Heparinová chemická struktura
Heparin
Heparin, vysoce sulfatovaný glykosaminoglykan, je široce používán jako injekční antikoagulant a má nejvyšší hustotu záporného náboje ze všech známých biologických molekul. Může být také použit k vytvoření vnitřního antikoagulačního povrchu na různých experimentálních a lékařských zařízeních, jako jsou zkumavky a přístroje pro dialýzu ledvin. Farmaceutický stupeň heparinu je odvozen ze slizničních tkání poražených masných zvířat, jako jsou střeva prasat (prasat) nebo plíce skotu (krav).
Ačkoli se používá hlavně v medicíně k antikoagulaci, skutečná fyziologická role v těle zůstává nejasná, protože krevní antikoagulace je dosahována většinou heparan sulfátovými proteoglykany odvozenými z endoteliálních buněk. Heparin je obvykle skladován v sekretujících granulích žírných buněk a uvolňován pouze do cév v místech poranění tkáně. Bylo navrženo, že hlavním účelem heparinu je spíše než antikoagulace obranný mechanismus v místech poranění tkáně proti napadajícím bakteriím a jiným cizorodým materiálům. Kromě toho je zachován u řady značně odlišných druhů, včetně některých bezobratlých, kterým chybí podobný systém srážení krve.
Nativní heparin je polymer s molekulovou hmotností v rozmezí od 3 kDa do 50 kDa, i když průměrná molekulová hmotnost většiny komerčních heparinových přípravků se pohybuje v rozmezí od 12 kDa do 15 kDa.
Heparin je členem skupiny sacharidů glykosaminoglykanů (která zahrnuje blízce příbuznou molekulu heparan-sulfát) a skládá se z variabilně sulfatované opakující se disacharidové jednotky.
Hlavní disacharidové jednotky, které se vyskytují v heparinu, jsou uvedeny níže. Nejběžnější disacharidová jednotka se skládá z 2-O-sulfatované kyseliny iduronové a 6-O-sulfatovaného, N-sulfatovaného glukosaminu, IdoA(2S)-GlcNS(6S). Tvoří například 85% heparinů z hovězí plíce a asi 75% heparinů z prasečí střevní sliznice.
Níže nejsou uvedeny vzácné disacharidy obsahující 3-O-sulfatovaný glukosamin (GlcNS(3S,6S)) nebo volnou aminovou skupinu (GlcNH3+). Za fyziologických podmínek jsou esterová a amid-sulfátová skupina deprotonovány a přitahují pozitivně nabité protilátky za vzniku heparinové soli. Právě v této formě se heparin obvykle podává jako antikoagulant.
1 jednotka heparinu („Howellova jednotka“) je množství přibližně odpovídající 0,002 mg čistého heparinu, což je množství potřebné k udržení 1 ml kočičí krevní tekutiny po dobu 24 hodin při teplotě 0 °C.
Trojrozměrná struktura
Trojrozměrná struktura heparinu je komplikována skutečností, že kyselina iduronová může být přítomna v kterékoli ze dvou nízkoenergetických konformací, pokud je vnitřně umístěna uvnitř oligosacharidu. Konformační rovnováha je ovlivněna sulfatačním stavem přilehlých glukosaminových cukrů. Struktura roztoku heparinové dodekasachridy složené pouze ze šesti jednotek opakování GlcNS(6S)-IdoA(2S) byla nicméně stanovena pomocí kombinace NMR spektroskopie a metod molekulárního modelování. Byly sestrojeny dva modely, jeden, ve kterém byly všechny IdoA(2S) v konformaci 2S0 (A a B níže), a jeden, ve kterém jsou v konformaci 1C4 (C a D níže). Neexistuje však žádný důkaz, který by naznačoval, že ke změnám mezi těmito konformacemi dochází ve vzájemné shodě. Tyto modely odpovídají kódu proteinové databanky 1HPN.
V těchto modelech heparin přijímá šroubovitou konformaci, jejíž rotace umisťuje shluky sulfátových skupin v pravidelných intervalech asi 17 angstromů (1,7 nm) na obě strany šroubovité osy.
