Амфифильные полимеры N-винилпирролидона

Тип работы:
Дипломная
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Введение

В последнее время возрастает мировой интерес к полимерам медицинского назначения. Среди большого круга водорастворимых полимеров поли-N-винилпирролидон заслуживает самого пристального внимания в качестве модели природных полимеров с амидными группами — белковых молекул. Полимеры этого типа находят широкое применение в медицине, они входят в состав большого числа лекарственных препаратов. Гомо- и сополимеры N-винилпирролидона выступают в качестве носителей биологически активных веществ.

Область практического применения поли-N-виниламидов может быть существенно расширена, поскольку изменение строения бокового заместителя и получение различных сополимеров приведет к обнаружению полимеров с новыми функциональными свойствами. Кроме того, выявление новых свойств самого поливинилпирролидона и уже полученных производных может способствовать развитию большого ряда перспективных направлений в биотехнологии, микробиологии, медицине, нанотехнологии и т. д.

Целью данной дипломной работы является синтез и дальнейшая модификация биологически активного полимера N-винилпирролидона, содержащего гидрофобный остаток — получение амфифильного полимера различной молекулярной массы, введение в боковую цепь оксиранового цикла с последующей реакцией с аминокислотой. Данное исследование дает возможность получения новых амфифильных полимеров, которые могут быть использованы в медицине в качестве компонентов кровезаменителей.

полимер винилпирролидон амфифильный оксирановый

1. Литературный обзор

1.1 Амфифильные полимеры. Основные понятия и характеристики

1.1.1 Строение амфифильных полимеров

Типичная амфифильная молекула полимера (от греч. амфи, означающего «с двух сторон», и фило — «любящий») содержит в своем составе достаточно длинные гидрофильную и гидрофобную части. Один из вариантов такой структуры показан на Рис. 1.

Рис. 1. Строение простейшего амфифильного полимера

Полимеры, имеющие дифильное строение, получают полимеризацией мономеров различных типов (обычно двух) или последующей модификацией водорастворимого полимера по функциональным группам. В зависимости от способа получения амфифильные молекулы полимеров могут иметь различное строение, например, блок-сополимеры состоят из блока (ов) одного вида гомополимера, присоединенного к блоку (ам) другого вида [1. Alexandris P. Amphiphilic copolymers and their applications. // Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 1996, V. 1, № 4, P. 490−501.]. При этом блочные полимеры могут быть трех основных видов: диблочные, триблочные, и с концевой гидрофобной группой. Мультиблочные макромолекулы могут иметь регулярное или случайное чередование блоков.

Чаще всего наряду с линейными амфифильными полимерами, рассматриваются также гребнеобразные амфифильные сополимеры. Как правило, они содержат привитые к их основной цепи, построенной из однотипных звеньев, блоки, состоящие из звеньев другого типа (Рис. 2).

Блок-сополимер:

ди-блок

ААААААВВВВВВ

три-блок

АААВВВВВВВААА

с концевой гидрофобной группой

ААААААААААААВ

Привитой сополимер:

ААААААААААА

В В В

В В В

В

Рис. 2. Архитектура блочных сополимеров

А — гидрофильный блок, В-гидрофобный блок.

В зависимости от наличия заряда в гидрофильном блоке макромолекулы амфифильные полимеры могут быть ионными (полиэлектролиты) и неионными. В качестве неионного гидрофильного фрагмента в большинстве рассматриваемых в настоящее время амфифильных полимеров используются блоки полиэтиленоксида (ПЭО) [2]. В ряде случаев наряду с блоками полиэтиленоксида для введения в полимер гидрофобных фрагментов в полимер вводят блоки других алкилеоксидов — полипропиленоксида (ППО) и полибутиленоксида (ПБО). Сополимеры ПЭО и ППО объединены торговым названием Плюроники, а сополимеры ПЭО и ПБО — Синпероники.

Реже в качестве неионных гидрофильных блоков, придающих амфифильным полимерам растворимость в воде, в отдельных работах используют также фрагменты поливинилового спирта, полиакриламида, поливинилпирролидона.

Ионные амфифильные блок-сополимеры могут быть анионными или катионными. В случае анионных дифильных молекул заряженные блоки представлены полиакриловой кислотой, полиметакриловой кислотой, полималеиновой кислотой и другими кислотами. Для синтеза амфифильных полимеров они сочетаются с неионными блоками полистирола, полиметилметакрилата или полиизобутилена.

При получении положительно заряженных амфифильных макромолекул носителями заряда обычно выступают протонированные третичные амины, у которых степень ионизации зависит от рН среды. Примерами таких катионных полиэлектролитных блоков могут служить поли (2-винилпиридин), поли [2 (диметиламино) этилметакрилат], полиимины различного строения.

В большинстве случаев в качестве гидрофобных фрагментов амфифильные полимеры содержат блоки или длинноцепные группы с алифатическими последовательностями или ароматическими углеводородными радикалами.

Для ПЭО можно привести следующий перечень гидрофобных составляющих амфифильных полимеров (по возрастанию гидрофобности): L-лизин, в-бензоил-L-аспартат, г-бензоил-L-глутамат, капролактон. Разумеется, круг используемых полимеров приведенными примерами не исчерпывается. Основными методами получения таких амфифильных полимеров на основе ПЭО является анионная полимеризация или же радикальная полимеризация с использованием различных инициаторов. Все эти методы позволяют получить полимеры с молекулярной массой (1−100)Ч103, а также с различным гидрофильно-гидрофобным балансом.

К настоящему времени синтезировано большое количество блок-сополимеров с самой разнообразной архитектурой, которые были реализованы при создании амфифильных полимеров.

