Полімери в біології та медицині
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Чи можна вилікувати туберкульоз звичайним йодом? Так-так, тим самим, розчином яким ми змащуємо поріз на пальці. Лікарі рекомендують змазувати тільки краї ранки. І то обережно. Тому що йод — речовина, убивчо діє на клітини живої тканини. Якщо пари йоду потрапляють в легені — не минути огидного виснажливого кашлю і чхання, і навіть набряку легень, який може призвести до смерті. Але адже йод — страшний ворог всякого роду бактерій, в першу чергу гнильних бактерій. Він губить навіть міцні палички Коха. Універсальні лікувальні властивості йоду спокусливі. Але перш ніж вчені навчилися правильно використовувати цей цікавий елемент, вони наробили багато помилок.
На початку дев’ятнадцятого сторіччя багато лікарів успішно застосовували йод (і йодоформ, який, як вважають, виділяє в організмі вільний йод) для лікування золотухи, пухлин, глибоких виразок і навіть деяких форм раку.
Але в 1829 році Бертону прийшла в голову нещасна думка застосувати при лікуванні ряду хвороб вдихання парів йоду. У хворих це викликало сильне утруднення дихання, спазми і набряк легенів. Бертон розгубив своїх прихильників, і до останнього часу елементарний йод і йодоформ застосовувалися лише в найпростіших випадках.
Вчений Мат вирішив в дослідах над собою встановити граничну концентрацію йоду, яку людина може винести. Він отруював повітря в кімнаті, випаровуючи йод. Коли йоду в повітрі стало три десятих відсотка, дихати стало майже неможливо. Глянувши на себе в дзеркало, вчений побачив вкрите багряними плямами, спотворене гримасою обличчя. У напівнепритомному стані він вибрався з отруєної кімнати.
І все-таки йодом можна вилікувати туберкульоз. Для цього потрібно підтримувати на поверхні легень певну концентрацію йоду, згубну для бактерій, але безпечну для людини. Проте як?
Вода-наркотик
Але будемо розповідати по порядку. Те, про що ми говоримо, пов’язане з новою цікавою галуззю медицини і фармакології. Мова йде про подовження терміну дії лікарських препаратів.
За століття розвитку медицини, а особливо протягом останніх трьох десятиліть, з’явилися сотні тисяч ліків. Форма, в якій хворий вживав ліки, теж змінювалася. Таблетки і ампули прийшли на зміну порошкам, кашкам, пастилкам. Але як і раніше ліки доводилося вводити потроху і часто, щоб підтримувати в організмі потрібну їх концентрацію. Зазвичай препарат має лікувальну дію лише при певному його вмісті в організмі. Наприклад, кофеїн у невеликій дозі — нешкідливий тонізуючий засіб. Удесятеріть цю кількість — і перед вами смертельна отрута. Втім, навіть звичайнісінька тепла вода, якщо її випити півтора літра, виявиться блювотним засобом, а в дуже великій кількості діє як наркотик, викликаючи у людини галюцинації.
Небайдуже і те, в якій ділянці організму створена ця концентрація. Медики знають, що в шлунку людини — кисле середовище. У кишечнику — лужне. Іноді корисно, щоб лікарська речовина розчинилася в шлунку, а частіше, навпаки, — щоб у кишечнику. Значить, треба поставити на шляху кислого шлункового соку «кислотоупорну» перегородку. Стали покривати таблетки і пігулки синтетичними смолами, сумішами високомолекулярних жирних кислот або молочним клеєм.
Будильник в таблетці
Потім пішли у використанні цього принципу далі. Таблетку розділили на невеликі дози спеціальними перегородками. Одна пігулка діє тепер стільки ж часу, скільки дві, чотири і більше колишніх таблеток.
Більше того. В одну таблетку стали упаковувати ліки абсолютно різні і навіть протилежні за дією, що всмоктуються в шлунку або в різних відділах травного тракту. У США з’явилися таблетки, придатні для лікування відразу двох хвороб, бронхіальної астми і нагрудної жаби. Причому у зовнішньому шарі містилася речовина, що діє негайно, а у внутрішньому — через кілька годин після проковтування. І людина може сама «натиснути кнопку», включаючи другі ліки. Для цього зовнішній шар і ядро розділили смаковим бар’єрним шаром, наприклад, за допомогою лимонної кислоти. Людина смокче пігулку, як льодяник, потім відчуває кислуватий присмак — це сигнал: потрібно ковтати.
