягких тканей из-за ее биосовместимости и возможной обратимости с использованием гиалуронидазы . [31] [29] Осложнения включают разрыв нервов и микрососудов , боль и синяки . Некоторые побочные эффекты также могут проявляться в виде эритемы, зуда и окклюзии сосудов; окклюзия сосудов является наиболее тревожным побочным эффектом из-за возможности некроза кожи или даже слепоты у пациента. [32] [33] [34] [35] [29] В некоторых случаях филлеры на основе гиалуроновой кислоты могут привести к гранулематозной реакции на инородное тело . [36]
Гиалуроновая кислота используется для перемещения тканей от тканей, которые будут подвергаться облучению, например, в одном из вариантов лечения некоторых видов рака предстательной железы. [37]
Гиалуроновая кислота производится в больших масштабах путем экстракции из тканей животных, таких как куриные гребни , а также из стрептококков . [38]
Гиалуроновая кислота представляет собой полимер дисахаридов , которые состоят из D -глюкуроновой кислоты и N -ацетил- D -глюкозамина , связанных через чередующиеся β-(1→4) и β-(1→3) гликозидные связи . Гиалуроновая кислота может иметь 25 000 дисахаридных повторов в длину. Полимеры гиалуроновой кислоты могут иметь размер от 5 000 до 20 000 000 Да in vivo . Средняя молекулярная масса в синовиальной жидкости человека составляет 3–4 миллиона Да, а гиалуроновая кислота, очищенная из пуповины человека , составляет 3 140 000 Да; [4] другие источники упоминают среднюю молекулярную массу 7 миллионов Да для синовиальной жидкости. [3] Гиалуроновая кислота также содержит кремний , в диапазоне 350–1 900 мкг/г в зависимости от местоположения в организме. [39]
Гиалуроновая кислота энергетически стабильна, отчасти из-за стереохимии ее компонентов — дисахаридов. [ необходима цитата ] Объемные группы в каждой молекуле сахара находятся в стерически выгодных положениях, тогда как меньшие атомы водорода занимают менее выгодные аксиальные положения. [ необходима цитата ]
Гиалуроновая кислота в водных растворах самоассоциируется, образуя временные кластеры в растворе. [40] Хотя она считается полиэлектролитной полимерной цепью, гиалуроновая кислота не демонстрирует полиэлектролитный пик, что предполагает отсутствие характерной шкалы длин между молекулами гиалуроновой кислоты и возникновение фрактальной кластеризации, которая обусловлена сильной сольватацией этих молекул. [40]
Гиалуроновая кислота синтезируется классом интегральных мембранных белков , называемых гиалуронансинтазы , из которых у позвоночных есть три типа: HAS1 , HAS2 и HAS3 . Эти ферменты удлиняют гиалуронан, многократно добавляя D -глюкуроновую кислоту и N -ацетил- D -глюкозамин к образующемуся полисахариду, когда он выдавливается через ABC-транспортер через клеточную мембрану во внеклеточное пространство. [41] Термин фасциоцит был придуман для описания фибробластоподобных клеток, которые синтезируют гиалуроновую кислоту. [42] [43]
Было показано, что синтез гиалуроновой кислоты ингибируется 4-метилумбеллифероном ( гимекромоном ), производным 7-гидрокси-4-метилкумарина. [44] Это селективное ингибирование (без ингибирования других гликозаминогликанов ) может оказаться полезным для предотвращения метастазирования злокачественных опухолевых клеток. [45] Существует ингибирование по принципу обратной связи синтеза гиалуронана низкомолекулярным гиалуронаном (<500 кДа) при высоких концентрациях, но наблюдается стимуляция высокомолекулярным гиалуронаном (>500 кДа) при тестировании на культивируемых синовиальных фибробластах человека. [46]
Недавно Bacillus subtilis была генетически модифицирована для культивирования запатентованной формулы получения гиалуронана [47] в запатентованном процессе, в результате которого получается продукт, пригодный для употребления человеком.
Фасциоцит — это тип биологической клетки, которая производит богатый гиалуронаном внеклеточный матрикс и модулирует скольжение мышечных фасций . [42]
Фасциоциты — это фибробластоподобные клетки, которые находятся в фасциях. Они имеют круглую форму с более круглыми ядрами и менее удлиненными клеточными отростками по сравнению с фибробластами. Фасциоциты сгруппированы вдоль верхней и нижней поверхностей фасциального слоя.
