Tomas Bata University in Zlín

Technology of Macromolecular Substances

Structure, dynamics and interactions of substituted hyaluronan molecules in mixed solvents

Téma:Struktura, dynamika a interakce substituovaných molekul hyaluronanu ve směsných rozpouštědlech.
Topic:Structure, dynamics and interactions of substituted hyaluronan molecules in mixed solvents.
Školitel/Tutor:RNDr. Marek Ingr, Ph.D.
Konzultant/Consultant:RNDr. Eva Kutálková, Ph.D.
E-mail:ingr@utb.cz
Anotace:
Hyaluronan (též kyselina hyaluronová, HA) je základní stavební složkou mezibuněčné hmoty kůže a pojivových tkání. Její kladný vliv na regeneraci tkání a hojení ran ji předurčuje k četným aplikacím ve farmacii a kosmetice1,2. Jako biokompatibilní materiál je vhodná i ke konstrukci nosičů léčiv3,4 či tkáňových náhrad5,6. Třebaže jde o látku silně hydrofilní, řada jejích aplikací a technologických postupů jejich přípravy vyžaduje použití nevodného prostředí7,8. Pro mnohé kosmetické a farmaceutické aplikace je navíc třeba připravit modifikované molekuly HA nesoucí postranní řetězce dodávající molekule HA speciální vlastnosti9,10. Předkládané téma dizertační práce navazuje na předchozí výzkum vlastností molekul HA metodami teoretické chemie, prováděný v naší skupině11,12, a je zaměřeno právě na molekuly HA substituované jedním nebo více alifatickými postranními řetězci ve směsných rozpouštědlech. Cílem práce je posoudit vliv počtu, délky a dalších vlastností (dvojné vazby, funkční skupiny, …) na strukturu a dynamiku substituovaných molekul HA, jejich vzájemné interakce a interakce s dalšími molekulami v roztoku. Tyto informace lze následně využít k posouzení chemické reaktivity i dalších fyzikálních vlastností modifikovaných molekul HA významných pro jejich technologické uplatnění. Výzkum bude založen především na simulacích metodami molekulové dynamiky, využívány budou také výpočty metodami kvantové chemie a další prostředky teoretické chemie.
Annotation:
Hyaluronan (hyaluronic acid, HA) is a basic structural component of the extracellular matrix of skin and connective tissues. Its positive effect on tissue regeneration and wound healing determines it to numerous applications in pharmacology and cosmetics1,2. As a biocompatible material it is suitable also for the construction of drug-delivery systems3,4 and artificial tissues5,6. Although HA is a strongly hydrophilic compound, many of its applications and technological procedures of their production require the use of non-aqueous environment7,8. Furthermore, for a variety of cosmetic and pharmaceutical applications it is necessary to prepare modified HA molecules carrying sidechains giving the HA molecule special properties9,10. The proposed doctoral-theses topic follows the previous research of our group concerning the investigation of the properties of HA molecules by the methods of theoretical chemistry11,12 and is oriented to the study of HA molecules substituted by one or more aliphatic sidechain in mixed solvents. The aim of the work is to study the influence of the number, length and other properties (double bonds, functional groups, …) on the structure and dynamics of the substituted HA molecules, their mutual interactions and interactions with further molecules in the solution. The obtained information may be used to evaluate the chemical reactivity and other physical properties of the modified HA molecules that are crucial for their technological applications. The research will be based mainly on simulations by the method of molecular dynamics supplemented by quantum-chemical applications and other techniques of theoretical chemistry.
Požadavky na studenta:
Ukončené magisterské studium přírodovědného nebo technického oboru obsahujícího alespoň základní kursy chemie, fyziky a matematiky. Zájem se vzdělávat ve výše uvedených oborech, základní znalosti informatiky a výpočetní techniky a pozitivní vztah k ní (znalosti programování vítány).
Requirements:
Finished undergraduate studies of a scientific or technological subject containing at least basic courses of chemistry, physics and mathematics. Interest in the mentioned subjects and further education in them, basic knowledge of informatics and computational technique and a positive relation to it (programing skills are appeciated).
Literatura/Literature:
(1)        Aya, K. L.; Stern, R. Hyaluronan in Wound Healing: Rediscovering a Major Player. Wound Repair Regen 2014, 22 (5), 579–593. https://doi.org/10.1111/wrr.12214.

