ITPD950244A1 - Processo chimico fisico combinato per la preparazione di frazioni di acido ialuronico a basso peso molecolare caratterizzate da bassa poli- - Google Patents
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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Abstract
La presente invenzione descrive un nuovo metodo chimico - fisico di preparazione di frazioni di acido ialuronico, caratterizzate da un peso molecolare medio compreso tra 5.000 e 50.000 e da una polidispersione inferiore a 1.7 che prevede l'uso combinato della tecnica degli ultrasuoni con l'addizione di modeste quantità di ipoclorito di sodio come reagente depolimerizzante.
Description
Descrizione di una domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo "PROCESSO CHIMICO-FISICO COMBINATO PER LA PREPARAZIONE DI FRAZIONI DI ACIDO IALURONICO A BASSO PESO MOLECOLARE CARATTERIZZATE DA BASSA POLIDISPERSIONE"
OGGETTO DELL’INVENZIONE
La presente invenzione descrive un nuovo metodo chimico-fisico di preparazione di frazioni di: acido ialuronico, caratterizzate da un peso molecolare medio, compreso tra 5.000 e 50.000 e da una polidispersione inferiore a 1.7. che prevede l'uso combinato de.lla tecnica degli ultrasuoni con l'addizione di modeste quantità di ipoclorito di sodio come reagente depolimerizzante.
Le frazioni di acido ialuronico ottenute esaltano molte attività biologiche tipiche del polisaccaride nativo e, in modo particolare, la capacità di interazione cellulare nei meccanismi di riparazione tessutale, nell'angiogenesi e nell’osteoinduzione.
CAMPO DELL'INVENZIONE
L'acido ialuronico é un polisaccaride lineare naturale, biocompatibile e biodegradabile, costituito da un'unità disaccaridica ripetitiva formata da acido glucuronico e glucosammina N-acetilata, legati attraverso legami glicosidid β 1-3 e a 1-4.
L'acido ialuronico è presente nei tessuti connetivi di organismi superiori, nel liquido sinoviale, nel -cordone ombelicale- e- nelle creste di gallo; può inoltre essere sintetizzato, da_certe_forme..di batteri come i Streptococchi (Kendall et al, Joum. Biol. Chem., voi 118, pag.
61,1937).
L'acido ialuronico gioca un ruolo vitale in molti processi biologici come l'idratazione tessutale, l'organizzazione proteoglicanica, la differenziazione cellulare e l'angiogenesi. Molte sono le applicazioni biomediche legate alle proprietà reologiche di soluzioni di acido ialuronico: un settore importante coinvolge la chirurgia dell’occhio (Grav et al., Exp. Eye Res., voi 31, pag 119, 1979). Altre applicazioni biomediche che vedono implicati l'acido ialuronico e i suoi derivati (ad esempio gli esteri di acido ialuronico come descritti da della Valle e Romeo, EP 0216453, 1987), riguardano i processi legati alla riparazione tessutale (ferite, ustioni).
Per quanto riguarda le frazioni di acido ialuronico a basso peso molecolare si stanno esplorando con successo possibili campi di applicazione nei settori dermatologici (Scott EP0295092 Bl, 1987) e farmacologici. Sono infatti evidenziate proprietà biologiche sensibili alla diminuzione del peso molecolare e alla funzione della curva di distribuzione caratterizzata dai vari momenti (Mw, Mn, Mz) e dalla polidispersione. Ad esempio, le frazioni di acido ialuronico di basso peso molecolare agiscono come- potenziali sostanze a n gl eugenetiche, . agendo sulla capacità del polisaccaride di incrementare la vascolarizzazione, o intervenendo nei processi infiammatori come specifici inibitori di fattori come ad esempio il TNF (Noble et al, J.
Clin. Inv., voi 91, pag 2163, 1993). Inoltre, le frazioni di acido ialuronico a basso peso molecolare possono trovare impiego nei fenomeni osteinduttivi e come agenti antivirali.
Molti sono gli esempi di preparazione di frazioni di arido ialuronico ottenute attraverso metodi fisici quali il riscaldamento, gli ultrasuoni, l'irraggiamento UV e gamma, oppure attraverso reazioni enzimatiche utilizzando ialuronidasi (Chabreck et al., Jour.
