Efficacy of Pancreatin and Trypsin Proteases in Enzymatic Hydrolysis of Collagen

Authors

  • L. L. Semenycheva Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
  • M. N. Egorihina Приволжский исследовательский медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации
  • V. O. Chasova Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
  • N. B. Valetova Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
  • A. V. Mitin Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
  • Yu. I. Kuznetsovа Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

DOI:

https://doi.org/10.14529/chem200108

Keywords:

biopolymers, scaffolds, high molecular weight fish collagen, pancreatin, trypsin, hydrolysis efficiency

Abstract

The analysis of molecular-mass characteristics (MMC) / molecular mass (MM) and polydispersity coefficient (PC) of high molecular weight fish collagen (FC) hydrolysate has been carried out in the process of enzymatic hydrolysis by two proteolytic enzymes: pancreatin and trypsin at room temperature. High efficiency of enzymes has been shown: the main part of FC is hydrolyzed within the first minute in the case of both pancreatin and trypsin. As a result, several fractions of FC hydrolysate are formed. A small oligomeric fraction is observed in the case of trypsin. The values of the polydispersity coefficient Mw / Mn for fractions in the hydrolysis process are typically no more than 1.2. This indicates the homogeneity of collagen fractions in MM. The original native FC with MM ~ 300 kDa is absent in the hydrolysate fractions. These data indicate a high hydrolysis rate in the presence of these enzymes. Formation of two low-molecular fractions of hydrolysate with close values of MM ~ 17 kDa and ~ 9 kDa has been observed for both enzymes, and the share of the latter fraction in the solution is more than 80 %. Further control of MMC has shown that there is a slow decrease in the proportion of all fractions, to almost complete disappearance in three days, except for the low-molecular fraction with MM ~ 9 kDa, the content of which gradually increases. The type of molecular weight distribution curves for different enzymes is almost the same. However, there is a small difference in the ratio of hydrolysate fractions at different stages of hydrolysis with the use of these enzymes, due to a minor difference in the efficiency of the enzymes used, which may affect the structure of the scaffold during its formation. Differences in the MM values and the ratio of fractions with different MM indicate the influence of the enzyme nature on hydrolysis of high-molecular collagen. The presented results are in good agreement with the known literature data on the nature of pancreatin enzymes
(it contains the proteolytic enzymes: trypsin, pepsin and chymotrypsin). These three proteases catalyze the hydrolysis of peptide bonds formed by residues of the amino acids arginine and lysine. The strongly pronounced limited substrate specificity of enzymes leads to practically quantitative formation of a narrowly dispersed oligomer with MM ~ 9 kDa in the process of hydrolysis. In combination with the results of research on the effect of enzymes upon other components of the scaffold design, as well as biomimetic tests, these will model the composition, structure, and major characteristics of scaffolds with the optimized properties. This is especially important if the enzymatic hydrolysis reactions are used in formation of scaffolds and biomedical cell products, because the resulting cell matrix is formed not from the native molecules, but from their hydrolysates.

Author Biographies

L. L. Semenycheva, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

доктор химических наук, доцент, зав. лабораторией нефтехимии НИИ химии

M. N. Egorihina, Приволжский исследовательский медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник НИИ ЭОиБМТ

V. O. Chasova, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

студент химического факультета

N. B. Valetova, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории нефтехимии НИИ химии

A. V. Mitin, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

кандидат химических наук, старший научный сотрудник, руководитель Центра коллективного пользования НИИ химии

Yu. I. Kuznetsovа, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

кандидат химических наук, доцент кафедры органической химии

References

Lu, T. Techniques for Fabrication and Construction of Three-dimensional Scaffolds for Tissue Engineering / T. Lu, Y. Li, T. Chen // Int. J. Nanomedicine. – 2013. – № 8. – P. 337–350. DOI: 10.2147/IJN.S38635.

Introduction to Tissue Engineering and Application for Cartilage Engineering / N. de Isla, C. Huseltein, N. Jessel et al. // Biomed. Mater. Eng. – 2010. – V. 20, № 3. – P. 127–133. DOI: 10.3233/BME-2010-0624.

Zhang, L. The Role of Tissue Engineering in Articular Cartilage Repair and Regeneration / L. Zhang, J. Hu, K.A. Athanasiou // Crit Rev. Biomed. Eng. – 2009. – V. 37, № 1. – P. 1–57.

Rajangam, T. Fibrinogen and Fibrin Based Micro and Nano Scaffolds Incorporated with Drugs, Proteins, Cells and Genes for Therapeutic Biomedical Applications / T. Rajangam, S.S.A. An // Int. J. Nanomedicine. – 2013. – V. 8. – P. 3641–3662. DOI: 10.2147/IJN.S43945.

Fibrin Scaffold as a Carrier for Mesenchymal Stem Cells and Growth Factors in Shoulder Rotator Cuff Repair / A. Voss, McCarthy M. Beth, D. Allen et al. // Arthrosc. Tech. Arthroscopy Association of North America. – 2016. – V. 5, № 3. – P. e447–e451. DOI: 10.1016/j.eats.2016.01.029.

Osathanon, T. Immobilization of Alkaline Phosphatase on Microporous Nanofibrous Fibrin Scaffolds for Bone Tissue Engineering / T. Osathanon, C.M. Giachelli, M.J. Somerman // Biomaterials. – 2009. – V. 30, № 27. – P. 4513–4521. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2009.05.022.

Riopel, M. Fibrin, a Scaffold Material for Islet Transplantation and Pancreatic Endocrine Tissue Engineering / M. Riopel, M. Trinder, W. Rennian // Tissue Eng. Part B Rev. – 2015. – V. 21, № 1. – P. 33–44. DOI: 10.1089/ten.teb.2014.0188.

