Конкурс «био/мол/текст»-2018

Эта работа опубликована в номинации «Биофармацевтика» конкурса «био/мол/текст»-2018.

---

Партнер номинации — медицинская компания «Инвитро».

---

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Его величество Циклодекстрин!

Циклодекстрины (декстрины) были выделены в конце 19 века французским фармацевтом Антуаном Вильерсом, который изучал ферментативное расщепление углевода — крахмала. Для ферментативной реакции Вильерс «заражал» крахмальную пасту бактериями Bacillusaminobacter, под воздействием которых крахмал распадался, и выделялись кристаллики нового вещества, устойчивые к действию кислоты и воды. Вещество назвали целлюлозином, примерная химическая формула которого представлена в виде тригидрата: (C₆H₁₀O₅)₂×3H₂O. При различных условиях реакции выделялось два типа кристаллов (вероятнее всего, это были два вида циклодекстрина, различающиеся количеством остатков глюкозы — альфа- и бета-формы), которые Вильерс принял за изомеры крахмала [1].

Различие между этими двумя формами наглядно показывалось на красивейших цветных реакциях с йодом. Альфа-циклодекстрины дают с йодом серо-зеленые комплексы, а в присутствии воды приобретают синий или лазурный цвет! Бета-форма реагирует с образованием красно-фиолетового комплекса, иногда с коричневатым оттенком. В чистом виде все разновидности циклодекстринов представляют собой белые кристаллические порошки, не имеющие вкуса и запаха, растворимые в воде. Если кристаллизовать разные виды циклодекстринов из соответствующего водного раствора, то получаются кристаллы красивых уникальных форм (рис. 1)! Так, альфа-циклодекстрины дают кристаллы в виде гексагональных пластинок, бета-декстрины — моноклинные параллелограммы, а если кристаллизовать гамма-декстрин, то взору предстанут квадратные призмы [1], [2].

Рентгеноструктурный анализ показал, что декстрины имеют циклическое строение, а циклы образованы олигомерами глюкозы. Исследователи также определили точные молекулярные массы веществ и доказали, что количество остатков глюкозы в альфе-форме равно шести, а в бета-декстрине — семи (рис. 2). К настоящему времени известно огромное количество других разновидностей циклодекстринов, различающихся количеством остатков глюкозы, их принято называть буквами греческого алфавита — сигма-, эпсилон-, дзета-, эта-, тета-циклодекстрины и т.д. Но это еще не всё — химический синтез делает возможным получение огромного количества производных циклодекстринов: с новыми заместитетелями, радикалами, конформациями!

Чудесные свойства циклодекстринов

Пространственную структуру циклодекстрина можно изобразить в виде бублика, внешняя часть которого содержит гидроксильные группы и является гидрофильной. Внутренняя часть включает атомы углерода, водорода и эфирные связи, создавая гидрофобную область циклодекстриновой молекулы. В полость такого «бублика» могут помещаться молекулы других веществ, и при помощи слабых ван-дер-ваальсовых сил, гидрофобных взаимодействий и других связей образуются так называемые «соединения включения», или клатраты. В процессе такого комплексообразования изменяются исходные свойства включаемых веществ, а сам циклодекстрин при этом служит еще и защитой для молекул «гостя».

В качестве «гостевых» молекул в соединениях включения все чаще выступают важнейшие биологически активные вещества и лекарственные средства, которые требуется защитить от окисления, гидролиза, ферментативной деструкции, улетучивания, избыточной гигроскопичности. Поэтому циклодекстрины нашли широкое применение в фармацевтической промышленности. Наиболее уникальное и важное свойство циклодекстринового «бублика» — это повышение растворимости труднорастворимых в воде препаратов за счет гидрофильной наружной оболочки. Биодоступность лекарственных препаратов и витаминов, заключенных в такую гидрофильную оболочку, повышается в несколько раз! Иногда клатратообразование с циклодекстринами маскирует неприятный запах и вкус лекарственных и косметических средств. Циклодекстрины мы можем обнаружить в составе зубных паст, ополаскивателей, дезодорантов, кремов, мыла, детских лекарственных форм и т.д. Использование циклодекстринов в производстве некоторых суппозиториев (Brexin, Flogene, Surgamyl и Propulsid) [3] делает возможным ректальный путь введения лекарственных средств, так как во много раз уменьшается раздражающее действие препаратов на слизистые.

Как мы видим, циклодекстрины являются вспомогательными веществами и служат своего рода носителями действующего лекарственного средства. Но существует циклодекстрин, который является сам по себе лекарственным средством! Это модифицированный гамма-циклодекстрин под названием сугаммадекс. Данный препарат нашел применение в анестезиологии, благодаря своей уникальной способности избирательно связывать вещества из группы миорелаксантов.

