docGlikozoaminoglikany chondroityno dermatanowe. Metabolizm
download 
Reklamacja Transkrypt
Glikozoaminoglikany chondroityno dermatanowe. Metabolizm
&ARM0RZEGL.AUK COPYRIGHT'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33. 'LIKOZOAMINOGLIKANYCHONDROITYNODERMATANOWE -ETABOLIZMSTRUKTURAWAuCIWOuCI IZASTOSOWANIETERAPEUTYCZNEWGOJENIURAN #HONDROITINDERMATANSULFATEGLYCOSAMINOGLYCANS -ETABOLISMSTRUCTUREPROPERTIESANDTHERAPEUTICAPPLICATION INWOUNDHEALING 0AWE/LCZYK+ATARZYNA+OMOSIÊSKA6ASSEV+RYSTYNA/LCZYK +ATEDRAI:AKAD#HEMII+LINICZNEJI$IAGNOSTYKI,ABORATORYJNEJ 7YDZIA&ARMACEUTYCZNYZ/DDZIAEM-EDYCYNY,ABORATORYJNEJ gLSKI5NIWERSYTET-EDYCZNYW+ATOWICACH Streszczenie Abstract Glikozoaminoglikany (GAGs), naturalne heteropolisacharydy, występujące we wszystkich tkankach zwierzęcych, są liniowymi makrocząsteczkami, utworzonymi ze zmiennej liczby powtarzających się, disacharydowych jednostek, które w przypadku siarczanów chondroityny (CS) składają się z jednej reszty heksozoaminy, N-acetylo-D-galaktozaminy (GalNAc) i jednej reszty kwasu heksuronowego, D-glukuronowego (GlcA), a przypadku siarczanów dermatanu (DS) zbudowane są reszty kwasu L-iduronowego (IdoA) lub D-glukuronowego i reszty Dgalaktozoaminy. Fundamentalny postęp w dziedzinie glikobiologii pozwolił ujawnić zdumiewającą różnorodność wypełnianych przez te makrocząsteczki biologicznych funkcji, a obejmujących uczestnictwo w kontroli organogenezy i wzrostu, w procesach proliferacji, różnicowania i adhezji komórek, w transdukcji sygnałów, w hemostazie czy kontroli procesów gojenia. Gojenie ran jest dynamicznym, interaktywnym procesem, obejmującym wiele precyzyjnie powiązanych, nakładających się w czasie etapów, prowadzących do przywrócenia integralności tkankowej. Proces ten, będący złożoną, skoordynowaną reakcją ustroju na uszkodzenie tkankowe, jest wynikiem interakcji komórek różnych typów oraz komponentów pozakomórkowej macierzy, w tym – CS i DS. Pełne wyjaśnienie złożoności struktury i funkcji wspomnianych glikanów, odpowiedzialnych in vivo za kontrolę procesu gojenia, umożliwić może zaprojektowanie innowacyjnych strategii terapeutycznych czy nowoczesnych postaci leków, znajdujących zastosowanie w naprawie uszkodzeń tkankowych. Glycosaminoglycans (GAGs) are natural heteropolysaccharides distributed in all animal tissues. These macromolecules are linear polysaccharides composed of variable number of repeating disaccharide units. In the case of chondroitin sulfate (CS) each disaccharide consists of one hexosamine, D-galactosamine (GalNAc) and one hexuronic acid, D-glucuronic acid (GlcA). Dermatan sulfate (DS) is formed by the repeating unit composed of Dgalactosamine and D-glucuronic acid or L-iduronic acid (IdoA). Fundamental progress in the field of Glycobiology has revealed the surprising variety of the GAGs biological functions. GAGs control organogenesis and growth, heamostasis and wound healing. Wound healing is a dynamic, interactive process involving many precisely interrelated phases, overlapping in time, leading to the restoration of tissue integrity. The healing process reflects the complex and coordinated body response to tissue injury being the result of the interaction of different cell types and extracellular matrix components, such as CS and DS. The elucidation of the structure and function of CS/DS, the pivotal macromolecules controlling in vivo the wound healing process, may allow to develop new therapeutic strategies and novel formulations, suitable for tissue repair. Key words: chondroitin sulfates, dermatan sulfates, glycosaminoglycans, wound healing Słowa kluczowe: Siarczany chondroityny, siarczany dermatanu, glikozoaminoglikany, gojenie ran Wstęp Glikozoaminoglikany (GAGs) są naturalnymi heteropolisacharydami, występującymi we wszystkich tkankach zwierzęcych [1]. GAGs są liniowymi makrocząsteczka- mi, utworzonymi ze zmiennej liczby powtarzających się, disacharydowych jednostek, z których każda składa się z jednej reszty heksozoaminy, N-acetylo-D-galaktozaminy (GalNAc) lub N-acetylo-D-glukozoaminy (GlcNAc) oraz – jednej reszty kwasu heksuronowego, D-glukuronowego &ARM0RZEGL.AUK