Учёные выяснили, почему некоторые виды гепарина работают лучше других

Автор: CC0 Public Domain

Если бы биомолекулы были людьми, гепарин был бы знаменитостью. Наиболее известный как мощный антикоагулянт с мировым рынком более 7 миллиардов долларов США (~560 миллиардов рублей), гепарин используется во время и после операций и необходим для диализа почек. Большая часть современного гепарина производится из свиней, но Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) поощряет использование альтернативных источников, включая коров и синтетические формы гепарина, для диверсификации цепочек поставок.

К сожалению, гепарин от животных, отличных от свиней, просто не работает так же хорошо.

Причины связаны с актуальными вопросами современной клеточной биологии. Теперь междисциплинарная команда из Виргинского технологического института обнаружила новые молекулярные подсказки, которые могут объяснить, почему некоторые источники гепарина более эффективны, чем другие. Результаты, опубликованные недавно в Proceedings of the National Academy of Sciences, могут открыть двери для создания более безопасных и надежных терапий на основе гепарина.

«Структура гепарина и то, как эта структура влияет на функцию, — это актуальная головоломка», — сказала Бренна Найт, первый автор исследования и недавняя выпускница, изучавшая химию. «Кажущиеся небольшими различия в содержании и расположении [химических образований, называемых] сульфатов на молекуле вызывают существенные различия в энергетике, которая управляет химической активностью».

От минерализации к медицине

Гепарин происходит из семейства, называемого гепарансульфатами, или гепаранами, присутствующими во всех живых существах. Эти цепи сахаров разнообразны, выполняют множество функций в организмах, и многие, включая гепарин, невероятно сложны.

Будучи студенткой Патриции Дов в отделениях геонаук и химии, Найт изначально изучала гепараны по совершенно другой причине: чтобы понять, как сульфаты могут влиять на биологическую минерализацию — процесс, с помощью которого организмы строят укрепленные кристаллами ткани, такие как кости, зубы, раковины и кораллы.

Дов, университетский заслуженный профессор и профессор науки им. К.П. Майлза, является одним из выдающихся геохимиков нашего времени и была избрана в Национальную академию наук в 2012 году. Разгадка процесса биоминерализации была одной из её главных страстей за последние три десятилетия.

«Животные выращивают кристаллы в определенных местах, обычно чтобы создать структуры, которые служат для поддержки, защиты или питания себя», — сказала Дов. «Это скоординированный результат многих химических реакций внутри организма и высшее достижение биологии. Мы давно пытаемся лучше понять реакции, которые производят эти рабочие биоматериалы».

Этот процесс минерализации неожиданно связался с медициной.

Гепарансульфаты — лишь один из многих различных агентов, которые взаимодействуют с кальцием, чтобы запустить разнообразный портфель биохимических операций. Одна из этих операций необходима для свертывания крови.

Командная наука

Чтобы лучше понять, как гепарансульфаты помогают облегчить биоминерализацию, Дов и Найт объединились с Кевином Эдгаром, профессором кафедры устойчивых биоматериалов, которого интересовали гепараны с точки зрения здравоохранения. Для изучения взаимодействий кальция с гепарином они работали с Майклом Шульцем и аспирантом Коннором Галлахером на химическом факультете.

Когда они применили свои объединенные знания к взаимодействиям кальция и гепарина, они обнаружили, что небольшие вариации в молекулярном составе гепарина изменяли то, насколько эффективно он связывал кальций. Эти различия могут повлиять на его способность образовывать биоминералы и антикоагулянты.

«Эта статья дает представление о том, как биоинженерить синтетические пути к эффективным продуктам гепарина для применения в терапии и доставке лекарств», — сказал Эдгар.

Больше информации: Brenna M. Knight et al, Thermodynamics of calcium binding to heparin: Implications of solvation and water structuring for polysaccharide biofunctions, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2504348122

Источник: Virginia Tech