Тэг: с60

ПРОТИВОАЛЛЕРГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДОРАСТВОРИМОЙ ФОРМЫ ФУЛЛЕРЕНА C60

ПРОТИВОАЛЛЕРГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДОРАСТВОРИМОЙ ФОРМЫ ФУЛЛЕРЕНА C60

Шершакова Н.Н., Андреев С.М., Барабошкина Е.Н., Шабанова Д.Д., Макарова Э.А., Хаитов М.Р.

ФГБУ «ГНЦ Институт иммунологии» ФМБА России, 115478, Москва


Водорастворимая форма фуллерена C60 (ВРФ), получаемая путем исчерпывающего диализа водно-органического раствора, — перспективное средство для противоаллергической терапии. Противовоспалительные эффекты ВРФ оценивали на мышах BALBc с генерированной патологией атопического дерматита, индуцированной овальбумином. Значительное подавление IgE и цитокинов Th2-профиля и, наоборот, увеличение продукции цитокинов Th1- профиля наблюдали у мышей после эпидермальной аппликации ВРФ. Наблюдали также значительное увеличение уровней FOXP3+ регуляторных клеток и экспрессии мРНК филаггрина. Гистологическое исследование образцов кожи показало выраженное снижение эозинофильной и лейкоцитарной инфильтрации во взятых образцах. Используемый подход — хорошая альтернатива для лечения аллергических заболеваний.

Одна из движущих сил воспалительной реакции, в том числе и аллергии, — окислительный стресс, сопровождающийся генерацией активных форм кислорода, свободных радикалов и оксида азота. Фуллерен и его соединения как мощные антиоксиданты способны in vivo и in vitro эффективно инактивировать активные формы кислорода и свободные радикалы [1]. Это свойство делает фуллерен перспективным терапевтическим средством лечения аллергии и других воспалительных заболеваний, связанных с окислительным стрессом. Важными параметрами служат его низкая токсичность, мембранотропные свойства, возможность использовать разные пути его введения в организм. Поведение и свойства водных растворов фуллерена C60 (ВРФ), пригодные для биологических исследований, изучали довольно интенсивно; разработаны различные способы их получения. Однако, несмотря на это, практическое их применение в качестве фармакологических препаратов пока не описано. Многие известные методы получения ВРФ нетехнологичны, имеют проблемы с воспроизводимостью, включают применение токсичного толуола, характеризуются низкой степенью трансформации фуллерена из твердого состояния в раствор, что делает их крайне дорогими. Ранее мы описали принципиально новый метод получения ВРФ, основанный на переносе фуллерена из раствора N-метилпирролидона (МП) в водную фазу, используя принцип диализа через полупроницаемую мембрану [1]. Фуллерен в водной среде собирается в наноразмерные кластеры, непроходимые через поры мембраны в отличие от молекул МП. Противовоспалительная активность водного раствора C60 показана ранее в опытах на мышах [2].

Здесь мы кратко описываем результаты использования ВРФ для терапии экспериментального атопического дерматита, индуцированного у мышей с помощью аллергена овальбумина (ОА) при эпидермальной аппликации. В ходе исследования мы проанализировали изменения основных гуморальных и клеточных индикаторов, характерных для патогенеза атопического дерматита.

Показано, что уровень анти-ОА для IgE антител (важный показатель атопической экземы) в группе мышей, получавшей ВРФ, был заметно ниже относительно модельной (АДиндуцированной) группы. Для характеристики изменения иммунного ответа при введении ВРФ мы проанализировали важные в аллергии показатели цитокинового профиля: IL-4, IL-5, IL-12, IL-10, IL-13, IL-17, ИФН-γ, Foxp3. Показано, что уровень IL-4 в супернатантах ОА-стимулированных спленоцитов мышей, получавших фуллерен, был заметно ниже, чем у мышей в модельной группе. Похожую картину наблюдали при определении уровня IL-5 и IL-13 в той же группе. Эти данные свидетельствуют о том, что введение ВРФ снижает продукцию цитокинов Th2-профиля (IL-4, IL-5, IL-13). С другой стороны, IL-12 — представитель цитокинов Th1- профиля, и в этом случае ВРФ, наоборот, стимулировал его продукцию по сравнению с животными модельной группы. Кроме того, установлено, что при введении ВРФ также повышался уровень ИФН-γ.

Регуляторные Т-лимфоциты отвечают за дифференцировку Т-клеток, экспрессию цитокинов и других факторов, в том числе участвуют в экспрессии транскрипционного фактора Foxp3, задействованного в супрессии иммунного ответа. При этом также характерна повышенная продукция IL-10 как противовоспалительного цитокина (угнетается клеточный ответ и усиливается гуморальный ответ — стимуляция Т-хелперов 2-го типа). В данном случае мы показали, что при нанесении ВРФ степень продукции IL-10 не меняется относительно модельной группы животных. Однако у животных увеличивался уровень экспрессии Foxp3 по сравнению с модельной группой, что свидетельствует о повышении продукции регуляторных клеток; это может снижать уровень аллергического воспаления. Не исключено, что способность ВРФ влиять на экспрессию Foxp3 можно рассматривать как ключевой момент в понимании механизма его терапевтического действия.

В рамках этой работы мы также проанализировали продукцию IL-17, цитокина, который, как считают, ассоциирован с аллергическими реакциями, связанными с атопическим дерматитом. При обработке мышей ВРФ происходит заметное повышение концентрации IL-17. В литературе имеются противоречивые данные о роли IL-17 в патогенезе атопического дерматита, однако в большинстве работ наблюдают снижение уровня данного цитокина. Наши данные полностью согласуются именно с этим фактом, т. е. введение фуллерена приводило к повышению продукции IL-17.

Таким образом, по совокупности иммунологических параметров оценки можно сделать вывод о наличии у фуллерена C60 противоаллергической активности, поскольку он обеспечивает достоверное снижение уровня специфического IgE, Th2-цитокинов, а также повышение Th1-цитокинов [4]. Мы предполагаем, что эпидермальный слой кожи, содержащий клетки Лангерганса, лимфоциты, макрофаги, тучные и другие клетки, служит первичной мишенью воздействия ВРФ при эпидермальной аппликации, поскольку он не способен при накожной аппликации проникать в системный кровоток.


ЛИТЕРАТУРА

1. Пиотровский Л.Б., Киселев О.И. Фуллерены в биологии. Издательство «Росток»: СПб; 2006.

2. Babakhin A.A., Andrievsky G., DuBuske L.M. Inhibition of systemic and passive cutaneous anaphylaxis by water-soluble fullerene C60. J. Allerg. Clin. Immunol. 2009; 123(2): 118.

3. Андреев С.М., Пургина Д.Д., Башкатова Е.Н., Гаршев А.В., Маерле А.В., Хаитов М.Р. Эффективный способ получения водных нанодисперсий фуллерена C60. Российские нанотехнологии. 2014; 7-8: 11—7.

4. Shershakova N., Baraboshkina E., Andreev S., Purgina D., Struchkova I., Kamyshnikov O., et al. Anti-inflammatory effect of fullerene C60 in a mice model of atopic dermatitis. J. Nanobiotechnol. 2016; 14:8 DOI: 10.1186/s12951-016-0159-z.

ФУЛЕРЕН С60 ТА ЙОГО ПОХІДНІ ТА ЙОГО ПОХІДНІ ЯК ПРОТИПУХЛИННІ АГЕНТИ: ПРОБЛЕМИ І ПЕРСПЕКТИВИ

ФУЛЕРЕН С60


С. В. ПРИЛУЦЬКА, Ю. М. КІЧМАРЕНКО, К. І. БОГУЦЬКА, Ю. І. ПРИЛУЦЬКИЙ

Київський національний університет імені Тараса Шевченка


Створення нових біосумісних матеріалів, здатних виявляти протипухлинну активність чи підсилювати її в комбінації з традиційними препаратами, знижуючи їхні шкідливі побічні ефекти, є важливою комплексною проблемою, яка потребує використання останніх досягнень біотехнології. В огляді узагальнено дані літератури та результати досліджень авторів стосовно основних фізикохімічних властивостей і біодоступності фулерену С60 та його похідних, їхньої мембранотропної, токсичної і пухлинотропної дії в системах in vitro та in vivo. На підставі зроблених узагальнень проаналізовано перспективи застосування цих унікальних наноструктур в онкології, зокрема в лікуванні онкохворих та з діагностичною метою. Висвітлено також деякі проблеми, що виникають за використання фулерену С60 та його похідних у медицині. Вони, зокрема, пов’язані зі створенням високостабільних водорозчинних нетоксичних сполук фулеренів С60 для введення в організм людини і доставлення кровотоком в орган, який потребуватиме терапевтичного впливу, та участю їх у процесах метаболізму.


Подібно до того як Земля 500 років назад перестала здаватися пласкою, в наші дні увага… (дослідників) прикута до сферичного вуглецю. Лауреат Нобелівської премії Г. Крото щодо порівняння відкриття фулерену С60 з відкриттям Америки Х. Колумбом.

Однією з актуальних проблем розвитку сучасних нанобіотехнологій є цілеспрямоване застосування біосумісних низькотоксичних матеріалів розміром від 1 до 100 нм для лікування різноманітних хвороб. Так, в онкології, в рамках єдиного підходу природничих наук — фізики, хімії та біології, меди цини і матеріалознавства сформовано новий науковий напрям «Нанотехнологія злоякісних пухлин», що розробляє методи молекулярної діагностики і терапії онкологічних захворювань з використанням наночастинок.

Передбачається, що за допомогою запропонованих унікальних нанотехнологій буде вирішено проблеми ранньої діагностики злоякісних новоутворювань з визначенням їх локалізації, адресного доставлення лікарських препаратів у пухлину, а також розроблено нові методи селективної терапії. Серед можливих ефективних протипухлинних агентів значну роль відіграють вуглецеві наноструктури [1−3], зокрема фулерени С60 [4].

Наразі відомо, що вони мають імуно модулювальні властивості, нормалізують клітинний обмін речовин та нервові процеси, підвищуючи стійкість до стресу, виявляють противірусні властивості, мають виражену протизапальну і антиалергенну дію, посилюють активність ензимів та регенеративну здатність тканин [1, 5, 6]. Зрештою, немодифіковані фулерени С60 та їхні похідні (модифіковані фулерени С60) можуть бути допоміжним засобом у комплексній терапії раку завдяки підвищенню захисних функцій імунної та антиоксидантної систем організму [7−10].


Структура.

Фулерен С60 являє собою молекулу майже сферичної форми (діаметром 0,72 нм), поверхня якої складається з 12 п’ятикутників і 20 шестикутників, у вузлах яких міститься 60 атомів карбону, поєднаних між собою одинарними та подвій ними хімічними зв’язками [4]. Серед можливих інших типів фулеренів (рис.) найбільший інтерес для експериментальних біологічних досліджень становить саме молекула С60, яка легко утворюється, характеризується високою хімічною стабільністю та унікальними фізичними властивостями [11−13]. 

Фулерени С60 можуть бути хімічно модифіковані (ковалентне та нековалентне приєднання різних груп, комплексів, атомів), що дає змогу забезпечити оптимальні умови вияву їхньої реакційної здатності у біологічних рідинах та всередині клітини [14−16]. Вони мають відновлювальну здатність, легко приєднуючи до шести електронів. Завдяки цьому фулерени С60 та їхні похідні діють у біологічних системах як уловлювачі вільних радикалів, зокрема й активних форм кисню (АФК) [17], гіперпродукція яких призводить до виникнення багатьох захворювань. Це відкриває реальну перспективу застосування цих сполук як потужних антиоксидантів, дія яких за силою і тривалістю перевищує дію відомих природних антиоксидантів — вітамінів С, Е і каротиноїдів [18−21].

З другого боку, інтенсивно поглинаючи світло в ультрафіолетовій та близькій видимій ділянках спектра [22], фулерени С60 та їхні похідні активно генерують АФК [23–26] і, таким чином, виступають як потужні прооксиданти. Отже, здатність фулеренів С60 та їхніх похідних виявляти специфічну біологічну активність в системах in vitro та in vivo, у тому числі й завдяки своїм фотофізичним властивостям, уможливлює практичне застосування цих унікальних наноструктур у терапії раку.


Біодоступність.

За хімічними властивостями фулерени С60 є гідрофобними — вони нерозчинні у полярних розчинниках, що обмежує їх біодоступність [27]. З метою підвищення їхньої гідрофільності молекули С60 піддають хімічній модифікації (функціоналізації) [28]. Для цього використовують такі основні методичні підходи: утворення нековалентно зв’язаних комплексів фулеренів С60 з водорозчинними полімерами, хімічний синтез водорозчинних похідних фулеренів С60 через приєднання до їхньої поверхні полярних замісників та отримання стабільних водних колоїдних розчинів немодифікованих фулеренів С60 з використанням ультразвукової технології.

Найбільш перспективним підходом до отримання водорозчинних фулеренів С60 вважають хімічну модифікацію їхнього каркасу через приєднання полярних гідрофільних груп (гідроксильних, карбоксильних та аміногруп). З погляду молекулярної будови такі фулеренвмісні структури можна умовно поділити на дві групи — поліфункціоналізовані сполуки, у яких замісники розташовані по всій поверхні фулеренового каркасу, і сполуки з одним чи декількома замісниками у певній ділянці каркасу. З метою оптимізації введення фулеренів С60 у водне середовище, запобігання агрегації, забезпечення рівномірного розміщення і специфічності їх взаємодії з біологічним субстратом у зоні контакту було запропоновано іммобілізацію фулеренів С60 на сферичних наночастинках діоксиду кремнію — аеросилу, який є хімічно інертним матеріалом з гідрофільною поверхнею [29]. До складу таких композитів можна вводити структури, що здатні вловлювати світло (наприклад, порфірин, антраценаль, флюоресцеїн) і посилювати фотосенсибілізувальний ефект фулеренів С60 у клітинах [30].

Висунуто пропозицію створювати біологічно активні гібридні наноструктури на основі амінокислотних похідних фулеренів С60 шляхом приєднання до фулеренового каркасу двох різних сполук (адентів): одна з них — амінокислота — забезпечує водорозчинність, а друга — специфічну біологічну дію щодо протеїнів, клітин [28, 31].

