Тэг: фуллерен

ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНОВЫХ НАНОЧАСТИЦ В ОРГАНИЗМЕ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ДОКЛИНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНОВЫХ НАНОЧАСТИЦ В ОРГАНИЗМЕ 

Аляутдин Р.Н., Романов Б.К., Меркулов В.А.

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Научный центр экспертизы средств медицинского применения» Министерства здравоохранения Российской Федерации, 127051, Москва, Россия


Резюме:

C60 фуллерен, состоящий из 60 атомов углерода, представляет собой замкнутую структуру, включающую 12 пентагональных и 20 гексагональных граней. Диаметр молекулы составляет 0,71 нм. Фуллерены являются третьим, после графита и алмаза, состоянием углерода. Фуллереновые наночастицы плохо всасываются из ЖКТ, и это затрудняет исследование закономерностей их распределения в организме. Однако, при системном введении анализ распределения фуллеренов указывает на типичное для наночастиц с немодифицированной поверхностью распределение по органам: накопление в органах, содержащих клетки ретикуло-эндотелиальной системы: печени, селезенке и легких. Специфической особенностью фуллеренов является их медленное выведение из организма, что в первую очередь обусловлено практически отсутствием метаболизма этих структур в организме.


C60 фуллерен (C60), состоящий из 60 атомов углерода, представляет собой замкнутую структуру, состоящую из 12 пентагональных и 20 гексагональных граней и по внешнему виду напоминает футбольный мяч (рис. 1). Диаметр молекулы составляет 0,71 нм. Фуллерены являются третьим, после графита и алмаза, состоянием углерода. Впервые фуллерен С60 был получен R.F. Curl, R.E. Smalley и H.W. Kroto в © КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2015 УДК 615.917:54.022 23 1985 г. при лазерной спектроскопии углерода [1]. В 1996 г. эта группа исследователей получила Нобелевскую премию за открытие нового класса соединений. 

Эта группа соединений получила свое название по имени архитектора R.B. Fuller, так как спроектированные им здания по конструкции и форме предвосхитили фуллерены (рис. 2).

Позже были получены фуллерены с большим числом атомов, например фуллерены С70 эллипсоидной формы, нанотрубки, фуллерены с меньшим числом атомов углерода, С28 и С36 [2].

Будучи пионерским в ряду фуллеренов, соединение С60 исследовано наиболее подробно. Фуллерен С60 представляет собой темно-коричневый порошок, нерастворимый в воде и полярных растворителях, но растворимый в толуоле, дихлорбензоле и других органических растворители, что существенно затрудняет исследование биологических свойств С60 [3].

Немодифицированный С60 может быть помещен в водный раствор путем выпаривания органического растворителя или при очень длительном перемешивании в гидрофильной среде.

С целью повышения растворимости в воде были использованы некоторые нанотехнологические методы, такие как добавление сурфактантов [4] и включение в водорастворимые супрамолекулярные структуры, такие как γ-циклодекстрин [5].

Кроме того, для улучшения растворимости использовались липосомы [6].

Вместе с тем, установлено, что модификация структуры фуллеренов за счет гидроксилирования молекулы (С60(ОН)n), а также присоединения различных радикалов на поверхности сферы способно в значительной степени влиять на физикохимические свойства С60, а также на его транспорт, распределение и метаболизм в организме.

Ковалентное включение радикалов (-ОН, NH2 , -СООН) в фуллереновую структуру приводит к функционализации молекулы, что позволяет установить связи с молекулами воды за счет гидрофильных добавок [7].

Такие соединения проявляют большую гидрофильность, чем исходный С60, что делает их более привлекательным кандидатами для применения в биологии и медицине.

Более того, функционализация фуллеренового ядра снижает способность к образованию синглетного кислорода и увеличивает способность поглощения реактивных соединений кислорода, что позволяет сделать вывод о меньшей токсичности функционализированных фуллеренов по сравнению с исходным соединением [8, 9].

Для оценки всасывания, распределения и выведения фуллеренов наиболее целесообразно использовать радиоактивные молекулы исследуемых веществ [10].

В случае с фуллереном С60 включение радиоактивной метки 14С в ядро возможно теоретически, однако, может привести к радиоактивной контаминации в процессе синтеза и требует значительного количества радиоактивного материала.

В связи с этим при исследовании функционализированных производных фуллерена наиболее рациональным путем является включение радиоактивной метки в радикал, который затем включается в фуллерен.

Всасывание и распределение фуллеренов при введении внутрь. Фуллерены при введении внутрь, независимо от их структуры, плохо всасываются из ЖКТ. При использовании меченых по 14С производных было показано, что препарат во внутренних органах обнаруживался в виде следов и в основном выводился с фекалиями.

Так, Yamago S казано, что гидрофильное триметиленметановое производное фуллерена практически не всасывалось из КТ, а в крови и печени животных были обнаружены лишь его следы. Через 1 час следы радиоактивности были отмечены в моче. В основном фуллерен выводился с калом, в период 30-36 часов этим путем было выведено 96% полученной внутрь радиоактивной метки, а в течение 48 ч введенный меченый по 14С фуллерен был выведен полностью [11].

Не исключено, что именно низкая всасываемость является причиной невысокой токсичности фуллеренов при введении внутрь.

При однократном введении внутрь в высокой дозе 2000 мг/кг С60, растворенного в сурфактанте (полисорбат 80), не было отмечено признаков токсического действия данного соединения, а при аутопсии не обнаружено изменений внутренних органов [12].

Однократное введение полиалкилсульфонированного С60 в дозе 2500 мг/кг не вызывало гибель подопытных животных [13].

Гистологические исследования показали, что фуллерены не оказывают влияния на слизистую кишечника [14].

Наряду с этим, по данным Chen H. и соавт. (1998) чистый С60 в значительно более низкой дозе (0,64 мг/кг) при введении внутрь в физиологичеком растворе или в кукурузном масле значительно усиливал оксидативное повреждение ДНК в печени и легких [15]. 

Использование парентеральных способов введения позволило установить основные закономерности распределения фуллеренов в организме, а также особенностей выведения этих соединений.

Внутрибрюшинное введение. В опытах на мышах при оценке острой токсичности водорастворимый фуллерен с триметиленметановым радикалом однократно вводили в дозе 200-500 мг/кг в 0,2% растворе полисорбата 80 в физиологическом растворе, содержащем диметилсульфоксид.

У мышей, согласно терминологии авторов, развивались признаки дискомфорта, проявлявшиеся в потягивании и изгибах туловища [11], что следует расценить как корчи, признак раздражения брюшины.

Однако, сложный состав использованной наносуспензии не позволяет однозначно указать на раздражающее действие фуллеренов.

Наряду с этим введение максимальной дозы 500 мг/кг препарата вызывало у животных снижение веса на 5-10%.

Тем не менее, интегрируя полученные результаты, авторы делают вывод о низкой токсичности функционализированных фуллеренов [11].

В экспериментах Gharbi N. И соавт. (2005) было показано, что при внутрибрюшинном введении в дозе 500 мг/кг растворенный в полисорбате 60 фуллерен С60 накапливался преимущественно в печени.

При микроскопическом исследовании оказалось, что накопление происходит в основном в купферовских клетках, реже в гепатоцитах или звездчатых клетках печени.

Структура паренхимы была нормальной без признаков воспаления или фиброза, при этом уровень аланин аминотрансферазы в плазме крови оставался без изменений.

Водная суспензия С60 повышала устойчивость печени к действию четыреххлористого углерода [16,17]. При введении меченого по 125I фуллерена в дозе 0,25 мг/ кг в день Zogovic и соавт. (2009) отметили при внутрибрюшинном введении максимальное накопление наночастиц в печени. В меньшей степени фуллерен накапливался в селезенке, легких, сердце и почках [18]. При этом животные нормально набирали вес и в течение 2 недель у них отсутствовали симптомы интоксикации.

В опытах in vitro авторы статьи обнаружили цитотоксическое действие фуллерена на клетки меланомы. Однако, при системном (внутрибрюшинном) введении фуллерен ускорял рост перевиваемой меланомы.

Авторы пришли к заключению, что фуллерен С60 снижает противоопухолевую иммунную защиту.

Сведения о распределении и накоплении фуллеренов при внутрибрюшинном введении неоднозначны.

Так, в исследовании Chien C.T авт. (2001) микроскопическое исследование почек выявило диффузный некроз канальцевого эпителия коры, в основном за счет перегрузки клеток фаголизосомами.

Загруженные фуллеренами макрофаги отмечены также в печени, тимусе и селезенке.

При однократном внутрибрюшинном введении LD50 водорастворимого полиалкилсульфонированного С60 составила 600 мг/кг. [18].

Однако, в другом исследовании, проведенном позже, авторы показали протективное действие фуллерена на клетки эпителия почечных канальцев от оксидативного стресса [18].

В опытах на мышах LD50 полигидроксилированного С60, однократно введенного внутрибрюшинно, составила 1200 мг/кг [19].

В дозе 100 мг/кг гидроксилированный С60 фуллеренол не оказывал влияния на пареметры картины периферической крови, но снижал антиоксидативную устойчивость эритроцитов к соответствующему стрессу, вызванному доксорубицином [20].

Снижение дозы фуллерола до 50 мг/ кг приводило к полной потере любой токсичности и способствало защите от оксидативного стресса в сердце, печени и почках при введении доксорубицина [21].

Внутривенное введение. Этот путь введения позволяет с большей точностью оценить распределение фуллереновых наночастиц в организме.

В экспериментах Chen H. И соавт. (1998) при этом пути введения меченого по 14С фуллерена в первую очередь обращает на себя внимание медленное выведение наночастиц из организма.

Через 160 ч только 5,4% общей дозы было выведено с калом, остальная часть оставалась в теле животных. Выведение с мочой было незначительным. Задержка фуллерена в организме объясняется авторами его высокой липофильностью.

Коэффициент распределения октанол/вода составляет 4,5 и эквивалентен производным фенантрена и 1,2- дифенилэтана. Через1 час после в/в введения в крови содержалось лишь 1,5% от введенной дозы препарата, а через 6 ч – 0,5%. В печени через 1 ч после введения накопилось 73% фуллерена, максимального значения этот параметр достиг через 6-16 ч и составил 91%. Через 30 ч в печени сохранилось около 80% радиоактивной метки, но через 160 ч осталось лишь 1,6%. Через 30 ч наивысшая концентрация радиоактивной метки (2-3%) установлена в селезенке и почках.