Фасциоциты вырабатывают гиалуронан, который регулирует скольжение фасций. [42]
Гиалуроновая кислота (ГК) — это линейный гликозаминогликан (ГАГ), анионный, гелеобразный полимер, обнаруженный во внеклеточном матриксе эпителиальных и соединительных тканей позвоночных. Он является частью семейства структурно сложных, линейных, анионных полисахаридов. [8] Карбоксилатные группы, присутствующие в молекуле, делают ее отрицательно заряженной, что позволяет успешно связываться с водой и делает ее ценной для косметических и фармацевтических продуктов. [48]
HA состоит из повторяющихся дисахаридов β4-глюкуроновой кислоты (GlcUA)-β3- N -ацетилглюкозамина (GlcNAc) и синтезируется гиалуронансинтазами (HAS), классом интегральных мембранных белков, которые производят четко определенные, однородные длины цепей, характерные для HA. [48] У позвоночных существует три типа HAS: HAS1, HAS2, HAS3; каждый из них способствует удлинению полимера HA. [8] Для создания капсулы HA должен присутствовать этот фермент, поскольку он полимеризует предшественников UDP-сахара в HA. Предшественники HA синтезируются путем первого фосфорилирования глюкозы гексокиназой, в результате чего образуется глюкозо-6-фосфат, который является основным предшественником HA. [49] Затем используются два пути для синтеза UDP-n-ацетилглюкозамина и UDP-глюкуроновой кислоты, которые оба реагируют с образованием HA. Глюкозо-6-фосфат преобразуется либо во фруктозо-6-фосфат с помощью hasE (фосфоглюкоизомеразы), либо во глюкозо-1-фосфат с помощью pgm (α-фосфоглюкомутазы), причем оба эти процесса подвергаются различным наборам реакций. [49]
UDP-глюкуроновая кислота и UDP-n-ацетилглюкозамин связываются вместе, образуя HA через hasA (HA-синтазу). [48]
UDP-глюкуроновая кислота образуется из hasC (UDP-глюкозопирофосфорилазы), преобразующей глюкозу-1-P в UDP-глюкозу, которая затем реагирует с hasB (UDP-глюкозодегидрогеназой) с образованием UDP-глюкуроновой кислоты. [48]
Путь вперед от фруктозы-6-P использует glmS (амидотрансферазу) для образования глюкозамина-6-P. Затем glmM (мутаза) реагирует с этим продуктом для образования глюкозамина-1-P. hasD (ацетилтрансфераза) преобразует его в n-ацетилглюкозамин-1-P, и, наконец, hasD (пирофосфорилаза) преобразует этот продукт в UDP-n-ацетилглюкозамин. [49]
UDP-глюкуроновая кислота и UDP-n-ацетилглюкозамин связываются вместе, образуя HA через hasA (HA-синтазу), завершая синтез. [49]
Гиалуроновая кислота может быть разрушена семейством ферментов, называемых гиалуронидазами . У людей существует по крайней мере семь типов ферментов, подобных гиалуронидазе, некоторые из которых являются супрессорами опухолей . Продукты распада гиалуронана, олигосахариды и гиалуронан с очень низкой молекулярной массой, проявляют проангиогенные свойства . [50] Кроме того, недавние исследования показали, что фрагменты гиалуронана, а не нативная молекула с высокой молекулярной массой, могут вызывать воспалительные реакции в макрофагах и дендритных клетках при повреждении тканей и при трансплантации кожи. [51] [52]
Гиалуронан также может быть разрушен посредством неферментативных реакций. К ним относятся кислотный и щелочной гидролиз , ультразвуковая дезинтеграция , термическое разложение и разрушение окислителями . [53]
Гиалуроновая кислота происходит от hyalos (греч. vitreous, что означает «подобный стеклу») и уроновой кислоты [54], поскольку она была впервые выделена из стекловидного тела и обладает высоким содержанием уроновой кислоты. Термин гиалуронат относится к сопряженному основанию гиалуроновой кислоты. Поскольку молекула обычно существует in vivo в своей полианионной форме, ее чаще всего называют гиалуронан .
