ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2011, том 53, № 5, с. 691-695
МЕДИЦИНСКИЕ = ПОЛИМЕРЫ
УДК 541.64:547.455.623
ГЛЮКОЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ГИДРОГЕЛЕВЫЕ СИСТЕМЫ1 © 2011 г. И. Л. Валуев, Л. В. Ванчугова, Л. И. Валуев
Учреждение Российской академии наук Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН 119991 Москва, Ленинский пр., 29 Поступила в редакцию 23.11.2010 г.
Принята в печать 30.12.2010 г.
Изучено влияние конканавалина А на структуру полимерных гидрогелей, получаемых реакцией радикальной сополимеризации акриламида, М-(2-В-глюкоз)акриламида и К,№-метилен-5ис-акри-ламида. Показано, что конканавалин А в составе его комплекса с М-(2-В-глюкоз)акриламидом вступает в реакцию сополимеризации, выполняя роль макромолекулярного сшивающего агента. Это обеспечивает уменьшение степени набухания гидрогелей в водных растворах с увеличением концентрации конканавалина А в исходной мономерной смеси. При введении глюкозы в водный раствор разрушается комплекс конканавалина А со звеньями М-(2-Б-глюкоз)акриламида в сшитом сополимере и существенно увеличивается степень набухания гидрогелей. Разрушение комплекса происходит при строго определенной концентрации глюкозы в растворе, зависящей от содержания звеньев М-(2-Б-глюкоз)акриламида в сополимере. Это явление может быть использовано для контролируемого выделения в раствор предварительно введенного в гидрогель инсулина путем изменения концентрации глюкозы в растворе.
Современный уровень развития науки и техники ставит ряд задач по созданию нового поколения полимерных веществ и материалов. В настоящее время недостаточно придать полимерам те или иные химические или физико-механические свойства, во многих случаях требуется создавать полимеры, направленно изменяющие свои свойства в процессе эксплуатации. К таким полимерам, получившим название "умные", относятся материалы, способные изменять свои свойства по механизму обратной связи в ответ на изменение определенных параметров окружающей среды. Применение таких материалов в медицине открывает большие возможности в плане создания устройств, способных моделировать отдельные функции некоторых органов и тканей живого организма, т.е. активно функционировать в такой сложной многокомпонентной среде, как живой организм. Активное функционирование подразумевает способность воспринимать информацию, поступающую извне, и изменять свои свойства в соответствии с ней.
Одной из наиболее перспективных областей применения этих материалов является создание систем для контролируемого выделения биологически активных веществ из специально создан-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 1003-00029) и Программы Президиума РАН "Фундаментальные науки — медицине".
E-mail: ivaluev@ips.ac.ru (Валуев Иван Львович).
ных депо по мере возникновения в них потребности. Примером таких систем могут служить глю-козочувствительные полимеры, способные в некоторой степени моделировать одну из функций поджелудочной железы, а именно, выделять инсулин (гормон белковой природы с М~ 6 х 103, отвечающий за утилизацию глюкозы в живом организме) в ответ на повышение концентрации глюкозы в окружающей среде.
Впервые принцип создания подобных систем был сформулирован в 1979 г. [1] и в дальнейшем был развит в работах [2—5]. Он был основан на использовании лектинов — белков, способных избирательно и обратимо связывать углеводы. В полимерную мембрану, проницаемую для глюкозы и инсулина, но не проницаемую для лектинов, помещали комплекс лектина, в качестве которого наиболее часто использовали имеющий четыре места связывания глюкозы конканавалин А (Кон А), и специально синтезированного сахарсодержа-щего производного инсулина. При появлении глюкозы в окружающей среде она проникала через мембрану и вытесняла производное инсулина из его комплекса с лектином. Широкого распространения такие системы не нашли, и основная причина заключалась в снижении биологической активности инсулина в процессе его модификации сахарами, а также в том, что выделение производных инсулина происходило при любых, в том числе и физиологически приемлемых, концентрациях глюкозы в растворе [6—8].
692
ВАЛУЕВ и др.
Большие надежды возлагали на глюкозочув-ствительные полимеры — мембраны, проницаемость которых изменялась бы в зависимости от концентрации глюкозы [9—11], или полимерные гидрогели, степень набухания которых зависела бы от наличия глюкозы [12, 13]. Однако и в этом случае не удавалось создать системы, выделяющие строго определенное количество инсулина при заданных концентрациях глюкозы.
Преодолеть данный недостаток нам удалось при использовании гидрогелей на основе сополимеров акриламида с М-(2-Э-глюкоз)акрилами-дом (ГАА), сшитых Кон А. Выделение предварительно введенного в гидрогель инсулина происходило при строго определенной концентрации глюкозы в окружающей среде, значение которой можно было регулировать изменением количества остатков ненасыщенного производного глюкозы в сополимере [14]. Однако и эта система не была лишена недостатков, главным из которых было полное разрушение гидрогелей в растворе глюкозы с выделением в окружающую среду не только активного гормона, но и Кон А, а также водорастворимого сополимера акриламида с ГАА.
Целью настоящей работы является создание глюкозочувствительных гидрогелей, способных выделять содержащийся в их объеме инсулин в ответ на строго определенное повышение концентрации глюкозы в окружающей среде без выделения всех составляющих гидрогель компонентов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Акриламид, М,М-метилен-5ис-акриламид (БИС), Кон А, глюкозу и инсулин фирмы "81§ша-АЫйсИ" (США) использовали без дополнительной очистки.
