Создание и перспективы использования модифицированных сорбентов в ветеринарной медицине

Клиническое значение энтеросорбентов

Мировой опыт использования антибиотиков для лечения и профилактики желудочнокишечных болезней человека и животных показал, что их продолжительное применение ведет к развитию множественной антибиотикорезистентности у микроорганизмов, образованию в организме токсичных метаболитов, снижению эффективности лечебно-профилактических мероприятий. В связи с этим возникла необходимость поиска альтернативных методов лечения животных с целью обеспечения максимального выхода безопасной продукции животноводства.

Применение энтеросорбентов ‒ одно из перспективных направлений в профилактике и лечении желудочно-кишечных болезней разной этиологии. Использование сорбентов позволяет исключить или снизить интенсивность другой медикаментозной терапии, в том числе антибиотико- и гормонотерапии, десенсибилизирующего лечения [1]. В настоящее время энтеросорбция широко используется в ветеринарии для лечения животных при отравлениях, а также при иных острых и хронических заболеваниях, сопровождающихся развитием эндотоксикоза, нарушением пищеварения, изменением иммунного статуса и обмена веществ [1, 2].

Энтеросорбенты – лекарственные средства различной природы, осуществляющие связывание экзо- и эндогенных токсинов в желудочно-кишечном тракте путем адсорбции, ионообмена, комплексообразования. Они отличаются структурой, лекарственной формой, технологией получения. Помимо синтетических материалов, для энтеросорбции могут использоваться природные полимеры на основе лигнина, хитина, целлюлозы, глин (алюмосиликаты, цеолиты) и др.

Требования, предъявляемые к качеству энтеросорбентов для животных, аналогичны критериям для энтеросорбентов медицинского назначения [1]:

В основу классификации современных энтеросорбентов положены следующие признаки: лекарственная форма, природа материала, вид взаимодействия между сорбирующим материалом (сорбентом) и связанным веществом (сорбатом).

По химической структуре выделяют группы энтеросорбентов [1]:

• 1.    Активированные угли.

• 2.    Сорбенты природного происхождения:

  • 2.1.    На основе лигнина (полифепан, лигносорб);

  • 2.2.    На основе природных субстратов (отруби злаковые), микроцеллюлоза, хитин (хитозан).

• 3. Сорбенты минерального происхождения (энтеросгель, силикагели).

• 4.    Сорбенты на основе полимеров:

  • 4.1.    Производные полиметоксилана (аэросиль, энтеросгель);

  • 4.2.    Производные поливинилпирролидона (энтеросорб, энтеродез, кросповидон).

Широкое применение находят энтеросорбенты на основе кремнезема, углерода, лигнина, хитина и его производных и минеральные энтеросорбенты (бентониты, цеолиты, вермикулиты и др.) [1, 2]. Наиболее известные энтеросорбенты отечественного производства в ветеринарной практике: цамакс (Московская обл., г. Железнодорожный-5); уголь активированный (г. Екатеринбург); Энтеросгель (г. Саратов) и др. Широкое применение получил разработанный в Центральном научно-исследовательском Институте гематологии и переливания крови (ЦНИИГПК) препарат низкомолекулярного поливинилпирролидона для перорального применения «Энтеродез», который обеспечивает связывание и элиминацию токсинов. В основе фармакологических свойств препарата дезинтоксикационное действие, заключающееся в способности поливинилпирролидона к комплексообразованию с токсичными веществами за счет наличия в нем пятичленного лактамного кольца. Препарат нетоксичен, апробирован в эксперименте на животных [3].

За рубежом наиболее часто используются минеральные сорбенты на основе полиметоксилана («Смекта», Франция; «Аттапульгит», США) и др. [4].