Відомі також оригінальні методики прямого приєднання амінокислот і пептидів до подвійного зв’язку у молекулі С60 через аміногрупу або шляхом заміщення атома водню, уведеного попередньо до структури фулерену С60 в процесі приєднання амінокислоти [28]. Для отримання водного розчину немодифікованих фулеренів С60 було застосовано метод, який ґрунтується на переведенні молекул С60 з толуолу у воду з подальшим обробленням ультразвуком [22]. Виявилося, що цей темнокоричневий розчин є типовою колоїдною системою, яка містить як поодинокі молекули С60, так і сферичні кластери діаметром до 3 нм (залежно від концентрації фулеренів С60 у воді) у гідратованому стані [32, 33]. Встановлено [22], що найбільш енергетично доцільною структурою в такому водному розчині є клатрат С60(Н2О)60.

Отже, розглянуті методи переведення фулеренів С60 у біодоступну водорозчинну форму дають змогу цілеспрямовано застосовувати їх у медичних нанотехнологіях. Мембранотропність. Під час взаємодії з мембранами клітин фулерени C60 та їхні похідні залежно від розміру індукують появу в них різних дефектів, зокрема формування каналів і пор. Так, дослідженням субклітинного розподілу водорозчинної сполуки С60(СО2H)2 із застосуванням флуоресцентної мікроскопії та моноклональних антитіл виявлено, що вона проникає через плазматичну мембрану всередину фібробластів людини, де зв’язується переважно з мітохондріями [34]. Автори пояснюють цей факт подібністю між структурою молекули C60 та вкритих клатриновою граткою везикул, які поглинаються клітиною шляхом ендоцитозу.

В експериментах з використанням флуоресцентних зондів (еритрозину і пірену), вбудованих у бішар фосфатидилхолінових ліпосом, показано, що комплекс С60полівінілпіролідол у процесі взаємодії з ліпосомами руйнується, причому полімерна матриця залишається ззовні, а молекула С60 вільно дифундує у мембрану [35, 36]. Проникнення фулерену С60 у мембрану призводить до зміни в’язкості мембранних ліпідів. Із застосуванням мічених 14C–С60 фулеренів встановлено, що вони, взаємодіючи з поверхнею кератиноцитів людини, здатні проникати всередину клітин [37].

У разі введення піддослідним мишам суспензії міченого фулерену С60 (концентрація 10–3 М) спостерігали його накопичення у вигляді кристалів у печінці й селезінці тварин [38, 39]. За взаємодії фулеренів C60 із ліпосомальним бішаром відбувалося зменшення діаметра ліпосом та збільшення його поверхневого заряду [40].

Використовуючи методи молекулярної динаміки, встановили, що фулерени С60 здатні мігрувати всередину ліпідної основи мембрани внаслідок пасивної дифузії [41]. Високі концентрації фулеренів С60 індукують зміни структурних і пружних властивостей ліпідного бішару [42], однак вони не є достатніми для механічного пошкодження мембрани.

Показано [43−45], що модифіковані флуоресцентною міткою фулерени C60 за низьких концентрацій (10–4–1) мг/мл взаємодіють зі штучною бімолекулярною ліпідною мембраною, збільшуючи її питому провідність та електричну ємність, і проникають крізь плазматичну мембрану клітин HeLa, утворюючи в ній локальні дефекти (пори або канали). Отже, завдяки мембранотропній активності фулерени С60 та їхні похідні потенційно можуть бути як транспортерами лікарських засобів у клітини і тканини організму, так і агентами специфічної біомедичної дії.


Токсичність.

Відомості щодо токсичної активності фулеренів С60 та їхніх похідних наразі є суперечливими, що зумовлено умовами і терміном інкубації, концентрацією і розміром цих наночастинок та способом функціоналізації [46]. Так, після введення щурам шляхом інтраназальної інгаляції як нано(діаметр 55 нм), так і мікрочастинок (0,93 мкм) фулеренів С60 упродовж 10 днів запальних процесів у легенях тварин не виявлено [47].

Є повідомлення про відсутність легеневої токсичності, пов’язаної з інтратрахеальним уведенням фулеренів С60 або С60(ОН)24 щурам упродовж 3 місяців (загальна доза становила 3 мг/кг) [48]. Встановлено, що фулерол (доза до 200 мкг/на тварину) послаблює нейтрофільне запалення легень у мишей [49]. Виявлено [50], що для водорозчинних поліалкілсульфонованих фулеренів С60, які вводили щурам інтраперитонеально, значення величини LD50 становить 600 мг/кг, а мішенями їхньої токсичної дії є нирки, печінка та жовчний міхур. Жодних токсичних ефектів чи летальних наслідків не було зафіксовано за використання суміші фулеренів С60 і С70 (водний розчин 0,5% натрійкарбоксиметилцелюлози, що містив 0,1% Tween 80) після перорального введення в організм щурів загальної дози 2 г/кг упродовж 14 днів [51].

Виявлено здатність похідних фулеренів С60 ініціювати дозозалежну токсичність через некротичний механізм [52]. Встановлено, що токсичний потенціал (зумовлений головним чином пероксидним окисненням ліпідів) похідних фулеренів С60 щодо дермальних фібробластів, гепатоцитів і нормальних астроцитів людини істотно залежить від типу їх функціоналізації [53]. Гідроксильовані фулерени С60 за концентрації до 100 мкг/мл під час інкубації у суспензії судинних ендотеліальних клітин протягом 10 днів призводили до їх загибелі [54].

Наночастинки С60 (2,4 мкг/мл, приготовлені з використанням тетрагідрофурану — ТГФ) спричинюють токсичну дію, унаслідок якої посилюються процеси продукування АФК, пероксидного окиснення ліпідів і ушкоджуються мембрани клітин різних ліній (фібробласти шкіри, гепатоцити й астроцити) [55]. Відзначено, що токсичність сполуки C60(OH)18 є вищою порівняно з немодифікованими фулеренами С60 [56].

Фулерени C60 (концентрація до 10 мкг/мл, приготовлені з використанням ТГФ) не спричинювали токсичної дії щодо макрофагів людини in vitro, незважаючи на те, що локалізувались у цитоплазмі, ядрі та лізосомах клітин [57]. Припускають, що токсичність, пов’язана з дією фулеренів C60, може бути наслідком присутності залишкового розчинника (або їхніх похідних), що має здатність інтеркалювати у структуру фулерену C60 або вивільнятись у водну фазу [58].

TГФC60 виявляли найбільшу токсичність, а немодифіковані фулерени C60 — найменшу у клітинних лініях кератиноцитів NTCC2544 та фібробластів шкіри NHDF людини, меланоми B6 і L929 фібросаркоми миші (діаметр наночастинок становив менше 36 нм) [59]. Виявлено, що додавання немодифікованих фулеренів С60 у діапазоні концентрацій 10–6−10–5 М (розмір наночастинок не перевищував 3 нм) до суспензій нормальних (тимоцитів) і трансформованих (асцитної карциноми Ерліха — АКЕ та лейкозу L1210) клітин не впливало на їхню життєздатність, накопичення продуктів ПОЛ у гомогенатах печінки і мозку та стійкість еритроцитів до гемолізу [60].

Наразі більшість даних літератури свідчить, що немодифіковані фулерени С60 за низьких концентрацій (близьких до фізіологічних) не виявляють гострої токсичної дії в системах in vitro та in vivo [61, 62]. Отже, хімічна структура, розмір, доза введення — це головні чинники, які зумовлюють специфічну біологічну дію фулеренів С60 та їхніх похідних, включаючи токсичність.

Токсичність фулеренів С60 тісно пов’язана з оксидативною відповіддю, що вказує на необхідність проведення детального аналізу їхньої здатності викликати оксидативний стрес і пов’язані з ним наслідки, зокрема запалення або ушкодження ДНК.


Пухлинотропність.

Один із можливих способів використання фулеренів С60 у терапії злоякісних новоутворень базується на їх модифікації шляхом приєднання біологічно активних лігандів, що мають протипухлинну активність. Так, фулерени С60 можуть слугувати вектором доставлення оксиду азоту до клітинмішеней [63]. Відомо, що монооксид азоту (NO) контролює тонус судин, є модулятором окисних реакцій, процесу апоптозу та імунних реакцій [64]. Виявлено хемосенсибілізуючий ефект фулеренів С60 як донорів NO у терапії раку, що дозволяє досягти практично 100%го виживання експериментальних тварин.

Водорозчинні немодифіковані фулерени С60 (загальна доза 25 мг/кг, уведення — 5 разів через день) вірогідно пригнічували як ріст пухлин, так і метастазування карциноми легень Льюїс у мишей лінії С57Bl/6: максимальний терапевтичний ефект становив 25,1% за гальмуванням росту пухлини та 48% за індексом інгібування метастазів (ІІМ); зростання тривалості життя тварин досягало 21,8% [9, 10].

У роботі [31] вивчено дію амінокислотних похідних фулерену С60 (АПФ) у комбінації з протипухлинним антибіотиком адріаміцином на моделі метастазуючої пухлини — карциноми легень Льюїс у мишей лінії BDF1. Встановлено, що АПФ проникають через ліпідний бішар біологічної мембрани і є ефективними інгібіторами пероксидного окиснення ліпідів. Найбільший терапевтичний ефект застосування АПФ (доза 50 мг/кг) у комбінації з адріаміцином (доза 1 мг/кг) становив 40% ІІМ.

Уведення водорозчинних немодифікованих фулеренів С60 (доза 5 мг/кг) за 20 хв до введення доксорубіцину (доза 0,5 мг/кг) упродовж 10 днів (5 разів через день) сприяло вірогідному гальмуванню як росту пухлини, так і метастазів карциноми легень Льюїс у мишей лінії С57Bl/6J: максимальний терапевтичний ефект становив 79% ІІМ та 34% за гальмуванням росту пухлини; зростання тривалості життя тварин досягало 24,4% [65]. У рамках хімічно індукованої моделі раку молочної залози вивчали можливу захисну роль фулеренолу [С60(ОН)24] щодо дії протипухлинного препарату доксорубіцину, який спричинював легеневу токсичність у щурів [66].

Результати чітко демонструють, що застосування лише доксорубіцину (доза 8 мг/кг) помітно погіршує функцію легень, однак попереднє введення фулеренолу (доза 100 мг/кг) за 30 хв до доксорубіцину запобігає його токсичній дії внаслідок інгібування оксидативного стресу. Пухлиногальмівний ефект та імуномодулювальна активність фулеролу протестовано на моделі H22 гепатокарциноми миші [8]. Уведення цієї сполуки в дозах 0,2 і 1,0 мг/кг упродовж 17 днів виявило значне пригнічення об’єму пухлин, а саме: 31,9 і 38,4% відповідно.

Результати засвідчили, що фулерол підвищує вроджений імунітет мишей щодо пухлин і, отже, гальмує їх ріст.

Підтвердженням цього факту слугують також дані щодо протекторної дії водорозчинних немодифікованих фулеренів С60 [10]: їх уведення (загальна доза 25 мг/кг; 5 разів через день) мишам лінії С57Bl/6J до перещеплення карциноми легень Льюїс зумовлювало вірогідне гальмування росту пухлин: максимальний терапевтичний ефект становив 96% ІІМ та 35% за гальмуванням росту пухлини; зростання тривалості життя тварин досягало 30,3%. За сучасними уявленнями, перехід від доброякісного стану пухлини у злоякісний відбувається тоді, коли пухлина починає проростати кровоносними судинами. Цей процес отримав назву васкуляризації, або ангіогенезу [67].

Індукція ангіогенезу здійснюється сигнальними протеїнами — факторами росту фібробластів (FGFb) та факторами росту ендотелію судин (VEGF), які секретуються клітинами пухлин. Показано, що похідні фулеренів С60 здатні одночасно регулювати більш ніж 10 ангіогенних факторів на рівні мРНК [68]. Модельні дослідження [69] виявили блокування фулеренами С60 утворення нових мікросудин у пухлині, що перешкоджало її подальшому росту і прогресуванню.

Слід також відзначити, що наразі обговорюється ідея створення протипухлинних медичних препаратів на основі водорозчинних ендофулеренів С60 (молекули С60, усередині яких розміщено один або декілька атомів якогонебудь хімічного елемента) із впровадженими всередину структури фулерену С60 радіоактивними ізотопами.

Окрім використання ендофулеренів С60 як нешкідливих радіоактивних маркерів уведення ліків на їх основі у тканини організму дасть змогу вибірково впливати на уражені пухлиною клітини, перешкоджаючи їх подальшому розмноженню.


Фотодинамічна терапія раку.

Спрямований вплив на залежні від продукції АФК ( 1 O2, O2 •– , • OH, Н2О2) сигнальні шляхи вважають перспективним способом пригнічення пухлинного росту [64]. Як традиційний напрям розглядають використання наночастинок як фотосенсибілізаторів у фотодинамічній терапії (ФДТ) [70]. ФДТ заснована на вибірковому накопиченні фотосенсибілізатора у пухлинних клітинах і його здатності генерувати АФК унаслідок опромінення світлом з певною довжиною хвилі, що призводить до загибелі ракових клітин.

Унікальною фотофізичною властивістю молекули С60 є здатність переходити під дією УФ/ВИДвипромінювання у збуджений стан і майже зі 100%ю ефективністю продукувати синглетний кисень [23, 24, 71]. У рамках ФДТ пропонують використовувати комплекси порфіринів, асоційованих із фулеренами С60, які значно посилюють фотосенсибілізувальний ефект у пухлинних клітинах [30, 72, 73].

В експериментах in vitro з клітинами АКЕ за присутності немодифікованих фулеренів С60 (концентрація 10–5 М) виявлено зниження на 58% життєздатності трансформованих клітин після опромінення ртутною лампою (потужність 24 Вт) упродовж 2 хв. Методом ЕПР доведено генерацію фулеренами С60 супероксидного аніонрадикалу зі швидкістю 10 нмоль/мл за 1 хв [24]. Показано, що інкубація пухлинних клітин із фулеренами С60 з наступним опроміненням видимим світлом спричинює апоптоз клітин через 4−6 год після опромінення [70].

