2 verschiedene Methoden zur Herstellung von Hyaluronsäure und ihre Anwendungen

Einführung

Hyaluronsäure (HA), auch Hyaluronan genannt, ist ein lineares Polysaccharid, das im Jahr 1918 von Karl Meyer und John Palmer entdeckt wurde [1]. Auch heute noch bringt HA den Wissenschaftlern viele ungeahnte Ergebnisse. In diesem Artikel erhalten Sie eine kurze Einführung, was Hyaluronsäure ist, wie sie hergestellt wird und wo sie verwendet wird.

Was ist Hyaluronsäure?

Hyaluronsäure (HA) ist ein lineares Glykosaminoglykan (GAG), das aus sich wiederholenden Disacchariden von Glucuronsäure-N-Acetylglucosamin besteht. Siehe Abbildung 1. Ein allgemeines HA kann die Struktur von Abbildung 1 mehr als 10000 Mal wiederholen [2].

Abbildung 1: Struktur eines Hyaluronsäuremonomers: Glucuronsäure ist auf der linken Seite und N-Acetylglucosamin ist auf der rechten Seite.

HA ist häufig in der extrazellulären Matrix von Epithel-, Nerven- und Bindegeweben von Wirbeltieren zu finden. Es ist auch in einigen Mikroorganismen, wie z. B. Streptokokken, als Teil der extrazellulären Kapsel zu finden. Hier dient HA nicht nur als Schutz und Klebstoff, sondern auch als Tarnmittel, um das Immunsystem des Wirts während des Infektionsprozesses zu täuschen" [2].

Aufgrund ihres hohen Wasserbindevermögens und ihrer guten Biokompatibilität wird Hyaluronsäure in vielen Bereichen der biomedizinischen Pharmazie, der Kosmetik und in klinischen Studien eingesetzt. Hyaluronsäure kann beispielsweise große Mengen an Wasser absorbieren und als Schmiermittel und Stoßdämpfer in Gelenken und Bindegewebe wirken. Da es sich bei Hyaluronsäure um eine Verbindung mit sich wiederholenden Strukturen handelt, verleihen unterschiedliche Wiederholungszeiten der Hyaluronsäure unterschiedliche Eigenschaften, was bedeutet, dass HA mehr verschiedene Anwendungen und Verwendungszwecke haben kann. Aufgrund der zunehmenden Anwendungen steigt die Nachfrage nach HA seit ihrer Entdeckung bis heute kontinuierlich an. Die Menschen finden zwei Wege, um HA effizienter und kostengünstiger zu gewinnen.

Wie wird Hyaluronsäure hergestellt?

Heutzutage gibt es zwei Hauptquellen für die Herstellung von Hyaluronsäure: Tiere und Bakterien. Lassen Sie uns zunächst über Hyaluronsäure sprechen, die aus tierischen Quellen gewonnen wird.

Aus tierischen Quellen gewonnene Hyaluronsäure

Hyaluronsäure wurde erstmals 1934 von Meyer und Palmer aus dem Glaskörper von Rindern isoliert. Danach wurden viele andere tierische Gewebe wie Hahnenkamm, menschliche Nabelschnur und Rindersynovialflüssigkeit zur Gewinnung von Hyaluronsäure verwendet. Der gesamte Prozess umfasst die Homogenisierung des tierischen Gewebes, die Extraktion, die Reinigung und die Aufbereitung des Endprodukts [1]. Es gibt verschiedene Extraktions- und Reinigungsmethoden für unterschiedliche Ausgangsstoffe und unterschiedliche Qualitäten des Hyaluronsäure-Endprodukts. Nehmen wir als Beispiel hochreine HA für medizinische Zwecke.

Waschen: Vor der Extraktion müssen wir unser tierisches Gewebe mit einer Mischung aus Ethanol und Chloroform oder mit Wasser, Aceton und Ethanol "reinigen". Tierisches Gewebe, wie z. B. Hahnenkamm, wird gesammelt und einen Tag lang mit 95%igem Ethanol behandelt, das mit Chloroform entsättigt wurde. Der Waschschritt wird mehrmals wiederholt, bis die Waschlösung transparent und farblos ist. Damit soll sichergestellt werden, dass alle "schlechten" Bestandteile wie Eisen-, Kupfer- und Phosphationen ausgewaschen werden, da HA durch sie oxidiert oder zersetzt werden kann.

