Хитозан

Хитозан – это линейный полисахарид, состоящий из случайно распределенных бета-(1-4 )- связанных D-глюкозамина (деацетилированный блок) и N-ацетил-D-глюкозамина (ацетилированный блок). Он образуется при обработке креветок и других оболочек ракообразных с гидроксидом натрия щелочного металла. Другие названия: Poliglusam; Deacetylchitin , поли-(D) глюкозамин.

Хитозан имеет ряд коммерческих и возможных биомедицинских применений. Он может использоваться в сельском хозяйстве для обработки семян и в качестве биопестицида для борьбы с грибковыми инфекциями у растений. В виноделии хитозан может применяться в качестве очищающего вещества, а также средства, помогающего предотвращать прокисание вин. В промышленности он может быть использован для самовосстановления покрытий, обработанных полиуретановой краской. В медицине хитозан используют при бинтовании, поскольку он помогает уменьшать кровотечения и действует в качестве антибактериального вещества, а также способствует поглощению лекарства через кожу. Спорным является использование хитозана для ограничения всасывания жиров во время диеты, поскольку имеются данные, говорящие против подобных применений. Хитозан также применяется в качестве растворимого пищевого волокна.

В промышленности хитозан получают из панцирей креветок и других морских ракообразных, в том числе Pandalus Borealis. Хитозан получают путем деацетилирования хитина, который является структурным элементом экзоскелета ракообразных (например, крабов и креветок) и клеточной стенки грибков. Степень деацетилирования (% DD) может быть определена при помощи ЯМР спектроскопии. % DD в коммерчески доступном хитозане варьируется от 60 до 100%. В среднем, молекулярная масса серийно выпускаемого хитозана составляет от 3800 до 20000 дальтон. Хитозана синтезируется при деацетилировании хитина с использованием гидроксида натрия в избытке в качестве реагента и воды в качестве растворителя. В результате этой реакции при завершении (полном деацетилировании) создается до 98% продукта. Аминогруппа хитозана имеет значение рКа~6,5, что приводит к протонированию в растворе от кислого до нейтрального с плотностью заряда, зависящей от рН и % DA-значения. Это делает хитозан водорастворимым и биоадгезивным соединением, которое легко связывается с отрицательно заряженными поверхностями, такими, как слизистые оболочки. Хитозан улучшает транспортировку полярных препаратов через эпителиальные поверхности, и является биосовместимым и биоразлагаемым веществом. Однако FDA не одобрило использование хитозана в целях лекарственной транспортировки. Очищенный хитозан доступен для биомедицинского применения. Хитозан и его производные, такие как триметилхитозан (с триметилированной аминогруппой), используются для невирусной доставки генов. Триметилхитозан, или четвертичный хитозан, осуществляет трансфекцию раковых клеток молочной железы с повышенной степенью триметилирования, увеличивая цитотоксичность; и при приблизительно 50% триметилировании, производное является наиболее эффективным для доставки гена. Олигомерные производные (3-6 кДа) довольно нетоксичны и способны хорошо переносить гены.

Хитозана используют в сельском хозяйстве и садоводстве, в первую очередь для защиты растений и увеличения урожайности, поскольку этот глюкозаминовый полимер способен влиять на биохимию и молекулярную биологию растительной клетки. Клеточными мишенями являются плазматическая мембрана и ядерный хроматин. Последующие изменения происходят в клеточных мембранах, хроматине, ДНК, кальции, MAP киназе, окислительном взрыве, активных формах кислорода, генах каллозы, связанных с патогенезом и фитоалексинах.

