ОТКРЫТИЕ ГИАЛУРОНАТА И ГИАЛУРОНИДАЗЫ

Karl Meyer открыл гиалуронат в 1934 году во время работы в глазной клинике в Университете штата Колумбия. Он выделил это соединение из стекловидного тела глаза коровы в кислых условиях и назвал его гиалуроновой кислотой от греческого hyalos - стекловидный и уроновой кислоты, которая входила в состав этого полимера. Сразу следует сказать, что до этого были выделены и другие полисахариды (хондроитинсульфат и гепарин). Более того, еще в 1918 году Levene and Lopez-Suarez выделили из стекловидного тела и пуповинной крови полисахарид, состоявший из глюкозамина, глюкуроновой кислоты и небольшого количества сульфат-ионов. Тогда его назвали мукоитин-серной кислотой, однако в настоящее время он боле известен как гиаулуронат, который в их работе был выделен с небольшой примесью сульфата.

В течение следующих десяти лет Karl Meyer и еще целый ряд авторов выделили гиалуронат из различных тканей. Так, например, он был обнаружен в суставной жидкости, пуповине и ткани петушиного гребня. Самым интересным было то, что в 1937 году Kendall удалось выделить гиалуронат из капсул стрептококков. В дальнейшем практически из всех тканей организма позвоночных был выделен гиалуронат.

Еще до открытия гиалуроната Duran-Reynals обнаружил в семенниках некий биологически активный фактор. В дальнейшем его стали называть «распространяющийся фактор». Похожим действием обладали яд пчел и медицинских пиявок. При его введении подкожно в смеси с тушью отмечалось очень быстрое распространение черного окрашивания. Этим фактором оказался фермент, разрушающий гиалуронаты, который в дальнейшем назвали гиалуронидазой. Даже в крови млекопитающих присутствует определенное количество гиалуронидаз, но их активация происходит только при кислотных значениях рН.

ВЫДЕЛЕНИЕ ГИАЛУРОНАТА

Самый первый метод выделения гиалуроната был стандартным протоколом для выделения полисахаридов, то есть по методу Sewag или с помощью протеаз из экстракта удалялся весь белок. Затем полимер преципитировался на фракции добавлением этилового спирта.

Большим шагом вперед стало разделение разнозаряженных полисахаридов, которое разработал John Scott при исследовании методов преципитации с катионным детергентом (ЦПХ, цетилпиридинхлоридом), в котором изменялась концентрация солей. Гиалуронат с высокой эффективностью отделялся от сульфатированных полисахаридов. Этим методом также можно было пользоваться и для фракционирования по молекулярной массе. По своей сути, схожие результаты могут быть получены при использовании метода ионно-обменной хроматографии.

СТРУКТУРА И КОНФОРМАЦИЯ ГИАЛУРОНАТА

Химическая структура полисахаридной молекулы была расшифрована Karl Meyer и его коллегами в 1950-е. Сейчас все знают, что гиалуронат является длинной полимерной молекулой, состоящей из дисахаридных звеньев, компонентами которых являются N-ацетил-D-глюкозамин и D-глюкуроновая кислота, связанные между собой В1-4 и В1-3 связями. Karl Meyer не пользовался стандартным методом для исследования структуры интактного полисахарида. Вместо этого он проводил гиалуронидазное расщепление полисахарида, получив смесь дисахаридов и олигосахаридов, которую ему удалось полностью охарактеризовать. На основании полученных им результатов он и сделал свой вывод о возможной структуре исходной полимерной молекулы.

Конформационный анализ «волокон», состоящих из гиалуроната был впервые предпринят с использованием метода рентгеновской кирсталлографии. На конференции в г. Турку в 1972 году шли горячие споры между группами специалистов о том, имеет ли гиалуронат спиральную структуру или нет. Очевидно, что гиалуронат может формировать спирали различной структуры в зависимости от ионного состава растворителя и доли воды в нем. В 70-е и 80-е годы в литературе появлялись самые различные версии структуры гиалуроната.

Прорывом в этой области стала работа John Scott. Опираясь на то, что гиалуронат обладает малой реакционной способностью при пероксидазном окислении в водном растворе, он сделал вывод о том, что в воде он принимает конформацию с внутрицепочечными водородными связями. В дальнейшем его гипотеза нашла свое подтверждение при ЯМР-анализе, а в 1927 году Atkins с соавторами охарактеризовали конформацию как двойную спиральную.

Пятьдесят лет назад не была известна химическая структура гиалуроната и его макромолеуклярные свойства – масса, гомогенность, форма молекулы, степень гидратированности и взаимодействия с прочими молекулами. В последние 20 лет это стало объектом внимания A. G. Ogston и его сотрудников в Оксфорде, доктора Balazs с коллегами в Бостоне, Torvard С Laurent, работающего в Стокгольме, и еще нескольких лабораторий.

Основной проблемой являлось выделение гиалуроната, очищенного от белков и прочих компонентов, которое необходимо проводить перед любыми физическими методами исследования. Всегда имеется риск деградации полимерной структуры в процессе очистки. Ogston использовал технику ультрафильтрации, предположив, что свободные белки преодолеют фильтр, а белки, связанные с гиалуронатом, будут задержаны фильтром. Объектом исследования стал комплекс с содержанием белка равным 30%. Другие авторы пытались использовать разнообразные методы физической, химической и ферментативной очистки, которые позволяли снижать содержание белка до нескольких процентов. В то же время результаты физико-химического анализа дали более полное описание молекулы гиалуроната. Ее молекулярный вес близок к нескольким миллионам, хотя разброс между образцами был достаточно высок. Рассеивание света показало, что молекула ведет себя как случайным образом скрученная, достаточно плотно упакованная цепь с радиусом изгиба порядка 200 нм. Упакованность и малоподвижность цепи связана с наличием внутрицепочечных водородных связей, о которых уже говорилось выше. Случайно скрученная структура полностью соответствует полученному соотношению вязкости и молекулярной массы вещества. Ogston и Stanier использовали методы седиментации, диффузии, разделения в зависимости от градиента скорости сдвига и вязкости а также метод двойного преломления, которые показали, что молекула гиалуроната имеет форму высоко гидратированной сферы, что вполне отвечает известным свойствам молекул с упаковкой в виде случайно скрученной спирали.

АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДИКИ

Единственно возможным путем количественного исследования гиалуроновой кислоты было выделение полисахарида в чистом виде и измерение содержания в нем уроновой кислоты и/или N-ацетилглюкозамина. Методами выбора в данном случае являлись карбазольный методы Дише для оценки содержания уроновой кислоты и реакция Эльсона-Моргана на уровень гексозамина.

В данном случае трудно переоценить важность использования карбазольного метода. При анализе гиалуроната иногда приходилось использовать миллиграммы вещества.

Следующим шагом стало открытие специфичных ферментов. Гиалуронидаза грибов Streptomycesдействовала только на гиалуронат, при этом образовывались ненасыщенные гекса- и тетрасахариды. При анализе содержания гиалуроната можно было использовать это свойство грибов, особенно при наличии в среде других полисахаридов и примесей, а ненасыщенная форма гиалуроновой кислоты может использоваться для снижения лимита обнаружения продукта. Ферментативный метод значительно повысил чувствительность обнаружения гиалуроната, доведя ее до уровня микрограммов.