Примерами блочных амфифильных полимеров может служить большое количество различных блок-сополимеров, например: полиэтиленоксид (ПЭО) — полилактид [2. Yasugi K., Nagasaki Y., Kato M., Kataoka K. Preparation and characterization of polymer micelles from poly (ethylene glycol)-poly (lactide) block copolymers as potential drug carrier. // J. Controll. Rel., 1999, V. 62, № 1−2, P. 89−100. ], ПЭО — поли (в-бензил-L-аспартат) [3. Kataoka K., Matsumoto Т., Yokoyama M., Okano Т., Sakurai Y., Fukushima S., Okamoto K., Kwon G.S. Doxombicin-loaded poly (ethylene glycol)-poly (benzyl aspartate) copolymer micelles: their pharmaceutical characteristics and biological significance. // J. Controll. Rel., 2000, V. 64, № 1−3, P. 143−153. ], полиэтиленоксид (ПЭО) — поли-е-капролактон (PCL) [4. Allen C, Han J., Yu Y., Maysinger D., Eisenberg A. Polycaprolactone-b-poly (ethylene oxide) copolymer micelles as a delivery vehicle for dihydrotestosterone. // J. Controll. Rel., 2000, V. 63, № 3, P. 275−286. ], ПЭО — полипропиленоксид (ППО) [5. Kabanov A.V., Nazarova I.R., Astafieva I.V., Batrakova E.V., Alakhov V. Yu., Yaroslavov A.A., Kabanov V.A. Micelle formation and solubilization of fluorescent probes in poly (oxyethylene-b-oxypropylene-b-oxyethylene) solutions. // Macromolecules, 1995, V. 28, № 7, P. 2303−2314.].

Отдельной группой амфифильных полимеров являются полимеры, содержащие в качестве гидрофильного фрагмента полимерную цепь из гидрофильных мономерных звеньев, а в качестве гидрофобного фрагмента длинноцепные алифатические радикалы. Примерами амфифильных полимеров, имеющих такое строение, могут служить системы (ПЭО) — диациллипид, ПЭО — алкилфосфатидилэтаноламин [6. Klibanov A.L., Maruyama K., Torchilin V.P., Huang L. Amphipathic polyethyleneglycols effectively prolong the circulation time of liposomes. // FEBS Lett., 1990, V. 268, № 1, P. 235−238. ], полимеры поливинилпирролидона и полиакриламида с одной концевой гидрофобной группой [7. Кусков А. Н., Штильман М. И., Тсатсакис А. М., Торчилин В. П., Ямсков И. А. Синтез амфифильных полимеров поли-N-винил-пирролидона и акриламида различного строения. // Журнал прикладной химии, 2005, Т. 78, № 5, C. 822−826.]. Молекулы полимеров, содержащие жирнокислотные остатки, являются амфифильными, так как имеют большую гидрофильную часть и короткую, но сильно гидрофобную часть.

Свойства амфифильных полимеров определяются химическим строением и гидрофильно-гидрофобным балансом их макромолекул. В зависимости от гидрофильно-гидрофобного баланса такие сополимеры могут быть как масло-, так и водорастворимыми, в связи с чем можно выделить два класса полимеров: иономеры и гидрофобно-модифицированные полимеры.

1.1.2 Самоорганизация амфифильных полимеров

Явление мицеллообразования представляет интерес для различных областей химии, таких как физическая химия, биохимия, химия полимеров. В частности, значительное внимание уделяется амфифильным полимерам различного строения, которые способны к самоорганизации в водных растворах, подобно низкомолекулярным поверхностно-активным веществам.

Способность к самоорганизации в полярных и неполярных средах с образованием различных агрегатов является важной характеристикой амфифильных полимеров. В водной среде амфифильные молекулы блоксополимеров типа АВ самоорганизуются с образованием мицелл.

Мицелла — устойчивое образование из определенного числа (например, нескольких десятков) молекул полимера, является простейшим агрегатом [1]. Мицеллы представляют собой образования, часто близкие к сферическим, в которых полярные группы контактируют с полярной средой (водой), а гидрофобные радикалы находятся внутри, образуя неполярное ядро.

Как и для низкомолекулярных биполярных молекул, появление агрегатов в растворах происходит выше некоторой концентрации, так называемой, критической концентрации мицеллообразования. Для водных растворов амфифильных блоксополимеров характерна аналогичная картина. Ниже критической концентрации мицеллообразования (ККМ) в растворе можно наблюдать отдельные молекулы полимера. При концентрации полимера в растворе, приближающейся к ККМ начинают образовываться мицеллы, которые находятся в термодинамическом равновесии с неассоциированными молекулами полимера. Величина ККМ зависит от целого ряда факторов: природы амфифильного полимера, длины и степени разветвления углеводородного радикала, присутствия электролитов или других органических соединений, рН раствора.

Однако основным фактором является соотношение между гидрофильными и гидрофобными свойствами полимера. Так, чем длиннее углеводородный радикал и слабее полярная группа, тем меньше величина ККМ (наиболее полно современные представления о термодинамике растворов ПАВ и процессах мицеллообразования освещены в монографии Русанова [14]).

При концентрациях ПАВ, превышающих ККМ, возможно образование нескольких типов мицелл (Рис. 3) и их агрегатов, различающихся по форме: сферические, цилиндрические, гексагонально упакованные, ламеллярные. Таким образом, мицеллы и их агрегаты можно рассматривать как одномерные, двумерные и объёмные нанообъекты.

Рис. 3. Структуры, возникающие в растворах ПАВ. 1 — мономеры, 2 — мицелла, 3 — цилиндрический агрегат мицелл, 4 — гексагонально упакованные цилиндрические агрегаты мицелл, 5 — ламинарный агрегат мицелл, 6 — гексагонально упакованные капли воды в обратной мицеллярной системе

Амфифильные полимеры с длинным углеводородным радикалом и слабой полярной группой могут растворяться в неполярных жидких фазах и практически не растворяться в воде. В этом случае при определённой концентрации полимера также наблюдается образование мицелл, которое обусловлено специфическими взаимодействиями между полярными группами амфифила. Такие мицеллы называют обратными. Форма обратных мицелл зависит от концентрации полимера и может быть различной.

Так как вода является термодинамически плохим растворителем для гидрофобной части макромолекулы, последняя образует ядро частицы, а оболочка состоит из гидрофильной части молекулы, которая также оказывает стабилизирующее влияние на систему. Триблок- и привитые сополимеры могут образовывать кроме приведенных на рис. 3 структур мицеллы со смешанной оболочкой (без разделения цепей), мицеллы с разделенной оболочкой (с боковым, радиальным разделением цепей), везикулы и др. [8. Fustin C.A., Abetz V., Gohy J.F. Triblock terpolymer micelles: a personal outlook. // Eur. Phys. J., ASAP, 2005, № 2, P. 291 — 302. ,

].