В сельском хозяйстве хитозан используется в основном в качестве натурального средства для лечения семян и усиления роста растений, а также в качестве экологически чистого биопестицида, который повышает врожденную способность растений защищаться от грибковых инфекций. Натуральные природные активные ингредиенты биоконтроля, хитин/хитозан, встречаются в раковинах ракообразных, таких как омары, крабы и креветки, и многих других организмов, в том числе насекомых и грибков. Это один из наиболее распространенных биоразлагаемых материалов в мире. Деградированные молекулы хитина/хитозана содержатся в почве и воде. Коммерческое распространение добавок хитозана для растений и зерновых культур регулируется Управлением по охране окружающей среды, а Национальная органическая программа Министерства сельского хозяйства США регулирует его использование на сертифицированных органических фермах и для зерновых культур. Утвержденный Управлением по охране окружающей среды, поддающийся биохимическому разложению хитозан разрешен для использования на открытом воздухе и в помещениях для растений и зерновых культур, выращиваемых в коммерческих масштабах и отдельными потребителями. Естественные свойства хитозана в плане биоконтроля не следует путать с воздействием удобрений или пестицидов на растения или окружающую среду. Активные биопестициды хитозана представляют собой новый метод экономически эффективного биологического контроля растений для сельского хозяйства и садоводства. Механизм биоконтрольного действия хитозана способствует развитию у растений естественных врожденных защитных реакций для противостояния воздействию насекомых, патогенов и почвенных болезней при нанесении на листья или в почву. Хитозан увеличивает фотосинтез, способствует усилению роста растений, стимулирует поглощение питательных веществ, повышает всхожесть, прорастание и мощность растений. При использовании для обработки или покрытия семян хлопка, кукурузы, семенного картофеля, сои, сахарной свеклы, помидоров, пшеницы и семен многих других растений, хитозан вызывает врожденный иммунный ответ в развивающихся корнях, который разрушает паразитические нематоды кисты без ущерба для полезных нематод и организмов. При применении в сельском хозяйстве хитозан может снизить экологический стресс из-за засухи и недостатков почвы, укрепляя жизнеспособность семян, улучшая добротность насаждения, повышая урожайность и снижая повреждения фруктов из-за овощей, фруктов и цитрусовых культур. При применении хитозана в садоводстве увеличивается цветение и срок жизни срезанных цветов и елей. Лесная служба США провела исследование применения хитозана для контроля патогенов в сосновых деревьях и увеличения оттока смолы, что препятствует заражению сосны жуками. Начиная с 1980-х годов изучается применение хитозана в сельском хозяйстве и садоводстве. В 1989 году солевые растворы хитозана начинают применяться для зерновых культур в целях улучшения их защиты от промерзания или для урожайных семян для грунтования. Вскоре после этого, соли хитозана впервые в истории получили одобрение от Управления по охране окружающей среды в качестве биопестицидного средства, за чем последовали другие иски об интеллектуальной собственности. Хитозан также использовался для защиты растений в космосе, о чем свидетельствует эксперимент НАСА для защиты фасоли адзуки, выращенной на борту космического челнока и орбитальной станции в 1997 году. Результаты НАСА продемонстрировали, что хитозан вызывает усиленный прирост биомассы растений и устойчивость к патогенам из-за повышенных уровней ферментов бета-глюканазы 1-3 в клетках растений. НАСА подтвердила данные о том, что хитозан вызывает такой же эффект у растений и на земле. Нетоксические, низкомолекулярные растворы полимера хитозана кажутся достаточно безопасными для широкого спектра сельскохозяйственных и садоводческих применений. В 2008 году Управление по охране окружающей среды утвердило широкий спектр применений для молекулярного активного ингредиента 0,25% хитозана. В 2009 году Управление по охране окружающей среды предоставило статус для внекорневого и ирригационного использования натурального раствора элиситора хитозана в сельском хозяйстве и садоводстве. С учетом низкого потенциала токсичности и изобилия в окружающей природной среде, хитозан не наносит вреда людям, домашним животным, диким животным или окружающей среде при использовании по назначению. Лесная служба США провела испытания хитозана в качестве экологичного биопестицида для предварительной подготовки сосны для защиты от лубоедов горной сосны.

