სტუმრები

დღეს ჩვენი სტუმარია სამედიცინო პოლიმერებისა და ბიომასალების კვლევითი ცენტრის დამაარსებელი და ხელმძღვანელი, პროფესორი რამაზ ქაცარავა

მცირე ინფორმაცია ბიოგრაფიიდან:

ქიმიის მეცნიერებათა დოქტორი, სრული პროფესორი, ტექნიკური უნივერსიტეტის სამედიცინო პოლიმერებისა და ბიომასალების კვლევითი ცენტრის დამაარსებელი და ხელმძღვანელი, 300-ზე მეტი სამეცნიერო შრომის (მათ შორის დიდი ნაწილი წამყვან უცხოურ ჟურნალებში იბეჭდება) და 45 პატენტის (30 გაცემულია ყოფილ საბჭოთა კავშირში, 9 - საქართველოში, 5 - აშშ-ში და 1 ავსტრალიაში) ავტორია, შეტანილია კიდევ 20 საპატენტო განაცხადი (2 საქართველოში,19 აშშ-შ). მას და მის ასპირანტებს/დოქტორანტებს მიღებული აქვთ 41 ადგილობრივი თუ საერთაშორისო გრანტი. ციტირების ინდექსით (620) და h-ინდექსით (14) (08.04.2011-თვის Web of Science® -ის მიხედვით) ერთ-ერთი პირველია ქართველ მეცნიერთა შორის. იგი დღესაც წარმატებით აგრძელებს ნაყოფიერ სამეცნიერო-კვლევით მოღვაწეობას.

ბიოპოლიმერები - მომავლის პოლიმერები!

– თუ შეიძლება გვითხარით მაღალმოლეკულურ ნაერთთა ქიმიაში, თქვენი სახელობის რეაქციის შესახებ, რომელიც აღიარებულ იქნა ქიმიკოსთა საერთაშორისო საზოგადოების მიერ?

ეს არის მაღალმოლეკულურ ნაერთთა სინთეზის ახალი პოლიკონდენსაციური მეთოდის – “გააქტიურებული პოლიკონდენსაციის” (მასთან ერთად “სილილური პოლიკონდენსაციის”) შექმნა და განვითარება, რომლის საფუძველზეც განხორციელდა სხვადასხვა კლასის ახალი თაობის ჰეტეროჯაჭვური პოლიმერების: პოლიეთერების, პოლიამიდების, პოლიურეთანების, პოლიშარდოვანების, პოლიბენზაზოლების, პოლიეთერამიდების, მათი თანაპოლიმერების და სხვ. სინთეზი.

- რა განსხვავებაა მაღალტემპერატურულ და დაბალტემპერატურულ კონდენსაციებს შორის?

ცნობილია, რომ პოლიმერების მიღების ერთ-ერთ ძირითად მეთოდს წარმოადგენს პოლიკონდენსაცია, რომელიც თავის მხრივ დაბალტემპერატურულ და მაღალტემპერატურულ პოლიკონდენსაციად იყოფა. დაბალტემპერატურულ პოლიკონდენსაციას, განსხვავებით მაღალტემპერატურულისაგან, გაცილებით უფრო რბილ პირობებში ატარებენ (სამუშაო რეჟიმით –30-დან +100-მდე °C ინტერვალში, ორგანული გამხსნელის არეში ან ფაზათა გაყოფის ზედაპირზე) და მისი განხორციელებისათვის (მაგ.: პოლიეთერებისა და პოლიამიდების სინთეზის დროს) იყენებენ ისეთ მონომერებს, როგორიცაა დიქლორანჰიდრიდები, ციკლური ანჰიდრიდები, დიიზოციანატები და სხვ. აღნიშნულ მეთოდებს, დადებით მხარეებთან ერთად, ახასიათებს მთელი რიგი ნაკლოვანებებისა, რომელთაგან უმთავრესია: მრავალრიცხოვანი თანამდე რეაქციები (რაც აფერხებს ჯაჭვის ზრდას და იწვევს “სხვადასხვარგოლიანობას”), მონომერებისა და შესაბამისად პოლიმერების სინთეზის შეზღუდული შესაძლებლობანი.

- რაში მდგომარეობს ამ მეთოდის უპირატესობა?

