Покрытия из бычьего подчелюстного муцина
| Бычий подчелюстной муцин | |||
|---|---|---|---|
| Идентификаторы | |||
| Организм | |||
| Символ | БСМ1 | ||
| ЮниПрот | О62672 | ||
| |||
| Может быть частью более крупного гена MUC19 , который соответствует подчелюстному муцину свиньи. [ 1 ] | |||
Покрытия из бычьего подчелюстного муцина ( BSM ) представляют собой обработку поверхности биоматериалов, предназначенную для уменьшения роста вредных бактерий и грибков, таких как S. epidermidis , E. coli и Candida albicans . [ 2 ] БСМ – вещество, добываемое из свежих слюнных желез коров. Он обладает уникальными физическими свойствами, такими как высокая молекулярная масса и амфифильность , которые позволяют использовать его для многих биомедицинских применений.
Каждый вид [ нужны разъяснения ] , секретирующие муцин Имеются подчелюстные железы . В настоящее время у человека идентифицировано восемь различных муцинов. [ 3 ] Однако именно муцин из бычьего и свиного происхождения использовался в ряде биоматериалов. Чаще всего BSM используется в покрытиях для имплантируемых материалов. В таких случаях адсорбционные характеристики BSM являются неотъемлемой частью поведения материалов in vivo . Выживаемость и отторжение имплантата во многом зависят от модификаций поверхности, которые определяют межфазное взаимодействие между материалом и телом. Таким образом, адсорбция BSM повышает биосовместимость .
Эпителиальная ткань выстилает поверхность по всему телу. Эту ткань покрывает слизистый слой геля, состоящий из белка. Основная функция слоя – защита от механического воздействия, обезвоживания и бактериальных инфекций. Он также играет роль в клеточной передаче сигналов, клеточных взаимодействиях и регуляции pH. [ 2 ] Двумя основными компонентами геля являются муцины и вода, причем муцины составляют основу слизистой. [ 4 ]
Муцин образуется из слизи, выделяемой подчелюстными железами, которые представляют собой слюнные железы, расположенные под дном рта. Секретируемый муцин способствует пищеварению, покрывая комок таким образом, что он легко проходит через пищеварительный тракт. Муцины являются компонентами одного класса гликопротеинов : гликопротеинов, содержащих сиаловую кислоту, или мукопротеинов. [ 5 ] Они имеют высокую молекулярную массу и существуют либо в виде мембраносвязанных, либо в виде секреторных муцинов. Мембраносвязанный тип имеет гидрофильную область, которая простирается вдоль мембраны и прикрепляется к клеточным поверхностям. Секреторные муцины являются основными компонентами слоя слизистой геля, покрывающего эпителий. [ 3 ]
Физические характеристики
[ редактировать ]Хотя слизь в основном состоит из воды, ее структурные и реологические свойства характеризуются муцином. Под атомно-силовым микроскопом BSM выглядит как композиция волокон гантелевидной формы высотой примерно 1 нм. [ 6 ] BSM можно приобрести в виде порошка, в этом случае он будет от белого до светло-коричневого цвета. [ 7 ]
Механические свойства
[ редактировать ]Муцин представляет собой волокнистую матрицу с гелеобразными свойствами. При смешивании с водным раствором более высокие концентрации муцина приводят к более низким значениям поверхностного натяжения. [ 2 ] BSM имеет энтальпию гидратации -20 кДж/моль и уровень относительной влажности стеклования 60-70%. [ 6 ]
| Источник муцина | Молекулярный вес [кДа] | С [мг/м 2 ] после 24-часовой адсорбции на гидрофильном диоксиде кремния с муцином в концентрации 5 мг/мл. [ 8 ] | С [мг/м 2 ] после 24-часовой адсорбции на гидрофобном диоксиде кремния с муцином в концентрации 5 мг/мл. [ 8 ] |
