Введение

Полимерные препараты природного и синтетического происхождения (гормоны, ферменты, белковые препараты крови, поливинилпирролидон, декстраны, крахмал и т.п.) широко используются в практической медицине и биотехнологии в основном в качестве лекарственных средств, плазмозаменяющих и детоксицирующих препаратов, а также в других областях науки и техники. В последние годы усилился интерес к возможности использования данной группы препаратов для борьбы с микроорганизмами, т.е. создания антибактериальных и антивирусных полимерных препаратов. Применение указанных препаратов позволяет решить проблемы патогенного воздействия микроорганизмов на организм человека и животных, обеспечения длительности действия и надежного транспорта активного начала в организме до мишени, оптимальное решение проблем, связанных с защитой окружающей среды.

Основное место среди антимикробных полимерных материалов на рынке принадлежит полипептидным антибиотикам (грамицидинам, тироцидинам, аламетицинам, полимиксинам, валиномицинам, мономицинам, эннианам), а также полимерным производным таких аминокислот как; лизин, орнитин, аргинин, являющихся потенциальными антимикробными агентами.

Как правило, большинство полимерных антимикробных препаратов представляют собой макромолекулу, несущую в себе положительный заряд, обусловленный наличием в их структуре атомов азота.

Такие полимеры, как ионены,  полиэтиленимины, полиаминоамиды, полиаминоакрилаты, соли поливинилалкилпиридиния, производные 4-пиперидола, полигексаметиленбигуанидин хорошо растворяются в воде и подавляют в водных растворах рост многих бактерий и грибов при концентрации 0.1-1%. Эффективность биоцидного воздействия определяется, как правило, величиной положительного заряда, обеспечивающего взаимодействие с клеткой. Однако, существенное влияние на активность этих полимеров оказывает природа заместителей у атома азота, величина заряда цепи, число ионогенных групп в макромолекуле( Афиногенов , Панарин 193). 

Установлено, что антимикробная активность растет с увеличением числа положительно заряженных групп в полимерной цепи. При этом для таких высокомолекулярных препаратов как соли поливинилпирролидона молекулярная масса полимера и природа противоиона существенное значение не имеет (хлориды, иодиды и бромиды имели одинаковый уровень активности).Для низкомолекулярных полимеров на основе винилпирролидона биоцидные свойства во многом определяются природой радикала у четвертичного атома азота, т.е. степенью гидрофобности полимера.

Сопоставление активности различных катионных полимеров показало, что увеличение плотности заряда макромолекулы, в частности, введение в основное звено нескольких азотсодержащих групп или бензильного радикала приводит к получению высокоактивных биоцидных препаратов. Пример указанных препаратов - поликатионы (производные политриалкилвинилбензиламмонийхлоридов и поливинил-пиридинийбромидов) - полимерные аналоги широко известных антисептиков - ацетилпиридиний хлорида и катамина АБ. Активность указанных полимеров против золотистого стафилококка и дрожжей в 3-15 раз превышает активность мономеров, что свидетельствует о большей перспективности полимерных биоцидов против наиболее опасных возбудителей по сравнению с низкомолекулярными препаратами.

Среди путей повышения антибактериальной активности следует отметить включение в молекулу звеньев, несущих ковалентно связанные антибиотики, например ,производные нафтохинонов (Афиногенов, Панарин, 1993 ). Появлению указанных препаратов на рынке препятствует сложная технология их получения.

О механизме воздействия катионных полимерных биоцидов на
клетки микроорганизмов

Бактерицидное действие производных гуанидинов определяется их способностью связываться с клеточными стенками и мембранами бактерий, проникать в ядро клеток и ингибировать клеточные ферменты.(Воробьева и сооавт..,1988)

Последовательность процессов, приводящих к гибели клетки, включает в себя:
1. адсорбцию молекулы биоцида на поверхности клетки,
2. диффузию сорбированной молекулы через клеточную стенку,
3. связывание диффундировавшей молекулы с цитоплазматической мембраной,
4. дестабилизацию или деструкцию цитоплазматической мембраны,
5. выделение из клеток компонентов цитоплазмы,
6. гибель клеток.

