Biopolymery v medicín

Transkript

1 Biopolymery v medicín v n opo ymer (po ymer ) v me c n do, stenty) Autor prezentace: RNDr. Vladimír Velebný, CSc. Polymery v medicín Platí pro všechny aplikace: Platí pro, e aktivních, interní kryty ran: ly y Polymery biopolymery Polymery: kryty externích ran cena, mechanické vlastnosti do asné (odnímatelné) náhrady mechanické vlastnosti implantáty (náhrady kloub, stenty) mechanické vlastnosti jednoduché systémy ypro ízené uvol ování chemická odolnost, cena lék (potahované tablety, kapsle) Biopolymery: kryty externích ran kryty interních ran scaffoldy pro tká systémy pro cílenou distribuci a ízené uvol ování lék, nosi e pro genovou terapii

2 Polysacharidy siln hydrofilní látky, schopné vytvá m stk, nabízí r zné interakce pro své okolí pom rn snadno dostupné v pr myslovém m ítku išného p vodu jsou biokompatibilní, biodegradovatelné a neimunogenní (pokud jsou isté) v je biokompatibilní ale ne biodegradovatelné mikrobiální n které biokompatibilní, n které biodegradovatelné pom rn zpracovatelné vhodné v porovnání se syntetick mi polymery Polyestery (PB, PV, polylaktidy) snadno dostupné v pr myslovém m ítku (fermenta ní výroba) pom rn snadné zpracování pom rn hydrofobní biopolymer Bílkoviny n které z nich mají unikátní biologické vlastnosti a jsou nenahraditelné (nektiny, bílkoviny receptor a jiné n které z nich mají zcela unikátní fyzikální vlastnosti (r zné typy n které z nich mohou v p ípad ní peptidy, pokud se uvol u v tšina z nich je imunogenní (minimáln dostupné v pr myslovém m tkání je prakticky vylou pom rn špatn zpracovatelné Nej ast Aplikace: kryty externích a interních ran scaffoldy pro tká tká ové ví nosi e pro cílenou distribuci a ízené uvol ování lék Isoprenoidy a podobné lipidické látky snadno dostupné v pr myslovém m ítku (extrakce z rostlin) pom rn snadné zpracování siln hydrofobní biopolymer celulóza a její deriváty alginát chitosan hyaluronan kolagen

3 zdroje celulózy: 2. bakterie (Gluconacetobacter, Agrobacterium, Rhizobium, Sarcina) nej ast ylinusy Autor prezentace: RNDr. Vladimír Velebný, CSc. Celulóza = poly ( 1-4 anhydroglukosa) zdroje celulózy: 1. r zné rostlinné zdroje kontaminace ligninem, hemicelulózami a dalšími produkty metabolismu rostlin alkali celulózy, se sirouhlíkem p na Celulóza: mikrobiální celulóza (MC) p i kultivaci tvo í 3D gelovitou strukturu na povrchu media. Struktura vláken MC se liší kmen od kmene struktura vláken MC se liší od struktury celulózy isolované z rostlin dob e separované nano- a mikrofibrily MC vytvá ejí istá s celulóza jebiokompatibilní o b s r znými bu kami (kostní bu ky, hepatocyty, fibroblasty) implantace bakteriáln isté celulózy, která je prostá endotoxin, tlivé reakce, pror stají jí fibroblasty celulóza prakticky není biodegradovatelná Celulóza:

4 Karboxymetylcelulóza primární skupina na C6 je modifikována kyselinou chloroctovou, celulóza získá aninonický charakter derivát je rozpustný ve vod, tvo í roztoky s r na stupni modifikace) biokompatibilní, není biodegradovatelný o ní léka ství výpl p ední komory b hem vým ny o ky dermatologie pomocná látka v topických p ípravcích hojení ran (nej ast ji v kombinaci s dalšími látkami) xycelulóza rozpustnost oxycelulózy ve vod l rn dob xycelulóza ló primární skupina na C6 je oxidována xycelulóza C 2 ené k C n o n od d telnost záv s tupn subs uce (v ce se testy provád né s podobn