В настоящее время применяют различные производные циклодекстринов с лучшей растворимостью и солюбилизирующей активностью. К примеру, изучено, что гидроксипропилциклодекстрин (алкилированное производное циклодекстрина) увеличивает растворимость дексаметазона (гормонального средства, применяемого при воспалительных процессах, аллергиях, отёках головного мозга и др. заболеваниях) в 170 раз, тогда как обычный незамещенный бета-циклодекстрин увеличивает растворимость всего в 30 раз. Тот же гидроксипропилциклодекстрин способен увеличивать растворимость такого препарата как кортизона ацетат (стероидного гормона, применяемого при надпочечниковой недостаточности), почти в 250 раз [4]!

Циклодекстриновые соединения включения также широко используются в офтальмотерапии — изучены комплексы бета- и гамма-циклодекстринов с нестероидными противовоспалительными препаратами (флурбипрофен + гамма-циклодекстрин, индометацин + бета-циклодекстрин, диклофенак + бета-циклодекстрин), антиглаукомными средствами (пилокарпин + бета-циклодекстрин), противокатарактальными средствами (дисульфирам + бета-циклодекстрин), мидриатиками (средствами, применяемыми, как правило, для исследования глазного дна; тропикамид + бета-циклодекстрин) и др. Здесь можно говорить не только о повышении растворимости и биодоступности препаратов, а еще об уменьшении раздражающего действия на уязвимую оболочку глаза и об увеличении срока хранения препаратов (почти в 10 раз для комплекса пилокарпина с бета-циклодекстрином!) [4], [5].

Стоит отметить, что циклодекстрины практически полностью усваиваются организмом и могут применяться как пищевые добавки. Циклодекстрины эффективно улучшают вкусовые качества и консистенцию многих пищевых продуктов, предохраняют кондитерские изделия от высыхания. В отношении бета-циклодекстрина установлена допустимая суточная доза в пищевых продуктах, тогда как альфа- и гамма-формы являются абсолютно нетоксичными. В Австралии и Новой Зеландии альфа- и гамма-циклодекстрины считаются одними из видов продуктов питания! [6]. Интересно, что при термической обработке и под действием ферментов многие крахмалсодержащие продукты способны расщепляться с образованием небольших количеств циклодекстринов. Поедая, например, рис или картофель, мы даже не подозреваем о том, что блюдо с нашего стола уже попало в круговорот сложной цепи биохимических реакций — и циклодекстрины уже в деле! Ощущая сладкий вкус циклодекстрина на языке, можно говорить о начале процесса расщепления декстрина до мономеров глюкозы ферментами слюны.

Сегодня производят и синтезируют огромное количество разнообразных модификаций циклодекстринов. Несомненным лидером по производству является бета-циклодекстрин (около 10 тысяч тонн в год!). Связано это с тем, что именно бета-форма обладает целым рядом преимуществ по сравнению со своими собратьями (альфа-, гамма- и др. формами). Во-первых, размеры полости бета-циклодекстрина в бóльшей степени соответствуют размерам молекул включаемых веществ. Во-вторых, бета-форма имеет наибольшую температуру разложения. Это важно для изучения соединений включения с помощью термоанализа [7]. В-третьих, у бета-декстрина растворимость относительно низкая, но именно это определяет устойчивость соединений включения на воздухе. Таким образом, именно у бета-циклодекстриновых комплексов наблюдаются наибольшие сроки хранения.

Как получают циклодекстриновые соединения включения?

Существует несколько методов получения циклодекстриновых соединений включения. Одни методы основаны на смешивании и перетирании сухих компонентов исходных веществ, другие — на смешивании исходных веществ в растворах и суспензиях. Для того чтобы получить соединения включения в лабораторных условиях, понадобятся исходные вещества (циклодекстрин + включаемое вещество), ступка с пестиком, сушильный шкаф или эксикатор. В ступку помещают исходные компоненты, небольшое количество растворителя и все тщательно перетирают с помощью пестика. Время перетирания зависит от свойств включаемого вещества. Затем смесь высушивают в сушильном шкафу или эксикаторе. Промышленный способ получения декстриновых комплексов основан на тех же процессах. В некоторых случаях исходные вещества перетираются без добавления растворителя, в других — необходимо нагревание. В так называемом «методе соиспарения» смесь может долго инкубироваться при небольшом нагреве и выдерживаться в специальном роторном испарителе до испарения бóльшей части растворителей (органического растворителя и воды). Удаление растворителя также осуществляют путем лиофилизации. Этот метод зарекомендовал себя при получении комплексов декстрина с термолабильными веществами [6].