На основе диоксида кремния разработан энтеросорбент «Полисорб ВП». Данный препарат связывает и выводит из организма эндогенные и экзогенные токсичные вещества различной природы, включая микроорганизмы и микробные токсины, лекарственные вещества и яды, соли тяжелых металлов, радионуклиды. «Полисорб ВП» сорбирует также некоторые продукты обмена веществ организма, в том числе избыток билирубина, холестерина и липидных комплексов, метаболитов азотистого обмена, а также вещества «средней молекулярной массы», ответственные за развитие метаболического токсикоза [4, 6].

Особый интерес представляют препараты природного происхождения, такие как «По-лифепан». Это лекарственный препарат на основе гидролизного лигнина (80 %) и целлюлозы (20 %). «Полифепан» адсорбирует тяжелые металлы, радиоактивные изотопы, микроорганизмы, продукты их жизнедеятельности, различные аллергены и аммиак. Компенсирует недостаток естественных пищевых волокон в рационе, положительно влияет на микрофлору толстого кишечника. В отличие от активированного угля не травмирует слизистую оболочку кишечника, легко выводится из организма.

К энтеросорбентам на полимерной кремнеорганической основе – полиметилсилоксане – относится «Энтеросгель», применяемый в медицинской практике. Кремнийорганические сорбенты характеризуются гидрофобностью и высокой сорбционной способностью по отношению к органическим веществам, которая определяется их пористостью и природой заместителя у атома кремния [7, 8].

Большинство известных сорбентов относится к неселективным (универсальным) сорбентам. Одним из них является энтеросорбент «Активированный уголь» (Carbo activatus, Carbolenum), который выпускается в форме таблеток и представляет собой продукт обжига древесины различных пород (ОАО «Уралбиофарм», г. Екатеринбург; ОАО «Московское производственное химико-фармацевтическое объединение им. Н.А. Семашко», г. Москва, и др.). Недостатком препарата является присутствие в нем некоторого количества минеральных примесей, входящих в состав древесины [9].

По технологии матричного синтеза в Институте проблем переработки углеводородов СО РАН (г. Омск) создан энтеросорбент углеродный Зоокарб. В табл. 1 представлены физико-химические и медико-биологические свойства энтеросорбента углеродного «Зоокарб». Производственные испытания и широкая практика применения в хозяйствах доказали его высокую детоксикационную активность.

Энтеросорбция, как и другие способы лечения, непрерывно совершенствуется. Тенденции в развитии этого направления зависят от технологических возможностей при создании энтеросорбентов, методов детоксикации и метаболической коррекции, экологической ситуации, особенностей кормления разных видов животных [10].

Отметим, что на ветеринарном фармацевтическом рынке отсутствуют энтеросорбенты пролонгированного и биоспецифического действия. Это связано со сложностью их производства и высокой стоимостью.

Таблица 1

Физико-химические и медико-биологические свойства энтеросорбента углеродного «Зоокарб»

Наименование показателей	Характеристика и норма (ТУ 9318-003-71069834-2006)
Внешний вид, цвет	Блестящие сферические гранулы диаметром от 0,1 до 1,0 мм черного или серебристого цвета, без запаха
Подлинность, массовая доля углерода, %, не менее	99,5
Потеря в массе при высушивании, %, не более	10
Остаток после прокаливания, %, не более	0,5
Количественное определение, адсорбционная активность по отношению к метиленовому голубому, мкг/мг, не менее	30
Гранулометрический состав	Остаток на сите с диаметром отверстий 1,0 мм и прошедший через сито с диаметром отверстий 0,1 мм, не должен превышать 0,5 %
Микробиологическая чистота	В 1 г препарата допускается не более 103 аэробных бактерий и не более 102 дрожжевых и плесневых грибов. Не допускается наличие семейства Enterobacteriaceaе, Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus в 1 г препарата

Направления и методы синтеза модифицированных энтеросорбентов

Особенности сорбентов, связанные с их текстурой и химической природой поверхности, ограничивают возможности их применения. Изменение пористой структуры сорбентов и ее регулирование до недавнего времени чаще всего проводили методом «геометрической» модификации материалов. Снижается прочность гранул сорбента, что приводит к их разрушению, возможному пылеотделению в кровеносное русло.