tów [2,5,6,7]. Przedmiotem niniejszego opracowania jest metabolizm, właściwości oraz zastosowanie terapeutyczne glikozoaminoglikanów chondroityno-dermatanowych w gojeniu ran. Metabolizm siarczanów chondroityny i siarczanów dermatanu Siarczany chondroityny, stanowiące znaczącą ilościowo frakcję proteoglikanów (PGs) – glikokoniugatów, obficie występujących w tkankach ssaków, utworzone są z powtarzających się disacharydowych jednostek [→4GlcAβ1→3GalNAcβ1→], które w trakcie postsyntetycznych modyfikacji podlegają zmiennemu siarczanowaniu w różnych pozycjach monomerycznych podjednostek, tj. N-acetylo-D-galaktozaminy i kwasu D-glukuronowego. Zdarza się także, choć rzadko, iż niektóre disacharydy nie podlegają siarczaRyc. 1. Struktura disacharydowych jednostek GAGs [wg 2, w modyfika- nowaniu [8]. Zróżnicowany sposób siarczanocji własnej]. wania omawianych związków stanowi o ich heterogenności. Zjawisko to sprowadza się do tworzenia, odpowiednio, siarczanu chondroityny A, inaczej (GlcA) lub L-iduronowego (IdoA), bądź obojętnej heksozy, – chondroityno-4-siarczanu, w jednostce disacharydowej D-galaktozy (Gal) [2]. Obecność kwasowych reszt cukroktórego siarczanowana jest reszta N-acetylogalaktozoaminy wych w strukturze disacharydu i/lub grup siarczanowych, w pozycji 4 węgla tego monosacharydu, lub – do tworzenadaje GAGs charakter polianionów [3]. Zgodnie z typem nia siarczanu chondroityny C, inaczej chondroityno-6monosacharydowych podjednostek i rodzajem glikozydosiarczanu, w jednostce disacharydowej którego siarczanowych wiązań pomiędzy wspomnianymi podjednostkami, wany jest głównie 6 węgiel reszty GalNAc [2]. Disacharydy glikozoaminoglikany dzieli się na cztery klasy [2], tj. kwas hialuronowy (HA), siarczany chondroityny (CS) i siarcza- o różnej liczbie i zróżnicowanym umiejscowieniu grup siarny dermatanu (DS), siarczany heparanu (HS) i heparyny czanowych, takie jak podwójnie siarczanowane, występują (H) oraz siarczany keratanu (KS). Spośród wymienionych, w środkowych segmentach polisacharydowego łańcucha CS jedynie HA nie podlega siarczanowaniu, a nie wiążąc się [8]. W przypadku, gdy jedna z siarczanowych grup wiąże się kowalencyjnie z białkami, nie wchodzi w skład cząsteczki w pozycji węgla 2 kwasu glukuronowego, zaś druga – w poproteoglikanu [3,4]. Inny z GAGs wymienionych wyżej klas zycji 6 węgla N-acetylogalaktozoaminy, powstaje tzw. disa– KS, jako jedyny nie zawiera w disacharydowym składzie charyd D, zaś w przypadku gdy obydwie grupy siarczanowe reszty kwasu heksuronowego, lecz w jego miejsce – resztę wiążą się z resztą GalNAc, jedna w pozycji C-4 zaś druga w galaktozy. Kwasem heksuronowym – w przypadku HA i CS pozycji C-6 tej podjednostki monosacharydowej – powstajest kwas glukuronowy, podczas gdy w DS, HS i H, wystę- je disacharyd E siarczanu chondroityny [2]. Ilość i pozycja puje zarówno GlcA jak i IdoA [2,4]. GAGs podzielić można grup siarczanowych w łańcuchach CS koreluje ze stopniem ponadto na dwie grupy glikanów, w zależności od rodzaju bioaktywności omawianych GAGs, na przykład w przebieheksozoaminy, jaką zawierają w strukturze disacharydo- gu gojenia, w procesie wiązania patogenów czy – interakcji wych jednostek. I tak, wyróżnia się glukozoaminoglikany, z białkami wiążącymi heparynę [9]. Dalsza, enzymatyczna do których należą, zawierające glukozoaminę: HA, HS, H modyfikacja łańcucha CS, sprowadzająca się do C-5 epimei KS, oraz – galaktozoaminoglikany, do których należą, za- ryzacji kwasu D-glukuronowego do kwasu L-iduronowego, wierające galaktozoaminę: CS i DS [3]. Strukturę GAGs czemu nie rzadko towarzyszy siarczanowanie w pozycji C-2 IdoA, prowadzi do utworzenia siarczanu chondroityny B, przedstawia ryc. 1. Strukturalna różnorodność GAGs każdej klasy, wy- zwanego też siarczanem dermatanu [10]. Polisacharydowy nikająca ze zmiennej długości polisacharydowych łańcu- łańcuch DS składa się w przeważającej części z disacharydochów, obejmujących od kilku do 25 tysięcy disacharydów, wych jednostek [→4IdoAβ1→3GalNAcβ1→], zawierając ze zróżnicowanego stopnia i miejsca N – i O – siarczano- w mniejszej proporcji podwójnie siarczanowane