Dołącz do czytelników
Brak wyników

To wiedzieć powinniśmy

28 sierpnia 2018

NR 41 (Sierpień 2018)

Immunomodulacyjne właściwości kwasu hialuronowego

396

Kwas hialuronowy to związek, bez którego nie byłoby wielu odmładzających zabiegów i większości świetnych nawilżających kosmetyków. Cząsteczka ta kryje w sobie jednak wiele fakultatywnych właściwości. Należą do nich właściwości immunomodulujące. Okazuje się, iż sposób w jaki działa kwas hialuronowy w głównej mierze zależy od wielkości jego cząsteczki. Zarówno wielkocząsteczkowy jak i małocząsteczkowy wpływa na procesy zapalne w organizmie oraz neowaskularyzację tkanek. W poniższym artykule zostały opisane szczegółowo zależności pomiędzy masą cząsteczkową HA a jego przenikalnością przez błony komórkowe oraz modulowaniem miejscowych procesów zapalnych. Opisany został korzystny wpływ w miejscowej terapii zakażeń pochwy oraz procesów gojenia się ran śluzówki pochwy. Łatwość modyfikacji chemicznej i łączenia z innymi biomolekułami lub terapeutykami pozwala, aby HA stał się materiałem z wyboru, umożliwiającym powstawanie nowych modyfikacji terapeutycznych, które zależą od regulacji immunologicznej, takiej jak szczepionki, terapia genowa, dostarczanie leków, a także rozwiązanie dla medycyny regeneracyjnej.

Kwas hialuronowy (hyaluronic acid – HA) jest niesiarczanowanym glikozoaminoglikanem (GAG) i jego znaczna ilość znajduje się w macierzy zewnątrzkomórkowej ludzkiego ciała. W ostatnim czasie HA jest materiałem o rosnącym znaczeniu dla bioinżynierii i biomateriałów oraz procesów leczniczych. Jest szeroko stosowany w ginekologii i leczeniu zakażeń pochwy. Obserwuje się coraz większą liczbę badań na temat roli i potencjale HA jako modulatora układu odpornościowego ze szczególnym naciskiem na to, w jaki sposób związek struktury/właściwości HA wpływa i dostosowuje swoją funkcję jako materiał immunomodulujący. Badania sugerują, że nabłonek pochwy jest czymś więcej niż zwykłą fizyczną barierą chroniącą przed inwazją patogenów.

Immunomodulacja i wpływ kwasu hialuronowego na układ odpornościowy

Biomateriały mogą mieć znaczący wewnętrzny wpływ na układ odpornościowy poprzez propagowanie lub ograniczanie stanu zapalnego w zależności od ich właściwości fizykochemicznych. Postać, którą biomateriał przybiera (ciało stałe, hydrożel lub mikrocząstki/nanocząstki), poziom usieciowania i degradacji, hydrofobowość, topografia i charakter (syntetyczny vs uzyskany naturalnie) są ważnymi parametrami wpływającymi na jego działanie na układ immunologiczny. Inne czynniki oddziałujące obejmują różne strategie kontrolowania uwalnianie cytokin anty- lub prozapalnych, metody terapii komórkowej poprzez bezpośrednie włączenie komórek odpornościowych lub indukcję komórek po wszczepieniu [1].
Waga stopnia usieciowania HA – rusztowania o wysokim stopniu usieciowania zazwyczaj napędzają głównie zapalną odpowiedź makrofagową. Wydaje się również, że chemia powierzchni wpływa na adhezję makrofagów i profil wydzielania cytokin. Na przykład wykazano, że neutralnie naładowane polimery modyfikowane hydrofilowo promują mniej makrofagów w porównaniu z powierzchniami hydrofobowymi i jonowymi. Niemniej jednak w przypadku większości biomateriałów obciążenie lub funkcjonalizacja biomateriału za pomocą cząsteczek przeciwzapalnych jest niezbędna do modulowania zapalnego mikrośrodowiska organizmu [2].
Sam biomateriał może bezpośrednio aktywować i promować proces dojrzewania komórki dendrytycznej (DC). Te biomateriałowe centra odpornościowe mogą wywoływać specyficzne odpowiedzi immunologiczne w miejscu wstrzyknięcia, dostarczając wszystkich niezbędnych sygnałów do rekrutacji natywnych DC. Promują w ten sposób DC sprzężenie z antygenem i stymulowanie regulacji cząsteczek kostymulujących oraz wydzielanie cytokin przez DC w celu aktywacji limfocytów T [3].
Uważa się, że hamowanie kluczowych enzymów zaangażowanych w okładanie matrycy, takich jak syntaza hialuronianu (HAS) w HA oraz w sieciowaniu matrycowym, takim jak lysyloksydaza (LOX) dla kolagenu i hialadheryny dla HA, ułatwia dostęp limfocytów T w połączeniu z immunoterapią układową [4].
Podczas stanu zapalnego cząsteczki kwasu hialuronowego o małej masie cząsteczkowej propagują rekrutację i adhezję leukocytów przez aktywację receptorów TLR [5]. Cząsteczki te mogą ulegać usieciowaniu in vivo przez białka (wiążące kwas hialuronowy) zwane hialadherynami tym samym wpływając modulująco na funkcję leukocytów [6].