5 Algináty Algináty zdroje alginát : Autor prezentace: RNDr. Vladimír Velebný, CSc. algináty = rodina lineárních polysacharid blokové kopolymery tvo ené p z blok -D- mannuronové kyseliny spojené 1-4 vazbami a -L-guluronové kyseliny spojené 1-2 vazbami Algináty Silvercel hydroalginate Antiseptický obvaz netkaný materiál, alginát vápenatým v kombinaci s karboxymetylcelulózou, Textilní vlákna post íb ená Alginát vapenatý jsou produkovány hn dými mo skými asami (Laminaria a Macrocystis) a n kterými p dními bakteriemi ) siln závisí na zdroji istý mannuronat siln zné ionty, tvorba gelu (enkapsulace r zných látek do alginátového gelu) algináty nejsou p p íliš biokompatibilní, nelze je vnit n n jsou velmi dob e snášeny r znými bu kami (enkapsulace) nejsou biodegradovatelné d : velmi dobrý prost edek pro hojení ran, zvlášt v kombinaci s hyaluronanem Chitosan Chitosan = poly [ -(1-4)-2-amino-2-deoxy-D-glukopyranosa)] 2 zdroje chitosanu (pr myslov 1. zdroje kruný e krab, krevet s istotou), chrupav je j vy y y ( i ná, piony) 3. mikroorganismy sou ást bun

6 Chitosan m m g j yaluronan yaluronan = poly ( -D-glukuronat-[1-3]- -N-acetyl-D-glukosamin-[1-4]) Chitosan velm r ul l ex. yaluronan zdroje hyaluronanu: h zdroj) y uj n y CD 44 RAMM)

7 yaluronan Autor prezentace: RNDr. Vladimír Velebný, CSc. jeho biologická funkce a aktivita siln závisí na jeho molekulové hmotnosti hyaluronan s vysokou molekulovou hmotností (> 1 Mg/mol) organizátor tkán, lubrikant kloub hyaluronan se st ední a nízkou molekulovou hmotností (< 1 Mg/mol) je aktivní jako informa ní a regula ní molekula. Charakter biologické aktivity závisí na molekulové hmotnosti, nejvyšší aktivitu vykazují oligosacharidy nativní hyaluronan injek ní p ípravky pro ortopedii, revmatologii a oftalmologii p ípravky pro hojení ran (omezuje tvorbu jizvy) p ípravky pro cílenou distribuci lék scaffoldy pro tká D kuji za pozornost

8 Biopolymery v medicín Polymery (biopolymery) v medicín požadavky Platí pro všechny aplikace: použité polymery (biopolymery) ani jejich degrada ní produkty nesmí být toxické musí být biokompatibilní = po aplikaci do organismu nesmí vyvolávat jeho obrannou reakci Platí pro tká ové inženýrství, nosi e biologicky aktivních látek, interní kryty ran: m ly by být biodegradovatelné = v lidském organismu rozložitelné (nezam ovat s digescí = trávením) rozkladné produkty biodegradovatelných polymer nesmí být pro organismus toxické (modifikace biopolymer ) V jakých p ípadech se budou používat biopolymery a pro? Polymery: Užívání í biopolymer (polymer ) v medicín systémy pro krytí ran do asné (odnímatelné) náhrady implantáty (náhrady kloub, stenty) systémy pro tká ové inženýrství (regenerativní medicínu) systémy pro cílenou distribuci biologicky aktivních látek (potahované tablety, kapsle, nosi e lék, nosi e pro genovou terapii) kryty externích ran cena, mechanické vlastnosti do asné (odnímatelné) náhrady mechanické vlastnosti implantáty (náhrady kloub, stenty) mechanické vlastnosti systémy pro cílenou distribuci biologicky chemická odolnost, cena aktivních látek (potahované tablety, kapsle) Biopolymery: kryty externích ran kryty interních ran scaffoldy pro tká ové inženýrství systémy pro cílenou distribuci lék, nosi e pro genovou terapii

