Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1083610.32607/20758251-2019-11-2-4-16ReviewsОбзорыResearch ArticleApplication of Polyhydroxyalkanoates in Medicine and the Biological Activity of Natural Poly(3-Hydroxybutyrate)Применение полиоксиалканоатов в медицине и биологическая активность природного поли-3-оксибутиратаBonartsevA. P.БонарцевА. П.
Russian Federation
ant_bonar@mail.ruBonartsevaG. A.БонарцеваГ. А.
Russian Federation
ant_bonar@mail.ruReshetovI. V.РешетовИ. В.
Russian Federation
ant_bonar@mail.ruShaitanK. V.ШайтанК. В.
Russian Federation
ant_bonar@mail.ruKirpichnikovM. P.КирпичниковМ. П.
Russian Federation
ant_bonar@mail.ruM.V. Lomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет им. М.В. ЛомоносоваA.N. Bach Institute of Biochemistry, Research Center of Biotechnology of the Russian Academy of SciencesИнститут биохимии им. А.Н. Баха, Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» РАНSechenov First Moscow State UniversityПервый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский университет)M.V. Lomonosov Moscow State UniversityПервый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский университет)15062019112VOL 11, NO2 (2019)ТОМ 11, №2 (2019)41621012020Copyright ©; 2019, Bonartsev A.P., Bonartseva G.A., Reshetov I.V., Shaitan K.V., Kirpichnikov M.P.Copyright ©; 2019, Бонарцев А.П., Бонарцева Г.А., Решетов И.В., Шайтан К.В., Кирпичников М.П.2019Bonartsev A.P., Bonartseva G.A., Reshetov I.V., Shaitan K.V., Kirpichnikov M.P.Бонарцев А.П., Бонарцева Г.А., Решетов И.В., Шайтан К.В., Кирпичников М.П.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10836

Biodegradable and biocompatible polymers, polyhydroxyalkanoates (PHAs), are actively used in medicine to produce a wide range of medical devices and dosage formulations. The medical industry mainly utilizes PHAs obtained by chemical synthesis, but interest in the medical application of natural PHAs obtained biotechnologically is also growing. Synthetic PHAs are the biomimetic analogs of bacterial poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) and other natural PHAs. This paper addresses the issue of the presence of biological activity in synthetic and natural PHAs (stimulation of cell proliferation and differentiation, tissue regeneration) and their possible association with various biological functions of PHB in bacteria and eukaryotes, including humans.

Биоразлагаемые и биосовместимые полимеры, полиоксиалканоаты, активно используются для изготовления различных медицинских изделий и лекарственных форм. В медицинской промышленности применяют полиоксиалканоаты, полученные химическим синтезом, но растет интерес и к природным полиоксиалканоатам, полученным биотехнологическим путем. Синтетические полиоксиалканоаты являются биомиметическими аналогами бактериального поли-3-оксибутирата и других природных полиоксиалканоатов. В обзоре рассмотрено наличие биологической активности у синтетических и природных полиоксиалканоатов (стимуляция пролиферации и дифференцировки клеток, регенерация тканей) и ее возможная связь с биологическими функциями поли-3-оксибутирата у бактерий и эукариот, в том числе у человека.