jednostki, wania disacharydowych jednostek, zmiennego zakresu ich takie jak te, siarczanowane w pozycji C-4 GalNAc i w pozyacetylacji, zmiennego stopnia epimeryzacji GlcA do IdoA, cji C-2 IdoA. W rezultacie licznych modyfikacji, w obrębie różnej gęstości ładunkowej omawianych glikanów i zmien- polisacharydowego łańcucha DS powstają wysoce zmodyfinego domenowego ich uporządkowania, różnych miejsc kowane oligosacharydowe domeny, przedzielone regionami występowania, tj. w macierzy pozakomórkowej (ECM), na o względnie niewielkim stopniu strukturalnej przebudowy powierzchni komórki, wewnątrzkomórkowo, a także – róż- tego GAG [2,3]. Tak więc, łańcuch DS posiada hybrydonorodność, wynikająca z interakcji z białkami rdzeniowymi, wą, kopolimeryczną strukturę, utworzoną przez nieznaczdeterminują biologiczne funkcje omawianych glikokoniuga- nie zmodyfikowane (CS) i wysoce zmodyfikowane (DS) COPYRIGHT'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33. członków rodziny siarczanów heparanu, zaś przeniesienie cząsteczki GalNAc przez N-ac etylogalaktozoaminylotransferazę I (GalNAc transferazę I), prowadzi do utworzenia glikanu, który stanie się jednym z członków rodziny CS/DS [9,10]. Choć nie jest znany dotąd kod, zgodnie z zapisami którego Ryc. 2. Schemat struktury CS, DS, HS/H oraz hipotetycznego PG. CS, DS i HS/H wiązane są dochodzi do wyboru poprzez reszty seryny białka rdzeniowego w retikulum endoplazmatycznym/aparacie Golgiego jednego z wymienio[wg 10, w modyfikacji własnej]. nych wyżej enzymów, katalizujących przenodomeny [8]. Disacharydowe jednostki, zawierające GlcA, są szenie danej reszty cukrowej, wydaje się, iż modyfikacje reprzeważnie siarczanowane w pozycji C-6 GalNAc, podczas gionu wiążącego, takie jak siarczanowanie czy fosforylacja, gdy siarczanowanie w pozycji C-4 wspomnianej heksozo- niewykluczone determinują wybór GAG, który ma zostać aminy – wiąże się z najczęściej z obecnością w strukturze zsyntetyzowany [11]. W dalszych etapach biosyntezy CS/ disacharydu IdoA [8]. IdoA upodabnia DS do heparyn i siar- DS, kolejne, monosacharydowe podjednostki przyłączaczanów heparanu, zawierających także w swej strukturze ne są do nieredukującego końca wzrastającego łańcucha resztę wspomnianego kwasu heksuronowego [6]. Obecność glikanowego, działaniem transferaz, naprzemiennie – gluIdoA w strukturze DS nadaje temu GAG konformacyjną kuronylotransferazy II (GlcA transferazy II) oraz GalNAc sprężystość, wydaje się odgrywać kluczową rolę w spe- transferazy II [3]. Graficzny schemat struktury GAGs i PG cyficzności miejsca wiązania białek oddziałujących z tym przedstawiono na ryc. 2. GAG, a ponadto – sprzyja hamowaniu proliferacji fibroblaPodczas gdy węglowodanowe „szkielety” CS/DS stów w zdecydowanie większym stopniu aniżeli obecność i HS/H różnią się nieznacznie, to kolejne modyfikacje, taGlcA w łańcuchu glikozoaminoglikanowym [2,6]. Zmienna kie jak siarczanowanie, epimeryzacja czy deacetylacja (zadługość łańcucha DS, zmienne umiejscowienie w łańcuchu chodząca jedynie w przypadku HS/H), prowadzą do zróżtym IdoA, zmienne siarczanowanie monosacharydowych nicowania struktury wspomnianych GAGs, co determinuje podjednostek oraz – różnorodność białek rdzeniowych, de- ich aktywność biologiczną [11]. Ta różnorodność struktuterminują stopień złożoności DSPG – proteoglikanów za- ry łańcuchów GAGs sprawia, iż w naturze nie występują wierających DS [2]. Zarówno DS jak i CS syntetyzowane dwa jednakowe glikozoaminoglikany. Modyfikacje CS/DS są jako glikozoaminoglikanowe, boczne łańcuchy PGs [11]. zachodzą w trakcie polimeryzacji łańcucha glikanowego. W procesie biosyntezy omawianych glikokoniugatów, syn- Reakcja 6-O-siarczanowania katalizowana jest działaniem tetyzowane jest najpierw białko rdzeniowe, co odbywa się 6-sulfotransferazy chondroitynowej (C6ST) wobec niesiarw retikulum endoplazmatycznym, po czym – już w aparacie czanowanych reszt GalNAc. Reakcja 4-O-siarczanowania Golgiego, dołączane są do istniejącego już białka – mono- niezmodyfikowanych reszt GalNAc, katalizowana jest sacharydowe reszty [5]. Biosynteza CS/DS inicjowana jest działaniem 