Fibrin Gel as an Injectable Biodegradable Scaffold and Cell

Carrier for Tissue Engineering / Y. Li, H. Meng, Y. Liu, B.P. Lee // Sci. World J. – 2015. – № 2015. – P. 1–10. DOI: 10.1155/2015/685690.

Терещенко, В.П. Матрицы-носители в тканевой инженерии костной ткани / В.П. Терещенко, И.А. Кирилова, П.М. Ларионов // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 8. – С. 66–70.

Yan, M. Purification and Structural Aspects of Type I Collagen from Walleye Pollock (Theragrachalcogramma) / M. Yan, S. Qin, B. Li // J. Aquat. Food Prod. Technol. – 2017. – V. 26, № 10. – P. 1166–1174. DOI: 10.1080/10498850.2015.1011797

Effect of Enzymatic Hydrolysis on Surface Activity and Surface Rheology of Type I Collagen / A. Kezwoń, I. Chromińska, T. Fraczyk, K. Wojciechowski // Colloids Surf., B. – 2016. – № 137. – P. 60–69. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2015.05.017.

Соколова, А.И. Зависимость биологических свойств скаффолдов из фиброина шелка и желатина от состава и технологии изготовления / А.И. Соколова, М.М. Боброва, Л.А. Сафронова // Современные технологии в медицине. – 2016. – Т. 8, № 3. – С. 6–15. DOI: 10.17691/stm2016.8.3.01.

Incorporation of Fibrin into a Collagen-glycosaminoglycan Matrix Results in a Scaffold with Improved Mechanical Properties and Enhanced Capacity to Resist Cell-mediated Contraction / C.M. Brougham, T.J. Levingstone, S. Jockenhoevel et al. // Acta Biomater. – 2015. – № 26. – P. 205–214. DOI: 10.1016/j.actbio.2015.08.022.

Bio-printing of Collagen and VEGF-releasing Fibrin Gel Scaffolds for Neural Stem Cell Cul-ture / Y.B. Lee, S. Polio, W. Lee et al. // Exp. Neurol. – 2010. – V. 223, № 2. – P. 645–652. DOI: 10.1016/j.expneurol.2010.02.014.

Константиновская, М.А. Подбор условий получения ферментативного гидролизата из бульона, образующегося при производстве костной муки / М.А. Константиновская, А.А. Красноштанова // Техника и технология пищевых производств. – 2014. – № 4 (35). – С. 32–33.

Закономерности гидролиза сывороточных белков экзо- и эндопротеазами / Т.Н. Головач, Н.В. Гавриленко, Н.К. Жабанос, В.П. Курченко // Труды БГУ. – 2008. – Т. 3 (1). – С. 85–98.

Ma, P.X. Biomimetic Materials for Tissue Engineering / P.X. Ma // Adv. DrugDeliv. Rev. – 2008. – № 60. – P. 184–198. DOI: 10.1016/j.addr.2007.08.041.

Biocompatibility of Hydrogel-based Scaffolds for Tissue Engineering Applications / S. Naahidi, M. Jafari, M. Logan et al. // Biotechnol. Adv. Elsevier. – 2017. – V. 35, № 5. – P. 530–544. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2017.05.006

Zhu, J. Biomimetic Hydrogels as Scaffolds for Tissue Engineering / J. Zhu // J. Biochips Tissue Chips. – 2012. – V. 2, № 43. – P.1000e119. DOI: 10.4172/2153-0777.1000e119

Viscoelastic, Physical, and Bio-degradable Properties of Dermal Scaffolds and Related Cell Behaviour / V. Sharma, N. Patel, N. Kohli et al. // Biomed. Mater. – 2016. – V. 11, № 5. – P. 1–12. DOI: 10.1088/1748-6041/11/5/055001.

Rowe, S.L. Microstructure and Mechanics of Collagen-fibrin Matrices Polymerized Using Ancrod Snake Venom Enzyme / S.L. Rowe, J.P. Stegemann // J. Biomech. Eng. – 2009. – V. 131, № 6. – P. 061012. DOI: 10.1115/1.3128673.

Молекулярно-массовые параметры коллагена из разного сырья и динамика их изменения при ферментативном гидролизе панкреатином / Л.Л. Семенычева, Н.Б. Валетова, В.О. Часова и др. // Все материалы. Энцикл. Справочник. – 2019. – № 4. – С. 27–33. DOI: 10.31044/1994-6260-2019-0-4-27-33

Пат. 2653434 Российская Федерация. Способ создания биорезорбируемого клеточного скаффолда на основе фибрина плазмы крови / М.Н. Егорихина, Г.Я. Левин, И.Н. Чарыкова, Д.Я. Алейник, Л.Н. Соснина; заявитель и патентообладатель ФГБУ «Приволжский федеральный медицинский исследовательский центр» Министерства здравоохранения РФ. – № 2017112424; заявл. 11.04.2017; опубл. 08.05.2018, Бюл. № 13. – 13 с.

Пат. 2567171 Российская Федерация. Способ получения уксусной дисперсии высокомолекулярного рыбного коллагена / Л.Л. Семенычева, М.В. Астанина, Ю.Л. Кузнецова, Н.Б. Валетова, Е.В. Гераськина, О.А. Таранкова; заявитель и патентообладатель ООО «Системы качества жизни». – № 2014140300/13; заявл. 06.10.2014; опубл. 10.11.2015, Бюл. № 31. – 11 с.

Бендер, М. Биоорганическая химия ферментативного катализа / М. Бендер, Р. Бергерон, М. Комияма. – М.: Мир, 1987. – 352 с.

Published

2020-02-09