Czym jest kwas hialuronowy?

01 Cukier, nie „kwas” w potocznym znaczeniu

Z chemicznego punktu widzenia to glikozaminoglikan (GAG) – długi, nierozgałęziony łańcuch cukrowy, czyli polisacharyd. Słowo „kwas” w nazwie pochodzi od grup karboksylowych kwasu glukuronowego, nie od właściwości złuszczających. W warunkach fizjologicznych grupy te są zdysocjowane, więc cząsteczka występuje jako polianion – hialuronian. W produktach spotyka się zwykle jego sól sodową, hialuronian sodu, o odczynie zbliżonym do obojętnego.

Od innych glikozaminoglikanów, np. siarczanu chondroityny, różni się tym, że nie zawiera grup siarczanowych i nie jest przyłączony do białka rdzeniowego. Termin „hialuronian”, obejmujący kwas i jego sole, zaproponowali w 1986 r. Balazs, Laurent i Jeanloz.

02 Budowa cząsteczki

Podstawowa jednostka to disacharyd: kwas D-glukuronowy połączony wiązaniem β(1→3) z N-acetylo-D-glukozaminą. Kolejne disacharydy łączy wiązanie β(1→4); motyw powtarza się bez rozgałęzień i modyfikacji. Masa jednego disacharydu w soli sodowej wynosi 401,3 Da (Farmakopea Europejska).

Natywny kwas hialuronowy w tkankach ma masę około 1000–8000 kDa, czyli tysiące disacharydów w jednej cząsteczce; poszczególne syntazy wytwarzają łańcuchy różnej długości (tabela w części o syntezie), a HAS3 – wyraźnie krótsze. Umownie za natywny, wielkocząsteczkowy uznaje się polimer powyżej 1000 kDa. To właśnie masa cząsteczkowa, a nie skład chemiczny, odróżnia od siebie „typy” kwasu hialuronowego w kosmetykach i wyrobach medycznych.

Budowa jest identyczna u wszystkich kręgowców; ten sam polimer wytwarzają w otoczkach niektóre bakterie, m.in. paciorkowce. Brak swoistości gatunkowej tłumaczy niską immunogenność cząsteczki i pozwala produkować ją w bioreaktorach.

03 Gdzie występuje w organizmie

Występuje we wszystkich tkankach i płynach ustrojowych kręgowców, ale w bardzo różnych stężeniach. Największą część puli mieści skóra właściwa; w płynach ustrojowych stężenia bywają wyższe, lecz objętości są niewielkie.

Zakresy pochodzą z przeglądu pomiarów w różnych tkankach i płynach; zależą od metody oznaczania i różnią się między osobami.

Współtworzy też chrząstkę stawową (gdzie wiąże aggrekan) i galaretę Whartona w sznurze pępowinowym – historycznie, obok grzebieni kogucich, najbogatsze źródło surowca do badań.

~15 g

04 Co robi w tkankach

Wiąże wodę i wypełnia przestrzeń

Ujemnie naładowane grupy karboksylowe przyciągają jony i wodę. Łańcuch tworzy w roztworze luźny kłębek o objętości wielokrotnie większej, niż wynikałoby z masy polimeru. Już w niskim stężeniu kłębki przenikają się i tworzą uwodnioną sieć o właściwościach żelu. Tak utrzymuje uwodnienie i napięcie tkanek, a zarazem reguluje dyfuzję innych cząsteczek – działa jak molekularne sito.

Nadaje lepkosprężystość

Roztwory długich łańcuchów są lepkosprężyste i nienewtonowskie – rozrzedzają się przy ścinaniu. Przy wolnym ruchu zachowują się jak lepka ciecz, przy szybkim obciążeniu – jak sprężysty amortyzator. To fizyczna podstawa roli kwasu hialuronowego w stawie i ciele szklistym, a zarazem zasada działania kropli do oczu i preparatów dostawowych.

Buduje macierz zewnątrzkomórkową

W chrząstce służy jako rusztowanie: do jednego łańcucha przyłączają się liczne cząsteczki aggrekanu – dużego proteoglikanu chrząstki – i powstają agregaty odporne na ściskanie. Wokół wielu komórek tworzy płaszcz ułatwiający migrację i podział – stąd jego obfitość w tkankach rozwijających się i gojących.

Przekazuje sygnały

Nie jest tylko biernym wypełnieniem przestrzeni między komórkami. Komórki rozpoznają go przez receptory i białka wiążące (hialadheryny) – przede wszystkim CD44 i RHAMM. Odpowiedź zależy od wielkości cząsteczki: długie, natywne łańcuchy działają przeciwzapalnie i hamują tworzenie nowych naczyń, a krótkie fragmenty powstające przy uszkodzeniu tkanki mogą pobudzać komórki do wydzielania cytokin prozapalnych – to sygnał alarmowy. To głównie dane in vitro i zwierzęce; ich znaczenie dla pielęgnacji skóry nie jest jasne.

W gojeniu ran pojawia się wcześnie i obficie, a w ranach płodowych, które goją się bez blizny, utrzymuje się dłużej niż u dorosłych – to jeden z tropów w badaniach nad bliznowaceniem, oparty na danych zwierzęcych. Co z tego wynika dla opatrunków i żeli na rany, opisujemy w części o suplementach, stawach i oczach.

