Фуллерены и перспективы их применения в биологии и медицине.

Углерод является уникальным в своем роде элементом. В зависимости от типа, силы и количества связей он может образовывать множество соединений с различными физическими и химическими свойствами. До 1985 года было известно всего три аллотропных формы углерода: алмаз, графит и карбин.

Открытие молекулы фуллерена было случайностью. Гарольд Крото, астрофизик по специальности, изучал межзвездную пыль, представляющую собой длинноцепочечные молекулы полиенов (соединения, содержащие в молекуле не менее трех изолированных или сопряженных связей C=C), формирующиеся из красных гигантских звезд. Ричард Смолли и Роберт Керл примерно в это же время разработали метод анализа атомных кластеров, образующихся при облучении лазером, с использованием масс-спектрометрии. Именно это и требовалось Крото для исследования образования цепочек полиенов. В сентябре 1985 года Гарольд Крото, Роберт Керл и Ричард Смолли при изучении масс-спектров паров графита наблюдали пики, соответствующие массам 720 и 840 а.е. Они предположили, что данные пики отвечают молекулам С60 и С70 и выдвинули гипотезу, что молекула С60 имеет форму усечённого икосаэдра. Для молекулы С70 была предложена структура с более вытянутой эллипсоидальной формой. Исследователи назвали данные молекулы, представляющие собой новую форму углерода, фуллеренами — по имени американского архитектора Бакминстера Фуллера, использующего своеобразную структуру, напоминающую футбольный мяч, в своих строительных композициях (рис.1). Вот почему в зарубежных научных публикациях часто используется термин “buckminsterfullerene”. В 1996г. первооткрывателям фуллеренов была присуждена Нобелевская премия по химии.

Рисунок 1. А. Здание Биосферы в Монреале (архитектор Бакминстер Фуллер). Б. Молекула фуллерена С60

Cо времени открытия фуллерена С60 и, особенно со времени разработки методов получения его в макроколичествах, органическая химия фуллерена приобрела невиданную популярность и превратилась в самостоятельную ветвь органической химии.

Производные фуллерена могут применяться в самых различных областях науки и техники. Кристаллические фуллерены и пленки представляют собой полупроводники и обладают фотопроводимостью при оптическом облучении. Кристаллы С60, легированные атомами щелочных металлов, обладают металлической проводимостью и переходят в сверхпроводящее состояние при температурах 19-33 К в зависимости от типа щелочного металла. Растворы фуллеренов обладают нелинейными оптическими свойствами и поэтому могут быть использованы в качестве основы для нелинейных оптических затворов, применяемых для защиты оптических устройств от интенсивного оптического излучения. Фуллерены используются как катализаторы для синтеза алмазов [1].

Особый интерес представляет приложение фуллеренов в области биологии и медицины (рис. 2). В основе биологической активности фуллеренов лежат, в первую очередь, три свойства этих молекул: липофильность, определяющая мембранотропные свойства, электронодефицитность, приводящая к способности взаимодействовать со свободными радикалами, и способность их возбужденного состояния передавать энергию молекуле обычного кислорода и превращать его в синглетный кислород.

Рисунок 2. Биологические активности фуллеренов

Под действием света молекула фуллерена возбуждается. Возбужденная форма С60 способна либо сама образовывать радикалы, либо передавать свою энергию молекулярному кислороду, переводя его в синглетное состояние 1О2. Все эти активные формы веществ могут атаковать биомолекулы: липиды, белки, нуклеиновые кислоты. Итак, существует два механизма действия радикалов: первый тип – повреждение обусловлено любыми молекулами, кроме 1О2, тип второй – повреждение осуществляется синглетным кислородом. Для ДНК оба пути ведут к окислению нуклеотидов, что понижает стабильность фосфодиэфирной связи, в результате чего при щелочных рН происходит ее гидролиз. Свойство фуллерена образовывать активные формы кислорода используется в фотодинамической терапии, являющейся одним из способов лечения рака. В кровь пациенту вводят фотосенсибилизаторы (вещества, способные генерировать активные формы кислорода под действием света, в данном случае - фуллерены или их производные). Поскольку кровоток в опухоли слабее, чем в остальном организме, то фотосенсибилизаторы накапливаются в ней. После направленного облучения опухоли происходит возбуждение молекул фотосенсибилизатора и генерация активных форм кислорода, что вызывает апоптоз раковых клеток и разрушение опухоли. С другой стороны, фуллерены обладают антиоксидантными свойствами – являются активными акцепторами радикалов, что позволяет использовать их в качестве ловушек для АФК.

Было показано, что фуллерен может понижать активность ВИЧ-интегразы. Напомним, что ВИЧ-интеграза – белок, отвечающий за встраивание вирусной кДНК в ДНК человека. Фуллерены, взаимодействуя с этим белком, способны изменять его конформацию, влияя таким образом на его функции. Некоторые производные фуллерена способны взаимодействовать непосредственно с ДНК и препятствовать действию рестриктаз (ферментов, разрезающих ДНК в специфических местах).

