Альгинат натрия — уникальный полисахарид натурального происхождения
Альгинат натрия — органическое соединение, соль натрия 
и альгиновой кислоты с формулой (C6H7O6Na)n. Представляет собой полисахаридный полимер с разветвленными связями, состоящий из связанных между собой остатков маннуровой и гулуроновой кислот, в которых атом водорода замещен атомом натрия. Полимер имеет ячеистую структуру, которая и объясняет прочность и термостабильность вещества.
Альгинат натрия был выделен как чистое химическое соединение еще в конце XIX века английским фармацевтом Е. Стенфордом. В настоящее время вещество массово добывают из бурых и красных морских водорослей, произрастающих в районе Индонезии. Реактиву находят все новые и новые сферы применения, его производят с каждым годом все больше.
Свойства
Мелкодисперсионный порошок, в зависимости от степени очистки могущий быть белоснежным или от светло-кремового до светло-коричневого цвета. Медленно, но полностью растворяется в воде, сначала превращаясь в коллоидный раствор (гель). Вместе с агар-агаром и каррагеном образует группу гидроколлоидов, получаемых из морских водорослей. Не растворяется в спиртах, орг. растворителях, кислых растворах с рН менее 3. Обладает уникальным свойством термостабильности — гель альгината натрия можно охлаждать, замораживать, размораживать, нагревать, при этом он не изменяет своих свойств и восстанавливает консистенцию после возвращения в исходное состояние.
Это интересно
─ При растворении альгинат натрия способен абсорбировать воды в 300 раз больше, чем весит сам.
─ Особый интерес к веществу возник во второй половине прошлого века. Ученые искали безопасные лекарства для лечения лучевой болезни. Внимание привлекли бурые водоросли. Выяснилось, что содержащиеся в них альгинаты эффективно выводят радионуклиды. При этом, одновременные исследования в десяти странах доказали безвредность альгината для человека.
Применение
Внимание! Длительный прием альгината натрия может привести к дефициту в организме таких элементов, как кальций, магний, железо и некоторых других. Эти элементы хуже всасываются в кишечнике при его употреблении.
Предотвращение гастроэзофагеального рефлюкса при помощи альгинатов
Гастроэзофагеальная рефлюксная болезнь (ГЭРБ) – распространенное заболевание, диагностируемое у 40% жителей западных стран с западным типом питания. Наиболее распространенным симптомом заболевания является ощущение жжения за грудиной (откуда и появился термин «изжога»), или боли в области груди рядом с сердцем, вызванные рефлюксом кислого содержимого желудка в незащищенный пищевод. Большинство больных страдают заболеванием от легкой до умеренной степени тяжести и часто пользуются такими средствами лечения, как простые антациды, антагонисты рецептора H2 или альгинаты. В клинических исследованиях показано, что все эти средства облегчают боль, но в связи с тем, что разные патологические причины у различных пациентов могут вызывать ГЭРБ и результаты эндоскопической и гистологической диагностики не всегда соответствуют симптомам ГЭРБ, то необходим независимый способ оценки присутствия и тяжести рефлюкса у пациентов, чтобы можно было подобрать соответствующую индивидуальную терапию.
Содержимое желудка содержит кислоту и ее соединения с другими веществами, такими как пепсины и желчь, которые, как установлено, вызывают повреждение слизистой оболочки пищевода. Определение кислотности в пищеводе посредством внутрипищеводного рН-мониторирования является наиболее приемлемым методом диагностики рефлюкса. Кислая среда, при которой значение рН в пищеводе ниже четырех, считается повреждающим фактором, поскольку при этом желудочные протеазы (пепсины) становятся более активными. Также существует мнение, что некоторые из пепсинов могут быть активны при рН до 6 и остаются стабильными до необратимой денатурации при pH выше 7. В основном нижние отделы пищевода подвергаются воздействию рефлюкса кислым содержимым желудка, поэтому pH-проба обычно устанавливается на 5 см выше нижнего пищеводного сфинктера (НПС), которая регистрирует величину воздействия (процент времени, в течение которого значение рН ниже 4 или 5).
