Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОРБДИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МЕДИЦИНЕ И МЕДИЦИНСКОЙ ПРОМЫШЛЕНИОСТЩОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 8
ГЛАВА 2. НОСИТЕЛИ ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 16
2.1 Особенности носителей, используемых для иммобилизации биологически активных веществ 16
2.1.1 Органические полимерные носители 16
2.1.2 Носители на основе дисперсных кремнеземов 23
2.2 Модифицирование поверхности твердых носителей макромолекулами биополимеров 28
ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ, УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 40
3.1 Характеристика реагентов используемых для получения сорбентов 40
3.2 Организация работы и методы планирования эксперимента 41
3.3 Методы определения структуры сорбентов 43
3.4 Методы определения сорбционной емкости сорбентов 44
3.5 Методы определения мицеллы казеина 45
3.6 Методы математической и статистической обработки 47
ГЛАВА 4. СИНТЕЗ БАЗОВЫХ СОРБЕНТОВ 48
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ РАЗРАБОТАННЫХ СОРБЕНТОВ 54
ГЛАВА 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ СОРБЕНТОВ В КАЧЕСТВЕ ПРЕПАРАТОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ОТРАВЛЕНИЯХ 78
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 94
ВЫВОДЫ 96
ЛИТЕРАТУРА 98
ПРИЛОЖЕНИЕ
- СОРБДИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МЕДИЦИНЕ И МЕДИЦИНСКОЙ ПРОМЫШЛЕНИОСТЩОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
- Органические полимерные носители
- Организация работы и методы планирования эксперимента
Введение к работе
Актуальность проблемы. Основные направления современной биотехнологии предусматривают разработку сорбционных материалов с целью дальнейшего их использования при конструировании высокоэффективных препаратов для гемо- и энтеросорбции, препаратов иммобилизованных ферментов, тест-систем для иммуноферментного и иммунофлуоресцентного анализа.
Энтеросорбенты, используемые для связывания метаболитов, токсинов и других веществ в пищеварительном тракте перспективны при решении проблем регулирования питания человека, для снижения поступления в организм экологически вредных веществ (в том числе радионуклидов, пестицидов, тяжелых металлов), профилактики и лечения ряда заболеваний.
Среди различных методов синтеза носителей для иммобилизации биологических комплексов перспективно направлеіше биотехнологии по получению композиционных сорбентов с заданными свойствами (Weyl W., 1951; Leboda R., 1978; Брыкалов А.В., 1996; Ефременко В.К, 1996). Данные носители отличаются стандартностью состава, обладают высокой проницаемостью для соответствующего субстрата, исключают неспецифическую сорбцию и подверженность микробиологической атаке.
Использование в качестве основы энтеросорбентов микрокристаллической целлюлозы обусловлено тем, что она естественным образом улучшает самоочищение кишечника. Обладая тонизирующим действием на ткани кишечника, усиливает перистальтику и помогает избавиться от старых токсичных загрязнений и слизи, тем самым улучшая усвоение питательных веществ и воды.
Модифицированием поверхности МКЦ и аэросила можно увеличить сорбциоі-шую способность энтеросорбента. Использование в качестве модификатора белкового комплекса казеина позволяет энтеросорбеиту сочетать свойства как адсорбента, так и хемосорбента.
Поэтому для медицинской биотехнологии актуальным является разработка сорбционных материалов с заданными свойствами и дальнейшее их применение в медицине и медицинской промышленности в качестве специфических материалов для энтеросорбции, в частности, разработка эффективного и безопасного энтеросорбента в качестве антидота, предназначенного дня очищения организма от токсикантов лекарственных препаратов.
Настоящая работа выполнялась в соответствии с планом научных исследований Южного Научного Центра РАН по теме «Построение моделей высокоэффективных сорбентов биологического и медицинского назначения с заданными свойствами и функциями на основе соиммобилизованных материалов» (тема № 00-04-04 научной программы фундаментальных исследований РАН).
Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы -разработка эптеросорбентов с заданными полифункциональными свойствами.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
синтезировать базовые сорбенты на основе микрокристаллической целлюлозы и аэросила с различным содержанием казеина, гетерогенизиро-ванного на поверхности жесткой матрицы;
изучить сорбционную емкость разработанных сорбентов относительно ионов серебра и кобальта;
исследовать влияние ионов адсорбента (на примере ионов серебра) на структуру субмицеллы казеина;
оптимизировать факторы: удельной поверхности носителя и массовой доли казеина, влияющих на адсорбционные свойства сорбентов;
рассмотреть возможности использования разработанных сорбентов в качестве основы для энтеросорбции относительно избытка лекарственных препаратов, вызывающих отравления.
Научная новизна. Впервые удалось получить энтеросорбент с поли-функциональньши свойствами на основе природных материалов.
Изучены сорбциошгые свойства разработанных материалов относительно одно- и двухвалентного ионов. В работе представлены данные о влиянии ионов серебра на структуру субмицеллы казеина. Они свидетельствуют о значительной диссоциации мицелл казеина в присутствии ионов серебра в изученном диапазоне концентраций (от 0,01 до ОДМ) в Ш CHjCOOH (рН 2,9), т.е. ниже ИЭТ белка (рН 4,8).
Проведена оптимизация факторов: удельной поверхности носителя и массовой доли казеина, влияющих на адсорбционные свойства сорбентов. Выявлено, что увеличение массовой доли казеина уменьшает удельную поверхность сорбента, формируя тем самым пористую структуру носителя. Максимальная адсорбция по ионам серебра и кобальта наблюдается при кон-центрации казеина от 4 до 8 мае. %, удельной поверхности от 20 до 40 м /г сорбента.
Впервые данные сорбенты использованы в качестве основы для энтеро-сорбции избытка лекарственных препаратов.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретически обоснована и практически доказана возможность использования белкового комплекса казеина для синтеза высокоэффективных сорбентов. Разработана базовая модель полифункционального энтеросорбента. Разработан и утвержден пакет нормативно-технической документации на препарат (ТУ 9229-014-02080718-06), Коллективом авторов (Куиижев С.ММ Воробьева ОД Филь АА-, Анисенко О.В., Бородина Т.Н.) получены положительное решение на выдачу патента по заявке «Способ получения иммобилизованной уреазы» (№2004115002 от 17 мая 2004г.) и патент по заявке «Способ получения сорбента» (№ 2257951 от 17 мая 2004г).
В рамках Vil Международного выставки - салона «Высокие технологии. Инновации и инвестиции» (г. Санкт-Петербург) проекту «Сорбционные материалы в промышленности» Оргкомитетом присуждена золотая медаль. На
IV Московском международном салоне инноваций и инвестиций разработка отмечена серебряной медалью (Москва, 2005), На Московской международной выставке «Биотехнология и медицина» (Москва, 2006) разработки Сорбент и Антидот отмечены бронзовой медалью.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
технология получения сорбентов с заданными свойствами на основе микрокристаллической целлюлозы и аэросила, гетерогени-зированных белковым комплексом казеина;
влияние ионов серебра на структуру субмицеллы казеина, гетеро-генизированного на носителе;
оптимизация массовой доли белкового комплекса при формировании пористой структуры сорбента;
определение сорбционной емкости разработанных энтеросорбен-тов относительно лекарственных препаратов.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-практических конференциях:
VII Международной выставке - салоне «Высокие технологии. Инновации и инвестиции» (Санкт-Петербург, 2002), XIV международной научно-технической конференции «Реактив - 2003» (Москва, 2003), 7-ой Пущинскои школе-конференции «Биолошя - наука 21 века» (Пущино, 2003), Всероссийской научной конференции, «Катализ и сорбция в биотехнологии, химии, химических технологиях и экологии» (Тверь, 2003), XVI Международной научно-технической конференции, «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (Уфа, 2003), 9-ой Путинской школе-конференции «Биология - наука 21 века» (Пущино, 2005), Московской международной выставке «Биотехнология и медицина» (Москва, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ и патент.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав теоретических и экспериментальных исследований, заключения, выводов, списка литературы, включающего 207 работ, в том числе 138 работ отечественных авторов и 69 работ зарубежных авторов и приложения. Работа изложена на 116 страницах машинописного текста, иллюстрирована 8 таблицами и 29 рисунками.