Для веществ, способных к самоорганизации в растворах, введен термин «число агрегации». Число агрегации может быть определено как число единичных молекул (макромолекул), объединяющихся в мицеллу. В зависимости от природы полимеров числа агрегации (n) могут изменяться от десятков до нескольких сотен, при этом будут меняться и размеры мицелл.

1.1.3 Движущие силы самоорганизации

Термодинамические аспекты самоорганизации амфифильных полимеров, в принципе, абсолютно схожи с такими же процессами для низкомолекулярных амфифильных молекул. Способность амфифильных макромолекул к самоорганизации определяется несколькими факторами.

Для водных систем важнейшими являются гидрофобные и электростатические взаимодействия. Под гидрофобными взаимодействиями понимают силы эффективного притяжения между окруженными водой неполярными органическими группами. Такие силы имеют в основном энтропийную природу. Их происхождение объясняется нарушением характерной для воды сетки водородных связей при внедрении чужеродной молекулы или атомной группировки. Гидророфобное притяжение, подобно вандерваальсовским взаимодействиям атомов, распространяется на небольшие расстояния — порядка нескольких атомных диаметров. Электростатические силы являются дальнодействующими (по закону Кулона).

В принципе, образование агрегатов из амфифильных молекул возможно и в неполярных средах. За счет взаимного притяжения гидрофильных частей макромолекул и стремления углеводородных гидрофобных частей оказаться в окружении неполярного растворителя могут формироваться, так называемые, обратные мицеллы. В этом случае полярные части молекул составляют плотное мицеллярное ядро, а неполярные «хвосты» экранируют его от гидрофобного растворителя.

Диссоциация ионогенных полимеров в водных средах приводит к образованию заряженных групп. Для самоорганизации таких полимеров, в которых звенья обладают зарядами, кулоновские взаимодействия приводят к отталкиванию одноименно заряженных звеньев. Как правило, такие силы заметно преобладают над гидрофобным притяжением. Более благоприятного баланса противоборствующих сил можно добиться, понизив долю заряженных звеньев, например, в результате сополимеризации диссоциирующих и недиссоциирующих мономеров, либо используя макромолекулы, суммарный заряд которых зависит от рН среды.

Следует отметить, что формирование устойчивых ассоциатов возможно не только за счет гидрофобных или ионных взаимодействий, но и в результате возникновения межмолекулярных водородных связей, комплексов с переносом заряда, координационных комплексов и т. д.

1.2 Поливинилпирролидон и его свойства

ПВП обладает уникальным комплексом физико-химических, химических и биологических свойств, ценных для его практического использования.

Наличие в макромолекуле полимера лактамного цикла обеспечивает растворимость полимера в воде. ПВП представляет собой желто-белый порошок с t размягчения ~ 140 — 160 С, d420 = l, 19; nD20 =1,58 (для пленки).

При нагревании выше 150 С полимер приобретает оранжево-бурую окраску и перестает растворяться в воде и органических растворителях, плотность сухого полимера составляет 1,13 г/см3. ПВП очень гигроскопичен, согласно [23, 24] на один грамм полимера приходится 0,084 г. воды. ПВП растворяется в воде, спирте, полиспиртах, хлорированных и фторированных углеводородах, кетонах, лактонах, нитропарафинах. Теплота растворения полимера равна 16,8 кДж/моль и уменьшается в присутствии солей. Вязкость водных растворов ПВП практически не зависит от рН раствора. Вследствие своей способности гидратироваться ПВП не растворяется в несмешивающихся с водой растворителях. При применении для растворения ПВП смесей воды с растворителями, смешивающимися с ней, например, ацетона, наблюдаются области несмешиваемости, и это свойство используется для фракционирования полимеров методом дробного осаждения. При изучении полярографических и диэлектрических свойств ПВП показано, что диэлектрическая константа зависит от концентрации полимера в воде, увеличиваясь от 20,1 при концентрации 13,5 г/л до 44,2 — при 100 г. /л.

ПВП обладает достаточно высокой химической стойкостью, которая возрастает с увеличением молекулярного веса полимера. Деполимеризация сухого ПВП протекает при температуре 230−270С, прибавление воды и повышение температуры ведет к увеличению скорости деполимеризации.

Амидные группы в боковой цепи ПВП устойчивы к тепловой обработке в водном растворе до 110−130С. Слабые кислоты и щелочи не вызывают химических превращений пирролидонового кольца.

Исследования коллоидных свойств водных растворов ПВП показали, что он не осаждается из водного раствора при нагревании даже до 100С, что может указывать на отсутствие склонности этого полимера к гидрофобной агрегации. Считают, что молекулы ПВП в водном растворе представляют собой статистические клубки; что связывают со специфической структурой звеньев ПВП [23, 24].

Поливинилпирролидон относится к нейтральным полимерам с неспецифической активностью, физиологическая активность которых обусловлена их физико-химическими свойствами (молекулярной массой полимера, молекулярно-массовым распределением). Важным свойством таких полимеров является незначительное взаимодействие со структурными элементами организма и, прежде всего, с клеточными мембранами и биополимерами [23].

ПВП широко применяется в промышленности. Так же, как и в медицине, здесь используются главным образом его способность к комплексообразованию с различными соединениями, гидрофильность, легкая растворимость во многих растворителях. Широко ПВП применяется в текстильной, пищевой, фармацевтической промышленности, производстве косметических средств [25, 26].

1.2. 1 Полимеризация N-винилпирролидона

Впервые ПВП был получен Фикенчером и Херле в 1939 г. методом полимеризации в воде в присутствии пероксида водорода и аммиака. Полимеризацию проводили в буферных нейтральных или слабо щелочных растворах для того, чтобы избежать гидролиза альдегида. Было показано, что скорость реакции увеличивается с ростом начальной концентрации мономера до конверсии мономера 35%, затем остается постоянной в диапазоне от 35 до 60% и уменьшается снова при дальнейшем увеличении концентрации мономера. Реакция полимеризации ингибируется кислородом.

Выделение полимера из водного раствора в виде порошка осуществляли высушиванием в распылительной сушке, затем экстрагированием органическим растворителем, например, хлористым метиленом [23, 24].

