10. Використання ферментів у медицині. Імобілізовані ферменти
У медичній ензимології виділять три напрямки:
- ензимопатологія;
- ензимодіагностика;
- ензимотерапія.
Ензимопатологія вивчає молекулярні хвороби, причина виникнення яких пов’язана з дефіцитом або повною відсутністю ферментів (ензимопатії). На сьогодні відомо більш ніж 1000 ензимопатій різних видів обміну (фенілкетонурія, альбінізм, гомоцистинурія, глікогенози тощо). Детальне вичення молеку-лярних причин і наслідків цих захворювань наближає до розроблення ефективних методів діагностики та терапії.
Ензимодіагностика дає змогу використовувати визна-чення активності ферментів у біологічних рідинах людини для встановлення діагнозу. Найчастіше використовується визна-чення активності ферментів крові.
Ферменти крові умовно поділяють на три групи:
індикаторні (клітинні, маркерні) ферменти – локалі-зовані в клітинах тканин, потрапляють у кров у результаті фізіологічного старіння та руйнації клітин або в результаті підвищення проникності клітинних мембран. У крові знаходиться декілька десятків індикаторних ферментів. У нормі клітинні ферменти в крові мають невелику активність та не виконують специфічних функцій. При надходженні в кров вони інактивуються протеазами сироватки та тканин. Активність цих ферментів зростає при ураженні органів, коли спостерігається потужна руйнація клітинних мембран. Ферменти цієї групи поділяються на неспецифічні та органоспецифічні.
Неспецифічні індикаторні ферменти каталізують універсальні реакції метаболізму та локалізовані в більшості органів та тканин. Органоспецифічні ферменти знаходяться лише в тих органах і тканинах, де відбуваються специфічні реакції, властиві лише для клітин цього органу. Саме тому підвищення активності цих ферментів у крові свідчить про органну локалізацію патологічного процесу;
секреторні (плазмоспецифічні) ферменти – синтезуються в печінці, виділяються в кров, де виконують певні фізіологічні функції (ферменти системи згортання крові, фібринолізу, холінестераза, церулоплазмін, протеази ренін-ангіотензинової та калекреїнової систем тощо);
екскреторні ферменти – синтезуються в печінці, підшлунковій залозі, слизовій оболонці кишечника. Поява цих ферментів у крові пов’язана з природною руйнацією клітинних структур, в яких вони утворюються (лужна фосфатаза, лейцинамінопептидаза, ентерокіназа, ГГТП, трипсин, ліпаза та ін.).
Виділяють декілька типів зміни активності ферментів у крові: гіперферментемія, гіпоферментемія та дисферментемія.
Гіперферментемія – підвищення активності ферментів в сироватці крові. При більшості захворювань спостерігається гіперферментемія, причинами якою може бути наступне:
підвищення проникливості клітинних мембран;
некроз тканин;
підвищення швидкості синтезу ферменту в тканині;
збільшення кількості клітин, які продукують фермент.
Гіпоферментемія – зниження активності ферментів крові, що є результатом пригнічення синтезу ферментів в тканинах. Цей вид зміни активності ферментів харектерний лише для окремих ферментів, наприклад, для холінестерази.
Дисферментемія – цей тип характеризує появу деяких ферментів у крові, активність яких у нормі відсутня. Такі зміни можуть бути характерні для деяких органоспецифічних ферментів, наприклад, сорбітолдегідрогенази, фруктозомоно-фосфатальдолази та ін.
Для діагностики захворювань внутрішніх органів найчастіше визначають активність таких ферментів сироватки крові, як амінотрансфераз (АСАТ та АЛАТ), лактатдегідрогенази, креатинфосфокінази (КФК, креатинкіназа), альдолази, лужної фосфатази, амілази та деяких інших, а також ізоферментів (ЛДГ, КФК, лужної фосфатази, амілази та ін.).
Існують різноманітні методи визначення активності ферментів, у яких використовуються спектрофотометричні, флюорометричні, фотометричні методи. Для визначення актив-ності ізоферментів, наприклад, ЛДГ та КФК, використовують імунологічні, хроматографічні та електрофоретичні методи.
Інтерпретація результатів досліджень активності ферментів має певні труднощі, тому лікар повинен мати чітке уявлення про участь ферменту в метаболічних перетвореннях, можливих причинах змін активності, бути інформованим про методи, які були використані для аналізу активності ферменту та вміти використовувати отримані результати в комплексі з аналізом ін-ших показників крові та сечі і клінічної картини захворювання.
Нижче наведені можливі причини зміни активності деяких ферментів крові (табл.9).
Таблиця 9 - Зміна активності ферментів сироватки крові
Фермент
Хвороби та стани, які супроводжуються зміною активності
підвищення
зниження
1.
Амінотрансферази (АлАт, АсАт)
1) ураження клітин пе-чінки при гострому ві-русному гепатиті, хро-нічному гепатиті, циро-зі, пухлинах печінки, ін-токсикаціях;
2) гострий інфаркт міокарда;
3) ураження скелетних м’язів;
4) гемоліз еритроцитів
2.
?-Глутаміл- транспептидаза (ГГТП)
1) захворювання печін-ки (гепатити, цирози, метастази) з явищами холестазу;
2) обтурація жовчних шляхів;
3) панкреатит;
4) інтоксикації різного генезу
3.
Креатинфосфокіназа (КФК)
гострий інфаркт міокарда;
ураження скелет-них м’язів (м’язові дис-трофії, поліміозити тощо)
гіподина-мія
4.