Опромінення трисмалонатних похідних фулеренів С60 (λ = 220−450 нм) за інкубації у суспензії Тклітин лінії Jurkat зумовлювало їх загибель [74]. Мишам з пухлиною, локалізованою у підшкірному шарі спини, вводили водорозчинний С60поліетиленгліколь (ПЕГ) (доза 424 мкг/кг) і опромінювали ділянку з пухлиною видимим світлом енергією 107 Дж/см2 , унаслідок чого ріст пухлини пригнічувався [75]. Гістологічний аналіз показав, що має місце некроз пухлини. При цьому клітини шкіри залишалися неушкодженими.

Отже, фулерени С60 та їхні похідні є високоефективними протипухлинними агентами, які здатні перешкоджати росту злоякісних пухлин, у комбінації з традиційними цитостатиками запобігати їхній токсичній дії на організменому рівні, посилювати генерування АФК у клітинах пухлин внаслідок УФ/ВИДопромінення, що призводить до їх незворотних окисних ушкоджень. Проблеми використання. Поряд зі значними перспективами у використанні фулерену C60 та його похідних у медицині існують також певні проблеми і перестороги на цьому шляху. Так, дані щодо біологічних випробувань водних дисперсій фулерену C60 ставлять під сумнів безпеку для живих організмів і навколишнього середовища загалом.

З другого боку, наводяться аргументовані докази, що немодифіковані фулерени C60 не є токсичними, а супрамолекулярна система «фулерен C60 — вода» має широкий спектр високої позитивної біоактивності. Наразі встановлено, що токсичність молекул C60 істотно залежить від модифікації їхньої поверхні. Отже, питання токсичності фулеренів C60, їх надходження і розповсюдження у внутрішньоклітинному просторі, накопичення в органах та виведення з допустимою швидкістю залишаються досі відкритими.

У разі встановлення безпеки для організму фулерени C60 та їхні похідні можуть набути застосування в фармакології, наприклад для таргетного спрямування до клітинних органел, впливу на внутрішньоклітинні процеси та індукції загибелі трансформованих клітин.

Таким чином, завдяки нанорозмірності, анти/прооксидантним властивостям, біодоступності, здатності взаємодіяти з біологічними молекулами, проникати всередину клітин та відсутності виявів гострої токсичності фулерен C60 та його похідні є потенційними фармакологічними сполуками нового класу для розроблення технології пригнічення пухлинного процесу. Вони можуть слугувати не лише носіями лікарських засобів та маркерів у клітини і тканини організму, а й високоефективними протекторами та інгібіторами росту злоякісних пухлин і метастазування, їхніми деструктантами внаслідок фотозбудження та в комбінації з відомими протипухлинними препаратами. 


ЛІТЕРАТУРА

1. Cataldo F., Da Ros T. (Eds.) Medicinal Chemistry and Pharmacological Potential of Fullerenes and Carbon Nanotubes. Series: Carbon Materials: Chemistry and Physics. — Netherlands: Springer, 2008. — 408 p.

2. Прилуцька С. В., Ременяк О. В., Бурлака А. П., Прилуцький Ю. І. Перспективи використання вуглецевих нанотрубок у протираковій те рапії // Онкология. — 2010. — № 12. — С. 5–9.

3. Burlaka A., Lukin S., Prylutska S. et al. Hyperthermic effect of multiwalled carbon nanotubes stimulated with near infrared irra diation for anticancer therapy: in vitro studies // Exp. Oncol. — 2010. — V. 32. — P. 48–50.

4. Kroto H. W., Heath S., O’Brien S. C. et al. C60: Buckminsterfullerene // Nature. — 1985. — V. 318. — P. 162–163.

5. Пиотровский Л. Б., Киселев О. И. Фуллерены в биологии. — СПб: Росток, 2006. — 336 с.

6. Wilson S. R. Biological aspects of fullerenes. Fullerenes: Chemistry, Physics and Technology. — New York: John Wiley & Sons, 2000. — P. 437–465.

7. Ashcroft J. M., Tsyboulski D. A., Hartman K. B. et al. Fullerene C60 immunoconjugates: inter action of watersoluble C60 derivatives with the murine antigp240 melanoma antibody // Chem. Commun. — 2006. — V. 28. — P.3004–3006.

8. Zhu J., Ji Zh., Wang J. et al. Tumorinhibitory еffect and immunomodulatory activity of fullerol C60(OH)x // Small. — 2008. — V. 4. — P. 1168—1175.

9. Prylutska S. V., Burlaka A. P., Prylutskyy Yu. I. et al. Pristine C60 fullerenes inhibit the rate of tumor growth and metastasis // Exp. Oncol. — 2011. — V. 33. — P. 162–164.

10. Prylutska S. V., Burlaka A. P., Klymenko P. P. et al. Using watersoluble C60 fullerenes in anticancer therapy // Cancer Nanotechnol. — 2011. — V. 2. — P. 105–110.

11. Елецкий А. В., Смирнов Б. М. Фуллерены и структуры углерода // УФН. — 1995. — T. 165. — C. 977–1009.

12. Dresselhaus M. S., Dresselhaus G., Eklund P. C. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes: Their Properties and Applications. — New York: Academic Press, 1996. — 985 p.

13. Arbogast J. W., Foote Ch. S. Photophysical properties of C60 // J. Am. Chem. Soc. — 1991. — V. 113. — P. 8886–8889.

14. Da Ros T., Prato M. Medical chemistry with fullerenes and fullerenes derivatives // Chem. Commun. — 1999. — V. 8. — P. 663–669.

15. Djordjevic A., Bogdanovic G., Dobric S. Fullerenes in biomedicine // J. Buon. — 2006. — V. 11. — P. 391–404.

16. Матишевська О. П., Прилуцька С. В., Гри$ нюк І. І. Фулерени С60 — біологічно ак тивні молекули. I. Фізикохімічні власти вості та біодоступність // Біотехнологія. — 2010. — T. 3, № 1. — C. 18–26.

17. Sun T., Xu Z. Radical scavenging activities of alphaalanine C60 adduct // Bioorg. Med. Chem. Lett. — 2006. — V. 16. — P. 3731–3734.

18. Wang I. C., Tai L. A., Lee D. D. et al. C60 and watersoluble fullerene derivatives as antioxidants against radicalsinitiated lipid peroxidation // J. Med. Chem. — 1999. — V. 42. — P. 4614–4620.

19. Gharbi N., Pressac M., Hadchouel M. et al. [60] Fullerene is a powerful antioxidant in vivo with no acute or subacute toxicity // Nano Lett. — 2005. — V. 5. — P. 2578–2585.

20. Xiao L., Takada H., Gan X., Miwa N. The watersoluble fullerene derivative «radical sponge» exerts cytoprotective action against UV irradiation but not visiblelightcat alyzed cytotoxicity in human skin keratino cytes // Bioorg. Med. Chem. Lett. — 2006. — V. 16. — P. 1590–1595.

21. Prylutska S. V., Grynyuk I. I., Matyshev$ ska O. P. et al. Antioxidant properties of C60 fullerenes in vitro // Fullerenes, Nanotubes, and Carbon Nanostruct. — 2008. — V. 16. — P. 698–705.

22. Scharff P., Risch K., Carta$Abelmann L. et al. Structure of C60 fullerene in water: spectro Огляди 15 scopic data // Carbon. — 2004. — V. 42. — P. 1203–1206.

23. Yamakoshi Y., Umezawa N., Ryu A. et al. Active oxygen species generated from photoexcited fullerene C60 as potential medicines: versus // J. Chem. Soc. — 2003. — V. 125. — P.12803–12809.

24. Burlaka A. P., Sidorik Ye. Р., Prylutska S. V. et al. Catalytic system of the reactive oxygen species on the C60 fullerene basis // Exp. Oncol. — 2004. — V. 26. — P. 326–327.

25. Prylutska S. V., Burlaka А. P., Маtyshevska О. P. et al. Effect of the visible light irradiation of fullerenecontaining composites on the ROS generation and the viability of tumor cells // Ibid. — 2006. — V. 28. — P. 160–162.

26. Scharff P., Ritter U., Matyshevska O. P. et al. Therapeutic reactive oxygen generation // Tumori. — 2008. — V. 94. — P. 278–283.

27. Ruoff R. S., Tse D. S., Malhotra M., Lorents D. C. Solubility of fullerene C60 in a variety of sol vents // J. Phys. Chem. — 1993. — V. 97. — P. 3379—3383.

28. Hirsch A., Brettreich M. Fullerenes — Chemistry and Reactions. — New York: John Wiley & Sons, 2005. — 437 p.

29. Golub A., Matyshevska O., Prylutska S. et al. Fullerenes immobilized at silica surface: topology, structure and bioactivity // J. Mol. Liq. — 2003. — V. 105. — P. 141–147.

30. Davydenko M. O., Radchenko E. O., Yash$ chuk V. M. et al. Sensibilization of fullerene C60 immobilized at silica nanoparticles for cancer photodynamic therapy // Ibid. — 2006. — V. 127. — P. 145–147.

31. Файнгольд И. И., Коновалова Н. П., Ко$ тельникова Р. А. и др. Аминокислотные производные фуллерена С60 — модифика торы биологических реакций при цитоста тической терапии метастазирующих опу холей // Рос. биотерапевт. журн. — 2007. — T. 6, № 1. — С. 52.

32. Prilutski Yu. I., Durov S. S., Yashchuk V. N. et al. Theoretical predictions and experimental studies of selforganization C60 nanopar ticles in water solution and on the support // Eur. Phys. J. D. — 1999. — V. 9. — P. 341–343.

33. Bulavin L., Adamenko I., Prylutskyy Yu. et al. Structure of fullerene C60 in aqueous solu tion // Phys. Chem. Chem. Phys. — 2000. — V. 2. — P. 1627–1629.

34. Foley S., Crowley C., Smaihi M. et al. Cellular localisation of a watersoluble fullerene derivative // Biochem. Biophys. Res. Com mun. — 2002. — V. 294. — P. 116–119.

35. Piotrovsky L. B., Dumpis M. A., Poznyakova L. N. et al. Study of the biological activity of the adducts of fullerenes with poly(Nvinyl pyrrolidine) // Mol. Mater. Sci. — 2000. — V. 13. — P. 41–50.

36. Qiao R., Roberts A. P., Mount A. S. et al. Translocation of C60 and its derivatives across a lipid bilayer // Nano Lett. — 2007. — V. 7. — P. 614–619.

37. Scrivens W. A., Tour J. M., Creek K. E., Pirisi L. Synthesis of labeled C60, its suspension in water, and its uptake by human keratinocytes // J. Am. Chem. Soc. — 1994. — V. 116. — P. 4517–4518.

38. Bullard$Dillard R., Creek K. E., Scrivens W. A., Tour J. M. Tissue sites of uptake of labeled C60 // Bioorg. Chem. — 1996. — V. 24. — P.376–385.

39. Moussa F., Trivin F., Cerolin R. et al. Early effects of C60 administration in swiss mice: a premilinary account for in vivo C60 toxicity // Full. Sci. Technol. — 1996. — N 4. — P. 21–29.

40. Katsamenis O. L., Bouropoulos N., Fatouros D. G. Interaction of fullerenes C60 with large uni lamellar vesicles // J. Biomed. Nanotechnol. — 2009. — V. 5. — P. 416–420.

41. Bedrov D., Smith G. D., Davande H., Li L. Passive transport of C60 fullerenes through a lipid membrane: a molecular dynamics simu lation study // J. Phys. Chem. B — 2008. — V. 112. — P. 2078–2084.

42. Wong$Ekkabut J., Baoukina S., Triampo W. et al. Computer simulation study of fullerene translocation through lipid membranes // Nat. Nanotechnol. — 2008. — V. 3. — P. 363–368.

43. Prylutska S. V., Matyshevska O. P., Grynyuk I. I. et al. Biological effects of C60 fullerenes in vitro and in a model system // Mol. Cryst. Liq. Cryst. — 2007. — V. 468. — P. 265–274.

44. Schuetze C., Ritter U., Scharff P. et al. Inter action of Nfluorescein5isothiocyanate pyrrolidineC60 compound with a model bimolecular lipid membrane // Mater. Sci. Engineer. C. — 2011. — V. 31. — P. 1148–1150.

45. Prylutska S., Bilyy R., Overchuk M. et al. Watersoluble pristine fullerenes C60 increase the specific conductivity and capacity of lipid model membrane and form the channels in cellular plasma membrane // J. Biomed. Nanotechnol. — 2012. — V. 8, N 3. — P. 522–527.

46. Johnston H. J., Hutchison G. R., Christen$ sen F. M. et al. The biological mechanisms and physicochemical characteristics respon sible for driving fullerene toxicity // Toxi col. Sci. — 2010. — V. 114. — P. 162–182.

47. Baker G. L., Gupta A., Clark M. L. et al. Inhalation toxicity and lung toxicokinetics of C60 fullerene nanoparticles and micropar ticles // Ibid. — 2008. — V. 101. — P. 122–131.

48. Sayes C. M., Marchione A. A., Reed K. L., Warheit D. B. Comparative pulmonary toxi city assessments of C60 water suspensions in rats: few differences in fullerene toxicity in vivo in contrast to in vitro profiles // Nano Lett. — 2007. — V. 7. — P. 2399–2406.

49. Roursgaard M., Poulsen S. S., Kepley C. L. et al. Polyhydroxylated C60 fullerene (fullere nol) attenuates neutrophilic lung inflamma tion in mice // Basic Clin. Pharmacol. Toxicol. — 2008. — V. 103. — P. 386–388. БІОТЕХНОЛОГІЯ, Т. 5, №3, 2012 16

50. Chen H. H., Yu C., Ueng T. H. et al. Acute and subacute toxicity study of watersoluble polyalkylsulfonated C60 in rats // Toxicol. Pathol. — 1998. — V. 26. — P. 143–151.

51. Mori T., Takada H., Ito S. et al. Preclinical studies on safety of fullerene upon acute oral administration and evaluation for no muta genesis // Toxicology. — 2006. — V. 225. — P. 48–54.

52. Rouse J. G., Yang J., Barton A. R., Monteiro$ Reviere N. A. Fullerenebased amino acid nanoparticle interactions with human epi dermal keratinocytes // Toxicol. in Vitro. — 2006. — V. 20. — P. 1313–1320.