Heparin je přirozeně se vyskytující antikoagulancium produkované bazofily a žírnými buňkami. Heparin působí jako antikoagulancium, které zabraňuje tvorbě sraženin a rozšíření stávajících sraženin v krvi. Heparin sice nerozkládá již vytvořené sraženiny (na rozdíl od tkáňového aktivátoru plasminogenu), ale umožňuje přirozenému mechanismu rozpadu sraženin v těle normálně odbourávat již vytvořené sraženiny.
Heparin se používá k antikoagulaci u následujících stavů:
Heparin a jeho deriváty (enoxaparin, dalteparin a tak dále) jsou účinné v prevenci hluboké žilní trombózy a plicní embolie u rizikových pacientů, ale není prokázáno, že by byly účinné v prevenci úmrtí. Současné pokyny doporučují místo aspirinu a punčoch nohou.
Heparin se váže na inhibitor enzymu antitrombin (AT), což způsobuje konformační změnu, která má za následek jeho aktivaci zvýšením pružnosti jeho reaktivní smyčky. Aktivovaný AT pak inaktivuje trombin a další proteázy podílející se na srážení krve, především faktor Xa. Rychlost inaktivace těchto proteáz AT se může zvýšit až 1000krát v důsledku vazby heparinu.
AT se váže na specifickou pentasacharidovou sulfatační sekvenci obsaženou v heparinovém polymeru
GlcNAc/NS(6S)-GlcA-GlcNS(3S,6S)-IdoA(2S)-GlcNS(6S)
Konformační změna AT na vazbě na heparin zprostředkovává jeho inhibici faktoru Xa. Pro inhibici trombinu se však musí trombin vázat také na heparinový polymer v místě, které je proximální s pentasacharidem. Vysoce negativní nábojová hustota heparinu přispívá k jeho velmi silné elektrostatické interakci s trombinem. Tvorba trojitého komplexu mezi AT, trombinem a heparinem má za následek inaktivaci trombinu. Z tohoto důvodu je aktivita heparinu proti trombinu závislá na velikosti, trojitý komplex vyžaduje pro účinnou tvorbu nejméně 18 sacharidových jednotek. Naproti tomu aktivita proti faktoru Xa vyžaduje pouze vazebné místo pro pentasacharid.
Chemická struktura fondaparinuxu
Tento velikostní rozdíl vedl k vývoji nízkomolekulárních heparinů (LMWH) a v poslední době k fondaparinuxu jako farmaceutickým antikoagulantům. Nízkomolekulární hepariny a fondaparinux cílí spíše na aktivitu anti-faktoru Xa než na anti-trombin (IIa) s cílem usnadnit jemnější regulaci koagulace a zlepšení terapeutického indexu. Chemická struktura fondaparinuxu je znázorněna vlevo. Jedná se o syntetický pentasacharid, jehož chemická struktura je téměř totožná se sekvencí pentasacharidů vázajících AT, které lze nalézt v polymerním heparinu a heparan-sulfátu.
U LMWH a fondaparinuxu existuje snížené riziko osteoporózy a heparinem indukované trombocytopenie (HIT). Monitorování APTT také není nutné a skutečně neodráží antikoagulační účinek, protože APTT je necitlivý na změny faktoru Xa.
Danaparoid, směs heparan-sulfátu, dermatan-sulfátu a chondroitin-sulfátu, může být použit jako antikoagulant u pacientů, u kterých se vyvinula HIT. Protože danaparoid neobsahuje heparinové nebo heparinové fragmenty, je hlášena zkřížená reaktivita danaparoidu s heparinem indukovanými protilátkami nižší než 10 %.
Účinky heparinu se v laboratoři měří parciálním tromboplastinovým časem (aPTT), (doba, po kterou dochází ke srážení krevní plazmy).
Podrobnosti o podání jsou dostupné v pokynech pro klinickou praxi American College of Chest Physicians:
Heparin se podává parenterálně, protože při perorálním podání dochází k jeho degradaci. Injekci lze podat intravenózně nebo subkutánně (pod kůži). Intramuskulární injekce (do svalu) se nepodávají kvůli možnosti vzniku hematomů.
