тел.: 8(812)572-22-43; 8(981)728-20-30

Фуллерены и перспективы их применения в биологии и медицине

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.


Здание Биосферы в Монреале и Молекула фуллерена С60

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.


Биологические активности фуллеренов

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.


Изучение проникновения фуллерена в мембрану методом молекулярной динамики [3]

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.

 
Санкт-Петербург, Владимирский пр., д. 9, Author Boutique Hotel
Часы работы: 10:00 - 21:00
тел.: (812) 572-22-43 или +7(981) 728-20-30
e-mail: golden-line-ekaterina@yandex.ru

Обратная связь

Заполните все поля контактной формы