CC BY
144
TYPES OF CHITOZAN MODIFICATION BY USING VARIOUS DERIVATIVE AGENTS
Pyatigorskaya N.V., Kargin V.S., Brkich G.E.
First Moscow State Medical University named after I.M. Sechenov (Sechenov University), Moscow, Russian Federation
ВИДЫ МОДИФИКАЦИИ ХИТОЗАНА ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ДЕРИВАТИЗИРУЮЩИХ АГЕНТОВ
Пятигорская Н.В., Каргин В.С., Бркич Г.Э.
ФГАОУ ВО Первый МГМУ имени И. М. Сеченова (Сеченовский университет), г. Москва, Российская Федерация
a fV This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License ^ ^NSf by https://creativecommons.Org/licenses/by/4.0/
* -лШ i ПН RESEARCH ARTICLE | НАУЧНАЯ СТАТЬЯ 4 ©Pyatigorskaya N.V., Kargin VS., Brkich G.E., 2021
dj -i http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2686-6838-2021-23-4-23-30
L •ЩТ Y / Ч Поступила 12.02.2021/Принята 15.03.2021 | Received 12.02.2021/Accepted 15.03.2021
УДК 547.458.1
Abstract. The prevalence of the study of chitosan is associated with favorable biological properties of the polymer: low toxicity, biodegradability, and biocompatibility with cells of the human body. Chitosan is a complex aminopolysaccharide consisting of two types of monosaccharaides: 2-acetamide-D-glucose and 2-amino-D-glucose connected by a 1,4-fi-glycosidic bond, obtained by chitosan by chitin deacetylation. Chitosan has hemostatic, hypolipedymic and antimicrobial activity against gram-positive and gram-negative microorganisms. However, the preparation of various drugs based on it is accompanied by difficulties in the development of biodegradable compositions that are related to the field of application. For the immobilization of various compounds used as drugs for the treatment of complications associated with damage to the skin, it is possible to use chitosan in dissolved form, converted into a salt form. However, salt forms of chitosan are water-soluble polymers, which leads to the rapid degradation of the matrix and the release of the drug from it, due to hydrophilicity. Additional lipophilization is required to obtain insoluble chitosan structures. Therefore, various modified chitosan structures are used that have suitable properties for the manufacture of a medicament. In addition, lipophilization of the chitosan structure allows
Аннотация. Распространённость изучения хитозана связана с благоприятными биологическими свойствами полимера: низкая токсичность, биоразлагаемость, и
биосовместимость с клетками организма человека. Хитозан - это аминополисахарид сложного строения, состоящий из двух типов моносахаридов: 2-ацетамид-й-глюкозы и 2-амино-й-глюкозы соединенных 1,4-@-гликозидной связью. Хитозан получают путем дезацетилирования хитина. Хитозан обладает гемостатической, гиполипедимического и антимикробной активностью против грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов. Однако получение различных лекарственных средств на его основе сопровождается сложностями при разработке составов биоразлагаемых композиций, которые связаны с областью применения. Для иммобилизации различных соединений, применяемых в качестве лекарственных средств для лечения осложнений, связанных с повреждением кожного покрова, возможно использование хитозана в растворенном виде, переведенного в солевую форму. Гидрофильные солевые формы хитозана представляют собой
the immobilization of more lipophilic structures. The purpose of this work was to study the literature and patent data sources for conducting information-analytical search of the approach. That led to the choice of a modified chitosan structure for its use in the pharmaceutical development of finished dosage forms. The article considers various types of derivatizing agents and the properties of modified chitosan structures.
Keywords: chitosan, chitosan modification methods, salt form of chitosan, lipophilization, cross-linked chitosan
REFERENCES
[1] A.A. Grishin, N.V. Zorina, V.I. Lutsky. CHITIN AND CHITOZAN: CHEMISTRY, BIOLOGICAL ACTIVITY, APPLICATION // University Bulletin. Applied Chemistry and Biotechnology. Irkutsk 2014.V. 7, N 1.P. 29-34
[2] M.D. Mukatova, N.A. Kirichko, E.N. Romanenkova. Qualitative characteristics of chitin and chitosan obtained from the shell of waste containing crayfish waste. Vestnik MGTU. Murmansk. 2015.Vol. 18 No. 4. P. 641-646.
