Светлов Дмитрий Анатольевич,
«Жизнь и безопасность» №3-4, 2005 г.

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 1993). 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 - поли-( гексаметиленбигуанидинхлорид ), 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

ЛИТЕРАТУРА
1. Афиногенов Г.Е., Панарин Е.Ф. Антимикробные полимеры. Гиппократ, СПб., 1993г.,264стр.
2.Воробьева Н.И., и др. Полимерные материалы с олигомерным бактерицидным субстратом. НПО , Медбиоэкономика, 1988г., выпуск 2.
3. РСТ Патент WO №95/12395, US, Calgon Vestal Lab., Композиция, содержащая хлоргексидин.
4. ЕР Патент № 306455, Warner Lambert Co., US. Производные хлоргексидина.
5. РСТ Патент № 93/9770, Pierre Fabre, FR. Способ получения биоцидного средства.
6. ЕР Патент № 200607, P.F. Cosm. FR. Косметическое средство.
7. ЕР Патент № 539811, DE № 415397 Ivoclar AG, Germany. Способ получения аддукта.
8. US Патент № 5393516, DE, Ivoclar AG. Зубная паста.
9. EP Патент № 279343, DE, Bayer. Фунгицидная композиция.
10. DE Патент № 2812945, 3922232, DE, BasF. Антигельминтное средство.
11. ЕР Патент № 406699, 534501; US 5449809, American Cyanamid Co., US. Способ получения антибактериальных препаратов.
12. Jap, Патент № 61-25706, 61-027, С.Jokko KK. Производные хлоргексидина.
13. US Патент № 5116838, Hakko Chemical Ind., Jap. Фунгицидное средство.
14. ЕР Патент № 473320. Композиция, содержащая хлоргексидин с йодом.
15. PCT Патент № 93/9770. Биоцидная композиция.
16. ЕР Патент № 507317, US № 5376686, Otsuka Pharm., Jap. Производные бигуанидина.
17. ЕР Патент № 643044, Mitsubishi Mat. Corp., Jap. Производные бигуанидина.
18. US Патент № 5478864, Yoshida Pharm. Corp., Jap. Дезинфицирующее средство.
19. . Jap, Патент № 60-78953, 60-81161, Toray KK. Средство для борьбы с заболеваниями растений.
20. ЕР Патент № 534501, BASF, Germ. Производные бигуанидина.
21 DE Патент № 3812945, 4028473, BASF, Germ. Производные бигуанидина.
22. Jap, Патент № 3-859, Pamakanu Ajia, Jap. Производные бигуанидина.
23. DE Патент № 3743374, Henkel R.GaT, Germ. Производные бигуанидина.
24. US Патент № 4602042, ICI, US Производные бигуанидина.
25. EP № 414299, Shell Int. Производные бигуанидина.
26. EP № 471688, US 4952704, GAF Chemical Corp., US. Производные бигуанидина.
27. PCT Патент № 93/16037, Jacjbus Pharm.,US. Производные бигуанидина.
28 GB № 2182245, Evans Vadodine Int., Brit. Композиция для лечения мастита у коров.
29. DE № 494918, Shering-Kahlbaum AG, Germ. Способ получения гексаметиленгуанидинхлорида.
30. US № 2325586 , Du Pont, US. Способ получения производных гуанидина.
31. Гембицкий П.А. Технология получения ПГМГ-Х. Труды ВНИИДиС, 1974г, стр 24, 1975 г., стр. 59.
32 Авторское свидетельство СССР № 944290, 1981г. Смазочно-охлаждающая жидкость при обработке стекол.
33. Авторское свидетельство СССР № 247463, 1968г. Способ получения бактерицидного средства.
34. Авторское свидетельство СССР № 1773876, 1989г. Способ получения и использования метацида.
35. Авторское свидетельство СССР № 1819864, 1990г. Средство для обеззараживания сточных вод.
36. Авторское свидетельство СССР № 1698061, 1990г. Фунгицидный состав.
37. Авторское свидетельство СССР № 1687261,1989г. Антисептическое средство с фунгицидной активностью.
38. Авторское свидетельство СССР № 1728256, 1988г.Биоцидный флокулянт.
39. Авторское свидетельство СССР № 1616898, 1987г. Бактерицидная композиция и способ её получения.
40. . Патент РФ № 2122866, 1998г.Способ получения дезинфицирующего средства.
41. . Патент РФ № 2143905, 2000г. Препараты с антимикробной активностью.
42. Патент РФ № 2141398, 2000г. Средство для защиты древесины.