ГЛАВ АЛ. СОРБЦИОНИЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МЕДИЦИНЕ И МЕДИЦИНСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
Одно из основных направлений биотехнологии предусматривает разработку сорбционных материалов и дальнейшее их применение в медицине и медицинской промышленности в качестве незаменимых материалов для гемо - и энтеросорбции,
В зависимости от того, каким комплексом характеристик обладает тот или иной сорбент, проявляются его терапевтические свойства как энтероеор-бента. Анализируя предъявляемые нормативными документами и клинической практикой требования к энтеросорбентам, можно выделить комплекс свойств, присущих как бы "идеальному" энтеросорбенту: полная безвредность и нетоксичность; высокая биосовместимость с тканями, кровью и другими биосубстратами организма;
неповреждающее действие на слизистые оболочки ротовой полости, пищевода, желудочно-кишечного тракта;
избирательная сорбция среднемолекулярных токсичных метаболитов;
высокая адсорбционная емкость; Проблему создания эффективного и безопасного энтеросорбента, предназначенного для очищения организма от токсических веществ (шлаков), которые продуцируются при различных заболеваниях, уже в течение мноіих лет решают ученые разных стран.
Энтеросорбенты — продукты, используемые для связывания метаболитов, токсинов и других веществ в пищеварительном тракте. Они перспективны при решении проблем регулирования питания человека, для снижения поступления в организм экологически вредных веществ (в том числе радионуклидов, пестицидов, тяжелых металлов), профилактики и лечения ряда заболеваний.
Тормозят клиническое использование энтеросорбентов их некоторые особенности. Типичным примером, демонстрирующим преимущества и сложности медицинского использования зшеросорбентов, является активированный уголь. Многие годы он известен как активный поглотитель различных химических соединений, лекарственных средств? продуктов метаболизма и токсических веществ. Исследована методом гемосорбции возможность использования гранулированного активированного угля для лечения больных с хронической почечной недостаточностью и острыми отравлениями. Однако, в 1965 году были обнаружены нежелательные последствия, которые возникают в результате применения угля: извлечение форменных элементов из крови. Более того, оказалось, что пылевые частицы, выделявшиеся из гранул угля, попадали в кровоток. Следствием этих побочных эффектов явилось почти полное отсутствие обстоятельных публикаций по клиническому применению гемосорбции на активированных углях после 19б5г, Вновь интерес к этому направлению возник в связи с появлением микрокапсулироваппых активных углей как искусственных клеток (Чанг Т.М., 1979).
Сформулированы четыре возможных механизма лечебного действия эн-теросорбции (Николаев ВІ\, Стрелко В.В., 1982). Первый механизм предполагает возможность обратимого пассажа токсических веществ из крови в кишечник и дальнейшее их связывание эптеросорбентом; второй — сводится к очистке пищеварительных соков ЖКТ от токсичных веществ и, следовательно, к предотвращению попадания их в кровь; третий — заключается в модификации липидного и аминокислотного спектра кишечного содержимого? например, за счет избирательного поглощения сорбентом аминокислот с разветвленной цепью, свободных жирных кислот и т.д.; четвертый -— связан с удалением токсичных веществ, образующихся в самом кишечнике (индол, скатол, фенолы, аммиак, бактериальные токсические вещества) и снижением тем самым функциональной нагрузки на печень.
Среди препаратов для сорбционной терапии в медицинской практике применяют угольные, кремниевые и полимерные сорбенты. Для энтеросорб-
ции чаще всего используются угольные сорбенты марок СКН, что означает карбонат насыщенный,
В последнее время для энтеросорбции разработаны способы производства новых видов активированных углей, имеющих высокую механическую прочность, К ним относятся угли марок СКТ-бА ВЧ, ИГИ, СКН, изготовленные из различных углеродеодержащих материалов (каменный уголь, торф, спекающиеся угли) и характеризующиеся наличием суммарного объема пор в пределах 0,7—1,5 см"7г.