4-sulfotransferaz. Istnieją cztery sulfotransaktywnością ksylozylotransferazy, która katalizuje przenie- ferazy, z których trzy, tzw. C4ST1, C4ST2, C4ST3 (4-ssienie cząsteczki ksylozy na resztę serylową białka rdze- ulfotransferazy chondroitynowe 1, 2 i 3), preferują w proniowego, co odbywa się w retikulum endoplazmatycznym. cesie siarczanowania regiony bogate w GlcA, zaś ostatnia Następnie, dwie cząsteczki galaktozy dołączane są kolejno – czwarta z 4-sulfotransferaz, tzw. D4ST (4-sulfotransferaza – w aparacie Golgiego – do reszty ksylozy, za pośrednic- dermatanowa) preferuje w procesie siarczanowania regiotwem galaktozylotransferazy I i galaktozylotransferazy II. ny bogate w IdoA [9,10,11]. Ta ostatnia przejawia więc swą Czwartą cząsteczką monosacharydu, dołączaną do wzrasta- aktywność enzymatyczną dopiero po procesie epimeryzacji, jącego fragmentu cukrowego jest GlcA, przenoszony przez modyfikującym reszty GlcA do reszt IdoA, a katalizowaglukuronylotransferazę I. Opisane etapy biosyntezy gliko- nym przez C-5epimerazę. Inny enzym, 4-6 sulfotransferaza zoaminoglikanów są wspólne zarówno dla CS, DS oraz N-acetylogalaktozoaminy (GalNAc 4-6 ST) przenosi grupy HS/H. Utworzony tetrasacharydowy fragment, o strukturze siarczanowe na reszty N-acetylogalaktozoaminy, już zmo[GlcA-Gal-Gal-Xyl], wspólny dla CS, DS i HS/H, nosi na- dyfikowane przez C4ST [6]. Końcowym etapem biosyntezy zwę regionu łączącego [11]. Czynnikiem determinującym CS/DS jest siarczanowanie IdoA przez 2-O-sulfotransferazę typ GAG, który utworzony zostanie w procesie dalszej bio- (CS/DS2ST). Enzym ten preferuje siarczanowanie reszt syntezy, jest rodzaj enzymu, przenoszącego następną czą- IdoA, zlokalizowanych obok siarczanowanej w pozycji C-4 steczkę cukrową. Przeniesienie cząsteczki GlcNAc przez N- reszty GalNAc. Ilości grup siarczanowych i ich umiejscoacetyloglukozoaminylotranferazę I (GlcNAc transferazę I) wieniu w łańcuchach CS/DS, przypisuje się ogromną rolę sprawia, iż powstający łańcuch glikanowy będzie jednym z w nabywaniu właściwości wiązania cząsteczek sygnałowych &ARM0RZEGL.AUK przez te GAGs [11]. Uważa się, iż długość tworzonego łańcucha GAG jest uzależniona najprawdopodobniej od stanu metabolicznego i warunków fizjologicznych bądź patologicznych ustroju. I tak, wg Kuwaba i wsp. [12], długość łańcucha GAG dekoryny jest zdeterminowana szybkością jego biosyntezy – im większa aktywność N-acetylogalaktozoam inylotransferazy i glukuronylotransferazy, a – im mniejsza dostępność białek rdzeniowych, tym dłuższe łańcuchy DS. Wykazano także, iż długość łańcucha DS, pochodzącego z ziarniny bądź tkanki nowotworowej jest większa aniżeli DS tkanki prawidłowej [11]. Liczne modyfikacje łańcuchów CS/DS determinują specyficzną aktywność PGs, zawierających w swej strukturze wspomniane glikany [3]. Ogromna liczba PGs posiada boczne łańcuchy CS/DS. Do PGs, modyfikowanych łańcuchami CS, należą agrekan, wersikan, neurokan, brewikan, bamakan, czy izoforma CD44. Zdarza się jednakże, iż do CSPG zaliczyć można proteoglikany, których boczne łańcuchy zwykle utworzone są z HS, H, bądź – DS. Syndekany – dobrze scharakteryzowane HSPG powierzchni komórek, pozyskują pod wpływem TGF-β dodatkowo łańcuchy CS, które współistnieją obok łańcuchów HS [6]. Inny HSPG – serglicyna, proteoglikan komórek tucznych i bazofili, zawierający w warunkach prawidłowych łańcuchy heparyny, zawierać może łańcuchy CS, w wyniku niedoboru enzymu modyfikującego ten PG [10]. Perlekan – główny HSPG błon podstawnych, może zawierać łańcuchy CS lub DS, bądź też – może tworzyć hybrydową formę PGs, gdzie białko rdzeniowe niesie łańcuchy HS/CS lub CS/DS. Biglikan zaś, w zależności od lokalizacji tkankowej, posiada albo 2 łańcuchy DS (stanowiąc DSPG skóry, chrząstki, ścięgna), albo 2 łańcuchy CS (stanowiąc CSPG tkanki kostnej). Opisano ponadto obecność w biglikanie także i łańcuchów HS, oraz zjawisko zmiany ekspresji typu GAGs w omawianym PG, w zależności od stopnia dojrzałości tkanki, gdzie w fazie proliferacji komórek kostnych biglikan modyfikowany był łańcuchami DS, zaś w fazie mineralizacji kości – PG ten wiązał łańcuchy CS [13]. Do PGs modyfikowanych