Главной целью данного исследования являлось сравнение двух альгинатных средств для предотвращения рефлюкса, содержащих одинаковое количество активных компонентов, но в разных лекарственных формах (суспензия и таблетки). Данные препараты использовались для предотвращения рефлюкса, вызванного рефлюксогенной пищей, у здоровых добровольцев. Оценка проводилась при помощи рН-мониторинга. Альгинантные средства для предотвращения рефлюкса используются для терапии ГЭРБ в течение более 30 лет. В различных странах в продаже имеются лекарственные формы с различными комбинациями альгината и антацидных активных компонентов. До недавнего времени таблетки и жидкие лекарственные формы альгинатных препаратов существенно различались по компонентному составу. Таблетированные формы обычно содержали нерастворимые производные альгиновой кислоты, в то время как в состав жидких форм входили растворимые соли альгината. Поэтому альгинатный плот, который предотвращает рефлюкс, при разжевывании таблеток обычно образовывался во рту, тогда как в случае жидких составов этот плот формировался под действием кислоты в желудке. Теперь существует новая альгинатная форма – таблетированная, в которой содержатся те же активные компоненты (натрия альгинат и калия бикарбонат), что и в жидкой форме – препарат Гевискон форте («Рекитт Бенкизер Хэлскер», Халл, Великобритания).
Данное исследование является первым сравнительным исследованием альгинатных продуктов в твердой и жидкой формах. Недавно было проведено сравнительное исследование жидкого альгината, ранитидина и омепразола при помощи контроля рН пищевода, целью которого являлось установление различий в отношении начала действия препаратов, а также связи между симптомами и эпизодами рефлюкса.
Дизайн и методы исследования
Таблица 1. Общие демографические данные: популяция для оценки безопасности и эффективности (EE)
| Популяция для оценки безопасности | Популяция для оценки эффективности (EE) | |
| n | 89 | 35 |
| Возраст, лет | 24,7 (18–47) | 25,3 (18–42) |
| Масса, кг | 71,90 (44,0–120,1) | 72,47 (48,6–105,8) |
| Рост, м | 1,708 (1,53–1,90) | 1,698 (1,53–1,86) |
| Пол | ||
| мужчины | 43 (48,3%) | 15 (42,9%) |
| женщины | 46 (51,7%) | 20 (57,1%) |
| Раса | ||
| Европеоидная | 78 (87,6%) | 34 (97,1%) |
| Негроидная | 6 (6,7%) | 1 (2,9%) |
| Монголоидная | 1 (1,1%) | 0 (0%) |
| Другие | 4 (4,5%) | 0 (0%) |
Добровольцы получали однократную дозу каждого из трех препаратов в случайном порядке, определенном компьютером. Терапия включала использование 10 мл суспензии Гевискон форте, 2-х таблеток Гевискон форте для разжевывания с 10 мл воды комнатной температуры и контроля – 10 мл воды.
Поскольку альгинаты не оказывают системного воздействия на организм, был определен период вымывания, равный 24 ч, достаточный для гарантии отсутствия перенесения эффекта препарата с одного приема на другой.
В ходе исходного скринингового посещения после голодания в течение не менее 4 ч было проведено определение расположения НПС при помощи манометрии и рН-пробы, вводимой через нос в желудок с 50 мл воды и располагаемой на 5 см выше НПС. Добровольцы потребляли стандартную пищу для провокации рефлюкса и через 30 мин после принятия пищи получали 10 мл воды комнатной температуры. Значение рН пищевода регистрировали каждые 6 сек в течение 4 ч после приема воды. Полученные значения рН были проанализированы для определения соответствия добровольца требованиям к участию в исследовании (pH Во время приема препарата отобранные добровольцы должны были находиться в центре проведения исследования в течение 3-х последовательных дней и ночей. Добровольцы ужинали в день до первого приема препарата и в течение следующих 2-х дней приема, но каждый раз во время измерения рН им не позволялось употреблять ничего, кроме выдаваемой в ходе исследования пищи и воды. В день приема препарата субъектам утром вводили калиброванный рН-метр до уровня на 5 см выше НПС. Добровольцы потребляли стандартную пищу и через 30 мин после приема пищи получали установленную дозу препарата (в случае приема таблеток дополнительно принимали 10 мл неохлажденной воды). Значение рН в пищеводе регистрировали каждые 6 сек в течение 4 ч после приема установленной дозы препарата. После завершения записи значений рН-метр вынимали из пищевода и записывали побочные эффекты, если таковые наблюдались. В конце третьего дня приема препарата проводили небольшой объективный осмотр добровольцев для оценки основных показателей жизнедеятельности, сопутствующего лечения и побочных эффектов и проводили тест на беременность. В табл. 2 показана последовательность осмотра каждого добровольца во время приема препарата.