მეთოდის უპირატესობა მის „სირბილეშია“, არ მოითხოვს რეაქციის ხისტ პირობებს, ძვირადღირებულ კატალიზატორებსა თუ რეაგენტებს, ახასიათებს გაცილებით ფართო სინთეზური შესაძლებლობები. აღნიშნული მეთოდიებს გამოყენებით საფუძველზე ჩვენ შევძელით ახალი თაობის ბიოანალოგიური მაკრომოლეკულური სისტემების შექმნა ბუნებრივი ამინომჟავების საფუძველზე. მეთოდი შემდგომში გამოიყენა არაერთმა მკვლევარმა ანალოგიური პოლლიმერების მისაღებად,სხვა სინთეზური მიზნებისთვისაც.

– თუ შეიძლება გვიამბეთ ბიოდეგრადირებად პოლიმერებზე და მათ როლზე სამედიცინო პრაქტიკაში?

დღეს ბიოსამედიცინო პოლიმერების სინთეზი მარტოოდენ მაკრომოლეკულურ ნაერთთა ქიმიის კი არა, ალბათ გადაჭარბებული არ იქნება თუ ვიტყვით, ზოგადად ქიმიის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი და ამასთან, პერსპექტიული მიმართულებაა. ბიოდეგრადირებადი პოლიმერებისათვის, დანიშნულებაა ცოცხალ ორგანიზმებში დროებითი ფუნქციის შესრულება, რის შემდეგაც ასეთი პოლიმერები უნდა დაიშალოს და გამოიდევნოს ორგანიზმიდან ყოველგვარი ზიანის გარეშე. უდიდესი მნიშვნელობა აქვს მათი მაკრომოლეკულის შემადგენელი ფრაგმენტების არატოქსიკურობასა და უვნებლობას. აქედან გამომდინარე, მეცნიერები ცდილობენ ბიოდეგრადირებული პოლიმერების ჯაჭვის ასაგებად გამოიყენონ ბუნებრივი, ფიზიოლოგიური მონომერები. დღეს, ასეთ AB ტიპის პოლიმერებს შორის ყველაზე პოპულარულია პოლიეთერები α-ოქსიმჟავების საფუძველზე, მაგრამ მათი სინთეზი ტოქსიკური კალაორგანული კატალიზატორების თანაობისას მიმდინარეობს და პოლიმერების სრულფასოვანი გაწმენდა თითქმის შეუძლებელია. გარდა ამინისა, პოლი α-ეთერები შედარებით არამდგრადია და მათი შენახვაც რთულია. სპეციალისტები დიდ იმედებს ამყარებდნენ აღნიშნულ პროდუქტებთან ახლოს მდგომ ბიოანალოგიურ პოლიმერებზე - პოლი-α-ამინომჟავებზე (როგორც ცილების უახლოეს სინთეზურ ანალოგებზე), მაგრამ მათ ვერ ჰპოვეს ფართო გავრცელება ბიოდეგრადირებადი მასალების სახით, უმთავრესად გადამუშავების სირთულისა, ბიოდეგრადაციის დაბალი სიჩქარის და იმუნოგენურობის (ცილების მსგავსად) გამო.

მეცნიერები შეეცადნენ პოლი-α-ოქსიმჟავებისა და პოლი-α-ამინომჟავების დადებითი თვისებების შერწყმას მათ რეგულარულ თანაპოლიმერებში (პოლიდეფსიპეპტიდებში), მაგრამ მოლოდინმა არც აქ გაამართლა მათი სინთეზის სირთულის და სიძვირის გამო.

ყოველივე ზემოაღნიშნულის გათვალისწინებით, გასული საუკუნის 90-იანი წლებიდან მიზნად დავისახეთ პოლიამინომჟავებისაგან განსხვავებული სივრცითი ორგანიზაციის მქონე ისეთი ჰეტეროჯაჭვური პოლიმერების სინთეზი, რომელთა ჯაჭვში პეპტიდურ ბმებთან ერთად წარმოდგენილი იქნებოდა სხვადასხვა ტიპის ბმებიც, ხოლო მაკრომოლეკულები ჯაჭვებში ჩართულ ამინომჟავებს ექნებოდათ ბუნებრივისგან (როგორიც მათ აქვთ ცილებში) განსხვავებული, არკანონოკური ორიენტაცია. მიზნის მისაღწევად - ბიოანალოგიური პოლიმერების ჯაჭვების ასაგებად გამოვიყენეთ ბუნებრივი ამინომჟავები (მათ შორის შეუცვლელი ამინომჟავებიც) და ალიფატური ბიფუნქციური ნაერთები – დიოლები და დიკარბონმჟავები, რომელთა უვნებელი მეტაბოლიზმი ცოცხალ ორგანიზმში კარგად არის ცნობილი. პოლიმერების სინთეზის მეთოდად კი საკუთარი, ახალი პოლიკონდენსაციური მეთოდი – “გააქტიურებული პოლიკონდენსაცია” გამოვიყენეთ და შევძელით სხვადასხვა კლასის ბიოდეგრადირებადი პოლიმერების სინთეზი, რომლებიც თვისებათა უნიკალური კომპლექსით გამოირჩევა.