Rola macierzy pozakomórkowej w immunomodulacji

Macierz pozakomórkowa (extracellular matrix – ECM) jest niekomórkowym składnikiem wszystkich tkanek odpowiedzialnym za zapewnienie fizycznego wsparcia dla komórek i dla regulacji różnych procesów pozakomórkowych za pomocą sygnałów biochemicznych i biomechanicznych. Zasadniczo ECM składa się z wody i białek tworzących włókna, takie jak kolageny, elastyna i fibronektyna; glikoproteiny; proteoglikany (PG) i GAG (glikozoaminoglikany). Rolą kolagenu jest zapewnienie ogólnej integralności strukturalnej. Proteoglikany działają jako łączniki łączące się w sieci kolagenu i lamininy [7]. Z drugiej strony większość śródmiąższowych ECM składa się z włókienek kolagenu, elastyny ​​PG i HA. Kwas hialuronowy odgrywa ważną rolę dla miękkich tkanek łącznych, gdzie działa jako wypełniacz przestrzeni, środek poślizgowy i bufor osmotyczny [8, 9]. Gdy w roztworach fizjologicznych dochodzi do wzajemnego odpychania pomiędzy grupami karboksylowymi HA, powodując jego pęcznienie, tworzy się uwodniona sieć. Związana z tym plastyczność jest bardzo ważna dla reorganizacji tkanek i rozwoju embrionalnego [7].
Wiadomo, że rozwój reakcji autoimmunologicznych charakteryzują podwyższone poziomy cytokin zapalnych, reaktywnych form tlenu (reactive oxygen species – ROS) i enzymów proteolitycznych. Degradacja składników ECM za pomocą proteaz, takich jak metaloproteazy macierzy (MMP), powoduje generowanie bioaktywnych fragmentów ECM (zwanych także matrikinami), które precyzyjnie dostrajają reakcje zapalne przez wpływ na aktywność i/lub funkcje zarówno komórek infiltrujących, jak i rezydujących. Ostatnie prace ujawniły, że kompozycja macierzy i remodeling mają krytyczne implikacje dla rozwoju choroby poprzez promowanie aktywacji komórek immunologicznych, inwazji tkanek i procesów apoptozy [10].