Часто після напруженої розумової роботи — перед іспитом, наприклад, людина довго не може заснути. Зате вранці її не розбудиш. А вставати треба. На допомогу таким «мученикам» були виготовлені спеціальні тришарові пігулки. Верхній шар містить барбітурат, що негайно заколислює людину, другий шар — ліки, що підтримують спокійний сон. Третє «відділення» відгороджене від перших двох плівкою, що розтворяється в суворо певний термін, і містить амфетамін, який, як точний будильник, будить людини рано вранці.”
Американська фірма «Сміт Кляйн і Френч» стала випускати пігулки під назвою «спэнсюля», кожна з яких містить до 400 порцій ліків. Ціла Аптека в одній таблетці! І все-таки це напівзахід. Адже після розчинення оболонки слідує швидке розсмоктування ліків. Концентрація ліків змінюється, як і раніше, стрибками, хоча і не так різко, як раніше.
Відкриття антибіотиків було, може бути, найбільшим досягненням медицини XX століття. Але на жаль! Ослаблення властивостей кожного нового антибіотика слідує з такою фатальною неминучістю, як ніби бактерії знали теорію і практику набагато краще людини. Ось чому Вудс і Тукер в 1958 році закінчили свою доповідь на лондонському симпозіумі сумним жартом: «Єдиний остаточний висновок, до якого ми прийшли, полягає в тому, що… синкліт «вчених» мікробів міг би порівняно легко розробити раціональну хіміотерапію людини».
Не відмовляючись від антибіотиків, треба було шукати принципово нові засоби, які б «врукопашну» вступили в бій з мікробами.
Одним з них виявився… наш старий знайомий — йод. Ще на зорі алхімії, в XIII столітті, знаменитий лікар і хімік того часу Арнольд із Віланови відкрив лікувальні властивості паленої губки, яка, як виявилося, містить йод. Він з успіхом лікував губкою зоб. Французький хімік Шатен показав, що йод у невеликих кількостях присутній майже скрізь — на воді, навіть найчистішій — дощовій, в рослинах, грунті, в людині і тваринах, йод леткий. У повітрі Парижа вчений виявив 0,05 грама його на кожні сто кубометрів повітря. Людина не може прожити без йоду, хоча й потрібні їй незначні його кількості. Загальна ж кількість йоду на нашій планеті обчислюється мільярдами тонн, йод — ліки, запаси якого ніколи не вичерпаються.
Елементарний йод існує в двох видах, як дволикий Янус. Тільки половина фіолетового за забарвленням йоду кидається на виручку людині. Друга половина байдуже спостерігає. Доведено, що в розчині чистого йоду завжди співіснують позитивний йод і елемент з гаком негативного заряду (Л-). І тільки позитивний йод — «спеціаліст» по найрізноманітнішим інфекційним захворюванням. Він завжди каже про себе фіолетовим забарвленням. Негативний йод «скромніший» — він безбарвний.
Ось що цікаво і незрозуміло. 2 грами фіолетового йоду при прийомі всередину — смертельні. А йодистий калій, де йод негативний, можна приймати до ста грамів на добу. Йод — ворог бактерій, йодистий калій байдужий до них.
Рецепт простий
Ентузіастом і прихильником застосування сполук йоду для боротьби з бактеріями став петербургський (тоді ще ленінградський) вчений, доктор біологічних наук, В. О. Мохнач. Ще в 1942 році, в суворих умовах Крайньої Півночі, він почав лікувати тяжку хворобу — бактеріальну дизентерію — ліками, які він отримав, приєднавши йод до крохмалю. Після труднощів і гірких розчарувань до нього прийшов успіх. Багатьом його препарат допомагає буквально в перший день лікування.
В. О. Мохнач рекомендував простий рецепт приготування бальзаму проти бактеріальної дизентерії. Потрібно зварити фруктовий або ягідний кисіль, змішати його з 7-8 мл 5-процентної спиртової настоянки йоду (з розрахунку на 25 грамів сухого крохмалю) і ретельно перемішати до утворення рівномірного темно-синього забарвлення. По півсклянки такого киселю, який при цьому майже не змінить смаку (з’являється лише слабкий металевий присмак), приймають через кожні три години. Цікаво, що йод прийшов на допомогу навіть у боротьбі проти захворювань, що викликаються… антибіотиками. Адже в ряді випадків результати лікування антибіотиками були досить сумними. Як правило, це наслідок безграмотного поводження з ліками, але все ж і при правильному дозуванні цих препаратів у деяких людей виникають хворобливі ускладнення при лікуванні антибіотиками. Проти частини їх допомагає йодистий крохмаль.