Активированные уїли, в принципе, способны извлекать значительное количество веществ с молекулярной массой от нескольких десятков до нескольких тысяч дальтон — азотистые шлаки (креатинин, мочевая кислота, индол, гуанидиновые основания, полиамины и др.), нейромедиаторы (адреналин, норадреншшн, серотонин, ацетилхолин), аминокислоты, пептиды средней молекулярной массы, триглицериды, насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, сахара, кетокислоты, компоненты желчи, стероидные гормоны и др. Кроме того, сорбции подвергаются тяжелые металлы, алкалоиды, гишютшш, антидепрессанты, анальгетики, антипиретики, хлорированные углеводороды, фосфорорганические инсектициды, гербициды, дефолианты и др. Поскольку избирательная способность активированных углей мала, то можно предполагать, что в растворах смеси веществ в большей степени на них будет сорбироваться тот компонент, концентрация которого будет более высокой (Всриченко СБ., Повжиткова М.С., Лысенко МЛС.,1986).
Установлено, что активированный уголь не только сорбирует вещества из желудочно-кишечного тракта (не всосавшиеся в кровь), но может удалить эти вещества из крови, так как они могут постепенно возвращаться обратно в кишечник (Николаев ВГМ Стрелко В.В., 1979).
Энтеросорбенты СКН относятся к группе поливалентных физико-химических антидотов и способны адсорбировать яды и токсины из желудочно-кишечного тракта. Имеют хорошо развитую микро- и мезопористость (объем сорбционных пор колеблется от 1,0 до ],5 см 1\\ поверхность пор —
1260— ІбООдґ/г) и хорошо адсорбируют алкалоиды, барбитураты, соли тяжелых металлов, токсины бактериального, растительного и животного происхождения, производные фенолов, салициловую кислоту, сульфаниламиды и т.д. (Портной О.А., Николаев В.Г., Фридман Л.И.> 1984).
BI'. Николаев (Николаев В.Г., Пролеева В.В., 1983) использовал энтеро-сорбцию с применением угля СКН при лечении больных острыми кишечными заболеваниями путем приема больными 20—30 г сорбента 3 раза в день и показал, что на следующий же день уменьшилась степень интоксикации, и через 2—3 дня исчезли диспепсические явления.
В раде работ также были получены положительные результаты применения энтеросорбции, в основном с использованием угля СКН, для лєчєнїія хронической почечной недостаточности, бронхиальной астмы, вирусных гепатитов, аллергических и других заболеваний.
А.В. Шевчук с соавторами (Шевчук А.В., Николаев ВТ., 1983) применили энтеросорбцию с использованием угля СКН для лечения больных с аллергическими проявлениями. Препарат назначали по 1 столовой ложке 3 раза в день в течение 7 дней. Энтеросорбция дала выраженный положительный эффект у 11% больных и умеренный — у 61,5%. При лечении отмечалось исчезновение зуда, крапивницы, уменьшение болей в подреберье и кишечнике. Некоторые больные, ранее не переносившие определенные продукты, смогли принимать их, не опасаясь аллергических реакций.
Механизм энтеросорбции одинаков у всех марок активированного микросферического угля. Токсины и другие вещества сначала диффундируют к внешней поверхности гранулы энтеросорбента. Потом с помощью внутренней диффузии через мембрану, если гранула инкапсулирована, адсорбат поступает по макропорам в мезопоры, где и происходит процесс адсорбции путем объемного заполнения. Поглотительная способность энтеросорбентов обусловлена их пористой структурой. Линейные размеры пор должны совпадать с диаметром молекулы веществ, которые адсорбируются.
Между поверхностью угольных гранул и стенками клеток разных видов патогенных бактерий происходит неспецифическое взаимодействие, которое не приводит к деструкции микробных клеток. Это взаимодействие проходит в две стадии: сначала главную роль играют дальнодействуїошие, а потом — близкодействующие электростатические силы и взаимосвязи, которые возникают между структурами клеток и функциональными группами поверхности угольного энтеросорбента. Наибольшую степень адгезии (прилипания) обеспечивает соответствие размеров угля и микроорганизмов.