Neowaskularyzacja

Wpływ HA na proces angiogenezy odnotowano już na początku lat 80. XX w. Podczas gdy natywny HMW-HA został rozpoznany jako inhibitor angiogenezy, małe fragmenty HA (HA-oligomery) są wysoce bioaktywne i stymulują proces angiogenezy. Wykazano, że oligomery zawierające 6–10 jednostek sacharydowych promują tworzenie się naczyń, podczas gdy fragmenty zawierające tylko 4 jednostki sacharydowe nie były w stanie wywołać odpowiedzi proangiogennej. Ta zdolność angiogeniczna pochodzi z interakcji oligomerów HA z CD44 na powierzchni komórek śródbłonka, które pobudzają proliferację komórek, ich migrację, syntezę kolagenu i rozwój nowych naczyń. Park i wsp. zasugerowali nowy mechanizm angiogenezy promowanej przez HA, wprowadzono inhibitor aktywatora plazminogenu-1 (PAI-1) i transformujący sygnał czynnika wzrostu β receptora I (TGFβR1). Ostatnio Olivares i wsp. wykazali, że poprzez hamowanie syntezy HA można było powstrzymać angiogenezę w zmianach endometrialnych, podkreślając kluczową rolę HA w procesie unaczynienia [11–15].
W rezultacie oligomery HA zostały zastosowane w celu zwiększenia zdolności angiogenezy, a w konsekwencji również do unaczynienia innych biomateriałów, a także w celu poprawy procesów gojenia się ran. Stwierdzono, że macierze oparte na HA selektywnie wiążą się ze śródbłonkiem naczyniowym, uwalniają czynnik wzrostu śródbłonka naczyniowego (vascular endothelial growth factor – VEGF). Ponadto komórki śródbłonka uległy enkapsulacji w hydrożelach HA-dekstranowych zawierających VEGF, co może tworzyć funkcjonalną sieć naczyniową zintegrowaną z układem naczyniowym gospodarza [16, 17]. 
Chemiczne modyfikacje HA – jedynego niesiarczanowanego glikozoaminoglikanu – są anionowe i zawierają alternatywne jednostki disacharydu β-1,4--D-glukuronowego-β-1,3-N-acetylo-D-glukozaminy. Spośród wszystkich GAG tylko HA ulega biosyntezie w błonie komórkowej, a nie w aparacie Golgiego. Co więcej, HA jest także jedynym GAG niezwiązanym kowalencyjnie z proteoglikanami. Wiąże się albo z własnymi syntazami, albo z receptorami na powierzchni komórki (CD44), będąc następnie zaangażowanym w wiele odpowiedzi funkcji komórkowej [18]. Ze względu na swoje właściwości biologiczne i żelotwórcze HA znalazł wiele zastosowań biomedycznych, w tym w inżynierii tkankowej, gojenia się ran, systemów dostarczania leków, enkapsulacji komórek i aplikacji mikropłytek [19–23]. 
Jak wcześniej opisano, HA łatwo ulega degradacji do fragmentów bioaktywnych. Z tego powodu można zmieniać różne modyfikacje chemiczne w celu zwiększenia stabilności strukturalnej HA. Modyfikacja HA obejmuje następujące grupy funkcyjne: kwas karboksylowy z ugrupowaniem kwasu glukuronowego lub hydroksyl z ugrupowania N-acetyloglukozaminy. Grupy funkcyjne kwasu karboksylowego można modyfikować przez amidowanie, kondensację lub tworzenie estru, mając na uwadze, że grupy hydroksylowe można modyfikować przez tworzenie eteru, tworzenie hemiacetalu za pomocą aldehydu glutarowego, tworzenie estru, tworzenie karbaminianu lub utlenianie [24]. Proces sieciowania ma na celu stworzyć struktury przestrzenne zdolne do zatrzymywania dużych ilości wody – hydrożelu – z właściwościami podobnymi do tkanek biologicznych, co zapewnia doskonałą biokompatybilność. Chociaż proces rozwoju hydrożeli jest bardzo prosty, mają one zazwyczaj zwiększoną trwałość strukturalną, dłuższe degradowanie i prążki o wysokim pęcznieniu [19]. Ekspozycja komórek na promieniowanie UV zwiększa komórkową produkcję reaktywnych form tlenu [np. ponadtlenek (O2-) i nadtlenek wodoru (H2O2)], które mogą powodować lipoperoksydację i uszkodzenie DNA oraz zwiększyć degradację HA [25]. Zastosowanie HA ma szczególne znaczenie w immunoterapii, gdy wymagane jest dostarczenie i modulacja mikrośrodowiska i homeostazy komórek. Zazwyczaj systemy do dostarczania komórek oparte na HA są stosowane w dwóch głównych strategiach:

  • dostarczanie komórek, które powinny być zdolne do migracji z nośnika (HA) komórkowego do uszkodzonej/chorej tkanki/organu gospodarza,
  • dostarczenie komórek kompetentnych biologicznie, które powinny być związane z układem dostarczania w celu uniknięcia niepożądanego ataku komórek gospodarza immunologicznego.

Podejścia do terapii opartych na komórkach obejmują enkapsulację komórek z zastosowaniem nośników, takich jak HA, które mają być stosowane przy użyciu metod minimalnie inwazyjnych. Ponieważ właściwości fizykochemiczne i biologiczne funkcje HA są modulowane w celu spełnienia wymagań w zakresie zaspokojenia potrzeb związanych z konkretną komórką, najnowsze prace opisują wstrzykiwane hydrożele oparte na HA, membrany, szkielety, cząstki i kulki, które mogą skutecznie penetrować tkankę [26]. 

