Kwas hialuronowy jest substancją o względnie prostej budowie jednak o wyjątkowych właściwościach. To właśnie te właściwości warunkują jego zastosowania biomedyczne. Warto więc przyjrzeć się i budowie i właściwościom tej substancji, aby lepiej rozumieć możliwości jej zastosowania.
dr Marcin Wasylewski
Nazwa „kwas hialuronowy” zaproponowali Karl Meyer i John Palmer, którzy w 1934 roku wyizolowali tę substancję. Nazwa ta jest połączeniem słów „hyaloid” – od soczewki, z której ją wyizolowano, i „uronic acid” od jednego z cukrów powtarzającego się w jego budowie – kwasu glukuronowego. W roku 1951 ustalono jego budowę chemiczną. A dopiero w latach 80. kwas hialuronowy znalazł szersze zastosowanie w medycynie i kosmetologii.
Początkowo kwas hialuronowy był pozyskiwany z tkanek zwierzęcych. Czysty kwas hialuronowy jest substancją cechującą się wysoką biozgodnością i nie wywołuje alergii ani podrażnień. Jednak preparaty pozyskane z tkanek zwierzęcych nie są wolne od zanieczyszczeń, które mogą powodować odpowiedź organizmu. Obecnie kwas hialuronowy jest uzyskiwany głównie metodami biotechnologicznymi. Jako szczepy producenckie stosuje się głównie zmodyfikowane szczepy z gatunku Streptococcus equi. Taki sposób otrzymywania pozwala istotnie poprawić jakość, a także cenę uzyskiwanych preparatów kwasu hialuronowego.
Nazwa „kwas hialuronowy” zaproponowali Karl Meyer i John Palmer, którzy w 1934 roku wyizolowali tę substancję. Nazwa ta jest połączeniem słów „hyaloid” – od soczewki, z której ją wyizolowano, i „uronic acid” od jednego z cukrów powtarzającego się w jego budowie – kwasu glukuronowego.
W organizmach ssaków, w tym i człowieka kwas hialuronowy występuje we wszystkich niemal tkankach, choć różne jest jego stężenie.
Co znajdziesz w artykule?
Połowa naturalnie występującego kwasu hialuronowego obecna jest w skórze,
ćwierć całkowitej puli tego związku znajduje się w układzie kostno-stawowym, a pozostała część w innych organach. W organizmie człowieka o masie ciała 70 kg jest ok. 15 g kwasu hialuronowego. Kwas hialuronowy jest ustawicznie rozkładany i syntetyzowany na nowo, jednak szybkość tego procesu jest różna w różnych tkankach. Można powiedzieć, że czas półtrwania naturalnie występującego kwasu hialuronowego jest mierzony w dniach.
W organizmach ssaków, w tym i człowieka kwas hialuronowy występuje we wszystkich niemal tkankach, choć różne jest jego stężenie. Jest ustawicznie rozkładany i syntetyzowany na nowo.
Szybkość degradacji i biosyntezy kwasu hialuronowego zmienia się istotnie z wiekiem, co skutkuje zmianami jego zawartości. Po 50. roku życia zawartość gwałtownie spada osiągając po 70. roku życia ok. 20 % zawartości typowej dla 40-latka.
Czy te zmiany są ważne dla naszego organizmu? W jaki sposób manifestują się w organie zawierającym największą część kwasu hialuronowego w naszym organizmie, czyli w skórze?
Kwas hialuronowy z innymi glukozoaminoglikami i białkami tworzącymi włókna tkanki łącznej stanowią główne składniki macierzy pozakomórkowej we wszystkich tkankach. Istotną funkcją glikozoaminoglikanów, a w tym kwasu hialuronowego, jest wiązanie wody. W przypadku skóry zapewnienie właściwej zawartości wody związane jest zarówno z funkcją barierową tej tkanki jak i manifestuje się w wyglądzie zewnętrznym skóry. Wraz ze spadkiem poziomu kwasu hialuronowego zmniejsza się uwodnienie skóry i pogarszają jej parametry mechaniczne. A to z kolei skutkuje zmniejszoną elastycznością oraz powstawaniem zmarszczek. Spadek zawartości kwasu hialuronowego ma miejsce przede wszystkim w naskórku; obserwowana jest także zmiana jego masy cząsteczkowej.
Po 50. roku życia zawartość kwasu hialuronowego gwałtownie spada osiągając po 70. roku życia ok. 20 % zawartości typowej dla 40-latka. Spadek zawartości kwasu ma miejsce przede wszystkim w naskórku.