Vzhledem ke svému krátkému biologickému poločasu přibližně jedné hodiny musí být heparin podáván často nebo ve formě kontinuální infuze. Použití nízkomolekulárního heparinu (LMWH) však umožnilo dávkování jednou denně, tudíž nevyžaduje kontinuální infuzi léku. Pokud je nutná dlouhodobá antikoagulace, heparin se často používá pouze k zahájení antikoagulační terapie, dokud nenabude účinku perorální antikoagulancium warfarin.
Závažným nežádoucím účinkem heparinu je heparinem indukovaná trombocytopenie (syndrom HIT). HITS je způsobena imunologickou reakcí, která činí z krevních destiček cíl imunologické odpovědi, což vede k degradaci krevních destiček. To je to, co způsobuje trombocytopenii. Tento stav se obvykle po vysazení zvrátí a obecně se mu lze vyhnout použitím syntetických heparinů. S časným užíváním heparinu je také spojena benigní forma trombocytopenie, která odezní bez zastavení heparinu.
Existují dva nekrvácející vedlejší účinky léčby heparinem. Prvním je zvýšení hladin aminotransferáz v séru, které bylo hlášeno až u 80% pacientů užívajících heparin. Tato abnormalita není spojena s dysfunkcí jater a vymizí po vysazení léku. Druhou komplikací je hyperkalemie, která se vyskytuje u 5 až 10% pacientů užívajících heparin a je důsledkem suprese aldosteronu vyvolané heparinem. Hyperkalemie se může objevit během několika dnů po nástupu heparinové terapie.
Vzácnější nežádoucí účinky zahrnují alopecii a osteoporózu při chronickém užívání.
Jako u mnoha léků, předávkování heparinem může být smrtelné. V září 2006 získal heparin celosvětovou publicitu, když 3 předčasně narozené děti zemřely poté, co jim bylo omylem podáno předávkování heparinem v nemocnici v Indianapolis.
V případě předávkování lze podat protamin-sulfát (1 mg na 100 jednotek heparinu, který byl podán po dobu 4 hodin), který působí proti působení heparinu.
Heparin je jedním z nejstarších léků, které jsou v současné době stále široce používány v klinické praxi. Jeho objev v roce 1916 předchází založení Úřadu pro potraviny a léčiva Spojených států, i když do klinických zkoušek vstoupil až v roce 1935. Původně byl izolován z jaterních buněk psů, odtud jeho název (hepar nebo „ήπαρ“ je řecky „játra“). Heparinův objev lze připsat výzkumným aktivitám dvou mužů, Jaye McLeana a Williama Henryho Howella.
V roce 1916 McLean, student druhého ročníku medicíny na Univerzitě Johnse Hopkinse, pracoval pod vedením Howella na výzkumu prokoagulačních přípravků, když izoloval v tucích rozpustné fosfatidové antikoagulancium. Byl to Howell, kdo v roce 1918 zavedl termín heparin pro tento typ antikoagulancia rozpustného v tucích. Na počátku dvacátých let Howell izoloval ve vodě rozpustné polysacharidové antikoagulancium, které bylo také označováno jako heparin, i když bylo odlišné od dříve izolovaných fosfatidových přípravků. Je pravděpodobné, že práce McLeana změnila zaměření Howellovy skupiny na hledání antikoagulancií, což nakonec vedlo k objevu polysacharidů.
V letech 1933 až 1936 Connaught Medical Research Laboratories, tehdy součást Torontské univerzity, zdokonalily techniku výroby bezpečného, netoxického heparinu, který mohl být pacientům podáván v solném roztoku. První pokusy s heparinem na lidech začaly v květnu 1935 a v roce 1937 bylo jasné, že Connaughtův heparin je bezpečný, snadno dostupný a účinný krevní antikoagulant. Před rokem 1933 byl heparin dostupný, ale v malém množství, a byl extrémně drahý, toxický, a v důsledku toho neměl žádnou lékařskou hodnotu.
Podrobnější informace naleznete v článku Marcum J. (2000).