Выбор сорбента с той или иной пористой структурой позволяет влиять на избирательность сорбции тех или иных токсинов и предопределяет его терапевтический эффект. Например, при острых отравлениях эффективны микропористые сорбенты, в то же время терапия эндотоксикозов, аутоиммунных заболеваний должна быть ориентирована на сорбенты с мезо- и макропористой структурой [11‒13].

Повысить избирательность сорбции по отношению к токсичным соединениям возможно также химическим модифицированием поверхности сорбентов. При этом возрастает их гидрофильность, в целом это положительный эффект.

Известно несколько основных направлений химического модифицирования поверхности [11, 14–27]:

• –    иммобилизация на поверхности индивидуальных ферментов, полиферментных комплексов, отдельных клеточных органелл (получение сорбентов, обладающих специфической ферментативной активностью);

• –    введение гетероатомов (Si, N) на стадии изготовления матрицы сорбентов;

• –    введение функциональных групп (NH 2 , СООН, ОН, С=О, остатки фосфоновых кислот);

• –    введение в поверхностный слой носителя функциональных групп СООН, СОС1,-NH 2 , N=N-, NCO с целью активирования и модифицирования сорбентов для химической иммобилизации биомолекул с последующей обработкой модифицированных сорбентов бифункциональными реагентами и растворами белков;

• –    иммобилизация специфических антител, антигенов, иммунореактантов (например, аминокислот – лизина, тирозина; белков ‒ белка А, инсулина);

• –    адсорбция сорбентами биологически активных веществ (например, γ -глобулина против клещевого энцефалита), селективно связывающих удаляемые из кровяного русла соединения или комплексы.

Химическое модифицирование поверхности может привести к созданию более гидрофильной или гидрофобной поверхности. Гидрофобность повышают путем термической обработки, при которой кислородсодержащие группы разлагаются. Гидрофильность увеличивают путем окисления. При проведении процесса окисления сорбента используют различные окислители: кислород воздуха, озон, перекись водорода, азотную кислоту, смеси азотной и серной кислот, перманганат калия, раствор гипохлорита натрия. В результате процесса окисления про-исходит увеличение концентрации кислородсодержащих групп на поверхности сорбента в раз-ной степени [16, 21, 24, 28]. Существенным недостатком способа является неконтролируемое изменение пористой структуры сорбента при окислении, отсутствие селективности при образо-вании на углеродной поверхности функциональных групп и возникновение гетероатомов (окислы марганца, азота и другие).

Разработаны способы модифицирования углеродного сорбента за счет покрытия его поверхности различными полимерными пленками: нитрата целлюлозы, ацетата целлюлозы, полиамида, фторсодержащего полимера [14, 24, 25, 27, 29]. Однако модифицирующие пленки полимеров значительно изменяют параметры пористой структуры сорбентов, ухудшая динамику процесса сорбции из биологических сред растворов и их адсорбционные свойства.

Наличие на поверхности сорбентов функциональных групп облегчает химическую прививку различных специфических лигандов, давая возможность получать на базе обычных сорбентов иммуносорбенты для проведения иммунокоррекции при лечении некоторых патологических состояний иммунного характера [17, 19].

Возможна адсорбция на поверхности сорбента лекарственных веществ. Данный способ позволяет сократить расход препаратов, повысить эффективность лечения и уменьшить аллергические реакции. Лекарственные соединения сохраняют относительно высокую биологическую активность в течение продолжительного времени, а их постепенная десорбция служит основой для создания препаратов пролонгированного действия [11, 30].

Одним из основных направлений повышения адсорбционных свойств сорбентов по отношению к токсинам является модифицирование их органическими веществами с различными функциональными группами, аминокислотами, ферментами [19]. Аминосодержащие сорбенты повышают рН крови, связывая кислые метаболиты [15]. Лизинсодержащие сорбенты связывают свободный гемоглобин. Они эффективны при лечении нарушений гемолитического характера. Инсулинсодержащие сорбенты извлекают антитела к инсулину [30].