polyhydroxyalkanoatespoly(3-hydroxybutyrate)biosynthesisbiomimeticsbiodegradationbiocompatibilityregenerative medicineбиодеградациябиомиметикабиосинтезбиосовместимостьполиоксиалканоатыполи-3-оксибутиратрегенеративная медицинаThis work was supported by the Russian Foundation for Basic Research (projects Nos. 15-29-04856 ofi-m under section 1 and 18-29-09099 mk under sections 2 and 3).Работа получила финансовую поддержку РФФИ офи-м (проект № 15-29-04856 в рамках раздела 1) и РФФИ офи-м (проект № 18-29-09099 в рамках разделов 2 и 3).[1] Mokhtarzadeh A., Alibakhshi A., Hejazi M., Omidi Y., Dolatabadi J.E.N. // Trends Analyt. Chem. 2016, V.82, P.367-384[2] Lim J., You M., Li J., Li Z. // Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl. 2017, V.79, P.917-929[3] Bonartsev A.P., Bonartseva G.A., Shaitan K.V., Kirpichnikov M.P. // Biochemistry (Moscow) Supplement Series B: Biomedical Chemistry. 2011, V.5, №1, P.10-21[4] Farah S., Anderson D.G., Langer R. // Adv. Drug Deliv. Rev. 2016, V.107, P.367-392[5] Athanasiou K.A., Niederauer G.G., Agrawal C.M. // Biomaterials. 1996, V.17, №2, P.93-102[6] Middleton J.C., Tipton A.J. // Biomaterials. 2000, V.21, №23, P.2335-2346[7] Vert M., Doi Y., Hellwich K.H., Hess M., Hodge P., Kubisa P., Rinaudo M., Schue F. // Pure Appl. Chem. 2012, V.84, №2, P.377-410[8] Jenkins M. Biomedical polymers // Biomedical polymers. Birmingham, UK: Univ. Birmingham, 2007. 203 p. 2007[9] Park S.J., Kang K.H., Lee H., Park A.R., Yang J.E., Oh Y.H., Song B.K., Jegal J., Lee S.H., Lee S.Y. // J. Biotechnol. 2013, V.165, №2, P.93-98[10] Jung Y.K., Lee S.Y. // J. Biotechnol. 2011, V.151, №1, P.94-101[11] Bloembergen S., Holden D.A., Hamer G.K., Bluhm T.L., Marchessault R.H. // Macromolecules. 1986, V.19, №11, P.2865-2871[12] Barcham P.J., Dawes E.A. // Novel biosynthetic biodegradable polymers of industrial interest from microorganisms Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 1990, P.81-96[13] Akhtar S., Pouton C.W., Notarianni L.J. // Polymer. 1992, V.33, №1, P.117-126[14] Vincent J.F., Bogatyreva O.A., Bogatyrev N.R., Bowyer A., Pahl A.K. // J. R. Soc. Interface. 2006, V.3, №9, P.471-482[15] Kushner A.M., Guan Z. // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2011, V.50, №39, P.9026-9057[16] Nelson D.L., Cox M.M. Lehninger Principles of Biochemistry // Lehninger Principles of Biochemistry, 5th Edition. New York: W.H. Freeman and Company, 2008. P. 852-860. 2008, P.852-860[17] Sevastianov V.I., Kirpichnikov M.P. // Biocompatiblematerials: Teaching Tutorial. M: Medical Information Agency, 2011. 540 p. 2011[18] Ramot Y., Haim-Zada M., Domb A.J., Nyska A. // Adv. Drug Deliv. Rev. 2016, V.107, P.153-162[19] Qu X.H., Wu Q., Zhang K.Y., Chen G.Q. // Biomaterials. 2006, V.27, №19, P.3540-3548[20] Freier T., Kunze C., Nischan C., Kramer S., Sternberg K., Sass M., Hopt U.T., Schmitz K.P. // Biomaterials. 