Биофизическая характеристика модифицированной гиалуроновой кислоты

Гиалуроновая кислота (ГК) издавна применяется в различных областях биологии и медицины, особенно в дерматологии и косметологии [1,2]. Производство ГК налажено в таких странах, как Швеция, США и др. Как субстанция с медицинскими показателями, в России ГК начала производиться в 2000 г. в городе Туле [3].

ГК широко применяется в виде различных косметологических форм: крема, сыворотки, геляв виде растворов для электрофорезав виде гидрогелей в глазной хирургии и ультразвуковой диагностикесуппозиториев в иммунологиинаружных и полостных покрытий в хирургии.

4].

Первоначально ГК отводилась роль наполнителя межклеточного пространства, однако развитие экспериментальных и теоретических биофизических методов исследования полимеров дало толчок к изучению ГК как природного регулятора ряда биологических процессов (миграция фибробластов и пролиферация эпителиальных клеток, стимуляция ангиогенеза, активация компонентов гемостаза, и др.) [5]. Определена значимость ГК как одного из адаптогенов синтоксинов и эффективного, биологически активного вещества [6, 7, 8, 9].

Определена значимость ГК как транспортного средства для доставки и контролируемого освобождения лекарственных средств [10]- созданы методики, адаптирующие ГК к современным инструментальным и аппаратным способам леченияэлектрофорез, лазерофорез и ряд других [11].

Задачи, поставленные клинической практикой: артрологией, травматологией и др. [12], обусловливают необходимость создания модифицированной гиалуроновой кислоты (МГК), сохраняющей биосовместимость, биодеградируемость и фармакологические свойства природной ГК.

Попытки использовать ГК для внутрисуставного введения были мало результативны из-за отсутствия специальных модифицированных форм, обеспечивающих необходимые биофизические эффекты [13, 14].

Актуальна оценка биофизических свойств модифицированной ГК (МГК) для внутрисуставного введения и определение перспектив ее применения в медико-биологической практике с позиций системного анализа.

Цель исследования. Системный анализ и оценка биофизической характеристики модифицированной гиалуроновой кислоты, адаптированной к внутрисуставной биологической системе организма человека.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Подтвердить получение и исследовать основные реологические, термические, спектральные свойства МГК, изучить ее устойчивость в виде водных растворов при воздействии различных физических факторов (тепловая и низкотемпературная обработки, различные рН, ионизирующая радиация) и под действием ферментов.

2. Определить наличие примесей МГК как факторов возможных токсических и аллергических реакций различными биофизическими методами.

3. Определить молекулярные и концентрационные особенности водных растворов МГК.

4. Исследовать биологическую эффективность МГК как заменителя внутрисуставной жидкости, изучить ее системное воздействие на суставы.

Научная новизна исследования. Впервые дана биофизическая характеристика МГК и установлены молекулярные и концентрационные особенности ее водных растворов, обеспечивающие биологическую эффективность МГК как заменителя внутрисуставной жидкости.

Показано, что основным характеристическим показателем реологических свойств МГК, как аналога синовиальной жидкости, является вязкость.

Определена стабильность вязкости водных растворов МГК при воздействии различных физических факторов (тепловая и низкотемпературная обработки, различные рН, ионизирующая радиация) и ферментов.

Установлены пороговые значения примесей в составе МГК (родственные сульфатные соединения, остаточные белки, низкомолекулярные фракции ГК, тяжелые металлы), являющихся факторами возможных аллергических и токсических реакций.

Внутрисуставное введение раствора МГК является фактором, способствующим восстановлению нарушенного гомеостаза на микрои макроуровнях.

Научно-практическая значимость и внедрение результатов исследования. Результаты работы дают объяснение эффективному использованию МГК в лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата человека, позволяют успешно осуществлять модификацию ГК по предложенной схеме сшивки с дивинилсульфоном (ДВС). Наши данные вносят существенный вклад в научное обоснование применимости МГК как заменителя синовиальной жидкости, а также углубляют фундаментальное понимание роли МГК в восстановлении нарушенного гомеостаза в коленном суставе и позволяют провести системный анализ биофизических характеристик МГК как биологически активного вещества.

Результаты исследований ГК и МГК использованы при разработке и внедрении в медицинскую практику биодеградируемого протеза синовиальной жидкости, имплантируемого в коленный сустав по ТУ.9398−001−78 467 549−2006 и защите патента № 2 268 052 (Россия). Основные положения диссертации используются в работе ГУП ТО НИИ Новых Медицинских Технологий и преподавании на кафедрах медицинского факультета ТулГУ и ГОУ ВПО НижГМА.

Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации были представлены и обсуждены на научных мероприятиях различного уровня: международные научно-практические конференции «Передовые технологии эстетической дерматологии и пластической хирургии» (Москва, 15 -16 октября 1998 г. и 22−23 июня 1999 г) — Всероссийская конференция «Новые технологии в хирургии» (Москва, 11−12 марта 1998 г.) — межведомственный научный семинар по проблеме ГУК на базе НИИ ЭиМ им. Н. Ф. Гамалеи АМН РФ (Москва, 20.11.1997 г.) — на заседании комиссии Комитета по инструментам, приборам, аппаратам и материалам, применяемым в общей хирургии МЗ РФ № 29/1−1186−2001 (Москва, 21.06.2001 г.) — на НТС Центрального научно-исследовательского кожно — венерологического института МЗ РФ (Москва, 21.03.2001 г.) — на заседании комиссии Управления регистрации лекарственных средств и медицинской техники МЗ РФ 03−349с/0592 (Москва, 13.10.2005 г.). Апробация работы проведена на совместном заседании кафедры медико-биологических дисциплин ТулГУ и Ученого совета ГУП ТО НИИ Новых Медицинских Технологий (Тула, 16.11.2006 г.).

Личный вклад автора заключается в постановке задачи исследования, анализе современного состояния проблемы, разработке новых и внедрении стандартных методик для системного анализа и оценки биофизической характеристики модифицированной гиалуроновой кислоты, адаптированной к внутрисуставной биологической системе организма человека, выполнении экспериментальных работ, анализе полученных результатов и создании научного обоснования для применения МГК в медицинской практике. Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано в 1996;2006 гг. 19 работ, в том числе 11 статей (8 в журналах, рекомендованных ВАК), 8 патентов РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 180 стр., состоит из введения, пяти глав, заключения (выводов и практических рекомендаций), списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 33 рисунка, 21 таблицу, список литературы содержит 72 зарубежных и отечественных источника.

Выводы.

1. Впервые получена МГК для внутрисуставного введения с улучшенными характеристиками биофизических свойств (вязкость, молекулярная масса, прозрачность и т. д.), сохраняющая биосовместимость, биодеградируемость и фармакологическое действие природной ГК в качестве протеза синовиальной жидкости путем сшивки высокомолекулярной ГК с ДВС.

2. Результаты исследований реологических свойств водных растворов позволили сделать вывод, что основным характеристическим показателем МГК является вязкость. Определена устойчивость вязкости водных растворов МГК к действию ряда физических факторов. Водные 1% растворы МГК, подвергшиеся разрушениям под действием различных физических факторов (тепловая и низкотемпературная обработки, различные рН, ионизирующая радиация) и воздействию ферментов, но не получившие потерю вязкости более чем на 75% от исходной, при пропускании через иглу 3(Ю (за счет создания избыточного давления в колбе шприца более 245×106Па) частично (в среднем около 20%) восстанавливают вязкость начального раствора МГК.

3. Определены пороговые значения примесей в составе МГК (родственные сульфатные соединения, остаточные белки, низкои среднемолекулярные фракции ГК, тяжелые металлы) как факторов возможных токсических и аллергических реакций.

4. Показано, что концентрация ГК в модифицированном комплексе должна составлять 1% с целью снижения риска отрицательной реакции организма на иммуномодулирующую (иммуностимулирующую) активность раствораМГК в комплексе с выраженными иммуномодуляторами (иммуностимуляторами) способна на синершческий эффект, что говорит о необходимости исключения сложных систем растворов для снижения риска отрицательных реакций организма.

— 1425. Показано, что МГК с сохранением высокой молекулярной массы (более 1,5 млнДа) при внутрисуставном введении не вызывает воспаления или обводнения и не требует дополнительного введения в состав раствора комплексов протеинхондроитинкератансульфатов (ПХКС). МГК, полученная сшивкой высокомолекулярной ГК с ДВС, обладает биологической эффективностью и введение ее в полость сустава оказывает системное влияние на гомеостаз:

— стабилизируются и восстанавливаются реологические свойства синовиальной жидкости за счет взаимодействия между отдельными молекулами МГК с высокой молекулярной массой и нормализованной концентрацией, вводимой внутрь сустава с нарушенными функциями;

— набухание и заполнение всего пространства внутри сустава без нарушения водного баланса позволяет восстановить эффект механической защиты поврежденных поверхностей, торможение процесса разрушения хряща и наблюдается стабилизация макрогомеостаза;

— стабилизируется транссиновиальный поток жидкости из-за возрастания вязкоупругости среды при введении МГК, в результате чего замедляется пассаж жидкости через межклеточное пространство и происходит стабилизация гомеостаза;

— стимулируется микрогомеостаз (ввиду наличия высокомолекулярной ГК в составе МГК, как в нормальной межсуставной жидкости), включая влияние на продукцию хондроцитов и возврат макрофагов к нормальной стадии синтеза, что позволяет суставной системе продуцировать патологически неизмененную синовиальную жидкость.

Оценка полноты решений поставленных задач.

Все поставленные задачи полностью решены на высоком научном, техническом и технологическом уровне.

Практические рекомендации.

Разработаны и утверждены в МЗ РФ технические условия на изготовление протеза синовиальной жидкости на основе МГК по ТУ.93 98 001−78 467 549−2006, а также инструкция и методика его применения при лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения.

Разработано и внедрено в медицинскую практику отечественное медицинское изделие, необходимое при протезировании синовиальной жидкости (при остеоартрозе (ОА) коленного сустава и т. д.), что позволяет достигать самого высокого экономического эффекта при лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата. Появление на российском рынке отечественного продукта данной медицинской группы делает изделие с ГК доступным нуждающимся в протезировании синовиальной жидкости. Наличие специальной технической, технологической и научно-исследовательской базы по ГК и МГК в России позволяет производить, модернизировать и создавать новую продукцию на ее основе, оказывать техническую и научную поддержку различным учебным, медицинским и исследовательским центрам, работающим по смежным направлениям.

Оценка научно-технического уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области.

Научно-технический уровень приборной базы, методик исследования и анализа биофизических характеристик ГК и МГК, а также биологической эффективности производных на основе ГК и МГК позволил провести целый ряд экспериментальных работ с внедрением результатов в патенты, соответствующие по своему уровню мировым, а в некоторых случаях превосходящие лучшие достижения в данной области.

— 144.