Исследования последних лет привели к созданию наноматериалов на основе углерода: фуллеренов, одностенных и многостенных нанотрубок, обладающих высокой сорбционной емкостью по отношению к веществам различной химической природы. Однако высокая проникающая способность этих наноматериалов в клеточные мембраны существенно ограничила их использование в качестве углеродных матриц в медицине. Модифицирование углеродных сорбентов органическими соединениями представляет сложный физико-химический процесс, в значительной степени определяемый природой выбранного модификатора.

Несоответствие размеров молекул модификатора порам сорбента может привести к нежелательным процессам – непрочному закреплению его на поверхности сорбента. При сорбции токсических веществ углеродным сорбентом основным механизмом взаимодействия является физическая адсорбция, обусловленная действием дисперсионных сил. При физической ад- _{Таблица 2} сорбции определяющий фак-

Эффективные размеры частиц, молекул и ионов тор ‒ соразмерность молекул адсорбируемых веществ и пор сорбента [1]. Частица Диапазон размеров, нм Дрожжи и грибы Бактерии Масляные эмульсии Твердые коллоидные частицы Вирусы Белки и полисахариды (мол. масса 10 000‒1 000 000 г/моль) Ферменты (мол. масса 10 000‒100 000 г/моль) Противопаразитарные препараты (мол. масса 300‒1 000 г/моль) Антибиотики (мол. масса 300‒1000 г/моль) Органические молекулы (мол. масса 30‒500 г/моль) Неорганические ионы (мол. масса 10‒100 г/моль) Вода (мол. масса 18 г/моль) 1000‒10 000 300‒10 000 100‒10 000 100‒1 000 30‒300 2‒10 2‒5 1‒3 0,6‒1,2 0,3‒0,8 0,2‒0,4 0,2 В табл. 2 представлены размеры микроорганизмов и различных соединений. Путем подбора сорбентов с определенными размерами пор и структурой поверхности из организма можно удалить широкий спектр различных веществ. Создаваемые для сорбционной терапии материалы могут не обладать селектив- ностью. В некоторых случаях необходимо избирательное извлечение определенного класса веществ, например, белков средней молекулярной массы, цитокинов, иммуноглобулинов и т.п. [11, 19].

Обязательное требование к разрабатываемым биоспецифическим сорбентам для решения задач протеомики – возможность выделения адсорбата (т.е. изучаемого токсина) смыванием его с поверхности носителя с биолигандом, связанным с токсином. Поэтому поверхность сорбента необходимо модифицировать таким образом, чтобы связывание биолиганда с поверхностью сорбента происходило через образование ковалентной связи [11, 19].

Основные физико-химические и медико-биологические свойства модификаторов

Модификаторы, используемые для разработки сорбентов ветеринарного назначения, должны соответствовать требованиям:

– нетоксичности;

• – хорошей биосовместимости;

• – растворимости в водных растворах;

• – наличию в структуре функциональных групп, способных вступать в реакцию поликон-денсации/полимеризации с образованием олигомерных/полимерных цепей, обусловливающих малую подвижность модификатора в порах носителя;

• – доступности.

Биологически активные свойства модификаторов и образованных ими полимеров определяют область применения разработанных на их основе сорбентов.

Все известные к настоящему времени модифицирующие агенты по химической природе делят на два класса:

неорганические

• ‒ кислоты и их соли – хлорная, смесь азотной и серной кислот, гипохлорит натрия, перманганат и дихромат калия;

• ‒ газы – озон, углекислый газ, кислород воздуха, водяной пар;

• ‒ гетероатомы (вводимые в матрицу сорбента) – азот, сера.

