медицина
— в качестве средства борьбы с ожирением, связывания и выведения
из организма холестерина, профилактики и лечения сердечно-сосудистых
заболеваний, производства хирургических нитей, искусственной
кожи, лекарственных форм антисклеротического, антикоагулянтного
и антиартрозного действия, диагностики и лечения злокачественных
опухолей и язвы желудка;
пищевая промышленность — как загуститель и структурообразователь
для продуктов диетического питания.
Краткая история создания и применения хитозана
Полимеры этой группы заинтересовали ученых-химиков почти 200
лет назад. Хитин был открыт в 1811 г. (Н. Braconnot, A. Odier),
а хитозан - в 1859 г. (С. Rouget), хотя свое нынешнее название
он получил в 1894 г. (F. Hoppe-Seyler). В первой половине XX
века к хитину и его производным был проявлен заслуженный интерес,
в частности, к нему имели отношение три Нобелевских лауреата:
Е. Fischer (1903) синтезировал глюкозамин, P. Karrer (1929)
провел деградацию хитина с помощью хитиназ и, наконец, W.N.
Haworth (1939) установил абсолютную конфигурацию глюкозамина.
Биологически активные свойства хитина и его производного - хитозана
начали изучаться в 1940-50-х гг. В Советском
Союзе эти исследования проводились учреждениями Министерства
обороны и имели закрытый характер. Последнее было связано со
способностью хитозана эффективно связывать радиоактивные изотопы
и тяжелые металлы, поэтому хитозан исследовался прежде всего
как эффективный радиопротектор и детоксикант, а также изучались
возможности применения его для дезактивации объектов, подвергавшихся
радиоактивному заражению.
Новый всплеск интереса к производным хитина и, в частности,
хитозану произошел в 70-е гг., когда результаты исследований
этих соединений начали появляться в открытой печати. Проведенные
во всем мире исследования показали уникальные сорбционные свойства
хитозана. Обнаружилось отсутствие выраженной субстратной специфичности
этого вещества, что означает примерно одинаковую способность
связывать как гидрофильные (имеющие сродство к воде), так и
гидрофобные (не имеющие сродства к воде) соединения. Кроме того,
у хитозана были обнаружены ионообменные, хелатообразующие и
комплексообразующие свойства. В дальнейших исследованиях была
показана антибактериальная, антивирусная и иммуностимулирующая
активность. Комплексные формы хитозана также проявляют высокие
антиоксидантные свойства, что нашло свое применение в лечении
заболеваний желудочно-кишечного тракта, в лечении механической
и ожоговой травмы.
О большом интересе к проблемам изучения этих биополимеров, технологии
их получения и использования свидетельствуют семь международных
конференций по хитину и хитозану, проведенных за последние 20
лет: США (1977), Япония (1982), Италия (1985), Норвегия (1988),
США (1991), Польша (1994), Франция (1997).
В России за прошедшие годы хитину и хитозану были посвящены
три Всесоюзные и две Всероссийские конференции: Владивосток
(1983), Мурманск (1987), Москва (1991), Москва (1995), Моск-ва(1999).
Весной 2000 г. было создано Российское Хитиновое Общество, объединившее
более 50 региональных отделений. Осенью 2001 г. в г. Щелково
Московской области состоялись Международная конференция «Новые
перспективы в исследовании хитина и хитозана» и I Съезд Российского
Хитинового Общества.
Все это говорит о нарастающем интересе к хитину и хитозану не
только химиков, но и специалистов самого разного профиля — медиков,
биологов, микробиологов и биотехнологов.
Химическая
структура и свойства хитина и хитозана
Хитин является главным компонентом панцирей ракообразных и насекомых.
По химической структуре он относится к полисахари-дам, мономером
хитина является М-ацетил-1,4-b-О-глюкопираноза-мин (рис. 1).
При деацетилировании хитина получается хитозан. По химической
структуре хитозан является сополимером D-глюкозамина и N-ацетил-В-глюкозамина.
В зависимости от эффективности реакции деацетилирования, получаются
хитозаны с различным числом деа-цетилирования - от 80 до 90
%. Число деацетилирования показывает процентное содержание D-глюкозамина
в молекуле хитозана, т.е. если речь идет о хитозане с числом
деацетилирования 85 %, то это означает, что в молекуле хитозана
в среднем содержится 85 % D-глю-козаминовых остатков и 15 %
Ы-ацетил-В-глюкозаминовых остатков.
Химические свойства хитозана зависят от его химической структуры.
Большое количество свободных аминогрупп в молекуле хитозана
определяет его свойство связывать ионы водорода и приобретать
избыточный положительный заряд, поэтому хитозан является прекрасным
катионитом. Кроме того, свободные аминогруппы и координационно
связанные металлы определяют хелатообразу-ющие и комплексообразующие
свойства хитозана. Сказанное объясняет способность хитозана
связывать и прочно удерживать ионы металлов (в частности радиоактивных
изотопов и токсичных элементов) за счет разнообразных химических
и электростатических взаимодействий.
Обилие водородных связей, которые способен образовать хитозан,
определяет его способность связывать большое количество органических
водорастворимых вешеств, в том числе бактериальные токсины и
токсины, образующиеся в толстом кишечнике в процессе пищеварения.