|---|---|---|---|
| бычий подчелюстной | 4000 [ 5 ] | 0.25 | 2 |
| Свиной подчелюстной | 500-250 [ 9 ] | 1.15 | 2 |
| Человеческий сублингвальный (высокомолекулярный вес) | >1000 [ 10 ] | - | 5 |
| θ, угол контакта воды с ПММА [ 2 ] | в, Поверхностное натяжение PBS [ 11 ] | без покрытия | 69.4±0.2° | 70,2 [мН/м] | |
|---|---|---|---|---|---|
| с покрытием | 50.2±4.0° | 46,5-47,3 [мН/м] |
| λ, дебаевская длина [нм] | k, Адсорбция [нм] | δ, поверхностная плотность всего адсорбированного муцина, мг/м 2 | |
|---|---|---|---|
| Муцин 0,1 г/л + NaCl 10 −3 М | 41 | 0.024 | 2.4 |
| Муцин 0,2 г/л + NaCl 10 −3 М | 43 | 0.105 | 4.3 |
| Муцин 0,1 г/л + NaCl 0,15 М | 41 | 0.024 | 4.5 |
| Муцин 0,05 г/л + NaCl 0,15 М | 110 | 0.009 | 2.3 |
Химический состав
[ редактировать ]
Будучи крупными гликопротеинами, муцины имеют высокое содержание углеводов, что способствует их волокнистой структуре. Эти углеводы отходят от полипептидных цепей в форме олигосахаридов, включая N-ацетилгалактозамин, N-ацетилглюкозамин, фукозу, галактозу и сиаловую кислоту. Гидроксильные группы серина и треонина соединяются с полипептидными цепями посредством О-гликозидных связей.
Взаимодействие с поверхностями
[ редактировать ]Муцины взаимодействуют с поверхностями уникальным образом благодаря амфифильным свойствам, которые проявляют молекулы.
Адсорбция БСМ на твердых поверхностях и типы связи
[ редактировать ]Муцины хорошо прикрепляются к полимерным поверхностям за счет различных типов связей: (1) ковалентного присоединения (2) электростатического взаимодействия, которое требует совпадения зарядовых групп между полимером и слизью; (3) водородная связь ; и (4) гидрофобные взаимодействия. Эти взаимодействия требуют очень тесного контакта между поверхностью и слизью, чтобы обеспечить прочное сцепление. [ 13 ] Большинство муцинов довольно легко адсорбируются на твердых поверхностях без подготовки поверхности из-за притягивающего взаимодействия поверхности с негликозилированной областью молекулы. Измерения поверхностной силы показывают, что между поверхностями, покрытыми муцином, существуют дальнодействующие силы стерического отталкивания, которые можно обнаружить на расстоянии до 100 нм и более. Это указывает на то, что сегменты муцина простираются в окружающий раствор на большое расстояние. Поскольку муцин является амфифильным, негликозилированные участки молекулы взаимодействуют с поверхностью, а гликозилированные участки взаимодействуют с окружающим раствором, вызывая стерическое отталкивание. Отталкивающие силы, прикладываемые муцином, создают антиадгезивные свойства, которые могут подавлять адгезию клеток к поверхностям. [ 4 ]
Эффективность прилипания муцина к гидрофобным поверхностям анализировали путем нанесения покрытия из муцина и измерения количества муцинов, оставшихся на гидрофобном материале после промывания. Количество удаленного муцина составляло небольшую долю оставшегося материала. [ 4 ]
Другой метод определения степени адсорбции муцина на твердой поверхности включает определение показателя преломления чистой твердой поверхности и сравнение этого числа с показателем преломления адсорбированного муцина на поверхности. Адсорбция муцина изменит показатель преломления, который можно использовать для расчета количества молекул муцина в адсорбированном слое (см. уравнения ниже).