Лактатдегідрогеназа (ЛДГ)
ураження серця, ске-летних м’язів, печінки, захворювання крові
Фермент
Хвороби та стани, які супроводжуються зміною активності
підвищення
зниження
5.
Альдолаза
вірусний гепатит, цироз печінки;
гострий панкреатит;
гострий інфаркт міокарда;
м’язові дистрофії, ураження м’язів;
злоякісні новоутворення;
лейкоз, гемолітич-на анемія тощо
6.
Лужна фосфатаза
обтураційна жов-тяниця, гепатит, цироз печінки з явищами внутрішньопечінко-вого холестазу;
захворювання кіс-ток (хвороба Педжета, рахіт, остеомаляція, злоякісні захворю-вання);
ураження кишечника
7.
Кисла фосфатаза
рак передміхурової залози;
деякі запальні процеси в передміхуровій залозі
Фермент
Хвороби та стани, які супроводжуються зміною активності
2) гостра або хронічна інтоксикація фосфорор-ганічними сполуками;
3) інфаркт міокарда;
4) ракова ка-хексія;
5) гіпоаль-бумінемія;
6) спадкові захворюван-ня синтезу ферменту
Ензимотерапія вивчає і використовує можливості використання ферментів для лікування захворювань. Цей розділ медичної ензимології розвивається у двох напрямках:
замісна (специфічна компенсаторна), яка пов’язана із введенням ферменту при його дефіциті в організмі;
у комплексній терапії захворювань разом з іншими лікарськими засобами або заходами.
Замісна терапія найчастіше використовується для лікування розладів ШКТ. Для поліпшення процесів травлення використовують лікарські препарати, які містять ферменти травлення (пепсин, панкреатин, фестал та ін.).
Як додаткові лікарські засоби у комплексній терапії захворювань використовують протеолітичні ферменти:
при гнійно-некротичних процесах;
як відхаркувальні засоби.
Для розчинення тромбів використовують фібринолітичні ферменти (наприклад, стрептокіназу). З метою розсмоктування гематом та рубців після травм, опіків, операцій використовують препарат, який містить гіалуронідазу - фермент, що розщеплює гіалуронову кислоту в сполучній тканині (препарат – лідаза).
Використання ферментів як лікарських засобів має певні труднощі, які біологи та лікарі намагаються подолати шляхом розроблення нових підходів у лікуванні. Відомо, наприклад, що протеїнази мають недостатню стабільність, можуть підлягати аутолізу та інгібуванню в крові та тканинах, швидко виводитись з організму, мають високу антигенність. У зв’язку з цим їх використання в гнійній хірургії обмежене. Винайдення методу імобілізації ферментів значною мірою вирішує ці проблеми.
Імобілізовані ферменти – це нерозчинні ферменти, які штучно створені шляхом приєднання молекул ензиму до нерозчинного у воді носія (марлеві серветки, тампони, біополімери, ліпосоми тощо.).
Імобілізація має свої переваги:
стабілізує структуру ферменту і перешкоджає його руйнації;
пролонгує строк дії ферменту (хоча активність ферменту деякою мірою може бути знижена);
знижує вартість ферментів з причини можливості повторного використання.
Існують різні способи імобілізації. Це може бути механічне включення ферменту або приєднання до певної структури – матриці. Наприклад, для включення молекул ферменту використовують альгінат (полісахарид з морских водоростей) або ліпосоми. Альгінат формує кульки, що включають молекули ферменту, які не зв’язані ковалентно, тому властивостей не втрачають. Ліпосоми – везикули, що утворені біліпідними шарами фосфоліпідів і також можуть включати молекули ферменту. Крім того, використовують спеціальні матрикси, що утворені полімеромами (наприклад, колаген, целюлоза), з якими молекули ферменту зв’язуються ковалентно.
Цікаво
Останнім часом виникло цікаве співробітництво між біохімією та електронікою, результатом якого була створена нова сфера наукової діяльності – біоелектроніка. Першим важ-ливим кроком сумісних досліджень було створення спеціальних пристроїв – біосенсорів (датчики на основі імобілізованих ферментів).
Біосенсори – спеціальні аналітичні пристрої, які викорис-товують специфічні біохімічні реакції з участю ізольованих ферментів, імунних систем, тканин, органел, клітин для де тек-ції (розпізнавання) певних молекул, які видають інформацію про наявність та кількість сполуки у вигляді електричного, термічного або оптичного сигналу.
Більшість біосенсорів орієнтовані на визначення певних сполук у крові, що має важливе значення у діагностиці.
Саме ферментний каталіз забезпечує біоселективними можливостями основну частину біосенсорів.
Одним із перших біосенсорів був вимірювач концентрації глюкози в крові. Вже створені пристрої, що прикріпляють до шкіри пацієнта, для неінвазивного контролю глікемії. На сьогодні обсяг ринку біосенсорних приладів США оцінюється в понад 5 млрд доларів щороку.
Приклади використання імобілізованих ферментів у медицині:
імобілізовані протеолітичні ферменти використовують при протезуванні стінки шлунка або кишечника;
для очищення ран використовують протеолітичні ферменти, які імобілізовані на марлевих серветках;
імобілізовану глюкозооксидозу використовують для визначення концентрації глюкози у біологічних рідинах;
ліпосоми (везикули, що утворені фосфоліпідами) можуть бути використані для направленого транспорту лікарських препаратів до тканин;
створення біосенсорів для визначення біологічних агентів, патогенних мікроорганізмів, токсичних речовин, контролю метаболітів у крові (глюкози, лактату тощо), аналізу нуклеотидних послідовностей ДНК (ДНК-чипи).