თანამშრომლებთან ერთად, პირველად, რბილ პირობებში განვახორციელეთ მაღალმოლეკულური არააკანონიკური აღნაგობის ახალი ჰეტეროჯაჭვური პოლიმერების სინთეზი, რომლის დროსაც ბისნუკლეოფილური და ბისელექტროფილური მონომერების სახით გამოვიყენეთ პოლიფუნქციური α-დიამინოკარბონმჟავები, α-ამინოდიკარბონმჟავები, დიმერიზებული ამინომჟავები და მათი წარმოებულები. გამოკვლევებმა აჩვენა გააქტიურებული პოლიკონდენსაციის მეთოდის უპირატესობა პოლიკონდენსაციის სხვა მეთოდებთან შედარებით პოლიესტერამიდების, პოლიესტერურეთანების და პოლიესტერშარდოვანების მისაღებად. პირველად განვახორციელეთ მაკრომოლეკულის ძირითად ჯაჭვში დიპეპტიდური და ტრიპეპტიდური ფრაგმენტების შემცველი პოლიმერების სინთეზი პოლიკონდენსაცის ისეთი სქემით, როდესაც ჯაჭვის ზრდის პროცესი იმავდროულად პეპტიდური ფრაგმენტების ჩამოყალიბების პროცესსაც წარმოადგენს. ამინომჟავების საფუძველზე მივიღეთ წყალში ხსნადი ფუნქციური პოლიამინოამიდები და პოლიამიდომჟავები, რომელთაც შემდგომი პოლიმერანალოგიური გარდაქმნის უნარი შესწევთ.

ჩვენ თანამშრომლებთან ერთად საერთაშორისო სტანდარტების სქემით გამოვიკვლიეთ სინთეზირებული ჰეტეროჯაჭვური პოლიმერების ფიზიკურ-ქიმიური და ბიოქიმიური თვისებები. დავადგინეთ მათი ხსნადობა, მოლეკულურ-მასური მახასიათებლები, პოლიდისპერსიულობა, თერმული, მექანიკური, ჰიდროდინამიკური და ოპტიკური თვისებები, ფაზური მდგომარეობა, ფირებისა და ბოჭკოს წარმოქმნის უნარი, ფოროვანი ფირების მიღების შესაძლებლობა. შეისწავლეთ პოლიმერების ბიოქიმიური თვისებები: ტოქსიკურობა, ცოცხალ ქსოვილთან ბიოშეთავსების უნარი, ბიოდეგრადაცია ინ ვიტრო და ინ ვივო ცდებში, რის საფუძველზეც დადგინდა, რომ ახალი, არაკანონიკური აღნაგობის ჰეტეროჯაჭვური პოლიმერები ამინომჟავების საფუძველზე არატოქსიკური და არაიმუნოგენური ნაერთებია, გამოირჩევიან საუკეთესო ბიოშეთავსებადობით, ბიოდეგრადაციის სიჩქარის ფართო ზღვრებში ვარირების შესაძლებლობით. და რაც მნიშვნელოვანია, ამ პოლიმერებს გააჩნიათ ცილების ანალოგიური მკვებავი (ამინომჟავებით უჯრედების მომარაგების) უნარი.

პოლიმერული სუბსტრატების ფერმენტული ჰიდროლიზის შესწავლით (α-ქიმოტრიფსინის, ტრიფსინის, ლიპაზის და პაპაინის საფუძველზე) დავადგინეთ , რომ აღნიშნული ნაერთები არ იწვევს ფერმენტების ინაქტივაციას და სპეციფიკური ჰიდროლიზის უნარიც შესწევს. ამასთან აღმოაჩნდა, რომ ბიოდეგრადაციის მაღალი უნარის მქონე პოლიმერებიდან განსაკუთრებით საინტერესო სამედიცინო მასალას წარმოადგენს პოლიესტერამიდები, რომელთა ბიოდეგრადაციის სიჩქარის და ფიზიკურ-ქიმიური თვისებების ცვლა შესაძლებელია ფართო ზღვრებში ამინომჟავების, დიოლებისა და დიკარბონმჟავების სტრუქტურის ვარირებით.

როგორც აღვნიშნეთ, სინთეზირებულ ბიოანალოგიურ მაკრომოლეკულურ სისტემებს ცოცხალ ქსოვილთან მაღალი ბიოშეთავსების უნარი აღმოაჩნდა.