Extraktion: Anschließend extrahieren Sie das bereits vorbehandelte tierische Gewebe mit einer Mischung aus Wasser und Chloroform (20:1) und rühren mindestens zweimal um, um so viele HA-Bestandteile wie möglich aus dem Gewebe zu extrahieren. Die Extraktionslösung mindestens 24 Stunden lang bei 4 bis 25 °C stehen lassen. Die Mischlösung filtrieren, Chlorid und Chloroform (1:1) hinzufügen und 3 bis 5 Stunden bei 4 bis 25 °C rühren.

Aufreinigung: Da die HA aus tierischem Gewebe extrahiert wird, enthält der Extrakt viele Verunreinigungen wie Proteine, Lipide, Peptide oder niedermolekulare Vorstufen. Einige HA können sogar kovalente Bindungen mit Proteinen oder Peptiden aufweisen. Einfaches Waschen mit organischen Lösungsmitteln ist nicht ausreichend. Hier müssen die proteolytischen Enzyme der Extraktlösung bei natürlichem pH-Wert zugesetzt und 5 Tage lang bei Raumtemperatur gerührt werden. Entnehmen Sie die wässrige Schicht und verwenden Sie Teflonfilter, um die Lösung zu sterilisieren. Verwenden Sie 3 Volumen Ethanol, um das Polysaccharid auszufällen. Zu guter Letzt wird das Polysaccharid erneut mit Ethanol und Aceton ausgefällt, mit Aceton sterilisiert und unter Vakuum getrocknet [1].

Das HA-Endprodukt hat eine Molekularmasse von mehr als 750000 Da. Die Produktionseffizienz liegt bei etwa 0,8 g Hyaluronsäure aus 1 kg Hahnenkämmen.

Hyaluronsäure aus bakteriellen Quellen

Die aus Bakterien gewonnene Hyaluronsäure hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten rasch entwickelt. Es gibt einige wenige gram-positive Bakterien wie Streptokokken oder Pasteurella, die für die Herstellung von Hyaluronsäure verwendet werden können, und sie müssen in der Regel die folgenden Anforderungen erfüllen.

• Diese Bakterien sollten für den Menschen ungiftig oder schädlich und nicht hämolytisch sein.
• Diese Bakterien dürfen keine Hyaluronidase-Aktivität gegenüber HA aufweisen [1]. HA ist eine langkettige Verbindung mit sehr einfacher Vervielfältigung. HA lässt sich leicht "brechen" und wird durch mechanische, thermische, chemische und enzymatische Störungen beeinträchtigt.
• Eine hohe Effizienz ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt, der berücksichtigt werden muss.

Streptokokken der Gruppen A und C sind aufgrund ihrer hohen Ausbeute die beliebtesten und geeignetsten Stämme für die HA-Produktion. Allerdings produziert die allgemeine Streptokokkengruppe auch Toxine. Die gute Nachricht ist, dass wir durch die Entdeckung des Gencodes, der im HA-Biosyntheseweg verwendet wird, viele Bakterien (Bacillus, Agrobacterium, E. coli, Lactococcus) modifizieren können, die den Gencode exprimieren und HA produzieren können. Mit anderen Worten: Wir können zunächst nicht-hämolytische und Hyaluronidase-negative Bakterien auswählen und dann einige ihrer Codes ändern, um HA zu produzieren [2].

Der gesamte Prozess zur Gewinnung von Hyaluronsäure aus bakteriellen Quellen ist sehr kompliziert. Abbildung 5 zeigt, wie HA durch das Bakterium E. coli hergestellt wird [2].

Abbildung 5: Übersicht über die Biosynthesewege von E. coli zur Herstellung von Hyaluronsäure [2].