Неотруйна отрута
На жаль, у крохмалю є один серйозний недолік, що заважає використовувати властивості йоду при внутрішньовенному вливанні, часто більш ефективному. Це — його висока молекулярна вага. Але тут крохмаль з успіхом замінюють інші полімери, розчинні у воді. В першу чергу полівініловий спирт і полівінілпіролідон. Поява штучних полімерів дала йоду друге життя, а науці про продовження дії ліків — швидкий розвиток. Але, як ми бачили, сполуки йоду з полімерами почали застосовувати в медицині ще до появи самої назви «полімери». Адже крохмаль — типовий природний полімер.
Використання ліків в з’єднанні або суміші з полімерами — найбільш цікавий метод продовження терміну їх дії. Адже зазвичай ліки дуже швидко виводяться з організму, не встигнувши по-справжньому «попрацювати», так що значна їх частина просто втрачається.
Фактично більша частина фармацевтичної промисловості працює даремно. А полімерні матеріали виправляють цей дефект лікарських препаратів. Звичайно, треба подбати про те, щоб речовина не втратила своїх лікувальних властивостей. Вони залежать від присутності і розташування в молекулі ліки певних активних груп атомів. Якщо і те й інше вдалося зберегти — вбиті обидва зайця.
Такі з’єднання вже випробувані в клініках, і виявлено, що їх можна застосовувати для лікування найрізноманітніших хвороб. Виявилося можливим вводити в організм такі дози йоду, які раніше вважалися неприпустимими і навіть смертельними. Наприклад, вдалося протягом десяти днів ввести 100 максимальних добових доз йоду у вигляді йодополівінілового спирту. Цей дослід проводився на мавпах, і ніяких ознак отруєння не було виявлено.
Гострий реніт таким препаратом виліковується за 1-2 доби. Допомагають нові ліки і при інших мікробних захворюваннях вуха, горла, носа.
Як зацементувати легені…
Для цього з йодом з’єднують полімер, що має температуру плавлення, близьку до температури людського тіла. Таке з’єднання, лише злегка нагрівання, можна набрати в шприц і шприцом ввести в організм.
У легенях воно застигає у вигляді желеподібної маси і дуже повільно розсмоктується, знищуючи при цьому бактерії. Оскільки уражена туберкульозом ділянка легень фактично вже не працює, заповнення її розплавом не має значення.
Так в самій людині створюється своєрідна аптека, склад лікарського препарату. Організм сам поступово і регулярно відбирає потрібні дози ліків і направляє на боротьбу проти бактерій.
Залежно від стану людини їй виписують малу чи велику дозу ліків. Можна підбирати полімери з різною молекулярною вагою, різною температурою плавлення і, таким чином, створювати препарати з різними термінами дії і розсмоктування.
Плівки, нитки з йодополімерів можна застосовувати, скажімо, замість бинтів. Така плівка одночасно виконує роль і перев’язувального матеріалу, і ліків.
«Полімерні» ліки можуть допомогти при лікуванні хвороби № 1 — раку. За однією з теорій, причиною виникнення раку є активні групи атомів — вільні радикали. Отже, насамперед потрібно зв’язувати вільні радикали. Хіміки вміють це робити з допомогою ряду речовин. Питання в тому, як ввести такі речовини в організм. Виявилося, що цього можна досягнути, поєднавши їх з полімерами.
В Англії запатентовано велику кількість лікарських сполук пролонгованої, тобто продовженої дії на основі іонообмінних смол і вітамінів, алкалоїдів, барбітуратів і т. д. Такі лікарські сполуки відомі під загальною назвою «резинати».
Швидкість відділення лікарського препарату від іонообмінної смоли залежить виключно від концентрації іонів в шлунку. А концентрація іонів у шлунково-кишковому тракті людини, як правило, зберігається на постійному рівні. Отже, можна заздалегідь визначити швидкість вивільнення активної речовини, підбираючи відповідний полімер.
Як відомо, «крапля нікотину вбиває коня». Менш відомо, що нікотинова кислота, яка трохи відрізняється від нікотину і виходить його окисленням, — вітамін, без якого неможливе існування людини. Її називають вітаміном РР. У США, наприклад, у деяких штатах у законодавчому порядку запроваджено вітамінізацію борошна нікотиновою кислотою.
Нещодавно було отримано поєднання цієї речовини з крохмалем, який, повільно розпадаючись, виділяє вітамін РР. Значить, можна створити в організмі запас різноманітних вітамінів. Адже багато з них людський організм не вміє сам синтезувати, так що доводиться пильно стежити, щоб запаси їх не виснажилися. А це далеко не завжди просто.
Автор: В. Павлов.