Quelle:
Biotechnologische Produktion von Hyaluronsäure: eine kurze Übersicht von Jun Hui Sze, Jeremy C. Brownlie und Christopher A. Love
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4754297/
Hyaluronsäure (HA) ist ein Polysaccharid, das in der extrazellulären Matrix von Epithel-, Nerven- und Bindegewebe von Wirbeltieren vorkommt. Aufgrund der hohen Feuchtigkeitsretention, Biokompatibilität und Viskoelastizitätseigenschaften dieses Polymers ist HA ein wichtiger Bestandteil wichtiger pharmazeutischer, biomedizinischer und kosmetischer Produkte mit weltweit hohem Handelswert. Beispielsweise ist HA mit hohem Molekulargewicht (größer als 10 kDa) für Produkte wünschenswert, die in der Augenheilkunde, Orthopädie, Kosmetik und Tissue Engineering verwendet werden (Allison und Grande-Allen 2006 ; Fagien und Cassuto 2012 ; Kogan et al. 2007 ), während HA mit Ein niedriges Molekulargewicht (ca. 5 kDa und weniger) ist nützlich für die Herstellung von Substanzen, die die Angiogenese fördern, das Fortschreiten des Tumors hemmen oder die Expression entzündungsfördernder Mediatoren induzieren (Jagannath und Ramachandran 2010 ; Tammi et al. 2008 ).
Gegenwärtig werden zwei Produktionsverfahren angewendet, um HA-Polymer in kommerziellen Mengen zu erhalten: Extraktion aus tierischen Geweben oder in jüngerer Zeit durch Anwendung von bakteriellen Expressionssystemen in Streptococcus
Extraktion aus tierischen Geweben
Seit den frühen 1930er Jahren, als HA zum ersten Mal aus Glaskörper von Rindern isoliert wurde (Meyer und Palmer 1934 ), wurde die Extraktion von HA in großem Umfang unter Verwendung anderer tierischer Gewebe durchgeführt, einschließlich menschlicher Nabelschnur, Hahnkamm und Rinder-Synovialflüssigkeit. HA, das aus tierischen Geweben stammt, hat von Natur aus ein hohes Molekulargewicht
Nachteile von HA tierischen Ursprungs
Erstens haben die Extraktionsverfahren aufgrund der harten Extraktionsbedingungen, die mit dem Mahlen, der Säurebehandlung und der wiederholten Extraktion mit organischen Lösungsmitteln einhergehen, immer technische Einschränkungen erfahren. Diese unkontrollierte Abbautechnik beeinflusst nicht nur die Ausbeute, sondern auch die Polydispersität (Größenbereich) von HA stark (Boeriu et al. 2013 ). Ein zweites Problem ist, dass tierische HA möglicherweise noch an zelluläre Proteine, einschließlich Hyaluronidase, einem HA-spezifischen Bindungsprotein, gebunden ist (Fraser et al. 1997 ). Diese kontaminierenden Proteine sind unerwünscht, da die Möglichkeit besteht, dass diese eine Immunantwort hervorrufen. Darüber hinaus besteht ein potenzielles Risiko einer Kontamination mit Nukleinsäuren, Prionen (Rinder) und Viren (Vögel), die zur Übertragung von Infektionskrankheiten führen kann (Shiedlin et al. 2004 ). Schließlich ist das Extrahieren von HA aus tierischen Geweben kostspielig, da es eine beträchtliche Zeit in Anspruch nimmt, arbeitsintensiv ist und große Einrichtungen erfordert, die Prozesse von der Gewebesammlung des Tieres bis zur Extraktion und Reinigung von HA aufnehmen können. Infolge dieser technischen und sicherheitstechnischen Probleme wird die biotechnologische Herstellung von HA als bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von HA angesehen.
Bakterielle Expressionssysteme in Streptokokken
Das Operon der HA-Synthase wurde zum ersten Mal Anfang der 90er Jahre entdeckt, als ein Gen, das für das für die HA-Synthese verantwortliche Enzym kodiert und als HA-Synthase oder HAS bezeichnet wird, aus Streptococcus der Gruppe A (S. pyogenes) identifiziert wurde (DeAngelis et al. 1993 ). Dieses Gen ist Teil eines Operons, das das für HA-Synthase kodierende hasA-Gen, das für UDP-Glucosedehydrogenase kodierende hasB-Gen und das für UDP-Glucosepyrophosphorylase kodierende hasC-Gen enthält (Crater et al. 1995 ; Dougherty und van de Rijn 1993 ). Das has-Operon in anderen Streptokokken, wie z. B. S. zooepidemicus, enthält zwei zusätzliche Gene, hasD und hasE, die ein bifunktionelles Enzym (Acetyltransferase und Pyrophosphorylase) und Phosphoglucoisomerase codieren, wodurch HA über einen zusätzlichen Stoffwechselweg synthetisiert werden kann. Es wird angenommen, dass die Addition dieser beiden Gene an das Hasoperon durch intragenomische Genduplikation zusammen mit häufiger homologer Rekombination erleichtert wurde (Blank et al. 2008 ).
Und jetzt ist es die Hauptproduktionsmethode von HA, da es die Vorteile von niedrigen Kosten, hohem Ertrag und frei von tierischem Ursprung besitzt.
Medical Sodium Hyaluronate Gel, hergestellt von Singclean, ist ein medizinisches Polymermaterial ohne tierischen Ursprung, das aus Streptokokken-Fermentationsmetaboliten mit hoher Viskoelastizität, Gleitfähigkeit, physikalischer Veränderbarkeit und guter Biokompatibilität durch High-Tech-Biotechnologie gewonnen und veredelt wird.
HA-Markt im Gesundheitswesen
Die essentiellen Funktionen von HA im menschlichen Auge, in der Gelenksinnesflüssigkeit und in den Epidermisschichten haben zu einem erheblichen Interesse an der Entwicklung neuer Methoden für die erfolgreiche Synthese und Verabreichung von HA geführt. In einem kürzlich veröffentlichten Marktanalysebericht wurde vorhergesagt, dass der weltweite Markt für HA-Visko-Supplementierung beim Menschen aufgrund der Alterung der Bevölkerung und einer Zunahme der Arthrose bis 2017 auf mehr als 2,5 Mrd. USD geschätzt wird (MRG.Net 2013 ).