Авторы считают, что фуллерены в силу высокой липофильности проникают в мозг. Однако, уровень радиоактивности в тканях мозга невысок, возможно, что это радиоактивность наночастиц, находящихся в капиллярах головного мозга [21].

Сходные результаты были получены при внутривенном введении раствора 14С меченного фуллерена С60 в поливинилпирролидоне (ПВП) самкам мышей и крыс.

Оказалось, что при этом пути введения наночастицы в основном накапливаются в печени, легких и селезенке.

Наблюдение в течение 30 дней показало, что фуллереновын наночастицы медленно выводятся из организма, не более 2% в сутки.

Радиоактивность в плазме крови регистрировалась на 30 сутки после введения [24].

После внутривенного введения 14С фуллерена в растворе ПВП радиоактивность была отмечена в тканях плаценты, плода, в молоке крыс [25].

Неравномерное накопление в тканях организма внутривенно водимых фуллеренов отмечено другими авторами.

Так, Nickolic и соавт. (2009) на быстрое распределение в организме меченого по 125I плением печени и селезенке [26].

Феномен накопления фуллеренов в печени позволил Li Z. и соавт исследовать эти наночастицы как потенциальное средство для лечения опухолей печени [25].

Заключение

На основании представленных данных можно сделать вывод, что фуллереновые наночастицы плохо всасываются из КТ, и это затрудняет исследование закономерностей их распределения в организме.

Однако, при системном введении анализ распределения наночастиц указывает на типичное для наночастиц с немодифицированной поверхностью распределение по органам: накопление в органах, содержащих клетки ретикуло-эндотелиальной системы: печени, селезенке и легких [26, 27].

Специфической особенностью фуллеренов является их медленное выведение из организма, что в первую очередь обусловлено практически отсутствием метаболизма этих структур.

При доклинической оценке безопасности препаратов, содержащих фуллереновые наночастицы, необходимо принимать во внимание значительные изменения физико-химических свойств при функционализации молекул, что в конечном итоге приводит к изменению фармакокинетических параметров и невозможности экстраполяции результатов оценки безопасности одних фуллеренов на структурно различные аналоги.

Наконец, сравнение результатов экспериментов, полученных на различных видах грызунов, позволяет предположить значительные межвидовые различия в распределении и выведении фуллереновых наночастиц.


ЛИТЕРАТУРА:

1. Kroto HW, Heath JR, O’Brien SC, Curl RF, Smalley RE. C60: buckminsterfullerene. Nature 1985; 318:162–3

2. Piskoti C, Yarger J, Zettl A (1998) C36, a new carbon solid. Nature 1998; 393:771–4.

3. Torres VM, Posa M, Srdjenovic B, Simplı´cio AL. Solubilization of fullerene C60 in micellar solutions of different solubilizers. Colloids Surf B Biointerfaces 2011; 82:46–53.

4. Deguchi S, Alargova RG, Tsujii K . Stable dispersions of fullerenes, C-60 and C-70, in water. Preparation and characterization. Langmuir 2001; 17:6013–17.

5. Makha M, Purich A, Raston CL et al. Structural diversity of host-guest and intercalationcomplexes of fullerene C 60 . Eur J InorgChem 2006; 37:507–15.

6. Husebo LO, Sitharaman B, Furukawa T et al. Fullerenols revisited as stable radical anions. J Am Chem Soc. 2004 126:12055–64.

7. Da Ros T, Prato M. Medicin al chemistry with fullerenes and fullerene derivatives. Chem Comm 1999; 8:663–9.

8. Bensasson RV, Berberan-Santos MN, Brettreich et al. Triplet state properties of malonic acid C60 derivatives C60[C(COOR)2]n; R = H, Et; n = 1–6. Phys Chem Chem Phys 2001; 3:4679–4683.

9. Markovic Z, Trajkovic V. Biomedical potential of the reactive oxygen species generation and quenching by fullerenes (C60). Biomaterials 2008; 29:3561–73.

10. Руководство по проведению доклинических исследований лекарственных средств.Под редакцией А.Н. Миронова. М.: Грифи К. 2012.

11. Yamago S, Tokuyama H, Nakamura E, Kikuchi K et al. In vivo biological behavior of a watermiscible fullerene: 14C labeling, absorption, distribution, excretion and acute toxicity. Chem Biol 1995; 2:385–389.

12. Mori T, Takada H, Ito S, Matsubayashi K, Miwa N, Sawaguchi T. Preclinical studies on safety of fullerene upon acute oral administration and evaluation for no mutagenesis. Toxicology 2006; 225:48–54.

13. Chen HH, Yu C, Ueng TH, Chen S, Chen BJ. Acute and subacute toxicity study of water soluble polyalkylsulfon ated C60 in rats. Toxicol Pathol 1998; 26:143–151.

14. Yamashita K, Yoshioka Y, Pan H. Biochemical and hematologic effects of polyvinylpyrrolidonewrapped fullerene C60 after oral administration. Pharmazie 2013; 68(1):54-7.

15. Folkmann JK, Risom L, Jacobsen NR, Wallin H. Oxidatively damaged DNA in rats exposed by oral gavage to C60 fullerenes and single-walled carbon n anotubes. Environ Health Perspec 2009; 117:703–708.

16. Gharbi N, Pressac M, Hadchouel M. (2005) [60] Fullerene is a powerful antioxidant in vivo with no acute or subacute toxicity. Nano Lett 2005; 5:2578–85.

17. Zogovic NS, Nikolic NS, Vranjes-Djuric SD et al. Opposite effects on n anocrystalline fullerene (C60) on tumor cell growth in vitro and in vivo and a possible role of immunosuppression in the cancerpromoting activity of C60. Biomaterials 2009; 30:6940–6946.

18. Chien CT, Lee PH, Chen CF, Ma MC. De novo demonstration and co-localization of free-radical production and apoptosis formation in rat kidney subjected to ischemia/reperfusion. J Am Soc Nephrol 2001; 12:973–982

19. Ueng TH, Kang JJ, Wang HW. Suppression of microsomal cytochrome P450-dependent monooxygen ases and mitochondrial oxidative phosphorylation by fullerenol, a polyhydroxylated fullerene C60. Toxicol Lett 1997; 93:29–37

20. Milic VD, Stankov K, Injac R, Djordjevic A et al. Activity of antioxidative enzymes in erythrocytes after a single dose administration of doxorubicin in rats pretreated with fullerenol C60(OH)24. Toxicol Mech Methods 2009; 19:24–28.

21. Injac R, Perse M, Cerne M, Potocnik N et al. Protective effects of fullerenol C60(OH)24 against doxorubicin-induced cardiotoxicity and hepatotoxicity in rats with colorectal cancer. Biomaterials 2009; 30:1184–1196.

22. Sumner SC, Snyder RW, Wingard C. Distribution and biomarkers of carbon-14-labeled fullerene C60 ([14 C(U)]C60 ) in female rats and mice for up to 30 days after intravenous exposure. J Appl Toxicol 2015. Doi: 10.1002/jat.3110.

23. Snyder RW, Fennell TR, Wingard CJ. Distribution and biomarker of carbon-14 labeled fullerene C60 ([14 C(U)]C60 ) in pregn ant and lactating rats and their offspring after matern al intravenous exposure. J Appl Toxicol 2015 doi: 10.1002/jat.3177.

24. Nikolic´ N, Vranjes-Ethuric´ S, Jankovic´. Preparation and biodistribution of radiolabeled fullerene C60 n anocrystals. Nanotechnology 2009; 20:385102.

25. Li Z, Pan LL, Zhang FL. Preparation and characterization of fullerene (C60) amino acid n anoparticles for liver cancer cell treatment. J Nanosci Nanotechnol 2014 Jun;14(6):4513-8.

26. Shamenkov D.A., Petrov V.E., Alyautdin R.N. Effects of apolipoproteins on dalargin transport across the blood-brain barrier. Bulletin of Experimental Biology and Medicine 2006; 142: 703-706.

27. Аляутдин Р.Н., Романов Б.К., Лепахин В.К. и соавт. Связанный с альбуминовыми наночастицами паклитаксел – первые шаги нанотехнологий в клиническую практику. Безопасность и риск фармакотерапии 2014; 2: 10-17.

ЗАЧЕМ НАМ СЕГОДНЯ НУЖНЫ ФУЛЛЕРЕНЫ?

Л.Б. Пиотровский, Е.В. Литасова, М.А. Думпис

ФГБНУ «Институт экспериментальной медицины», Санкт-Петербург


Фуллерены «открывали» неоднократно. Сначала было слово, и слово это первым произнес Д. Джонс (Daedalus) в сентябрьском номере журнала New Scientist за 1966 г.: он предположил, что внедрение в графитовый слой, состоящий из правильных шестиугольников, пятиугольных дефектов может превратить этот плоский слой в полую замкнутую структуру [1]. В 1971 г. Е. Осава опубликовал на японском языке статью, в которой описывалась сферическая углеродная структура из 60 атомов [2]. Чуть позже Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперн в Москве провели квантово-механические расчеты аналогичной структуры и показали ее устойчивость [3], но это все были теоретические предсказания существования углеродных кластеров («гипотетические системы», как указывали последние авторы). Тогда никто не смог ни подтвердить, ни опровергнуть эти работы экспериментально. Но это предыстория, а сама история дальше.

В сентябре 1985 г. в университет Райса (Техас, США), в лабораторию Р. Смолли приехал Г. Крото. Целью его визита было желание использовать имеющиеся в этой лаборатории возможности для понимания «механизм образования длинных углеродных цепочек в космосе» [4]. Однако уже в первых экспериментах было обнаружено образование углеродных кластеров, причем преимущественные пики соответствовали структурам из 60 и 70 атомов углерода [5]. И вот здесь сработало то, что называется серендипити 1 — эти пики были интерпретированы авторами как соответствующие замкнутым углеродным структурам С60 и С70 [80]. Эти кластеры, по мнению авторов, представляют собой молекулы, имеющие форму замкнутых сфер. Одной из причин этого является то, что усеченный икосаэдр для фуллерена С60 (форма футбольного мяча) имеет высшую симметрию, а природа «любит» симметричные структуры. «Помню, я думал о том, что такая форма молекулы настолько прекрасна, что должна быть верной», — писал позднее Г. Крото. На мысль о замкнутой структуре кластеров его подтолкнули геодезические купола выдающегося изобретателя, философа и архитектора Бакминстера Фуллера, чье имя авторы и включили в название нового типа молекулы: «бакминстерфуллерены». Работа продолжалась всего 10 дней, и уже 13 сентября редакция журнала Nature получила статью с заголовком «С60: Buckminsterfullerene» [4]. Эти десять дней «потрясли мир»: был открыт новый геодезический тип молекул, новый класс соединений углерода — фуллерены, представляющие собой замкнутые структуры. И, что тоже немаловажно, авторы этой работы вспоминали через 15 лет, что они ничего не знали о работах предшественников и считали свою идею совершенно новой и были убеждены в правильности предложенных структур [6].