Способность связываться с мембранами в основном определяется наличием в макромолекуле положительно заряженных групп, в частности, четвертичных аммонийных групп и наличием на поверхности клетки отрицательного заряда, обусловленного фосфатными группами липидов, а также сиаловых и тейхоевой кислот. Механизм взаимодействия биоцидного полимера с мембранами микроорганизмов представляется следующим.

По проведенным расчетам каждая микробная клетка взаимодействует с 0.00000006 мкг полимера, причем его строение существенное влияние на количество связываемого вещества не оказывает. При контакте с клеткой вначале происходит электростатическое взаимодействие отрицательно заряженных групп на клеточной мембране с молекулой полимера, что ведет к переориентации молекулы и введению ее заряженных фрагментов в липидный монослой мембраны. Макромолекула кооперативно связывается с большим числом молекул фосфолипидов мембраны, вызывая нейтрализацию отрицательного заряда их полярности.. Образующийся комплекс стабилизируется сильным гидрофобным взаимодействием алкильных цепей жирных кислот фосфолипидов, что ведет к изменению стабилизирующих мембрану электростатического и гидрофобного взаимодействия, ослаблению липид-липидного взаимодействий. Еще одним следствием сорбции является нарушение барьерных и транспортных функций мембраны.

Дальнейшее проникновение гидрофобного фрагмента в неполярную часть клеточной мембраны приводит к ее расширению и к нарушению вандерваальсовского взаимодействия между липидными молекулами. В результате меняются сначала проницаемость, а затем и целостность мембраны, которая фрагментируется и разрушается.

Эффективность воздействия биоцида во многом определяется природой микроорганизма. Так , против стафилококков эффект определяется наличием в полимере четвертичных аммониевых оснований, препарат против туберкулеза более эффективен при наличии в нем ненасыщенных связей. В этих условиях наличие в полимере гуанидиновой группы, сочетающей как аминогруппу,так и двойную связь, делает полимерные препараты такого типа перспективными для борьбы с широким кругом микроорганизмов.

Препараты на основе гуанидина и основные области их применения

Среди антимикробных препаратов особый интерес в связи с широким спектром действия представляют полимерные производные гуанидинов . Гуанидин, имеющий общую формулу (Н2 N) 2 С =NН, и его производные- одни из наиболее перспективных биоцидных препаратов. Гуанидин -структурный фрагмент нуклеиновых кислот, входит в состав гуано.

Нитрогуанидин, нитрат и перхлорат гуанидина используются при создании взрывчатых веществ в ракетном топливе, карбонат гуанидина применяется в качестве добавки к смазочным маслам, буровым растворам и поверхностно-активным веществам для повышения их эффективности. Фосфат гуанидина включается в огнезащитные пропитки текстильных материалов, хромат - в качестве ингибитора коррозии, стеарат и олеат - как эмульгаторы масляно-водяных дисперсий, силикат в качестве связующего тугоплавкой керамики. Продукты поликонденсации гуанидина с формалином или гексаметилендиамином - как ионообменные смолы.

Одна из характерных особенностей производных гуанидина - бактерицидная и фунгицидная активность их водных и спиртовых растворов . Децилгуанидин (додин) и дека- и додекаметиленгуанидины (синтелины) являются антисептическими средствами, используемыми, в частности, при хранении архивных материалов. Свойства гуанидина, указанные выше, сохраняются и при включении его в состав полимеров и полимерных композиций.

С целью определения тенденций использования гуанидинов на мировом рынке был проведен анализ 265 патентов, с 1977 года по 1995 год. Анализ ежегодной динамики патентования показал, что в 1977-79 годах были поданы 15 патентов, в последующие годы число ежегодно подаваемых патентов возрастает в первой половине 80-х годов до 11-13 в год, а конце 80-х годов и в 90-е годы до 16-18 в год. Большая часть патентов - международные (РСТ) или европейские. .Анализ динамики патентования- свидетельство достаточно интенсивных исследовательских работ в области применения гуанидина и перспективности его препаратов.

