Hyaluronsyra Ia Pudas Biologiskt aktiva naturprodukter i läkemedelsutvecklingen, vt-2004 1

Hyaluronsyra Ia Pudas Biologiskt aktiva naturprodukter i läkemedelsutvecklingen, vt-2004 1

Innehållsförteckning 1 Historisk bakgrund... 3 2 Kemiska egenskaper... 4 3 Hyaluronanets biologiska egenskaper och aktivitet... 5 4 Extraktion av hyaluronan... 6 4.1 Från tuppkammar...6 4.2 Från bakterier...6 5 Klinisk effekt och användning... 7 6 Läkemedelsutveckling... 8 7 Referenser... 9 2

1 Historisk bakgrund Hyaluronan, som tidigare kallades hyaluronsyra, upptäcktes 1934 av Karl Meyer på Columbia University. Han fann ämnet i koögats glaskropp och upptäckte att det var just det viskösa ämnet som gav ögat dess form. Han gav ämnet, som bestod av två sockermolekyler, namnet hyaluronsyra efter hyaloid (vitrös, glasaktig) och urinsyra. Han förstod att detta ämne skulle vara användbart i behandling av sjukdomar men att det också varken var kommersiellt möjligt eller etiskt försvarbart att utvinna hyaluronan från koögon. När Endre Balazs, (Fig.1) en ungersk forskare, tog vid Meyers forskning var det redan känt att tuppkammar innehöll höga halter hyaluronan. Balazs kom, på 1940-talet, fram till hur hyaluronan kunde utvinnas från tuppkammar. Även hönornas kammar innehåller hyaluronan men i betydligt lägre koncentrationer. Sen 1970-talet har hyaluronan injicerats i knän på travhästar för att minska inflammationer och det har sen dess också använts i ögon operationer inom veterinär medicin. 1980 sålde Balazs sitt patent till Pharmacia i Sverige. Samma år introducerade Pharmacia Healon på Fig. 1 Endre Balazs marknaden och sen dess har hyaluronan använts inom human ögonkirurgi vid grå starrs operationer, där Healon skyddar hornhinnan medan en ny lins sätts i. Healon ägs numer av Pfizer (sommaren 2004 övergår ägandet till det amerikanska bolaget Advanced Medical Optics, AMO) och Pfizer har egen uppfödning av tuppar med extremt stora kammar. Ett tag hade tupparna problem med att bära upp sina huvuden p.g.a. att kammarna blev alldeles för stora och tunga vilket gjorde att tupparna inte mådde bra. Man vet att om tupparna mår bra så får man en högre kvalitet på hyaluronanet, så det är en balansgång hela tiden mellan välmående tuppar och kvalitet på hyaluronanet. Än idag utvinns hyaluronan från tuppkammar men det går också att extrahera det från Streptokocker. Det finns dock en skillnad på molekylerna som jag återkommer till. 3

2 Kemiska egenskaper Hyaluronanets struktur (Fig.2) är den enklaste av alla glykosaminoglykaner (GAG), och den enda som inte är modifierad med sulfatgrupper. Hyaluronan är en stor linjär polysackarid som består av omväxlande D-glukuronsyra och N-acetyl-Dglukosaminrester, som är sammanlänkade med glykosidiska band i beta 1,4- och beta 1,3 ställning. Molekylvikten är från 300 kda till 2000 kda beroende på vävnadstyp. Polysackaridens kemiska struktur är identisk oavsett om den finns i en bakterie eller i en människa. Fig. 2 Hyaluronan: D-glukuronsyra och N-acetyl-D-glukosaminrester, som är sammanlänkade med glykosidiska band i beta 1,4- och beta 1,3 ställning. Hyaluronan bildas i plasmamembranet, men syntesen av hyaluronan skiljer sig från syntesen av andra GAG genom att den inte kräver kärnproteiner som primer och som tidigare nämnts innehåller hyaluronan inte sulfatgrupper. Hyaluronan finns också i små mängder i blodet. En del av det cirkulerande hyaluronanet tror man kommer från njuren och mjälten där det kataboliserats. Man har i försök sett att hyaluronan snabbt försvinner från blodbanan. Nedbrytning av hyaluronan sker också i levern. CD44, glykoprotein som förknippas med aktivering av lymfocyter, finns på cellytan och är en receptor för hyaluronan. CD44 förmedlar signaler till cellen om endocytos. Efter endocytosen transporteras hyaluronan till lysosomerna där de specifika enzymerna hyaluronidas, _-glukuronidas och _-N-acetylglukossaminidas spjälkar sönder hyaluronanet till monosackarider. För att hyaluronet efter applikation ska vara så länge som möjligt innan den bryts ned av kroppen gör man en s.k. cross-linking då man erhåller en gel. Processen går ut på koppla ihop hyaluronsträngar för att öka storleken och vikten på molekylen. Denna produkt används framför allt i knäleder. 4

