Автор: Е. Ф. ПАНАРИН, Н. П. КУЗНЕЦОВА

Член-корреспондент РАН Е. Ф. ПАНАРИН, директор Института высокомолекулярных соединений РАН (Санкт-Петербург), доктор химических наук Н. П. КУЗНЕЦОВА, ведущий научный сотрудник того же института

Развитие химии высокомолекулярных соединений и насущные проблемы медицины привели к возникновению в конце 50-х годов XX в. новой области науки - химии биомедицинских полимеров. Это связано с синтезом и исследованием свойств водорастворимых веществ, выполняющих определенные лекарственные функции.

Родоначальником этого направления в нашей стране был член-корреспондент АН СССР С. Н. Ушаков (1893 - 1964). Он исходил из способности физиологически активных веществ сохранять активность при их химическом сочетании с водорастворимыми полимерами. При этом открылись возможности получения новых, качественно более эффективных лекарств. Ведь макромолекулы как таковые имеют большие размеры и медленно выводятся из организма через почки, а значит, присоединенные к ним низкомолекулярные лекарства дольше циркулируют в кровеносном русле. Тем самым увеличивается продолжительность их действия, уменьшаются доза и количество инъекций. К тому же могут создаваться высокие локальные концентрации препаратов в нужном органе, изменяться фармакокинетика последних, существенно снижаться их токсичность и т. д.

Для реализации идеи необходимо было решить несколько задач. Первая заключалась в поиске и разработке подходящих водорастворимых полимеров- носителей, которые, контактируя с организмом, не вызывали бы побочных отрицательных эффектов, не накапливались бы в организме и выводились после выполнения своих транспортных функций. Причем выведение макромолекул из организма возможно, если их размер не превышает величину пор почечных канальцев. Проблема была решена прежде всего путем синтеза макромолекул с заданной массой и узким распределением по размерам (полимеры на основе винилпирролидона, винилового спирта, производных акриламида и т.д.), а также способных деградировать с образованием низкомолекулярных фрагментов, которые легко покидают организм. В последнем случае синтезируются полимеры, содержащие лабильные (неустойчивые) группы в основной цепи (полиэфиры, полипептиды), или же используются природные белки (гемоглобин, альбумин и др.).

Вместе с тем шла разработка методов синтеза полимеров-носителей, содержащих широкий набор необходимых и разнообразных реакционно- способных функциональных групп. Они служили своеобразными якорями для присоединения к макромолекуле лекарственного вещества. Поскольку в ряде случаев для проявления активности последних необходимо "снять" их с макромолекулы в заданном месте, например, внутри клетки, то такой "якорь" должен иметь сложное химическое строение и содержать ферменто- и гидролитически лабильные как группы, так и химические связи. Поэтому химическое конструирование полимерных лекарств представляется сложной и увлекательной задачей.

Предварительные биологические исследования полимерных лекарственных веществ, проведенные в экспериментах на животных в медицинских учреждениях Ленинграда, подтвердили правильность основных положений, сформулированных С. Н. Ушаковым. Это стало основанием для развертывания соответствующих исследований в нашем городе, где они прежде всего были сосредоточены у нас в институте. Конечно, в экспериментальное до-

стр. 18

клиническое и клиническое изучение полимерных лекарственных веществ и препаратов включилось большое число исследовательских и учебных институтов медицинского профиля северной Пальмиры.

В результате к началу 70-х годов XX в. определились три главных направления поиска: модификация известных лекарственных веществ синтетическими, природными и биосинтетическими полимерами с целью улучшения их терапевтических свойств и создания новых препаратов; синтез функциональных полимеров, обладающих собственной биологической активностью, и установление взаимосвязи между химическим строением и активностью; разработка полимеров для получения плазмо- и кровезаменителей с улучшенными гемодинамическими свойствами, в том числе переносящих кислород.