С другой стороны, множество водородных связей между молекулами
хитозана приводит к его плохой растворимости в воде, поскольку
связи между молекулами хитозана более прочные, чем между молекулами
хитозана и молекулами воды. Вместе с тем, хитозан хорошо набухает
и растворяется в органических кислотах - уксусной, лимонной,
щавелевой, янтарной, причем он способен прочно удерживать в
своей структуре растворитель, а также растворенные и взвешенные
в нем вещества. Поэтому в растворенном виде хитозан обладает
намного большими сорбционными свойствами, чем в нерастворенном.
Хитозан также способен связывать предельные углеводороды, жиры
и жирорастворимые соединения за счет гидрофобных взаимодействий
и эффекта молекулярного сита, что сближает его по сорбционным
механизмам с циклодекстринами.
Расщепление хитина и хитозана до М-ацетил-О-глюкозамина и D-глюкозамина
происходит под действием микробных ферментов — хитиназ и хитобиаз,
поэтому они полностью биологически разрушаемы и не загрязняют
окружающую среду.
Таким образом, хитозан является универсальным сорбентом, способным
связывать огромный спектр веществ органической и неорганической
природы, что определяет широчайшие возможности его применения
в жизни человека.
Несмотря на огромную литературу о связи сорбционных свойств
хитозана с его химической структурой, нельзя сказать, что исследования
в области химии хитина/хитозана близки к завершению. Постоянно
открываемые новые свойства этого вещества, в частности, обнаруженная
биологическая активность, еще не получили должного объяснения
с точки зрения химической структуры. Имеющиеся данные о том,
что характер биологической активности хитозана зависит от его
молекулярного веса и величины деацети-лирования, нуждаются в
дальнейшей проверке и изучении. Эта работа является тем более
актуальной, что выяснение связи химического строения и биологической
активности позволит создавать вещества, сохраняющие известные
свойства хитозана и обладающие новыми полезными качествами.
Биологическая
активность хитозана
В результате многочисленных исследований к настоящему времени
обнаружен ряд биологических эффектов хитозана:
гиполипидемический и гипохолестеринемический (связывает и выводит
из организма избыток жиров и холестерина);
гепатопротекторный (снижает нагрузку на печень);
регулирует кислотность желудочного сока, обладает противоязвенным
действием;
нормализует микрофлору кишечника;
антитоксический (связывает и выводит из организма токсичные
элементы и кишечные токсины);
радиопротекторный (связывает и выводит радиоактивные изотопы);
иммуностимулирующий (стимулирует ряд функций иммунной системы,
повышает устойчивость организма к инфекциям);
антиоксидантный (нейтрализует токсичные перекисные соединения);
антибактериальный и противовирусный (угнетает активность ряда
микроорганизмов, защищает организм от некоторых вирусных инфекций);
регенерирующий (стимулирует заживление ран, язв, ожогов).
Для выведения из организма жиров и холестерина более эффективным
является применение пищевого высокомолекулярного хитозана [9;
16; 18].
В настоящее время механизмы очистительного действия хитозана
выглядят следующим образом. При попадании высокомолекулярного
хитозана в желудок натощак происходит его растворение и частичный
гидролиз под действием желудочного сока, при этом низкомолекулярные
фрагменты всасываются в кровь и лимфу. При последующем приеме
пищи раствор хитозана пропитывает пищевой комок и связывает
поступившие с пищей жиры. При дальнейшем продвижении пищи в
12-перстную кишку происходит постепенное повышение рН среды,
при этом хитозан переходит из раствора в твердое состояние и
еще более прочно связывает попавшие в него жиры, холестерин
и желчные кислоты. Дальнейшее расщепление хитозана происходит
только в толстом кишечнике под действием ферментов хитиназ,
вырабатываемых нормальной кишечной микрофлорой. Поскольку
в толстом кишечнике жиры и холестерин не перевариваются и не
всасываются, то они выводятся из организма в неизмененном виде.
Кроме того, хитозан, проходя по желудочно-кишечному тракту,
связывает и выводит из организма токсические вещества — тяжелые
металлы, радионуклиды [8], бактериальные токсины [2], глиадин
(токсичные фракции растительных белков) [17], образуя пленку
на стенках кишечника, оказывает противовоспалительное, антиоксидантное,
регенерирующее действие, нормализует пристеночное пищеварение.
За счет связывания токсичных веществ в кишечнике хитозан снижает
нагрузку на печень и улучшает ее работу.
Антимикробное, противовоспалительное, антиоксидантное, иммуностимулирующее,
регенерирующее действие хитозана показано на ряде примеров его
успешного применения в клинической практике — при гнойном
синусите у детей [15], при заболеваниях желудка и 12-перстной
кишки [14], при гнойных периоститах [1].
Таким образом, хитозан, запуская огромное разнообразие механизмов
естественного оздоровления организма, оказывает комплексное
действие на желудочно-кишечный тракт, складывающееся из ре-зорбтивных
эффектов (т. е. наступающих в результате всасывания низкомолекулярных
фрагментов хитозана), местных эффектов на поверхности слизистой
оболочки и действия в просвете желудка и кишечника.