WIELKOŚĆ CZĄSTECZKI KWASU HIALURONOWEGO A JEJ WŁAŚCIWOŚCI PRZENIKANIA

W jednym z badań podjęto próbę oceny penetracji skóry przez HA w zależności od wielkości cząsteczki. Sprawdzając zdjęcia w mikroskopie świetlnym i spektroskopie Raman, zrekonstruowano obrazy dla wszystkich HA. Główna ilość została znaleziona w warstwie rogowej, ok. 25 um od powierzchni. Kwas hialuronowy z wysoką masą cząsteczkową został znaleziony tylko w warstwie rogowej. Wyniki te pokazują, że przenikanie HA wzrasta wraz ze zmniejszającą się masą cząsteczkową HA. Jest to zgodne z innymi badaniami wykazującymi, że HA o małej masie cząsteczkowej (50 kDa) był związany ze znaczącą poprawą nawilżenia skóry i zmarszczek, co wynika z lepszej zdolności do penetracji małej masy cząsteczkowej HA [27, 28]. Natomiast HA o wysokiej masie cząsteczkowej (ponad 1000 kDa) musi pozostać na poziomie powierzchni skóry, na której tworzy rodzaj filmu, zmniejszając parowanie skóry i ograniczenie interakcji ze środowiskiem, takich jak temperatura, wilgotność i promieniowanie UV. W tym przypadku penetracja nie jest wymagana [29]. Kilka badań wykazuje znaczącą poprawę nawilżenia skóry, głębokości zmarszczek i elastyczności za pomocą kremów na bazie HA, podczas gdy nie wykazują żadnych danych na temat penetracji HA. Ponadto penetracja związków chemicznych o masie cząsteczkowej wyższej niż 500 Da jest bardzo kontrowersyjna w obecnie dostępnej bibliografii [30]. 
Opisana praca pokazuje, że obrazowanie Ramana połączone z metodami chemometrycznymi jest interesującą alternatywą jako narzędzie do testów przenikania skóry. W szczególności w niniejszym badaniu wykazano przepuszczalność skóry HA o małej masie cząsteczkowej (20‑300 kDa) i nieprzepuszczalność HA o wysokiej masie cząsteczkowej (1000–1400 kDa).
Spektroskopia Ramana umożliwia wykrywanie i lokalizację egzogennych cząsteczek w rozdzielczości mikrometrycznej, systemem wolnym od artefaktów, w sposób nieniszczący i z ograniczoną liczbą próbek.
W badaniach immunohistochemicznych na mysiej skórze LMW-HA wykazano ekspresję genu mDEFB2 w mieszku włosowym, co wskazuje, że podawanie egzogennego LMW-HA przez zastosowanie miejscowe jest w stanie stymulować nie tylko łatwo dostępne keratynocyty skóry, ale także mniej dostępne kanały włosów. Okazuje się, że indukcja DEFB2 w mieszku i kanaliku łojowym mieszków włosowych, które stanowią częste drogi dostępu dla inwazyjnych mikroorganizmów, sugeruje możliwość zastosowania HA do miejscowego stosowania jako antybakteryjnego stymulatora peptydowego w patologiach włosów związanych z drobnoustrojami. Według aktualnej wiedzy, po raz pierwszy LMW-HA został zaproponowany jako aktywny środek miejscowo. Chociaż obrona immunologiczna skóry została klasycznie przypisana tylko komórkom odpornościowym, które znajdują się w matrycy typowo uznanej za obojętną, uzyskane dane pokazują, że sama matryca, poprzez działanie produktów rozpadu jej składników, może aktywnie stymulować wytwarzanie DEFB2 przez pokrywający ją naskórek. Badania wskazują, że wytwarzanie DEFB2 po leczeniu LMW-HA może wyjaśnić fizjologiczny mechanizm, który prawdopodobnie występuje w skórze w obecności endogennych sygnałów zagrożenia dla uniknięcia ewentualnej infekcji bakteryjnej. Ponadto obserwacja ​​stosowania LMW-HA na powierzchni skóry jest w stanie indukować odpowiedź przeciwbakteryjną, sugeruje więc możliwość zastosowania tej naturalnej cząsteczki jako fizjologicznego stymulatora przeciwbakteryjnej aktywności skórnej [31].

WPŁYW DROBNOCZĄSTECZKOWEGO KWASU HIALURONOWEGO NA NABŁONEK POCHWY

Ostatnie badania pokazują, że aktywacja receptora Toll-podobnego (TLR) 2 i 4 przez LMW-HA w...

Dalsza część jest dostępna dla użytkowników z wykupionym planem

Przypisy