В развитие этого были проведены исследования по модификации синтетическими полимерами различных классов биологически активных и лекарственных веществ - противотуберкулезных, обезболивающих, противовоспалительных, антикоагулянтов крови, антибиотиков и т. п. В итоге удалось разработать противотуберкулезные препараты "Совинизон" (на основе гидразида изоникотиновой кислоты) и "Совинакс" (на основе пара- аминосалициловой кислоты), обладающие низкой токсичностью, пролонгированным действием и показавших высокую терапевтическую эффективность в ходе испытаний. В научно-производственном объединении "Пластополимер" создали опытно-промышленную технологию их получения.

Следует отметить плодотворные изыскания по комплексам йода с поливиниловым спиртом. Они обладают широким спектром антимикробного действия, но не обжигают ткани, как йод. Ученые получили тиксотропные гели, обеспечивающие высокий лечебный эффект, а также препарат "Иодинол", который до сих пор выпускает отечественная фармацевтическая промышленность.

Подчеркнем: перевод низкомолекулярного вещества в макромолекулярную форму приводит не только к пролонгированию его "жизни", но и к новым, неожиданным эффектам, обусловленным созданием высоких локальных концентраций лекарственного вещества и кооперативным его взаимодействием с клетками и другими мишенями, а также конформационными превращениями макромолекул. Следствием является повышение удельной активности и снижение токсичности препаратов, что в ряде случаев позволяет существенно увеличить диапазон безвредных концентраций последних, расширить область медицинского применения и создать депо в нужном органе.

Кроме того, макромолекулярная форма полимера позволяет включать в его структуру вещества с различными механизмами действия и таким образом получать системы с полифункциональной биологической активностью.

Наиболее ярко все это проявилось при изучении полимерных производных антисептиков из ряда катионных поверхностно-активных веществ, глюкокортикоидных гормонов и ингибиторов некоторых ферментов.

Глюкокортикоидные гормоны - гидрокортизон, преднизолон, дексаметазон и другие - широко известны как хорошие противовоспалительные средства. Однако их применение сопровождается отрицательными побочными явлениями: иммунодепрессивным действием, подавлением функции надпочечников, тимуса. А длительное использование глюкокортикоидов может привести к атрофии этих органов. Особенно это опасно в педиатрической практике, поскольку оно сопровождается замедлением физического развития детей из-за блокировки биосинтеза эндогенных гормонов.

Однако включение глюкокортикоидных гормонов в гидрофильные макромолекулы позволило получить их водорастворимые производные, которые взаимодействуют с клетками-мишенями, не проникая в них, а потому сохраняют сильное противовоспалительное и противошоковое действие без отрицательных побочных эффектов.

При дальнейшей работе с полимерами было выявлено, что они не распределяются равномерно по всему организму, а в зависимости от химического строения могут накапливаться в каком-то органе. Однако, где и сколько, прежде всего зависит от наличия в макромолекуле положительных или отрицательных зарядов, специфических лигандов или векторов. Значит, варьируя химическое строение полимера и вводя в него специфические функциональные группы или фрагменты биомолекул, можно осуществлять целевой транспорт лекарственного вещества туда, где в нем есть потребность. Например, при исследовании ряда сополимеров виниламина была обнаружена их способность после введения через рот локализоваться и на несколько суток задерживаться на стенке толстого кишечника. Данный факт открыл перспективу создания пероральных препаратов длительного действия, что позволит отказаться от инъекций и создавать простые, удобные в применении лекарственные формы. Так был разработан препарат "Поглкжар", предназначенный для предупреждения опухолей мочевого пузыря. Механизм его действия основан на подавлении активности фермента (3-глюкуронидазы с помощью специфического ингибитора - лакто-сахарной кислоты. Интересно отметить: последний в чистом виде при приеме внутрь быстро выводится из организма (через 2 - 3 ч) и потому попытки его использовать в клиничес-

стр. 19

Модификация катионных поверхностно-активных веществ полимером ("Катапол").

кой практике для предупреждения рецидива рака мочевого пузыря после удаления опухоли хирургическим путем ни к чему не привели. А связывание лакто-сахарной кислоты с полимером обеспечило длительный ингибирующий эффект. В настоящее время "Поглюкар" прошел клинические испытания, рекомендован для использования и внесен в перечень средств, разрешенных в России.