łańcuchami DS należą wersikan, endokan, dekoryna oraz biglikan – będący w zależności od rodzaju tkanki albo DSPG albo CSPG, trombomodulina czy epifikan [6,14]. Pierwsze dwa z wymienionych, wersikan i endokan, należą do CS/ DSPG niosących łańcuchy CS i/lub łańcuchy DS [11]. Istnieją także tzw. czasowe PGs („part-time” PGs, w odróżnieniu od pozostałych – „full-time” PGs), takie jak CD-44, trombomodulina, biglikan, wersikan lub perlekan, które posiadają lub mogą być pozbawione łańcuchów glikanowych [3,7]. Zważywszy, iż GAGs danego typu ulegać mogą ekspresji na różnych białkach rdzeniowych, białka te determinują lokalizację tkankową i biologiczne funkcje wspomnianych glikanów. Ekspresja syndekanu-1 umiejscawia siarczan heparanu na powierzchni komórki, ekspresja perlekanu „kieruje” HS do błon podstawnych, zaś ekspresja sergicyny lokalizuje siarczan heparanu we wnętrzu komórki tucznej [7]. Jednak, ekspresja białka rdzeniowego nie jest jedynym czynnikiem kontrolującym ekspresję GAGs. Stymulacja komórki czynnikami wzrostowymi prowadzi do zmiany typu GAG wiążącego się z białkiem rdzeniowym („przebudowa” syndekanu-1 z HSPG do CSPG) [6]. Ponadto, enzymatyczna degradacja PGs podczas dynamicznej przebudowy tkanki – na przykład w przebiegu gojenia się ran – zmienia lokalizację i biologiczną aktywność tych makrocząsteczek. Reasumując, funkcje PGs kontrolowane są poprzez przynajmniej trzy niezależne systemy: syntezę białka rdzeniowego, syntezę GAGs i finalną, enzymatyczną przebudowę struktury PG [7]. Końcowym etapem przemian CS/DSPGs jest ich degradacja. Częściowy rozpad tych makrocząsteczek zachodzi w przestrzeni pozakomórkowej i odbywa się przy udziale endoglikozydaz oraz enzymów proteolitycznych [15]. Do tych pierwszych należy hialuronidaza, degradująca glikany chondroityno-dermatanowe, zaś do tych drugich – metaloproteinazy macierzy (MMPs), wliczając kolagenazę I (MMP-1), żelatynazę A (MMP-2) i żelatynazę B (MMP-9), degradujące białka rdzeniowe PGs [16]. Całkowita degradacja CS/DSPGs zachodzi wyłącznie wewnątrzkomórkowo, w lizosomach, gdzie proteoglikany lub ich fragmenty ulegają całkowitej hydrolizie. Degradacja PGs inicjowana jest lizosomalnymi proteazami, co uwalnia komponenty glikanowe [16]. Degradacja łańcuchów glikanowych katalizowana jest przez kwaśne hydrolazy, tj. endoglikozydazę – hialuronidazę, oraz egzoglikozydazy i sulfatazy. Do egzoglikozydaz należą β-glukuronidaza i α-L-iduronidaza, odszczepiające końcowe reszty kwasowe, oraz α-N-acetyloglukozoaminidaza i β-N-acetyloheksozoaminidaza – odszczepiajace końcowe reszty heksozoamin. Do sulfataz należą enzymy hydrolizujące estry siarczanowe w obrębie reszt kwasów heksuronowych i heksozoamin. Egzoglikozyday i sufatazy rozpoczynają degradację fragmentów glikanowych działaniem β-glukuronidazy na wiązanie glikozydowe reszty kwasowej, zlokalizowanej na nieredukującym końcu łańcucha, po czym kontynuują proces degradacji usunięciem reszty siarczanowej w końcowej reszcie heksozoaminy, co poprzedza jej odszczepienie od degradowanego łańcucha. W zależności od rodzaju obecnej na końcu łańcucha reszty kwasowej, dalszą degradację katalizuje β-glukuronidaza lub α-L-iduronidaza [15,16]. Funkcje glikozoaminoglikanów chondroityno-dermatanowych Biologiczne funkcje CS/DS zdeterminowane są ich strukturą, modyfikowaną w procesie postsyntetycznej przebudowy i wielkością łańcuchów [6,10]. Funkcje te poznano w zdecydowanie mniejszym stopniu, aniżeli w przypadku glikozoaminoglikanów heparanosiarczanowych, pomimo powszechnego występowania w ustroju tych pierwszych GAGs, jak i wspólnych – w początkowych etapach – szlaków biosyntezy CS/DS oraz HS/H [8]. Spełnianie biologicznych funkcji przez CSPG i DSPG uwarunkowane jest ich oddziaływaniem z licznymi ligandami [15]. W wielu interakcjach z białkowymi ligandami uczestniczy wyłącznie białko rdzeniowe proteoglikanu, w innych – wyłącznie komponent glikanowy, zaś w niektórych – obie składowe cząsteczki PG. I tak, jeden z DSPG – dekoryna, wiąże się z kolagenem poprzez białko rdzeniowe, podczas gdy oddziałując z tenascyną-X – inną cząsteczką ECM – w oddziaływanie to angażuje