Hyaluronsäure Anwendungen

Die Anwendungen von Hyaluronsäure hängen von ihrer Größe ab: große Moleküle (etwa 1000~ 1500kDa), mittlere Moleküle (etwa 200~ 800kDa) und kleine Moleküle (etwa 5~ 200kDa).

Großmolekulare Hyaluronsäure (HMW-HA) wird häufig in Hautpflegeprodukten verwendet, um die Haut an der Oberfläche mit Feuchtigkeit zu versorgen. Aufgrund ihrer großen Molekülgröße ist sie nicht in der Lage, tief in die Haut einzudringen, sondern bildet stattdessen einen Film auf der Hautoberfläche, der den Wasserverlust verhindert und die Haut mit Feuchtigkeit versorgt. Diese Art von HA findet sich häufig in Feuchtigkeitscremes, Folienmasken und anderen feuchtigkeitsspendenden Hautpflegeprodukten.

Kleinmolekulare Hyaluronsäure (LMW-HA) hingegen ist in der Lage, tiefer in die Haut einzudringen. Daher ist sie in Anti-Aging-Hautpflegeprodukten nützlich, wo sie dazu beitragen kann, die Kollagenproduktion zu stimulieren und die allgemeine Struktur und das Aussehen der Haut zu verbessern. Es wird auch häufig in Seren und anderen leichten Formulierungen verwendet, die schnell von der Haut aufgenommen werden sollen.

Lesen Sie mehr dazu: Hoch- VS. Hyaluronsäure mit niedrigem Molekulargewicht

Hyaluronsäure mit mittlerem Molekulargewicht (MMW-HA) liegt, wie der Name schon sagt, in der Mitte, was die Molekülgröße angeht. Diese Art von HA wird seltener in Hautpflegeprodukten verwendet, aber es wird angenommen, dass sie sowohl für die Oberflächenfeuchtigkeit als auch für das tiefere Eindringen in die Haut von Vorteil ist. Sie kann in Formulierungen nützlich sein, die der Haut sowohl sofortige als auch langfristige Feuchtigkeit spenden sollen.

Neben ihrer Verwendung in Hautpflegeprodukten wird Hyaluronsäure auch in injizierbaren Behandlungen wie Dermalfillern eingesetzt. Bei diesen Filtern wird in der Regel eine Kombination aus groß- und kleinmolekularer Hyaluronsäure verwendet, um die Haut sofort aufzupolstern und mit Feuchtigkeit zu versorgen, aber auch um länger anhaltende volumengebende Effekte zu erzielen.

Insgesamt hängen die verschiedenen Anwendungen von Hyaluronsäure von ihrer Molekülgröße und den spezifischen Hautpflegeproblemen ab, für die sie verwendet wird. Großmolekulare HA eignet sich für die oberflächliche Hydratation, kleinmolekulare HA für Anti-Aging und Kollagenproduktion, und mittelmolekulare HA wird seltener verwendet, kann aber sowohl für die oberflächliche als auch für die tiefere Hydratation von Nutzen sein.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Hyaluronsäure aus tierischen und bakteriellen Quellen extrahiert werden kann. Außerdem werden HA-Produkte in verschiedenen Größen für unterschiedliche Zwecke in der Hautpflege verwendet.

Stanford Advanced Materials Company verfügt über reiche Erfahrung in der Herstellung und dem Vertrieb von hochmolekularer, mittelmolekularer und niedermolekularer Hyaluronsäure. Es ist wichtig, ein Produkt zu wählen, das gut formuliert und für Ihre spezifischen Hautpflegebedürfnisse geeignet ist, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Weitere Informationen finden Sie auf unserer Homepage.

Referenz

1. Polyak, F., Khabarov, V. N., Boykov, P. Y., & Selyanin, M. A. (2015). Hyaluronic acid: Production, properties, application in biology and medicine. John Wiley & Sons, Incorporated.
2. Sze, J. H., Brownlie, J. C., & Love, C. A. (2016). Biotechnologische Herstellung von Hyaluronsäure: ein kleiner Überblick. 3 Biotech, 6(1), 67. https://doi.org/10.1007/s13205-016-0379-9