Kitozán-alapú bioanyagok
Guolin Wu1, Hui Gao2, Jianbiao Ma1,2
1Nankai University, 2Tianjin University of Technology
Material Matters, 2012 v7, n3
Bevezetés
A kitin, egy természetes poliszacharid, a cellulóz után a második leggyakoribb természetes biopolimer a világon. Ez az ízeltlábúak, köztük a rákok, garnélarákok és homárok, valamint egyes gombák exoskeletonjának elsődleges, nagy modulusú rostos összetevője. Szerkezetileg a kitin egy oldhatatlan, lineáris, erősen kristályos polimer, amely izotaktikus poli- N-acetil-D-glükózaminból áll ( 1A. ábra). A kitozán, az egyetlen természetesen előforduló kationos amino-poliszacharid (1B ábra), a kitin N-deacetilezéséből származik, ami N-acetilglükozamin és glükozamin kopolimert eredményez. A kitozánt a deacetilezési fok (DDA) jellemzi, amely lehetővé teszi, hogy híg ecetsavban oldható legyen, ha a DDA >40%. A kitozánt széles körben tanulmányozták számos biomedicinális alkalmazásban, mint például sebgyógyítás, hemodialízis membránok, gyógyszer- és génszállító rendszerek, implantátum bevonatok és szövetmérnöki/regenerációs alkalmazások, jó biokompatibilitása, savas bomlástermékek nélküli biológiai lebonthatósága és nem toxikus jellege miatt. Az orvosbiológiai alkalmazásokhoz tervezett speciális funkcionalitást a kitozánon függő funkciós csoportok beoltásával érik el primer amin- vagy hidroxilcsoportokon keresztül, a polimer gerincének módosítása nélkül, az eredeti tulajdonságok megőrzése érdekében.
1. ábra.A) kitin és B) kitozán kémiai szerkezete.
Chitosan for Drug and Gene Delivery Systems
A chitosan egyedülálló fiziokémiai és biológiai tulajdonságai miatt ideálisan alkalmazható a gyógyszerhordozó rendszerekben. Jelentések szerint fokozza a gyógyszerpermeációt a bél-, orr- és bukkális nyálkahártyán keresztül1. Az inzulinnal kapszulázott kitozán nanorészecskéket először 1997-ben Alonso és munkatársai készítették el nyulak orrba juttatására2. A vizsgálatok azt mutatják, hogy a kitozán fokozza az olyan peptidek, mint az inzulin és a kalcitonin felszívódását az orrhámon keresztül3. A kitozán nanorészecskéket génszállításra is kifejlesztették4. Ez a legjelentősebb természetes polimer alapú génszállító vektor, mivel biológiailag lebontható, biokompatibilis és egyedülálló módon képes elektrosztatikus kölcsönhatások révén komplexet képezni a DNS-sel, amikor savas oldatban protonálódik5,6. Mumper és munkatársai írták le először a kitozánt, mint plazmidok hordozórendszerét7. A kitozán/plazmid DNS nanorészecskék könnyen kialakultak a kitozán pozitív töltésű amincsoportjai és a DNS negatív töltésű foszfátcsoportjai közötti komplexképződéssel. A molekulatömeg és a deacetilezési fok (DDA) jelentős hatással van a kitozán génszállításban mutatott teljesítményére. A nagy molekulatömegű kitozán több lánchálózati összefonódást eredményez a DNS-sel, erősebb komplexeket hoz létre, és jobb génszállítási hatékonyságot8 eredményez. A DDA, jellemzően 40-100% között, befolyásolja a kitozán fiziokémiai tulajdonságait. A mérsékelt DDA növeli a kitozán transzfekciós hatékonyságát a génszállító rendszerben, de a tiszta kitozán esetében a transzfekciós hatékonysága még mindig viszonylag alacsony a vírusvektorokhoz képest. Számos kémiai módosítás, mint például kvaternizálás9, dezoxikolsav-módosítás10, galaktozilálás11, galaktozilálás11., PEI beoltás12 és tiolizálás13 -t végeztek a kitozánon, hogy javítsák a génátvitel hatékonyságát. A módosított kitozán és a nukleinsavval töltött nanokomplexei új módszert teremtettek a különböző betegségek kezelésére szolgáló génterápia előállítására.