Пероксид водорода участвует в реакциях, контролирующих скорость полимеризации, молекулярную массу и ММР полимера. Это: окислительно-восстановительная реакция инициирования с участием примесных ионов железа, линейный обрыв цепи, окисление аммиака и других примесей, присутствовавших в мономере и, наконец, реакция гидролиза лактамного кольца. Участие Н2О2в этих реакциях изменяет соотношение Н2О2 / NВП в ходе полимеризации, что приводит к уширению ММР до 4. Быстрое исчерпание Н2О2 снижает выход полимера, что требует дополнительной стадии экстракции мономера органическим растворителем.

Таким образом, реакция полимеризации NВП в присутствии Н2О2 и NH3 при кажущейся простоте ее осуществления, является весьма сложной и требует тщательного контроля качества всех реагентов и условий проведения процесса.

При проведении полимеризации NВП в органическом растворителе (спирте) или в массе для инициирования процесса применяют алифатические гидропероксиды, например, третбутилгидропероксид, кумилгидропероксид, которые одновременно являются регуляторами молекулярной массы полимера [23, 27, 28].

В некоторых патентах [28, 27] отдается предпочтение изпропиловому спирту, как растворителю и передатчику цепи. Он не снижает скорость полимеризации и легко удаляется из полимерных растворов перегонкой с водяным паром.

При проведении полимеризации винилпирролидона в растворе в присутствии азобиоизобутилонитрила в качестве инициатора молекулярную массу полимера регулируют меркаптанами — бензилмеркаптаном, тиофенолом, меркаптоуксусной и тиоуксусной кислотами и т. д.

Активность изученных регуляторов молекулярной массы ПВП изменяется в следующем ряду:

HOOC — CH2SH > C6H5SH > C6H5CH2SH > CH3COSH > C3H7SH

Существуют суспензионные и эмульсионные методы синтеза ПВП, в которых полимеризацию NВП проводят в смеси гептана и воды с использованием стабилизаторов суспензии, таких как поли-N-винилметил-пирролидон или его сополимеры. В этом случае, в зависимости от количества инициатора и добавленной воды получают ПВП с молекулярными массами от 50 000 до 1 000 000.

1.2. 2 Применение поливинилпирролидона в медицине

ПВП нашел широкое применение в медицине благодаря своей хорошей растворимости в воде, отсутствию токсичности и высокой склонности к комплексообразованию. В зависимости от величины молекулярной массы, он применяется в качестве основы кровезаменяющих растворов, для дезинтоксикации организма, для пролонгирования действия лекарств, в качестве основного биологического компонента, определяющего лекарственные свойства препарата.

ПВП используется для приготовления большого числа лекарственных композиций различного назначения и разнообразных лекарственных форм (таблетки, порошки, драже, микрокапсулы, мази, инъекционные растворы и т. д.). Например, в медицинской практике ПВП широко используется для приготовления препаратов различного назначения: ПВП с молекулярной массой 2000 — 3000 входят в состав лекарственных форм в качестве растворителя [29, 30], из ПВП молекулярной массы 7000 — 15 000 готовят препараты дезинтоксикационного действия [29, 31, 32] и препараты с антибиотиками [29, 33−36]. На основе ПВП молекулярной массы 15 000 — 30 000 получают комплексы с йодом, как основу антисептических препаратов [29, 37, 38]. Растворы ПВП с ММ 10 000 — 30 000 используются в качестве плазмозаменяющих препаратов крови [33, 39], а с ММ 40 000 — 50 000 применяют для получения лекарственных препаратов пролонгированного действия [39].

Из препаратов, содержащих ПВП, известностью пользуется гемодез (Россия). Порошок комплекса «ПВП — йод» служит субстанцией для приготовления множества различных лекарственных форм [39].

Известно, что ПВП в водном растворе обладает способностью образовывать комплексы с различными веществами органического строения [25, 23, 41]. Образование комплекса между водорастворимым полимером и малорастворимыми в воде органическими молекулами лекарственного вещества способствует увеличению растворимости последних в воде. Другими словами, введение ПВП в лекарственную форму позволяет увеличить концентрацию действующего начала в растворе, получить более стабильный препарат и в ряде случаев даже изменить время действия вещества в организме [33−36]. ПВП в водном растворе образует комплексы с большим числом лекарственных веществ таким, как пенициллин, новокаин, гексобарбитал, сульфаниламидные производные, инсулин, морфин и т. д. [42]. Для получения инъекционных растворов этих комплексов применяют ПВП с ММ 30 000 — 50 000.

Широкое применение ПВП различной молекулярной массы и молекулярно-массового распределения потребовало подробного исследования фармокинетики ПВП. Изучали распределение ПВП по органам, время выведения фракций ПВП различной ММ из организма, возможность неблагоприятного воздействия макромолекул ПВП, задерживающихся в организме длительное время, его влияние при однократном и повторном введении животным [43−45]. Было показано, что доза ZD50 при пероральном и внутривенном применениях составляет 100 г. /кг и 10−15 г. /кг соответственно. Он не подвергается метаболизму в живом организме и его выведение из него зависит от ММ и ММ поливинилпирролидона. Установлено, что при повторном внутривенном введении животным терапевтических доз нефракционированного ПВП со средней ММ 12 600 (до 5 доз), последний не обнаруживается в органах через 48 часов, при 5 — 6 кратном увеличении дозы ПВП не был выявлен в тканях через 5 дней. Было установлено, что наиболее быстро из организма выводится ПВП с ММ от 5000 до 12 000 (через 1 — 7 сутки), с увеличением же ММ ПВП выведение его из организма животных замедляется. Так, ПВП со средней ММ 42 000 выделяется из почек и печени белых мышей к 60-м суткам [44]. Радиографическим методом было продемонстрировано, что молекулы ПВП с ММ 25 000 выделяются из организма путем клубочковой фильтрации. Основная масса (80 — 90%) нефракционированных образцов ПВП с ММ 7000 и 5000 выделяется в течение 24 часов после однократного внутривенного введения его крысам в дозе 200 мг/кг [46]. Полное освобождение организма от ПВП происходит в течение 7 — 22 дней. Основное количество полимера (до 93%) выводятся из организма почками, а на долю желудочно-кишечного тракта приходится лишь 7%.