(2)        Longinotti, C. The Use of Hyaluronic Acid Based Dressings to Treat Burns: A Review. Burns Trauma 2014, 2 (4), 162–168. https://doi.org/10.4103/2321-3868.142398.

(3)        Knopf-Marques, H.; Pravda, M.; Wolfova, L.; Velebny, V.; Schaaf, P.; Vrana, N. E.; Lavalle, P. Hyaluronic Acid and Its Derivatives in Coating and Delivery Systems: Applications in Tissue Engineering, Regenerative Medicine and Immunomodulation. Adv Healthc Mater 2016, 5 (22), 2841–2855. https://doi.org/10.1002/adhm.201600316.

(4)        Shah, K.; Crowder, D.; Overmeyer, J.; Maltese, W.; Yun, Y. Hyaluronan Drug Delivery Systems Are Promising for Cancer Therapy Because of Their Selective Attachment, Enhanced Uptake, and Superior Efficacy. Biomed. Eng. Lett. 2015, 5 (2), 109–123. https://doi.org/10.1007/s13534-015-0180-4.

(5)        Allison, D. D.; Grande-Allen, K. J. Review. Hyaluronan: A Powerful Tissue Engineering Tool. Tissue Eng. 2006, 12 (8), 2131–2140. https://doi.org/10.1089/ten.2006.12.2131.

(6)        Jiang, D.; Liang, J.; Noble, P. W. Hyaluronan in Tissue Injury and Repair. Annual Review of Cell and Developmental Biology 2007, 23 (1), 435–461. https://doi.org/10.1146/annurev.cellbio.23.090506.123337.

(7)        Siódmiak, J.; Bełdowski, P.; Augé, W. K.; Ledziński, D.; Śmigiel, S.; Gadomski, A. Molecular Dynamic Analysis of Hyaluronic Acid and Phospholipid Interaction in Tribological Surgical Adjuvant Design for Osteoarthritis. Molecules 2017, 22 (9). https://doi.org/10.3390/molecules22091436.

(8)        Bełdowski, P.; Mazurkiewicz, A.; Topoliński, T.; Małek, T. Hydrogen and Water Bonding between Glycosaminoglycans and Phospholipids in the Synovial Fluid: Molecular Dynamics Study. Materials 2019, 12 (13), 2060. https://doi.org/10.3390/ma12132060.

(9)        Payne, W. M.; Svechkarev, D.; Kyrychenko, A.; Mohs, A. M. The Role of Hydrophobic Modification on Hyaluronic Acid Dynamics and Self-Assembly. Carbohydr Polym 2018, 182, 132–141. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.10.054.

(10)      Svechkarev, D.; Kyrychenko, A.; Payne, W. M.; Mohs, A. M. Probing the Self-Assembly Dynamics and Internal Structure of Amphiphilic Hyaluronic Acid Conjugates by Fluorescence Spectroscopy and Molecular Dynamics Simulations. Soft Matter 2018, 14 (23), 4762–4771. https://doi.org/10.1039/c8sm00908b.

(11)      Ingr, M.; Kutálková, E.; Hrnčiřík, J. Hyaluronan Random Coils in Electrolyte Solutions-a Molecular Dynamics Study. Carbohydr Polym 2017, 170, 289–295. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.04.054.

(12)      Kutálková, E.; Hrnčiřík, J.; Witasek, R.; Ingr, M. Effect of Solvent and Ions on the Structure and Dynamics of a Hyaluronan Molecule. Carbohydrate Polymers 2020, 234, 115919. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.115919.

 

Faculties and departments

Close