Из 265 патентов 54 патента получены в Японии, 42- в США, 27-в Германии, 16 -в СССР, до 5 патентов - во Франции, Италии, Голландии, Великобритании и Венгрии. Наибольшее число патентов подано японскими фирмами в 80-81 годах, немецкими - в 85-88 годах, американскими -в 90-92 годах.
Анализ рынка патентов показал, что патенты поданы более, чем 100 компаниями различных стран, причем практически ни одна из них не имеет более 3-4 патентов, что является косвенным признаком отсутствия принципиально новых результатов в рассматриваемой области. Фирмы решают частные проблемы, связанные с выпуском на рынок небольших партий продукции.

Среди организаций, проявляющих достаточно высокую активность в области научных исследований гуанидина и его производных, заслуживают упоминания в США - American Cyanamid Co, GAF Chemical Inc., General Electric, American Home Products, Syntex, Cambr. Neurosci. Inc., Jacobus Farm Co, Olin Corp., а также университет штата Орегон, государственные научные центры; в Японии - Nippon K.K.K., Nippon Chemical,Torii, Nippon Carb.,Sumitomo, Otsuka Pharm.,Tisso , Asahi , Takara, Banui Pharm., Taiyo Yakuhin, Canon, Tanaba, Mitsui Petrol., Sauwa Chemical, Taceda Chemical,Toray, Ajinomoto, Ono, Z.H. Biseibutsu; в Германии - BASF, Bauer, Akzo, SKW Trostberg, Ivoclar AG, Degussa AG, Schering, PF Constiqit.; в Великобритании -Wellcome Foundation, Boots; в Голландии - Shell Int.;
в Италии - ItalFarm SpA, Himont Inc.; во Франции - SCRAS, Rhone-Poulenc; в Венгрии - Biogal; в Швеции - Astra; в Испании - CSIC; в Швейцарии - Ciba Geigy AG (Novartis).

Анализ перечня фирм свидетельствует о необычайно высокой доле крупных химических и фармацевтических корпораций, что подтверждает перспективность препаратов гуанидина при одновременном отсутствии монополии какой-либо фирмы на рынке. Последнее говорит об ограниченности проводимых работ, ненасыщенности рынка, возможности рассматривать указанные фирмы в качестве потенциальных лицензиатов.

Исследование тематики патентов показало, что около 70% из них касаются новых препаратов на их основе и около 30% - посвящены совершенствованию технологии. Свыше 60% патентов посвящены разработке новых лекарственных препаратов, 26% - препаратам антимикробного действия, 10% - использованию в области химической технологии, остальное - косметике, ракетному топливу, пищевой промышленности.В области медицины патентуются различные препараты противовоспалительного, противоопухолевого, сердечно-сосудистого, антишокового, иммуностимулирующего, анальгетического, нейрозащитного действия. Основная часть патентов принадлежит фирмам США (42%), Японии (40%), Германии (15%).

Препараты на основе гуанидина как эффективные эмульгаторы и антимикробные добавки рекомендуются для косметических целей , взрывчатых веществ (нитрозо-амино-гуанидины), как инициаторы радикальных процессов- для использования в ракетной технике и производстве; как проявители и тонеры- для применения в электрофотоаппаратах ,производства термопластичных полимеров и смол, и выделения тяжелых металлов, как подсластители в пищевой промышленности

Биоцидные препараты на основе полимерных производных гуанидина

Все биоцидные препараты - производные гуанидина можно подразделить по применению - на вируцидные, бактерицидные, фунгицидные, и антигельминты . Наибольшее значение среди биоцидных препаратов имеют хлоргексидин (ХГД),полигексаметиленбигуанидин (ПГМБГ) и полигексаметиленгуанидин (ПГМГ).