łańcuch DS [6]. Interakcje te odzwierciedlają jedną z najistotniejszych funkcji PGs, tj. wkład tych związków w strukturalną organizację ECM. Inne funkcje DS/CSPG to uczestnictwo w międzykomórkowym przekazywaniu sygnałów, wiązanie i aktywowanie bądź hamowa- COPYRIGHT'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33. Ryc. 3. Fazy gojenia [wg 20]. nie aktywności czynników wzrostowych, takich jak EGF, rodzina FGF, HGF/SF, TGF-β, interakcje z chemokinami i cytokinami – kształtujące odpowiedź immunologiczną ustroju, modyfikowanie ustrojowej odporności na czynniki infekcyjne, uczestnictwo w hemostazie, w gospodarce lipidowej, w procesach naprawy uszkodzeń tkankowych oraz udział CS/DS w rozwoju ośrodkowego układu nerwowego [8,13]. Rola i zastosowanie terapeutyczne glikozoaminoglikanów w procesie gojenia się ran Gojenie się ran jest złożonym, biologicznym procesem, polegającym na zastąpieniu uszkodzonej tkanki przez tkankę żywą [17]. Przywrócenie integralności tkankowej jest wynikiem interakcji komórek, takich jak płytki krwi, neutrofile, monocyty/makrofagi, fibroblasty, komórki śródbłonkowe i keratynocyty, oraz – składników ECM, takich jak fibronektyna, GAGs, PGs, trombospondyna, tenascyna, vitronektyna czy – kolageny [18]. Interakcja komórek ze składnikami ECM podlega regulacji biochemicznych mediatorów, cytokin i czynników wzrostowych, takich jak pochodne kwasu arachidonowego (prostaglandyny i leukotrieny), interleukiny, interferony, TNF-α, PDGF, FGF, TGF, czy EGF [19]. Pierwsze z wymienionych uczestniczą w kształtowaniu odpowiedzi zapalnej, zaś kolejne, tj. czynniki wzrostowe – uczestniczą w kontroli proliferacji, różnicowania, i metabolizmu komórek, zaangażowanych w proces gojenia. Te ostatnie mediatory asystują także w regulacji procesów zapalnych, pełnią rolę chemotaktyczną dla neutrofili, monocytów/makrofagów, fibroblastów i komórek nabłonkowych (keratynocytów), stymulując ponadto angiogenezę i tworzenie ECM [18,19]. Komponenty ECM grają istotną rolę na każdym etapie procesu gojenia. Dotyczy to – z jednej strony, aspektu strukturalno – biomechanicznego omawianego procesu, bowiem komponenty ECM tworzą „rusztowanie” (prowizoryczną macierz, ziarninę, bliznę) niezbędne w procesie naprawczym, zapewniając przy tym strukturalną integralność ECM podczas każdej fazy gojenia [18]. Z drugiej strony – rola składników ECM wiąże się z aspektem czynnościowym procesów gojenia, bowiem wspomniane komponenty pełnią także funkcje przekazywania sygnałów w tym dynamicznym, interaktywnym ciągu biologicznych reakcji. Te ostatnie funkcje wiążą się z pobudzaniem adhezji i migracji komórek podczas procesu gojenia, a także – z pośredniczeniem w interakcjach pomiędzy komórkami, między komórkami a macierzą, czy pomiędzy białkami ECM [19]. Składniki ECM są także rezerwuarem i modulatorem działania cytokin i czynników wzrostowych, uczestniczących w regulacji omawianego procesu naprawczego. Proces gojenia się ran tkanek miękkich, w tym – skóry, różni się od procesu naprawy uszkodzonych kości. Tkanki miękkie goją się przez rychłozrost, lub – ziarninowanie [18]. I tak, zszyte chirurgiczne nacięcie, któremu nie towarzyszy utrata tkanki, prowadzi do gojenia przez rychłozrost. Większe rany, gdzie dochodzi do utraty tkanki i infekcji miejsca uszkodzenia, goją się przez ziarninowanie, co prowadzi do utworzenia blizny. Niezależnie od sposobu gojenia, postępuje ono poprzez kolejne cztery fazy, takie jak hemostaza, zapalenie, replikacja i biosynteza, oraz przebudowa [17]. Wyodrębnienia wspomnianych czterech faz dokonano z powodów praktycznych, zaś sam podział ma arbitralny charakter, bowiem kolejne fazy wzajemnie się „zazębiają”, gdzie przed zakończeniu poprzedniej, rozpoczyna się faza następna [19]. Gojenie się ran skóry przebiega zgodnie z fazami przedstawionymi na ryc. 3. Dominującym typem GAGs łożyska ran, aktywnie uczestniczącym w procesie gojenia, są DS [10]. W przebiegu pierwszej fazy gojenia – hemostazy, DS regulują aktywność trombiny i białka C [20]. Ponadto, DS obecne w łożysku rany aktywują śródbłonkową adhezję leukocytów, za pośrednictwem ICAM-1, L-selektyny, P-selektyny