Накопление ПВП с высокой молекулярной массой в органах приводит к различным нарушениям их функционального состояния. Так, выявлены аномалии купферовских клеток и увеличение печени. Большие дозы ПВП введенные в организм суммарно, в течение длительного времени, вызывают «болезнь накопления», которая описана в [47, 48]. Заболевания сопровождаются характерной симптоматикой: дерматозы, ревматоидные боли суставов, развитие легочной недостаточности.

Сведения об использование поливинилпирролидонов в качестве физиологически активных полимеров скудны.

1. 3 Проблемы создания искусственной крови

Сейчас повсеместно для восполнения кровопотери при различных патологических состояниях, возникающих в результате травм, боевых ранениях при ведении военных действий, некоторых заболеваний организма, в экстремальных ситуациях характеризующихся патологией системы крови, используются гемотрансфузии как цельной крови, так и отдельных ее компонентов. Но существуют недостатки применения гемотрансфузий, которые играют в клинике немаловажную роль.

Эти недостатки связаны с опасностью передачи с переливанием крови бактериальных и вирусных инфекций (гепатит В; ВИЧ); возможностью несовместимости донорской крови и крови реципиента по антигенному составу; короткими сроками хранения донорской крови. Кроме этого, в определенных клинических ситуациях (шок, обусловленный тяжелой кровопотерей, анемия, массовый травматизм) наличие растворов кислородпереносящих кровезаменителей было бы весьма желательным. Еще в 1796 г. Российская Академия наук объявила конкурсную тему: «О химическом составе крови и возможности создать искуcственный заменитель» [49].

В нашей стране работа по созданию и изучению «искусственной крови» ведется в Центральном и Санкт-Петербургском институтах гематологии и переливания крови и в Институте биофизики г. Пущино [49].

Для лечения кровопотери и шока необходимы прежде всего кровозаменители, которые обладали бы выраженным волемическим свойством и способностью существенно улучшать реологические свойства крови и микроциркуляцию.

После кровопотери, механической, термической травмы с развитием шока в организме обнаруживаются изменения функций по существу всех органов и систем. При этом особое место занимает гипоксия и интоксикация организма. Для коррекции этих нарушений уже недостаточно указанных выше свойств кровозаменителей. В связи с этим возникает необходимость расширить спектр их лечебной эффективности. Это может быть реализовано двумя путями: введением кровозаменителей с одновременным применением различных фармокологических и биологически активных веществ или использованием комплексных кровезаменителей, включающих различные средства, нормализующие функцию органов и систем.

В связи с расширением исследований по созданию кровезаменителей полифункционального действия возникает вопрос, сколь большой может быть номенклатура кровезаменителей полифункционального действия.

Нельзя не отметить, что создание каждого кровезаменителя полифункционального действия — довольно сложный и трудоемкий процесс, требующий всесторонних доклинических и клинических исследований. При попытке введения в состав кровезаменителя ингредиентов, обеспечивающих коррекцию различных функций организма, приходится сталкиваться с физико-химической несовместимостью ряда ингредиентов, трудностями длительного хранения создаваемых растворов, невозможность учитывать фазность их действия.

Одна из важнейших задач современной трансфузиологии — создание кровезаменителей, обладающих функцией переноса кислорода и способных при кровопотере и шоке возместить уменьшение количества эритроцитов в сосудистом русле. Исследования по решению этой задачи проводятся как в нашей стране, так и за рубежом по двум направлениям: разработка кровезаменителей на основе гемоглобина, свободного от стромальных белков и прокоагулянтов, и создание кровезаменителей на основе перфторированных соединений. Несмотря на определенные успехи в этой области, требуются дальнейшие исследования по повышению способности указанных кровезаменителей транспортировать кислород и изучению их безвредности для организма [50, 51].

1. 4 Кровезаменители

Кровезаменители — это жидкости, которые при внутривенном введении больному могут отчасти заменить функции крови.

1. 4. 1 Препараты белков крови

В качестве плазмозаменителей на основе компонентов крови используют растворы альбумина, протеина, криопреципитата и гамма-глобулина. Альбумин — один из важнейших белков плазмы крови, составляющий около половины всех ее белков 1 г альбумина способен связать такое же количество жидкости, как 18 мл натуральной плазмы. Он поддерживает коллоидные и реологические свойства крови, принимает участие в транспорте различных веществ, и, что немаловажно, долго удерживается в сосудистом русле.

Протеин — препарат донорской крови, состоящий из альбумина (на 75−80%) и глобулинов (20−25%). По своим свойствам раствор протеина близок к плазме крови. Кроме того, он содержит железо, что придает ему антианемические свойства.

Криопреципитат, получаемый центрифугированием размороженной плазмы, представляет собой концентрат фактора свертывания крови (антигемофильный глобулин), фибриногена и фибринстабилизирующего фактора. Показания к переливанию криопреципитата — гемофилия, болезнь Виллебранда.

Растворы гамма-глобулинов направленного действия (например, противогриппозный, противостолбнячный, антистафилококковый) применяются для профилактики и лечения инфекционных заболеваний, осложнений огнестрельных ран, термических и лучевых повреждений.

1.4. 2 Кровозаменители на основе гемоглобина

Попытки применения растворов гемоглобина в клинических целях предпринимались уже в начале века и были возобновлены в 30 — 40 гг. Эксперименты по введению растворов гемоглобина в различных дозах, концентрациях и при разных степенях кровопотери показали способность последних поддерживать жизнь животных, обеспечивая транспорт кислорода. Однако эти работы выявили также выраженную нефротоксичность этих препаратов.

Одна из основных причин нефротоксичности установлена в 1967 г. после применения растворов гемоглобина, очищенных от стромальных компонентов. Они не повреждали почки. Сделан вывод в том же году, что повреждение почек вызывается стромальной фракцией эритроцитов [52].

Выше уже говорилось о том, что раствор гемоглобина при введении его в кровоток резко увеличивает онкотическое давление, тем самым изменяя гемодинамику. Однако, согласно последним данным, полимеризованный гемоглобин с молекулярной массой 600 000 при концентрации 6г/100 мл обнаруживает сравнительно небольшое онкотическое давление крови порядка 20 мм. рт. ст., что близко к онкотическому давлению крови. Но при концентрации 12 г/100 мл раствор такого гемоглобина имел онкотическое давление 40 мм. рт. ст. Но в Америке (A.G. Greenburg) создан гемоглобин с молекулярной массой 1 млн., который даже в концентрации 14г/100 мл обусловливал онкотическое давление 20 мм рт. ст. При такой концентрации раствор имеет кислородную емкость, равную таковой для цельной крови.