Таблица 2. Последовательность действий при осмотре и назначении препарата
| День | Время | Действия |
| День перед началом приема препарата | День | Прибытие в центр проведения исследования |
| Вечер | Ужин | |
| Первый и второй дни приема препарата | Утро | Установка рН-метра |
| T = 0 | Прием стандартной пищи | |
| T = + 30 мин | Прием дозы препарата | |
| T = от + 30 до + 270 мин | Регистрация рН | |
| T = + 270 мин | Снятие pH-метра. Регистрация побочных эффектов | |
| Вечер | Ужин | |
| Третий день приема препарата | Утро | Установка рН-метра |
| T = 0 | Прием стандартной пищи | |
| T = + 30 мин | Прием дозы препарата | |
| T = от + 30 до + 270 мин | Регистрация рН | |
| T = + 270 мин | Снятие pH-метра | |
| Регистрация побочных эффектов | ||
| Объективный осмотр | ||
| Основные показатели жизнедеятельности, прием других лекарственных препаратов | ||
| День | Уход из центра проведения исследования |
Участники исследования (пациенты с эндоскопически подтвержденным слабовыраженным эзофагитом и здоровые добровольцы) получали однократную дозу одного из трех препаратов: 10 мл суспензии Гевискон форте (35 человек), 2 таблетки Гевискон форте для разжевывания (36 человек), 10 мл воды комнатной температуры в течение 21 дня исследования. Динамику изменения кислотности желудочного сока фиксировали в ходе внутрипи-щеводного рН-мониторинга.
Результаты исследования
Оценка эффективности
Общие результаты исследования, подтверждают, что терапия таблетками Гевискон форте была не менее эффективна, чем терапия суспензией Гевискон форте.
В табл. 3 также показано, что период времени, в течение которого значение рН опускалось ниже 4, при сравнении терапии с суспензией Гевискон форте и контрольной терапии, был статистически значимым (pТаблица 3. Промежуток времени, в течение которого значение рН в пищеводе опускалось ниже четырех
Альгината натрия что это
Морская среда, в которой существуют водоросли, обладает большим таксономическим разнообразием и синтезирует метаболиты различной структуры с интересной биологической активностью [1]. Пищевые волокна, незаменимые жирные кислоты, витамины и минералы являются богатым источником биологически активных соединений, полученных из морских водорослей [2]. Более того, их экстракты обладают сильной антиоксидантной активностью. Замечено, что у бурых водорослей она выше, чем у зеленых и красных [3].
Морские водоросли содержат большое разнообразие неорганических и органических веществ, которые могут быть использованы в медицине, например полифенолы, каротиноиды и токоферолы, терпены, аскорбиновая кислота, алкалоиды [4]. Эти соединения проявляли антиоксидантную активность в различных исследованиях in vitro [5].
Альгинаты образуют основной структурный полисахарид многих морских бурых водорослей (40% сухого веса). Они широко используются в производствах ткани и бумаги. В пищевой промышленности применяют альгинат пропиленгликоля [6].
Исследования химического состава морских водорослей показали, что они представляют собой богатый источник белков, липидов, углеводов, минералов и микроэлементов. Содержание белка в бурых водорослях обычно в пределах от 5 до 15% сухого веса [7]. Было замечено, что содержание белка в водорослях зависит от сезона, условий роста и окружающей среды [8]. Кроме того, бурые водоросли обладают незаменимыми аминокислотами [9].