Appi. Poly. Sci., voi 48, pag. 233, 1991; Rehakova et al., Int. J. Biol.
Macrom., voi 16/3 pag. 121, 1994); o, ancora, mediante reazioni depoi ime rizzati ve chimiche con acido ascorbico (Cleveland et al., Bioch. Biophy. Acta, voi 192, pag 385, 1969) o per trattamento con ipocloriti (Schiller et al., Biol. Chem. Hopp-Seyler, voi 375 pag. 169, 1994). Tuttavia, tutti i metodi citati presentano alcuni problemi in relazione alla tipologia dei prodotti ottenuti. Infatti, nonostante taluni di essi non modifichino la struttura polimerica primaria, intervenendo sui legami glicosidici, essi non sono in grado di generare prodotti degradati a basso peso molecolare, caratterizzati da una bassa polidispersione. Si è visto, infatti, che le tecniche che sfruttano gli ultrasuoni o il calore producono cinetiche di depolimerizzazione che presentano andamenti asintotici. Ulteriori trattamenti, nel tempo o nelle condizioni degradative (energia degli ultrasuoni e temperatura) portano alla completa degradazione del prodotto.
La depolimerizzazione indotta datazione della ialuronidasi, invece, rispetto ai metodi fisici, presenta alcuni vantaggi quali l'efficienza della reazione con conseguente mantenimento della struttura primaria della catena polimerica ed il controllo della cinetica degradativa. Il rispetto di tali parametri non garantisce, tuttavia di ottenere alte rese chimiche e prodotti caratterizzati da basse dispersioni di peso molecolare.
Infine, l’azione in larga scala di agenti chimici, quali ipoclorito di sodio e acido ascorbico, porta ad ottenere contemporaneamente la perdita del peso molecolare e l'alterazione significativa della struttuta chimica della catena polimerica. Solo un utilizzo estremamente attento e controllato di questi reagenti produce derivati di degradazione dal profilo molecolare richiesto, riducendo le possibilità di industrializzazione del processo chimico.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE
La presente invenzione descrive un nuovo processo di preparazione di frammenti di acido ialuronico, di pesi molecolari medi compresi tra 5.000 e 50.000, che combina per la prima volta reazioni di depolimerizzazione di tipo chimico, con tecniche di degradazione fisica (ultrasuoni). Inoltre, tale metodo permette non solo cinetiche di depolimerizzazione controllabili e tracciabili da semplici funzioni matematiche, ma soprattutto di ottenere frazioni di polisaccaride a bassa polidispersità (valori di Pd= Mw/Mn ≤ 1.7), ricavabili altrimenti solo con lunghi e costosi processi di purificazione.
Scopo della presente invenzione é di ottenere, pertanto, una serie di frazioni di acido ialuronico a basso peso molecolare utilizzando, una, tecnica di depolimerizzazione, combinata con ultrasuoni e ipoclorito di sodio, e comparando, quindi, i dati ottenuti attraverso la determinazione del peso molecolare medio e della polidispersione, mediante cromatografia di esclusione dimensionale, associata a una serie di rivelatori, quali un indice di rifrazione (RI) e un laserscattering multiangolo (MALLS).
Per poter raggiungere questo obiettivo si sono confrontati metodi alternativi, di cui il 3) è risultato quello ottimale:
1) metodo ’A': depolimerizzazione attraverso l'azione, ottenuta in due fasi temporali distinte e consequenziali, di ultrasuoni ad una particolare energia e addizione di una soluzione di ipoclorito di sodio.
2) metodo 'Β': depolimerizzazione ottenuta mediante l'aggiunta di una soluzione di ipoclorito di sodio seguita dal trattamento della soluzione risultante con ultrasuoni.
3) metodo ’C: depolimerizzazione ottenuta mediante razione combinata e simultanea di una soluzione di ipoclorito di sodio e di ultrasuoni.