3 Hyaluronanets biologiska egenskaper och aktivitet Hos däggdjur finns hyaluronan framför allt i bindväv, i huden, i ögonen, i navelsträngen och i ledvätska. Utmärkande för hyaluronan är dess enorma vattenbindande förmåga, 1000 gånger sin egen vikt. Hyaluronan bildar stora molekylnystan som gör att lösningarna blir trögflytande, elastiska och i lederna friktionsminskande. Nu har man upptäckt att HA påverkar endogena receptorer framför allt CD44 och RHAMM (receptor for hyaluronan-mediated motility). Båda receptorerna har en uppgift vid cellvidhäftning, cellmigration och celltillväxt. CD 44 har även en uppgift vid upptagning och nedbrytning av hyaluronsyra och receptorn förekommer i höga halter vid vissa cancertyper. Under celldelning produceras mycket HA, speciellt under mitosen. Man tror att det underlättar cellerna att skiljas från matrix. Å andra sidan binder vissa cellytereceptorer HA för att binda dom till önskade ställen. HA har förmåga att binda vissa molekyler på önskade ställen i kroppen. Nätverket som HA bildar gör att andra makromolekyler förhindras att passera vilket gör att HA kan reglera t.ex. distribution och transport av plasmaproteiner till vävnader. HA är involverad i olika aktiviteter under morfogenes och celldifferentiering. Under vissa steg i celldifferentieringen är embryot täckt av ett tjockt lager HA. Hur det sitter fast i cellen och vilka molekyler som är inblandade vet man inte än. Mängden HA ökar i områden där cellmigration börjar förmodligen för att HA öppnar vägar genom vilka cellerna kan ta sig fram på. Cancerceller har ofta förhöjda halter HA. Ökad mängd HA ses också vid inflammationer. Det verkar som om den viskösa lösningen hämmar cellaktiviteten. HA verkar öka fagocytos hos monocyter och granulocyter men betydelsen av detta vet man inte. HA finns ofta närvarande i pericellulära utrymmet (omgivningen runt cellen), förmodligen för att skydda cellen mot lymfocyter och virus. Fortfarande är vi osäkra på många av hyaluronets funktioner. 5

4 Extraktion av hyaluronan 4.1 Från tuppkammar Tuppkammarna fryses ned efter slakt. När de kommer till läkemedelsindustrin får dom tina upp i rumstemperatur och sedan skär man dom i bitar. Bitarna dumpas i ett kärl vari dom tvättas fria från bakterier, blod, fjädrar och andra kontaminanter. Kärlet dräneras och vatten pumpas in. Eftersom hyaluronan är vattenlösligt så lakas det ur i vattnet varefter vatten-hyaluronlösningen pumpas över till en ren tank och neutraliseras. Lösningen filtreras för att få den fri från virus, bakterier och proteiner. Filtratet pumpas över till ytterligare en tank där hyaluronanet extraheras med alkohol och därefter torhas till hyaluronanpulver. Fördelen med att utvinna hyaluronan från tuppkammar är att man får en slutprodukt med hög molekylvikt vilket gör den mycket användbar. 4.2 Från bakterier Hyaluronan kan också extraheras från bakterier men då får man en mindre molekyl. Ju större och tyngre molekylen är desto viskösare produkt får man och en produkt som håller längre när den appliceras på människan. Idag vet man fyra olika bakteriearter som producerar hyaluronan kapslar. Bakterierna använder kapseln som ett skyddande lager för att kunna infektera värdar och gömma sig från deras immunförsvar. De fyra bakterierna är Streptococcus equisimilis (humanoch djurpatogen), Streptococcus pyogenes (humanpatogen), Streptococcus uberis (boskapspatogen), and Pasteurella multocida (fjäderfä patogen). Hyaluronan från Streptokocker hör till Klass I och från Pasteurella till Klass II. Klasserna skiljer sig dels i strukturen och dels i hur dom är förankrade i cellens membran. 6