[3] Nemtsev SV. Integrated technology of chitin and chitosan from the shell of crustaceans / / VNIRO. M .: 2006.p.133
[4] Kargin V.S., Pyatigorskaya N.V., Brkich G.E. Various properties of chitosan and the possibility of its use in the medical field // Interuniversity Scientific Congress "Higher School: Scientific Research". M .: 2020 s. 72-78
[5] M.P. Lyabin, P.S. Semenov Improving the technology of chitosan production // Bulletin of VolSU. Volgograd. Series 11. 2011. No. 2 p. 17-21
[6] Development of a Scientific Methodological Approach to Expansion of Product Range for Treatment of Infected Wounds / L.L. Brkich, N.V. Pyatigorskaya / / Asian Journal of Pharmaceutics -Oct-Dec 2017 - 11 (4) p. 739-744
[7] Chitosan-containing proteinase composites / E.E. Savelyeva, E.E. Dosadina, L.L. Brkich [et al.] // Chemical industry today. 2017. No. 7. C. 32-42.
растворимые в воде полимеры, что приводит к быстрой деградации матрицы и выходу лекарственного средства из нее. Для получения нерастворимых структур хитозана требуется дополнительная липофилизация. Поэтому применяют различные модифицированные структуры хитозана, которые обладают подходящими свойствами для получения лекарственной формы. Также липофилизация структуры хитозана позволяет
иммобилизировть более липофильные
фармацевтические субстанции (с показателем распределения в системе октанол в воде LogP более 2). Цель данной работы заключалась в изучении литературных и патентных данных для проведения информационно-аналитического
выбора модифицированной структуры хитозана для ее применения в фармацевтической разработке лекарственных форм. В статье рассмотрены различные типы дериватизирующих агентов и свойства модифицированных структур хитозана.
Ключевые слова: хитозан, методы модификации хитозана, солевая форма хитозана, липофилизация, сшитый хитозан
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
[1] А.А. Гришин, Н.В. Зорина, В.И. Луцкий. ХИТИН И ХИТОЗАН: ХИМИЯ, БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, ПРИМЕНЕНИЕ // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. Иркутск. 2014. Т. 7, N 1. С. 29-34
[2] М.Д. Мукатова, Н.А. Киричко, Е.Н. Романенкова. Качественные характеристики хитина и хитозана, полученных из панцирь содержащих отходов речных раков // Вестник МГТУ. Мурманск. 2015. Т. 18 № 4. С. 641-646.
[3] Немцев С. В. Комплексная технология хитина и хитозана из панциря ракообразных // ВНИРО. М.: 2006. с.133
[4] Каргин В.С., Пятигорская Н.В., Бркич Г.Э. Различные свойства хитозана и возможности его использования в медицинской сфере // Межвузовский научный конгресс «Высшая школа: научные исследования». М.: 2020 с. 7278
[5] М.П. Лябин, П.С. Семенов Совершенствование технологии получения хитозана // Вестник ВолГУ. Волгоград. Серия 11. 2011. № 2 с. 17-21
[6] Development of a Scientific Methodological Approach to Expansion of Product Range for Treatment of Infected Wounds / L.L. Brkich, N.V. Pyatigorskaya / / Asian Journal of Pharmaceutics - Oct-Dec 2017 - 11 (4) p. 739-744
[8] Dosadin, E.E. The use of chitosan as a carrier of proteinases and miramistin to obtain an enzyme-containing gel / E.E. Dosadina, L.L. Brkich, N.V. Pyatigorsk [et al.] // Butlerov Communications. 2016. V. 48, No. 10. S. 49-59
[9] Florence Croisier, Christine Jérôme Chitosan-based biomaterials for tissue engineering // European Polymer Journal. 2013. No. 49. S. 780-792
[10] M.Sc. Ana Pastor de Abram / Quitina y Quitosano: Obtención, caracterización y aplicaciones. Resutado del Proecto CYTED 1V.14: Obtencion de quitina y quitosano a partir de desechos de crustaceos // Pontificia Universidad Catolica del Peru - 2004.