Per rendere le tre metodiche comparabili, si é cercato di rendere le variabili di reazione (concentrazione di . acido., ialuronico, concentrazione di ipoclorito, energia degli, ultrasuoni impiegati, etc.) le più stabili possibili. A tale proposito, partendo da soluzioni di acido ialuronicoV di PM compreso tra 100.000 e 1.500.000, e a concentrazione di 20 mg/mL, si é studiata la cinetica di degradazione del polimero per trattamento con soluzioni (al 5%) di ipoclorito in concentrazione differente, a 50°C per tempi compresi tra 1 e 48 ore Le figure 1 e 2 rappresentano rispettivamente le cinetiche ottenute lasciando reagire per 8 ore acido ialuronico con soluzioni di ipoclorito di sodio in rapporto molare, rispetto all’unità monomerica del polisaccaride, compreso tra 1.0 e 10 (ved. tabella 1) e, selezionando il valore di rapporto molare (moli-ONaCl/moli-acido ialuronico) a 5.0, é stata costruita una curva rappresentante la cinetica di degradazione in funzione del tempo (tabella 2).
Dai dati ottenuti si nota immediatamente la difficoltà di ottenere frazioni di acido ialuronico caratterizzati da pesi molecolari inferiori a 20000 e da una polidispersione non superiore al valore numerico (Mw/Mn) di 1.7. Utilizzando quantità di agente depolimerizzante e/o incrementando il tempo di reazione, non si ottengono frazioni di acido ialuronico aventi le caratteristiche di profilo molecolare ricercate (complèta' degradazione del polimero).
Per completare lo studio del metodo A, si sono usate le frazioni codificate D2 e D3-b, separate dalla miscela di reazione attraverso precipitazione con una miscela organica costituita da metanolo e acetone. Queste, dopo solubilizzazione in una soluzione 0.15 M di NaCl, sono trattate con ultrasuoni di energia compresa tra 150 e 200 W e frequenza di 20 KHz per un tempo compreso tra 15 min. e 8 hrs. La tabella 3 riporta i valori di PM e polidispersione ricavati dall'analisi cromatografica GPC.
Dai dati e dai relativi grafici (figure 3 e 4), si evidenzia l'impossibilità di produrre frazioni di PM desiderato secondo il metodo 'Α'. Aumentando i tempi di trattamento con ultrasuoni, o modificando le condizioni di depolimerizzazione chimica, non si è in grado di ottenere un prodotto finito caratterizzato da una polidispersione ≤ 1.7 e da pesi "molecolari compresi la 5.000 e 20.000.
Il metodo ’B', che prevede anch'esso il doppio trattamento in due fasi distinte di azione di ultrasuoni e reazione con ipoclorito, partendo da acido ialuronico nativo definito nel metodo Ά', non produce frazioni interessanti in termini di PM medio e di polidispersione: più esattamente si è notato che, nonostante l'azione degli ultrasuoni produca acido ialuronico di peso molecolare di ca.
35.000 e polidispersione 1.5 (4 hrs di trattamento a 4°C), la conseguente reazione chimica con ipoclorito di sodio ha un effetto devastante sulle caratteristiche strutturali del prodotto, anche agendo in condizioni estremamente blande.
Il metodo 'C, di cui questa invenzione descrive i risultati innovativi ottenuti, combina in maniera controllata l'azione degli ultrasuoni e del'ipoclorito di sodio. Per 'azione combinata' intendiamo l'uso contemporaneo di questi due fattori in un intervallo di tempo costituito da 0 a 480 minuti. La reazione di degradazione chimico-fisica avviene in soluzione di NaCl 0.15 M alla temperatura di 4°C, utilizzando ultrasuoni di .150 W_ e frequenza di 20 KHz, prodotti da una sonda ad immersione ricoperta di titanio. Inoltre, viene aggiunta una soluzione al 5% di ONaCl in concentrazione molare rispetto all'acido ialuronico nativo (PM ca.
1.000.000) compresa tra 0.5 e 2.5 (moli di ONaCl/moli di acido ialuronico).
Ai tempi stabiliti dalla cinetica dLreazione, si preleva un'aliquota di soluzione e si precipita in 5 volumi di una miscela metanoio/acetone; quindi, dopo aver seccato il- prodotto, si analizza mediante tecnica cromatografica GPC, utilizzando in serie i due rivelatori precedentemente descritti: si usano come mezzi di separazione due colonne in sere TSK (G2000 e G3000)
I dati provenienti dall'analisi sono riportati in tabella 4 (pesi molecolari) e in tabella 5 (polidispersioni). Per una migliore comprensione dei risultati sono stati inseriti i valori di PM ottenuti nella prima fase del metodo A (trattamento con soli ultrasuoni).