В Нобелевской лекции Г. Крото говорил: «История открытия С60 не может быть правильно оценена без учета красоты формы этой молекулы, которая обусловлена ее невероятной симметрией. Другой важный факт, создающий ауру вокруг этой молекулы, связан с ее названием — бакминстерфуллерен. Все это придает нашей элегантной молекуле харизму, которая очаровала ученых, привела в восторг обывателей, добавила энтузиазма молодым в их отношении к науке и, в частности, придала свежее дыхание химии» [7] (более подробно об открытии фуллеренов см. [9]).

Однако получить в масс-спектрометре количество вещества, достаточное для экспериментального изучения, невозможно, и поэтому «фуллереновая» эпидемия началась лишь в 1990 г. После появления препаративного метода [10] число работ по изучению фуллеренов и поиску возможностей их прикладного использования стало увеличиваться лавинообразно [11, 12].

Чем же так привлекателен фуллерен С602 ? На наш взгляд, можно выделить две причины. Как уже отмечено выше, далеко не последнюю роль играла (и играет до сих пор) эстетическая характеристика этих молекул [13]. При этом не менее значимо, что исследователей притягивала новизна, «необычность» для традиционной химии этих геодезических молекул.

Однако, прежде, чем приступить к основной теме обзора, необходимо сделать небольшое отступление. К сожалению, одним из «недостатков» фуллереновой науки (и не только фуллереновой, но и современной науки в целом) является то, что в некоторых случаях авторы статей приводят далеко не всю необходимую информацию. В качестве одного из примеров можно привести воду Svetla, в аннотации к которой указано, что она обработана фуллеренами [14], но, что это значит конкретно, не понятно, притом что в самой воде фуллеренов нет. Есть и другие примеры. И вообще, недостаточность опубликованных данных, или даже их недостоверность, отмечена неоднократно [15–17]. И это необходимо принимать во внимание при анализе представленной в литературе информации.

Свойства фуллеренов позволяют использовать их или их производные во многих областях: в элементах для преобразования солнечной энергии в электрическую (фотовольтаические устройства), топливных элементах, мембранных технологиях [12], в медицинской химии для создания на их основе лекарственных веществ и т. п. [18–20].

Более чем через 30 лет исследований стало очевидно, что надежды на широкое применение фуллеренов в различных областях науки и техники не оправдались. Состояние проблемы практического использования фуллеренов отражено даже в названиях статей. Так, недавно вышедший обзор одного из известнейших исследователей фуллеренов Nazario Martin, посвященный такой важной проблеме, как преобразование солнечного света в электрическую энергию, называется «Наноформы углерода для фотовольтаиков: миф или реальность» [21]. Другой иллюстрацией могут служить данные Woodrow Wilson International Center for Scholars, с 2005 г. выполняющего проект учета реальных нанотехнологий (Project on Emerging Nanotechnologies). Туда включают различные потребительские продукты со всего мира, в аннотациях к которым использовано слово «нанотехнология» [22, 23]. В проекте продукты распределяются по нескольким разделам, среди которых есть и раздел Health and Fitness. В 2018 г. фуллерен-содержащие продукты упомянуты только в этом разделе — это шесть косметических композиций (хотя набор фуллерен-содержащих косметических продуктов, по данным работы [16], несколько шире). Надо отметить, что в предыдущие годы фуллерены встречались еще и в качестве добавок при производстве спортивного инвентаря (теннисных ракеток, клюшек для гольфа и т. п.).

Почему же это произошло? Казалось бы, что более очевидно (и выгодно во всех отношениях) создание на основе фуллеренов лекарственных веществ. Однако в действительности оказалось, что это не так. Попробуем рассмотреть это подробнее и обратимся, в частности, к косметике.

Косметика относится к числу древних областей знаний и умений человека. Мази и кремы для ухода за кожей существовали уже в Древнем Египте и Вавилоне [24]. В настоящее время эта отрасль индустрии растет очень быстро, причем во многом за счет использования новых веществ и композиций [25, 26], применения нанотехнологических подходов, позволяющих улучшить доставку косметических субстанций на требуемую глубину в кожные покровы [27]. И неудивительно, что в этой «всеядной» отрасли стали востребованы и фуллерены.

Если вспомнить определения, то косметика — это учение о средствах и методах улучшения внешности человека, о средствах и способах ухода за кожей, волосами и ногтями и ротовой полостью, применяемые с целью улучшения внешности человека, а также вещества, применяемых для придания свежести и красоты лицу и телу. Фармакология же — это наука о лекарственных веществах и их действии на организм, наука о физиологически активных веществах, воздействующих на организм, в частности, при трансдермальном введении. Как видим, разница между ними невелика и практически заключается только в способе введения — это внутривенный, внутримышечный и т. д. Однако в действительности дело не только в этом.

Местная аппликация на кожные покровы является в принципе начальной стадией так называемого трансдермального метода введения лекарственных веществ. Сам этот метод введения не нов, его применяли в разных странах в течение тысячелетий [24], но свою научную основу он обрел только в середине XX в., когда стало окончательно ясно, что эффективность действия лекарственных препаратов зависит от способа их введения [28]. Как и все другие методы введения лекарственных препаратов, он имеет свои преимущества и недостатки (см. [29]). И вот один из недостатков этого метода введения в организм оказывается преимуществом в случае косметики, а именно: кожный покров представляет собой эффективный барьер, задерживающий большинство молекул, так как кожные поры не пропускают большие молекулы из-за их размеров, а поверхностный слой кожи содержит много липидов, препятствующих проникновению в организм любых водорастворимых молекул [30]. Результатом этого и является то, что большинство ингредиентов косметических композиций не достигает системного кровотока и не оказывает нежелательного воздействия на организм, поэтому не нужно проводить сложные и дорогостоящие исследования по безвредности этих компонентов. Все это в полной мере относится и к фуллерену. Неизмененный фуллерен отличается высокой липофильностью, его коэффициент распределения в системе октанол – вода равен (log Pow) 6,67 [31], вследствие этого он способен взаимодействовать с компонентами кожной ткани. Благодаря его физико-химическим характеристикам вероятность попадания фуллерена через кожные покровы в системный кровоток минимальна.

Использование не просто растворителя, а смеси различных компонентов в косметических композициях позволяет ввести в их состав фуллерен в количестве, достаточном для достижения положительного эффекта всей композиции. Косметический препарат (косметическая композиция) — это в подавляющем большинстве случае многокомпонентная смесь различных ингредиентов, каждый из которых вносит свой вклад в достижение конечного эффекта. Причем любая косметическая композиция представляет собой или смесь липофильных компонентов, или смесь, в которой они преобладают. В таких неполярных липофильных средах фуллерен С60 все-таки растворяется, хотя и здесь сказывается его плохая растворимость. В тех случаях когда удается определить количественные характеристики композиций, видно, что фуллерена в них немного, обычно около 1 %, но и этого оказывается достаточно, чтобы он проявил свои свойства. А все потому, что наиболее активны именно отдельные молекулы фуллерена. Например, при исследовании ранозаживляющего действия было показано, что наиболее эффективен 0,05 % раствор фуллерена в вазелине [32].

Фуллерен обладает двумя основными свойствами, за которые его можно назвать двуликим Янусом — это способность нейтрализовывать свободные радикалы, выступая в роли антиоксиданта, и способность генерировать активные формы кислорода при облучении [17]. Именно способность нейтрализовывать свободные радикалы, выступать в виде ловушки, то есть проявлять свойства антиоксиданта, и является основным свойством фуллерена, определяющим его востребованность в косметике и дерматологии.

Впервые способность улавливать свободные радикалы, то есть антиоксидантное действие фуллерена, обнаружил Krusic et al. [33]. Они даже назвали фуллерен С60 «губкой для радикалов» (radical sponge) из-за того, что он улавливал 34 метильных или 15 бензильных радикалов. Присоединение радикалов к фуллерену С60 происходит по двойной связи С=С с образованием соответствующих аддуктов [33, 34], что и составляет химическую основу способности фуллеренов проявлять в биологических системах свойства антиоксидантов и цитопротекторов [35].

Наиболее ярко эти свойства выражены у самого неизмененного (pristine) фуллерена C60 и ослабляются при введении в фуллереновый кор заместителей [17]. Однако показано, что и некоторые карбоксифуллерены защищают кераноциты как от ингибирования, вызванного ультрафиолетом, так и от апоптоза, вызванного УФ-облучением [36].

Известно, что избыточное количество (кислорода) радикалов в коже может привести к (локальному клеточному) окислительному стрессу. С одной стороны, окислительный стресс может способствовать возникновению различных (воспалительных) кожных заболеваний, таких как обыкновенные угри и алопеция, а также ускоренному фотостарению кожи. С другой стороны, окислительный стресс может быть необходим для лечения определенных кожных заболеваний, например микробных накожных инфекций. Следовательно, новые лечебные средства, способные поглощать радикалы, могут быть эффективны при лечении различных кожных заболеваний, особенно тех, которые имеют ограниченные варианты лечения. Потенциал и возможность фуллерена для использования в этих целях, экспериментальные данные, в основном из исследований in vitro и in vivo на животных, по безопасности и терапевтическому потенциалу производных фуллерена C60 в области дерматологии рассматриваются в обзоре [37].

Одна из проблем, с которыми сталкиваются люди: это действие на организм ультрафиолетового облучения. Оно состоит из трех основных спектральных интервалов, отличающихся по длине волны, а именно UVA, UVB и UVC. Наибольшей длиной волны (320–400 нм) характеризуется диапазон UVA, поэтому это излучение глубоко проникает в кожу. К UVC относятся самые короткие волны (200–280 нм), неглубоко проникающие в ткани. Волны диапазона UVC обладают наиболее высокой энергией и поглощаются в атмосфере, практически не доходя до поверхности Земли, в силу этого основу УФ-облучения, действующего на живые системы, составляют относительно низкоэнергетические излучения UVA и UVB [38, 39]. Молекулярные процессы, возникающие под действием УФ-облучения, весьма разнообразны. Оно может приводить к повреждению ДНК, белков, вызывать мутации, а также образование радикалов. Мягкое УФ-облучение (UVA) обусловливает образование активных форм кислорода (АФК) или свободных радикалов, которые, в свою очередь, опосредованно повреждают ДНК и вызывают мутации, а также приводят к повреждению белков и липидов [40, 41].

Из всех органов человека кожа является самым большим органом — она покрывает все тело и наиболее подвержена действию УФ-облучения. Морфологические повреждения кожи проявляются на клеточном уровне (так называемые sunburn-клетки, кераноциты с пикнотическими ядрами и эозинофильной цитоплазмой), внутриклеточными и межклеточными отеками.

Кожа снабжена системами защиты, включающими антиоксидантные ферменты (типа глутатиона, пероксидазы, супероксиддисмутазы и каталазы) и неферментативные системы (соединения типа витаминов С и Е, каротиноидов и т. п.). Однако для поддержки этих систем зачастую необходима местная аппликация различных антиоксидантов. Более того, некоторые антиоксиданты при местном применении оказывают противовоспалительное и антиканцерогенное действие [42, 43].

Поскольку старение кожи связано с увеличением окислительного стресса, многие исследователи считают возможным использование фуллеренов в косметике для создания омолаживающих композиций (rejuvenation products) именно благодаря их высокому антиоксидантному потенциалу [44–47].

Хотя большинство исследований и показывает, что основные изменения в клетках и их морфологии при действии фуллеренов являются результатом их антиоксидантных свойств, в работе [48] сделано предположение, что защитный эффект фуллеренов связан с усилением дифференциации кератиноцитов.

Особый интерес для косметики представляют надмолекулярные комплексы фуллерена С60: с циклодекстрином [49, 50], поливинилпирролидоном (ПВП) [51], а также включение фуллеренов в липосомы [52]. Однако первым в косметике был применен водорастворимый комплекс С60/ПВП Radical Sponge™, обладающий всеми положительными свойствами фуллерена [53].

Фуллерен в виде комплекса С60/ПВП или раствора в сквалане эффективно защищает клеточную мембрану от перекисного окисления, поэтому можно также ожидать, что фуллерен, как антиоксидант, будет удалять АФК, образующиеся на поверхности кожи при использовании TiO2-содержащих солнцезащитных кремов [54–56].

В опытах in vitro на различных линиях клеток кожи человека был продемонстрирован цитопротективный эффект при введении до, во время и после УФ-облучения следующих производных фуллерена: комплекса фуллерена C60 с ПВП (комплекс С60/ПВП, Radical Sponge™) [48, 51, 57–60], комплекса фуллерена C60 с γ-циклодекстрином (С60/γ-ЦД) [57], фуллерена, включенного в липосомы [37, 61], и фуллерена в комбинации с различными фуллеренолами [57, 62], а также карбоксифуллерена [63].

Комплекс С60/ПВП представляет собой сильную ловушку для АФК [57, 58]. Radical Sponge™ оказывает цитопротективное действие на кератиноциты человека, а в концентрациях от 10 до 40 μM защищает их от повреждений, вызванных УФ-облучением [58]. Цитопротективное действие Radical Sponge™ превосходит таковое липофильного производного витамина C [децилового эфира 2,3,5,6-О-тетра-(2’-гексил)аскорбиновой кислоты]. См. также [57, 64, 65].

Не только фуллерены, но и другие наноструктуры углерода способны играть роль антиоксиданта. Так, хорошо известно, что природный минерал шунгит содержит не фуллерены, а турбостратный углерод, который может нейтрализовывать действие УФ-облучения на кожу [66].

Acne vulgaris — хроническое воспалительное заболевание кожи, вызываемое изменениями в пилосебационных структурах (состоят из волосяного фолликула и сальной железы). Этиология этого сложного хронического заболевания многофакторна и включает в себя гиперкератинизацию, блокаду сальных фолликулов, увеличение выработки кожного сала, колонизацию Propionibacterium и воспалительную реакцию [67]. Другим важным фактором этой патологии является окислительный стресс, причем как в коже, так и системный [68, 69]. Фуллерен, благодаря своим свойствам, представляет новый наноматериал для терапии акне. Он обладает высокой антиоксидантной активностью, может проникать в эпидермис и работать как носитель для улучшения доставки лекарственных веществ [70]. Кроме того, было показано, что фуллеренол C60(OH)24 может подавлять образование кожного сала [71] и проявляет антимикробную активность в отношении P. acne [72]. S. Inui et al. исследовали роль фуллеренов в клинике акне [73].

Авторы показали, что нанесение 0,4 мл 1 % Lipo-Fullerene геля на кожу лица 11 пациентам, имеющим поражения акне, дважды в день в течение 8 недель привело к статистически достоверному значительному уменьшению среднего числа воспалительных поражений и пустул, но не числа угрей. Гель Lipo-Fullerene проявил выраженный эффект на содержание воды в коже, но не влиял на число conspicuous pores. Однако до конца не ясно, с чем связана повышенная влажность кожи: с действием 1 % сквалана или фуллерена [73]. Одним из факторов, определяющих как эмоциональную оценку человека, так и его привлекательность, является состояние его волос, их цвет и длина, стиль прически и т. п. На косметические продукты для ухода за волосами, позволяющими сделать их здоровыми и красивыми, ежегодно тратятся миллиарды долларов [74, 75]. Достаточно хорошо известно, что утрата волос, облысение могут приводить к психологическим проблемам, снижать качество жизни [76, 77].

Этиология возникновения алопеции весьма разнообразна: это могут быть как первичные (генетические или гормональные, влияние окружающей среды), так и вторичные факторы, связанные с химиотерапией, тиреоидными расстройствами и недостатком питания [78, 79]. Однако существующие на сегодня методы борьбы с ней ограничены. В настоящее время Food and Drug Administration (FDA) разрешило местное применение только minoxidil finasteride для лечения андрогенетической алопеции [78, 80, 81], а для лечения очаговой алопеции используют местные инъекции кортикостероида, а также местные аппликации tacrolimus и minoxidil [82]. К сожалению, все эти препараты имеют определенные ограничения.

Стимулирующее влияние производных фуллерена на рост волос было показано в модельных экспериментах с использованием кожи мышей и человека [83]. Как интрадермальное введение, так и местная аппликация могут ускорять рост волос и вызывать de novo образование волосяных фолликулов. Механизм этих эффектов не понятен, но авторы предполагают, что это действие обусловлено антиоксидантными свойствами фуллеренов, так как именно окислительный стресс может служить причиной нарушений в состоянии волос и вызывать их потерю [84, 85].

Исследовали применение фуллеренов и в других областях защиты кожи и косметики. Например, M. Murakami et al. использовали Radical Sponge™ для оценки восстановления кожного барьера после снятия ленты на предплечье 10 здоровых добровольцев [48]. Было отмечено значительное улучшение трансэпидермальной потери воды, но при этом не наблюдалось каких-либо изменений в гидратации рогового слоя. Авторы считают, что это увеличение может быть связано с индуцирующим эффектом фуллерена на дифференцировку кератиноцитов и стимулированием синтеза ороговевшей оболочки. S. Inui et al. изучали влияние фуллерена (в виде лосьона на основе Radical Sponge™) на поры лица. Лосьон наносили 10 добровольцам дважды в день в течение 8 недель. В результате эта процедура привела к видимому косметическому эффекту (поры уменьшились почти на 18 %), что, вероятно, связано с подавлением образования PGE2 в эпидермисе [86]. При этом те же авторы ранее не отмечали уменьшения количества заметных пор [73].

В последние годы в медицине широко используют лазеры, в том числе и для лечения заболеваний кожи. Покраснения и пигментация, возникающие в результате действия лазера, могут быть уменьшены с помощью антиоксидантов на основе фуллеренов [87].

Согласно существующему законодательству безопасность косметики, в отличие от лекарственных веществ, определяют по токсичности отдельных компонентов [88, 89]. На государственном уровне токсичность и безопасность парфюмерно-косметической продукции в РФ обеспечена совокупностью требований к содержанию токсичных элементов и токсикологическим показателям [90].

С этой точки зрения применению фуллерена С60 в косметике ничто не препятствует. Исследования его токсичности при разных путях введения, в том числе и при накожной аппликации в различных растворителях, предпринимали неоднократно. Более того, было показано отсутствие токсичности фуллерена даже при системном введении (см., например, [91]). Не было выявлено каких-либо токсикологических проблем и в результате многочисленных исследований конкретных используемых в косметике форм фуллерена [92–94]. Кроме того, была установлена способность фуллерена проникать только в верхние слои кожи [95]. Причем этой способностью обладает не только сам фуллерен, но и фуллерен в виде комплекса с ПВП (С60/ПВП) [96]. Отдельное исследование было посвящено уточнению токсикологических характеристик этого комплекса. Оказалось, что фуллерен в его составе не только не проявляет токсичности, но и снижает отрицательное действие самого ПВП [97]. В этой работе продемонстрировано, что, во-первых, отсутствуют выраженные токсические эффекты комплекса C60/ПВП при его прямом введении в организм, а во-вторых, что незначительные патологические изменения, вызываемые введением одного ПВП, исчезают при введении комплекса C60/ПВП. Таким образом, вся совокупность имеющихся на сегодня данных позволяет утверждать, что сам неизмененный фуллерен безопасен при местной аппликации [98] и не представляет риска для здоровья человека в целом.

В 2004 г. была опубликована работа, в которой сообщалось о токсическом действии фуллерена на центральную нервную систему [99]. Эта работа была широко разрекламирована в СМИ, что сильно подпортило «репутацию» фуллеренов и привело к тому, что появились статьи, осуждающие использование фуллеренов в косметике [100]. Более того, некоторые фирмы изъяли фуллерен-содержащую косметику с рынка [101]. Однако в дальнейшем была показана ошибочность этой работы: в использованных авторами образцах суспензии фуллерена содержался высокотоксичный растворитель тетрагидрофуран (до 10 %), применяемый для получения исследуемых образцов. Таким образом, как сам тетрагидрофуран, так и продукты его разложения оказывали токсическое действие [102, 103]. Справедливости ради следует отметить, что авторы работы [99] впоследствии признали свою ошибку [104].

Между косметическими и лекарственными препаратами существует одно серьезное отличие, и существует оно на законодательном уровне. Выпуск косметического препарата, в отличие от обычного лекарственного вещества, не требует предварительных глубоких исследований и клинических испытаний [105]. FDA в США, законодательном лидере в области фармакологии и подобных вопросов, считает, что «косметика» и «лекарственный препарат» — это две разные категории, причем «косметика не может быть одновременно и медикаментом, и лекарством» [106]. Именно поэтому, если лекарственный препарат должен быть утвержден FDA и получить одобрение для продажи, для косметических средств таких действий не требуется [107].

Основное, что сдерживает широкие исследования по использованию фуллеренов в лекарственных веществах — это то, что мы не знаем их судьбы в организме, а без этого никакой речи об официальной регистрации быть не может. То, что фуллерен в составе косметических средств используется лишь для местной аппликации, снимает всякие опасения о его попадании в систему со всеми вытекающими отсюда последствиями, в том числе не возникает необходимости в широком круге исследований по его безвредности. Напомним, что процесс утверждения лекарственных препаратов длителен и дорогостоящ, причем далеко не всегда может приводить к желаемому результату, поэтому отсутствие государственной регистрации косметических продуктов упрощает и удешевляет их введение на рынок.

Можно сформулировать четыре основные причины, почему фуллерены используют как ингредиенты косметических композиций.

1. Фуллерен при местной аппликации не попадает в системный кровоток.

2. Фуллерен при местной аппликации не токсичен.

3. Фуллерен растворим в липофильных неполярных ингредиентах косметических композиций, что усиливает его действие.

4. Косметические продукты проще вводить на рынок, так как не требуется государственная регистрация.


Фуллерены в косметике и дерматологии применяют для предотвращения появления признаков старения, в качестве средства от морщин и пигментных пятен, как противовоспалительное средство (в том числе при акне), они активно и надолго увлажняют кожу, защищают от воздействия солнечного излучения и негативных факторов окружающей среды, сужают расширенные поры, выравнивают тон кожи, способствуют устранению самых разных косметических дефектов, сыпи и даже стимулируют рост волос.

Противовоспалительное действие фуллерена, в том числе и при дерматитах, отмечается, в частности, в работах [108, 109]. Немаловажно и то, что фуллерены не вызывают раздражения кожи [110]. В работе [16] приведена таблица, в которой на примере более десяти пациентов описано использование фуллеренов для защиты кожи от УФ-облучения, антиоксидантов в виде дезодорантов, композиций для защиты волос, наполнителей, пигментов, антимикробных и противовирусных средств и т. п. Однако это далеко не полный перечень патентов [111, 112]. К сожалению, проблема, как уже отмечалось выше, заключается еще и в достоверности и достаточности сведений, насколько данные этих патентов подтверждены экспериментом. Собственный опыт указывает на то, что во всяком случае некоторые патенты не имеют под собой реальной основы. Более того, проверка данных этой таблицы показала, что на сегодняшний день не все они соответствуют действительности. Однако согласно данным таблицы (да и обзору [16] в целом) фуллерены востребованы в косметике.




ЛИТЕРАТУРА

1. Jones DE. Daedalus. New Scientist. 1986;

2. Osawa E. Superaromaticity. Kogaku. 1970;

3. Бочвар А.A., Гальперин Е.Г. О гипотетических системах: карбододекаэдре, s-икосаэдране и карбо-sикосаэдре // Доклады академии наук СССР. – 1973. – Т. 209. – С. 610–612. [Bochvar AА, Galpern EG. About hypothetical systems: carbododecahedro, s-icosahedron and carbo-s-icosahedron. Dokl Akad Nauk SSSR. 1973;

4. Kroto HW, Heath S, O’Brien SC, et al. C60: Buckminsterfullerene. Nature. 1985;

5. Kroto HW, Allaf AW, Balm P. C60: Buckminsterfullerene. Chem Rev. 1991;

6. Curl RF, Smalley RE, Kroto HW, et al. How the news that we were not the first to conceive of soccer ball C60 got to us. J Mol Grap Modell. 2001;

7. Kroto HW. Symmetry, space, stars, and C60 (Nobel lecture). Angew Chem Int Ed. 1997;

8. Википедия [интернет]. 

9. Кац Е.А. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры. Родословная форм и идей. – Серия «Науку — всем! Шедевры научно-популярной литературы». – М.: Либроком, 2019. – 294 с. [Katz EA. Fullerenes, carbon nanotubes and nanoclusters. Genealogy of forms and ideas. Seriya “Nauku – vsem! Shedevry nauchnopopulyarnoi literatury”. Moscow: Librokom; 2019. 

10. Kratschmer W, Lamb LD, Fostiropoulos K, Huffman DR. Solid C60: a new form of carbon. Nature. 1990;

11. Braun T, Schubert A, Kostoff RN. A chemistry field in search of applications statistical analysis of U.S. fullerene patents. J Chem Inf Comput Sci. 2002;

12. Penkova AV, Acquah SF, Piotrovskiy LB, et al. Fullerene derivatives as nano-additives in polymer composites. Russ Chem Rev. 2017

13. Hoffmann R. Thoughts on aesthetics and visualization in chemistry. Int J Phyl Chem. 2003;

14. Svetla активирована фуллеренами [интернет]. Доступно по: http://svetla.com/ru/. Ссылка активна на 15.02.2019. 15. Свердлов Е.Д. Берегись! Высокий импакт-фактор [электронная библиотечная система] // Вестник Российской академии наук. – 2018. – Т. 88. – № 6. – С. 531–538. [Sverdlov ED. Attention! High impact factor [elektronnaya bibliotechnaya sistema]. Vestnik Rossijskoi akademii nauk. 2018;

16. Mousavi SZ, Nafisi S, Maibach HI. Fullerene nanoparticle in dermatological and cosmetic applications. Nanomedicine: nanotechnology, biology, and medicine. 2017;

17. Пиотровский Л.Б., Киселев О.И. Фуллерены в биологии. – СПб.: Росток, 2006. – 334 с. [Piotrovskiy LB, Kiselev OI. Fullerenes in biology. Saint Petersburg: Rostock; 2006. 

18. Пиотровский Л.Б. Фуллерены в дизайне лекарственных веществ // Российские нанотехнологии. – 2007. – Т. 2. – № 7–8. – С. 6–18. [Piotrovsky LB. Fullerenes in drug design. Nanotechnologies in Russia. 2007;

19. Semenov KN, Andrusenko EV, Charykov NA, et al. Carboxylated fullerenes: physico-chemical properties and potential applications. Progress in Solid State Chemistry. 2017;

20. Piotrovsky LB. Biological activity of pristine fullerene C60 // Carbon Nanotechnology. Elsevier B.V, Ed. L. Dai; 2006. Р. 235-254.

21. Martin N. Carbon nanoforms for photovoltaics: myth or reality? Adv Energy Mater. 2017;

22. Project on Emerging Nanotechnologies. Dr. Daniel J. Fiorino. Charting a path. PEN19 – Voluntary Initiatives, Regulation, and Nanotechnology Oversigh. News. 

23. The Wilson Center. Ground truth briefing a done deal? Addressing the U.S. Mexico Migration Challenge. 

24. Hadgraft J, Lane ME. Skin permeation: the years of enlightenment. Int J Pharm. 2005;

25. Raj S, Jose S, Sumod US, Sabitha M. Nanotechnology in cosmetics: Opportunities and challenges. J Pharm Bioallied Sci. 2012;

26. Crosera M, Bovenzi M, Maina G, et al. Nanoparticle dermal absorption and toxicity: a review of the literature. Int Arch Occup Environ Health. 2009;

27. Ahmad U, Ahmad Z, Khan AA, et al. Strategies in development and delivery of nanotechnology based cosmetic products. Drug Res (Stuttg). 2018;

28. Hadgraft J, Somers G. Percutaneous absorption. J Pharm Pharmacol. 1956;

29. Мизина П.Г., Быков В.А., Настина Ю.И., Фоменко Е.А. Введение лекарственных веществ через кожу — достижения и перспективы (обзор) // Вестник Воронежского государственного университета. – Серия «Химия. Биология. Фармация». – 2004. – № 1. – С. 176–183. [Mizina PG, Bykov VA, Nastina YuI, Fomenko EA. Transdermal drug delivery-achievements and developments (survey)achievements and developments (survey). Vestnik VGU. Series “Chemistry. Biology. Pharmacy”. 2004;

30. Prausnitz MR, Mitragotri S, Langer R. Current status and future potential of transdermal drug delivery. Nat Rev Drug Discov. 2004;

31. Jafvert CT, Kulkarni PP. Buckminsterfullerene’s (C60) octanol-water partition coefficient (Kow) and aqueous solubility. Environ Sci Technol. 2008;

32. Крылова ЛА. Репаративные свойства фуллерена С60: Экспериментальное исследование: Автореф. дис. … канд. мед. наук. – СПб., 2003. – 22 с. [Krylova LA. Reparativnye svojstva fullerena S60: Eksperimental’noe issledovanie [dissertation]. Saint Petersburg; 2003. 

33. Krusic PJ, Wasserman E, Keizer PN, et al. Radical reaction of C60. Science. 1991;

34. McEwen CN, McKay RG, Larsen BS. C60 as a radical sponge. J Am Chem Soc. 1992;

35. Yin JJ, Lao F, Fu PP, et al. The scavenging of reactive oxygen species and the potential for cell protection by functionalized fullerene materials. Biomaterials. 2009;

36. Fumelli C, Marconi A, Salvioli S, et al. Carboxyfullerenes protect human keratinocytes from ultraviolet-B-induced apoptosis. J Invest Dermatol. 2000;

37. Rondags A, Yuen WY, Jonkman MF, Horváth B. Fullerene C60 with cytoprotective and cytotoxic potential: prospects as a novel treatment agent in dermatology? Exp Dermatol. 2017;

38. Hockberger PE. A history of ultraviolet photobiology for humans, animals and microorganisms. Photochem Photobiol. 2002;

39. Clydesdale GJ, Dandie GW, Muller HK. Ultraviolet light induced injury: immunological and inflammatory effects. Immunol Cell Biol. 2001;

40. Kammeyer A, Luiten RM. Oxidation events and skin aging. Ageing Res Rev. 2015;

41. DʼOrazio J, Jarrett S, Amaro-Ortiz A, Scott T. UV radiation and the skin. Mol Sci. 2013;

42. Pandel R, Poljšak B, Godic A, Dahmane R. Skin photoaging and the role of antioxidants in its prevention. ISRN Dermatol. 2013;

43. Poljsak B, Dahmane R, Godic A. Skin and antioxidants. J Cosmet Laser Ther. 2013;

44. Chiang LY, Lai YL, Tsai MC, et al. Therapeutic use of watersoluble fullerene derivatives. Pat. USA US5994410, 1999.

45. Chiang LY, Long Y. Fullerene derivatives as free-radical scavengers. Pat. USA US5648523, 1997.

46. Kronholm DF, Hummelen JC, Sieval AB. Higher fullerenes useful as radical scavengers. Pat. USA US7825161, 2010.

47. Kronholm DF, Sieval AB, Hummelen JC. Compounds and formulations suitable for radical scavenging. Pat. USA WO067436, 2008.