Уравнение для оценки показателя преломления: [ 4 ]
п = п с + dn / dc ⋅ c
n = показатель преломления
n s = показатель преломления растворителя
dn/dc= приращение показателя преломления
c = концентрации растворенных молекул
Уравнение для оценки количества молекул в адсорбированном слое: [ 4 ]
С = п - п s / dn / dc ⋅ d
Γ= Избыток поверхности
n = показатель преломления
n s = показатель преломления растворителя
dn/dc= приращение показателя преломления
d = эллипсометрическая толщина
Гидрофобные и электростатические взаимодействия
[ редактировать ]Белки обычно легко адсорбируются на твердых поверхностях из водных растворов, образуя белковую пленку, обычно смешанную с водой. Многие типы взаимодействий могут опосредовать адсорбцию; среди них гидрофобные и электростатические взаимодействия были идентифицированы как центральные факторы, определяющие адсорбцию белка на поверхностях и реакцию отталкивания к молекулам в растворе. Кроме того, предполагается, что на адсорбцию влияют структурные перестройки белков, а также водородные связи. Гликозилированная область муцинов простирается в воду, что заставляет молекулы распространяться в окружающий раствор в конформации случайного клубка. Кроме того, высокая молекулярная масса муцина позволяет молекулам перекрываться и переплетаться при их присутствии в низких концентрациях. [ 4 ]
Зависимость адсорбции от pH
[ редактировать ]Эмпирические данные показали, что pH влияет на адсорбцию муцина на поверхностях. При pH 4 адсорбированное количество муцина было выше, но толщина слоя была меньше по сравнению со средой с pH 6. Повышенную степень адсорбции муцина можно объяснить большим количеством протонированных аминогрупп, присутствующих на уровне pH 4, которые образуют электростатические связи с отрицательно заряженными группами в молекуле. При более низких значениях pH и низкой ионной силе количество адсорбированного на поверхности БСМ увеличивается. более низкий уровень толщины, наблюдаемый при более низких значениях pH, может быть объяснен более сильным притягивающим взаимодействием муцина с поверхностью, заставляя частицы более легко деформироваться, увеличивая степень адсорбции. [ 4 ]
Биосовместимость
[ редактировать ]Поскольку BSM часто наносится в качестве покрытия на материал, который будет взаимодействовать с телом человека, важно свести к минимуму нежелательные взаимодействия с тканями и клетками. Два соображения включают снижение реактивности тканей, например, при воспалительных и иммунных реакциях, и предотвращение адсорбции частиц, таких как бактерии.
Реактивность тканей
[ редактировать ]Образцы полиуретана с покрытием BSM были имплантированы овцам, чтобы оценить, вызывают ли покрытия минимальную реакцию хозяина в течение 30-дневной имплантации. После проверки эксплантированных образцов было обнаружено, что ткань хозяина имела меньшие воспалительные реакции и минимальное образование капсул с образцами из полиуретана, покрытыми BSM, чем образцы без покрытия. Эти результаты делают покрытия BSM привлекательными для использования в биомедицинских приложениях, где синтетические материалы напрямую взаимодействуют с тканями. [ 4 ]
Муцины также считаются полезными в тканевых применениях, поскольку они являются природными и биологическими, могут образовывать гидрогели , проявлять устойчивость к протеолитическому разложению и иметь хорошую адгезию к поверхностям, одновременно отталкивая молекулы на границе раздела с окружающим раствором. Кроме того, возможность обеспечения поглощения определенных белков делает покрытия BSM очень привлекательными для биомедицинского использования, поскольку правильное поглощение белков потенциально может увеличить скорость выздоровления пациентов. [ 5 ]
Предотвращение адсорбции частиц
[ редактировать ]В предыдущих разделах было описано, что муцин полезен в качестве антиадгезивных и отталкивающих средств. Это связано с тем, что BSM хорошо прилипает к поверхностям, но неполярные концы молекул, которые выходят в окружающий раствор, демонстрируют отталкивающее поведение, которое не позволяет внешним частицам достигать поверхности для адсорбции. Чтобы предотвратить адсорбцию большего количества частиц, слой BSM должен иметь толщину всего 0,3 мг/м^2, чтобы полностью предотвратить адсорбцию. [ 4 ]