Как уже было отмечено, иногда медицинскому применению биологически активного вещества мешают его повышенная токсичность или иные нежелательные нюансы. Скажем, катионные поверхностно-активные вещества обладают широким спектром антимикробного действия, из-за чего к ним прибегают в санитарии в качестве дезинфицирующих средств. Однако применению их как лекарственных препаратов препятствуют высокая токсичность и кожно-раздражающее действие. Но если эти вещества модифицировать сополимерами винилпирролидона, то острая токсичность снижается в 1,5 - 2 раза, кожно-раздражающее действие - в 10, антимикробная активность - в 3 - 4 раза. Отсюда вывод: в новом виде известные антисептики представляют большой интерес в качестве эффективного лечебного средства для лечения гнойных и свежих ран, ожогов, а также средств для обработки операционного поля и рук хирургов, обеззараживания инструментария и т.п.

Этот подход был реализован в полимерном препарате-антисептике "Катапол", разрешенном для медицинского применения и выпускаемом отечественной промышленностью (ОАО "Фармакон", Санкт-Петербург). Местное использование "Катапола" в виде 0,5 - 1%-ных водных растворов, а также его сочетание с антибиотиками в комплексе мер профилактики и лечения раневой инфекции у больных с открытыми переломами костей, остеомиелитом, ожогами и гнойными ранами мягких тканей в 2 - 3 раза эффективнее, чем традиционные низкомолекулярные антисептики.

Широкое распространение в хирургических клиниках антибиотико-устойчивых штаммов микроорганизмов резко снизило эффективность соответствующей терапии, несмотря на введение в медицинскую практику новых препаратов. Особенно остро стоит вопрос в травматологии, хирургии, при лечении ожогов. В связи с этим в последние годы вырос интерес к веществам широкого спектра антимикробного действия - альтернативным антибиотикам. Среди них особое место занимают препараты серебра.

Отечественные ученые создали "Повиаргол" - на основе стабилизированных водорастворимых полимеров (поливинилпирролидоном) наночастиц серебра. Его характеризует широкий спектр антимикробного действия, что особенно хорошо проявляется в травматологии и хирургии при лечении гнойно- воспалительных осложнений (нагноение операционных ран, остеомиелиты, трофические язвы, абсцессы и флегмоны, артриты, газовая гангрена и т. п.); в камбустологии (при лечении термических ожогов и обморожений высоких степеней); в отоларингологии и пульмонологии (рините, гайморите, ангине, фарингите, отите, гнойные формы трахеобронхитов и т. д.); в стоматологии при санации полости рта; в офтальмологии для профилактики и лечения гнойного конъюнктивита; в урологии, гинекологии и акушерстве (гнойные циститы, уретриты, инфекционные заболевания мочеиспускательного канала и т. п.). "Повиаргол" разрешен для медицинского применения, используется в виде водных растворов 1 - 5%-ной концентрации и выпускается специальным конструкторским технологическим бюро "Технолог" (Санкт-Петербург). По антимикробным свойствам, лечебной эффективности, токсикологическим характеристикам этот препарат превосходит протеинаты серебра. Кроме того, он обладает противовоспалительным действием, стимулирует репаратив-ные процессы в поврежденных тканях, активизирует клеточный и гуморальный иммунитет.

При создании полимерных лекарственных веществ первоначально полагали, что полимер должен выполнять только транспортные функции и быть биологически инертным. Однако дальнейшее изучение показало, что соединения, несущие положительный или отрицательный заряд (поликатионы или полианионы), взаимодействуют с мембранами клеток и многими природными макромолекулами (белками, нуклеиновыми кислотами), активны на молекулярном, клеточном уровнях и воздействуют на организм в целом. В частности, поликатионы, связываясь с мембранами клеток, сильно изменяют их транспортные свойства, усиливая транзит веществ как внутрь клеток, так и из них, проявляют антимикробные свойства, усиливают действие антибиотиков. В последнее время эти "черты" поликатионов тщательно исследуют, стремясь использовать их с целью обеспечения транспорта ДНК в клетки для решения проблем генотерапии и генной инженерии. И уже найдены соединения, обеспечивающие решение данной задачи.