05 Skąd się bierze: synteza na błonie komórkowej

Inne cukry złożone powstają wewnątrz komórki, w aparacie Golgiego, i są wydzielane w pęcherzykach. Kwas hialuronowy jest wyjątkiem. Wytwarzają go syntazy hialuronianu – enzymy zakotwiczone w błonie komórkowej. Dobudowują one kolejne cukry od strony cytoplazmy i „wypychają” rosnący łańcuch na zewnątrz komórki. Dzięki temu nie ogranicza go pojemność pęcherzyka wydzielniczego i może osiągać masę milionów daltonów.

Człowiek ma trzy takie enzymy, różniące się długością wytwarzanego łańcucha.

Zakresy pochodzą z jednego badania właściwości enzymatycznych syntaz; w tkance łańcuch skraca się dalej wskutek rozkładu.

W skórze właściwej głównym producentem są fibroblasty, w naskórku – keratynocyty.

06 Rozkład i obrót: krótkie życie długiej cząsteczki

Mimo imponującej długości cząsteczka żyje krótko. Rozkładają ją hialuronidazy HYAL1 i HYAL2 oraz opisane później białka HYBID (CEMIP) i TMEM2. Drugą drogą jest rozkład nieenzymatyczny przez reaktywne formy tlenu – ten mechanizm uruchamia m.in. promieniowanie UV i stan zapalny. Udział poszczególnych enzymów w skórze wciąż jest badany.

Fragmenty trafiają z tkanek do naczyń limfatycznych, a z krwi usuwa je głównie śródbłonek zatok wątroby. Tempo obrotu różni się między tkankami o rzędy wielkości:

Dane dla krwi i skóry są dobrze udokumentowane, dla chrząstki opierają się na słabszych źródłach. To czas życia cząsteczki, nie czas utrzymywania się efektu preparatów podawanych w zabiegach.

Stąd wniosek praktyczny: nieusieciowany kwas hialuronowy wstrzyknięty do tkanki znika w ciągu godzin lub dni. Aby wypełniacz utrzymał się miesiące, łańcuchy trzeba chemicznie usieciować – taka sieć rozkłada się wolniej, choć hialuronidaza nadal ją trawi. Więcej w części o medycynie estetycznej.

2–5 min

07 Historia: od bydlęcego oka do bioreaktora

W 1934 r. Karl Meyer i John Palmer wyizolowali z ciała szklistego oka bydlęcego (nie ludzkiego, jak często się pisze) nieznany wcześniej polisacharyd zawierający kwas uronowy. Nazwę złożyli z dwóch członów: „hyaloid” (ciało szkliste; od greckiego hyalos – szkło) i „uronic acid”.

Pełną budowę disacharydu ustalili dwadzieścia lat później, w 1954 r., Bernard Weissmann i Karl Meyer – na materiale z pępowiny. Następnie Endre Balazs opracował oczyszczanie kwasu hialuronowego z grzebieni kogucich tak, by preparat nie wywoływał zapalenia, i wprowadził pojęcie „wiskochirurgii”. Pierwszy taki wyrób do operacji zaćmy trafił na rynek na przełomie lat 70. i 80. – to pierwsze medyczne zastosowanie tej cząsteczki.

Dziś produkcja przemysłowa opiera się głównie na fermentacji paciorkowców Streptococcus equi subsp. zooepidemicus, coraz częściej także na szczepach rekombinowanych, np. Bacillus subtilis. Ekstrakcja z grzebieni kogucich pozostaje w części wyrobów medycznych; Farmakopea Europejska dopuszcza oba źródła.

1934

08 Co naprawdę zmienia się w skórze z wiekiem

Obraz jest bardziej złożony, niż sugerują reklamy. W badaniu ludzkiej skóry w różnym wieku (1994) całkowite stężenie kwasu hialuronowego i rozkład mas cząsteczkowych nie zmieniały się istotnie od życia płodowego do starości. Zmieniło się co innego: frakcja tak silnie związana z tkanką, że uwalniało ją dopiero trawienie enzymem, rosła z kilku procent w skórze płodowej do niemal jednej czwartej w skórze starczej. Polimer nie znika więc ze skóry właściwej, lecz coraz mniejsza jego część pozostaje wolna i ruchliwa.

Wyraźny ubytek dotyczy natomiast naskórka – w skórze starczej kwas hialuronowy niemal w nim zanika. Do tego dochodzi promieniowanie UV, które w badaniach na zwierzętach już po krótkiej ekspozycji zmieniało metabolizm tej cząsteczki – fotostarzenie nakłada się na chronologiczne.

Co z tego wynika dla wyglądu skóry? Mniej wolnego kwasu hialuronowego w naskórku i górnej warstwie skóry właściwej to prawdopodobnie mniej zatrzymywanej wody, słabsze napięcie i większa podatność na drobne zmarszczki. To wnioskowanie z mechanizmu, nie wynik badań klinicznych. Kwas hialuronowy z serum czy kremu działa jako humektant na powierzchni skóry i w warstwie rogowej – nie uzupełnia puli w skórze właściwej (więcej w części o zastosowaniu w kosmetyce). Hasło „po czterdziestce kwasu hialuronowego w skórze ubywa o połowę” nie ma oparcia w cytowanym badaniu.