Хитозан также может использоваться при инженерной обработке воды, как часть процесса фильтрации. Хитозан связывает вместе мелкие частицы осадка, а затем удаляется с осадком в ходе фильтрации с песком. Он также удаляет из воды фосфор, тяжелые минералы и масла. Хитозан является важной добавкой в процессе фильтрации. При песчаной фильтрации можно удалить до 50% мутности, а при использовании хитозана с песком при фильтрации удаляется до 99% мутности. Хитозан используется для выделения казеина из коровьего молока и сыров. Хитозан также применяется и в других видах фильтрации, если потребуется удаление взвешенных частиц из жидкости. В сочетании с бентонитом, желатином, силикагелем, слюдой или другими осветляющими веществами, хитозан используется для очищения вина, меда и пива. При добавлении в конце процесса пивоварения, хитозан улучшает флокуляцию и удаляет клетки дрожжей, частицы фруктов и другие вещества, вызывающие замутнение вина. В сочетании с коллоидным кремнезем, хитозан является популярным средством для осветления белых вин, потому что для его флоккулирования не требуется наличия кислых дубильных веществ (входящих в основном в состав красных вин).

Хитозан уже долгое время используется в виноделии в качестве осветлителя. Хитозан из грибов используется для урегулирования осадков, восстановления окисленных полифенолов в соке и вине, а также для хелирования и удаления меди. Грибковые источники хитозана также могут использоваться в виноделии для контролирования дрожжей Brettanomyces, вызывающих порчу вина. Эти продукты и такое применение было одобрено для использования в Европе Европейским Сообществом и Всемирной Организацией виноградарства и виноделия.

Недавно ученые разработали полиуретановое покрытие, способное восстанавливать поцарапанные покрытия при воздействии солнечного света, что предполагает отличные возможности для создания покрытия для автомобилей и других продуктов без царапин. Самовосстанавливающиеся покрытия с использованием хитозана применяются в традиционных полимерных материалах, таких, как краски для нанесения покрытий на автомобили для защиты. При возникновении царапин, повреждающих химическую структуру покрытия, хитозан реагирует с ультрафиолетовым излучением, образуя цепи химических связей, которые начинают связываться с другими материалами в веществе, вызывая, в результате, сглаживание царапин. Весь этот процесс может занять меньше часа. Марек В. Урбан, ученый, работающий над этим проектом, сообщил, что полимер может самовосстанавливаться в одном месте только один раз, и не будет работать после многократных царапин. Однако использование этой технологии в производстве промышленных материалов зависит от ряда факторов (долгосрочная способность к «заживлению», жесткость и термостойкость покрытия, знание точного механизма заживления и т.д.), которые не представлены в первоначальных исследованиях, и дальнейшее исследование этих факторов потенциально может занять десятилетия.

Хитозан обладает свойствами, способствующими быстрому сгущению крови, и недавно вещество получило одобрение в США и Европе для использования в составе бинтов и других гемостатических средств. В ходе тестирования корпуса морской пехоты США было продемонстрировано, что кровоостанавливающие продукты с хитозаном способствуют быстрой остановке кровотечений и уменьшению кровопотери, и в результате 100% выживанию свиней при, в противном случае, смертельных артериальных ранах. Кровоостанавливающие средства с хитозаном снижают кровопотери по сравнению с марлевыми перевязочными материалами и увеличивают выживаемость у пациентов. Кровоостанавливающие средства с хитозаном используются в армии США и в вооруженных силах Великобритании. США и Великобритания уже использовали повязки с хитозаном на полях сражений в Ираке и Афганистане. Хитозан является гипоаллергенным веществом и обладает натуральными антибактериальными свойствами, что еще больше поддерживает его использование при бинтовании на полях сражений. Кровоостанавливающие средства с хитозаном часто являются солями хитозана, получаемыми при смешивании хитозана с органической кислотой (например, янтарной или молочной кислотой). Кровоостанавливающее средство работает путем взаимодействия клеточной мембраны эритроцитов (отрицательный заряд) с протонированным хитозаном (положительный заряд), что ведет к вовлечению тромбоцитов и быстрому образованию тромба. Соли хитозана могут быть смешаны с другими материалами, что увеличивает их абсорбирующую способность (например, при смешивании с альгинатом), или изменяет скорость растворимости и биоабсорбирующую способность соли хитозана. Соли хитозана являются биосовместимыми и биоразлагаемыми, что позволяет использовать их в качестве рассасывающихся кровоостанавливающих средств. Протонированный хитозан в организме распадается при помощи лизоцима, превращаясь в глюкозамин и сопряженное основание кислоты (например, лактат или сукцинат), которые естественным образом содержатся в организме. Соли хитозана могут быть размещены на рассасывающейся основе. Эта основа может быть синтетической (сделанная, например, из существующих абсорбирующихся материалов, например, полимера Tephaflex) или натуральной (например, целлюлоза или гель/затвердевший мед). Свойства хитозана также позволяют использовать его при трансдермальном введении лекарственных средств. Это вещество является мукоадгезивным по природе, реактивным (и может быть произведено в различных формах), и, самое главное, имеет положительный заряд в кислой среде. Положительный заряд создается при протонировании его свободной аминогруппы. Отсутствие положительного заряда означает, что хитозан не растворяется в нейтральных и щелочных средах. Однако в кислой среде протонирование аминогрупп приводит к увеличению растворимости. Последствия этого очень важны для биомедицинских целей. Эта молекула будет сохранять свою структуру в нейтральной среде, однако в кислой среде будет подлежать солюбилизации и деградации. Это означает, что хитозан может использоваться для транспортировки препарата в кислую среду, где компановка хитозана будет распадаться, высвобождая лекарственное средство в нужную среду. Одним из примеров такой транспортировки лекарств является транспортировка инсулина.