Углеводы представляют собой один из важных компонентов метаболизма и обеспечивают организм энергией, необходимой для дыхания и других обменных процессов. Типичными углеводами в бурых морских водорослях являются фукоидан, ламинаран, целлюлоза и альгинаты. Согласно исследованию, проведенному Marinho-Soriano и соавторами, синтезу углеводов в водорослях благоприятствуют как интенсивность света, так и температура, но при этом снижается содержание белков и липидов [10]. В бурых морских водорослях также были обнаружены различные типы антиоксидантов [11].
Цель исследования: исследовать и определить варианты использования, актуальность применения морских производных альгиновой кислоты и препаратов на её основе в медицине и фармации.
Материал и методы исследования
Объектом настоящего исследования являются представители низших растений – морские водоросли. Предметом исследования было влияние альгинатов из бурых водорослей на живые организмы. Исследование проводилось с помощью поисково-информационных (eLibrary, Googlescolar, CyberLeninka, ResearchGate) и библиотечных баз данных методом анализа и интерпретации материала.
Результаты исследования и их обсуждение
Альгинаты являются одним из полисахаридов, естественным образом присутствующих в стенках клеток морских бурых водорослей. Ученые указывают на важность вязкости альгината для его биологических свойств. Исследования in vivo доказали противоопухолевую активность двух альгинатов с различной вязкостью, извлеченных из бурых водорослей Sargassum vulgare, против клеток саркомы 180, пересаженных мышам [12].
Было доказано, что сульфатированные полисахариды обладают противовирусной активностью. Hidari и соавторы установили, что фукоидан из коричневой морской водоросли Cladosiphon okamuranus тормозит серотип вируса DEN2, вызывающего болезнь денге [13].
В присутствии зарядов полисахариды могут вести себя как полиэлектролиты с особой способностью ионизироваться в водных средах. Ионизация способствует растворению полиэлектролитов, а также отвечает за их уникальные свойства. Следует отметить, что растворение полиэлектролита несравнимо с растворением простой соли, поскольку не вырабатываются ионы, то есть катион/анион, с сопоставимым размером и независимой подвижностью, но растворяются с образованием полииона и противоионов. В частности, полиионы обладают подвижностью и удерживают большое количество зарядов в непосредственной близости, так что отдельные заряды прочно прикреплены к макромолекулярному остову.
Альгинат представляет собой полианионный полисахарид, нетоксичный, биосовместимый, высоко гидрофильный, обычно используемый в качестве стабилизатора, загустителя и гелеобразующего агента в пищевой, текстильной, фармацевтической и биотехнологической промышленности [14]. Он является основным структурным компонентом морских бурых водорослей, который придаёт им силу и гибкость, но также присутствует в капсулярных компонентах почвенных бактерий в качестве защиты от высыхания и механических нагрузок.
Альгиновая кислота получается путем кислотной экстракции из водорослевой ткани с последующей нейтрализацией щелочью и осаждением путем добавления хлорида кальция или минеральной кислоты. Она превращается в альгинат натрия путем щелочной обработки. Хауг и др. выяснили структуру альгиновой кислоты путем частичного кислотного гидролиза, показав, что альгинат получают как связанные блоком β-D-маннуроновую (М) и α-L-гулуроновую кислоты (G), которые чередуются в разных формах полимеров. Альгинат характеризуется последовательными остатками G (G-блок), последовательными остатками M (M-блок) и чередующимися остатками MG в равной пропорции (MG-блоки) или неравной пропорции (GGM- и MMG-блоки), особенно в зависимости от организма и ткани, из которой он был выделен. Как и другие полисахариды, альгинат представляет собой полидисперсную систему, и его молекулярная масса характеризуется широким распределением молекулярных масс, что подтверждается индексом полидисперсности более 1,1.
Каждый альгинат имеет собственное значение pH в зависимости от химического состава, концентрации альгината и ионной силы геля-растворителя. Кроме того, альгиновая кислота полностью не растворяется ни в одном растворителе, включая воду, в то время как альгинат натрия растворим в воде. При повышении pH растворы альгината натрия могут вести себя двумя различными способами: быстрое увеличение количества катионов, то есть H + в растворе, обеспечивающее осаждение альгиновой кислоты, или медленное увеличение с образованием альгиновой кислоты. Сравнивая кривые осаждения альгината из разных источников, Haug и соавторы продемонстрировали, что индуцированное рН осаждение альгината может быть различным в зависимости от молекулярной массы полимера [15].
