Collagen and Use Its in the Treatment of Wounds

Full Text

Раны занимают одно из основных мест среди хирургических заболеваний, а проблема разработки новых методов их лечения остается актуальной [1, 2, 3]. Поиск средств купирования раневого процесса направлен, прежде всего, на отграничение очага травматической деструкции, удаление некротических масс и ликвидацию последствий повреждения [4, 5, 6, 7].
В последние годы широкое применение в лечении ран нашло использование коллагена. Термин «коллаген» употребляется как общее обозначение белков, образующих характерную правозакрученную тройную спираль из трёх α-полипептидных цепей, которая получила название тропоколлаген [6, 7, 8, 9]. Коллаген присутствует во всех организмах – от вирусов до многоклеточных, за исключением растений, составляет основу соединительной ткани и обеспечивает ее прочность [6, 9]. Коллаген мягкий и эластичный, обладает низкой антигенностью, минимальной биодеградацией, нетоксичен, не вызывает воспалительных эффектов, непроницаем для бактериальной миграции, модулирует поток жидкости из раны, облегчает миграцию фибробластов и образование микрососудов, помогает в синтезе неодермальных коллагеновых матриц, образовывает комплексы с биологически активными веществами (гепарином, хондроитинсульфатом, антибиотиками) и минимизирует образование рубцов [10, 11, 12]. К настоящему времени описано 28 генетически различающихся типов коллагена [12, 13, 14].
Исходя из структуры и супрамолекулярной организации коллагена, можно выделить следующие его группы: фибриллообразующие (I, II, III, V, XI, XXIV, XXVII), связанные с фибриллами (FACIT: IX, XII, XIV, XVI, XIX, XX, XXI, XXII), образующие сеть (IV, VIII, X), закрепляющие фибриллы и трансмембранные (VI, VII, XIII, XV, XVII, XVIII, XXIII, XXV, XXVI, XXVIII).
Классический фибриллообразующий коллаген включает I, II, III, V и XI типы [15, 16], которые характеризуются способностью собираться в высоко ориентированные надмолекулярные агрегаты с характерной супраструктурой [9, 16, 17]. При электронной микроскопии их фибриллы имеют характерный рисунок с периодичностью полос около 70 нм [16, 17].
Коллаген I типа – самый распространенный и изученный тип коллагена, его тройная спираль обычно представлена в виде гетеротримера c двумя одинаковыми α1 (I) и α2 (I)–цепями [16, 18]. Он составляет более 90% органической массы костей и является основным компонентом сухожилий, кожи, связок, роговицы, за исключением таких тканей, как гиалиновый хрящ, мозг и стекловидное тело [8, 18].
Коллаген II типа является преобладающим компонентом гиалинового хряща, но также обнаруживается в стекловидном теле, эпителии роговицы, хорде, пульпозном ядре межпозвоночных дисков и в эмбриональных эпителиально-мезенхимальных структурах [8, 19]. Тройная спираль коллагена II типа состоит из трех α1 (II)–цепей, образующих гомотримерную молекулу [20]. По сравнению с коллагеном I типа, цепи коллагена показывают более высокое содержание гидроксилизиновых, а также глюкозильных и галактозильных остатков, которые опосредуют взаимодействие с протеогликанами [21, 22].
Коллаген III типа представляет собой гомотример, состоящий из трех α 1 (III)–цепей, широко распространен в тканях, содержащих коллаген I типа, за исключением костной [23]. Является важным компонентом ретикулярных волокон в интерстициальной ткани легких, печени, дермы, селезенки и сосудов [23].
Коллаген V и XI типов образуется в виде гетеротримера из трех разных α-цепей (α1, α2, α3) [8, 19] и формирует подсемейство внутри фибриллообразующего коллагена, хотя они имеют сходные биохимические свойства и функции с другими членами этой группы [24].
Коллаген V типа обычно образует гетерофибриллы с коллагенами I и III типов и способствует образованию органического костного матрикса, стромы роговицы и интерстициального матрикса мышц, печени, легких и плаценты [12, 13]. Коллаген V типа может функционировать в качестве основной структуры, вокруг которой полимеризуются фибриллы коллагенов I и III типов [25].
Коллаген XI типа в основном располагается в суставном хряще с коллагеном II типа, формируя ядро гетерофибриллы [8, 25]. Примечательно, что α3–цепь коллагена XI типа кодируется тем же геном, что и α1–цепь типа II и отличается только степенью гликозилирования и гидроксилирования [8].
У фибрилл ассоциированному коллагену с прерывистыми тройными спиралями (коллаген FACIT) относят IX, XII, XIV, XVI, XIX, XX типы [8]. Их структура характеризуются «коллагеновыми доменами» [8, 13].