i CD44 [10]. W przebiegu kolejnej fazy procesu gojenia – zapalenia, DS stymulują aktywność sygnałową FGF-2, co pobudza proliferację fibroblastów [21]. Podczas fazy replikacji i biosyntezy, DS stymulują regenerację ECM, poprzez regulację biosyntezy kolagenu. W środowisku gojącej się rany wzrasta także znacząco ekspresja CS, które uczestniczą w kreowaniu tymczasowej macierzy o wysokim stopniu uwodnienia [4]. CS – w przebiegu naprawy uszko- &ARM0RZEGL.AUK dzeń tkankowych uczestniczą w interakcjach z czynnikami wzrostowymi, np. HGF/SF, FGF-2, FGF-10, FGF-16, FGF-17, FGF-18, z cząsteczkami adhezyjnymi – L- i Pselektyną, czy chemokinami [10,11]. Stopień wiązania czynników wzrostowych i innych cząsteczek sygnałowych do CS, uzależniony jest od liczby i umiejscowienia grup siarczanowych w tych GAGs. Wspomniane grupy, obecne w CS i DS, determinują także fenotypową transformację fibroblastów do miofibroblastów, co w końcowym etapie gojenia prowadzi do obkurczania rany. Podobnie jak w przypadku DS, siarczany chondroityny pobudzają leukocytarną adhezję do komórek śródbłonka [10]. W przebiegu procesu gojenia zawartość GAGs wzrasta stopniowo, jakkolwiek w zróżnicowany sposób w zależności od typu glikanu. Po początkowym nagromadzaniu HA dochodzi w fazach późniejszych do wzrostu zawartości DS i CS, w miejsce HA, po czym w końcowym etapie gojenia, w fazie przebudowy prowadzącej do tworzenia tkanki bliznowatej – do obniżenia zawartości GAGs [22]. Z przedstawioną tendencją zmian korespondują dane uzyskane przez nas w trakcie oceny wpływu wybranych leków na zawartość DS/CS w przebiegu leczenia doświadczalnych oparzeń skóry świń rasy białej zwisłouchej. Zastosowanymi w eksperymencie lekami były sól srebrowa sulfadiazyny (SSD) – stosowana powszechnie w miejscowym leczeniu oparzeń oraz preparat propolisowy – Propol T. Apiterapeutyk wykazywał większą skuteczność aniżeli SSD w pobudzaniu przemian CS/DS. Potwierdzeniem biochemicznej oceny skuteczności działania Propolu T były wyniki oceny klinicznej i histopatologicznej [20]. Jak dotąd, zastosowanie w medycynie i farmacji galaktozoaminoglikanów (CS/ DS) oraz ich pochodnych było ograniczone. Zważywszy różnorodność oraz fizjologiczne znaczenie białek wchodzących w interakcje z CS/DS, galaktozoaminoglikany stanowią potencjalną „bazę” do rozwoju nowych, medycznych i farmaceutycznych strategii. Identyfikacja roli domen czynnościowych w strukturze CS/DS jest niezbędna do zaprojektowania i wprowadzenia do powszechnego użycia innowacyjnych postaci leków, materiałów medycznych czy bioprotez [23]. Jednym z już wykorzystywanych materiałów medycznych jest macierz zawierająca w swojej strukturze obok siarczanów chondroityny także i kolagen, keratynocyty i fibroblasty. Wspomniany materiał stosowany jest u osób dorosłych w celu regeneracji różnych narządów, w chirurgicznym leczeniu oparzeń, jakkolwiek może być wykorzystany także w medycynie estetycznej [24,25]. Innym biomateriałem, stosowanym w terapii uszkodzeń tkankowych jest macierz pozakomórkowa, zawierąjąca CS, DS, HA, a ponadto kolageny typu I, III, IV i fibronektynę [26]. Kolejnym przykładem zastosowania DS w medycynie i farmacji jest sulodeksyd – plejotropowy lek, zawierający 20% DS i 80% HS. Lek ten stosowany jest m.in. w terapii trudno gojących się ran, np. owrzodzeń powstałych wyniku przewlekłej niewydolności żylnej [27]. Zaburzenie procesu naprawy uszkodzeń tkankowych stanowi przyczynę poważnych problemów terapeutycznych, związanych z upośledzeniem struktury i czynności narządów i układów dotkniętych urazem. Stąd też, wszelka aktywność zmierzająca do skutecznego leczenia ran przynieść może ogromne korzyści, przede wszystkim chorym. Piśmiennictwo 1. Studelska DR i wsp. Quantification of glycosaminoglycans by reversed – phase HPLC separation of fluorescent isoindole derivatives. Glycobiology 2006; 16: 65-72. 2. Volpi N. Therapeutic applications of glycosaminoglycans. Curr Med Chem 2006; 13: 1799-1810. 3. Prydz K, Dalen KT. Synthesis and sorting of proteoglycans. J Cell Sci 2000; 113: 193- 205. 4. Peplow PV. Glycosaminoglycan: a candidate to stimulate the repair of chronic wounds. Thromb Haemost 2005; 94: 4-16. 