Ионное сшивание является более простой процедурой для образования трехмерных альгинатных сетей путем диффузии двухвалентных ионов, то есть кальция, цинка, между полимерными цепями. Альтернативно ионы, которые просто присутствуют в альгинатной сети, могут высвобождаться контролируемым образом вследствие изменения растворимости, вызванного изменением рН микроокружения [16]. В этих случаях не требуется никаких вспомогательных молекул или катализатора для взаимодействия ионов между полярными группами. Исходя из этого подхода, могут быть изготовлены более сложные системы, такие как полиэлектролиты, для более точного контроля механических и вбирающих свойств. Поскольку альгинаты с ионной сшивкой имеют очень ограниченную стабильность in vivo – из-за механизма ионного обмена, происходящего в физиологических условиях, – полисахариды также модифицируются химическим путем для получения полимеров с улучшенными биологическими свойствами, опосредованными большой протяженностью функциональных групп вдоль их молекулярной цепи.
Чтобы реализовать более эффективные системы доставки лекарств в ткани с более высоким терапевтическим эффектом, необходимо применять чувствительные к раздражителям полимеры. Раздражители окружающей среды могут быть классифицированы следующим образом:
— физиологические, такие как pH, ферментативная активность, окислительно-восстановительный потенциал и концентрация глюкозы;
— внешние раздражители, такие как температура, свет, магнитное поле и механическая сила [17].
Кроме того, разработка систем, реагирующих на раздражители, требует более точного контроля скорости разложения полисахаридов, происходящего посредством расщепления гликозидных связей и деполимеризации полисахаридов, путем точного определения концентрации реагентов и температуры синтеза. Следовательно, необходимо правильно понимать механизм деградации полисахаридов в физиологических условиях и/или при наличии ферментативной активности.
Способность некоторых полисахаридов реагировать на условия pH представляет интересный способ направить лекарственный препарат в определенную ткань или клеточное образование. Например, разложение альгинатов сильно зависит от рН. Деградация альгината из Laminaria digitata при разных значениях pH продемонстрировала, что альгинат стабилен только в диапазоне значений pH от 5 до 10.
Контролируемая доставка лекарств по требованию становится возможной благодаря разработке систем, реагирующих на факторы, которые распознают свою микросреду и реагируют динамично. Этот подход в основном интересен для тканевой инженерии благодаря возможности точной настройки высвобождения биологически активных молекул для динамического соответствия потребностям растущих тканей.
Использование полисахаридов с контролируемыми скоростями деградации может обеспечить правильное соответствие скорости роста ткани с целью постепенного формирования ее в месте каркаса, а именно пористой платформы с определенной архитектурой, обеспечивающей основные функции клеток (то есть адгезию, пролиферацию, дифференцировку) [18].
В последние годы различные полисахариды использовались для создания пористых каркасов для изучения роста тканей в трехмерных (3D) моделях in vitro. Например, Li и соавторы подготовили 3D-каркас из хитозан-альгината для стимулирования пролиферации клеток хондроцитов и выработки коллагена типа II для улучшения восстановления и регенерации хряща [19]. Совсем недавно хитозан-альгинатные каркасы были разработаны для воспроизведения сложной трехмерной микросреды опухоли, поэтому они представляют новую интересную платформу для разработки и изучения противоопухолевой терапии [20].
В этом контексте параметры окружающей среды, такие как рН, могут поддерживать деградацию полимерной матрицы, подтверждающую активность ферментов in vivo. В частности, pH может инициировать высвобождение молекул или способствовать проникновению полимерных наночастиц в цитоплазму клетки, компенсируя тем самым все специфические изменения микроокружения, связанные с изменением специфических ферментов (таких как протеазы, фосфолипазы или гликозидазы) при патологических состояниях, таких как ишемия, воспалительные заболевания или рак [21].