У полимеров, несущих только отрицательные заряды, выявлены противоопухолевая, противовирусная активность и способность стимулировать выработку организмом интерферона. Последнее свойство особенно ярко проявляют двухнитевые полирибонуклеотиды - синтетические аналоги нуклеиновых кислот.

Детальное изучение биологических свойств функциональных поли-

стр. 20

меров, в частности их влияния на молодых животных, позволило обнаружить ранее неизвестную специалистам способность стимулировать рост и развитие особей. На этой основе был создан ветеринарный препарат "Доксан М". Он стимулирует процессы пищеварения и всасывания питательных веществ из желудочно-кишечного тракта, поэтому его используют в качестве кормовой добавки для повышения продуктивности молодняка крупного рогатого скота, свиней, овец, а в птицеводстве способствует увеличению яйценоскости кур, скорости их роста. Препарат разрешен для широкого применения в России (ранее выпускался в опытно-промышленном масштабе).

Особый интерес представляют недавно синтезированные у нас полимеры, которые повышают устойчивость животных к различным внешним стрессовым воздействиям.

И наконец, о проблеме создания кровезамещающих искусственных препаратов. Она стоит остро в связи с дефицитом донорской крови, ограниченным сроком хранения последней, а также опасностью внесения с ней вирусных инфекций.

Поиск идет в двух направлениях: разработка новых и совершенствование уже применяющихся плазмозамещающих растворов, способных имитировать, например, гемодинамические свойства плазмы; создание кровезаменителей, осуществляющих важнейшую дыхательную функцию крови - снабжение тканей кислородом (они необходимы при терапии в случае большой потери крови в хирургической практике и экстремальных ситуациях, когда отсутствует донорская кровь).

Поскольку наш институт накопил опыт в исследовании и синтезе водорастворимых синтетических и природных полимеров и ранее принимал участие в работах по созданию плазмозаменителей на основе поливинилпирролидона и поливинилового спирта, то, естественно, он активно включился в решение этих важных задач. И нам представлялось заманчивым в качестве водорастворимого полимера использовать полиэтиленгликоль: он безвреден, связывает большое количество воды, способен к деструкции в организме, его макромолекулы обладают высокой подвижностью. Однако предстояло выявить условия, при которых это соединение будет обладать заданной молекулярной массой и не содержать нежелательных примесей (катализатора, мономеров и побочных продуктов). Всестороннее экспериментальное и клиническое изучение большого числа опытных вариантов позволило оптимизировать состав и свойства нового плазмозаменителя, названного "Полиоксидином" и разрешенного для медицинского применения. По сравнению с ранее известными препаратами, такими, как "Гемодез" и "Полиглюкин", содержание полимера в нем снижено в 4 раза. Кроме того, он уменьшает вязкость крови, быстро восстанавливает кровоснабжение в капиллярах, предотвращает агрегацию форменных элементов крови. Его используют при обильных кровопотерях, посттравматическом и послеоперационном шоке.

По-иному пришлось подходить к разработке кровезамещающих растворов, не только восполняющих объем, электролитный состав и осмотическое давление плазмы, но и выполняющих основную газотранспортную функцию крови - обратимый перенос кислорода от легких в ткани. В организме это осуществляет уникальный белок - гемоглобин, в высокой концентрации заключенный в безъядерные клетки - эритроциты, где он защищен от окисления специальными ферментными системами. Отметим: принципиальная возможность использования растворов гемоглобина для поддержания жизни животных была показана еще в 30-х годах XX в. Однако сам по себе он обладает в 5 раз более низкой кислоро-дотранспортной способностью по сравнению с эритроцитами, быстро покидает кровеносное русло (время полувыведения 1,5 - 2 ч) и при этом необратимо повреждает почки. Чтобы преодолеть эти недостатки, в нашем институте повели работы по двум направлениям. Первое, предложенное Г. В. Сам-

Эритроцит, гемоглобин и полимерный гемоглобин: a - эритроцит человека размером 5 - 6 мкм; b - молекулы гемоглобина диаметром около 0,006 мкм; с - модель "искусственного эритроцита размером 1 - 2 мкм; d - макромолекулы полигемоглобина диаметром 0,02 - 0,05 мкм.