2002, V.23, №13, P.2649-2657[21] Kawaguchi T., Tsugane A., Higashide K., Endoh H., Hasegawa T., Kanno H., Seki T., Juni K., Fukushima S., Nakano M. // J. Pharm. Sci. 1992, V.87, №6, P.508-512[22] Boskhomdzhiev A.P., Bonartsev A.P., Makhina T.K., Myshkina V.L., Ivanov E.A., Bagrov D.V., Filatova E.V., Iordanskiĭ A.L., Bonartseva G.A. // Biochemistry (Moscow) Supplement Series B: Biomedical Chemistry. 2010, V.4, №2, P.177-183[23] Shumilova A.A., Myltygashev M.P., Kirichenko A.K., Nikolaeva E.D., Volova T.G., Shishatskaya E.I. // J. Biomed. Mater. Res. A. 2017, V.105, №2, P.566-577[24] Zharkova I.I. // Scaffolds from biosynthetic copolymer of poly(3-hydroxybutyrate) with poly(ethylene glycol) for bone tissue engineering. M: MSU, 2017. 2017[25] Malm T., Bowald S., Karacagil S., Bylock A., Busch C. // Scand. J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 1992, V.26, №1, P.9-14[26] Malm T., Bowald S., Bylock A., Busch C., Saldeen T. // Eur. Surg. Res. 1994, V.26, P.298-308[27] Malm T., Bowald S., Bylock A., Busch C. // J. Thoracic Cardiovasc. Surgery. 1992, V.104, P.600-607[28] Malm T., Bowald S., Bylock A., Saldeen T., Busch C. // Scandinavian J. Thoracic Cardiovasc. Surgery. 1992, V.26, №1, P.15-21[29] Sevastianov V.I., Perova N.V., Shishatskaya E.I., Kalacheva G.S., Volova T.G. // J. Biomat. Sci. Polymer Ed. 2003, V.14, №10, P.1029-1042[30] Unverdorben M., Spielberger A., Schywalsky M., Labahn D., Hartwig S., Schneider M., Lootz D., Behrend D., Schmitz K., Degenhardt R. // Cardiovasc. Intervent. Radiol. 2002, V.25, №2, P.127-132[31] Kostopoulos L., Karring T. // Clin. Oral. Implants Res. 1994, V.5, №2, P.66-74[32] Castellano D., Blanes M., Marco B., Cerrada I., Ruiz-Sauri A., Pelacho B., Arana M., Montero J.A., Cambra V., Prosper F. // Stem. Cells Dev. 2014, V.23, №13, P.1479-1490[33] Pontailler M., Illangakoon E., Williams G.R., Marijon C., Bellamy V., Balvay D., Autret G., Vanneaux V., Larghero J., Planat-Benard V. // Tissue Eng. Part A. 2015, V.21, №9-10, P.1552-1564[34] Lobler M., Sass M., Kunze C., Schmitz K.P., Hopt U.T. // Biomaterials. 2002, V.23, №2, P.577-583[35] Lobler M., Sass M., Schmitz K.P., Hopt U.T. // J. Biomed. Mater. Res. 2003, V.61, P.165-167[36] Wu A.C., Grondahl L., Jack K.S., Foo M.X., Trau M., Hume D.A., Cassady A.I. // Biomaterials. 2006, V.27, №27, P.4715-4725[37] Unverdorben M., Spielberger A., Schywalsky M., Labahn D., Hartwig S., Schneider M., Lootz D., Behrend D., Schmitz K., Degenhardt R. // Cardiovasc. Intervent. Radiol. 2002, V.25, №2, P.127-132[38] Iordanskii A.L., Ol’khov A.A., Pankova Yu.N., Bonartsev A.P., Bonartseva G.A., Popov V.O. // Macromolecular symposia. 2006, V.233, P.108-116[39] Saad B., Ciardelli G., Matter S., Welti M., Uhlschmid G.K., Neuenschwander P., Suter U.W. // J. Biomed. Mater. Res. 1998, V.39, №4, P.594-602[40] Saad B., Ciardelli G., Matter S., Welti M., Uhlschmid G. K., Neuenschwander P., Suterl U.W. // J. Biomed. Mater. Res. 1996, V.30, P.429-439[41] Xiong Y.C., Yao Y.C., Zhan X.Y., Chen G.Q. // J. Biomater. Sci. Polymer Ed. 2010, V.21, №1, P.127-140[42] Bonartsev A.P., Zernov A.L., Yakovlev S.G., Zharkova I.I., Myshkina V.L., Mahina T.K., Bonartseva G.A., Andronova N.V., Smirnova G.B., Borisova J.A. // Anti-Cancer Agents in Med. Chem. 2017, V.17, №3, P.434-441[43] Ermakova N.P., Bonartsev A.P., Zernov A.L., Konyaeva O.I., Kulbachevskaya N.Y., Merkulova I.B., Abramova T.V., Chaley V.A., Yakovlev S.G., Bonartseva G.A. // Anti-Cancer Agents in Med. Chem. 2017, V.17, №15, P.1661-1668[44] Lu X.Y., Li M.C., Zhu X.L., Fan F., Wang L.L., Ma J.G. // BMC Biotechnol. 2014, V.14, P.4[45] Penaloza J.P., Marquez-Miranda V., Cabana-Brunod M., Reyes-Ramírez R., Llancalahuen F.M., Vilos C., Maldonado-Biermann F., Velásquez L.A., Fuentes J.A., González-Nilo F.D. // J. Nanobiotechnol. 2017, V.15, №1, P.1[46] Stevanovic M., Pavlovic V., Petkovic J. // Express. Polymer Lett. 2011, V.5, №11, P.996-1008[47] Maksymiak M., Debowska R., Jelonek K., Kowalczuk M., Adamus G. // Rapid. Commun. Mass Spectrom. 2013, V.27, P.773-783[48] Solorio L.D., Vieregge E.L., Dhami C.D., Alsberg E. // Tissue Eng. Part B Rev. 2013, V.19, №3, P.209-220[49] Fischer D., Li Y., Ahlemeyer B., Krieglstein J., Kissel T. // Biomaterials. 2003, V.24, №7, P.1121-1131[50] Rihova B. // Adv. Drug. Delivery Rev. 1996, V.21, P.157-176[51] Zhu H., Yang F., Tang B., Li X.M., Chu Y.N., Liu Y.L., Wang S.G., Wu D.C., Zhang Y. // Biomaterials. 2015, V.53, P.688-698[52] Vacanti N.M., Cheng H., Hill P.S., Guerreiro J.D., Dang T.T., Ma M., Watson S., Hwang N.S., Langer R., Anderson D.G. // Biomacromolecules. 2012, V.13, №10, P.3031-3038[53] Su S.H., Nguyen K.T., Satasiya P., Greilich P.E., Tang L., Eberhart R.C. // J. Biomater. Sci. Polymer Ed. 2005, V.16, №3, P.353-370[54] Khouw I.M., van Wachem P.B., de Leij L.F., van Luyn M.J. // J. Biomed. Mater. Res. 1998, V.41, P.202-210[55] Zhuikov V.A., Bonartsev A.P., Makhina T.K., Myshkina V.L., Voinova V.V., Bonartseva G.A., Shaitan K.V. // Biophysics. 2018, V.63, №2, P.169-176[56] Zhuikov V.A., Bonartsev A.P., Bagrov D.V., Yakovlev S.G., Myshkina V.L., Makhina T.K., Bessonov I.V., Kopitsyna M.N., Morozov A.S., Rusakov A.A. // Molecular Crystals Liquid Crystals. 2017, V.648, №1, P.236-243[57] Abe H., Doi Y. // Biomacromolecules. 2002, V.3, №1, P.133-138[58] Renstad R., Karlsson S., Albertsson A.C. // Polym. Degrad. Stab. 1999, V.63, P.201-211[59] Kramp B., Bernd H.E., Schumacher W.A., Blynow M., Schmidt W., Kunze C., Behrend D., Schmitz K.P. // Laryngorhinootologie. 2002, V.81, №5, P.351-356[60] Baptist J.N., Ziegler J.B. // Patent No. 3229766. USA. 1965[61] Shishatskaya E.I., Volova T.G., Gordeev S.A., Puzyr A.P. // J. Biomater. Sci. Polymer Ed. 2005, V.16, №5, P.643-657[62] Cool S.M., Kenny B., Wu A., Nurcombe V., Trau M., Cassady A.I., Grøndahl L. // J. Biomed. Mater. Res A. 2007, V.82, №3, P.599-610[63] Bat E., van Kooten T.G., Feijen J., Grijpma D.W. // Biomaterials. 2009, V.30, №22, P.3652-3661[64] Saito T., Tomita K., Juni K., Ooba K. // Biomaterials. 