После высушивания циклодекстриновые соединения включения переходят в стабильное состояние, но при нагревании или растворении способны подвергаться диссоциации на исходные компоненты. Распад циклодекстринового соединения включения в водной фазе сопровождается переходом комплекса в растворенное состояние, а затем молекулы воды замещают молекулы включенного вещества в полости цикла. Молекулы воды могут располагаться как во внутренней полости циклодекстрина, так и в межмолекулярном пространстве. Так, например, бета-циклодекстрин кристаллизуется из водного раствора в виде гидратов переменного состава, содержащих от 11 до 12 молекул воды. Нейтронографические исследования показали, что в ундекагидрате бета-циклодекстрина (C₄₂H₇₀O₃₅×11H₂O) 11 молекул воды распределены так, что на внутреннюю полость приходится в среднем шесть молекул воды, а на межмолекулярное пространство — пять. В додекагидрате декстрина (C₄₂H₇₀O₃₅×12H₂O) внутреннюю полость занимает в среднем семь молекул воды, остальные молекулы приходятся на межмолекулярное пространство [8]. При образовании соединений включения молекулы воды вытесняются из циклодекстриновой полости молекулами «гостя».

Циклодекстрины удивительны и загадочны по своей природе — противясь теориям химической связи, они могут достаточно плотно удерживать в полостях довольно крупные молекулы самых разнообразных веществ (рис. 3). И хотя природа взаимодействий между циклодекстрином и веществом-«гостем» до сих пор однозначно не установлена [4], становится ясным, что именно вода и водородные связи играют немаловажную роль в возникновении подобных уникальных комплексов. Если одни циклодекстриновые соединения включения легко распадаются в водной фазе, то другие — напротив, могут выпадать в осадок после охлаждения соответствующего водного раствора. К примеру, взаимодействие бета-циклодекстрина с холестерином происходит в горячем водном растворе, после охлаждения которого в осадок выпадает соответствующий циклодекстриновый комплекс. Это необычайное превращение уже используется в производстве молочных продуктов с низким содержанием холестерина [8].

Как мы видим, декстрины по-разному взаимодействуют с водой. Именно поэтому эти уникальные вещества стали весьма интересными объектами исследований для лаборатории структуры водных растворов Института общей и неорганической химии РАН. С помощью инструментальных методов анализа, компьютерного моделирования и геометрического анализа можно детально исследовать процессы взаимодействия полярных и неполярных групп декстрина с молекулами воды. Стоит отметить, что раствор циклодекстрина в воде представляет любопытный случай, где одновременно реализуется два противоположных эффекта — гидрофобная и гидрофильная гидратации. Спектральными методами можно установить различные виды дефектов в сетке водородных связей, которых в растворе циклодекстринов неимоверное количество! Эти исследования важны для понимания того, какие связи характерны для полости и наружной оболочки декстринов, и для определения влияния этих связей на способность к клатратообразованию и стабильность образующихся клатратов.

Заключение

Как мы видим, свойства молекул циклодекстринов поистине уникальны! Эти свойства делают их пригодными к применению в фармацевтической промышленности, пищевом и косметическом производствах. Главным образом, циклодекстрины используются для совершенствования самых разных лекарственных форм — таблеток, мазей, суппозиториев, глазных капель и др. Декстрины имеют ряд преимуществ по сравнению с другими вспомогательными веществами и носителями — они абсолютно безопасны в использовании, имеют высокую биосовместимость, легко разлагаются и выводятся организмом. За последние годы синтезировано множество производных циклодекстринов с улучшенными свойствами. На их основе создаются неповторимые модификации множества лекарственных препаратов, что является огромным прорывом в фармацевтической технологии и в целом в фармацевтике!

Литература

1. «История циклодекстринов». (2015). StudFiles;
2. Tausch M.W. Complexation of iodine and detection of complex. Cyclodextrins;
3. Федорова П.Ю., Андресон Р.К., Алехин Е.К., Усанов Н.Г. (2011). Природные циклические олигосахариды циклодекстрины, в системах доставки лекарств. «Медицинский вестник Башкортостана». 6, 125–131;
4. Ушакова Л.С. Получение, исследование и использование комплексов включения кортизона ацетата, дексаметазона и синафлана с циклодекстринами: дис. ...канд. фарм. наук. — Пятигорск, 1996;
5. Никитин Н.А. (2014). Циклодекстрины в офтальмотерапии (обзор литературы). «Точка зрения. Восток – Запад». 2;
6. Капустин М.А., Чубарова А.С., Головач Т.Н., Цыганков В.Г., Бондарук А.М., Курченко В.П. (2016). Методы получения нанокомплексов биологически активных веществ с циклическими олигосахаридами, анализ их физико-химических свойств и использование в пищевом производстве. Труды БГУ. 11, 73–100;
7. Kaneto Uekama. (2004). Design and Evaluation of Cyclodextrin-Based Drug Formulation. Chem. Pharm. Bull.. 52, 900-915;
8. Гатиатулин А.К. Твердофазное замещение «гостя» в безводных клатратах бета-циклодекстрина: дис. ...канд. хим. наук. — Казань, 2014. — 141 с..