В современной литературе по этой проблеме встречаются мнения о том, что полимеризованный гемоглобин с большой и очень большой молекулярной массой является первым реальным кандидатом на преклинические и клинические испытания. Но возникают проблемы, без решения которых нельзя приступать к клиническим испытаниям.

Одна из таких проблем — неясность судьбы этих гигантских молекул в организме.

Предполагают, что они разрушаются в ретикулоэндотелиальной системе опсонинами плазмы и макрофагами. Внеэритроцитарный гемоглобин слишком быстро выводится из кровеносного русла [53].

В настоящее время обсуждаются следующие пути решения этой проблемы: моделирование эритроцитов путем микрокапсулирования растворов гемоглобина; химическая модификация гемоглобина с получением полигемоглобина и его конъюгатов с биополимерами; внутримолекулярная модификация гемоглобина, препятствующая его диссоциации на димеры.

Важным направлением в современном развитии проблемы создания «искусственной крови» является создание неких микротелец или микрокапсул, содержащих гемоглобин. Но первые опыты были неудачны, а перспективную идею вывели из небытия совсем недавно M.C. Farmer и B.P. Garber, создав методику получения липосом. При осуществлении микрокапсулирования растворов гемоглобина для создания искусственных мембран используются, кроме липидов, и синтетические полимеры, некоторые полимеризованные белки. Толщина получаемых мембран сравнима с толщиной мембран эритроцитов.

Казалось бы, что эта упрощенная модель эритроцита, судя по экспериментальным данным, может успешно функционировать в человеческом организме, и пора бы переходить на клинические испытания. Но в этих липосомах гемолипидный комплекс был способен осуществить лишь около 1 тысячи циклов «оксигенация — дезоксигенация». Это означает 6 — 8 часов «работы». Эритроцитарный же гемоглобин функционирует в течение 90 — 120 дней (по другим данным 40 дней) и способен осуществить 400 тысяч циклов.

Кроме этого, автор в своей работе засекретил методику изготовления микротелец, но, учитывая строение микротелец и насколько сложна их конструкция, можно предположить, что методика очень дорогая и трудоемкая, и она не сможет удовлетворить потребности, например при массовом травматизме. К тому же возникает вопрос о механизмах разрушения и дезактивации таких очень сложных структур и продуктов их разрушения. Отмечается также внедрение искусственных липосом в элементы ретикулоэндотелиальной системы клетки и нарушении ее функции [52, 53, 54].

Самой важной проблемой создания «искусственной крови» данного направления остается сохранение гемоглобином нативных свойств в течение длительного промежутка времени. В норме непрерывно происходящее разрушение этой сложной молекулы в эритроците купируется с помощью биологической работы ресинтеза, которая протекает с использованием энергии за счет гидролиза АТФ. Возможность искусственного получения таких мембран была показана еще 20 лет назад. Имеется принципиальная возможность создания таких мембран и для гемоглобинсодержащих липосом, но такая перспектива выглядит довольно отдаленной [53, 51].

Недостаток модифицированного гемоглобина — в более высоком, по сравнению с донорской кровью, сродстве к кислороду, что связано с отсутствием регулятора обратной оксигенации и более низкой кислородной емкости. В последнее время найден метод, который позволяет устранить этот недостаток путем создания модифицированного гемоглобина, способного к обратимой оксигенации. Вследствие больших размеров молекулы модифицированного гемоглобина (при его степени полимеризации свыше 25 — 30%) увеличивается СОЭ до 55 — 60 мм/ч [55].

В последнее время активизировались исследования бычьего гемоглобина с целью использования его в качестве основы для создания «искусственной крови». Бычий гемоглобин тщательно очищают от примесей путем кристаллизации, полимеризуют и соединяют его с пиридоксаль-фосфатом.

1.4. 3 Перфторуглеродные эмульсии

Другое направление создания «искусственной крови» — создание синтетической модели крови на основе перфторорганических соединений.

Уникальные свойства ПФУ — способность растворять кислород и углекислоту, высокая инертность — послужили основанием для создания кислородпереносящих кровезаменителей именно на основе перфторуглеродов. Первое поколение ПФУ — флюосол — ДА (Япония) был испытан в клинике [56].

Перфторированные жидкости полностью нерастворимы в воде и поэтому в качестве кровозаменителей их можно использовать только в виде эмульсий. Капельки эмульсии можно рассматривать как своеобразную модель эритроцита, где фторуглерод заменяет гемоглобин, а слой эмульгатора наружную мембрану эритроцита. Но, в отличие от гемоглобина, характер присоединения и отдачи кислорода эмульсией перфторуглеродистых соединений иной. Кривая диссоциации цельной крови (оксигемоглобин) имеет S-образную форму, зависимость насыщения же фторорганической эмульсии от парциального давления кислорода выражается на графике прямой линией [49]. Известны ПФУ, обладающие повышенной кислородной емкостью: диметиадамантан, октилбромид и некоторые другие [53, 57].

В рецептуру большинства существующих в настоящее время эмульсий перфторорганических соединений, предназначенных для применения в медицинской практике, включен синтетический эмульгатор, относящийся к классу поверхностноактивных веществ — блоксополимер оксида этиленаоксида пропилена, известный в зарубежной литературе под названием «плюроник», а в отечественной — «проксанол».

Это поверхностно-активное вещество стабилизирует перфторорганические соединения in vitro, препятствуя процессу коалесценции [58].

Эмульсии перфторорганических соединений могут быть использованы для трансфузии, по мнению некоторых исследователей, только лишь в том случае, если животные или человек будут дышать при этом не воздухом, а кислородом [49,59].