Свойства хитозана по ограничению всасывания жира в организме предлагают возможности применения хитозана в форме таблеток в качестве «жиросвязующего» соединения. В одном предварительном исследовании, при применении добавок хитозана в течение 8 недель наблюдалось 1%-ное снижение индекса массы тела. Тем не менее, мета-анализ Cochrane, в котором в течение минимум четырех недель оценивались клинические исследования диетического хитозана, такие показатели, как вес тела, кровяное давление и параметры, связанные с холестерином, изменились только в ходе некоторых испытаний низкого качества, что указывает на то, что вещество оказывает лишь незначительное влияние на массу тела. Другие испытания более высокого качества не выявили существенного влияния хитозана или не обосновали важность применения добавок хитозана пациентами с избыточным весом. В экспериментальной модели желудочно-кишечного тракта было показано, что хитозан взаимодействует с маслом, ингибируя поглощение в двенадцатиперстной кишке и повышая экскрецию липидов. Однако механизм взаимодействия хитозана и жира все еще не понимаем и не был клинически доказан. У мышей приема хитозана с пищей не вызывал снижения уровня железа, цинка или меди. FDA США выпустило письма с предупреждением для розничных продавцов дополнения, сделавших неверное заявление о предполагаемой пользе хитозана для здоровья. Исследуется нескольких потенциальных клинических применений хитозана:

  В качестве растворимого пищевого волокна, увеличивающего вязкость желудочно-кишечного просвета и замедляющего опорожнение желудка.
  Хитозан изменяет состав желчных кислот, повышает экскрецию стеринов и снижает усвояемость подвздошных жиров. Неясно, каким образом хитозан действует таким образом, но превалирующая в настоящее время гипотеза говорит о том, что хитозан увеличивает вязкость кишечника или связывающую способность желчных кислот.
  Хитозан является относительно нерастворимым в воде, но может быть растворен разбавленной кислотой, что делает его пищевым волокном высокой степени вязкости. Такие волокна могут ингибировать поглощение липидов пищи за счет увеличения толщины пограничного слоя просвета кишечника, что было отмечено в экспериментах на животных.
  Имея очень мало ацетиловых групп, хитозан содержит катионные группы, что может привести к наличию у хитозана способности связываться с желчными кислотами, в результате чего смешанные мицеллы захватываются или распадаются в двенадцатиперстной и подвздошной кишках. Это прерывает циркуляцию желчных кислот, приводя к снижению всасывания липидов и повышению выделения стеролов, что также наблюдалось в экспериментах на животных.

:Tags

Читать еще: Ацеклофенак , Муира пуама , Флюанксол (Флупентиксол) , Цефтриаксон , Ятрышник (Пальчатокоренник) ,