КРІОПРОТЕКТОРИ

КРІОПРОТЕКТОРИ (грец. krýos — холод, мороз, льод + лат. protector — що прикриває, що захищає). Це ЛП, які спроможні запобігати розвитку пошкоджень біологічних об’єктів при їх заморожуванні та подальшому відтаюванні.

На сьогодні напрямок використання з лікувально-профілактичною метою факторів холоду різної природи, що викликають зниження температури тканини не нижче за кріостійкість (5–10 °С) і не призводить до вираженої зміни терморегуляції організму, набув широкого використання в науково-практичній медицині під назвою кріотерапії. За інтенсивністю охолодження розрізняють помірну (до 20–24 °С) і глибоку (до 13–15 °С) гіпотермію. Основними лікувальними ефектами кріотерапії є анальгезивний, гемостатичний, протизапальний, спазмолітичний та десенсибілізуючий. Всебічне вивчення властивостей К. важливе, оскільки це дозволяє здійснити їх подальше розроблення та впровадження у практичну фармацію, медицину та біологію.

Існує декілька класифікацій К., які не вичерпують ні речовин, ані класів сполук, в яких наявні ефективні К. Для К. за хімічною структурою не існує єдиних меж залежності від мол. м. Кріопротекторна активність виявляється як у низькомолекулярних речовин (ДМСО, гліцерол), так і у ВМС (гідроксіетилкрохмаль, поліетиленгліколь — ПЕГ). Полімерні сполуки з урахуванням даних про кріозахисні, реологічні та особливо токсичні властивості мають оптимальні кордони величин мол. м.: для ПЕГ — 100–1500; для полівінілпіролідону (ПВП) — 12 500–25 000; для гідроксіетилкрохмалю — 250 000–500 000. Загальними властивостями К. є наявність у їх структурі полярних ланок (угрупувань), спроможних взаємодіяти як з молекулами води, солями металів, так і з компонентами мембран та біополімерів. Існує велика кількість АФІ та ЛП, які мають кріопротекторні властивості, але в медичній та лабораторній практиці використовують дуже мало речовин (табл. 1).

Таблиця 1. Основні класи органічних сполук, які досліджувались як кріопротектори.

Спирти одноатомні Метанол, етанол
багатоатомні Етиленгліколь, діетиленгліколь, триетиленгліколь, ПЕГ, гліцерин, маніт(-ол), сорбіт(-ол), еритрит(-ол), інозит
Оксиди ДМСО, піридиноксид
Амінокислоти α-Аланін, L-валін, пролін, серин
Аміди кислот Формамід, метилформамід, ацетамід, метилацетамід, диметилацетамід, пропіламід, сечовина, метилсечовина
Вуглеводи Глюкоза, ксилоза, лактоза, мальтоза, рибоза, рафіноза, маноза
Білки Альбумін, желатин
Полімерні сполуки ПВП, ПЕГ, декстран, гідроксіетилкрохмаль

Класифікація Лавлока (1954) базується на здатності К. проникати у клітини. Завдяки цьому К. поділяються на екзо- та ендоцелюлярні (К., які не проникають, К., які проникають, і К. змішаного типу). До К., які проникають, належать одно- та багатоатомні спирти, оксиди, деякі із низькомолекулярних цукрів (глюкоза). До К. непроникаючих належать аміди кислот, високомолекулярні цукри, білки, високомолекулярні поліетиленоксиди та гліколі, ПВП, гідроксіетилкрохмаль. К. змішані можуть містити значну частку мономерних угрупувань, які проникають крізь оболонку клітин, тоді як основна частина полімеру лишається в позаклітинному середовищі (ПЕГ). Класифікація Доблера (1966) базується на силі дії К. та поділяє їх на ефективні, слабоефективні та сполуки, які не володіють кріопротекторною активністю (табл. 2). Ефективними К. є речовини, які належать до різних класів хімічних сполук: спирти (етиленгліколь, α-пропіленгліколь, гліцерол); аміди (диметилацетамід); оксиди (диметилсульфоксид) та синтетичні полімери (ПВП, оксіетильований крохмаль, поліетиленгліколь).

Таблиця 2. Класифікація кріопротекторів за їх ефективністю

Тип К. Лікарська речовина або ЛП
Мають виражену кріопротекторну ефективність Полігідроксиречовини (гліколі, гліцерол, аміди, моно-,
ди- і трисахариди), ДМСО,
піридин, полімери оксиду
етилену, ПВП, декстрин
Помірні або слабоефективні К. Одноатомні спирти, карбоксильні та гідроксикислоти,
гліцеромоноацетат, сечовина, неорганічні солі, альбумін,
желатин та його похідні
Речовини, які не мають властивостей кріопротекторної дії Феноли, диметилсульфон,
кетони, піролідон, бутиролацетон, тетрагідрофуран,
діоксан, неорганічні солі

Механізм дії К., які проникають у клітину та перешкоджають формуванню кристалів льоду за рахунок утворення водневих зв’язків із молекулами води (гліцерол, пропіленгліколь, етиленгліколь, диметилсульфоксид), та К., які не проникають у клітину, на сьогодні до кінця не з’ясований та, ймовірно, базується на зниженні швидкості росту кристалів і захисті клітин від осмотичних перепадів.

Кріопротекторна дія. При заморожуванні живих об’єктів діють два фактори, які ушкоджують клітини і тканини: формування внутрішньоклітинного льоду та обезводнювання. Зміна структури льоду знижує ступінь механічного впливу на структуру цитоплазми та мембран клітин. АФІ та ЛП мають різну спроможність впливати на процеси кристалізації та сприяти формуванню дрібнокристалічного льоду, який не володіє сильнополярною напругою. Таким чином, різні К. (непроникаючі, проникаючі та змішані) проявляють захисну дію завдяки тому, що викликають різний ступінь часткової дегідратації клітин та зниження можливої внутрішньоклітинної кристалізації (ПВП, гідроксіетилкрохмаль, ПЕГ, цукри, гліцерол, ПЕГ, ДМСО, сахароза, маніт тощо).

Побічні ефекти. Розчини К. стають гіпертонічними відповідно до виморожування води із кріозахисного середовища, що й викликає ефект зневоднення клітин; псевдотоксичний ефект (інгібування структурно-функціональної активності клітин при взаємодії з К., яке спричиняє зниження метаболічної активності клітин); часткова дегідратація клітин та зниження внутрішньоклітинної кристалізації (К. непроникаючі — ПВП, гідроксіетилкрохмаль, ПЕГ, цукри); токсичне ураження нирок (ДМСО, гліцерол — при порушенні процесу відтаювання).

Використовують К. при кріоконсервуванні (низькотемпературному збереженні живих об’єктів) та заморожуванні для довготривалого збереження біологічних матеріалів у біології, медицині, сільському господарстві, мікробіологічній та харчовій промисловості, а саме: крові, кісткового мозку, рогівки, репродуктивних клітин, ендокринних тканин, хрящів, сегментів кісткової тканини, шкіри та інших тканин. У медицині К. мають важливе значення для лікування хворих, які отримали небезпечну дозу радіації в різних умовах, а також при інших видах патології (щитовидної залози, надниркових залоз, підшлункової та оваріальної залоз); для пересадки консервованих трансплантатів ендокринних залоз, які повністю зберігають свої функції після заморожування, що дозволяє не тільки лікувати пацієнтів із різними ендокринопатіями, але й позбавити пацієнта від багатократних ін’єкцій ендокринних препаратів. Створення запасів кріоконсервованої шкіри, рогівки та інших тканин дозволяє використовувати цей біоматеріал у будь-який час та за будь-яких екстремальних обставин для лікування хворих. Актуальним та важливим є також застосування К. для трансплантації органів, клітин і тканин, для штучного запліднення (збереження сперми, ембріонів людини). У сільському господарстві К. є необхідними для кріоконсервування та заморожування насіння, пилку, ембріонів та меристемних тканин рослин, спор рослин, нематод, коловраток, цист простих мікроорганизмів, сперматозоїдів та ін.; для штучного запліднення сільськогосподарських тварин (збереження сперми, ембріонів, органів); підвищення морозостійкості рослин. У мікробіологічній та харчовій промисловості К. потрібні для кріоконсервування та заморожування клітинних культур. У біології (генетиці та селекції) К. використовують для збереження генетичного фонду рідких представників флори та фауни, різних штамів мікроорганізмів при наднизьких температурах. Використання непроникаючих у клітину К. за відсутності проникаючих К. є неефективним, тому що непроникаючі К. є додатковими компонентами в розчинах проникаючих у клітину К. На практиці найчастіше використовують гліцерол, 1,2-пропандіол, ДМСО, диметилацетамід, етиленгліколь, пропіленгліколь, ПВП та деякі види ПЕГ, гідроксіетилкрохмаль. Диметилацетамід має специфічну дію, оскільки ефективний при кріоконсервуванні тільки лейкоцитів та тромбоцитів.

Протипоказання К. базується на властивостях основної діючої речовини, яка входить до складу К. або суміші К. На сьогодні відомі взаємодії К. з мембранними стабілізаторами, антиоксидантами, солями органічних та неорганічних кислот, коректорами тканинного обміну (активаторами метаболізму), препаратами солей, кислот і основ (розчини Рінгера, Рінгера — Локка).

Белоус А.М., Грищенко В.И. Криобиология. − К., 1994; Енциклопедичний тлумачний словник фармацевтичних термінів: українсько-латинсько-англійський: Навч. посіб. / І.М. Перцев, Є.І. Світлична, О.А. Рубан та ін. — Вінниця, 2014; Muldrew K. Cryobiology − A Short Course. − Canada, 1999; Wolfw J., Bryant G. Cryobiology and anhydrobiology of cells. − Sidney, 2004.