[11] European Pharmacopoeia 8 edition FS 01/2008: 1774. European Directorate for the Quality of Medicines. 2014
[12] O.B. Klicheva, S.Sh. Rashidova Reactions of carboxymethylation of chitosan Bombyx mori // Vestnik TvGU 2016 No. 1 P. 133-139
[13] Chen L., Tian Z., Du Y. Synthesis and pH sensitivity of carboxymethyl chitosan-based polyampholyte hydrogels for protein carrier matrices // Biomaterials. 2004. Vol. 25, No. 17. P. 3725-3732.
[14] Chen S.C. et al. A novel pH-sensitive hydrogel composed of N, O carboxymethyl chitosan and alginate cross-linked by genipin for protein drug delivery // J. Control. Release 2004. Vol. 96, No. 2. P. 285-300.
[15] Anitha A. et al. Synthesis, characterization, cytotoxicity and antibacterial studies of chitosan, O-carboxymethyl and N, O-carboxymethyl chitosan nanoparticles // Carbohydr. Polym. Elsevier Ltd, 2009. Vol. 78, No. 4. P. 672-677.
[7] Хитозансодержащие композиты протеиназ / Е.Е. Савельева, Э.Э. Досадина, Л.Л. Бркич [и др.] // Химическая промышленность сегодня. 2017. №7. C. 32-42.
[B] Досадина, Э.Э. Использование хитозана в качестве носителя протеиназ и мирамистина для получения ферментсодержащего геля / Э.Э. Досадина, Л.Л. Бркич, Н.В. Пятигорская [и др.] // Бутлеровские сообщения. 2016. T4B, №10. С. 49-59
[9] Florence Croisier, Christine Jérôme Chitosan-based biomaterials for tissue engineering // European Polymer Journal. 2013. № 49. С. 7B0-792
[10] M.Sc. Ana Pastor de Abram / Quitina y Quitosano: Obtención, caracterización y aplicaciones. Resutado del Proecto CYTED 1V.14: Obtencion de quitina y quitosano a partir de desechos de crustaceos // Pontificia Universidad Catolica del Peru - 2004
[11] European Pharmacopoeia B edition ФС 01/200B:1774. European Directorate for the Quality of Medicines. 2014
[12] О.Б. Кличева, С.Ш. Рашидова Реакции карбоксиметьлирования хитозана Bombyx mori // Вестник ТвГУ 2016 №1 С. 133-139
[13] Chen L., Tian Z., Du Y. Synthesis and pH sensitivity of carboxymethyl chitosan-based polyampholyte hydrogels for protein carrier matrices // Biomaterials. 2004. Vol. 25, № 17. P. 3725-3732.
[14] Chen S.C. et al. A novel pH-sensitive hydrogel composed of N,Ocarboxymethyl chitosan and alginate cross-linked by genipin for protein drug delivery // J. Control. Release. 2004. Vol. 96, № 2. P. 2B5-300.
[15] Anitha A. et al. Synthesis, characterization, cytotoxicity and antibacterial studies of chitosan, O-carboxymethyl and N,O-carboxymethyl chitosan nanoparticles // Carbohydr. Polym. Elsevier Ltd, 2009. Vol. 78, № 4. P. 672-677.
Conflict of interests. The authors declare no conflicts of interest.
Autors Contributions. Pyatigorskaya N. V. - reviewer of the manuscript; Kargin V.S. - analysis of literary sources and writing the text of the manuscript; Brkich G.E. - assessment of the relevance and information content of the written manuscript.