Известно, что различные эмульсии перфторорганических соединений неодинаково выводятся из организма, некоторые из них могут длительное время сохраняться в организмах экспериментальных животных. Это представляет серьезную проблему, решить которую позволят исследования длительности нахождения фторуглеродов в организме, времени циркуляции в кровотоке, мест кумуляции и депонирования, методов дезинтоксикации и путей выведения из организма. Кроме того, частицы эмульсии перфторорганических соединений способны сорбировать большие количества холестерина и липидов, что, возможно, влияет на время циркуляции в кровотоке и места кумуляции. Этот эффект сорбции можно использовать в медицинской практике, в частности в кардиологии. Эффект нужно учитывать при разработке новых эмульсий ПФУ и иметь ввиду при назначении таких препаратов больным с большим содержанием холестерина в крови. У эмульсий ПФУ есть еще один эффект, который нельзя не учитывать: применение их в качестве кислородпереносящих кровезаменителей активирует в клетке функции цитохрома Р 450. Такой эффект указывает на повышенное образование в клетке кислородных радикалов, которые могут участвовать в разрушении клеточных структур. Эмульсии ПФУ не влияют на реакцию связывания аллоантигенов человека с полными (АВО) и неполными (Rh), алло- и преципитирующими ксеногенными антителами и, следовательно, на определение групповой и резуспринадлежности крови. Присутствие эмульсии ПФУ заметно угнетает реакцию лимфоцитотоксических HLA — антител с лимфоцитами, розеткообразование Т- и В-лимфоцитов. Эмульсии ПФУ обеспечивают эффективное восстановление капиллярного кровотока, функционального состояния микрососудов и перфузии тканей.

Одним из недостатков инфузии кровезамещающего раствора является некоторое ухудшение агрегатного состояния крови и повышение проницаемости микрососудов. Вполне вероятно, что эти качества препарата связаны с недостаточной очисткой исходного материала и неполной гомогенностью суспензии.

1.4. 4 Плазмозаменяющие препараты

В настоящее время разработана рациональная классификация кровезаменителей. В ее основу положены их функциональные свойства и особенности действия. Исходя из того, что показаниями к переливанию крови являются:

1) кровопотеря и шок различного происхождения;

2) интоксикации;

3) дефицит белка, были предложены препараты, позволяющие заменить хотя бы одну из этих функций крови.

С учетом того, что инфузионные средства осуществляют коррекцию патологических изменений в крови больного, возникающих в организме при различных патологических состояниях, их еще можно называть гемокорректорами (О.К. Гаврилов, 1975). В соответствии с указанными выше лечебными функциями гемотрансфузий выделяются следующие основные группы кровезаменителей.

К первой группе относятся полиглюкин, реополиглюкин, желатиноль, полифер. Их назначают для лечения кровопотери, шоков различного генеза, при операциях для восстановления гемодинамики и микроциркуляции, а также для гемодилюции.

Вторая группа кровезаменителей включает дезинтоксикационные инфузионные жидкости (гемодез, полидез, неогемодез). Эти препараты применяются для лечения заболеваний, которые сопровождаются интоксикациями: отравлений, ожогов, лучевой болезни, лейкозов, токсической диспепсии, дизентерии, гемолитической болезни новорожденных, а также болезней печени и почек.

К третьей группе относятся препараты, применяемые для парентерального питания. Это белковые гидролизаты (гидролизат казеина, аминопептид, аминокровин, гидролизин и др.), смеси аминокислот (аминон, вамин, полиамин, мориамин, морипрон, азонутрил, альвезин и др.), жировые эмульсии (липофундин, интралипид и др.), витаминные смеси для парентерального введения (солувит).

Выделяют также и четвертую группу кровезаменителей, к которой относят кристаллоидные солевые растворы: дисоль, трисоль, хлосоль и др., а также осмодиуретические вещества. Эти средства участвуют в регуляции кислотно-основного равновесия, водно-электролитного обмена и отчасти корригируют состав крови.

В настоящее время активно ведутся работы, направленные на создание кровезаменителей, которые могут быть отнесены к пятой группе — переносчики кислорода. И, наконец, выделяют шестую группу — кровезаменители комплексного действия.

Независимо от группы и характера действия, все кровезаменители должны обладать физико-химическими и биологическими свойствами, близкими свойствам плазмы крови, т. е. должны быть: изоионичными; изотоничными; изоосмолярными; неанафилактогенными.

Кровезаменители гемодинамического действия

Полиглюкин

Полиглюкин представляет собой 6% раствор среднемолекулярной фракции частично гидролизованного декстрана, который по своему гемодинамическому, противошоковому действию превосходит не только все имеющиеся кровезаменители, но и донорскую кровь.

Полиглюкин имеет среднюю молекулярную массу 60 000 (±10 000) и представляет собой бесцветную или слегка желтоватую жидкость.

Препарат стерилен, нетоксичен, апирогенен.

Механизм лечебного действия. При внутривенном введении полиглюкин достаточно быстро повышает АД и стойко его поддерживает на высоком уровне. После введения полиглюкин долго циркулирует в кровеносном русле (до 3−4 сут), постепенно покидая его (половина введенного препарата выделяется в первые сутки). Такая длительная циркуляция в крови по сравнению с солевыми растворами объясняется тем, что полиглюкин, обладая относительно большой молекулярной массой, не проникает через сосудистые мембраны. За счет высокого осмотического давления (оно в 2,5 раза выше такового у белков плазмы крови) он притягивает в кровоток тканевую жидкость и удерживает ее, поэтому при инфузии полиглюкина ОЦК возрастает на величину, несколько большую, чем объем введенного препарата.

Также установлено, что полиглюкин вызывает улучшение окислительных процессов, а результатом этого является повышение поглощения кислорода периферическими тканями организма.

Полиглюкин также оказывает дезагрегирующее действие, которое обусловлено тем, что он обволакивает тонкой пленкой эритроциты и тромбоциты. Эта пленка препятствует физиологической агглютинации тромбоцитов и предотвращает образование монетных столбиков эритроцитов.

Реополиглюкин

Реополиглюкин — 10% раствор низкомолекулярного декстрана с пониженной вязкостью и средней молекулярной массой 35 000. За рубежом его растворы называются реомакродексом. Оказывает выраженное противошоковое действие — увеличивает ОЦК. Наряду с этим обладает антиагрегантными свойствами — дезагрегирует форменные элементы крови и поэтому назначается при нарушениях микроциркуляции, в частности больным, у которых после хирургических операций наблюдается агрегация клеток крови в мелких сосудах.

Реополиглюкин используют для заполнения аппаратов искусственного кровообращения при операции на открытом сердце.