1991, V.12, №3, P.309-312[65] Ivanov S.Yu., Bonartsev A.P., Gazhva Yu.V., Zharkova I.I., Mukhametshin R.F., Makhina T.K., Myshkina V.L., Bonartseva G.A., Andreeva N.V., Akulina E.A. // Biomedicinskayachimiya. 2015, V.61, №6, P.717-723[66] Ji Y., Li X.T., Chen G.Q. // Biomaterials. 2008, V.29, P.3807-3814[67] Cheng S., Chen G.Q., Leski M., Zou B., Wang Y., Wu Q. // Biomaterials. 2006, V.27, P.3758-3765[68] Cheng S., Yang F., Xu M., Wu Q., Leski M., Chen G.Q. // Biomacromolecules. 2005, V.6, P.593-597[69] Yang X.D., Zou X.H., Dai Z.W., Luo R.C., Wei C.J., Chen G.Q. // J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 2009, V.20, №12, P.1729-1746[70] de Paula A.C., Zonari A.A., Martins T.M., Novikoff S., da Silva A.R., Correlo V.M., Reis R.L., Gomes D.A., Goes A.M. // Tissue Eng. 2013, V.19, №1-2, PtA, P.277-289[71] Wang Y.W., Wu Q., Chen G.Q. // Biomaterials. 2004, V.25, №4, P.669-675[72] Misra S.K., Ansari T., Mohn D., Valappil S.P., Brunner T.J., Stark W.J., Roy I., Knowles J.C., Sibbons P.D., Jones E.V. // J. R. Soc. Interface. 2010, V.7, №44, P.453-465[73] Zhang S., Prabhakaran M.P., Qin X., Ramakrishna S. // J. Biomater. Appl. 2015, V.29, №10, P.1394-1406[74] Wang Y., Jiang X.L., Yang S.C., Lin X., He Y., Yan C., Wu L., Chen G.Q., Wang Z.Y., Wu Q. // Biomaterials. 2011, V.32, №35, P.9207-9217[75] Criscenti G., Vasilevich A., Longoni A., De Maria C., van Blitterswijk C.A., Truckenmuller R., Vozzi G., De Boer J., Moroni L. // Acta Biomater. 2017, V.55, P.310-322[76] Zhao Y., Zou B., Shi Z., Wu Q., Chen G.Q. // Biomaterials. 2007, V.28, №20, P.3063-3073[77] Wang L., Wang Z.H., Shen C.Y., You M.L., Xiao J.F., Chen G.Q. // Biomaterials. 2010, V.31, №7, P.1691-1698[78] Lizarraga-Valderrama L.R., Nigmatullin R., Taylor C., Haycock J.W., Claeyssens F., Knowles J.C., Roy I. // Eng. Life Sci. 2015, V.15, P.612-621[79] Zhang J., Cao Q., Li S., Lu X., Zhao Y., Guan J.S., Chen J.C., Wu Q., Chen G.Q. // Biomaterials. 2013, V.34, №30, P.7552-7562[80] Zou X.H., Li H.M., Wang S., Leski M., Yao Y.C., Yang X.D., Huang Q.J., Chen G.Q. // Biomaterials. 2009, V.30, №8, P.1532-1541[81] Wang Y., Gao R., Wang P.P., Jian J., Jiang X.L., Yan C., Lin X., Wu L., Chen G.Q., Wu Q. // Biomaterials. 2012, V.33, №2, P.485-493[82] Wang Y., Jiang X.L., Peng S.W., Guo X.Y., Shang G.G., Chen J.C., Wu Q., Chen G.Q. // Biomaterials. 2013, V.34, №15, P.3737-3746[83] Anderson A.J., Dawes E.A. // Microbiol. Rev. 1990, V.54, №4, P.450-472[84] Bonartsev A.P., Voinova V.V., Bonartseva G.A. // Applied Biochemistry and Microbiology. 2018, V.54, №6, P.547-568[85] Reusch R.N. // Chem. Biodivers. 2012, V.9, №11, P.2343-2366[86] Larsen T., Nielsen N.I. // J. Dairy Sci. 2005, V.88, №6, P.2004-2009[87] Szwej E., Devocelle M., Kenny S., Guzik M., O’Connor S., Nikodinovic-Runic J., Radivojevic J., Maslak V., Byrne A.T., Gallagher W.M. // J. Biotechnol. 2015, V.204, P.7-12[88] Kim J.K., Won Y.J., Nikoh N., Nakayama H., Han S.H., Kikuchi Y., Rhee Y.H., Park H.Y., Kwon J.Y., Kurokawa K. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013, V.110, №26, P.E2381-E2389