53. Sayes C. M., Fortner J. D., Guo W. et al. The differential cytotoxicity of watersoluble fullerenes // Nano Lett. — 2004. — V. 4. — P. 1881–1887.

54. Yamawaki H., Iwai N. Cytotoxicity of water soluble fullerene in vascular endothelial cells // Am. J. Physiol. — 2006. — V. 290. — P. C1495–C1502.

55. Sayes C. M., Gobin A. M., Ausman K. D. et al. NanoC60 cytotoxicity is due to lipid peroxi dation // Biomaterials. — 2005. — V. 26. — P. 7587–7595.

56. Kamat J. P., Devasagayam T. P. A., Priyadar$ sini K. I., Mohan H. Reactive oxygen species mediated membrane damage induced by fullerene derivatives and its possible biologi cal implications // Toxicology. — 2000. — V. 155. — P. 55–61.

57. Porter A. E., Muller K., Skepper J. et al. Uptake of C60 by human monocyte marcro phages, its localization and implications for toxicity: studied by high resolution electron microscopy and electron tomography // Acta Biomater. — 2006. — V. 2. — P. 409–419.

58. Zhang B., Cho M., Fortner J. D. et al. Delinea ting oxidative processes of aqueous C60 preparations: role of THF peroxide // Environ. Sci. Technol. — 2009. — V. 43. — P. 108–113.

59. Markovic Z., Todorovic$Markovic B., Kleut D. et al. The mechanism of celldamaging reac tive oxygen generation by colloidal fullerenes // Biomaterials. — 2007. — V. 28. — P. 5437–5448.

60. Prylutska S. V., Matyshevska O. P., Golub A. А. et al. Study of С60 fullerenes and С60contai ning composites cytotoxicity in vitro // Mater. Sci. Engineer. C. — 2007. — V. 27. — P. 1121–1124.

61. Kolosnjaj J., Szwarc H., Moussa F.Toxicity studies of fullerenes and derivatives // Adv. Exp. Med. Biol. — 2007. — N 620. — P. 168–180.

62. Aschberger K., Johnston H. J., Stone V. et al. Review of fullerene toxicity and exposure appraisal of a human health risk assessment, based on open literature // Regul. Toxicol. Pharmacol. — 2010. — V. 58. — P. 455–473.

63. Файнгольд И. И., Коновалова Н. П., Ко$ тельникова Р. А. и др. Фуллереннитраты как адъюванты цитостатической химиоте рапии // Рос. биотерапевт. журн. — 2006. — T. 5. — C. 21–22.

64. Бурлака А. П., Сидорик Є. П. Радикальні форми кисню та оксиду азоту при пухлин ному процесі. — К.: Наук. думка, 2006. — 227 с.

65. Prylutska S. V., Burlaka A. P., Prylutskyy Yu. I. et al. Comparative study of antitumor effect of pristine C60 fullerenes and doxorubicin // Біотехнологія. — 2011. — T. 4, № 6. — C.82–87.

66. Injac R., Radic N., Govedarica B. et al. Acute doxorubicin pulmotoxicity in rats with malignant neoplasm is effectively treated with fullerenol C60(OH)24 through inhibition of oxidative stress // Pharmacol. Rep. — 2009. — V. 61. — P. 335–342.

67. Freitas Jr R. A. Nanomedicine, Volume IIA: Biocompatibility, Landes Bioscience. — Georgetown: TX, 2003. — 262 p.

68. Meng H., Xing G., Sun B. et al. Potent angio genesis inhibition by the particulate form of fullerene derivatives // ASC Nano. — 2010. — V. 4. — P. 2773–2783.

69. Murugesan S., Mousa S. A., O’Connor L. J. et al. Carbon inhibits vascular endothelial growth factor and fibroblast growth factor promoted angiogenesis // FEBS Lett. — 2007. — V. 581. — P. 1157–1160.

70. Li W.$T. Nanotechologybased strategies to enhance the efficacy of photodynamic thera py for cancers // Curr. Drug Met. — 2009. — V. 10. — P. 851–860.

71. Mroz P., Tegos G. P., Gali H. et al. Photodyna mic therapy with fullerenes // Photochem. Photobiol. Sci. — 2007. — V. 6. — P.1139–1149.

72. Constantin C., Neagu M., Ion R. M. et al. Fullereneporphyrin nanostructures in pho todynamic therapy // Nanomedicine. — 2010. — V. 5. — P. 307–317.

73. Sharma S. K., Chiang L. Y., Hamblin M. R. Photodynamic therapy with fullerenes in vivo: reality or a dream? // Ibid. — 2011. — V. 6. — P. 1813–1825.

74. Rancan F., Rosan S., Boehm F. et al. Cytotoxicity and photocytitixicity of a dendritic C60 monoadduct and a malonic acid C60 trisadduct on Jurkat cells // J. Photochem. Photobiol. — 2002. — V. 67. — P. 157–162.

75. Tabata Y., Murakami Y., Ikada Y. Photody namic effect of polyethylene glycolmodified fullerene on tumor // Jpn. J. Cancer Res. — 1997. — V. 88. — P. 1108–1116.

Биологическая активность фуллеренов — реалии и перспективы. Часть 1

М.А. Думпис, Д.Н. Николаев, Е.В. Литасова, В.В. Ильин, М.А. Брусина, Л.Б.

Пиотровский ФГБНУ «Институт экспериментальной медицины», Санкт-Петербург, Россия

Для цитирования: Думпис М.А., Николаев Д.Н., Литасова Е.В., и др. Биологическая активность фуллеренов — реалии и перспективы // Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. – 2018. – Т. 16. – № 1. – С. 4–20. doi: 10.17816/RCF1614-20


Резюме

В обзоре рассмотрены свойства фуллеренов и  их производных и  возможность их применения в  биологии и  медицине. Фуллерены могут оказывать в  биологических системах как антиоксидантное действие, улавливая активные формы кислорода (АФК), так и  окислительное, придавая фуллерену фотосенситизирующие свойства. Обладающие мембранотропным действием, липофильные молекулы фуллеренов взаимодействуют с различными биологическими структурами и  могут изменять функции этих структур, увеличивая липофильность активной молекулы (аминокислот, нуклеиновых кислот, белков и  др.). Приведены данные о биологическом действии фуллеренов в опытах in vitro и  in vivo. Рассмотрены примеры адресной доставки известных терапевтических агентов.


Введение

Изучение молекулярных механизмов взаимодействия в биологических системах — очень важная и очень интересная задача. Особую ценность имеют исследования с использованием принципиально новых и оригинальных структур. К таким структурам относятся наноструктуры углерода, открытые немногим более 30 лет тому назад. В настоящее время они представлены фуллеренами, нанотрубками, нанохорнами, наноалмазами и графеном. Все эти наноструктуры в той или иной степени рассматриваются как возможные синтоны при создании биологически активных веществ [1].

Особое место среди наноструктур занимают фуллерены. Это связано с тем, что они, и только они, представляют собой молекулярную форму углерода. Следовательно, как и всякие молекулы, они характеризуются молекулярной массой и стабильностью состава. Наиболее легко получается и поэтому широко используется наименьший по размеру фуллерен С60, затем фуллерен С70. Среди других выделенных и хоть минимально изученных фуллеренов можно упомянуть С74, С76, С78, С80, С82 и С84 и т. д.

Биологические свойства представителей любого класса соединений определяются их физическими и химическими свойствами. Однако это не совсем так в приложении к наноструктурам углерода вообще и фуллеренам в частности. Суть проблемы заключается в том, что, работая с ними, мы переходим от «обычных» систем к системам наноразмеров. А хорошо известно, что в области наномира действуют иные законы, согласно которым свойства вещества зависят не только и не столько от его состава, сколько от геометрии, формы и размера наночастиц [2]. В частности, фуллерены, склонность к агрегации которых высока за счет поверхностных липофильных атомов, способны действовать на живые системы и как отдельные молекулы, и как наночастицы. Именно поэтому фуллерены называют символом нанонауки [3]. Так как все наноструктуры углерода, за исключением наноалмазов, построены из атомов углерода в sp2-гибридизации, то и некоторые свойства у них одинаковые, как, например, характерное проявление фотодинамических свойств при освещении видимым светом [4].


Строение и свойства фуллеренов

Фуллерены занимают особое место среди других наноструктур углерода, так как они представляют собой единственную молекулярную форму углерода, то есть химическое соединение. Уникальность фуллеренов как класса химических соединений определяется особенностями их строения, а именно тем, что они представляют собой выпуклые замкнутые многогранники, образованные только четным числом атомов углерода в sp2-гибридизации, состоящие из шести- и пятичленных циклов. Они представляют собой чистый углерод, поскольку у всех других углеродных структур (алмаза, графита и т. п.) внешние валентности атомов углерода, находящихся на поверхности кристаллов, насыщены за счет присоединения инородных атомов или групп (H, OH и т. п.). Фуллерены же состоят исключительно из атомов углерода, и, в отличие от других наноструктур, в фуллеренах все атомы углерода связаны только с атомами углерода. Можно сказать, что фуллерены — это химические соединения, состоящие из одинаковых молекул, тогда как остальные углеродные наноструктуры — это материалы [2]. К «исключениям», казалось бы, можно отнести лишь замкнутые однослойные нанотрубки. Но в действительности эти замкнутые углеродные структуры следует рассматривать как фуллерены, но не сферической, а цилиндрической, палочкообразной формы.

Как уже указывалось выше, молекулы фуллеренов построены из гекса- и пентагонов, образованных атомами углерода в sp2-гибридизации, то есть из фрагментов ароматических структур, и должны бы проявлять свойства ароматических соединений. Вначале так и казалось — ведь молекула фуллерена С60 была открыта на «кончике пера» в двух независимых работах [5, 6]. И один из первооткрывателей, Е. Осава, считал ее суперароматичной. Однако в действительности фуллерены являются не ароматическими, а алициклическими сопряженными полиненасыщенными системами, для которых характерны реакции присоединения.

Еще одно уникальное свойство фуллеренов — это существование в молекуле внутренней полости. Так как сами молекулы фуллеренов небольшие (например, молекула С60 в диаметре всего около 1 нм [7]), то и внутренние полости невелики. Туда помещаются лишь отдельные атомы или небольшие атомные кластеры. Такие соединения называются эндоэдральными фуллеренами. Необходимо подчеркнуть, что никакие молекулы, тем более биологически активные, поместить внутрь фуллеренов (даже относительно больших типа С84) невозможно. Например, в случае фуллерена С60 это могут быть атомы (именно атомы, а не молекулы) водорода и гелия. Подробности получения эндофуллеренов см. ниже.

Прежде чем перейти к конкрентным примерам, остановимся коротко на некоторых проблемах номенклатуры. Так как для молекул фуллеренов возможны только реакции присоединения, то, соответственно, молекула замещенной быть не может и заместителей в ней быть не может. Поэтому экзопроизводные фуллеренов, то есть имеющие какие-либо радикалы снаружи углеродного кора, называются функционализированными производными (или аддуктами), а сами «заместители» — аддендами.

На сегодняшний день наиболее доступен и поэтому наиболее изучен, в том числе и с точки зрения биологических свойств, фуллерен С60.

Одним из физических свойств молекул фуллеренов является то, что при облучении видимым светом они переходят в возбужденное триплетное состояние (3С60*). Такая молекула может играть роль фотосенситизатора, так как способна передавать энергию молекуле обычного триплетного кислорода 3O2, превращая его в синглетный кислород 1O2. В биологических системах в присутствии доноров электронов могут образовываться и другие активные формы кислорода (АФК) [8].

С химической точки зрения поведение фуллеренов определяет наличие в молекулах сопряженных, и к тому же напряженных, связей. Поэтому наиболее важным свойством является электронодефицитность этих молекул, приводящая к необычайной легкости присоединения свободных радикалов. Молекула фуллерена С60 способна присоединять до 15 радикалов, что позволило даже назвать ее «губкой для радикалов». Причем по силе антиоксидантного действия фуллерен С60 превосходит такой хорошо известный антиоксидант, как витамин С [8]. Следовательно, фуллерен может, особенно в биологических системах, проявлять себя как «двуликий Янус» — быть одновременно и антиоксидантом, и «окислителем».

Еще один важный для проявления биологических свойств параметр фуллерена — липофильность. Вещества, для которых коэффициент распределения log P меньше нуля (высокогидрофильные вещества), легко проходят во внеклеточные области, но не могут проникнуть через мембраны клеток и/или биологические барьеры. Если же величина log P ≥ 0–3 (липофильные вещества), то такие вещества быстро проходят через мембрану и обычно быстро распространяются по всему организму. Дальнейшее повышение этой величины снова приводит к снижению адсорбции вещества, так как резко падает растворимость в воде и становится трудно подвести вещество к мембране. Кроме того, высоколипофильное вещество, попав в мембрану, там и остается, и на этом его распределение по организму заканчивается. Для фуллерена С60 в системах октанол – вода и толуол – вода величины коэффициента распределения равны 6,67 и 8,44 соответственно [9]. Это очень высокие величины, указывающие на высокое сродство молекул к липофильным биологическим фазам. Поэтому следует в принципе ожидать накопления молекул С60 в жировых депо организма. Однако такая высокая липофильность определяет и мембранотропный механизм противовирусного действия фуллерена и его производных [10].

Выше уже отмечалось, что распределение данного вещества, а, следовательно, и его биологические свойства зависят от его липофильности. И изменения последней могут не только менять распределение вещества в организме, но и влиять на спектр его биологического действия. В этом случае молекулы фуллерена могут играть исключительную роль, так как введение сравнительно небольшого по размерам, но высоколипофильного остатка в данную молекулу (аминокислоту, нуклеиновую кислоту, белки и др.) изменяет их функции, обеспечивая встраивание в мембраны, проникновение в клеточные органеллы и т. д. А образование супрамолекулярных комплексов на основе фуллеренов с терапевтическими агентами может улучшать биодоступность и фармакокинетику последних, что открывает путь к созданию систем адресной доставки лекарственных веществ [11].

В настоящее время объем работ по биологической активности фуллеренов достиг тысяч статей в год. Во многих работах были показаны перспективы эффективного использования фуллеренов в медико-биологических исследованиях.