Механизм лечебного действия. В силу того, что реополиглюкин является производным низкомолекулярного декстрана, он обладает свойством гиперонкотичности. Это значит, что каждые 10 мл введенного препарата привлекают в сосудистое русло еще 10−15 мл тканевой жидкости, в результате чего увеличивается ОЦК, что и вызывает повышение АД.

Кроме коррекции гемодинамики на макроуровне реополиглюкин действует и на уровне микроциркуляторного русла. Антиагрегантное действие реополиглюкина на клетки крови приводит к редепонированию крови из капиллярной сети.

Основное количество препарата выделяется из организма еще в первые сутки после инфузии с мочой. Остальная часть препарата выделяется через 2−3 сут.

Реоглюман

Реоглюман представляет собой 10% раствор декстрана с молекулярной массой 40 000±10 000, с добавлением 5% маннита и 0,9% хлорида натрия. Реоглюман — прозрачная бесцветная жидкость.

Механизм лечебного действия. Препарат представляет собой полифункциональный кровезаменитель. Он улучшает реологию крови: уменьшает ее вязкость, способствует восстановлению кровотока в мелких капиллярах, предотвращает, ликвидирует или тормозит агрегацию форменных элементов крови, обладает дезинтоксикационным, диуретическим и гемодинамическим свойствами, способствует переходу тканевой жидкости в кровеносное русло.

В первые сутки выделяется из организма примерно 70% реоглюмана, преимущественно почками.

Желатиноль

Желатиноль представляет собой 8% раствор частично гидролизованного желатина. Это прозрачная жидкость янтарного цвета с молекулярной массой 20 000, легко вспенивается при взбалтывании, содержит ряд аминокислот: глицин, пролин, метионин и др.

Желатиноль нетоксичен, апирогенен, не вызывает антигенных реакций, не приводит к агглютинации эритроцитов

Механизм лечебного действия. Изучение эффективности желатиноля при тяжелых и смертельных кровопотерях в эксперименте показало, что его инфузии повышают АД до исходных цифр и удерживают на этом уровне. Через 1−2 ч после окончания инфузии препарата АД снижается по сравнению с исходным на 20%. ОЦК через 2 ч после опыта всегда превышает нормальный уровень и только через сутки снижается до 80%.

Таким образом, АД повышается за счет увеличения ОЦК.

Полифер

Полифер представляет собой модификацию полиглюкина. В его состав входит декстран с молекулярной массой 60 000 и железо в виде железодекстранового комплекса. Полифер является прозрачной жидкостью со светло-коричневым цветом. Инфузии полифера увеличивают ОЦК и в то же время улучшают гемопоэтическую функцию организма.

Дезинтоксикационные плазмозаменители

Дезинтоксикационные кровезаменители используются для лечения состояний, сопровождающихся интоксикацией, в том числе отравлений, ожогов, токсической диспепсии, дизентерии, заболеваний печени и почек. Действие этих препаратов обусловлено сорбционной активностью входящих в их состав макромолекул — способностью связывать в комплексы токсичные вещества и выводиться вместе с ними из организма. Согласно общепринятой классификации кровезаменителей, группа дезинтоксикационных растворов состоит, в основном, из препаратов на основе низкомолекулярного поливинилпирролидона (ПВП). До недавнего времени считалось, что он не метаболизируется, легко фильтруется почками и является безопасным.

Гемодез

Гемодез представляет собой 6% раствор низкомолекулярного поливинилпирролидона (ПВП).

Средняя молекулярная масса гемодеза 12 600±2 700. ПВП дает интенсивный дезинтоксикационный эффект при внутривенном введении, этим и обусловлено действие гемодеза. Кроме ПВП в состав гемодеза входят хлориды натрия, калия, кальция, магния, гидрокарбонат натрия.

Гемодез представляет собой прозрачную, слегка желтоватую жидкость.

Механизм лечебного действия. Гемодез связывает токсины, находящиеся в кровеносном русле, и выводит их из организма, главным образом через почки.

Наряду с дезинтоксикационным действием гемодез обладает способностью прекращать стаз эритроцитов в микро-циркуляторном русле, который обычно наблюдается при интоксикациях.

И, конечно же, гемодез обладает способностью к восполнению ОЦК.

Гемодез долгое время служил эталоном для разработчиков препаратов этой группы. Кроме низкомолекулярного ПВП со средней молекулярной массой 12 600 (максимальная масса — 45 000), в его состав входят электролиты (хлориды натрия, калия, кальция, магния и натрия гидрокарбонат). Было показано, что препарат связывает токсины в кровеносном русле, которые затем выводятся почками, уменьшает содержание свободных жирных кислот, избыточно образующихся при инфаркте миокарда, обладает антиагрегантными свойствами, усиливает диурез благодаря увеличению почечного кровотока и повышению клубочковой фильтрации. Благодаря многообразию свойств гемодез использовали на всех этапах оказания медицинской помощи: для «поддержания» гемодинамики на догоспитальном этапе, для детоксикации и форсированного диуреза, для ведения тяжелых больных в послеоперационном периоде.

Однако, по мере совершенствования методов оценки хронической токсичности фармакологических веществ и системы контроля побочных действий лекарств, появлялось все больше снований для сомнений в безопасности и эффективности гемодеза. Отмечались его многочисленные побочные эффекты: гиперемия, снижение АД, нарушения со стороны почек, в том числе редукция диуреза, особенно при длительном лечении хронических интоксикаций. Основной причиной токсичности гемодеза является содержание высокомолекулярных фракций ПВП, которые, депонируясь в лимфатической ткани, вызывают тяжелые иммунные нарушения. Причем, даже если пациент хорошо переносит инфузии гемодеза, впоследствии могут возникнуть осложнения с тяжелым течением. По сравнению с другими инфузионными растворами и плазмой крови состав электролитов гемодеза недостаточно сбалансирован, что служит препятствием для его назначения при значительных нарушениях обмена электролитов. Кроме того, связывая токсины, ПВП приобретает аллергенные свойства. Учитывая, что любое патологическое состояние сопровождается накоплением токсинов, использование в этих случаях гемодеза несет риск осложнений и может оказать неблагоприятное воздействие на мембраны клеток, выполняющих барьерную функцию.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой