Hyaluronsäure, das hauteigene Polymer
Das hauteigene Polymer Hyaluronsäure (engl. hyaluronic acid, hyaluronan, hyaluronate) ist eines der wichtigsten Glycosaminoglycane der extrazellulären Matrix. Sie findet sich in den Geweben aller Wirbeltiere, aber auch in Mikroorganismen oder Muscheln. Aufgrund ihrer chemischen Struktur hat sie große physiologische Bedeutung, ob als wasserspeicherndes Medium, mechanische Barriere, in der Immunabwehr, der Gewebereparatur oder beim zellulären Informationsaustausch.Orthopädie, Ophthalmologie, Dermatologie und Kosmetik nutzen ihre vielfältigen günstigen Eigenschaften.
Hyaluronsäure, das hauteigene Polymer: Was ist es?
Die Hyaluronsäure gehört zur Stoffgruppe der Glycosaminoglycane (GAG) bzw. der sauren Mucopolysaccharide. Die strukturelle Grundeinheit besteht aus einem Disaccharid aus den Zuckern N-Acetylglucosamin und D-Glucoronsäure mit einer Molmasse von 400 Dalton.
Die Disaccharide sind durch glycosidische Bindungen zu einem Polysaccharid verknüpft und bilden Makromoleküle mit Molmassen zwischen 200 und 10.000 kDa.
Die Anzahl der Disaccharide-Einheiten kann sich in dem vollständigen Molekül bis zu 10.000mal wiederholen und ihm eine Molmasse von 4 Millionen bis 10 Millionen Dalton verleihen.
Dank dieser Struktur ist die Hyaluronsäure in der Lage, eine Vielzahl von Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden, über die Hydrationen angelagert werden können. Aufgrund des Quellungs- und Wassereinlagerungsvermögens verleiht die Hyaluronsäure den Körpergeweben Struktur, steuert das osmotische Gleichgewicht und kann als Barriere den Fluss von Ionen, Proteinen und Zellen im Gewebe regulieren.
Hyaluronsäure, das hauteigene Polymer: Früh entdeckt und weit verbreitet
Erste Hinweise auf die Existenz einer Substanz, die für die mukoiden, Gel-artigen Eigenschaften der Nabelschnur verantwortlich ist, gab es bereits im 17. Jahrhundert.
Entdeckt wurde Hyaluronsäure im Jahr 1934 im Kammerwasser des Rinderauges.
In ihrem Namen steckt das griechische Wort „hyaloid“, das auf ihr Vorkommen im Glaskörper des Auges hinweist.
Tatsächlich ist Hyaluronsäure die einzige bekannte polymere Substanz, die sowohl in höheren Organismen als auch in Mikroorganismen und in Muscheln vorkommt.
Hyaluronsäure ist Bestandteil der Gewebe aller Wirbeltiere und liegt hier in unterschiedlichen Konzentrationen vor. In der Haut befinden sich etwa 50 Prozent der Gesamtmenge des erwachsenen Menschen.
Besonders das embryonale Gewebe ist reich an Hyaluronsäure.
Sie ist in der mukoiden Matrix enthalten, die bei der Embryogenese als Vorläufer des Bindegewebes gebildet wird, und umgibt in späteren Entwicklungsstadien als Bestandteil der extrazellulären Matrix alle Körperzellen. In diesem viskosen, Gel-artigen Netzwerk ist die Hyaluronsäure eine der Hauptkomponenten und ist an der schützenden Funktion und dem Informations- und Stoffaustausch mit den umgebenden Zellen beteiligt.
Besonders viel Hyaluronsäure ist in der Kammerflüssigkeit des Auges, der Synovialflüssigkeit der Nabelschnur, im Hahnenkamm und im Bindegewebe, vor allem im Knorpel und in der Haut, enthalten.
Im Bindegewebe ist Hyaluronsäure mit ihrem hydrodynamischen Volumen die raumfüllende Substanz, an die sich als Matrix beispielweise Proteoglucan, Aggrecan und Versican bilden und spezifische Protein-Matrix-Interaktionen ermöglichen, in deren Mittelpunkt die Hyaluronsäure steht.