ГАА синтезировали реакцией Э-(+)-глюко-зоамина с хлорангидридом акриловой кислоты [15].
Гидрогели получали сополимеризацией акри-ламида, ГАА (либо макромолекулярного комплекса Кон А—ГАА) и БИС в водном растворе, используя в качестве инициатора окислительно-восстановительную систему М,М,М',№-тетраме-тилэтилендиамин—персульфат аммония.
Степень набухания гидрогелей находили по формуле
Бг = (Шн - Шс)/Мс, где тн и тс — масса равновесно набухшего гидрогеля и высушенного до постоянной массы.
Концентрацию белков (инсулина или Кон А) в растворе определяли методом УФ-спектроскопии на приборе "НкасЫ-3400" (Япония) при длине волны 280 нм. Предварительно была построена калибровочная зависимость оптической плотности раствора от концентрации белка.
Концентрацию глюкозы в растворе находили при помощи фенолсерной кислоты [16].
Электронно-микроскопические исследования проводили на сканирующем электронном микроскопе '^еоГ' (Япония). Лиофильно высушенные образцы препарировали по методике [17].
Биологическую активность инсулина оценивали путем измерения концентрации глюкозы в крови кроликов или крыс после инъекционного введения раствора инсулина в количестве 0.2 мг/кг массы кролика или 0.6 мг/кг массы крысы. Концентрацию глюкозы определяли с использованием глюкометра "Johson&Johson".
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Реализация поставленной в работе задачи — предотвращение выделения растворимых компонентов глюкозочувствительной системы — достигалась использованием в качестве глюкозосодер-жащего компонента гидрогелей на основе сополимеров акриламида с ГАА, сшитых БИС. При изучении зависимости степени набухания гидрогелей от их состава было обнаружено, что введение в состав сополимеров до 10 мол. % ГАА практически не влияет на этот параметр; а зависимость степени набухания от исходной концентрации мономеров и сшивающего агента соответствует аналогичной зависимости для гидрогелей на основе акриламида: увеличение исходной концентрации мономеров и/или сшивающего агента приводит к уменьшению равновесной степени набухания [18]. Сополимеризация всех компонентов системы протекала практически на 100% (масса сополимера соответствовала массе исходных веществ), и, следовательно, состав сшитого сополимера мало отличался от состава исходной мономерной смеси. Согласно значениям констант сополимеризации акриламида (М1) и ГАА (М2) г1 = 1.12 ± 0.11 и г2 = 0.024 ± 0.012 [14], при невысоком содержании ГАА сшитые полимерные цепи состоят из длинных полиакрила-мидных последовательностей с единичными вкраплениями звеньев ГАА.
Известно [19], что иммобилизация белков в объеме полимерного гидрогеля на стадии его получения путем сополимеризации с гидрофильным мономером и сшивающим агентом сопровождается повышением пористости и, как следствие, ростом степени набухания. Эта закономерность наблюдалась и для гидрогелей, полученных сополимеризацией акриламида и БИС в присутствии Кон А, но в отсутствие ГАА. Однако при сополимеризации акриламида с БИС и ГАА, напротив, добавление Кон А приводило к существенному уменьшению степени набухания синтезируемых гидрогелей (табл. 1).
ГЛЮКОЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ГИДРОГЕЛЕВЫЕ СИСТЕМЫ
693
Таблица 1. Зависимость степени набухания гидрогелей на основе сополимеров акриламида, ГАА и БИС, полученных в присутствии 0.1 мас. % Кон А, от их состава
Состав исходной мономерной смеси, г/100 г раствора Степень набухания*, г воды/г сухого геля Пороговая концентрация глюкозы**, мг/100 мл
акриламид ГАА БИС в воде в 1%-ном растворе глюкозы
1.0 0 0.005 44.3 44 9*** -
0.01 40.1 40.5*** -
0.02 33.6 33.3 -
0.95 0.05 0.005 27.5 46.3*** 93
0.01 21.0 41.8*** 96
0.02 15.3 33.9 90
0.9 0.1 0.005 27.2 46 0*** 176
0.01 21.4 40.1*** 168
0.02 14.8 32.7 166
3.0 0 0.015 31.5 31.4 -
0.03 27.7 27.3 -
0.06 20.1 20.5 -
2.85 0.15 0.015 18.6 33.1 97
0.03 13.7 28.2 92
0.06 9.2 20.0 95
2.7 0.3 0.015 18.9 32.2 182
0.03 14.0 27.4 177
0.06 9.7 20.7 172
5.0 0 0.025 15.3 15.0 -
0.05 10.0 9.9 -
0.1 6.1 6.4 -
4.75 0.25 0.025 9.6 15.3 96
0.05 7.2 10.2 90
0.1 4.0 6.6 91
4.5 0.5 0.025 9.8 15.0 175
0.05 7.0 9.7 170
0.1 3.8 6.3 168
* Точность определения ±2% и ** 3%. *** При добавлении глюкозы Кон А выделялся в раствор.
Природа данного явления очевидна и заключается в способности лектинов избирательно связывать углеводы. При добавлении в реакционную смесь Кон А образуются комплекс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.