Гиалуроновая кислота была впервые получена Карлом Мейером и Джоном Палмером в 1934 году из стекловидного тела глаза коровы. [55] Первый биомедицинский продукт гиалуронана, Healon, был разработан в 1970-х и 1980-х годах компанией Pharmacia , [56] и одобрен для использования в хирургии глаза (то есть, трансплантация роговицы , хирургия катаракты, хирургия глаукомы и хирургия по восстановлению отслоения сетчатки ). Другие биомедицинские компании также производят бренды гиалуронана для офтальмологической хирургии. [57]
Нативная гиалуроновая кислота имеет относительно короткий период полураспада (показано на кроликах) [58] , поэтому были применены различные методы производства для увеличения длины цепи и стабилизации молекулы для ее использования в медицинских целях. Введение поперечных связей на основе белка, [59] введение молекул, поглощающих свободные радикалы, таких как сорбитол , [60] и минимальная стабилизация цепей гиалуроновой кислоты с помощью химических агентов, таких как NASHA (неживотная стабилизированная гиалуроновая кислота) [61] — все это методы, которые использовались для сохранения ее срока годности. [62]
В конце 1970-х годов имплантация интраокулярной линзы часто сопровождалась тяжелым отеком роговицы из-за повреждения эндотелиальных клеток во время операции. Было очевидно, что для предотвращения такого соскабливания эндотелиальных клеток необходима вязкая, прозрачная, физиологическая смазка. [63] [64]
Название «гиалуронан» также используется для обозначения соли. [65]
Гиалуронан используется для лечения суставных расстройств у лошадей , в частности, у тех, кто участвует в соревнованиях или выполняет тяжелую работу. Он показан при дисфункциях запястного и путового суставов, но не при подозрении на сепсис или перелом сустава. Он особенно используется при синовите , связанном с остеоартритом у лошадей. Его можно вводить непосредственно в пораженный сустав или внутривенно при менее локализованных расстройствах. Он может вызывать легкое нагревание сустава при непосредственном введении, но это не влияет на клинический результат. Внутрисуставно вводимое лекарство полностью метаболизируется менее чем за неделю. [66]
Согласно канадскому законодательству, гиалуронан в препарате HY-50 не следует вводить животным, которых забивают на конину . [67] Однако в Европе считается, что этот же препарат не оказывает подобного эффекта, и съедобность конины не страдает. [68]
Из-за накопления в эпителиальных клетках дыхательных путей при различных респираторных заболеваниях , таких как COVID-19 , муковисцидоз , грипп и сепсис , гиалуроновая кислота изучается как возможный медиатор воспалительных механизмов легких с 2022 года. [69]
Высокая биосовместимость гиалуроновой кислоты и ее обычное присутствие во внеклеточном матриксе тканей указывают на ее возможное использование в качестве биоматериального каркаса в тканевой инженерии . [70] В частности, исследовательские группы обнаружили, что свойства гиалуронана для тканевой инженерии и регенеративной медицины могут быть улучшены с помощью сшивания, производя гидрогель. Сшивание может позволить получить желаемую форму, а также доставлять терапевтические молекулы в хозяина. [71] Гиалуронан может быть сшит путем присоединения тиолов (см. тиомеры ) (торговые названия: Extracel, HyStem), [72] гексадециламидов (торговое название: Hymovis), [73] и тираминов (торговое название: Corgel). [74] Гиалуронан также может быть сшит непосредственно с формальдегидом (торговое название: Hylan-A) или с дивинилсульфоном (торговое название: Hylan-B). [75]
Благодаря своей способности регулировать ангиогенез путем стимуляции пролиферации эндотелиальных клеток in vitro, гиалуронан может быть использован для создания гидрогелей для изучения сосудистого морфогенеза. [76]
Исследования показывают, что аномальный метаболизм гиалуроновой кислоты (ГК) является основным фактором прогрессирования опухоли. [77] [78] Взаимодействие ГК и фрагмента ГК с опухолевыми клетками может активировать нисходящие сигнальные пути, способствуя пролиферации клеток , адгезии , миграции и инвазии, а также вызывая ангиогенез , лимфангиогенез , эпителиально-мезенхимальный переход, свойства, подобные стволовым клеткам, и химиорадиорезистентность при раке пищеварительной системы. [79]