Коллаген IX типа, совместно со II типом распределяется в хряще и стекловидном теле [8]. Гетеротримерная молекула состоит из трех различных цепей (α1 (IX), α2 (IX) и α3 (IX)), образующих три тройные спирали [10]. Молекулы коллагена IX типа периодически располагаются вдоль поверхности коллагеновых фибрилл I типа в антипараллельном направлении [26]. Это взаимодействие стабилизируется ковалентным производным лизина [8, 26].
Коллаген XVI типа обнаруживается в гиалиновом хряще и в коже [27]. Коллаген XII и XIV типов сходен по структуре, обе молекулы связываются или располагаются с коллагеном I типа в коже, надкостнице, сухожилиях, легких, печени, плаценте и стенке сосудов [8]. Функция этих типов, а также коллагена XIX и XX типов в организме до сих пор не изучена [29].
Коллаген VI, VII, XIII, XV, XVII, XVIII, XXIII, XXV, XXVI, XXVIII типов относят к закрепляющим фибриллы и трансмембранным.
Коллаген VI типа представляет собой гетеротример из трех различных α-цепей (α1, α2, α3) с короткой тройной спиралью, домены имеют протяженные глобулярные окончания [29, 30]. Это особенно заметно на третьей α3-цепи, которая почти вдвое длиннее других цепей, из-за больших N- и C-концевых глобулярных доменов [29, 30, 31]. Широкие домены обеспечивают альтернативный сплайсинг и обширную посттрансляционную обработку как внутри, так и вне клетки [30, 31, 32]. Первичные фибриллы собираются внутри клетки к антипараллельным, перекрывающимся димерам, которые затем выравниваются параллельно, чтобы сформировать тетрамеры. Следующий этап - это секреция во внеклеточный матрикс: VI типа коллаген и тетрамеры объединяются в нити и образуют независимую микрофибриллярную сеть практически во всех соединительных тканях, кроме костной [31, 33, 34]. Коллаген VI типа представлен на ультраструктурном уровне в виде тонких нитей, микрофибрилл или сегментов со слабой перекрестной полосой с периодичностью 110 нм [33, 34]. Но не все тонкие нити представляют собой коллаген VI типа [33, 34, 35].
Коллаген IV, VIII, X типов относят к образующим сеть.
Коллаген типа IV является наиболее важным структурным компонентом базальных мембран, интегрирующих ламинины, нидогены и другие компоненты в видимый двумерный стабильный надмолекулярный агрегат [36, 37]. Структура коллагена IV типа характеризуется тремя доменами: N-терминал 7S домен, С-концевой глобулярный домен (NC1) и центральная тройная спиральная часть с короткими прерываниями Gly-X-Y повторов [36, 37]. Шесть субъединичных цепей были идентифицированы, как α1 (IV) – α6 (IV), объединенные в три гетеротримерные молекулы. Преобладающая форма представлена гетеротримерами α1 (IV), 2 α2 (IV), образующими у большинства эмбрионов и взрослых людей базальные мембраны [36, 37].
Коллаген X и VIII типов структурно связан с короткой цепью [38, 39]. Коллаген типа X является характерным компонентом гипертрофического хряща плода и ювенильной пластинки роста, обнаруживается в ребрах и позвонках [40]. Это гомотримерный коллаген с большим C-терминальным и коротким N-концевым доменом, эксперименты in vitro указывают на его сборку в гексагональные сети [37, 38, 39]. Коллаген X типа участвует в процессе кальцификации в гипертрофической зоне, но многие авторы указывают на не полное изучение его функций в организме [39, 40, 41]. У плода коллаген X типа локализован в виде тонких нитей, а также связан со II типом [40, 42, 43].
Коллаген VIII типа очень гомологичен типу X по структуре, но имеет иное распределение и может выполнять другие функции [44, 45]. Это образующий сеть коллаген, который вырабатывается эндотелиальным клетками и собирается в виде гексагональных решеток, например, мембрана Десцемета в роговице [44, 45].
Влияние коллагена на репарацию ран можно представить следующим образом. После связывания коллагена с раной, в его коллагеновую решетку из здоровой ткани мигрируют фибробласты. Клетки, заселившие коллагеновую матрицу, начинают синтезировать собственный коллаген и другие компоненты межклеточного вещества [46, 47]. Образуется переходный матрикс, который стимулирует иммунную систему организма и активирует гранулоциты, макрофаги и фибробласты, способствует более быстрому переносу факторов роста, высвобождающихся из клеток, а также усиливает пролиферацию эпителиальных клеток [46, 47]. Распространяясь строго по коллагеновой решетке фибробласты формируют кровеносные и лимфатические сосуды, нервные волокна.
В настоящее время коллаген применяется при лечении ран мягких тканей в виде нескольких лекарственных форм.
Коллагеновые губки используются при лечении термических и механических ран, для местной доставки медикаментов (внутривлагалищное введение липофильных соединений, включая ретиноевую кислоту), а также в тест-системах in vitro. Коллагеновые губки поглощают экссудат с сохранением климата с низкой влажностью, защищают раневую поверхность от механических повреждений и вторичной бактериальной инфекции [46, 47]. Губки не травматичны, так как благодаря биодеструкции растворяются, предотвращая травматизацию образованного эпителия при снятии раневого покрытия [47, 48]. На основе коллагена получают биодеградируемые материалы, называемые «искусственной кожей», которая представляет собой, как правило, решетку из коллагена покрытую протеогликаном, которая постепенно распадается, замещаясь фиброзной тканью [11, 47, 48]. Так, применение препарата на основе коллаген-хитозанового комплекса в лечении ран мягких тканей позволяет сократить сроки эпителизации на 30%, уменьшить площадь раневых дефектов при незаживающих ранах, ускорить полное закрытие раны на 27,5% [49]. Применение препарата нативного коллагена в лечении ран мягких тканей увеличивает скорость заживления в 2 раза, способствует сокращению площади раневой поверхности на 23% [50]. Применение препарата нативного коллагена в лечении хронических ран мягких тканей приводит к уменьшению площади раневой поверхности на 14% на 20 сутки и на 29% на 40 сутки [48, 50].
Коллагеновые гели могут использоваться для проведения инъекций, наиболее легкодоступными формами которых явля­ют­ся: суспензии коллагеновых волокон и нефибриллярные вязкие растворы в водных средах [50, 51, 52]. Гель более длительное время, чем жидкие составы, остается на месте, обеспечивая устойчивую доставку лекарственных средств [50, 51, 52]. Так, использование продуктов распада коллагена на основе кисломолочного комплекса ускоряет отторжение струпа и формирование многослойного плоского эпителия быстрее на 59%, полное заживление ран с восстановлением волосяных фолликулов и сальных желез – на 65%, увеличивает толщину эпидермиса на 56%, количество волосяных фолликулов на 26% [52].
Коллаген так же может быть реализован в виде коллагенового щита, который был разработан для применения при повреждениях роговицы [48, 50, 51, 52]. Коллаген защищает заживляющий эпителий, ускоряет репарацию и служит резервуаром для лекарственных препаратов, увеличивая время их воздействия [47, 52].
Так же существуют гранулы из коллагена, которые были разработаны для различных соединений [50]. Размер гранул достаточно мал, что позволяет осуществлять их инъекционное введение, и достаточно большой, чтобы включить в них препараты со значительным молекулярным весом, такие как интерферон, интерлейкин-2, миноциклин и лизоцим [46, 49, 52]. Однократная подкожная инъекция гранул вызывает длительное удержание интерлейкина-2 и снижает его максимальную концентрацию в сыворотке [51, 52].
Заключение
Использование коллагена является перспективным при разработке новых лекарственных средств, учитывая его низкую антигенность, отсутствие токсических и канцерогенных эффектов, способность стимулировать репарацию, влиять на резорбцию и полупроницаемость мембран, образовывать комплексы с биологически активными веществами и его гемостатические свойства. Однако на данный момент в клинической практике широко используются только I, II и III, из 28 типов коллагена. Для более широкого раскрытия его клинического потенциала необходимо доскональное изучение всех типов коллагена и их роли на разных этапах репарации мягких тканей.

About the authors

Anton Petrovich Ostroushko

Voronezh State Medical University named after N.N. Burdenko

Email: antonostroushko@yandex.ru

Ph.D., associate Professor of the Department of General Surgery

Russian Federation, Voronezh, Russia

Alexander Alexeyevich Andreev

Voronezh State Medical University named after N.N. Burdenko

Email: sugery@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8215-7519
SPIN-code: 1394-5147
Scopus Author ID: 159833
ResearcherId: R-6129-2016

Doctor of Medical Sciences, Professor

Russian Federation, Voronezh, Russia

Anastasiya Yurievna Laptiyova

Voronezh State Medical University named after N.N. Burdenko

Email: mail@vestnik-surgery.com

graduate student of the Department of General Surgery

Russian Federation, Voronezh, Russia

Alexander Anatolievich Glukhov

Voronezh State Medical University named after N.N. Burdenko

Author for correspondence.
Email: glukhov-vrn@yandex.ru

Doctor of Medical Sciences, Professor

Russian Federation, Voronezh, Russia

References

Supplementary files