органические

• ‒ карбоновые кислоты (молочная, адипиновая, аминокапроновая, гликолевая и др.) проявляют антибактериальные, антиоксидантные, противогрибковые, тонизирующие, общеукрепляющие и другие свойства, являются биосовместимыми;

• ‒ аминокислоты (лизин, тирозин, триптофан) проявляют иммуномодулирующие, противовирусные, антибактериальные, детоксикационные свойства, стимулируют обмен веществ, улучшают функции надпочечников, щитовидной железы и др.;

• ‒ полимеры (полиэтиленгликоль, полипропиленгликоль, политетрафторэтилен, поливинипирролидон) обладают антибактериальными, детоксикационными, иммуномодулирующими и др. свойствами;

• ‒ биополимеры (лизоцим, альбумин, белок А, иммуноглобулины, макроглобулины, плазмин, пероксидаза) обладают противовоспалительными, иммуномодулирующими, антибактериальными и др. свойствами.

За последние годы возрос интерес к полимерным материалам, они находят широкое применение во многих областях медицины, особенно в фармации. Это связано с разработкой пролонгированных лекарственных препаратов на основе полимерных носителей. Применение полимеров в качестве транспортных систем стало возможным, так как они способны образовывать стабильные частицы. Включение лекарственных веществ различной природы в полимерную матрицу достаточно эффективно. Кроме того, данные материалы нетоксичны и полностью трансформируются в организме [16, 17, 19].

Использование полимеров началось с 60-х годов ХХ в. В зависимости от происхождения полимеры делят на природные (альбумин, желатин и др.) и синтетические (полистирол, поливиниловый спирт и др.), а по степени биодеградации – на биодеградируемые (полиакрилаты, полимолочная и полигликолевая кислоты и др.) и небиодеградируемые (поливинилы) [16, 17, 19].

Основные направления использования полимеров в медицине и ветеринарии можно разделить на материалы:

• – применяемые в замещении (замене) органов и тканей с использованием методов хирургии и ортопедии;

• – используемые в терапевтических и гигиенических изделиях и покрытиях;

• – для биологически активных систем (компоненты лекарственных препаратов, полимерные биоциды и биорегуляторы);

• – для создания изделий и объектов, используемых в медицине вне организма.

В последнее время развивается направление создания композиционных функциональных материалов с применением модификаторов, способных к реакциям полимериза-ции/поликонденсации. Одно из преимуществ введения в состав материалов полимеров – увеличение количества поверхностных функциональных групп.

Для повышения содержания функциональных групп на поверхности углеродных сорбентов перспективно направление поликонденсации на углеродной поверхности веществ, имеющих в своей структуре физиологически активные группы (-NH2, -СООН, -ОН, -С=О). Наличие таких функциональных групп на поверхности может привести как к электростатическому взаимодействию с биологически активными веществами – белками, так и способствовать образованию ковалентных связей. Необходимо отметить, что процессы образования полимеров на поверхности углеродных сорбентов методом поликонденсации практически не изучены.

Данный подход предполагается применить в исследованиях, проводимых в ИППУ СО РАН, для химического модифицирования поверхности углеродных сорбентов с целью повышения их биоспецифических свойств.

Заключение

Современный рынок энтеросорбентов ветеринарного назначения в основном представлен комплексными соединениями органических и неорганических веществ.

Разработка и исследование новых, эффективных, нетоксичных комплексных препаратов для профилактики и лечения болезней желудочно-кишечного тракта, регуляции обмена веществ, повышения резистентности, стимуляции роста и продуктивности животных ‒ актуальная задача ветеринарии.

Наибольший интерес представляют углеродные сорбенты, обладающие высокой эффективностью и безопасностью применения. Создание углеродных материалов с повышенной адсорбционной активностью по отношению к токсичным веществам определенной природы, детоксикационными и корригирующими свойствами путем регулирования химической природы их поверхности представляет практический интерес, так как позволяет расширить спектр сорбентов биоспецифического действия.