Hyaluronsäure, das hauteigene Polymer: Das erstaunliche Molekül
Hyaluronsäure ist in der Säureform und als Natriumsalz in Wasser löslich. Die beim Trocknen der Lösungen zurückbleibenden Hyaluronsäurefilme sind elastisch und bei Abwesenheit von Wasser relativ stabil. An der Luft nimmt Hyaluronsäure aber schnell wieder Wasser auf, bis zu 15%. Handelsübliche Produkte enthalten ca. 10% Wasser.
Das Natriumsalz der Hyaluronsäure, Natriumhyaluronat, ist ein weißes bis schwach gelbliches, geruchloses hygroskopisches Pulver.
Als Polysäure ist Hyaluronsäure vergleichbar mit anderen sauren Polysacchariden, wie Pektinsäure oder Alginsäure.
Aufgrund der hohen Zahl der negativ geladenen Carboxylgruppen stellt das Hyaluronat in wässerigen Lösungen eine polyanionische Verbindung dar, deren negative Ladungen unter physiologischen Bedingungen durch Kationen wie H+, Na+, K+, Ca++ neutralisiert werden.
Die negativen Ladungen bewirken wegen ihrer gleichartigen Ladungen eine Abstoßung der nahe beieinander liegenden Kettenabschnitte. Dadurch können die Lösungen unter Erweiterung des durchschnittlichen Kettenabstandes viel Wasser binden.
Im Gewebe erfüllen die Gewebemembrane die Funktion einer semipermeablen Wand. Der Gegendruck wird als der Druck wirksam, der die Gewebespannung, den Turgor, bewirkt. Diese Eigenschaft machen sich die Anwendungen von Hyaluronat-Lösungen als Turgor-erhöhendes Implantatmaterial, z.B. bei der Substitution von Kammerwasser des Auges oder bei der kosmetischen Auffüllung von Gewebedefekten, zunutze.
Hyaluronsäure – ein erstaunliches Molekül
Die Hyaluronsäure kann aufgrund ihrer raumfüllenden Eigenschaften und der Fähigkeit, freie Kationen zu binden, auch als Kationentauscher fungieren. Dabei bildet sie Polyelektrolyt-Komplexe, die ladungsneutral sind und folglich andere Eigenschaften haben als die Polymere, aus denen sie gebildet wurden. Dadurch können sie zur Reinigung und Herstellung von pharmazeutischen und kosmetischen Formulierungen genutzt werden.
Dank seiner gestreckten Form und seiner vergleichsweisen großen Länge von 2 – 25 µm weist das Hyaluronsäure-Molekül im gelösten Zustand neben der polyanionischen Struktur weitere günstige Eigenschaften für medizinische, pharmakologische und kosmetische Anwendungen auf.
Hyaluronsäure bindet unter physiologischen Bedingungen über die Carboxylanionen große Mengen Wasser. Eine 2%ige Lösung bindet 98% Wasser und bildet dabei ein dickflüssiges, wasserunlösliches Gel. Dieses weist pseudoplastische und viskoelastische Eigenschaften auf und wirkt in den Gelenken als Schock-absorbierendes Gleitmittel.
Zudem könnten die hydrophoben Abschnitte der Hyaluronsäure (Wasserstoffatome) andere hydrophobe Moleküle, z.B. hydrophobe Entzündungsmediatoren binden und so antiinflammatorisch wirken.
In gelöstem Zustand stellt die Hyaluronsäure ein relativ empfindliches Polymer dar.
Verschiedene Einflüsse verringern die Viskosität oder auch die Molmasse der Hyaluronsäure. Das Durchfließen der Kanüle bei Spritzen oder technische Filtrationsprozesse, Rühren, Pumpen, thermische Belastung, alkalische pH-Werte können zum Viskositätsabfall führen.
Die in entzündete Gelenke gespritzte Hyaluronsäure wird leider schnell abgebaut. Eine Hyaluronsäure mit einer Molmasse von 6 Mio Dalton hat eine Halbwertzeit von 13 – 14 Stunden.
Hyaluronsäure, das hauteigene Polymer: Biosynthese
Hyaluronsäure wird in Wirbeltieren und Mikroorganismen an der Innenseite der Plasmamembran gebildet. Bei dem durch eine membranständige Hyaluronsäure-Synthetase katalysierten Vorgang wird der aktivierte Nukleotid-Zucker UDP-Glucoronsäure mit UDP-N-Acetylglucosamin verknüpft.
Besonders viel Hyaluronsäure wird von den dermalen Fibroblasten und den epidermalen Keratinozyten gebildet.
Hyaluronsäure, das hauteigene Polymer: aufbauende und abbauende Enzyme
Damit die Hyaluronsäure ihre Funktionen erfüllen kann, ist ein intakter Stoffwechsel des Hauteigene Polymers erforderlich. Die andauernde Neubildung von Hyaluronsäure sowie die Beseitigung von Hyaluronsäure-Abbauprodukten durch die Zellen im Gewebe müssen funktionieren.
Dafür sorgen drei Gruppen von Enzymen:
- die Hyaluronsäure-aufbauenden Enzyme, die Hyaluronsäure-Synthetasen;
- die Hyaluronsäure-abbauenden Enzyme, die Hyaluronidasen;
- die Exoglucosidasen, die die Endprodukte des Hyaluronsäure-Abbau in Einzelzucker zerlegen, die wieder dem Zellstoffwechsel zugeführt werden
Während beim Menschen drei Hyaluronsäure-Synthetasen identifiziert wurden, stellen die Hyaluronidasen eine umfangreiche Gruppe von Enzymen dar, die in vielen Organismen vorkommen und unterschiedliche Funktionen erfüllen, wie das Eindringen von Mikroorganismen in ein Wirtsgewebe oder die Gewebepenetration des Giftes von Schlangen, Spinnen oder Stechinsekten. Beim Menschen übernehmen die Hyaluronidasen regulierende Funktionen im Hyaluronsäure-Stoffwechsel und strukturverändernde Wirkung.
Beim Menschen und anderen Wirbeltieren sind sechs Hyaluronidasen bekannt, wovon vor allem HYAL1 (Plasmahyaluronidase), HYAL2 (Lyosomale Hyaluronidase) und PH20 (Sperma Hyaluronidase) gut untersucht sind. Die auch als Hyaluronatglycanohydrolasen bezeichneten Enzyme spalten die Hyaluronsäure durch Hydrolyse.
Plasmahyaluronidase kommt in den meisten Geweben und Körperflüssigkeiten des Menschen vor. Die lyosomale Hyaluronidase findet sich an der Oberfläche der Zellen. Die Sperma Hyaluronidase unterstützt die Samenzelle bei der Penetration und Befruchtung der Eizelle, die von einer als Barriere fungierenden Hyaluronsäure-reichen Matrix umgeben ist.
Hyaluronsäure, das hauteigene Polymer: eine biologische Schlüsselsubstanz
Hyaluronsäure ist eine Schlüsselsubstanz für die Aufrechterhaltung der Wasserbalance, der Homöostase, in den Geweben. Sie bindet Wasser und dient als Reservoir. Die viskose extrazelluläre Matrix ist mit ihren zahlreichen polyanionischen Ladungen ausgezeichnet zur Wasserspeicherung fähig und stabilisiert den Elektrolythaushalt.
Als Bestandteil des Bindegewebes und der extrazellulären Matrix ist sie verantwortlich für die Gewebespannung, den Turgor, und die Organ- und Körperform.
Hyaluronsäure stellt eine Diffusionsbarriere dar, deren hohe Viskosität das Gewebe vor lokalen Infektionen abschirmt und eine ungeregelte Flüssigkeitsbewegung in den Geweben verhindert, indem es andere Makromoleküle verdrängt.