Pyatigorskaya N.V.-SPIN ID: 8128-1725 ORCID ID: 0000-0003-4901-4625
Research interests, number of main publications: Technology of obtaining drugs. More than 10 publications were published in 2020.
Kargin V.S. - SPIN ID: 1557-6264 ORCID ID: 0000-0002-7584-1467
Research interests, number of main publications: Technology of obtaining drugs. 4 publications were published for 2020.
Brkich G.E. - SPIN ID: 6677-0344 ORCID ID: 0000-0002-3469-9062
Research interests, number of main publications: Technology of obtaining drugs. More than 7 publications were published in 2020.
Заявление о конфликте интересов. Авторы заявляет об отсутствии конфликта интересов. Вклад авторов: Пятигорская Н.В.-рецензент рукописи; Каргин В.С.-анализ литературных источников и написание текста рукописи; Бркич Г.Э.- Оценка актуальности и информативности написанной рукописи
Пятигорская Н.В.-SPIN ID: 8128-1725 ORCID ID: 0000-0003-4901-4625
Сфера научных интересов, количество основных публикаций: Технология получения лекарств. За 2020 год опубликовано более 10 публикаций.
Каргин В.С.- SPIN ID: 1557-6264 ORCID ID: 0000-0002-7584-1467
Сфера научных интересов, количество основных публикаций: Технология получения лекарств. За 2020 год опубликовано 4 публикации.
Бркич Г.Э.- SPIN ID: 6677-0344 ORCID ID: 0000-0002-3469-9062
Сфера научных интересов, количество основных публикаций: Технология получения лекарств. За 2020 год опубликовано более 7 публикаций.
For citation: Pyatigorskaya N.V., Kargin V.S., Brkich G.E. TYPES OF CHITOZAN MODIFICATION BY USING VARIOUS DERIVATIVE AGENTS // Medical & pharmaceutical journal "Pulse". 2021. Vol.23. №4. C. 23-30. http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2686-6838-2021-23-4-23-30.
Для цитирования: Пятигорская Н.В., Каргин В.С., Бркич Г.Э. ВИДЫ МОДИФИКАЦИИ ХИТОЗАНА ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ДЕРИВАТИЗИРУЮЩИХ АГЕНТОВ // Медико-фармацевтический журнал "Пульс". 2021. т23. №4. С. 23-30. http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2686-6838-2021-23-4-23-30.
Введение. Хитозан - это аминополисахарид сложного строения, состоящий из двух типов моносахаридов: 2-ацетамид-Б-глюкозы и 2-амино-Б-глюкозы соединенных 1,4-р-гликозидной связью. Получают хитозан путем дезацетилирования хитина (рис. 1), обычно являющегося продуктом переработки ракообразных. Однако источниками хитина могут быть различные организмы живого мира такие как панцирь ракообразных, некоторые бактерий и диамантовые водорослей [1-4]. Реакция дезацетилирования протекает в щелочных условиях, в присутствии 40% раствора гидроксида натрия. В связи с этим получение хитозана сопряжено с проблемой стандартизации по показателям: молекулярная масса и степень дезацетилирования. Существует метод получения, который не сопряжен с щелочным
разложением - это ферментативный гидролиз. Однако ферментативный гидролиз является достаточно затратным методом для промышленного применения [6]. Хитозан обладает различными свойствами, такими как биосовместимость, биоразлагаемость и низкая токсичность. Также хитозан проявляет антимикробную и гемостатическую активностью [4], что позволяет применять его в создании лекарственных средств (ЛС) для наружного применения с гемостатической активностью. Механизм этой активности связывают с положительными зарядами полимера, которые задерживают белки и клетки крови, а также оказывает бактерицидное воздействие на клетки микроорганизмов. Положительные заряды полимеру придают ионизированные аминогруппы [4].