Приложения
[ редактировать ]Покрытия для имплантатов
[ редактировать ]BSM является активной областью исследований для нескольких приложений биомедицинской инженерии. Благодаря адсорбции на твердых поверхностях он полезен in vivo для предотвращения бактериальных инфекций. BSM и бактерии конкурируют за места адсорбции; Адгезия муцина блокирует адгезию бактерий на поверхностях. Следовательно, снижается риск прикрепления бактерий и инфицирования. Хотя бактериальные инфекции являются распространенной проблемой в медицинской, стоматологической и пищевой промышленности, они являются основной причиной отказов устройств в биологических имплантатах. Для решения этой проблемы BSM использовался в качестве покрытия для диблок-сополимера поли(акриловая кислота-b-метилметакрилат) (PAA-b-PMMA). Сополимер обеспечивает два механизма, которые способствуют бактериальной устойчивости биоматериала. Во-первых, блок ПАК способствует адсорбции БСМ на поверхности. Во-вторых, блок ПММА предотвращает растворение БСМ в водных средах. Такое поведение обязательно при смазке сердечно-сосудистых стентов и мочевых катетеров при их установке пациентам. За счет адсорбции БСМ снижается гидрофобность поверхности и снижается вероятность бактериальной адгезии. [ 2 ]
Системы доставки лекарств
[ редактировать ]Доставка лекарств — еще одно применение, в котором используются покрытия BSM. В системах доставки лекарств фармацевтические продукты используются в инкапсулированных отсеках. Эти отсеки состоят из гидрофильных полимеров, которые позволяют высвобождать определенное лекарство с заданной скоростью и профилем высвобождения. Покрытия BSM имеют преимущество в виде мукоадгезивных пленок, которые высвобождают лекарства в окружающую ткань слизистой оболочки после имплантации. Такие системы доставки были созданы специально с использованием полимеров ПАК и покрытий БСМ. [ 2 ] Как и в предыдущем случае, полимер ПАК улучшил адсорбцию BSM на своей поверхности, предотвращая бактериальную адгезию и потенциальное инфицирование. Взаимодействие муцина с самим фармацевтическим продуктом и другими белками, встречающимися в организме, имеет жизненно важное значение для процесса доставки лекарства. Поведение BSM и лекарств исследуется, чтобы убедиться, что один элемент не нарушает функцию другого. Покрытия также синтезируются, тестируются и анализируются таким образом, чтобы различные белки в организме не оказывали негативного влияния на адсорбцию BSM и устойчивость бактерий. [ 4 ]
Гидрогели
[ редактировать ]BSM также использовался для изготовления гидрогелей. Гидрогели представляют собой сшитые гидрофильные полимерные матрицы в воде, которая является дисперсионной средой. Свойства BSM идеальны для образования гидрогелей. Его гликозилированные участки взаимодействуют с водой, образуя вытянутые беспорядочные клубки. Кроме того, его высокая молекулярная масса позволяет ему перекрываться при низких концентрациях. Такое синергетическое поведение создает эффективные гелевые матрицы, которые подходят для нескольких биомедицинских применений, таких как каркасы, медицинские электроды и системы доставки лекарств. [ 4 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хоренс, PR; Ринальди, М; Ли, RW; Годдерис, Б; Клеребут, Э; Веркрусс, Дж; Гельдхоф, П. (7 марта 2011 г.). «Полногеномный анализ генов бычьего муцина и их профиля транскрипции в желудочно-кишечном тракте» . БМК Геномика . 12 :140. дои : 10.1186/1471-2164-12-140 . ПМК 3056801 . ПМИД 21385362 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Бушнак И.А., Лабид Ф.Х., Сир Р.П., Кедди Дж.Л. (2010). «Адгезия микроорганизмов к покрытиям из подчелюстной муцина крупного рогатого скота: влияние условий нанесения покрытия» (PDF) . Биологическое обрастание . 26 (4): 387–97. дои : 10.1080/08927011003646809 . ПМИД 20182931 . S2CID 18629974 .