стр. 21

Сравнение "дыхательной функции" эритроцитов, "искусственных эритроцитов" и полигемоглобина.

соновым, состояло в моделировании газотранспортной функции эритроцита путем сорбционной иммобилизации гемоглобина специально синтезированными гидрофильными полимерными частицами микронного размера (напомним: диаметр эритроцита - 5 - 8 мкм). В результате удалось получить полимерные носители, способные сорбировать до 15 г белка на 1 г собственной массы, что привело к значительному повышению эффективности отдачи кислорода по сравнению с растворами гемоглобина. Причем полученный кооперативный характер связывания кислорода физиологически важен, так как позволяет организму быстро реагировать на пониженное содержание этого газа в тканях резким увеличением отдачи его гемоглобином в узком диапазоне парциальных давлений кислорода между легкими и тканями. Биологические испытания коллоидных дисперсий - "искусственных эритроцитов" - выявили их высокую газотранспортную эффективность (на уровне естественных эритроцитов) и доказали принципиальную возможность функционирования в крови животных.

Другое направление наших исследований связано с синтезом высокомолекулярных водорастворимых производных гемоглобина. В этом случае для повышения эффективности транспорта кислорода осуществляли поликонденсацию последнего в сочетании с химическим "встраиванием" синтетического регулятора в его молекулу. С помощью специального модификатора, сочетающего функцию аналога природного регулятора насыщения гемоглобина кислородом со свойствами агента, "сшивающего" молекулы гемоглобина, был получен полигемоглобин, способный транспортировать О ₂ не хуже эритроцитов. Кроме того, химическая и внутримолекулярная сшивка белковых молекул стабилизирует структуру гемоглобина, что устранит свойственную ему от природы нефротоксичность и пролонгирует функционирование в кровеносном русле (период полувыведения 10 - 14 ч).

Широкое доклиническое изучение растворов полигемоглобина, проведенное в Российском научно-исследовательском институте гематологии и трансфузиологии Министерства здравоохранения РФ, показало высокую эффективность и безвредность его растворов. При потере крови, практически несовместимой с жизнью (50 - 60% от ее общего объема в организме), выживаемость животных составила 90%. Это позволило рекомендовать растворы полигемоглобина в качестве основы кровезамещающего препарата "Геленпол", который можно вводить любому пациенту без предварительной пробы на совместимость. Его свойства не меняются в течение двух лет. В ходе клинических испытаний препарат вводили до 2 л хирургическим больным при тяжелых кровопотерях, а также при травматическом шоке II и III степени. Препарат неизменно показывал высокую эффективность: улучшал кровоснабжение и кислородный режим организма, нормализовал артериальное давление, стимулировал собственное кроветворение. "Геленпол" разрешен для широкого медицинского применения и зарегистрирован Министерством здравоохранения России.

Таким образом, полимерное направление в лекарственной терапии, выдвинутое более 50 лет назад выдающимся ученым С. Н. Ушаковым, оказалось чрезвычайно плодотворным.

От редакции

Государственную премию РФ 2001 г. в области науки и техники присудили академикам Р. В. Петрову и В. А. Кабанову, академику РАМН Р. М. Хаитову, доктору химических наук А. В. Некрасову и доктору медицинских наук Р. И. Атауллаханову за разработку и внедрение в практику здравоохранения страны конъюгированных полимер-субъединичных иммуногенов и вакцин. Эти препараты получены химическим соединением антигенов с иммуностимулирующим синтетическим полиэлектролитом. Они безвредны, способны к деструкции, легко выводятся из организма человека. На этой основе московские ученые создали вакцину "Гриппол", содержащую очищенные белки гемагтлютинин и нейраминидазу трех вирусов гриппа А и В. Ее промышленный выпуск начат с 1997 г. предприятием "Иммунопрепарат". Только с 1997 по 2002 г. она была привита более чем 35 млн. детей и взрослых и показала высокую профилактическую эффективность, не уступающую самым современным импортным аналогам при существенно более низкой антигенной нагрузке и в несколько раз более низкой стоимости.

Permanent link to this publication: