От пенька до порошка

Иркутские учёные разрабатывают полезные препараты из отходов переработки лиственницы. О том, как всё начиналось, с какими проблемами пришлось столкнуться и во что всё это вылилось в наши дни, рассказывают непосредственные участники этого процесса.

Наталья Трофимова, заместитель директора по научной работе Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского СО РАН, кандидат химических наук.

— Наталья Николаевна, как я поняла, главный предмет вашего интереса –дигидрокверцетин. Что это такое?

— Это флавоноид природного происхождения. Промышленный источник его получения – древесина лиственницы сибирской и лиственницы даурской. Эти виды лиственницы доминируют в лесах на территории нашей страны. Впервые дигидрокверцетин был выделен в 1947 году из древесины, а затем и из коры дугласовой пихты. Его первое англоязычное упоминание в литературе пошло под названием таксифолин.

— Созвучие со словом «токсин» – это случайность?

— Да, это случайность. Таксифолин – это тривиальное название дигидрокверцетина. Все химические вещества имеют свои названия по номенклатуре ИЮПАК. А в химии природных соединений часто используются тривиальные названия. Многие соединения называются по источнику их получения и зачастую это производные от латинских названий ботанических видов. Латинское название дугласовой пихты – Pseudotsuga taxifolia, отсюда и название таксифолин.

— Вы сказали, что дигидрокверцетин производится из двух видов лиственницы. Почему именно это дерево?

— Этот флавоноид нередко встречается в растительном мире. Известны не только представители древесных и кустарниковых пород, но и многие травянистые растения, в которых показано присутствие дигидрокверцетина: лук горец, крушина, расторопша и другие. Однако в травянистых источниках его содержание очень невелико, поэтому процесс выделения дигидрокверцетина может быть трудоёмким и дорогостоящим. А в древесине лиственницы, во-первых, высокое содержание дигидрокверцетина – до 4,5 % от веса абсолютно сухого сырья, а во-вторых, древесина – это многотоннажный возобновляемый ресурс, его запасы практически не ограничены.

— Но почему используются именно эти два вида лиственниц?

— Содержание в древесине лиственницы определённого комплекса флавоноидов: дигидрокверцетина, дигидрокемпферола, нарингенина, эриодиктиола и пиноцембрина, – биогенетически обусловленное обстоятельство. Но количественное содержание и соотношение флавоноидов у разных видов неодинаково. В древесине лиственницы европейской суммарный выход дигидрокверцетина и дигидрокемпферола составляет 0,7 %, при этом содержание дигидрокверцетина в 4 раза меньше, чем дигидрокемпферола.

В этом же виде лиственницы, произрастающей в Новой Зеландии, соотношение этих двух флавоноидов почти одинаковое (0,52 и 0,61%). А в лиственницах сибирской и Гмелина именно дигидрокверцетин стал превалирующим, в составе флавоноидной фракции его содержится порядка 90%. Это дало основание для разработки достаточно удобной промышленной технологии получения вещества именно из этих двух видов лиственниц.

— Но вы сказали, что открыт он был в коре пихты?

— Да, в древесине и в коре дугласовой пихты, произрастающей в Северной Америке. Это говорит о том, что содержание дигидрокверцетина присуще различным семействам хвойных пород деревьев.

— Систематические исследования этого вещества проводились именно в вашем институте?

— В конце 1970-х годов в Иркутском институте химии существовала лаборатория, которая систематически изучала представителей хвойных пород на территории нашего региона. Первые работы были сделаны под руководством Нонны Арсентьевны Тюкавкиной. А в 80–90-е годы были разработаны основы комплексной технологии безотходной переработки биомассы лиственницы, которая взаимоувязывала такие ценные компоненты, как дигидрокверцетин и арабиногалактан.

Арабиногалактан – это водорастворимый полисахарид с уникальным комплексом физико-химических и биологических свойств. Разработка такой технологии позволяла совокупно получать два этих препарата, используя всю возможную пользу от лиственницы.

— Но вернёмся к дигидрокверцетину. Чем замечательно это вещество? Чем оно может нам помочь?