5 Klinisk effekt och användning Ända tills nyligen har hyaluronan, som har hög viskositet, använts uteslutande till att utföra mekaniska uppgifter i människokroppen. I lederna används hyaluronan till att smörja ledytorna. På grund av att hyaluronan förstörs av enzymer i magsäcken och inte kan absorberas av huden så måste den injiceras. Hyaluronan kan aldrig bota artroser men den positiva effekten av injicerad hyaluronan i ex. knän tror man beror på att hyaluronan har en anti-inflammatorisk egenskap samtidigt som den smörjer leden och en teori är att den stimulerar produktionen av kroppseget hyaluronan i leden. Den positiva effekten kan vara upptill sex månader. Gradvis så bryts hyaluronanet ned av kroppens enzymer. Hyaluronan finns i många vävnadstyper och reglerar vävnadens fuktinnehåll varför den har blivit en stor kosmetologisk produkt. Många är dom som låter sina rynkor slätas ut och läppar förstoras av hyaluroninjektioner och det är en stor inkomstkälla för tillverkarna då dessa injektioner måste upprepas med jämna mellanrum för att resultatet ska bestå. Andra stora användningsområden av hyaluronan är naturligtvis ögonkirurgi, där den började användas först. Idag använs också hyaluronan för att minska ärrbildning vid operationer. Inom veterinärmedicin används den för att minska inflammationer i leder på travhästa. Eftersom hyaluronan fortfarande framställs i stor utsträckning från tuppkammar så kan inte personer som är allergiska mot kyckling ta hyaluronan. Biverkningarna är små.. Eventuellt kan man få en lokal irritation på injektionsstället. I mycket sällsynta fall kan knäleder infekterats av bakterier, vilket är mycket allvarligt och i enstaka fall har man fått dränera leden med hjälp av kirurgi. 7

6 Läkemedelsutveckling Hyaluronan är en substans som engagerar många forskare i hela världen och kommer att engagera ändå fler de närmaste 10 åren. Nyligen är dess förmåga att läka sår upptäckt och det är en stor upptäckt då man med detta kan minska ärrbildning vid skador och operationer. Många forskare arbetar också på teorin att hyaluronan kan användas som ett hjälpmedel till att rikta långsamt verkande läkemedel till exakta målceller. Detta på grund av att man vet att hyaluronan har egenskapen att binda vissa molekyler på önskade ställen i kroppen Vidare arbetar forskare med att försöka stoppa hyaluronan att hjälpa vissa celler som ex. cancerceller att migrera i kroppen. Framtiden ser ljus ut för hyaluronan som läkemedel och med den växande utseendefixeringen som pågår torde tillverkarnas marknad vara tryggad även på den fronten. 8

7 Referenser T.C. Laurent, (1998): The Chemistry, Biology and Medical Applications of Hyaluronan and its Derivatives. Portland Press Ltd, London New York Times, (2003-12-23): Alicia Ault: From the head of a Rooster to a Smiling Face Near You Intervju med Dr. Rolf Bergman : Uppsala, Pfizer Health AB, 2004-05-25 V.C. Hascall / M. Yanagishita, (Dec. 15, 1997): http://www.glycoforum.gr.jp/science/hyaluronan/hyaluronane.html 2004-05-20 M. Lammi, (2001-06-07 ) http://www.uku.fi/laitokset/anat/pg/ha.htm, 2004-05-24 L.W. Moreland, (2003-01-14) http://arthritis-research.com/content/5/2/54/abstract U. Bertheim, (2004), http://publications.uu.se/umu/fulltext/nbn_se_umu_diva- 276.pdf, 2004-05-31 9