- ^ Перейти обратно: а б «Полимерные биоматериалы, пересмотренные и расширенные». Гугл Книги. Эд. Северьян Дмитрий. Нп и Интернет. 5 мая 2013 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к Свенссон, Олоф. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МУЦИНОВ С БИОПОЛИМЕРАМИ И ЧАСТИЦАМИ ДОСТАВКИ ЛЕКАРСТВ. Диссертация. Университет Мальмё, 2008. Холмбергс: Университет Мальмё, 2008. Печать.
- ^ Перейти обратно: а б с Пруст, Жак Эмиль; Башкин, Адам; Перес, Эрик; Буассоннад, Мари Мартин (1984). «Адсорбция бычьего подчелюстного муцина (BSM) на границе твердого тела и жидкости и поверхностные силы». Коллоиды и поверхности . 10 : 43–52. дои : 10.1016/0166-6622(84)80006-2 . ISSN 0166-6622 .
- ^ Перейти обратно: а б Знаменская Яна; Сотрес, Хавьер; Энгблом, Йохан; Арнебрант, Томас; Кочербитов, Виталий (2012). «Влияние гидратации на структурные и термодинамические свойства муцинов подчелюстных желез свиней и крупного рогатого скота». Журнал физической химии Б. 116 (16): 5047–5055. дои : 10.1021/jp212495t . ISSN 1520-6106 . ПМИД 22455728 .
- ^ Сигма-Олдрич. «Муцин из бычьих подчелюстных желез». Сигма-Олдрич. Сигма-Олдрич и Интернет. 23 мая 2013 г.
- ^ Перейти обратно: а б Сандберг, Т; Блом, Х; Колдуэлл, К. (2009). «Потенциальное использование муцинов в качестве покрытий биоматериалов. I. Фракционирование, характеристика и модельная адсорбция бычьих, свиных и человеческих муцинов» . Журнал исследований биомедицинских материалов . 91 (3): 762–772. дои : 10.1002/jbm.a.32266 . ПМИД 19051309 .
- ^ Гупта, Р; Джентофт, Н. (1989). «Субъединичная структура подчелюстного муцина свиньи». Биохимия . 28 (14): 6114–6121. дои : 10.1021/bi00440a058 . ПМИД 2775758 .
- ^ Бобек, Л; Цай, Х; Бисброк, А; Левин, М. (1993). «Молекулярное клонирование, последовательность и специфичность экспрессии гена, кодирующего низкомолекулярный муцин слюны человека (MUC7) *» . Журнал биологической химии . 268 (сентябрь): 20563–20569. дои : 10.1016/S0021-9258(20)80762-5 . ПМИД 7690757 .
- ^ Ши, Лей; Миллер, Кэрри; Колдуэлл, Карин Д; Валинт, Пол (1999). «Влияние добавления муцина на стабильность водонефтяных эмульсий». Коллоиды и поверхности B: Биоинтерфейсы . 15 (3–4): 303–312. дои : 10.1016/S0927-7765(99)00096-X . ISSN 0927-7765 .
- ^ Перес Э., Пруст Дж. (1987). «Силы между поверхностями слюды, покрытыми адсорбированным муцином, в водном растворе». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 118 (1): 182–91. Бибкод : 1987JCIS..118..182P . дои : 10.1016/0021-9797(87)90447-4 . S2CID 95919224 .
- ^ Гу Дж.М., Робинсон-младший, Люнг Ш. (1988). «Связывание акриловых полимеров с муциновыми/эпителиальными поверхностями: взаимосвязь структура-свойство». Crit Rev Ther Drug Carrier Syst . 5 (1): 21–67. ПМИД 3293807 .