Первая работа, посвященная использованию фуллеренов в медицинской химии, появилась уже в 1993 г. [12]. В ней описывалось производное фуллерена (I), способное стерически блокировать цилиндрическую полость в протеазе вируса СПИДа.

Основная проблема изучения биологических свойств фуллеренов связана с их нерастворимостью в воде и других полярных растворителях. По данным C.T. Jafvert и P.P. Kulkarni [9], растворимость фуллерена С60 в воде составляет 7,96 нг/л (1,11 · 10–11 M), поэтому приходится придумывать различные обходные пути. В настоящее время в литературе описаны введение в биологические системы суспензии микронизированного кристаллического фуллерена (фуллерита), стабильные «гидрофильные» коллоидные дисперсии в воде (наноС60), образование водорастворимых комплексов с полимерами и синтез водорастворимых производных [8].

Суспензия фуллерита с размером частиц примерно от 150 до 1500 нм была использована, например, для определения токсичности фуллерена C60 in vivo. Стабильные коллоидные дисперсии могут быть получены или методом замены растворителей, или же при длительном контакте фуллерита с водой. В случае коллоидных суспензий наноС60 размер частиц лежит в интервале примерно от 50 до 600 нм и зависит от способа их получения. При этом показано, что эти наночастицы несут на поверхности отрицательный заряд и таким образом становятся гидрофильными [8].

Для биологических исследований часто используются водорастворимые полимерные композиции, комплексы включения с фуллеренами, образованные нековалентными взаимодействиями [13].

Хорошо известно, что изменение физико-химических характеристик фуллеренов, переход от индивидуальных молекул к агрегированным формам, приводит к изменению их свойств, что в конечном счете в значительной степени изменяет ответ биологической системы. Например, в комплексе C60/поливинилпирролидон (С60/ПВП) степень агрегации молекул фуллерена зависит от молекулярной массы ПВП и концентрации фуллерена, а в комплексе C60/гамма-циклодекстрин (С60/2γ-ЦД) молекула фуллерена мономолекулярна [2].

Особое место, конечно, занимает использование водорастворимых ковалентных производных. Если вышеперечисленными методами можно изучать лишь свойства самого фуллерена, свойства его кора, то при использовании производных возможно также изучать влияние введения фуллеренового остатка в биологически активную молекулу или же вообще использовать фуллереновый кор как достаточно нейтральный носитель какого-либо фармакофора.

Растворимость функциональных производных фуллерена (аддуктов) определяется наличием в их молекулах достаточного количества полярных гидрофильных групп, удерживающих гидрофобный остаток фуллерена в растворе и препятствующих ассоциации молекул. Для того чтобы достичь приемлемой для биологических исследований растворимости аддукта фуллерена в воде, необходимо ввести в него как минимум три ионогенные группы [14].

Одним из возможных решений является синтез аддуктов дендримерного типа — соединений, содержащих один (или несколько) разветвленных аддендов, содержащих, в свою очередь, несколько полярных групп. При этом увеличение числа полярных групп достигается не столько количеством введенных аддендов, сколько количеством полярных групп в каждом из них.

Например, соединение (II) содержит 18 карбоксильных групп и прекрасно растворимо в воде [15]. Хотя, казалось бы, что один адденд не сильно экранирует фуллереновый кор, в действительности его липофильность практически не проявляется, и в растворе соединение (II) существует в виде мономера даже при нейтральных значениях рН. Очевидно, что 18 заряженных групп делают невозможным «слипание» фуллереновых коров.

В пользу этого предположения говорит и тот факт, что замена только «половины» адденда с 9 заряженными группами на липофильный октадециловый остаток приводит к соединению (III), легко образующему крупные кластеры. Если же полимерный адденд вообще не содержит заряженных групп, как в соединении (IV), содержащем две полиэтиленгликолиевые цепи, то такой аддукт практически нерастворим в воде, что почти сводит на нет возможность его использования в биологических экспериментах.

Еще одним примером растворимости таких аддуктов фуллерена может служить моноаддукт (V) с тремя положительными зарядами и триэтиленгликолевыми цепями, растворяющийся в воде до концентрации около 10–5 M, но, к сожалению, склонный к образованию значительного числа агрегатов. Отсюда однозначно следует, что чем менее экранирован фуллереновый кор, тем выше в целом липофильность соединения и его склонность к агрегации.

Следовательно, подбор аддендов позволяет получать соединения, резко отличающиеся друг от друга как по растворимости и способности к агрегации, так и по химическому строению (заряженные или нейтральные структуры).

В биологических исследованиях очень часто используются гидроксилсодержащие производные фуллеренов — фуллеренолы. Формула C60(OH)n отражает общую структуру, в которую входят как соединения с разным количеством гидроксильных групп, так и разные стереоизомеры. Растворимость этих соединений определяется числом гидроксильных групп, введенных в молекулу фуллерена. В воде растворимы соединения, содержащие более 20 групп ОН. Растворимость фуллеренолов C60(OH)36 и C60(OH)44 в воде составляет 17 и 65 мг/мл соответственно. Фуллеренолы, содержащие 10–12 или 12–14 групп ОН, в воде растворяются плохо [16].

К сожалению, существенным недостатком фуллеренолов является плохая воспроизводимость данных, полученных с их использованием. При синтезе фуллеренолов различными методами образуются сложные смеси продуктов с нечетко определенной структурой [16], отличающиеся по растворимости и биологическим эффектам, что, вероятно, отражает неконтролируемые отличия в числе и положении гидроксильных групп, а также возможное присутствие других содержащих кислород групп (=О, O<). Хотя недавно появилась работа, в которой предложен метод определения распределения гидроксильных групп на поверхности кора с помощью рамановской спектроскопии [17].

Производные фуллерена с определенным расположением гидроксильных групп можно получить через хлорпроизводные фуллеренoв С60 и С70 [18]. Однако в этом случае гидроксильные группы отделены от кора линкерами, да и сам метод имеет существенные ограничения по структуре получаемых соединений.

Одним из путей решения проблемы агрегации фуллерена является возможная иммобилизация С60 на поверхности твердой фазы [19], которая предотвращает агрегацию молекул С60 и позволяет регенерировать иммобилизированный фотокатализатор [20].

Индивидуальные молекулы и наночастицы поразному взаимодействуют с биологическими структурами не только из-за разницы химических свойств, но и просто вследствие различий в размерах. Размеры молекул фуллеренов вполне биологичны (с учетом вандерваальсовых радиусов около 1 нм для фуллерена С60), и это позволяет им легко проникать в молекулы белков. Однако размер агрегированных молекул фуллерена (частицы наноС60 более 50 нм) не позволяет им проникать в молекулы или биологические мембраны, имеющие размеры в несколько нанометров. Поэтому изолированные молекулы фуллерена образуют комплексы включения с белками [21], тогда как частицы наноС60 ведут себя совершенно иначе — они адсорбируют бычий сывороточный альбумин (БСА) на своей поверхности. При этом молекулы белка сорбируются в растянутой конформации. Аналогично процесс происходит и при взаимодействии с нуклеиновыми кислотами. Так, молекулы фуллеренов, содержащие на поверхности аминогруппы, могут образовывать с нуклеиновыми кислотами ионные связи, и полученные комплексы можно использовать для доставки генов. Несмотря на то что частицы наноС60 заряжены отрицательно, ДНК прикрепляются к ним благодаря чрезвычайно сильному π–π-стекинг-взаимодействию между основаниями ДНК и наноС60 [22].


Фуллерены в фотодинамической терапии

Свойство молекул фуллеренов (как уже указывалось выше) под действием видимого света переходит в возбужденное состояние, превращая триплетный кислород 3O2 в синглетный 1O2, позволяет использовать их в фотодинамической терапии (ФДТ) в качестве фотосенситизаторов [8].

Фуллерены как фотосенситизаторы имеют ряд серьезных преимуществ, к ним относится в первую очередь высокая фотостабильность. Они могут участвовать в обоих типах фотохимических реакций: типе I, протекающем по свободнорадикальному механизму, и типе II, связанному с образованием синглетного кислорода [23].

Ослабление фотосенситизирующего действия вызывается «самотушением» триплетного состояния С60, в результате чего понижается степень продуцирования АФК [24]. Этим объясняется установленная в биологических системах зависимость фототоксичности производных С60 от их дисперсионного состояния, обусловленного изменением молекулы С60 путем химической модификации или образованием комплекса [23]. В некоторых случаях при длительном взаимодействии фуллерена с водой кластер наноС60 вообще теряет свойства фотосенсибилизатора [20]. Известно также, что хорошо диспергируемые производные С60 легко вызывают окислительный стресс под действием УФ-облучения [23]. Отметим тут же, что снижение (ослабление) антиоксидантной активности при агрегации происходит также из-за «снижения концентрации», уменьшения площади доступной поверхности.

Фотодинамические свойства фуллеренов обусловили широкий фронт исследований их противовирусного и противоракового действия [25, 26]. Неоднократно описано фотодинамическое действие фуллерена для инактивации оболочечных вирусов [10]. Фуллерены проявляют свойства фотосенситизаторов не только в «свободном состоянии», но и в составе сложных комплексов. Так, было показано, что немодифицированный фуллерен C60 проявляет эти свойства, будучи включен как в липосомы с катионной поверхностью, так и в простые липосомы [27].



В некоторых случаях для создания систем для фотодинамической терапии на основе фуллерена полезно использовать полимеры. Так, конъюгат фуллерена С60 с полиэтиленгликолем (ПЭГ) накапливается преимущественно в опухолевой ткани и поэтому может быть использован для избирательного фотодинамического воздействия на опухоль. Эффект зависит от концентрации и дозы облучения и не проявляется без облучения или при облучении в отсутствие фуллерена, подтверждая тем самым, что воздействие на раковые клетки оказывает фуллерен C60 в конъюгате [28].

Оценивать относительную эффективность производных фуллерена С60 как фотосенситизаторов в зависимости от степени функционализации удобно на близких по строению соединениях, например на трех малонатных производных C60 (VI). На клетках HeLa был установлен следующий ряд эффективности: DMA C60 > TMA C60 > QMA C60 [29]. Тем самым подтверждается вывод о том, что увеличение числа аддендов приводит к снижению фотодинамической активности всей молекулы.

Достаточно широко исследовались и фотодинамические свойства фуллерена С70. Сравнение ФДТ-активности C60 и C70, инкапсулированного в димиристоилфосфатидил-холиновые липосомы, против клеток HeLa показало, что C70 как фотосенситизатор был в пять раз активнее C60 [30]. При изучении комплекса С70/2γ-CD было продемонстрировано, что молекулы фуллерена переходят из комплекса в клеточную мембрану, проявляя при этом свойства фотосенситизатора [31]. Описано также использование для фотодинамической терапии функционализированных производных С70 и C84O2 [32], которые в зависимости от длины волны облучения индуцировали апоптоз раковых клеток HeLa, одновременно повреждая митохондрии и лизосомы.

Моно- и поликатионные производные фуллерена С60 типа (VII) и (VIII) эффективны как антимикробные фотосенситизаторы широкого спектра.

Изучение связи структуры функционализированных фуллеренов с их антимикробной фотодинамической активностью было проведено K. Mizuno et al. [33]. Применение этих соединений возможно при лечении кожных инфекций, например ран и ожогов, где проникновение облучения в ткань не является проблемой. Однако во многих случаях поглощение и рассеивание облучения биологическими тканями может существенно ограничивать использование метода. Это актуально в случае солидных опухолей, подействовать на которые не удается при использовании коротковолнового облучения (УФ и синий свет). Поэтому для воздействия на глубокорасположенные ткани необходимо применять фотосенситизаторы, поглощающие излучение в области больших длин волн (в красной области спектра), и увеличивать поглощение вещества присоединением к нему светособирающей антенны [34].


Фуллерены как антиоксиданты

Антиоксидантным свойствам фуллеренов посвящено множество обзоров. Фуллерен С60 сам по себе мощная ловушка для радикалов — в основе его антиоксидантных свойств лежит уже упоминавшаяся выше электронодефицитность его молекул и легкость присоединения свободных радикалов. Эта способность фуллеренов, в том числе и в биологических системах, документирована очень хорошо, и не стоит повторяться [8].

Поэтому рассмотрим лишь некоторые примеры. Антиоксидантное действие присуще не только самому фуллерену C60, но и его производным, причем как in vitro, так и in vivo [35]. В частности, фуллерен (в виде наноС60) защищает in vivo печень мышей от действия циклофосфамида [36]. Также гепатопротекторным действием обладают и фуллеренолы С60 и С70 [37].

Относительно широко в качестве антиоксидантов используются нековалентные водорастворимые комплексы с биосовместимыми полимерами — ПВП, ПЭГ, γ-ЦД и др. Эти полимерные композиции фуллерена показали себя мощными ловушками радикалов в клеточных культурах кератиноцитов человека и могут защищать кожу от ультрафиолетового облучения и окислительного повреждения трет-бутилгидропероксидом. Радикальная антиоксидантная активность дендрофуллерена может найти применение в радиационной защите в естественных условиях [8].

Известны данные, указывающие на связь антиоксидантного действия фуллерена С60 с продолжительностью жизни. Показано, что пероральное применение раствора фуллерена С60 в оливковом масле удлиняет жизнь крыс [38], причем авторы связывают это с антиоксидантным действием фуллерена.

Производные фуллерена, встроенные в липосомы, легко проникают через кожу, оказывая высокое антиоксидантное действие и не обладая выраженной токсичностью, а гели, содержащие фуллерен, можно использовать для лечения угрей и воспалительных заболеваний, вызванных окислительным стрессом [39]. Такие композиции действуют как ловушки радикалов на клетках кожи, предотвращая повреждение митохондрий и фрагментацию ДНК, не оказывая токсического действия. Именно на этом основано использование фуллерена С60 в косметике, в виде Radical Sponge® (комплекс C60/ПВП) [40] либо LipoFullerene® (раствор C60 в сквалане) компании Vitamin С60 Bioresearch Corparation [41]. Эти препараты не обладают фотоцитотоксичностью и прооксидантной активностью, и поэтому применение их совершенно безопасно. Вообще следует отметить, что эта компания была одной из первых, выпустивших на рынок косметику с фуллеренами. На сегодняшний день она выпускает следующие фуллеренсодержащие ингредиенты для создания косметических композиций: это уже упоминавшиеся Radical Sponge® и LipoFullerene®, а также Moist Fullerene™ (набор косметических ингредиентов для приготовления фуллеренсодержащих липосом), Veil Fullerene™ (фуллерен, сорбированный на кремнеземе), раствор фуллерена в органическом растворителе Sun Guard Fullerene™ A и Hair Shiny Fullerene™, содержащий, кроме фуллерена С60, гамма-докозалактон, неионные сурфактанты и другие компоненты. Другие применения фуллерена в косметике и дерматологии см. [42].


Фуллерен и биологические молекулы

Для исследований применения фуллеренов в биологии необходимо отдельно рассмотреть их взаимодействие с биологическими молекулами, а именно белками и нуклеиновыми кислотами.

То, что в основе биологических эффектов фуллерена С60 лежит его комплементарное взаимодействие с белком, впервые было высказано в работе [12]. Было показано, что молекула фуллерена чисто стерически блокирует липофильный канал протеазы вируса HIV-1.

Прямое взаимодействие фуллерена с пептидами было впервые показано A. Bianco et al. [43]. Авторы описали «пептидный» рецептор для фуллерена С60 — нонапептид, содержащий шесть остатков α-аминогексановой кислоты, глициновый спейсер и два остатка L-Tyr в положении 2- и 8-, где гидроксильные группы в боковой цепи были замещены остатками ферроценоила.

Одним из наиболее ярких доказательств способности фуллеренов взаимодействовать с белками является образование фуллеренспецифических антител. Данные рентгеноструктурного анализа Fabфрагмента этих антител показывают, что фуллерен взаимодействует с белками по механизму индуцированного соответствия. Гидрофобность фуллеренового кора при образовании комплекса антиген – антитело способствует взаимодействию С60 с неполярными радикалами аминокислот, особенно содержащими ароматические остатки, при возникновении π-π-стекинг-взаимодействия. Следует отметить, что сам факт образования антител к фуллеренам свидетельствует о неограниченных возможностях иммунной системы, способной узнавать и продуцировать иммунный ответ даже на такую необычную геодезическую структуру, как молекула фуллерена. Но он же свидетельствует и о том, что все-таки фуллерены не чужды организмам [8].

Было показано прямое взаимодействие фуллерена С60 и его производных c белками плазмы крови, в частности сывороточным альбумином. Однако в первых работах нет ни слова об изменении конформаций белковых молекул при взаимодействии с фуллереном. В дальнейшем при использовании фосфорсодержащего водорастворимого производного C60Om(ОН)n[C(PO3Et2)2]p (m ~ 8, n ~ 12, p ~ 1) выявили, что связывание с ним вызывает в молекуле альбумина существенные конформационные изменения: процентное содержание α-спирали и β-складчатой структуры молекулы белка увеличивается, а β-изгибов становится меньше, что свидетельствует об увеличении компактности белка в процессе ассоциации [8].

Возможные центры докинга молекулы С60 с белковыми структурами (для более чем 1200 структур) с учетом имеющихся экспериментальных данных о взаимодействии белков с фуллереном С60 рассмотрены M. Calvaresi и F. Zerbetto [21]. Существуют опосредованные указания на взаимодействие фуллерена или его производных с белками и в работах, в которых приводятся данные по действию фуллерена и его производных как агонистов или антагонистов различных рецепторов или блокаторов ферментов. Например, показано ингибирование глутатионредуктазы производными фуллерена; фуллеренолы, содержащие 18–20 гидроксилов, являются дозозависимыми антагонистами глутаматных рецепторов, ингибируя на 50 % связывание с рецептором, а катионные соли бис-N,Nдиметилфуллеропирролидиния — неконкурентные ингибиторы ацетилхолинэстеразы [8]. Среди производных фуллеренов известны ингибиторы ферментов, например тирозин-фосфатазы [44] и полимеразы вируса гепатита [45].

Фуллеренол C60(OH)20 образует комплекс включения с белками микротрубочек, основного компонента цитоскелета [46]. Фуллеренол ингибировал полимеризацию микротрубочек при низких микромолярных концентрациях, образуя комплекс включения фуллеренол – тубулин (9 : 1). Образование водородной связи между фуллеренолом и тубулином вызывало вторичные структурные изменения в тубулине и предотвращало полимеризацию микротрубочек.

Производные фуллерена могут не только ингибировать действие ферментов, но и увеличивать их экспрессию. Так, показано, что концентрация аденозин-А1- и А2А-рецепторов в клетках SK-N-MC увеличивалась после обработки производными фуллерена, при этом существенно не влияя на жизнеспособность клеток [47].

Описаны примеры специфического взаимодействия не только для изолированных молекул фуллеренов, но и для наночастиц. НаноC60 модулирует Ca2+/кальмодулинзависимую протеинкиназу II (CaMKII), мультимерную внутриклеточную серин/ треонинспецифичную протеинкиназу, необходимую для трансдукции сигнала Ca2+, конкурируя со взаимодействием субъединицы рецептора NMDA NR2B и CaMKII [48]. Способность наноC60 поддерживать киназную активность CaMKII может в перспективе оказаться полезной для терапевтического использования фуллерена C60.

Установлено, что производные фуллерена С60 способны ингибировать ранние стадии агрегации β-амилоидных пептидов [49–51]. Введение фуллерена в виде наноС60 в гиппокамп защищает нейроны от амилоидоза [52], также антиамилоидную активность могут проявлять и фуллеренолы [53].



Фуллерены и их основные применения

Фуллерены — плотная закрытая структура в виде выпуклых замкнутых многогранников, содержащая более 20 атомов углерода и состоящая полностью из углеродных атомов с тремя связями. 


В общем же выделяют следующие разновидности фуллеренов:

- фуллереновая сажа;

- смесь С60/С70/высшие фуллерены;

- фуллерены С60;

- фуллерены С70;

- высшие фулллерены;

- эндоэдральные фуллерены;

- химические модификации фуллеренов;

- фуллереномодифицированная продукция.


Для фуллеренов характерно:

1) легирование твёрдого С60 небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию материала, который при низких температурах становится сверхпроводником;

2) высокая сорбционная способность (к поглощению газов, паров или веществ), как сорбенты фуллерены намного превосходят активированный уголь;

3) фотопроводимость;

4) высокая механическая прочность;

5) нелинейные оптические свойства;

6) высокая упругость;

7) низкая поверхностная энергия;

8) высокая химическая стабильность;

9) слабые межмолекулярные взаимодействия;

10) биосовместимость, что делает возможным их использование в медицине.


Таким образом, фуллерены являются уникальным функциональным материалом электроники и оптики, энергетики, биохимии и молекулярной медицины.

Особенно выражены преимущества фуллерена в следующих практических приложениях:

1) модифицирование фуллеренами стали приводит к значительному повышению ее прочности, износо- и термостойкости;

2) добавка фуллеренов в чугун придает ему пластичность;

3) в керамических изделиях введение фуллеренов снижает коэффициент трения;

4) использование фуллеренов в полимерных композитах, способно увеличить его прочностные характеристики, термоустойчивость и радиационную стойкость, значительно уменьшить коэффициент трения;

5) микродобавка фуллеренововой сажи в бетонные смеси и пломбирующие составы повышает марку материала;

6) фуллерены в качестве основы для производства аккумуляторных батарей (принцип действия основан на реакции присоединения водорода) обладают способностью запасать примерно в пять раз большее количество водорода, характеризуются более высокой эффективностью, малым весом, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с аккумуляторами на основе лития;

7) фуллерен в качестве материала для полупроводниковой техники (традиционные приложения в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т.п.) – преимуществом по сравнению с традиционным кремнием в фотоэлементах является малое время фотоотклика (единицы нс);

8) преимущества использования фуллеренов в качестве катализаторов лежат в их способности принимать и передавать атомы водорода; они также высокоэффективны в ускорении реакции преобразования метана в высшие углеводороды и способны замедлять реакции коксования;

9) при использовании фуллеренов в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления выход алмазов увеличивается на ≈30%;

10) фуллерены являются мощными антиоксидантами, быстро вступающими в реакцию со свободными радикалами, которые часто являются причиной повреждения и смерти клеток.


Одним из препятствий для широкомасштабного применения и производства фуллеренов является несовершенство методов его синтеза. Низкая эффективность известных на сегодняшний день технологий синтеза обусловлена небольшими объемами получаемого на выходе фуллерена. Сегодня практически все разновидности фуллеренов синтезируются методом термического испарения графита.


В самом общем виде технология синтеза фуллеренов состоит из следующих этапов:

- синтез фуллереновой сажи;

- выделение смеси фуллеренов из сажи;  

- фракционное обогащение по фуллерену;

- очистка фуллерена;

- контроль, анализ и сертификация получаемых продуктов.


Основные применяемые сегодня технологии производства фуллеренов: дуговой способ производства, образование при лазерном нагреве, производство в пламени.

Как правило фуллерены не являются единственным производственным направлением для представителей мирового рынка.

Большинство компаний предлагает наряду с фуллеренами другие разновидности продукции:

— углеродные нанотрубки – NanoNB Corp (www.nanonb.com), MTR (www.mtr-ltd.com), BuckyUSA (www.buckyusa.com), MER CORP. (www.mercorp.com), Nano-C (www.nano-c.com), SES Research (www.sesres.com), Advance NanoPower (www.anp.com.tw);

— химические модификации фуллеренов, ориентированные на те или иные области применения (солнечная энергетика, биомедицина, наноэлектроника) – MTR (www.mtr-ltd.com), Solenne (www.solennebv.com), Luna Nanoworks (www.lunananoworks.com);

— материалы, модифицированные фуллеренами: композиты – JenLaur (www.jenlaurltd.com); фармацевтическая продукция – Tego BioSciences (www.tegobio.com);

— другие наноматериалы: нанопорошки – IoLiTec Ionic Liquids Technologies (www.iolitec.de), дендримеры – Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com).

Крупнейшим мировым производителем фуллеренов является созданная в 2001 году Mitsubishi Chemical Corporation (www.m-kagaku.co.jp) и Mitsubishi Corporation (www.mitsubishicorp.com) совместная компания The Frontier Carbon Corporation (www.f-carbon.com). Размер инвестиций составил 177.2 млн. долл. 

Основные производственные мощности по синтезу фуллеренов сосредоточены в США (30%) и Японии (48%). Значительным потенциалом по наращиванию объемов производства и потребления фуллеренов обладают также Южная Корея и Китай. Наибольшее число компаний расположено в настоящий момент в США, однако лидерство на рынке фуллеренов в натуральном выражении (с точки зрения объемов производства) принадлежит Японии.


Наиболее развитым направлением производства является смесь фуллеренов С60/С70/высшие фуллерены. Около 15% приходится на наиболее изученную разновидность фуллеренов – С60. Высшие фуллерены и эндоэдральные фуллерены производятся в крайне небольших количествах: как правило опытными образцами в миллиграммах.


Широкомасштабное использование фуллеренов во многом ограничивается их высокой стоимостью. Положительным моментом для формирования спроса на фуллерены является то, что цены на данную продукцию имеют тенденцию к снижению. В сравнении с началом 90-х годов, стоимость С60 снизилась практически в 1000 раз – с 10000 долл/грамм до практически 10 долл/грамм. В настоящее время на мировом рынке стоимость С60 составляет от 12 долл./грамм, С70 – от 240 долл./грамм.

При определении цены заказа одним из ведущих параметров, определяющих их стоимость, является объем партии. Так, стоимость С60 с чистотой исходного материала> 99% за опытный образец (менее 10 грамм) превосходит аналогичную для крупной покупки (более 20 кг) более чем в три раза (45 долл/грамм:14 долл/грамм). Цены на фуллерены с одинаковым числом атомов углерода в молекуле отличаются также в зависимости от чистоты материала. Например, стоимость фуллерена С60 (99.0%) меньше, чем С60 (99.95%) в 2-2.5 раза. Стоимость фуллеренов в значительной степени дифференцирована в зависимости от региона.


В 2008 году крупнейшим потребителем фуллеренов в мире являлась энергетика (на нее приходилось около 35%). Равнозначные доли в структуре потребления также принадлежат электронике и медицине – около 25%. Если структурировать потребление фуллеренов по региональному признаку, то лидерство здесь принадлежит США и Японии. 

По оценкам Research.Techart, объем мирового рынка фуллеренов в 2008 году составил 143.5 млн. долл (119.6 млн. долл. в 2007 году). В период с 2007 года наблюдается снижение исследовательской активности по направлению фуллерены. Более того, фуллерены постепенно замещаются другим углеродным наноматериалом, в т.ч. углеродными нанотрубками, что обусловлено более привлекательными физико-химическими свойствами. По оценкам, Technology Transfer Centre (www.nttc.edu), в 2008 году доходы от продаж этих двух видов наноматериалов превысили 300 млн. долл. с потенциалом роста до 4.6 млрд. долл. к 2015 году. Спрос на углеродные нанотрубки будет превышать спрос на фуллерены.


В перспективе рынок фуллеренов может развиваться по трем сценариям: умеренному (прогнозируемый объем рынка в 2016 году – 1.9 млрд. долл), пессимистичному (200 млн. долл.) и оптимистичному (4 .7млрд. долл). Оптимистичный сценарий развития рынка основан на возможности технологического прорыва в данной области, а именно усовершенствовании процесса производства фуллеренов и выхода на массовые объемы их производства. Вторым важным фактором должно стать открытие новых областей применения данного материала. 


Источники: 

1. RESEARCH TECHART, «Маркетинговое исследование рынка фуллеренов», 13 марта 2009 года

2. Lux Research, Nanomaterials State of the Market Q3 2008: Stealth Success, Broad Impact, July 2008

3. Lux Research, The Nanotech Report: Investment Overview and Market Research for Nanotechnology - 5th Edition, Volume 1 & 2, 2007

ФУЛЛЕРЕНЫ В МЕДИЦИНЕ

ФУЛЛЕРЕНЫ В МЕДИЦИНЕ

Онищенко A.A. Национальный фармацевтический университет, кафедра фармакологии


Вступление.