Хлоргексидин (1,1-гексаметилен-бис-парахлорфенил-бис-гуанидин), выпускается как антисептическое средство фирмами "POLFA" (Польша) и "GIFRER-BARBEZAT" (Франция). В качестве активного компонента хлоргексидин входит в состав препарата "Citial" (наряду с гексамидином и хлоркреазолом), выпускаемого французской фирмой "PIERRE-FABRE MED." и в состав препарата "Plivasept", выпускаемого хорватской фирмой "PLIVA", в виде эмульсий, содержащих 10 мг/г хлоргексидина или в виде раствора, содержащего 50 мг/мл хлоргексидина в 80% спиртовом растворе.

Получению и применению производных хлоргексидина и композициям на его основе посвящены 7 патентов [(патент WO 95/12395-фирма " Calgon Vestal Lab" (США);патент EP 306455- фирма "Warner Lambert Co"(США); патент WO 93/9770- фирма "Pierre Fabre"(Франция);патент EP 200607- фирма P.F. Cosmetique"(Франция) и другие]Фирма "Ivoclar AG" (Германия) предложила применять хлоргексидин с HF в составе зубных паст (патенты DE 415397, EP 539811, US 5393516)
Фенил производные и циан производные хлоргексидина рассматривались как потенциальные высокоактивные фунгициды. Фирма "Bayer" (Германия.) разработала на основе композиции производных фенил-гуанидин-имидозола и тетрагидропиримидина (патент ЕР 279343) антигельминтное средство. Фирма "BASF" (Германия) (патенты DE.2812945,3922232), фирма " American Cyanamid Co"(США) (патенты EP 406699, EP534501, US 5449809), фирма "Coro Jokko K.K."(Япония.) (патенты Jap. 61-25706, 61-027), фирма "Hakko Chemical" (Индия). (патенты US 5116838) разработали новые биоциды . Однако, их промышленные перспективы весьма невелики в связи с высокими экологическими требованиями и трудностями утилизации фенольных и цианидсодержащих отходов.

Биоцидные свойства хлоргексидина могут быть усилены введением в композицию соединений иода (патент ЕР 473320) или евгенола (патентWP 93/9770). Перспективная группа биоцидных препаратов на основе гуанидина -полигексаметиленбигуанидин и его производные - полгексаметиленбигуанидинхлорид), синтезированный в 1982 году (. Афиногенов ,. Панарин, 1993.). Особенность препарата - наличие нескольких гуанидиновых групп, которые должны способствовать повышению биоцидной активности.

Основная часть работ по синтезу многих биоцидных препаратов на основе хлоргексидина выполнялась японскими фирмами. Фирма " Оtsuka Pharm". (патенты EP 507317, US 5376686) предложила двенадцать хлорфенил производных бигуанидина, наиболее эффективный из которых - 3,4-дихлорбензил-N-2,3,4-трихлор-фенил-бигуанидин.

Фирмы " Mitsubishi Material Corp." и "Yoshida Pharmaceutical" (патенты EP 643044, US 5478864 ) предложили для дезинфекции препарат N-бис(трифторметилфенил- N-бигуанидин).Фирма " Toray K.K." (патенты Jap. 60-78953, 60-81161) предложила для борьбы с заболеваниями сельскохозяйственных растений, вызываемых Аlternaria и Venturia, препараты бигуанидин-аминоундекан и бигуанидин-ундекансульфат. Среди иных фирм, следует отметить фирму " BASF"(Германия) (патенты EP 534501, DE 3812945, 4028473) фирму "Pamakanu Ajia"(Япония) (патент Jap.3-859), фирму "Henkel KGaT" (Германия)(патент DE.3743374), фирма "ICI" ( США)(патент US 4602042), фирма "Shell Int."(Англия) (патент EP 414299), фирма "GAF Chemical" (патенты EP 471688, US 4952704), фирма " Jacobus Pharm". (патент РСТ 93/16037). Отдельного упоминания заслуживает полигексаметиленбигуанидин-хлоргидрат. синтезированный фирма "Evans Vadodine Int."(Англия) (патент GB. 2182245) и предложенный в качестве дезинфицирующего начала для лечения мастита коров.