Kwas hialuronowy jest polisacharydem
należącym do grupy glikozoaminoglikanów, a więc polimerem podobnym w budowie do innych polisacharydów, takich jak skrobia. Podstawową cechą polimerów jest powtarzanie się elementarnych jednostek – „monomerów” połączonych ze sobą wiązaniami chemicznymi. W skrobi takim monomerem jest glukoza, sześciowęglowy cukier prosty mający kluczowe znaczenie dla życia. Monomery glukozy w skrobi mogą być połączone wiązaniami α 1-4 glikozydowymi, tworząc długie łańcuchy. Możliwe jest występowanie dodatkowych wiązań α 1-6 glikozydowych tworzących rozgałęzienia łańcucha polisacharydowego.
W kwasie hialuronowym podstawową jednostką budowy są dwa cukry proste połączone ze sobą wiązaniem α 1-3 glikozydowym. Te dwa cukry to pochodne glukozy: kwas D-glukuronowy i N-acetylo-D-glukozamina. Taka para powtarza się w łańcuchu polimeru wielokrotnie łącząc się z sąsiednimi parami wiązaniami α 1-4 glikozydowymi. Masa polimeru jest zależna od ilości powtórzonych jednostek, a naturalny kwas hialuronowy ma masę cząsteczkową od 100 kDa do 10 MDa. Oznacza to, że jeden łańcuch zbudowany jest z setek do dziesiątek tysięcy powtarzających się dwucukrowych jednostek.
Kwas hialuronowy różni się od glukozy, czy jej polimerów. Obecność dodatkowych grup wprowadza nowe cechy, wśród których podstawową jest zdolność do wiązania wody. Dzięki tym właściwościom kwas hialuronowy realizuje swoje naturalne funkcje, takie jak zapewnianie jędrności skórze, ale jest też ważnym składnikiem mazi stawowej. Podobne funkcje może pełnić w zastosowaniach medycznych i kosmetologicznych, a w zależności od zastosowania różna powinna być jego budowa.
Podstawową cechą polimeru jest zdolność do wiązania wody. Dzięki tym właściwościom kwas hialuronowy realizuje swoje naturalne funkcje, takie jak zapewnianie jędrności skórze, ale jest też ważnym składnikiem mazi stawowej.
Podstawowym parametrem preparatów kwasu hialuronowego jest jego masa cząsteczkowa. Masa jest wyrażana w jednostkach masy atomowej (u, Da) i jest proporcjonalna do długości polimeru. Czym dłuższy łańcuch polimeru tym większa jest jego masa cząsteczkowa. Ta prosta zależność tylko jednak w części wyjaśnia własności polimeru, ponieważ jego zdolność do wiązania cząsteczek wody wpływa na własności. Na własności kwasu hialuronowego wpływa także stężenie. Łączny opis własności kwasu hialuronowego staje się niebanalnym zadaniem, stąd też wynika potrzeba znalezienia odpowiedniej metodyki. Takie możliwości dostarcza
reologia, dział mechaniki umożliwiający opis własności substancji płynnych ich zdolnością od odkształcania i „płynięcia”.
Nazwa dyscypliny wywodzi się z greckiego słowa rheos oznaczającego płynięcie. Nauka ta znajduje zastosowanie w przypadku substancji i ośrodków o właściwościach pośrednich pomiędzy cieczami i ciałami stałymi, a więc takich jak żele, którymi mogą być roztwory polimerów. Ze względu na swoją budowę takie cechy ma kwas hialuronowy. Lepkość kwasu hialuronowego o stężeniu 1% (a więc zawierającego jedynie 1 gram w 100 ml roztworu) o masie cząsteczkowej rzędu kilku MDa, jest 500 000 razy większa niż lepkość wody. Co więcej, lepkość kwasu hialuronowego może ulegać zmianie. I podczas przedostawania się poprzez zwężenie, na przykład w czasie aplikacji igłą, może odwracalnie zmniejszyć się 1000 krotnie.
Takie zmiany własności mogą wydawać się dziwne i niezrozumiałe, ale wynikają z budowy polimeru. Gwałtowny przepływ polimeru zmniejsza lepkość i redukuje opór poprzez reorganizację łańcuchów i zmianę ich oddziaływań z otaczającymi cząsteczkami wody. Takie cechy kwasu hialuronowego z jednej strony czynią go doskonałą substancją wypełniającą poprzez działanie nawilżające i cechy mechaniczne. Jednak zrozumienie jego własności, a dzięki temu świadome ich najlepsze wykorzystanie nie jest już zadaniem prostym.