Согласно статистике ВОЗ, онкология занимает 2 место в мире по уровню заболеваемости и смертности: ежегодно в мире диагностируют рак у 10 миллионов пациентов. Украина занимает второе место в Европе по смертности от рака. По прогнозам, к 2030 году уровень заболеваний онкологическими болезнями увеличится на 45%. На сегодняшний день существует следующие способы лечения рака: хирургическое вмешательство, криохирургия, ионизирующая терапия, химиотерапия, гормонотерапия, иммунотерапия, таргетная терапия, но не смотря на это процент полностью излечившихся пациентов составляет лишь 41,4%. В связи с этим актуальным является поиск новых высокоэффективных препаратов и методов лечения. Ретровирус из рода лентивирусов, вызывает ВИЧ инфекцию, поражает иммунную систему в следствие чего развивается синдром приобретённого иммунного дефицита (СПИД) и организм теряет возможность к защите от инфекций и опухолей. Одним из современных методов терапии является применение нанотехнологий. Нанотехнология в медицине это технологии производства веществ с размерностью от 1 до 100 нанометров. Такими веществами являются фуллерены.

Фуллерен – это аллотропная модификация атома углерода, которая имеет замкнутую структуру выпуклого многогранника. Данные вещества были открыты группой учених из Англии и США (Г. Крото, Р. Кёрл и Р. Смолли), за что в 1996 году получили Нобелевскую премию.

Молекула фуллеренов содержит двойные связи и способна вступать в реакции присоединения. Вследствие чего за не продолжительное время были получены производные С60 с водородом, галогенами и различными органическими соединениями. Данные соединения изучают как перспективные объекты для противораковых и противовирусных препаратов.


Цель.

Исследовать перспективность изучения фуллеренов как противораковых и противовирусных агентов и исследовать фармакологический потенциал данных объектов.


Материалы и методы.

Нами были изучены и проанализированы статьи по применению фуллеренов в медицине.


Полученные результаты.

Группа исследователей изучали активность не заполненного водного раствора фуллерен С60 (С60FAS) в сравнении с 5-фторурацилом (5-FU) и производным пирола 1- (4-Cl-бензил) -3-Cl-4- (CF 3-фениламин) -1Н-пирол -2,5-дион (МІ-1) и детально проанализировали на модели колоректального рака, вызваным 1,2-диметилгидразином (ДМГ) у крыс. Количество опухолей и их общая площадь значительно уменьшилась под действием C60 FAS 43 і МІ-1. Механизм действия препаратов разный,что потенциально может увеличить их эффективность и снизить побочные явления от противоопухолевой терапии (O.V Lynchak, 2017).

Также были изучены ендоедральные фуллерены с гадолинием, которые угнетают рост раковых клеток и используются в магнитно-резонансной томографии. (A. Lichota, 2016).

Был рассмотрен фуллерен (С60) с помещенным в него Pluronic F127-хітозан, который используется в микроволновой гипертермии: данное вещество растворимо в воде и состоит из наномолекул, которые поглощают ИК-излучение и превращают его в тепло в внутри клетки ( M. Sun, 2016).

Фуллерен-силикатная система с присоединением гиалуронана (HA), которые были направлены на раковые стволовые клетки типа СSC локализорованые в груди человека. В данную систему было помещено 2 препарата: гидрохлорид доксорубицин (DOX) и индоцианин зеленый (ICG), что привело к инкапсулированию в фуллерен-систему. Данная система может быть использована как наноплатформа в качестве комбинировной химио, фотодинамической и фототермической терапии лечения рака (H Wang, 2016).

Производное пиролидин фуллерена 1,1,1',1'-тетраметил [60]-fullerenodipyrrolidinium дийодиду индуцирует апоптоз клеток перфичной эффузионной лимфомы в следствии каспаз-9 инактивации. В комбинации с ингибиторами HSP90 (гельданамицином), увеличивается цитотоксическое действие на клетки первичной еффузионной лимфомы. Это свидетельствует о том, что пиролидин фуллерен можно использовать в качестве терапии для лечения первичной эффузионной лимфомы (T. Watanabe, 2014).

Путём твердофазного синтеза было получено производное фуллерен аминокислотных пептидов Fmoc-Phe (4-аза-C60)-OH. Это соединение хороший базисный материал для разраработки ингибиторов ВИЧ 1 протеазы. На основе изученых материалов, мы можем предположить, что фуллерены могут быть основанием для ингибирования ВИЧ 1 протеазы (T.A. Strom, 2015).


Выводы.

Исходя из предоставленных материалов, мы можем предположить, что фуллерены могут быть использованы для диагностики опухолевых заболеваний, в комбинации с различными методамы лечения опухолевых заболеваний и основанием для ингибирования ВИЧ 1 протеазы.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФУЛЛЕРЕНОВ В МЕДИЦИНЕ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФУЛЛЕРЕНОВ В МЕДИЦИНЕ


Фуллере́н, бакибо́л или букибо́л — молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

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. Вот почему в зарубежных научных публикациях часто используется термин “buckminsterfullerene”. В 1996г. первооткрывателям фуллеренов была присуждена Нобелевская премия по химии.


Рассмотрим свойства фуллеренов с точки зрения применения в медицине.

Одно исамых замечательных свойств этих веществ – то, что они способны создавать водные растворы. Встроив самый устойчивый из фуллеренов (он называется С60) в молекулу воды, учёным удалось создать водную среду, очень похожую на среду в здоровых клетках организма. Вода со встроенным фуллереном нейтрализует свободные радикалы, то есть является антиоксидантом. Свободные радикалы – причина возникновения множества болезней. Эти молекулы, образующиеся в нашем организме, повреждают хромосомы и приводят к старению клеток, раковым заболеваниям, снижению иммунитета. Им противостоят антиоксиданты – полезные вещества, которые соединяются со свободными радикалами и предотвращают их разрушительное действие.


Обычные антиоксиданты – вещества штучные, одноразового действия. Скажем, молекула витамина, соединяясь со свободным радикалом, образует безвредное соединение и выбывает из игры. На один радикал одна молекула? Не густо! А фуллереновый мячик – долгоиграющий: он остаётся в игре всё время, обладая магическим свойством притягивать к себе свободные радикалы. Кроме этого, такие «прилипшие» радикалы соединяются между собой и образуют безвредные вещества. Благодаря присутствию фуллерена этот процесс невероятно ускоряется, и тогда злосчастные радикалы массами выбывают из игры. Фуллереновые растворы во много раз эффективнее обычных антиоксидантов. Между тем исследователи говорят, что фуллерен – не лекарство в обычном смысле слова, так как лекарство способствует лечению определённой болезни, а растворы фуллерена действуют гораздо шире, в объёме всего организма.


Возможности этих наношариков поистине неисчерпаемы и не ограничиваются борьбой только со свободными радикалами. Фуллерены способны создавать целые комплекты биоактивных соединений. Заполнив полость фуллерена целительным веществом, можно этот шарик, как в лузу, загнать в необходимую точку. Такие фуллерены, шутливо названные фаршированными, могут быть использованы для доставки антибиотиков, витаминов и гормонов к больным клеткам. Особенно упорно ведутся работы по созданию фуллереновых препаратов для лечения болезней мозга. Впервые в мире фуллереновый антиоксидант для лечения повреждённых мозговых клеток синтезировали в Тель-Авивском университете. Его применение дало положительные результаты в экспериментах пока с животными. Предполагаются дальнейшие разработки этой методики для лечения рассеянного склероза и болезни Альцгеймера. Проводятся эксперименты с фуллеренами для доставки лекарств через кожу без применения уколов. Разрабатываются методы разрушения всемогущими фуллеренами геномов вирусов, проникающих в живую клетку. Перспективны работы по применению фуллеренов в качестве противоядия. Продолжать можно долго… Во всём мире ведутся исследования фуллереновых препаратов против раковых заболеваний и результаты вселяют надежду.

Перспективы использования фуллеренов и их производных в качестве антиоксидантов в патогенетической терапии бронхиальной астмы

Ширинкин С.В., Чурносов М.И., Андриевский Г.В., Васильченко Л.В.

Белгородский государственный университет. Медицинский факультет, кафедра медико-биологических дисциплин.

Институт Сцинтиляционных Материалов (ИСМА) Национальной Академии Наук Украины, Научно-Технологический Концерн «Институт Монокристаллов»  НАН Украины. Отдел Наноструктурных Материалов.

Адрес: Россия. 308015, г. Белгород, ул. Победы, 85.

Украина. 61001, Харьков, пр. Ленина, 60.



Резюме. В структуре болезней органов дыхания бронхиальная астма (БА) является одной из самых распространенных патологий, которая может носить тяжелый характер и подчас приводить к летальному исходу. Окислительный стресс является важной патогенетической компонентой данного заболевания. В основе чрезмерной активации ПОЛ может лежать первичная, генетически обусловленная недостаточность функции системы антиоксидантной защиты. Развитие медицинских нанотехнологий с применением при БА фуллеренов (C60), с учетом выраженных у них антиоксидантных свойств, возможности получения гидратированных форм C60 для энтерального и парэнтерального введения в организм человека, и отсутствия данных об острых и хронических интоксикациях ими — все это открывает новые возможности в лечении и профилактики данной патологии органов дыхания.

Ключевые слова: фуллерены, C60, бронхиальная астма, гены.

Болезни органов дыхания (БОД) являются серьезной медико-социальной проблемой для здравоохранения во всех странах мира, в первую очередь из-за высокого уровня заболеваемости, инвалидности и смертности. В структуре БОД бронхиальная астма  (БА) является одной из самых распространенных патологий, которая может носить тяжелый характер и подчас приводить к летальному исходу. Так, в России распространенность БА на 1997 г. составляла 5-8%, а астмоподобных симптомов-39,1%, в настоящее же время заболеваемость составляет более 9% всего населения [1,2,3,4,5].

Окислительный стресс является важной патогенетической компонентой данного заболевания [6,7,8,9,10,11,12], что особенно значимо в условиях недостаточности системы антиоксидантной защиты (АОЗ) [13,14,15].

Основными антиоксидантами, используемыми в патогенетической терапии гиперактивации ПОЛ мембран, являются витамины А, К, Е, С и микроэлементы цинк, медь, железо, селен и марганец в качестве ко-факторов ферментов системы АОЗ [16,17,18,19,20,21]. Важной характеристикой работы антиоксидантов является их расходование в реакциях инактивации активных форм кислорода и «сгорание». В этом плане заслуживает внимания новая группа антиоксидантов — фуллерены, которая лишена данного признака.

Фуллерены — это группа специфических молекул, состоящих только из атомов углерода, которые объединены между собой чередующимися одинарными и двойными связями в единые сферические каркасы. Сопряженность одинарных и двойных связей в молекулах фуллеренов придает им т.н. псевдоароматические свойства, что обуславливает их способность участвовать в различных реакциях присоединения. Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Р. Бакминстеру Фуллеру, чьи архитектурные конструкции построены по принципу сетчатых сферических поверхностей. Впервые фуллерены были открыты в 1985 Х. Крото, Хит. 0′ Брайен и Р. Смолли, а в 1992 их обнаружили в древних пластах земной коры, шунгите, а позже и в метеоритном веществе. Открытие фуллеренов удостоено Нобелевской премии по химии за 1996 г. и стало одним из ярких научных достижений конца ХХ века. Наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — фуллерен C60. Его называют иногда бакминстер-фуллерен, в котором 60 атомов углерода образуют многогранник из 12 пятиугольников и 20 шестиугольников, что придает такому фуллерену полное сходство с покрышкой футбольного мяча. Размер такой молекулы — приблизительно 10 Ангстремов. Известны фуллерены C70, C76, C82, C84, а также с большим числом атомов углерода, вплоть до 256, которые именуют гигантскими фуллеренами [22,23].

Способность фуллеренов и их производных инактивировать свободные радикалы кислорода была описана в 1991 г., когда Krustic at al. в журнале «Science» характеризовали фуллерен С60 как «губку, способную впитывать свободные радикалы» и что обусловлено электрон-акцепторными свойствами его псевдоароматической структуры. Например, одна молекула фуллерена C60 способна присоединять вплоть до 34 метильных радикала [24]. Другими словами, фуллерены способны эффективно ингибировать свободнорадикальные процессы и, фактически, выступать в качестве антиоксидантов. При этом, как принято считать, антиоксидантная эффективность фуллеренов зависит от числа неразорванных двойных связей в их углеродном каркасе. Поэтому наибольшей антиоксидантной активностью обладают нативные, химически немодифицированные молекулы фуллеренов. «Пришивка» к ним различных химических групп сопровождается разрывом их двойных связей, понижением электронно-акцепторных и антиоксидантых свойств фуллеренового каркаса [25].

К сожалению, такое традиционное представление о причинах антирадикальной активности фуллеренов игнорирует весьма важные факты, обнаруженные в 2000 году коллективом ученых из Франции, Англии и Германии. Было убедительно показано, что однотипные водорастворимые химические моно- и полипроизводные С60, содержащие различное количество двойных связей в фуллереновом каркасе, не имеют каких-либо существенных различий в антирадикальной активности, а нейтрализация свободнорадикальных форм кислорода происходит без их непосредственного взаимодействия с фуллереновой сеткой [26]. Такие неожиданные факты свидетельствуют о том,  что антирадикальная активность фуллеренов не связана напрямую с химическими свойствами фуллеренового каркаса, а обусловлена особенностями влияния фуллеренов на свойства водной среды, которая их непосредственно окружает.

Более того, в 2004 году обнаружилось, что аналогичные производные фуллерена С60, действуя как катализаторы, могут имитировать действие супероксиддисмутазы (СОД) — фермента, участвующего в нейтрализации супероксид анион радикала — побочного, потенциально токсичного продукта клеточного метаболизма. При этом также было показано, что подобная нейтрализация происходит без непосредственного участия фуллеренового каркаса с кислородными радикалами [27].

В целом, in vivo и in vitro фуллерены способны эффективно инактивировать как супероксидный, гидроксидный анион-радикалы, так и синглетный кислород [28,29,30,31]. Последние, как уже было сказано выше, являются первичными маркерами воспаления и развития окислительного стресса, обуславливающие этиологию и патогенез БА.