Проведено сравнительное экспериментальное изучение гиполипидеми-ческой активности энтеросорбентов природного происхождения — микро-кристаллической целлюлозы (МКЦ) и полифепана, а также синтетических энтеросорбентов — волокнистого угля ваулена и сферических карбонатов СКНП-1 и СКНП-2 (Ремезова ОЗ., Беляков НА., Трюфанов В.Ф., 1992). Для сравнения использовали известные желчные сорбенты холестирамин и вазо-зан (холестирамин, обогащенный пектином), а в опытах in vitro кроме того препараты пищевых волокон — пектин и метамуцил (США). Полученные результаты позволили авторам расположить изученные энтеросорбенты в следующей последоватьгьности по степени гипояипидемической активности: вазозан — холестирамин — МКЦ — полифепан — ваулен — СКНП-2 — СКНП-1. Эти данные указывают на перспективность применения неспецифичных энтеросорбентов природного происхождения в клинике в качестве гиполипндемических средств в виде пищевых добавок в диету больных и в сочетании с классическими гиполипидемическими средствами.
Холиновый и дигитопиновый энтеросорбенты обладают сильным холе-стерииемическим действием, близким к таковому холестирамипа (JLC. Василевская, Л.Г. Игнатенко, Я.И. Ланук и др. 9 1992). Холиновый энтеросорбент резко снижает концентрацию и общее количество холевой кислоты в желчи, подобно холестирамину. Дигитопиновый энтеросорбент не дает такого эффекта. На содержание холестерина и билирубина изученные энтеросорбенты выраженного влияния не оказывают. Холиновый энтеросорбент обладает
пролонгированным действием, а холестпрамин такого свойства не имеет. Кроме того, холиновый энтеросорбент не оказывает неблагоприятного влияния на органолштические свойства поедаемой пищи, в отличие от ходести-рамина (который не растворяется) и дигатонинового сорбента, имеющего неприятный запах. И, наконец, холиновый энтеросорбент способствует быстрому заживлению ран.
Разработан способ энтеросорбции из водных растворов таких вредных вешеств и соединений, как формальдегид, фенол, нитраты, нитриты, ионы свинца и др., в котором в качестве энтероеорбентов использованы пищевые волокна из различного растительного сырья. Было установлено, что за процесс связывания указанных веществ ответственны положительно и отрицательно заряженные группировки лигнина, геми целлюлоз, пектиновых и белковых веществ, входящих в состав пищевых волокон (ПВ).
Пищевые волокна представляют собой сложный комплекс биополимеров линейной и разветвленной структуры с большой молекулярной массой. Присутствие первичных и вторичных гидроксильных (целлюлоза, гемвделлюло-зы), фенольных (лигнин), карбоксильных групп (гемицеллюлозы, пектиновые вещества) обусловливает межмолекулярное взаимодействие (водородные связи) различной плотности упаковки, способность сорбировать воду и другие полярные молекулы и ионы. Поэтому для ПВ характерны водоудержи-вающая способность, ионообменные и другие особенности. ПВ способны взаимодействовать с белками, ферментами, гормонами, продуктами распада углеводов, пептидами и аминокислотами, жирными и другими кислотами в процессе пищеварения в желудочно-кишечном тракте человека. Характер этих превращений зависит от состава ПВ, содержания в них полимеров, их строения, взаимосвязи и плотности межмолекулярной упаковки, соотношения аморфных и кристаллических участков волокон (Дудкин М.С, Щелкунов Л.Ф., 1998).
Результаты оценки сорбционной способности ПВ, выделенных из различных видов растительного сырья, показывают, что найдена новая группа
энтеросорбентов, обладающих как ионитной, так и молекулярной сорбцией. Они способны связывать ионы свинца, кадмия и других тяжелых металлов, нитраты, нитриты, аммиак, радионуклиды (стронций, цезий) и целый ряд органических веществ, в том числе фенолы, формальдегид, карбамид и другие.