დადგენილია, ასევე სინთეზირებული პოლიმერების ზედაპირზე ჰიდროლაზების კლასის ფერმენტების არა მარტო სპონტანური იმობილიზაციის, არამედ პოლიმერულ მასაში იმპრეგნაციის შესაძლებლობაც ფერმენტების აქტივობის შენარჩუნებით. აღმოჩნდა, რომ როგორც ზედაპირზე ადსორბირებული, ისე პოლიმერში იმპრეგნირებული ფერმენტები იწვევს პოლიეთერამიდების დეგრადაციას მუდმივი სიჩქარით, რისი რეგულირებაც შესაძლებელია ფერმენტების რაოდენობის ცვლილებით. რაც შეეხება ფუნქციურ პოლიმერებზე პროტეაზების კლასის ფერმენტების კოვალენტურად იმობილიზებულ ფორმებს, მათ ახასიათებთ ცილის შეკავშირების მაღალი ხარისხი და მდგრადობა თერმოინაქტივაციისა და ავტოლიზის მიმართ.

ჩვენს მიერ სინთეზირებულმა ბიოდეგრადირებადმა მაკრომოლეკულურმა სისტემებმა ბუნებრივი ამინომჟავების საფუძველზე სამედიცინო პრაქტიკაში დანერგვის მიზნით წარმატებით გაიარეს გამოცდა რამდენიმე სამეცნიერო და სამკურნალო ცენტრში როგორც ქვეყნის შიგნით, ისე მის ფარგლებს გარეთაც. ჩატარებულმა ექსპერიმენტულმა და კლინიკურმა გამოცდებმა აჩვენეს, რომ აღნიშნული ჰეტეროჯაჭვური პოლიმერები პერსპექტიული სამედიცინო მასალებია სტენტების დასაფარავად რესტენოზისაგან სისხლძარღვთა დასაცავად, ასევე იმპლანტების, ხელოვნური კანის, სისხლძარღვთა პროთეზების, პროლონგირებული სამკურნალო პრეპარატების, განწოვადი ქირურგიული მასალების, წამლების კონტროლირებადი გამოყოფის უნარის მქონე სისტემებისა და სხვ.

რაც შეეხება ბიოდეგრადირებადი პოლიმერების საფუძველზე შექმნილ ხელოვნურ კანს – პრეპარატ “ფაგობიოდერმას”, რომელიც ჭრილობების შეხორცების უჩვეულოდ მაღალი უნარით გამოირჩევა, უკვე რეგისტრირებულია საქართველოს ჯანმრთელობის სამინისტროს მიერ და რეკომენდებულია პრაქტიკული გამოყენებისათვის. ასეთი პოლიმერების გამოყენების პერსპექტივა ბიოსამედიცინო პრაქტიკაში (თუ მათ კომერციულ პოტენციალსაც გავითალისწინებთ), როგორც ჩანს, ამოუწურავია.

რედაქციისაგან:

აღნიშნული გამოკვლევები დიდ ინტერესს იწვევს უცხოელ კოლეგებში. დღეს ამ მიმართულებით აშშ, იაპონიისა და ევროპის წამყვანი უნივერსიტეტები და ფირმები ინეტნსიურად თანამშრომლობენ ქართველ მეცნიერთან. რამდენიმე პოლიმერი კი – წარმატებით გადის წინაკლინიკურ გამოცდას აშშ-სა და ჰოლანდიაში. ეს ბუნებრივიცაა, რადგანაც პროფ. ქაცარავამ ძვირფასი რეაგენტებისა და ტოქსიკური კატალიზატორების გამოყენების გარეშე, იაფი და ხელმისაწვდომი მონომერების საფუძველზე, მაღალი გამოსავლით, რბილ პირობებში “გააქტიურებული პოლიკონდენსაციით” (ანუ “ქაცარავას მეთოდით”) პირველად განახორციელა დაბალი იმუნოგენურობის მქონე ბიოდეგრადირებადი, არაკანონიკური აღნაგობის ჰეტეროჯაჭვური პოლიმერების სინთეზი. ქართველმა მეცნიერმა აჩვენა, რომ მათი თერმული, ფიზიკურ-ქიმიური, მექანიკური, ბიოქიმიური და სხვა თვისებების რეგულირება შესაძლებელია ფართო ზღვრებში, რაც ასე მნიშვნელოვანია წინასწარ დასახული თვისებების მქონე, ბიოსამედიცინო დანიშნულების მასალების მისაღებად.

ესაუბრა არმინე ავაქიანი, მაგდა ხარაძე

გამოქვეყნებულია 19-12-2012