Das raumfüllende Netzwerk der Hyaluronsäure-Moleküle spielt eine entscheidende Rolle bei der Ausrichtung der Zellen, der Formgebung in der Morphogenese von Geweben und Organen.
Im Bindegewebe sorgt die Hyaluronsäure für die schnelle Reparatur von Rissen in der Schutzbarriere der Organe und der Haut. Sie unterstützt die Proliferation der Fibroblasten und zieht immunkompetente Zellen an. So wird die Wunde durch eine kollagenhaltige Matrix von neuem Bindegewebe schnell geschlossen und eingedrungene Fremdsubstanzen werden beseitigt.
Bei Verbrennungen, Sepsis, verschiedenen Entzündungskrankheiten aber auch bei der Entwicklung von Tumoren steigt die Konzentration von Hyaluronsäure im Blut an.
Hyaluronsäure ist nicht nur als Füllmaterial des Intestinalraumes und für die Bildung der extrazellulären Matrix, in der die Zellen sich teilen, differenzieren und bewegen, von Bedeutung, sondern auch an vielen molekular-regulatorischen Prozessen beteiligt.
An der Informationsübertragung ist Hyaluronsäure mit ihren Degradationsprodukten beteiligt.
In den niedermolekularen Hyaluronsäuren, die als Abbauprodukte der hochmolekularen Hyaluronsäuren der Matrix entstehen, sind Informationen verschlüsselt. Sie signalisieren Zellschädigungen, beispielsweise durch entzündliche Prozesse, und haben proinflammatorische Aktivität. Sie induzieren Heilungsprozesse, die Bildung von Schock-Proteinen, die Neubildung von Blutgefäßen, aber auch die Blutversorgung von Tumoren.
Diese Effekte sind an das Vorhandensein von Rezeptoren gebunden, die die Hyaluronsäure bzw. Ihre Degradationsprodukte erkennen und binden können. Diese sogenannten Hyaloadherine kommen extrazellulär, intrazellular oder membrangebunden vor.
Die bekanntesten sind der Zellrezeptor CD44 und der Zelloberflächenrezeptor RHAMM (Receptor hyaluronic acid mediated motility). CD44 ist beispielsweise an der Haftung, Organisation und dem Turnover der Extrazellulären Matrix beteiligt. Der Keratinozyten-Wachstumsfaktor erhöht die Hyaluronsäure-Synthese durch Aktivierung der Hyaluronsäure-Synthetase und die Expression von Hyaluronsäure-Rezeptoren CD44.
RHAMM spielt bei der Expression von Leukozyten und Fibroblasten von gesunden und Tumorzellen eine Rolle.
Durch die Wechselwirkung mit spezifischen Zellrezeptoren reguliert die Hyaluronsäure zelluläre Prozesse, wie Entzündungen, Wundheilung, Befruchtung Angiogenese, Tumorbildung oder Metastasierung.
Beispielsweise sind epitheliale Tumore, wie Brust- oder Darmtumore, von einer Hyaluronsäure-haltigen Bindegewebematrix umgeben.
Hyaluronsäure wird auch von pathogenen Mikroorganismen zur Kapselbildung, so zu sagen als Maskierung, genutzt, die die Phagozytose hemmt und die Virulenz erhöht.
Hyaluronsäure, das hauteigene Polymer: Gewinnung und Herstellung
Früher wurde Hyaluronsäure aus tierischem Material, vor allem Hahnenkämmen, gewonnen, mit einer Ausbeute von etwa 3 Gramm pro Kilogramm.
Bei der Gewinnung aus Schlachtabfällen war mikrobielle Verunreinigung nicht ausgeschlossen und wird deshalb heute praktisch nicht mehr praktiziert.
Bevorzugt wird die biotechnologische Herstellung.