Nové možnosti vývoje léku pro heparin
Jak je podrobně uvedeno v tabulce níže, existuje velký potenciál pro rozvoj struktur podobných heparinu jako léků k léčbě širokého spektra onemocnění, kromě jejich současného využití jako antikoagulancií.
– označuje, že nejsou k dispozici žádné informace
V důsledku působení heparinu na tak širokou škálu chorobných stavů se skutečně vyvíjí řada léků, jejichž molekulární struktury jsou identické nebo podobné těm, které se nacházejí v částech polymerního heparinového řetězce.
De-polymerizační techniky
Drtivá většina provedených analýz struktury a funkce heparinu a heparan-sulfátu (HS) je založena buď na chemických nebo enzymatických deipolymerizačních technikách, nebo na kombinaci těchto dvou metod.
Lyázy štěpí heparin/HS beta eliminačním mechanismem. Tímto působením vzniká nenasycená dvojná vazba mezi C4 a C5 rezidua uronátu. C4-C5 nenasycený uronát se nazývá ΔUA nebo UA. Je to citlivý UV chromafor (max. absorpce při 232nm) a umožňuje sledovat rychlost enzymového trávení a také poskytuje vhodnou metodu pro detekci fragmentů produkovaných enzymovým trávením.
Kyselina dusná může být použita k chemickému odstranění polymerů heparinu/HS. Kyselina dusná může být použita při pH 1,5 nebo při vyšším pH 4. Za obou podmínek působí kyselina dusná na deaminační štěpení řetězce.
IdoA(2S)-aMan: anhydromannózu lze redukovat na anhydromannitol
Při „vysokém“ (4) i „nízkém“ (1,5) pH dochází mezi GlcNS-GlcA a GlcNS-IdoA k deaminačnímu štěpení, a to vše při vyšším pH pomalejším tempem. Deaminační reakce, a tedy řetězové štěpení, probíhá bez ohledu na O-sulfataci přenášenou kteroukoli monosacharidovou jednotkou.
Při nízkém pH má rozkladné štěpení za následek uvolnění anorganického SO4 a přeměnu GlcNS na anhydromanózu (aMan). Ošetření kyselinou dusnou s nízkým pH je vynikající metodou k odlišení N-sulfátových polysacharidů, jako je heparin a HS, od N-sulfátových polysacharidů, jako je chondroitin sulfát a dermatan sulfát; chondroitin sulfát a dermatan sulfát jsou necitlivé na štěpení kyselinou dusnou.
Biologická aktivita heparinu u druhů 6-11 je nejasná a dále podporuje myšlenku, že hlavní fyziologickou úlohou heparinu není antikoagulace. Tyto druhy nemají žádný koagulační systém podobný tomu, který je přítomen u druhů uvedených 1-5. Výše uvedený seznam také ukazuje, jak byl heparin vysoce evolučně konzervován s molekulami podobné struktury, které produkuje široká škála organismů patřících k mnoha různým fylám.
V prosinci 2007 FDA stáhla zásilku heparinu kvůli růstu Serratia marcescens v několika neotevřených injekčních stříkačkách tohoto přípravku. Bakterie Serratia marcescens může vést k život ohrožujícím zraněním a/nebo smrti.
V březnu 2008 oznámila FDA významné stažení heparinu kvůli kontaminaci surových zásob heparinu dovezených z Číny. Podle FDA kontaminovaný heparin zabil ve Spojených státech 81 lidí. Kontaminant byl identifikován jako „přesulfátový“ derivát chondroitin sulfátu, populárního doplňku z měkkýšů často používaného při artritidě.
Zdravotní sestra Petra Zelenky v České republice v roce 2006 úmyslně podala pacientům velké dávky, 7 jich zabila a dalších 10 se pokusila zabít.
Dvanáctidenní dvojčata herce Dennise Quaida dostala omylem dávku pro dospělé, což je tisícinásobek doporučené dávky pro kojence, v listopadu 2007. K předávkování údajně došlo proto, že označení a design dospělé a kojenecké verze výrobku byly snadno zaměnitelné. Rodina Quaidových následně zažalovala výrobce, společnost Baxter Healthcare Corp., a dohodla se s nemocnicí Cedars-Sinai Medical Center na 750 000 dolarech.