NaOH
п
Рис.1 - Получение хитозана из хитина в щелочных условиях Fig.1 - Preparation of chitosan from chitin under alkaline conditions
Хитозан по физико-химическим свойствам способен к гелеобразованию в кислой среде, образуя солевую форму. В воде несолевая форма хитозана плохо растворима и нерастворима в щелочах. Растворимость в водных растворах кислот напрямую зависит от степени дезацетилирования хитозана, то есть от количества свободных аминогрупп в молекуле. Когда степень дезацетилирования хитина составляет около 50%, он становится растворимым в водно-кислотной среде и переходит в форму хитозана, если эта степень ниже, образуется более липофильное соединение плохо растворимое в водно-кислотной среде. Поэтому для получения твердой лекарственной формы (ЛФ) (пленки, губки, лиофилизаты в виде порошка или пористой массы) на основе хитозана на начальных технологических этапах требуется растворение в разбавленных кислотах, это приводит к получению хитозанового геля, который затем подвергается сублимации. Однако немодифицированный хитозан подвергается более быстрому
ферментативному распаду, что способствует высвобождению фармацевтических
субстанций (ФС). Поэтому для создания твердых ЛФ применяются
модифицированные хитозан-производные [79].
Цель данной работы заключалась в изучении литературных и патентных данных для проведения информационно-аналитического выбора модифицированной структуры хитозана для ее применения в фармацевтической разработке лекарственных форм.
Результаты и обсуждения. В результате проведенного анализа литературы, выделены два направления модификации структуры хитозана - ковалентные и нековалентные связанные структуры [7-9]. Нековалентная модификация приводит к образованию различных комплексов и солевых форм хитозана. Нековалентное связывание с образованием комплексов включает в себя
различные межмолекулярные
взаимодействия, что позволяет
иммобилизировать ФС, получая различные комплексы хитозана. Получение таких ЛС предполагает регуляцию высвобождения ФС из ЛФ. ФС могут вступать в два типа взаимодействий - за счет водородных связей, примером может служить мирамистин и различные ферменты, и ионное взаимодействие со свободной амино группой [6,7]. За счет таких свойств хитозан применяется в качестве носителя ФС и вспомогательного вещества при лечении ожогов и ран. Ионное связывание приводит к взаимодействию с ионами тяжелых металлов, что определяет хитозан как эффективный энтеросорбент [10].
Как сказано ранее, хитозан растворим в водно-кислотной среде, что приводит к образованию солевых форм хитозана по механизму образования донорно-
акцепторной связи протона водорода со свободной аминогруппой [11]. Солевые формы растворимы в воде, в отличие от несолевой формы хитозана. Все виды нековалентного взаимодействия представлены на рис. 2.
Ковалентная модификация хитозана возможна по двум типам групп - это свободная амино группа, дериватизация этого химического центра приводит к снижению степени дезацетилирования, снижению рКа, и как следствие возрастанию липофильности полимера. Дериватизация гидроксильной группы приводит к увеличению массы полимера [10]. Ковалентная модификация путем дериватизации гидроксильных групп хитозана может протекать при помощи реакций, направленных на ковалентное взаимодействие с гидроксильными группами, приводящее к образованию эфиров хитозана. Модификации можно добиться
взаимодействием с жирноалифатическими ангидридами в присутствии катализаторов с получением полностью ацилированных производных [10]. Схема реакций представлена на рис. 3.
ОН
[3]
СН,СОО\
7л\
2+
Рис.2 - Виды не ковалентного межмолекулярного взаимодействия
1. Гидрофобное межмолекулярное взаимодействие;
2. Анионное межмолекулярное взаимодействие;
3. Катионное межмолекулярное взаимодействие
Fig.2 - Types of non-covalent intermolecular interaction
1. Hydrophobic intermolecular interaction;
2. Anionic intermolecular interaction;
3. Cationic intermolecular interaction
Рис.3 - Полное ацилирование хитозана Fig.3 - Complete acylation of chitosan
Также модификацию хитозана, воздействуя на гидроксильные группы, можно получить путем карбоксиметилирования (рис. 4). Данная модификация цепи достигается при взаимодействии монохлоруксусной кислоты с хитозаном. В результате этой реакции образуется производное, обладающее амфотерными свойствами [12,13].