Вели препараты полифепан, билигнин, активированный уголь рекомендуется использовать только периодически, то ПВ возможно добавлять в пищу систематически. Помимо сорбции экологически вредных веществ (ЭВВ), пищевые волокна оказывают и общее положительное действие на работу желудочно-кишечного тракта, снижают поступление в организм холестерина, используются при диабете (Дудкип М.С., Щелкунов Л.Ф.? 1998), Концентра-ты ПВ, выделенные из различных видов растительного сырья, обладают разной способностью связывать ЭВВ. Очевидно? ПВ оболочек гороха, жома сахарной свеклы, жмыха семян винограда и люцерны значительно превосходят по сорбции свинца такие известные энтеросорбенты, как билигнин, полифепан, карболен, В меньшей мере они связывают нитраты, нитриты и в значительной — формальдегид, карбамид и другие вещества.
Основным сорбирующим началом в ПВ является лигнин. Эффективен комплекс целлюлозы с гемицеллюлозами. Целлюлоза обладает хорошей сорбционной способностью по отношению к нитратам, карбамиду, меньшей — к другим ЭВВ (Щелкунов Л.Ф., Дудкин М.С., Корзун B.R, 2000).
Для детской практики существует комплексная БАД "Альгопект", содержащая яблочный пектин и альгинат натрия в безопасной и разрешенной суточной дозе (50 мг/кг). Рецептура в виде фруктовой суспензии назначалась детям после обеда по 150 мл в качестве десерта на протяжении 2 месяцев. Это позволило существенно снизить (в среднем на 50%) уровень носительст-ва свинца в биосредах, улучшить самочувствие и повысить объективные показатели состояния здоровья (Ливанов Г.А., Иечипоренко CJL, Колбасов С.Е., 1996),
В опытах in vitro установлено (Г.А. Витковская, Г.М. Самаркина, ЕЛ. Ананьева, 1998), что некрахмальный полисахарид крилан связывает соль
желчной кислоты. В экспериментах на крысах с индуцированной г^иперлили-демией (применение диеты, обогащенной холестерином и 6-метилтиоурацилом) обнаружено гиподилидемическое действие крилана, превосходящее эффективность известного неспеиифического энтеросорбента полифепана. Полненные данные показали, что под влиянием крилана увеличивается влажность и объем каловых масс, выделяемых животными.
Крилан получен в Санкт-Петербургском химико-фармацевтическом институте на кафедре микробиологии и являегся высокомолекулярным гетеро-полисахаридом. Это продукт микробного синтеза, содержащий карбоксиль-ные группы; его основная цепь состоит из сс-1,3-связанного маннаыа, а боковые цепочки представлены ксилозой и глюкуроновой кислотой, присоединенными к основной цепи Р-гликозидными связями (ГА, Витковская, Т,М. Самаркина, Е.П. Ананьева, 1998).
Проведены исследования по анализу свекловичных пектиновых препаратов для купирования токсического отека легких, вызванного диоксидом азота (Голубев ВЛ, Фархан А.Х., 1996). Оказалось, что пектиновые препараты способны адаптировать клетку к окислительному стрессу путем уменьшения переокисленности мембран и их текучести, увеличивать концентрацию аскорбиновой кислоты в легочной ткани и поддерживать концентрацию восстановленного глутатиона на физиологическом уровне; значительно повышать активность антирадикальных и антиоксидантных ферментов в организме.
В медицине часто применяют препараты па основе высокодисперсного диоксида кремния (ВДК) в качестве эетеросорбентов и антидотов. Внедрению ВДК в медицинскую практику послужили также работы Люцука Н.Ь (Бондарь С А., Ляшенко Ші, Люцук Н.Б., 1992). В результате этих работ был разработан отечественный сорбент многоцелевого назначения - Силикс. Он представляет собой рыхлый порошок диоксида кремния. Поверхность его частиц покрыта гидроксильными группами, что предопределяет его высокую гидрофильность и белоксорбируюшую способность.