Биоцидные препараты на основе поигексаметиленгуанидигидрохлорида

Полигексаметиленгуанидин гидрохлорид (ПГМГ-Х) получен в 30-е годы в Германии фирмой "Schering-Kahlbaum AG" (патент DE. 494918) из цианидных производных гуанидина. Технология синтеза позднее усовершенствована сотрудниками американской фирмы "Du Pont"(США) (патент US 2325586), рассматривавшей препараты такого типа как компоненты полимерных материалов и предложившей получать их конденсацией гексаметилендиамина (ГМДА) с гексаметилендицианамидом.

В СССР в 70-е годы разработана более эффективная технология на основе конденсации ГМДА с гуанидином ( Гембицкий и соавтор.,1974), что позволило разработать промышленную технологию получения ПГМГ-Х для нефтегазовой и электрохимической промышленности [ПГМГ-Х нашел применение в гальванотехнике при цинковании и кадминировании, как стабилизаторы буровых растворов, а также как смазочно-охлаждающая жидкость при обработке стекла (Авторское свидетельство .СССР №247463 )].

В 1968 году установлена возможность применения ПГМГ-Х в качестве бактерицидного средства при концентрации 0.25-1% против E. Coli и Staphylococcus aureus 15-60 мин. воздействия (Авторское. свидетельство.СССР №247463, 1968). ПГМГ-Х оказался в 2 раза активнее хлорамина и в 5 раз эффективнее фенола. Далее была установлена перспективность использования ПГМГ-Х в концентрации 0.2-0.9 мг/л для обеззараживания сточных вод( Авторские свидетельства .СССР №1773876, №1819864) и при концентрации 1-7% водного раствора для защиты пиломатериалов от воздействия дереворазрушающих грибов и плесени. (Авторское свидетельство. СССР № 1698061).
Последующие исследования показали, что данный продукт имеет ряд недостатков - является коррозионно активным и имеет ограниченное биоцидное действие . Дальнейшие исследования были направлены на создание эффективных и безопасных производных ПГМГ ,и композиций с ними. Полученный ПГМГ- глюконат, в 3-5 раз менее токсичен ПГМГ-Х , не корродирует металл и обладает большей антисептической активностью по отношению к микроорганизмам (Авторское свидетельство. СССР №1687261).

ПГМГ-фосфат может быть использован в медицине в качестве противоопухолевого средства (Авторское свидетельство СССР 944290).

Препарат полученный сополимеризацией ПГМГ-хлорида, ПГМГ-фосфата и эпихлоргидрина (Авторское. Свидетельство .СССР №1728256) создан для обеззараживания сточных вод как биоцидный флокулянт, который не только удаляет нефтяные загрязнения, но и обладает биоцидным действием в отношении зеленых водорослей.

В рамках создания новых композиций был синтезирован расплав, содержащий ПГМГ-хлорид, гексаметилендиамин и гуанидингидрохлорид (Авторское свидетельство СССР №1616898), бактерицидная активность которого по отношению к зеленым водорослям по сравнению с ПГМГ- хлоридом возрастала в несколько раз при одновременном снижении токсичности в 3 раза.
В настоящее время в Российской Федерации осуществляется производство
Препарата " ПОЛИСЕПТ" в виде кристаллического материала 95,5%ПГМГ-хлорида для дезинфекции в ветеринарной практике, в гальванотехнике как заменитель цианистых соединений, при нефтедобыче как стабилизатор глинистых буровых растворов.

Препарата “Полисепт”, представляющего собой 25% водный раствор ПГМГ-хлорида, разрешенного в РФ в качестве дезинфекционного средства против возбудителей инфекционных заболеваний (кроме туберкулеза) в лечебно-профилактических учреждениях. Препарата Фогуцид -20% В качестве дезинфекционного средства против бактериальных инфекций (кроме туберкулеза), а также в качестве биоцидного флокулянта для очистки питьевой воды и ингибитора коррозии
И других препаратов имеющие различные товарные знаки но имеющие в своей основе производные полигексаметиленгуанидигидрохлорида.

Светлов Дмитрий Анатольевич,

"Жизнь и безопасность" №3-4, 2005 г.