5. Handel TM i wsp. Regulation of protein function by glycosaminoglycans – as exemplified by chemokines. Annu Rev Biochem 2005; 74: 385-410. 6. Trowbridge JM, Gallo RL. Dermatan sulfate: new functions from an old glycosaminoglycan. Glycobiology 2002; 12: 117R-125R. 7. Gallo RL. Proteoglycans and cutaneous vascular defense and repair. J Invest Dermatol Symp Proc 2000; 5: 55-60. 8. Volpi N. Advances in chondroitin sulfate analysis: application in physiological and pathological states of connective tissue and during pharmacological treatment of osteoarthritis. Curr Pharm Design 2006; 12: 639-658. 9. Akiyama H i wsp. Chondroitin sulphate structure affects its immunological activities on murine splenocytes sensitzed with ovalbumin. Biochem J 2004; 382: 269-278. 10. Taylor KR, Gallo RL. Glycosaminoglycans and their proteoglycans: host-associated molecular patterns for initiation and modulation of inflammation. FASEB J 2006; 20: 9-22. 11. Sugahara K i wsp. Recent advances in the structural biology of chondroitin sulfate and dermatan sulfate. Curr Opin Struct Biol 2003; 13: 612-620. 12. Kuwaba K i wsp. Size control of decorin dermatan sulfate during remodeling of collagen fibrils in healing skin. J Dermatol Sci 2002; 29: 185-194. 13. Wadhwa S i wsp. Regulation, regulatory activities, and function of biglycan. Crit Rev Eukaryot Gene Exp 2004; 14: 301-315. 14. Filep JG. Endocan or endothelial cell-specific molecule-1: a novel prognostic marker of sepsis? Crit Care Med 2006; 34: 574-575. 15. Koźma EM, Wisowski G, Olczyk K. Platelet derived growth factor BB is a ligand for dermatan sulfate chain(s) of small matrix proteoglycans from normal and fibrosis affected fascia. Biochimie 2009; 91: 1394-1404. 16. Kowalewski R i wsp. Evaluation of enzymes involved in proteoglycan degradation in the wall of abdominal aortic aneurysms. J Vasc Res 2006; 43: 95-100. 17. Watson T. Soft tissue wound healing. Review. Tissue Repair (July 2004) http://www.electrotherapy.org/electro/downloads/healing%20july%2003.pdf 18. Midwood KS, Williams LV, Schwarzbauer JE. Tissue repair and the dynamics of the extracellular matrix. Int J Biochem Cell Biol 2004; 36: 1031-1037. 19. Broughton G, Janis JE. Wound healing: an overview. Plast Reconstr Surg 2006; 117: 1-32. COPYRIGHT'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33. 20. Olczyk P i wsp. Hialuronian – struktura, metabolizm, funkcje i rola w procesach gojenia ran. Post Hig Med Dośw 2008; 62: 651-659. 21. Zamfir AD i wsp. Analysis of novel over- and undersulfated glycosaminoglycan sequences by enzyme cleavage and multiple stage MS. Proteomics 2009; 13: 3435-3444. 22. Siméon A i wsp. Expression of glycosaminoglycans and small proteoglycans in wounds: modulation by the tripeptide-copper complex glycyl-L-histydyl-L-lysineCu2++. J Invest Dermatol 2000; 115: 962-968. 23. Yamada S, Sugahara K. Potential therapeutic application of chondroitin sulfate/dermatan sulfate. Curr Drug Discov Technol 2008; 5: 289-301. 24. Yannas IV i wsp. Biologically active collagen-based scaffolds: advances in processing and characterization. Philos Transact A Math Phys Eng Sci. 2010; 1917: 2123-2139. 25. Abai B, Elahi MM, Glat PM. Scalp Reconstruction after Resection of Malignant Fibrous Histiocytoma Utilizing a Dermal Regeneration Template: A Case Report. Wounds. 2004 http://www.woundsresearch.com/article/2326 26. Lown I i wsp. Does Bilayered Extracellular Matrix Technology Hasten Wound Healing in Venous Statis Ulcers? A Retrospective Study. Wounds 2005; 17: 27-31. 27. Borawski J, Myśliwiec M. Nowe właściwości farmakologiczne heparyny i sulodeksydu. Post Nauk Med 2009 http://www.pnmedycznych.pl/spnm.php?ktory=527 data otrzymania pracy: 09.08.2010r. data akceptacji do druku: 31.08.2010r. Adres do korespondencji: dr n. farm. Paweł Olczyk Katedra i Zakład Chemii Klinicznej i Diagnostyki Laboratoryjnej, Wydział Farmaceutyczny z Oddziałem Medycyny Laboratoryjnej, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach, ul. Jedności 8, 41-200 Sosnowiec tel.: +48 32 364 14 30 e-mail: [email protected]