Сорбдионные материалы в медицине и медицинской промышлениостщобзор литературы)
Одно из основных направлений биотехнологии предусматривает разработку сорбционных материалов и дальнейшее их применение в медицине и медицинской промышленности в качестве незаменимых материалов для гемо - и энтеросорбции,
В зависимости от того, каким комплексом характеристик обладает тот или иной сорбент, проявляются его терапевтические свойства как энтероеор-бента. Анализируя предъявляемые нормативными документами и клинической практикой требования к энтеросорбентам, можно выделить комплекс свойств, присущих как бы "идеальному" энтеросорбенту: полная безвредность и нетоксичность; высокая биосовместимость с тканями, кровью и другими биосубстратами организма;
неповреждающее действие на слизистые оболочки ротовой полости, пищевода, желудочно-кишечного тракта;
избирательная сорбция среднемолекулярных токсичных метаболитов;
высокая адсорбционная емкость; Проблему создания эффективного и безопасного энтеросорбента, предназначенного для очищения организма от токсических веществ (шлаков), которые продуцируются при различных заболеваниях, уже в течение мноіих лет решают ученые разных стран.
Энтеросорбенты — продукты, используемые для связывания метаболитов, токсинов и других веществ в пищеварительном тракте. Они перспективны при решении проблем регулирования питания человека, для снижения поступления в организм экологически вредных веществ (в том числе радионуклидов, пестицидов, тяжелых металлов), профилактики и лечения ряда заболеваний.
Тормозят клиническое использование энтеросорбентов их некоторые особенности. Типичным примером, демонстрирующим преимущества и сложности медицинского использования зшеросорбентов, является активированный уголь. Многие годы он известен как активный поглотитель различных химических соединений, лекарственных средств? продуктов метаболизма и токсических веществ. Исследована методом гемосорбции возможность использования гранулированного активированного угля для лечения больных с хронической почечной недостаточностью и острыми отравлениями. Однако, в 1965 году были обнаружены нежелательные последствия, которые возникают в результате применения угля: извлечение форменных элементов из крови. Более того, оказалось, что пылевые частицы, выделявшиеся из гранул угля, попадали в кровоток. Следствием этих побочных эффектов явилось почти полное отсутствие обстоятельных публикаций по клиническому применению гемосорбции на активированных углях после 19б5г, Вновь интерес к этому направлению возник в связи с появлением микрокапсулироваппых активных углей как искусственных клеток (Чанг Т.М., 1979).
Сформулированы четыре возможных механизма лечебного действия эн-теросорбции (Николаев ВІ\, Стрелко В.В., 1982). Первый механизм предполагает возможность обратимого пассажа токсических веществ из крови в кишечник и дальнейшее их связывание эптеросорбентом; второй — сводится к очистке пищеварительных соков ЖКТ от токсичных веществ и, следовательно, к предотвращению попадания их в кровь; третий — заключается в модификации липидного и аминокислотного спектра кишечного содержимого? например, за счет избирательного поглощения сорбентом аминокислот с разветвленной цепью, свободных жирных кислот и т.д.; четвертый -— связан с удалением токсичных веществ, образующихся в самом кишечнике (индол, скатол, фенолы, аммиак, бактериальные токсические вещества) и снижением тем самым функциональной нагрузки на печень.
Органические полимерные носители
2.1.2 ОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ НОСИТЕЛИ
Для иммобилизации белковых молекул, помимо сорбентов неорганической природы, могут применяться органические носители. Органические полимерные носители классифицируют ло происхождению на природные и синтетические- Природные полимерные носители можно в свою очередь разделить на белковые, липидные и полисахаридные; а синтетические — на полиэфирные, лолиметиленовые и полиамидные.
Полисахаридные носители, к которым относятся целлюлоза, агароза и их производные, наиболее часто используются в качестве сорбентов, что объясняется их доступностью, наличием реакционно-способных функциональных групп (в исходном или модифицированном состоянии), которые легко вступают в различные химические реакции (Mathur N.K., Narang С.К-, Williams R.E., 1980).