Модификация гидроксильной группы практически не влияет на растворимость полимера или напротив повышает ее. Однако получение модифицированных структур только по гидроксильной группе очень сложный процесс. В большей части случаев получаются соединения с модификацией и гидрокси и аминогрупп сразу, как показано на
рисунке 3. Например, гидрогели N, О-карбоксиметил производных с альгинатом, сшитые генипином, обладают рН-чувствительностью, а также могут способствовать высвобождению различных белковых структур при рН 1,2 и 7,4, на 20 % и 80 %, соответственно [14]. При исследовании антибактериальной активности [15] диаметр зоны подавления роста S. aureus был шире у наночастиц N, О-карбоксиметил производного хитозана, в отличие от хитозановых и О-карбоксиметил производных.
Ковалентная модификация амино группы приводит к снижению растворимости полимера и повышению липофильности. Модификацию хитозана с участием амино
группы возможно провести при помощи различных альдегидов, ангидридов,
карбоновых кислот и реакции с метилйодидом (рис. 4).
нею,,
Рис.4 - Получение N, O-карбоксиметил производного Fig.4 - Preparation of the N, O-carboxymethyl derivative
Ковалентное взаимодействие хитозана с альдегидами приводит к образованию оснований Шиффа (рис. 5) [11]. Это приводит к получению соединения липофильного характера на основе хитозана, которое труднее растворяется или вообще не растворимо в водно-кислой среде. По причине своей высокой липофильности в модифицированный по амино группе хитозан возможно иммобилизовать ферменты и различные липофильные ФС. Однако основания Шиффа разлагаются в сильно кислотной среде, что дает преимущества для дальнейшей биодеградации полимера. Также возможна реакция, которая производит «сшивание» двух цепей хитозана путем действия диальдегидов на амино группы с
образованием оснований Шиффа, с вовлечением двух структурных молекул хитозана (рис. 6). Такой метод получения ковалентно-модифицированного хитозана способен повысить липофильность соединения и увеличить его молекулярную массу, это возможно отнести к преимуществам данного метода [10]. Однако существуют недостатки любой ковалентной модификации хитозана по амино группе, такие как снижение антибактериальной активности. Как показали исследования, она зависит от количества свободных амино групп в молекуле хитозана [4]. Также вероятно повысится токсичность полимера, из-за введения в его структуру иных соединений, нарушающих его биодеградацию.
Рис.5 - Реакция Шиффа Fig.5 - The Reaction of The Schiff
Основания Шиффа разлагаются в сильно кислой среде [10], что дает возможность растворится модифицированной форме хитозана при взаимодействии с
биожидкостями организма, если достигается уровень кислотности (рН < 6) в ране. Поэтому сшитый хитозан является лучшим кандидатом на роль носителя ФС, таких как
ферментные ФС и ФС, содержащие в химическом скелете структуры липофильного характера.
Выводы. Анализ возможных модификаций показал, что лучшим кандидатом на роль носителя ФС и формообразователя ЛФ является ковалентно-сшитый хитозан, вследствие физико-химических свойств, которые основаны на липофильности и
1 Corresponding Author: Kargin Vladimir Sergeevich - postgraduate student of the Sechenov First Moscow State Medical University, Department of industrial pharmacy. Moscow, Russia E-mail: [email protected]
Ответственный за переписку: Каргин Владимир Сергеевич -аспирант кафедры промышленной фармации Института профессионального образования ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет) E-m ail: kvcl2. kargin @yan dex. ru
нерастворимости полимера в определенных условиях. Хитозан, полученный по данному типу модификации, содержит альдегиды, содержание которых нормируются в Государственной Фармакопее РФ по показателю органические примеси. Способности ковалентно-сшитых полимеров требуют дальнейшего изучения их свойств и реологии в составе ЛФ.