48. Murakami M, Hyodo S, Fujikawa Y, et al. Photoprotective effects of inclusion complexes of fullerenes with polyvinylpyrrolidone. Photodermatol Photoimmunol Photomed. 2013;

49. Murthy CN, Choi SJ, Geckeler KE. Nanoencapsulation of [60]fullerene by a novel sugar-based polymer. J Nanosci Nanotechnol. 2002;

50. Lens MB, De Marni E, Gullo R, et al. Liposomes loaded with fullerene and process for their preparation. WO 2007043074. Apr 19, 2007.

51. Yamakoshi YN, Yagami T, Fukuhara K, et al. Solubilization of fullerenes into water with polyvinylpyrrolidone applicable to biological tests. J Chem Soc Chem Commun. 1994.

52. Williams RM, Crielaard W, Hellingwerf KJ, Verhoeven JW. Incorporation of fullerene-C60 and C60-adducts in micellar and vesicular supramolecular assemblies; Introductory flash photolysis and photoredox experiments in micelles. Rec Trav Chim Pays Bas. 1996;

53. Takada H, Matsubayashi K. Process for producing PVP-fulleren complex and aqueous solution thereof. WO117877, 2006.

54. Kato S, Aoshima H, Saitoh Y, Miwa N. Fullerene-C60 derivatives prevent UV-irradiation/ TiO2-induced cytotoxicity on keratinocytes and 3D-skin tissues through antioxidant actions. J Nanosci Nanotechnol. 2014;

55. Saitoh Y, Ohta H, Hyodo S. Protective effects of polyvinylpyrrolidone-wrapped fullerene against intermittent ultraviolet-A irradiation-induced cell injury in HaCaT cells. J Photochem Photobiol B. 2016;

56. Kato S, Aoshima H, Saitoh Y, Miwa N. Defensive effects of fullerene-C60 dissolved in squalane against the 2,4-nonadienal-induced cell injury in human skin keratinocytes HaCaT and wrinkle formation in 3D-human skin tissue model. J Biomed Nanotechnol. 2010;

57. Xiao L, Takada H, Maeda K, et al. Antioxidant effects of water-soluble fullerene derivatives against ultraviolet ray or peroxylipid through their action of scavenging the reactive oxygen species in human skin keratinocytes. Biomed Pharmacother. 2005;

58. Xiao L, Takada H, Gan Xh, Miwa N. The water-soluble fullerene derivative “Radical Sponge” exerts cytoprotective action against UVA irradiation but not visible-lightcatalyzed cytotoxicity in human skin keratinocytes. Bioorg Med Chem Lett. 2006;

59. Xiao L, Matsubayashi K, Miwa N. Inhibitory effect of the water-soluble polymer-wrapped derivative of fullerene on UVA-induced melanogenesis via downregulation of tyrosinase expression in human melanocytes and skin tissues. Arch Dermatol Res. 2007;

60. Xiao L, Aoshima H, Saitoh Y, Miwa N. Fullerene-polyvinylpyrrolidone clathrate localizes in the cytoplasm to prevent Ultraviolet-A ray-induced DNA-fragmentation and activation of the transcriptional factor NF-kappaB. J Cell Biochem. 2010;

61. Kato S, Kikuchi R, Aoshima H, et al. Defensive effects of fullerene-C60/liposome complex against UVA-induced intracellular reactive oxygen species generation and cell death in human skin keratinocytes HaCaT, associated with intracellular uptake and extracellular excretion of fullerene-C60. J Photochem Photobiol B. 2010;

62. Saitoh Y, Miyanishi A, Mizuno H, et al. Super-highly hydroxylated fullerene derivative protects human keratinocytes from UV-induced cell injuries together with the decreases in intracellular ROS generation and DNA damages. J Photochem Photobiol B. 2011;

63. Fumelli C, Marconi A, Salvioli S, et al. Carboxyfullerenes protect human keratinocytes from ultraviolet-B-induced apoptosis. J Invest Dermatol. 2000;

64. Takada H, Kokubo K, Matsubayashi K, Oshima T. Antioxidant activity of supramolecular water-soluble fullerenes evaluated by beta-carotene bleaching assay. Biosci Biotechnol Biochem. 2006;

65. Ito S, Itoga K, Yamato M, et al. The co-application effects of fullerene and ascorbic acid on UV-B irradiated mouse skin. Toxicology. 2010;

66. Sajo ME, Kim CS, Kim SK, et al. Antioxidant and antiinflammatory effects of shungite against Ultraviolet B irradiation-induced skin damage in hairless mice. Oxid Med Cell Longev. 2017;

67. Toyoda M, Morohashi M. Pathogenesis of acne. Med Electron Microsc. 2001;

68. Bowe WP, Logan AC. Clinical implications of lipid peroxidation in acne vulgaris: old wine in new bottles. Lipids Health Dis. 2010;

69. Bowe WP, Patel N, Logan AC. Acne vulgaris: the role of oxidative stress and the potential therapeutic value of local and systemic antioxidants. J Drugs Dermatol. 2012;

70. Garg T. Current nanotechnological approaches for an effective delivery of bio-active drug molecules in the treatment of acne. Artif Cells Nanomed Biotechnol. 2016;

71. Inui S, Aoshima H, Ito M, et al. Inhibition of sebum production and Propionibacterium acnes lipase activity by fullerenol, a novel polyhydroxylated fullerene: potential as a therapeutic reagent for acne. J Cosmet Sci. 2012;

72. Aoshima H, Kokubo K, Shirakawa S, et al. Antimicrobial activity of fullerenes and their hydroxylated derivatives. Biocontrol Sci. 2009;

73. Inui S, Aoshima H, Nishiyama A, Itami S. Improvement of acne vulgaris by topical fullerene application: unique impact on skin care. Nanomedicine. 2011;

74. Size of the global hair care market from 2012 to 2021 (in billion U.S. dollars) [cited 02/01/2016]. 

75. Handbook of cosmetic science and technology informa health care. Ed. by A.O. Barel, M.P. Howard, I. Maibach. Informa Healthcare USA, Inc.; 2009.

76. Hunt N, McHale S. The psychological impact of alopecia. BMJ. 2005;

77. Ramos PM, Miot HA. Female pattern hair loss: a clinical and pathophysiological review. An Bras Dermatol. 2015;

78. França K, Rodrigues TS, Ledon J, et al. Comprehensive overview and treatment update on hair loss. J Cosmet Dermatol Sci Appl. 2013;3:1-8.

79. Ramos PM., Miot HA. Female pattern hair loss: a clinical and pathophysiological review. An Bras Dermatol. 2015;

80. Shrivastava SB. Diffuse hair loss in an adult female: approach to diagnosis and management. Indian J Dermatol Venereol Leprol. 2009;

81. Gupta AK, Charrette A. Topical minoxidil: systematic review and meta-analysis of its efficacy in androgenetic alopecia. Skinmed. 2015;

82. Farhangian ME, McMichael AJ, Huang KE, Feldman SR. Treatment of alopecia areata in the united states: a retrospective cross-sectional study. J Drugs Dermatol. 2015;

83. Zhou Z, Lenk R, Dellinger A, et al. Fullerene nanomaterials potentiate hair growth. Nanomedicine. 2009;

84. Trüeb RM. Oxidative stress in ageing of hair. Int J Trichology. 2009;

85. Akar A, Arca E, Erbil H, et al. Antioxidant enzymes and lipid peroxidation in the scalp of patients with alopecia areata. J Dermatol Sci. 2002;

86. Inui S, Mori A, Ito M, et al. Reduction of conspicuous facial pores by topical fullerene: possible role in the suppression of PGE2 production in the skin. J Nanobiotechnology. 2014;

87. Fujimoto T, Ito S, Ito M, et al. Induction of different reactive oxygen species in the skin during various laser therapies and their inhibition by fullerene. Lasers Surg Med. 2012;

89. https: www.ewg.

90. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности парфюмерно-косметической продукции» (утв. Решением Комиссии Таможенного союза от 23 сентября 2011 г. № 799). [Tekhnicheskij reglament tamozhennogo soyuza “O bezopasnosti parfyumernokosmeticheskoi produktsii” (utv. Resheniem Komissii Tamozhennogo soyuza ot 23 sentyabrya 2011 g. No. 799). 

91. Gharbi N, Pressac M, Hadchouel M, et al. [60] Fullerene is an in vivo powerful antioxidant with no acute or sub-acute toxicity. Nano Letters. 2005;

92. Kato S, Aoshima H, Saitoh Y, Miwa N. Biological safety of LipoFullerene composed of squalane and fullerene-C60 upon mutagenesis, photocytotoxicity, and permeability into the human skin tissue. Basic Clin Pharmacol Toxicol. 2009;

93. Kato S, Taira H, Aoshima H, et al. Clinical evaluation of fullerene-C60 dissolved in squalane for anti-wrinkle cosmetics. J Nanosci Nanotechnol. 2010;

94. Aoshima H, Saitoh Y, Ito S, et al. Safety evaluation of highly purified fullerenes (HPFs): based on screening of eye and skin damage. J Toxicol Sci. 2009;

95. Xia XR, Monteiro-Riviere NA, Riviere JE. Skin penetration and kinetics of pristine fullerenes (C60) topically exposed in industrial organic solvents. Toxicol Appl Pharmacol. 2010;

96. Souto GD, Pohlmann AR, Guterres SS. Ultraviolet A irradiation increases the permeation of fullerenes into human and porcine skin from C60-poly(vinylpyrrolidone) aggregate dispersions. Skin Pharmacol Physiol. 2015;

97. Dumpis MА, Iljin VV, Litasova EV, et al. The acute and sub-acute toxicity of С60/PVP complex in vivo. Advances in Nano Research. 2016;

98. Aschberger K, Johnston HJ, 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;

99. Oberdörster E. Manufactured nanomaterials (fullerenes, C60) induce oxidative stress in the brain of juvenile largemouth bass. Environ Health Perspect. 2004;

100. Halford B. Fullerene for the face. Chem Eng News. 2006;

101. Fullerenes C60 and Dr Brandt Lineless Cream [cited 2008 February 27]. 

102. Fortner ID, Lyon DY, Sayes CM, et al. C60 in water: nanocrystal formation and microbial response. Environ Sci Technol. 2005;

103. Henry TB, Menn FM, Fleming JT, et al. Attributing effects of aqueous C60 nano-aggregates to tetrahydrofuran decomposition products in larval zebrafish by assessment of gene expression. Environ Health Perspect. 2007;

104. Oberdorster E, Zhu S, Blickley TM, et al. Ecotoxicology of carbon-based engineered nanoparticles: Effects of ful lerene (C60) on aquatic organisms. Carbon. 2006;44:1112-20. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2005.11.008.