Декстран представляет собой полисахарид, линейной структуры на основе глюкозы, где звенья связаны а-1,6-глюкозиди ой связью (Цшнн Г.И-, 1993). Он является полиатомным спиртом с высокой степенью гидрофильно-сти, представляющий широкие возможности для модификации, а также химически инертный. Устойчивость к действию кислот у декстрана меньше, чем у целлюлозы, зато к щелочам гати на основе декстрана более устойчивы.
Рабочий диапазон рН для декстрана составляет 2-12, Существенное отличие от целлюлозы и ее производных состоит в том, что нити декстрана не образуют агрегатов, т.к. они не вполне линейны, имеются достаточно многочисленные ветвления (по связям 1,2-,1,3- и 1,4). Нити декстрана, химически сшитые эпихлоргидрином или диэпоксидами макропористых полимеров -сефадексов (J.Porath, PJlodin., 1959,) используются в качестве "сефадексов" для хроматографии. Сефадексы относительно мягки и легко сжимаются, а в водных растворах сильно набухают. Все это накладывает ограничения на их использование в качестве носителей.
Агароза также является полиатомным спиртом. Ее элементарным звеном служит дисахарид агаробиоза, в состав которого входит необычный сахар -3,6-ангадро-1г-галактоза. Из-за этого агароза более устойчива к действию микроорганизмов.
Агароза очень гидрофильна, ее нити склонны к образованию водородных связей. Благодаря этому горячий 2-6% раствор агарозы застывает в виде жесткого и очень крупнопористого геля. Нити полимера собираются в пучки и образуют жесткий пространственный каркас с пустотами внутри. Модификация агарозы может происходить по гидроксильным группам, но из-за плотно упакованных пучков нитей гидроксильные группы могут находиться внутри и быть недоступными для модификации. Рабочий диапазон рН при использовании матриц из агарозы лежит в пределах 4-9. Агарозу нельзя сушить ввиду необратимой деструкции геля.
Дня повышения химической и термической стойкости матриц фирма "Pharmacia" разработала вариант гелей агарозы, в которых нити полимера дополнительно химически "сшиты" обработкой 2,3-дибромлропанолом в сильно щелочной среде. При этом диапазон рН увеличился (3-14) и возросла термическая устойчивость от Ю0С до 120С (Янкаускайте ДЛ, Дикчговене А. А.,ПаулюконисА.Б., 1980).
Организация работы и методы планирования эксперимента
Работа выполнялась автором в период с 2002 по 2005 гг. на базе Научно-образовательного центра «Технологии живых систем» Ставропольского государственного университета в рамках научной программы фундаментальных исследований РАН (тема № 00-04-04).
При оценке свойств объектов определяли следующие показатели: удельную поверхность сорбентов по показанию прибора Sorpty 1750; удельную адсорбцию по иону серебра - методом аргентометрического титрования, по иону кобальта - фотометрическим методом на фотоэлектроколориметре ФЭК-М, по лекарственным препаратам - методами газо-жидкоетной хроматографии; микроскопированне - методом светооптической микроскопии на микроскопе «МИКМЕД-2»; определение поверхностных групп - методом ИК-спектроскогтии; математическое планирование и обработка данных - с применением методов математической статистики на ЭВМ, с использованием программы «Statistica 6.0»,
Дня ряда исследований дана графическая интерпретация экспериментальных данных. Эксперименты проводили в соответствии со схемой исследований, представленной на рисунке 1,
На первом этапе изучали современные подходы к созданию сорбциоп-ных материалов и обосновывали основные принципы их создания. Исследованы способы получения сорбентов различными авторами на основе органических и неорганических носителей.
На втором этапе разработан способ синтеза сорбентов и проведен анализ свойств сорбентов. Исследовалась микроструктура и другие физические свойства.
Следующий этан тесно связан с исследованием процессов сорбции с различными ионами и лекарственными веществами.
При выполнении использовали общепринятые, оригинальные и стандартные физико-химические, биохимические и микробиологические методы исследований.