Dalla comparazione dei dati provenienti dalle due serie di analisi, si evidenzia la possibilità di ottenere almeno tre frazioni aventi i requisiti di profilo molecolare richiesto. Chiameremo questi tre distiniti prodotti con i codici D4 (tempo: 240 min; ONaCl 0.5), D5 (tempo: 120 min; ONaC 1.0), e D6 (tempo: 120 min, ONaCl 2.5), rispettivamente di peso molecolare 13.400, 11.500 e 7.800, e con valori di polidispersione compresi tra 1.55 e 1.7.
I valori di PM inferiore a 5.000 identificano frazioni la cui reale misura dei parametri molecolari risulta difficile poiché al di sotto dei limiti strumentali.
E' interessante notare che il metodo di degradazione combinata simultanea ’C’ produce frazioni di acido ialuronico che rimangono sempre entro limiti accettabili in termini di dispersione dei pesi molecolari. Questi risultati confermano la specificità della reazione di depolimerizzazione e anche, osservando le curve di Fig. 5 Fig. 6, un buon controllo della cinetica, confermata da tre prove ottenute mantenendo, come parametri di reazione, l'energia degli ultrasuoni, un tempo di 120 min e una concentrazione molare di ONaCl di 1 mole/mole di acido ialuronico (tabella 6).
ESEMPI DI PREPARAZIONE
Esempio 1:
Preparazione di acido ialuronico a peso molecolare compreso tra 5.000 e 10.000
2.40 gr di acido ialuronico sale sodico a PM 990000, é solubilizzato in 240 mL di soluzione 0.15 M di NaCl. Si aggiungono 7.9 mL di una soluzione al 14% di ONaCl. Mantenendo la temperatura a 4°C, si tratta la soluzione risultante per 120 min con ultrasuoni g
150 W e alla frequenza di 20 KHz.
Al termine della reazione, evidenziata da un calo della viscosità, il pH é portato a 6.5 con HC1 0.1N, e infine precipitato in 1000 mL di una miscela metanolo-acetone- 2:1. Il prodotto, separato per filtrazione, é seccato in alto vuoto a 45°C per 48 hrs.
Si ottengono 1.65 gr in forma sodica (codice HA-D9_Na) . L'analisi HPLC-GPC rivela che la frazione di acido ialuronico ottenuta ha un peso molecolare medio (Mw) di 5.850, un numero medio (Mn) di 3.640 e una polidispersione di 1.61.
L’analisi spettroscopica FT-IR, comparata con acido ialuronico nativo, non rileva anomalie nello spettro. Infine, analisi della percentuale di arido ialuronico presente; ottenuta con- il metodo del carbazolo per la determinazione dell'acido D-glucuronico, dimostra che la purezza é del 95%.
Esempio 2:
Preparazione di acido ialuronico a peso molecolare compreso tra 10.000 e 15.000
2.5 gr di acido ialuronico sale sodico a PM 740000, é solubilizzato in 250 mL di soluzione 0.15 M di NaCl. Si aggiungono 3.3 mL di una soluzione al 14% di ONaCl. Mantenendo la temperatura a 4°C, si tratta la soluzione risultante per 120 min con ultrasuoni di energia 150 W e alla frequenza di 20 KHz.
Al termine della reazione, evidenziata da un calo della viscosità, il pH é portato a 6.5 con HC1 0.1N, e infine precipitato in 1000 mL di una miscela metanolo-acetone 2:1. Il prodotto, separato per filtrazione, é seccato in alto vuoto a 45°C per 48 hrs.
Si ottengono 1.50 gr in forma sodica (codice HA-D9_Na) . L'analisi HPLC-GPC rivela che la frazione di acido ialuronico ottenuta ha un peso molecolare medio (Mw) di 11650, un numero medio (Mn) di 7.330 e una polidispersione di 1.59.