105. Википедия [интернет]. Доступно по: https:// ru.wikipedia.org/wiki/Космецевтика. Ссылка активна на 15.02.2019.

106. U.S. Food and Drug Administration. Is it a cosmetic, a drug, or both? (Or is it soap?). U.S. Department of Health and Human Services; April 30, 2012.

107. Wayback Machine. Internet Archiveʼs. 

108. Dellinger AL, Cunin P, Lee D, et al. Inhibition of inflammatory arthritis using fullerene nanomaterials. PLoS One. 2015;

109. Shershakova N, Baraboshkina E, Andreev S, et al. Antiinflammatory effect of fullerene C60 in a mice model of atopic dermatitis. J Nanobiotechnol. 2016;

110. Ema M, Matsuda A, Kobayashi N, et al. Dermal and ocular irritation and skin sensitization studies of fullerene C60 nanoparticles. Cutan Ocul Toxicol. 2013;

111. Lens M. Recent progresses in application of fullerenes in cosmetics. Recent Pat Biotechnol. 2011;

112. Lens M. Use of fullerenes in cosmetics. Recent Pat Biotechnol. 2009;


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].



Биологическая активность фуллеренов — реалии и перспективы. Часть 2

Фуллерены и нуклеиновые кислоты

При изучении взаимодействия фуллерена с нуклеиновыми кислотами методом молекулярной динамики было показано, что фуллерены прочно связываются с нуклеотидами. При этом в одноцепочечной ДНК происходит значительная деформация нуклеотидов. В отличие от ДНК, связывание C60 с РНК осуществляется только с большими канавками РНК-спирали, стабилизируя структуру РНК или трансформируя конфигурацию от вытянутой к скрученной [54]. Другими словами, методы молекулярной динамики указывают, что молекулы C60 могут отрицательно влиять на структуру, стабильность и биологические эффекты молекул ДНК. Правда, не очень понятно, как в реальности доставить изолированную молекулу фуллерена к ДНК или РНК.

Структурные изменения происходят и при ингибировании Taq ДНК-полимеразы производными фуллерена, C60(OH)20 и трисмалонатом C60, что препятствует связыванию ДНК с белком и вызывает ингибирование процесса ПЦР [55].

Изучение комплекса фуллеренола C60(OH)24 с ДНК показало, что фуллеренол связывается с фосфатным скелетом нативной двухцепочечной ДНК и с парами оснований в большой канавке натриевой соли ДНК, усиливая флуоресценцию [56]. Кроме того, водорастворимые фуллеренолы могут связываться с лямбда-ДНК, дозозависимо повышая стабильность ДНК против термической деградации [57].


Фуллерены как мембранотропные соединения

Мембранотропные свойства фуллеренов определяются высокой липофильностью фуллеренового кора. Введение аддендов в кор, при которых сохраняется общая липофильность молекул, лишь незначительно влияет на расположение соединений в мембране: вследствие дисперсионных взаимодействий между высокополяризуемым фуллереновым кором и жесткими углеводородными цепями [58].

Одним из наиболее ярких примеров вклада мембранотропных эффектов в проявление биологической активности является действие изомерных трисмалонатных производных фуллерена С60 — С3 (транс3,транс3,транс3-C63((COOH)2)3) и D3 (e,e,eC63((COOH)2)3). Оба соединения представляют собой мощные ловушки для гидроксильного радикала и супероксид-анион-радикала. Но уже по нейропротективному, противовирусному действию и действию на культуры тканей они заметно различаются, что вызвано различием их взаимодействия с мембранами [59]. Мембранотропные свойства производных фуллерена определяют и их противомикробное действие [60].

Противовирусное действие, в основе которого лежит взаимодействие с мембранами, фуллерен С60 проявляет также и в составе комплекса с ПВП. Было показано, что этот комплекс ингибирует репродукцию вирусов гриппа и способен ингибировать репродукцию ДНК-содержащих вирусов, в частности вируса простого герпеса (HSV-1). После обработки вируса гриппа типа A комплексом C60/ПВП морфология вируса была изменена: присутствовало большое количество дефектных вирионов и вирионов с поврежденной «кистью» и нарушениями липидной оболочки. Полученные данные позволяют предположить, что комплекс мешает процессу сборки в цикле репликации вируса и блокирует самонастраивание зрелых вирусных частиц [10].

Таким образом, липофильность фуллеренового кора может играть, а в некоторых случаях и играет, решающую роль во взаимодействии фуллерена и его производных с биологическими объектами как in vitro, так и in vivo.


Системы доставки лекарственных веществ на основе фуллеренов

Важнейшее направление современной химии лекарственных веществ и фармакологии представляет собой адресная доставка лекарственных препаратов, способствующая повышению эффективности их действия за счет оптимизации биораспределения. Уникальные свойства наноматериалов и их биологическая активность могут быть использованы для адресной доставки лекарственных препаратов и вакцин в ЦНС, для борьбы с онкологическими, кардиологическими и другими заболеваниями.

Существуют различные подходы к созданию подобных систем доставки, отличающиеся сложностью структур наночастиц, выступающих в роли «носителя» активного вещества. Одним из возможных носителей лекарственных веществ может служить фуллереновый модифицированный кор. Размер, форма и высокая липофильность фуллерена позволяют его молекуле довольно легко проникать в клетки и представляют собой идеальное сочетание свойств для использования его в качестве вектора для адресной доставки лекарственных веществ и трансфекции генов [2]. Одна из первых работ по медицинской химии фуллеренов была посвящена целенаправленной доставке фуллерена-фотосенситизатора к мишени с помощью олигонуклеотидной последовательности, ковалентно связанной с фуллереновым кором [61]. Для повышения эффективности действия был синтезирован конъюгат фуллерена С60 с 14-мерным олигонуклеотидом — он связывался с одноцепочечной ДНК и фиксировал фотосенситизатор (остаток фуллерена) вблизи ДНК. Естественно, это резко увеличивало эффективность действия. Для увеличения специфичности связывания фуллерена были также синтезированы соединения, содержащие в его молекуле остаток, связывающийся с малой бороздкой ДНК [62].

Для целенаправленной доставки препарата центрального действия гексаметония был использован конъюгат фуллерена С60 с 6-аминогексановой кислотой, образующий ионные пары-комплексы с гексаметонием. В результате образования комплекса высокополярная молекула периферического ацетилхолинового блокатора проникает в ЦНС, блокируя центральные эффекты, вызываемые никотином. Это является свидетельством того, что на основе функционализированной молекулы фуллерена С60 возможно создание систем транспорта полярных веществ в ЦНС [11].

Для расширения возможности использования остатка фуллерена в качестве носителя можно модифицировать его молекулу. Производные фуллерена, не обладающие цитотоксичностью и поглощающиеся клетками, были применены в качестве носителя для противоракового средства паклитаксела и подавляли рост клеток линии MCF-7 рака молочной железы человека [63]. Для обеспечения целенаправленной доставки противоопухолевого препрата доцетаксела (DTX) был создан дендримероподобный переносчик на основе фуллерена С60-PEI-FAc, представлявший собой дендример с внешним слоем из молекул фолиевой кислоты (FAc). Система доставки лекарства была получена введением в корону молекулы доцетаксела. На культивированных раковых клетках РС3 in vitro была показана высокая эффективность проникновения этой системы через клеточные мембраны, усиление апоптоза и повышение противоопухолевого действия. Аналогичное повышение активности по сравнению с немодифицированным DTX было показано в экcпериментах in vivo [64].

Конъюгат трисмалоната фуллерена С70 (TF70) с аптамером R13 представляет собой еще одну систему направленной доставки на основе полинуклеотидов. Он значительно усиливает фотодинамическую активность TF70 по отношению к клеткам карциномы легких человека А549. Этот конъюгат локализуется в липосомах и может продуцировать внутриклеточные АФК, уничтожающие опухолевые клетки [65].

На основе фуллерена возможно также создание модульных несущих систем, состоящих из тройки блоков: терапевтический блок (собственно биологически активный компонент), блок, обеспечивающий направленность действия, и блок, способный увеличивать количество биологически активных фрагментов, которые способна переносить система. В качестве такой системы предложен гексааддукт фуллерена С60, содержащий пять малонатных остатков для связывания двух терапевтических начал (фотосенситизатор пирофеофорбид-α) каждый, то есть всего десять. А шестой спейсер используется для присоединения «адресующего» остатка, в данном случае моноклонального антитела ритуксимаба [66]. Такая модульная система доставки с повторяющимися фрагментами может использоваться в ФДТ и применяться при терапии, где требуется высокая избирательность и сродство к мишени.

Липофильный характер фуллеренового кора можно использовать для создания композитных систем, проникающих через липофильные барьеры. Например, с участием некоторых производных С60С(СООН)2 были созданы системы для переноса богатых аргинином пептидов типа олигоаргининов, проникающих через двуслойные мембраны [67]. Кроме того, на основе фуллеренов можно создавать и средства для трансфекции генов. В качестве примеров можно привести так называемое «двурукое» производное фуллерена (IX) и два положительно заряженных производных — октаамино- и додекааминопроизводных фуллерена С60 [68].

Еще одна новая система доставки включает в себя фуллереновый кор, соединенный через остаток глицина с N-дезметилтамоксифеном [26].


Тераностики

Тераностики — соединения, объединяющие в одной частице два начала: терапевтическое и диагностическое (визуализирующее). В настоящее время создаются тераностики на основе объединения углеродных наноструктур и полимеров [69], а также на основе эндофуллеренов [70].