Впервые в 2007 году появились сообщения об использовании водорастворимых фуллеренов в качестве противоаллергических средств. Производные (С60(ОН)x и С60(NEt)x) исследовались на человеческих тучных клетках (ТК) и базофилах периферической крови (БПК). В экспериментах in vivo (на живых организмах) введение 2нг/г (2нг=2?10-9г вещества на грамм веса мыши) производных фуллерена в мышей ингибирует анафилаксию (патологическую реакцию живого организма на введение чужеродных веществ), при этом токсического эффекта не наблюдается. Учитывая то, что для остановки анафилаксии требуются концентрации производных фуллерена в 400-300000 раз меньшие, чем те, что вызывают токсический эффект, водорастворимые фуллерены в будущем могут быть применены в лекарственных препаратах против аллергии.

Благодаря гидрофобности С60 проникновение в мембрану клетки осуществляется достаточно легко. В этом аспекте удобно использовать молекулу фуллерена в качестве вектора для доставки лекарств. Эритропоэтин, один из гормонов почек, является физиологическим стимулятором эритропоэза - активирует митоз и созревание эритроцитов из клеток-предшественников эритроцитарного ряда. Если вводить эритропоэтин непосредственно в кровь, то происходит значительная деградация его, однако при введении гормона вместе с фуллеренами концентрация активного и доступного для клеток эритропоэтина возрастает вдвое: благодаря адсорбции на фуллерен, большая часть попадает внутрь клетки.

В последние годы в несколько раз увеличилось производство фуллеренов и их производных. В связи с вышеперечисленными активностями производных фуллерена довольно остро стоит вопрос об их токсичности. Результаты токсикологических экспериментов весьма противоречивы: по одним данным, фуллерен, вызывая перекисное окисление липидов мембраны, ингибирует рост клетки и ведет к нарушению ее функционирования, по другим – фуллерены и их производные не способствуют нарушению целостности клетки. Последние исследования указывают на то, что цитотоксичность С60 зависит от способа приготовления вещества: ведь при выделении фуллерена из углеродной «сажи» используются различные органические растворители – сильные яды для клеток.

Однако до сих пор не ясны механизмы взаимодействия нативных фуллеренов с клетками. Изучить этот процесс на молекулярном уровне экспериментально невозможно, тогда на помощь приходят методы молекулярного моделирования, в том числе и метод молекулярной динамики.

Для фуллерена с использованием метода молекулярной динамики показано, что его проникновение в мембрану осуществляется через несколько наносекунд (10-9 секунд) (рис.3). Причем С60 остается внутри мембраны длительно время, что влияет на ее свойства: диффузию липидов, толщину, форму. Известно, что растворимость фуллеренов в воде крайне низка, поэтому в полярных растворителях происходит агрегация молекул. Исследовано, что большие агрегаты (16 и более молекул) не способны проникнуть внутрь мембраны пассивно. Однако агрегаты из 10 и менее молекул оказываются внутри билипидного слоя уже через 1 мкс. При проникновении образуется пора, куда проникает первый фуллерен из кластера. После этого остальные фуллерены проникают внутрь мембраны и на временах порядка микросекунд и дезагрегируют. При молярной концентрации фуллерена 11,1% понижается коэффициент латеральной диффузии липидов (характеристика текучести мембраны) на 40%, на 10% уменьшается модуль сжатия и на 20% модуль изгиба, что свидетельствует об общем смягчении мембраны. Однако изменение механических свойств мембраны не привело к каким-либо видимым повреждениям: разрыву, мицеллообразованию или формированию больших пор на временах расчета.

Рисунок 3. Изучение проникновения фуллерена в мембрану методом молекулярной динамики [3]

Таким образом, авторы делают вывод, что фуллерены даже при очень высокой концентрации не способны вызвать механических повреждений в мембранах [3].

На сегодняшний день фуллерены являются перспективными и многообещающими объектами нанобиотехнологий. Однако исследования фуллеренов и их свойств находятся лишь на начальной стадии, и до применения их в медицинской практике необходимо детально изучить влияние на живые организмы, механизмы взаимодействия с клеткой и отдельными ее компартментами.

Список использованной литературы

1. А.В.Елецкий, Б.М.Смирнов “Фуллерены”,УФН, 1993,т.163,№2,с.33-60; “Фуллерены и структуры углерода”,УФН,т.165,№9,1995,с.977.

2. Tatiana Ros Twenty Years of Promises: Fullerene in Medicinal Chemistry Medicinal Chemistry and Pharmacological Potential of Fullerenes and Carbon Nanotubes (2008), pp. 1-21.

3. Jirasak Wong-Ekkabut, Svetlana Baoukina, Wannapong Triampo, I-Ming Tang, Peter D Tieleman, Luca Monticelli Computer simulation study of fullerene translocation through lipid membranes Nat Nano, Vol. 3, No. 6. (June 2008), pp. 363-368.