L'analisi spettroscopica FT-IR, comparata con acido ialuronico nativo, non rileva anomalie nello spettro. Infine, i'analisi della percentuale di acido ialuronico presente, ottenuta con il metodo del carbazolo per la determinazione dell'acido D-glucuronico, dimostra che la purezza é del 98%.
Esempio 3:
Preparazione di acido ialuronico a peso molecolare compreso tra 15.000 e 25.000
1.00 gr di acido ialuronico sale sodico a PM ca. 1.000.000, è solubilizzato in 100 mL di soluzione 0.15 M di NaCl. Si aggiungono 0.6 mL di una soluzione al 14% di ONaCl. Mantenendo la temperatura a 4°C, si tratta la soluzione risultante per 120 min con ultrasuoni di energia 150 W e alla frequenza di 20 KHz.
Al termine della reazione, evidenziata da un calo della viscosità, il pH é portato a 6.5 con HC1 0.1N, e infine precipitato in 500 mL di una miscela metanolo-acetone 2:1. Il prodotto, separato filtrazione, é seccato in alto vuoto a 45°C per 48 hrs.
Si ottengono 0.65 gr in forma sodica (codice HA-D8_Na). L'analisi HPLC-GPC rivela che la frazione di acido ialuronico ottenuta ha un peso molecolare medio (Mw) di 22.500, un numero medio (Mn) di 15.550 e una polidispersione di 1.45.
L'analisi spettroscopica FT-IR, comparata con acido ialuronico nativo, non rileva anomalie nello spettro.
Infine, l'analisi della percentuale di acido ialuronico presente, ottenuta con il metodo del carbazolo per la determinazione del’addo D-glucuronico, dimostra che la purezza é del 97%
Essendo l'invenzione cosi descritta, è chiaro che questi metodi possono essere modificati in vari modi. Tali modificazioni non sono da considerarsi come divergenze dello spirito e dalle prospettive dell'invenzione e tutte quelle modificazioni che apparirebbero evidenti ad un esperto nel campo sono comprese nell'ambito delle seguenti rivendicazioni:
Claims (9)
- RIVENDICAZIONI 1) Un processo di depolimerizzazione controllata di frazioni di acido ialuronico che prevede l'uso combinato della tecnica di degradazione fisica degli ultrasuoni con ipoclorito di sodio come reagente chimico depolimerizzante.
- 2) Un processo secondo la rivendicazione 1, in cui gli ultrasuoni impiegati sono ad una energia compresa tra 50 e 200 W ed una frequenza variabile tra 10 e 50 Hz.
- 3) Un processo secondo la rivendicazione 1, in cui l’ipoclorito di sodio è ad una concentrazione compresa tra 1% e 20% e in quantità molari variabili tra 0,1 e 2,5 moli /moli acido ialuronico rispetto al’acido ialuronico di partenza.
- 4) Un processo per la preparazione di frazioni di acido ialuronico di peso molecolare compreso tra 5.000 e 10.000 e polidispersione inferiore a 1.7, secondo le rivendicazioni 1-3.
- 5) Un processo per la preparazione di frazioni di acido ialuronico di peso molecolare compreso tra 10.000 e 25.000 e polidispersione inferiore a 1.7, secondo le rivendicazioni 1-3.
- 6) Un processo per la preparazione di frazioni di arido ialuronico di peso molecolare compreso tra 15.000 e 25.000 e polidispersione inferiore a 1.7, secondo le rivendicazioni 1-3.
- 7) Un processo per la preparazione di frazioni di acido ialuronico di so molecolare compreso tra 15.000 e 25.000 e polidispersione inferiore a 1.7, secondo le rivendicazioni 1-3.
- 8) Un processo per la preparazione di frazioni di acido ialuronico di cui alle rivendicazioni 2-7, partendo da acido ialuronico nativo del peso molecolare compreso tra 100.000 e 1.200.000 ottenuto da estrazione da creste di gallo.
- 9) Un processo per la preparazione di frazioni di acido ialuronico di cui alle rivendicazioni 2-7, partendo da acido ialuronico nativo del peso molecolare compreso tra 1.000.000 e 2.500.000 ottenuto da processi fermentativi .
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