Что касается доставки лекарств, то носители на основе полисахаридов могут по-разному работать в различных условиях рН, как правило, под воздействием микроокружения in vivo, таким образом, защищая активные вещества от желудочного сока или преждевременного метаболизма, чтобы сохранить лекарство до места цели. В связи со снижением метаболизма альгината специфическими ферментами у человека, возможно объединение с другими фазами с целью создания гибридных наноносителей с чувствительностью к рН для замедленного высвобождения доксорубицина с целью ингибирования рака. Аналогичные подходы были также доказаны в разработке капсул с лекарственными препаратами для лечения заболеваний желудка (рН 1,0–3,0) [22].
Альтернативно альгинаты широко использовались для разработки систем высвобождения лекарств с ингибированием молекулярной диффузии на желудочном уровне (кислотный рН) вследствие превращения альгината натрия в нерастворимую альгиновую кислоту и быстрого высвобождения лекарственного средства на кишечном уровне (более высокий рН), приписываемого повторному превращению альгиновой кислоты в растворимый вязкий альгинат [23]. Чтобы преодолеть некоторые ограничения из-за выраженного выброса альгинатов, другие полисахариды могут быть использованы в качестве покрытия или внешней оболочки для более эффективного контроля скорости высвобождения лекарственного средства [24].
В то время как хитозан ионизируется и растворяется в условиях сильной кислоты желудка, он имеет особенность быстро набухать, образуя ионный гель при нейтральном pH кишечника, таким образом, высвобождая терапевтические молекулы в результате деградации полимера [25]. Совсем недавно чувствительное к рН поведение хитозана также было использовано для разработки инновационных систем противораковой доставки лекарств. Действительно, небольшое различие в рН, существующее между здоровыми тканями (7,4) и внеклеточной средой опухоли (6,5–7,2), является одним из параметров, которые стимулируют аномальную активность опухолевых клеток, обеспечивая более быстрый дефицит как питательных веществ, так и кислорода, таким образом, смещая метаболизм в сторону гликолиза.
В этом контексте наночастицы хитозана способны изменять свой поверхностный заряд – переключаться с почти нейтрального на положительный – вокруг внеклеточного рН опухоли, чтобы способствовать их внедрению в клеточную мембрану с пониженной токсичностью, тем самым отмечая большой потенциал для терапии рака [26]. Альтернативно хитозановые каркасы, содержащие антиангиогенные агенты, были успешно использованы при раке головного мозга для создания системы контролируемого высвобождения, для преодоления существующих ограничений в транспорте лекарств через гематоэнцефалический барьер [27]. Feng и соавторы приготовили чувствительные к рН коацерватные хитозан/альгинатные микрокапсулы для перорального введения доксорубицина (DOX) с низкой толерантностью к рН для повышения стабильности альгинатного ядра в желудке и его быстрого высвобождения в тонкой кишке. По мере того как увеличивается время контакта между поверхностью капсулы и слизистой оболочкой тонкой кишки, поглощение DOX может усиливаться, тогда как использование структуры LayerByLayer дает возможность доставлять несколько лекарств, инкапсулируя разные лекарства отдельно, в ядре и слоях соответственно, для комбинированной молекулярной терапии [28].
Заключение
Таким образом, быстрое развитие области биомедицинского применения альгинатов стимулировало исследования для изучения новых биосовместимых материалов, подходящих для лучшего контроля взаимодействия клеток с материалами и контролируемого высвобождения, и нацеливания лекарственного средства. В этом контексте полисахариды продемонстрировали, что они представляют собой класс макромолекул, доступных из возобновляемых источников и характеризующихся широким спектром физических свойств (то есть ответом на раздражители окружающей среды), которые должным образом определяются химическими модификациями. Это открывает возможность использовать полисахариды и их производные для разработки инновационных устройств в качестве «умных» систем доставки, способных высвобождать захваченное лекарственное средство в ответ на определенные физиологические раздражители, с помощью соответствующих способов высвобождения во времени и пространстве. Это будет обеспечиваться набором свойств полимера, точно подобранных по концентрации методом сшивания (т.е. физическими, химическими или обеими реакциями) для изготовления полу- или полностью взаимопроникающих полимерных сетей, способных воспроизводить пористую матрицу, подходящую в качестве каркаса для клеточной культуры, с улучшенными свойствами молекулярного высвобождения. В перспективе могут быть разработаны многокомпонентные системы доставки лекарств с целью терапевтических и диагностических применений.