9 Jaké biopolymery nám p íroda nabízí pro využití v medicín? 1. polysacharidy siln hydrofilní látky, schopné vytvá et množství vodíkových m stk, nabízí r zné interakce pro své okolí pom rn snadno dostupné v pr myslovém m ítku živo išného p vodu jsou biokompatibilní, biodegradovatelné a neimunogenní v tšina rostlinných polysacharid je biokompatibilní ale ne biodegradovatelné mikrobiální n které biokompatibilní, n které biodegradovatelné pom rn obtížn zpracovatelné pro mechanicky namáhané výrobky mén vhodné v porovnání se syntetickými polymery Jaké biopolymery nám p íroda nabízí pro využití v medicín? 3. polyestery (PB, PV) snadno dostupné v pr myslovém m ítku (fermenta ní výroba) pom rn snadné zpracování pom rn hydrofobní biopolymer Jaké biopolymery nám p íroda nabízí pro využití v medicín? 2. bílkoviny obecn skupina látek s velmi rozdílnými úlohami v organismu a vlastnostmi ( zam ení pouze na bílkoviny vhodné pro nosi ové systémy a tká ové inženýrství) n které z nich mají unikátní biologické vlastnosti a jsou nenahraditelné n které z nich mají zcela unikátní fyzikální vlastnosti ti (r zné étypy kolagenu, elastin) n které z nich mohou v p ípad užití ve tká ovém inženýrství vykazovat i nežádoucí biologické vlastnosti (regula ní peptidy, pokud se uvol ují) v tšina z nich je imunogenní obtížn dostupné v pr myslovém m ítku (extrakce z živo išných tkání je prakticky k vylou ena) pom rn špatn zpracovatelné Nej ast ji používané biopolymery: kryty externích ran Aplikace kryty interních ran scaffoldy pro tká ové inženýrství nosi e pro cílenou distribuci lék 4. isoprenoidy a podobné lipidické látky snadno dostupné v pr myslovém m ítku (extrakce z rostlin) pom rn snadné zpracování siln hydrofobní biopolymer celulóza a její deriváty alginát chitosan hyaluronan kolagen

10 zdroje celulózy: 2. bakterie (Gluconacetobacter, Agrobacterium, Rhizobium, Sarcina) nej ast ji se používá Gluconacetobacter xylinus, d íve Acetobacter xylinus Autor prezentace: RNDr. Vladimír Velebný, CSc. Celulóza = poly ( 1-4 anhydroglukosa) zdroje celulózy: 1. r zné rostlinné zdroje kontaminace ligninem, hemicelulózami a dalšími produkty metabolismu rostlin používá se regenerovaná celulóza = viskóza (vychází se z alkali celulózy, která se sirouhlíkem p evádí na xantogenát celulózy vlákna, celofán) Celulóza: mikrobiální celulóza ló (MC) p i kultivaci itvo í í3d gelovitou strukturu na povrchu media. Struktura vláken MC se liší kmen od kmene struktura vláken MC se liší od struktury celulózy isolované z rostlin dob e separované nano- a mikrofibrily MC vytvá ejí velký povrch schopný absorbovat velké množství vody celulóza je biokompatibilní s kostními bu kami a hepatocyty implantace bakteriáln isté écelulózy, ló která je prostá endotoxin, nevyvolává žádné zán tlivé reakce, pror stají jí fibroblasty celulóza prakticky není biodegradovatelná Celulóza: užití nemodifikované celulózy: kryty externích ran a popálenin schopnost vázat velké množství vody, podporovat vlhké hojení Xylos Corp. USA

11 Deriváty celulózy: Karboxymetylcelulóza primární skupina na C6 je modifikována kyselinou chloroctovou, celulóza získá aninonický charakter derivát je rozpustný ve vod, tvo í roztoky s r znou viskozitou (záleží na stupni modifikace) biokompatibilní, není biodegradovatelný užití karboxymetylcelulózy: o ní léka ství výpl p ední komory b hem vým ny o ky dermatologie og e pomocná oc látka v topických p ípravcích p c hojení ran (nej ast ji v kombinaci s dalšími látkami) Deriváty celulózy: xycelulóza rozpustnost oxycelulózy ve vod záleží na kationu, který s ní tvo í s l (sodné a zine naté soli jsou pom rn dob e rozpustné, vápenaté jsou nerozpustné) a na stupni modifikace biokompatibilní, biodegradovatelnost závisí na stupni substituce (více oxidovatelné lépe odbouratelné) Deriváty celulózy: xycelulóza primární skupina na C6 je oxidována C C 2 Deriváty celulózy: xycelulóza užití oxycelulózy: bandáže ur ené k zástav krvácení v práškové podob Traumacel (CZ) n tvrdí se, že urychluje zastavení krvácení testy provád né s práškovou formou toto nepotvrzují, pravd podobn se uplat uje fibrilární struktura, která stabilizuje krevní sraženinu oxycelulóza s vysokým stupn m modifikace se podobá hyaluronanu (polyglukuronovou kyselinu)