— Флавоноиды обладают очень широким и разнообразным спектром биологической активности. Одно из наиболее интересных свойств – антиоксидантная и антирадикальная активность. В основе антирадикальной активности флавоноидов лежит способность к хелатообразованию с ионами металлов и высокая способность к переносу электронов, что химически объясняется присутствием гидроксильных групп в молекуле. Таким образом, химическое строение флавоноидов обусловливает их способность выступать в роли «ловушек» свободных радикалов, способствуя тем самым снижению уровня окислительного стресса в организме. Это происходит вследствие того, что в окислительно-восстановительных реакциях молекулы флавоноидов легко восстанавливают радикальные субстраты, образуя при этом флавоксильные радикалы, довольно устойчивые и менее агрессивные. Это одно из проявлений физиологической функции флавоноидов.

— А сейчас вы продолжаете работы по изучению возможностей этого вещества?

— Сейчас в нашем институте продолжаются исследования не самого дигидрокверцетина, а производных на его основе. В частности, мы работаем с комплексными соединениями на основе дигидрокверцетина, ищем пути применения этих соединений для лечения различных заболеваний. Существуют предпосылки того, что эти вещества могут быть перспективными лекарствами, например, противоопухолевыми агентами.

Известны литературные данные о том, что в некоторых случаях производные флавоноидов могут быть более эффективными антиоксидантами по сравнению с исходными флавоноидами, например, когда они попадают в организм в виде комплексных соединений с ионами некоторых биогенных металлов.

Елена Столповская и Наталья Трофимова за приготовлением раствора для анализа.

Нами был получен ряд комплексных соединений меди, цинка, кальция, кобальта, марганца и никеля с дигидрокверцетином, и некоторые из этих соединений, действительно, в ряде экспериментов проявляли более выраженные по сравнению с дигидрокверцетином антиоксидантные свойства.

Кроме того, для цинкового комплекса, который был введён в состав фармацевтической композиции в эксперименте in vivo на модели термического ожога, была показана ранозаживляющая и антимикробная активность, что открывает перспективы для использования его в комбустиологии (науке о лечении ожогов). Комплексное соединение на основе меди в исследованиях, проведенных в НИИ гриппа, в опытах in vivo показывало прямое вирулицидное действие на вирус гриппа H5N2. На модели карциномы Эрлиха изучалась противоопухолевая активность хелатного соединения марганца с дигидрокверцетином.

Но до разработки лекарства и его применения на практике молекула проходит чрезвычайно долгий, затратный и трудоёмкий путь. Поэтому, конечно, нужно продолжать эксперименты, изучать механизмы действия вещества, определять молекулярные мишени, чтобы понять, как и почему работает соединение при лечении того или иного заболевания.

— А как это работает? Почему в присутствии этих биогенных металлов происходит повышение противоопухолевой активности?

— Первое, что приходит в голову: это синергия. Вы знаете эффект синергии – это когда два плюс два получается пять. Фармакологические эффекты металлов и флавоноидов могут способствовать проявлению сочетанной противоопухолевой активности у их соединений. Но для того чтобы разобраться в механизме действия, нужны более детальные и углублённые эксперименты.

— А для лечение ковида вы его не пытались использовать?

— Пытались и пытаемся, и довольно успешно. Дигидрокверцитин испытан и применяется при лечении коронавирусной инфекции в комплексной противовирусной терапии. Это говорит о том, что фармакологический потенциал этого замечательного природного вещества далеко ещё не исчерпан. «Наш» дигидрокверцетин способен принести ещё много пользы здоровью человека.

— На чём демонстрируются эти результаты?

— Все результаты были получены на мышах и крысах, это так называемые опыты in vivo. Часть экспериментов проводится in vitro, например, это могут быть скрининговые эксперименты по выбору наиболее активной фракции или действующей дозы вещества при определении антиоксидантной или иной активности.

Алексей Левчук, и. о. директора ИНЦ СО РАН, кандидат технических наук.

— Вопрос про сырьё для получения дигидрокверцетина. Вы сказали о древесине лиственницы. То есть, для этого нужно вырубать деревья?

— Нет. Мы проводили специальные исследования по распределению дигидрокверцетина в древесине – от края к центру ствола дерева, по высоте дерева – от корня к вершине. Наибольшее содержание флавоноида показано в комлевой части – это один метр от земли. Когда рубят лиственницу, от земли остаётся пенёк сантиметров 60 высотой, который называется комлем. Именно в этой части дигидрокверцетина содержится больше всего.

— Иначе говоря, вы используете отходы лесопереработки?

— Да. Отходы лесопереработки и лесопиления. Специально рубить хорошее дерево, чтобы получить препарат, не нужно. Экономически нецелесообразно использовать верхушки или середину дерева. Это строительный лес, и содержание дигидрокверцитина там низкое.

— Каким образом добывают это вещество?

— От пенька отделяется кора, затем производится щепа определённого размера. Размер связан с тем, что процесс экстракции происходит на поверхности частиц сырья, в случае крупных частиц процесс не затрагивает внутренних слоев, соответственно, древесина не отдаст всё, что в ней есть. Если взять мелкую щепу, например, опилки, будет слишком большое гидродинамическое сопротивление, и мы не сможем извлечь в полной мере экстрагент с интересующим нас веществом – будут финансовые потери.

Для экстракции можно использовать разные виды экстрагентов: этилацетат, бензин, обычный спирт. Это всё экстракция органическим растворителем. Далее экстракт выпаривается, т. е. отгоняется растворитель, и на выходе мы будем иметь «сырец» – дигидрокверцитин с примесью родственных флавоноидов либо смолистых веществ.

После этого следует стадия очистки. Родственные примеси можно отделить методом хроматографии, но это будет дорогой препарат, в чём нет целесообразности. Есть данные, что чистый дигидрокверцетин обладает меньшей активностью по сравнению, например, с продуктом 90% чистоты. Таким образом, основная цель стадии очистки – удаление примесных смолистых веществ без необходимости разделения компонентов флавоноидной фракции. В данном виде технология очень проста, удобна, экологически безопасна и экономически целесообразна – от пенька до порошка!

Постскриптум

Директор Иркутского Института химии им. А. Е Фаворского СО РАН, доктор химических наук Андрей Иванов:

— Мне кажется, что сейчас очень трудно найти аптеку в нашей стране, где бы не продавался ДКВ. В каких только формах и видах его нет, с чем только его не смешивают… Антиоксиданты ведь не только в фармацевтике применяются. Например, когда ДКВ добавляют в растительное масло, оно дольше хранится и не становится прогорклым, а при готовке на нём образуется несколько меньше вредных компонентов.

Но есть и обратная сторона медали. Нынешняя система разрешительных документов в фарме (соответствующая самым строгим мировым стандартам) мешает ДКВ вернуться в строй как лекарству, поэтому он продаётся как БАД. Дело в том, что ДКВ – это смесь нескольких компонентов, и необходимо провести большой комплекс исследований по каждому компоненту и их комбинациям, чтобы получить документы на фармпрепарат. А платить за это некому, поскольку бизнес не сможет потом окупить такие затраты: потратился на документы он один, а воспользуются ими все.

В такой ситуации необходимо, чтобы расходы на себя взяло государство. Но препарат всё же не совсем из таких, чтобы «в первую очередь»… Поэтому учёные и создают новые лекарства на основе ДКВ – это новая химическая формула и шанс на коммерчески успешную историю.

Это общая проблема всех галеновых препаратов (тех, которые выделяют из природного сырья, а это четверть современного фармрынка). А между тем, в нашей стране накоплен великолепный опыт в этом деле. Ведь когда из растения выделяют что-то экстракцией, то это только начало пути. Дальше необходимо разделить все компоненты, установить их структуру. А это сложно. Это делается на специальных разделительных колонках.

Сейчас есть специальные машины, а в те времена, например, когда работала в нашем институте профессор Нонна Тюкавкина, разделение проводили в наполненных носителем стеклянных трубках, которые начинались на четвёртом этаже и через специально проделанные отверстия в полу уходили аж в подвал. Один сотрудник наверху подливал растворитель, другой в подвале собирал его в стаканчики. И так за месяц выделяли образцы весом несколько граммов, достаточных лишь для установления структуры. Но школа природных химиков в стране потому и мощная, что в таких условиях становления ты понимаешь всю сущность разделения. Ты учёный, а не оператор сложного прибора.