Chitosan for Tissue Engineering
A tanulmányok azt sugallják, hogy a kitozán és származékai ígéretes jelöltek a szövetsebészeti alkalmazások támogató anyagaként. A kitozán alapú szöveti állványok közé tartozik a bőr14 (2. ábra), a csont15,16 (3. ábra), a csont15,16 (3. ábra/b>), porc17, máj18,19, ideg20 és ér21,22. A kitozán sokoldalúsága a benne rejlő antibakteriális természetnek, a minimális idegentest-reakciónak, a sebgyógyító aktivitásnak, valamint a porózus szerkezetek és gélek kialakításának képességének köszönhető. Emellett a kitozán nagy affinitással rendelkezik a in vivo makromolekulákhoz, alkalmas a sejtek beágyazódására és a csontvezetésre. Fontos, hogy a kitozánról megállapították, hogy a polikationos jellege miatt, amely fokozza a sejtek vonzását a polimerhez, gyorsító hatással van a szövetszerkesztési folyamatokra.
A kitozán egyik példája a bőr szövetszerkesztésben és a bőrpótlóként való felhasználásban a kitozán film és szivacs kétrétegű szerkezetéből kialakított állványzat. Az állványzatot egymás után dolgozták fel egy sűrű kitozánfilm oldatos öntéssel történő kialakításával, majd liofilizálással porózus kitozánszivacsot képezve. Porogéneket, például nátrium-kloridot, glükózt és szacharózt használtunk, hogy nagy pórusokat hozzunk létre a kitozán szivacsrétegben (2. ábra). Amikor humán neofetális dermális fibroblasztokat ültettek a kitozán szivacsrétegbe, a sejtek a nagy pórusok alján kiterjedt alakban növekedtek és szaporodtak. A tenyésztés után a fibroblasztok az újonnan képződött extracelluláris mátrixokon keresztül szorosan tudtak kötődni a szivacsréteghez, így egy élő sejt-mátrix-chitozán kompozitot kaptak. A sejtkultúra során a kétrétegű kitozán anyag stabil maradt; a szövetszerkezeti állványként használt kollagén szivacsanyagnál azonban jellemzően összehúzódás figyelhető meg. Az eredmények azt sugallják, hogy a bőrszövet-technológiában állványzatként használt kitozán jó alternatívája lenne egyes kollagén anyagoknak14. Megállapították, hogy a sejtek kötődésének mértéke a kitozán22 deacetilezési százalékától is függ.
2. ábra.A szacharóz kimosási módszerrel előállított mesterséges bőrként kialakított kétrétegű kitozán szivacsok SEM-felvételei: A) 4,5%-os szacharóz kitozánoldatban mint porogén; B) 6%-os szacharóz kitozánoldatban mint porogén.
A kitozán hasznosságát a csontok helyreállítására szolgáló szövettechnológiában is vizsgálták. A foszforilált kitozánt (P-kitozán) kalcium-foszfátcementbe lehet keverni és csontdefektusba beültetni. Például a nyulak csontdefektusaiba beültetett P-chitozán cement azt mutatja, hogy minden seb fokozatosan gyógyult, és a nyulak aktívak voltak, műtét utáni komplikációk nélkül. A beültetés után 1, 4, 12 és 22 héttel a röntgenfelvételek (3. ábra) azt mutatják, hogy a P-chitozánt tartalmazó minták lehetővé tették a defektes csontok stabilizálását és a helyes pozíció fenntartását. Az új csontképződés és az implantátum biodegradációja a csontdefektusokban egyértelműen tükröződött a fokozatosan gyengülő umbral a röntgenfelvételeken. A teljes folyamat során a kontrollok csontjavulása kevésbé tökéletesen haladt, mint a foszforilált kitozánnal megerősített implantátumokkal rendelkezőké.