12 Algináty algináty = rodina lineárních polysacharid blokové kopolymery tvo ené p evážn z blok -D- mannuronové kyseliny spojené 1-4 vazbami a -L-guluronové kyseliny spojené 1-2 vazbami neobsahují žádné pravidelné podjednotky Užití alginát v p ípravcích pro hojení ran Alginát vapenatý Silvercel hydroalginate Antiseptický obvaz netkaný materiál, alginát vápenatým v kombinaci s karboxymetylcelulózou, Textilní vlákna post íb ená Algináty zdroje alginát : jsou produkovány hn dými mo skými asami a n kterými p dními bakteriemi vyráb jí se z as rodu Laminaria a Macrocystis chemické složení (zastoupení M a G blok ) siln závisí na zdroji polysacharidu, z bakterií je možné získat istý mannuronat siln váží r zné ionty, tvorba gelu (enkapsulace r zných látek do alginátového gelu) algináty nejsou p íliš biokompatibilní, nelze je užít vnit n jsou velmi dob e snášeny r znými bu kami (enkapsulace) nejsou biodegradovatelné užití alginát : velmi dobrý prost edek pro hojení ran, zvlášt v kombinaci s hyaluronanem Chitosan Chitosan = poly [ -(1-4)-2-amino-2-deoxy-D-glukopyranosa)] zdroje chitosanu (pr myslov využívané): 1. živo išné zdroje kruný e krab, krevet (problémy s ištotou), chrupav itá struna hlavonožc (nejvyšší molekulová hmotnost) 2. rostlinné zdroje vyšší houby (hlíva úst i ná, žampiony) 3. mikroorganismy i sou ást bun né st ny plísní í

13 Chitosan m že být p ipraven s r zným stupn m deacetylace (chitin 0% deacetylace, chitosan 100% deacetylace) jediný kationický polysacharid rozpouští se ve slab kyselém prost edí, rozpustnost ovliv ována stupn m deacetylace (chitin není ve vod rozpustný) díky kationické povaze nespecificky interaguje s bu kami velmi dobrá kultiva ní podložka pro celou adu bun k mukoadhesivní látka p enos lé iva p es mukozní membránu do krve jako jediný polysacharid je št pen proteolytickými enzymy (pronasa, papain) p íprava oligosacharid oligosacharidy chitosanu vykazují antimikrobiální aktivitu proti G+, G- bakteriím a plísním (MIC okolo 0,01-0,03%). Antimikrobiální aktivita závisí na molekulové hmotnosti (3 9,5 kg/mol) pln biokompatibilní a biodegradovatelný (pom rn pomalu) yaluronan yaluronan = poly ( -D-glukuronat-[1-3]- -N-acetyl-D-glukosamin-[1-4]) Další používané názvy: kyselina hyaluronová sodná s l kyseliny hyaluronové hyaluronát sodný (draselný...) Chitosan užití chitosanu: velmi dobrá kultiva ní podložka pro celou adu bun k pro p ípravu p nosi lék (nespecifická interakce) v mukoadhezivních p ípravcích injek n vpravovaných p ípravky pro stav ní krvácení a hojení ran ve form nanotextilie, houbi ky apod. p íprava scaffold pro tká ové inženýrství medicínské textilie s antimikrobiální úpravou yaluronan zdroje hyaluronanu: živo išné tkán kohoutí h ebínky (dosud omezen využívaný zdroj) mikroorganismy Streptococcus, Pasteurella anionický polysacharid tvo ící základ extracelulární matrix, organizátor tkán specificky interaguje s celou adou bílkovin extracelární matrix specificky interaguje s bun nými receptory y( (CD 44, RAMM) vhodný pro cílenou distribuci biologicky aktivních látek

14 yaluronan jeho biologická funkce a aktivita siln závisí na jeho molekulové hmotnosti hyaluronan s vysokou molekulovou hmotností (> 1 Mg/mol) organizátor tkán, lubrikant kloub P ípravky s hyaluronanem hyaluronan se st ední día nízkou ík molekulovou lkl hmotností í( (< 1 Mg/mol) je aktivní jako informa ní a regula ní molekula. Charakter biologické aktivity závisí na molekulové hmotnosti, nejvyšší aktivitu vykazují oligosacharidy využití hyaluronanu: Autor prezentace: RNDr. Vladimír Velebný, CSc. nativní hyaluronan injek ní p ípravky pro ortopedii, revmatologii a oftalmologii p ípravky pro hojení ran (omezuje tvorbu jizvy) p ípravky pro cílenou distribuci lék scaffoldy pro tká ové inženýrství 165 dn po zahájení lé ení Aplikace yiodinu rozpadlé poopera ní rány 56 dn po zahájení lé by Aplikace yiodinu diabetické defekty

15 126 dn po zahájení lé by Aplikace yiodinu diabetické defekty D kuji za pozornost