Naturalnym jest pytanie w jaki sposób kwas hialuronowy może także być dostarczany do organizmu. Czy na drodze iniekcji, czy też w transporcie poprzez skórę.
Cząsteczki kwasu hialuronowego wykorzystywanego w zastosowaniach biomedycznych mogą być modyfikowane tak, aby lepiej realizowały stawiane przed nimi zadania. Usieciowanie wpływa na właściwości kwasu czyniąc go doskonałym wypełniaczem.
Możliwość uzupełnienia puli kwasu hialuronowego, a przez to przywrócenie skórze jej właściwych parametrów i młodego wyglądu, jest niezwykle wartościowa. Zabiegi inwazyjne oferują takie możliwości, lecz możliwość dostarczania kwasu hialuronowego poprzez skórę w sposób bezinwazyjny jest także bardzo pożądana. Wyniki badań naukowych wskazują, że
kwas hialuronowy może być wchłaniany z powierzchni skóry, transportowany przez naskórek i deponowany w głębokich warstwach skóry.
Dotyczy to nie tylko niskocząsteczkowego kwasu hialuronowego, ale także takiego o umiarkowanej masie cząsteczkowej około 360 kDa. Inne badania wykazały potencjał odmładzający i przeciwzmarszczkowy kwasu hialuronowego o masach od 50 do 2 MDa, choć nie wykazano prostej zależności efektu od masy cząsteczkowej.
Masa cząsteczkowa wprowadzanego w zabiegach kwasu hialuronowego jest podobna do masy cząsteczkowej w naturalnie występującym kwasie i mieści się w granicach 500 do 6000 kDa. Cząsteczki kwasu hialuronowego wykorzystywanego w zastosowaniach biomedycznych mogą być modyfikowane tak, aby lepiej realizowały stawiane przed nimi zadania. Podstawowe modyfikacje to możliwość występowania połączeń między łańcuchami kwasu hialuronowego. Usieciowanie wpływa na właściwości kwasu czyniąc go doskonałym wypełniaczem. Modyfikacji podlegają grupy karboksylowe kwasu glukuronowego lub grupy hydroksylowe, a poprzez estryfikację lub zastosowanie linkerów takich jak dialdehydy lub disiarczki. Wśród najczęściej stosowanych ugrupowań sieciujących można wskazać sulfonian diwinylu (Hylaform, Captique; Prevelle), etery (Restylane, Q-Med; Juvederm; Belotero,) oraz bis epoksydy (Puragen).
W zależności od zastosowanej chemii połączenia, a także przebiegu procesu usieciowania, uzyskane preparaty mogą różnić się swoją budową, a więc i właściwościami. Podstawowym parametrem opisującym usieciowany kwas hialuronowy jest stopień usieciowania. Preparaty zawierające usieciowany kwas hialuronowy mogą być jednofazowe lub dwufazowe, lecz także jedno- lub wieloutwardzone. Te cechy i parametry wpływają na efekty kliniczne wypełniaczy, więc konieczne jest znalezienie równowagi pomiędzy cechami uzyskanych preparatów. Bardziej szczegółowy opis tych zależności wymaga jednak osobnego omówienia.
Preparaty zawierające usieciowany kwas hialuronowy mogą być jednofazowe lub dwufazowe, lecz także jedno- lub wieloutwardzone. Te cechy i parametry wpływają na efekty kliniczne wypełniaczy.
Podsumowując, kwas hialuronowy jest substancją ważną dla właściwego funkcjonowania naszego organizmu, a także dla jego młodego wyglądu. Daje on szereg możliwości zastosowania w medycynie estetycznej i kosmetologii, co pozwala nam cieszyć się młodym wyglądem.
Marcin Wasylewski
Doktor biochemii, absolwent Uniwersytetu Jagiellońskiego. Głównym zainteresowaniem zawodowym są badania biochemii białek i peptydów pełniących różne funkcje. Zajmował się także neurochemią i toksykologią. Pracuje na Uniwersytecie Jagiellońskim oraz współpracuje z licznymi ośrodkami naukowymi. Poza badaniami naukowymi uczył na kierunkach kosmetologii, dietetyki i medycyny w małopolskich uczelniach.