Lange Zeit war die Hyaluronsäure-Kapsel von mukoid wachsenden Streptokokken nur von wissenschaftlichem Interesse, bis in den 1980ern die Nachfrage nach Hyaluronsäure für ophthalmologische, orthopädische, dermatologische und kosmetische Zwecke stark anstieg.
Die mikrobielle Kapsel-Hyaluronsäure wird durch biotechnologische Fermentation in einem Fermentatorsystem hergestellt. Die so gewonnene Hyaluronsäure wird als Non-Animal Source Hyaluronan (NASH) bezeichnet.
Die Molmassen der gebildeten Hyaluronsäure liegen zwischen 0,5 und 2,5 Million Danton.
Nachdem die Fermentation beendet ist, werden die hochviskosen Kulturlösungen mit Wasser verdünnt, die Bakterien durch Filtration oder Separation abgetrennt und mehrere Reinigungs- und Konzentrationsschritte durchgeführt.
Hyaluronsäure, das hauteigene Polymer: Vielseitige Einsatzmöglichkeiten
Die günstigen Eigenschaften, die Biokompatibilität und die einfache Verfügbar der Hyaluronsäure eröffnen viele Anwendungsmöglichkeiten.
Aufgrund ihrer viskoelastischen Eigenschaften haben Hyaluronsäure-Lösungen therapeutische Bedeutung als Injektionslösung in der Ophthalmologie, Orthopädie und kosmetischen Chirurgie.
Hyaluronsäure ersetzt Kammerwasser bei chirurgischen Eingriffen am Auge, Gelenkflüssigkeit in der Orthopädie, sie verhindert postoperative Adhäsion durch Gele, Membranen und viskose Flüssigkeiten, dient als Weichgewebe-Ersatz, als künstliche Tränen, wird für viskoelastische Zwischenwirbelimplantate, Füllungen von Brustimplantaten, zur Verengung der Urethra bei Inkontinenz ebenso genutzt wie zur Zellkultivierung, Unterstützung der Arzneimittelfreisetzung und als Haut- und Gewebeschutz.
Als feuchthaltende Komponente wird sie in kosmetischen Formulierungen zur äußerlichen Anwendung eingesetzt. Ihre Anwendung soll den Wassergehalt der oberen Hautschichten positiv beeinflusst und ein angenehmes Hautgefühl unterstützen.
Durch Modifikation lassen sich ihre funktionellen Eigenschaften für medizinische und kosmetische Anwendungen verbessern.
Hierbei spielt die Verweilzeit eine wesentliche Rolle. Wird sie als Lubrificant in der Orthopädie oder als Gewebeersatz in der kosmetischen Chirurgie oder als Füllstoff für Unterspritzungen verwendet, ist es notwendig, die Verweilzeit zu erhöhen, indem der Abbau reduziert wird. Die beim Abbau entstehenden Bruchstücke sollen immer wieder Wasser binden, um die Auffüllung zu erhalten.
Neuere Injektionspräparate, ob zum Ausfüllen von Gelenkdefekten, Behandeln von Gelenkentzündungen oder für kosmetische Verbesserungen, streben eine höhere Verweilzeit in Kombination mit optimierten viskoelastischen Eigenschaften an.
Hyaluronsäure wird auch als Nahrungsergänzung verwendet, um Mangelzustände, die mit Arthritis. Arteriosklerose, Herz-Kreislauf-Krankheiten. Atrophien von Nerven und Gehirn verbunden sein können, auszugleichen. Dabei wird sie oft mit sulfatierten GAGs, die nicht durch Verdauungsenzyme abgebaut werden, kombiniert.
Hyaluronsäure, das hauteigene Polymer: Ein Molekül mit großer Perspektive
Hyaluronsäure ist ein faszinierendes Molekül mit vielfältigen Funktionen im Organismus und einem großen Feld von Anwendungsmöglichkeiten. Ihre Auffüllung ist ein wichtiges Anliegen der Dermatologie, der Kosmetik, des umfassenden Anti-Aging und ein Beitrag zu einer besseren Lebensqualität.
Literatur:
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