3. ábra.Az előkeményített foszforilált kitozánnal (P-mitozán) erősített kalcium-foszfátcementek röntgenfelvételei a beültetés után: A) 1 hét (P-kitozán: 0,12 g/ml); B) 4 hét (P-kitozán: 0,12 g/ml); C) 12 hét (P-kitozán: 0,12 g/ml); D) 12 hét (P-kitozán: 0.07 g/ml); E) 12 hét (P-kitozán: 0,02 g/ml); F) 12 hét (P-kitozán: 0 g/ml); G) 22 hét (P-kitozán: 0,12 g/ml).
A közelmúltban az injektálható polimer hidrogélek nagyon vonzóvá váltak a szövettechnológiában. Az injektálható hidrogéleknek különleges előnyei vannak:
1. Az implantációs műtét kiváltható egy egyszerű, minimálisan invazív injekciós eljárással
2. A beültetési műtétet egy egyszerű, minimálisan invazív injekciós eljárással lehet helyettesíteni. A sejtek és a bioaktív részek, mint például a növekedési faktorok, könnyen beépíthetők in situ
3. A gélek bármilyen kívánt alakban kialakíthatók, a környező szövetekhez való jó igazodással
4. A gélek lehetővé teszik a tartós vagy ingerekre reagáló hatóanyag-felszabadulást
5. A gélek csökkentik a beadás gyakoriságát, és így könnyítik a betegek terheit
Az elmúlt években számos injektálható kitozán alapú hidrogélt fejlesztettek ki szövettechnológiai célokra. Ezeket a hidrogéleket vagy fizikai24 vagy kémiai térhálósítási módszerekkel állítják elő, például redox-iniciált25, foto-iniciált26 és enzimatikus27 térhálósítással. Továbbá, a térhálósított hidrogélek paraméterei, mint például a gélképződési idő, a gél modulus és a hidrogél lebonthatósága a polimerek molekulatömegével és a térhálósítási sűrűségekkel beállítható.
Kitozán a hemodialízis membránokhoz
A hemodialízis egy testen kívüli vértisztítási eljárás a késői stádiumú vesebetegségben szenvedő betegek kezelésére, amely polimer féligáteresztő membránt használ a vérből a kívánt mennyiségű toxikus biológiai anyagcseretermékek eltávolítására. A kitozánt a nagy szakítószilárdsága mellett a karbamid és a kreatinin számára megfelelő áteresztőképessége miatt a mesterséges vesemembránként használható anyagként azonosították. A tiszta kitozánmembránok azonban a szérumfehérjék számára nem áteresztők és nem rendelkeznek megfelelő kompatibilitással. Különböző módosítások javítják a kitozán hemodialízismembránok kompatibilitását, szelektivitását és dialízisrátáját a közepes és nagy méretű molekulák számára. Például a dialízismembránokban használt, függő 2-hidroxietil-metakrilát (HEMA) beültetéssel ellátott kitozán fokozott permeációt mutatott a glükóz, a karbamid és az albumin számára a nem módosított kitozán filmekhez képest28. Heparint és dextrán-szulfátot is használtak a kitozánmembránok módosítására, hogy javítsák vérkompatibilitásukat a hemodialízisben29. A kitozán-graft-poli(vinil-acetát) (chitosan-g-PVAc) membránok a kereskedelmi cellulózmembránhoz képest nagyobb áteresztőképességet mutattak a kreatinin, a karbamid és a glükóz számára, és átjárhatatlanok az esszenciális tápanyag albumin30 számára. Mindezen kiváló tulajdonságok miatt a kitozán-alapú membránok olyan potenciális alkalmazásokat jelentenek, mint a mesterséges szervek, például a vese és a hasnyálmirigy.
Következtetések
A kitozán és a kitozán-származékok jelentős figyelmet kaptak, mint funkcionális biopolimerek a gyógyszerészeti és biomedicinális alkalmazásokban. Formulálhatók nanohordozóként gyógyszer- és génszállításhoz, hidrogélként szövetszerkesztéshez és membránként hemodialízishez. A kitozán és származékai számára még számos potenciális alkalmazást kell kifejleszteni, ami azt jelzi, hogy még nem használják ki teljes potenciáljukat.
Hivatkozások
Az olvasás folytatásához jelentkezzen be vagy hozzon létre egy felhasználói fiókot.
Még nem rendelkezik fiókkal?