В соответствие с вышесказанным, в 2004 году [32] Андриевским Г.В. и соавт. предложена новая модель антиоксидантного действия для немодифицированного гидратированного фуллерена C60 (HyFn), когда адсорбция, концентрирование и самонейтрализация свободных радикалов происходит за счет упорядоченных водных структур, сформировавшихся вокруг С60. Такой механизм действия принципиально отличает HyFn от уже известных антиоксидантов [33]. Основываясь на физико-химических свойствах HyFn и его водных молекулярно-коллоидных растворов (C60FWS) [34,35], эта модель подтверждается данными динамического светорассеяния (DLS), малоуглового нейтронного рассеяния (SANS), низкотемпературной дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC), что достаточно хорошо совпадает с результатами молекулярного моделирования  M. Chaplin [36].

Проведенные широкомасштабные биологические испытания гидратированных фуллеренов (HyFn) показали, что они, будучи сами по себе нетоксичными, неиммуногенными, неаллергенными, обладают многоплановой положительной биологической активностью, которая, в первую очередь, связана с их способностью регулировать в живых организмах свободно-радикальные процессы «разумным» образом, а именно, с их способностью нейтрализовывать только избыток свободных радикалов, не затрагивая того их количества, которое необходимо для нормального функционирования биологической системы [33,37].

Аналогичные результаты представлены в работе Christie M. Sayes.  и кол., которыми оценивались эффекты фуллеренов на легочную ткань. Было показано, что ингаляции  водных суспензий немодифицированного, чистого С60 фуллерена не вызывают каких-либо токсических проявлений в легочной ткани, а напротив, приводят к снижению избыточного уровня ПОЛ. [38].

Известно, что различные типы антиоксидантов способны ослаблять ишемически-реперфузионное повреждение легких. В работе Lai и соавт. оценивали способность водорастворимого производного фуллерена С60 — С60(ONO2)7±2 — снижать выраженность ишемически-реперфузионного повреждения изолированных легких крысы [39]. Показано, что С60(ONO2)7±2  обладает антиоксидантными свойствами и способностью освобождать оксид азота [39,40], проявляя эффекты, подобные эффектам нитроглицерина. Экспериментальный протокол включал 10 мин стабилизации, 45 мин ишемии и 60 мин реперфузии. Легкие вентилировали газовой смесью, содержащей 95% О2 и 5% СО2. До и после ишемии регистрировали давление в легочной артерии (РЛА), давление в легочной вене (РЛВ), массу легких (W), легочное капиллярное давление и коэффициент фильтрации (КФ). Ишемия вызывала повышение РЛА, W и КФ в контроле, однако С60(ONO2)7±2 ограничивал рост этих показателей, что рассматривали как ослабление ишемически-реперфузионного повреждения легких [39].

Фуллерены могут оказывать влияние на протекание воспалительного процесса не только через снижение активности ПОЛ, но и через макрофагальное звено. В экспериментах in vitro Baierl T. et al. было продемонстрировано, что производные фуллерена С60, захваченные макрофагами, вызывают выброс противовоспалительных цитокинов [41], а в работе John J. Ryan et al. было показано сочетанное, антигистаминное и антиоксидантное, действие фуллеренов в виде их полигидрокси-производных, что, как полагают авторы является перспективным для их применения для терапии, включая такие болезни, как астма, полиартриты, болезни сердца и расеяный склероз [42].

Кроме того, некоторые производные фуллеренов могут быть использованы не только как антиоксиданты в терапии БА, но и в качестве антибактериальных и противовирусных препаратов [43,44,45,46], в условиях, когда ухудшение течения астмы происходит из-за инфекции органов дыхания.

Таким образом, развитие нанотехнологий в пульмонологии с использованием фуллеренов в качестве принципиально новых, «разумных» антиоксиданов при БА, особенно в условиях генетически обусловленной недостаточности системы АОЗ,  представляется перспективным.

Литература:


  1. Чучалин А.Г. Инфекционные заболевания нижнего отдела дыхательных путей. Пульмонология. 1999; 2: 6-9.
  2. Либман О.Л, Чучалин А.Г., Шугинин И.О. Лечение бронхиальной астмы у беременных женщин перед родами. Пульмонология. 2006; 6:84-87.
  3. Демко И.В., Гордеева Н.В., Петрова М.М., Артюхов И.П. Бронхиальная астма в г. Красноярске: использование различных методов для оценки уровня контроля. Пульмонология. 2007; 2: 68-73.
  4. Биличенко Т.Н. Эпидемиология бронхиальной астмы. В кн.: Чучалин А.Г. (ред.) Бронхиальная астма. М. Агар. 1997; 1: 400-423.
  5. Минкалов Э.К. Распространенность бронхиальной астмы и ее факторов риска среди взрослого населения республики Дагестан в зависимости от производственных и климатических условий. Вестник новых медицинских технологий. 2005; 12 (2): 103-105.
  6. Федосеев Г.Б. Механизмы обструкции бронхов. С-Петербург, 1995; 139-149.
  7. Величковский Б.Т. Свободнорадикальное окисление как звено срочной и долговременной адаптации организма к факторам окружающей среды. Вестник Рос. ак. мед. наук. 2001; 3:45-51.
  8. Скулачев В.П. Н2О2-сенсоры легких и кровеносных сосудов и их роль в антиоксидантной защите организма. Пульмонология. 2001; 2: 6-9.
  9. Харьков А.С., Чесникова А.И., Гайдар Е.Н., Зинькович С.А., Беловолова Р.А., Дзюба М.Н. Справочник пульмонолога. Ростов на Дону «Феникс». 2000; 8-45.
  10. Фрейдин М.Б., Брагина Е.Ю., Огородова Л.М. Генетика атопии: современное состояние. Вестник ВОГиС. 2006; 10 (3): 492-503.
  11. Вавилин В.А., Макарова С.И., Ляхович В.В. Оценка связи генетического полиморфизма ферментов биотрансформации ксенобиотиков с некоторыми проявлениями сенсибилизации у детей с бронхиальной астмой. Бюл. эксперим. биол. мед. 2002б; 1: 74-77.
  12. Ляхович В.В., Вавилин В.А., Макарова С.И. Роль ферментов биотрансформации в предрасположенности к бронхиальной астме и формировании особенностей ее клинического фенотипа. Вестн. РАМН. 2000; 12: 36-41.
  13. Bowry V.W., Stocker R. Tocopherol-mediated peroxidation: the prooxidant effect of vitamin E on the radical-initiated oxidation of human low-density lipoprotein. J. Am. Chem. Soc. 1993; 115: 6029-44.
  14. Ширинкин С.В. Микроэлементы и их роль в патогенезе пневмонии. Пульмонология. 2003; 4: 104-108.
  15. Чернеховская Н.Е., Ярема И.В., Вторенко В.И., Шушло В.К., Андреев В.Г., Черепянцев Д.П., Федченко Г.Г. Интрабронхиальная лимфотропная терапия абсцедирующей пневмонии. Пульмонология. 2000; 3: 41-43.
  16. Решетник Л.А., Парфенова Е.О. Селен и здоровье человека. Рос. педиатр. журнал. 2000; 2: 41-43.
  17. Chen J.R., Weng C.N., Ho T.J., Chang I.C., Lai S.S. Identification of the copper- zinc superoxide dismutase activity in micoplasma hyopneumoniae. Vet. Microbiol. 2000; May 11, 73 (4): 301-310.
  18. Дремина Е.С., Шаров В.С., Владимиров Ю.А. Определение антиоксидантной активности биологических и лекарственных препаратов. Методологические аспекты. Пульмонология. 1995; 1: 73-75.
  19. Проворотов В.М., Семенкова Г.Г., Великая О.В., Никитина Н.Н. Динамика клинических проявлений и активности ферментов в бронхиальном смыве при лечении больных затяжной пневмонией с применением энтеросорбента. Пульмонология. 1997; 1: 32-35.
  20. Bogomolov B.P., Deviatkin A.V. Microcirculation and hemestasis in influenza and acute viral respiratory infections complicated with pneumonis. Ter. Arkh. 2002; 74(3): 44-48.
  21. Sigal O.L., Becker K.L. Arachidonic acid is — lipoxygenase and airway epithelium. Am. Rew. Respir. Dis. 1988; 138 (2): 35-40.
  22. Калинин Ю.К. Экологический потенциал шунгита. Шунгиты и безопасность жизнидеятельности человека. Материалы первой всероссийской научно-практической конференции (3-5 октября 2006 г.). Петрозаводск. 2007; 5-10.
  23. Соколов В.И., Станкевич И.В. Фуллерены — новые аллотропные формы углерода: структура, электронное строение и химические свойства. Успехи химии. 1993; 62 (5), 455.
  24. Krustic P.J, Wasserman E, Keizer P.N. Radical reactions of C60. Science. 1991; 254: 1183-1185.
  25. Wang I.C., Tai L.A., Lee D.D. C60 and Water-Soluble Derivatives as Antioxidants Against Radical-Initiated Lipid Peroxidation. J. Med. Chem. 1999; 42: 4614-4620.
  26. Bensasson R.V., Bretteich M.,. Frederiksen J., Gottinger H., Hirsch A., Land E.J., Leach S.,. Mcgarvey D.J., Schonberger H. Reactions of (aq), CO2—, HO—, O2— and O2(1Dg) with a dendro[60]fullerene and C60[C(COOH)2]n (n = 52-6). Free Radical Biology and Medicine. 2000; 29 (1): 26-33.
  27. Samen S. Ali, Joshua I. Hardt, Kevin L. Quick, Jeong Sook Kim-Han, Bernard F. Erlanger, Ting-Ting Huang, Charles J. Epstein, Laura L. Dugan. Biologicalli effective fullerene (C60) derivative with superoxide dismutase mimetic properties. Free Radical Biology and Medicine. 2004; 37 (8): 1191-1202.
  28. 28. Андриевский Г.В., Клочков В.К., Деревянченко Л.И. Токсична ли молекула фуллерена С60?, или к вопросу: «какой свет будет дан фуллереновым нанотехнологиям — красный или все-таки зеленый?» Тезисы. Институт Терапии АМН Украины. Октябрь 2004 г.
  29. Chueh S.C, Lai M.K, Lee M.S. Decrease of free radical level in organ perfusate by a novel water-soluble carbon-sixty, hexa (sulfobutyl) fullerenes. Transplant Proc. 1999; 31 (5):1976-1977.
  30. Satoh M., Matsuo K., Kiriya H. Inhibitory effect of a fullerene derivative, monomalonic acid C60, on nitric oxide-dependent relaxation of aortic smooth muscle. Gen. Pharmacol. 1997; 29 (3): 345-51.
  31. Онищенко Е.Н. Фуллерены как антиоксиданты. Бюллетень ПерсТ. 2002; 22: 1.
  32. Andrievsky G.V., Burenin I.S. Hydrated C60 fullerenes as versatile bio-antioxidants, which in biological systems regulate free-radical processes by the «WISE» manner. Nano Conference. 2004, September 14-16. 2004; St.Gallen, Switzerland, Abs. 261.
  33. Andrievsky G.V., Klochkov V.K., Derevyanchenko L.I. Is C60 fullerene molecule toxic?! Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2005; 13 (4): 363-376.
  34. Andrievsky G.V., Kosevich M.V., Vovk O.M., Shelkovsky V.S., Vashchenko L.A. On the production of an aqueous colloidal solution of fullerenes. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1995; 12: 1281-1282.
  35. Andrievsky G.V., Klochkov V.K., Bordyuh A., Dovbeshko G.I. Comparative analysis of two aqueous-colloidal solution of C60 fullerenes with help of FT-IR reflectance and UV-VIS spectroscopy. Chem. Phys. Letters. 2002; 364: 8-17.
  36. Avdeev M.V., Khokhryakov A.A., Tropin T.V. Structural features of molecular-colloidal solutions of C60 fullerenes in water by small-angle neutron scattering. Langmuir. 2004; 20: 4363‑4368.
  37. Tykhomyrov A.O., Nedzvetsky V.S., Klochkov V.K., Andrievsky G.V.. Nanostructures of hydrated C60 fullerene (C60HyFn) protect rat brain against alcohol impact and attenuate behavioral impairments of alcoholized animals. Toxicology. 2008; 246 (2-3): 158-165.
  38. Christie M. Sayes, Alexander A. Marchione, Kenneth L. Reed, David B. Warheit. Comparative Pulmonary Toxicity Assessments of C60 Water Suspensions in Rats: Few Differences in Fullerene Toxicity in Vivo in Contrast to in Vitro Profiles. Nano Lett. 2007; 7 (8): 2399 -2406.
  39. Lai H.S., Chen W.J., Chiang L.Y. Free radical scavenging activity of fullerenol on the ischemia-reperfusion intestine in dogs. World J. Surg. 2000; 24 (4): 450-454.
  40. Huang S.S., Mashino T., Mochizuki M. Effect of hexasulfobutylated C60 on the isolated aortic ring of guinea pig. Pharmacology. 2000; 64: 91-97.
  41. Baierl T., Seidel A. In vitro effects of fullerene C60 and fullerene black on immunofunctions of macrophages. Ful.l Sci. Technol. 1996; 4: 1073-1085.
  42. John J. Ryan, Henry R. Bateman, Alex Stover, Greg Gomez, Sarah K. Norton, Wei Zhao, Lawrence B. Schwartz, Robert Lenk, Christopher L. Kepley. Fullerene Nanomaterials Inhibit the Allergic Response. The Journal of Immunology. 2007; 179: 665-672.
  43. Tsao N., Luh T.Y., Chou C.K. In vitro action of carboxyfullerene. J. Antimicrobal Chemother. 2002; 49: 641-649.
  44. Bosi S., Da Ros T., Castellano S. Antimycobacterial activity of ionic fullerene derivaties. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2000; 10: 1043-1045.
  45. Миллер Г.Г., Кущ А.А., Романова В.С. Средство для ингибирования ВИЧ и ЦМВ- инфекций и способ их ингибирования. RU 2196602. С 1, 20.01.2003.
  46. Раснецов Л.Д. Средство для ингибирования репродукции оболочечных вирусов, способ его получения, фармацевтическая композиция и способ ингибирования вирусных инфекций. RU 2236852. C 1, 27.09.2004.