Фуллерены могут служить и в качестве терапевтических, и в качестве вспомогательных средств при создании тераностиков. При этом благодаря фуллерену тераностики могут быть не наночастицами, как обычно считается, а отдельными молекулами. В качестве примера можно привести метанофуллерен, к циклопропильному циклу которого с помощью гидрофильных цепочек были ковалентно присоединены две молекулы доксорубицина. Тем самым в одной молекуле, а не наночастице были объединены и средство доставки, и действующее начало [71].

Еще один противораковый препарат-тераностик был создан на основе фуллеренола С60(ОН)24. Опухоли, в которые вводили препарат, визуализировали с использованием фотоакустической томографии, затем термически обрабатывали ИК-лазером. В результате размер опухоли уменьшился на 72 % уже в первые два часа, а через 20 часов на месте опухоли был только небольшой пузырек [72].


Эндометаллофуллерены

Как уже отмечалось, уникальной особенностью молекул фуллеренов является наличие в них внутренней полости. Однако эта полость относительно невелика и в лучшем случае у фуллеренов размером больше С80 может включать не просто атомы, а группы атомов. Такие соединения были обнаружены одним из открывателей фуллеренов Р. Смолли и названы эндофуллерены [73]. При высокотемпературном испарении стержней из композита La2O3/ графита были получены лантансодержащие металлофуллерены [74]. Однако в толуол экстрагировался только La@C82, хотя в масс-спектре наблюдались La@C60 и La@C70, но они оказались нестабильны на воздухе и в растворах. Другими атомами, которые включаются в эндофуллерены, могут быть H, He, Ne, Ar, N, Li, Sc, Y, La, Ca, Sr, Ba, так же как и некоторые кластеры, например карбиды металлов, азотсодержащие карбиды металлов, оксиды и сульфиды металлов.

Было показано, что на основе эндометаллофуллеренов (ЭМФ) могут создаваться и противоопухолевые препараты. Так, полигидроксилированный эндоэдральный фуллерен Gd@C82(OH)22 образует в физиологическом растворе частицы размером примерно 22 нм. Эти частицы в дозе 10–7 мол/кг проявляли высокую антинеопластическую активность на мышах, не вызывая токсического действия как in vitro, так и in vivo, ингибировали рост опухолей, вмешиваясь в процессы инвазии опухоли в нормальную мышечную ткань. Это резко отличает их от обычных противоопухолевых препаратов, для которых характерно именно цитотоксическое действие. Эти результаты свидетельствуют о том, что с помощью производных фуллеренов с соответствующим образом модифицированной поверхностью может быть реализована мечта онкологов-химиотерапевтов о создании высокоэффективного, но низкотоксичного противоопухолевого препарата [8]. Противоопухолевые средства могут быть разработаны и на основе ЭМФ, не содержащих радиоактивные атомы, что повышает ценность таких препаратов для лечения рака [75].

Эндометаллофуллерены используются в радиоиммунотерапии [76]. В контрастных агентах для МРТ на основе фуллеренов сочетаются эффективная диагностика и лечебный эффект. Например, контрастирующий препарат Gd-DTPA-HSA можно модифицировать трисмалонатом С60 [77]. И тогда в действии препарата объединятся оба направления — лечебное (фуллереновый кор как фотосенсибилизатор) и диагностическое (гадолиний как контрастный агент для МРТ). В этом конъюгате HSA и карбоксифуллерен проявляют синергический эффект. Возможна разработка таких препаратов и на основе ЭМФ, включающих радиоактивные атомы, например атома 177Lu [78].

Использование эндофуллеренов для разработки контрастных агентов чрезвычайно привлекательно. Углеродный каркас этих молекул защищает атом металла, предотвращая его высвобождение в организме, поэтому такие агенты нетоксичы. При этом к фуллереновому кору возможно присоединить гидрофильные функциональные группы и «нацеливающие» агенты. С участием ЭМФ можно получать контрастные агенты не только для различных типов томографии, но и для других методов исследований. Применение ЭМФ подробно рассмотрено в обзоре [79].


Токсичность, биостабильность и биораспределение фуллеренов и их производных

Литература по изучению токсичности фуллеренов достаточно обширна. Упомянем лишь несколько обзоров [8, 80]. В них делается достаточно однозначный вывод, что сам фуллерен С60 можно отнести к безвредным соединениям. Исключение может составлять лишь ингаляционное воздействие, однако неоднократно показано, что при таком пути введения токсичность связана с размером, формой и плотностью частиц, а не с их составом [81].

Что касается конкретных токсикологических эффектов фуллерена в организме, то отметим сначала работу N. Gharbi et al. [82], которые изучали действие водной суспензии С60 (~250–1000 нм) при внутрибрюшинном введении. Не было найдено никаких проявлений ни острой, ни хронической токсичности. При этом оказалось, что фуллерен С60 проникает в печень и защищает ее от поражения свободными радикалами (на модели с ССl4). Не обнаружено никаких токсических эффектов и при исследовании токсичности комплекса фуллерена С60 с поливинилпирролидоном (С60/ПВП) [83, 84].

Одним из факторов, осложняющих применение фуллеренов в практических целях, является недостаток данных об их судьбе в организме. Такие исследования ведутся, однако их относительно немного. Большинство аналитических методов — ВЭЖХ, масс-спектрометрия и др. — далеко не всегда дают адекватные результаты. Так, если в биологической системе (организме или органе) не найден фуллерен после его введения, это не значит, что его там нет. Чаще всего это связано с методом обработки биологического материала или низкой чувствительностью метода.

Радиоизотопный метод был и остается самым надежным, однако получать меченый фуллерен — задача не простая и не дешевая. Тем не менее с использованием меченого 14С-С60 (X) было исследовано биораспределение in vivo у крыс и показано, в частности, что он проникает в мозг [85].

При пероральном введении соединение (X) очень плохо абсорбируется, в печени и в других органах наблюдаются только следы метки. А почти вся радиоактивность (до 97 %) выводится с фекалиями через 48 часов. Однако при внутривенном введении через 160 часов выводится только около 5 % активности. Эта фуллереновая кислота «слишком» липофильна для карбоновых кислот и приближается по этому показателю к «обычным» неполярным соединениям. Величина log P для свободной кислоты равна 4,5, что сравнимо с величиной для дифенилэтана (log P 4,8). Исследования биораспределения после внутривенного введения показали, что метка быстро достигает различных органов (печень, селезенка, легкие, почки, сердце и т. д., включая мозг), что указывает на способность (X), несмотря на высокую молекулярную массу (995 Да), проникать через гематоэнцефалический барьер. Как отмечают авторы, высокая липофильность этого карбоксифуллерена приводит к медленной кинетике экскреции и накоплению в определенных органах [85]. Это вызывает обеспокоенность по поводу возможного возникновения у подобных веществ долговременной токсичности или токсичности после хронического введения, поскольку со временем внутри определенных участков может достигаться токсическая концентрация или самого вещества, или продуктов его деградации.

Недавно появилось несколько работ, в которых использовался меченый фуллерен С60. Было показано, что у беременных крыс фуллерен 14С-C60, введенный в хвостовую вену в физиологическом растворе, содержащем ПВП, может проникать через плаценту [86].

С использованием 13С-меченого С60 и двух его производных [13C-пирролидинофуллерен-61,63-дикарбоновой кислоты и 13C-С60(OH)x] на мышах было показано, что производные накапливаются в основном в печени, костной и мышечной тканях и коже, тогда как немодифицированный фуллерен в основном накапливается в печени, селезенке и легких. Наблюдаются некоторые различия в зависимости от способа введения (внутривенного, внутрибрюшинного или перорального), но все выводятся через 7 дней. Таким образом, модификация фуллеренового кора оказывает значительное влияние на его биораспределение [87].

V.A. Shipelin et al. [88], после системного введения фуллерена, исследовали состояние внутренних органов-мишений крыс методом лазерной конфокальной микроскопии, окрашивая микропрепараты флуоресцентным красителем, и не обнаружили признаков воспаления.

Следует отметить, что флуоресцентные методы при исследовании биораспределения фуллеренов нужно применять с осторожностью. С одной стороны, это связано и с тем, что фуллерены хотя и обладают свойствами флюорофора, но выражены они очень слабо и практически не могут использоваться [89]. С другой стороны, сам фуллерен может гасить в растворе флуоресценцию флуорофора, например фульвовой кислоты [90] или порфириновых структур [91]. А в некоторых конъюгатах с флуоресцентными красителями фуллереновый кор способен гасить флуоресценцию связанного с ним остатка [92]. Считается, что это обусловлено перераспределением заряда между фуллереном и флуорофорным остатком и фотоиндуцированным внутримолекулярным переносом электрона [93].

На способности фуллеренового кора тушить флуоресценцию основана весьма любопытная структура — зонд, описанный K. Xu et al. [94]. Он состоит из двух функциональных фрагментов: флуоресцеина, играющего роль флуорофора и донора электронов, и фуллерена С60, действующего как акцептор электронов и аналог субстрата для трипсина. В присутствии трипсина обнаруживается усиление флуоресценции, так как комплексообразование остатка С60 с трипсином ингибирует перенос электронов.

Однако C. Schuetze et al. [95] показали, что в N-флуоресцеин-5-изотиоцианате пирролидинофуллерена С60 (XI) тушения флуоресценции не происходит.

Этот конъюгат захватывается опухолевыми клетками и проявляет фотосенситизирующие свойства. Правда, не очень понятно, почему авторы говорят о проникновении в клетки фуллерена — вышеупомянутый конъюгат нельзя сравнивать с фуллереном, так как остаток флуоресцеина как минимум не меньше остатка фуллерена (что отчетливо видно из приведенного рисунка), и весьма вероятно, что именно он и «протаскивает» фуллерен в клетку.

Работы по изучению ферментативной устойчивости наноструктур углерода ведутся уже в течение нескольких лет. Незамещенный фуллерен С60 очень медленно разлагается в природе — меченый (14С) С60 наблюдается в почве и через 12 недель [96]. Другие наноструктуры углерода (одно- и многостенные нанотрубки, нанохорны и др.) биодеградируют под действием ферментов [97]. Что же касается самого фуллерена С60, то лишь недавно появились прямые доказательства действия на него ферментов млекопитающих [98]. Поэтому следует тщательно исследовать свойства фуллеренов при разработке лекарственных препаратов.

В последнее время появляются новые методы, дающие возможность отслеживать распределение наночастиц в целом и фуллеренов в частности в живых системах. Мощным инструментом, позволяющим получать подробную информацию о взаимодействиях с опухолью и лекарством или наночастицей с течением времени, является прижизненная микроскопия. С использованием этого метода была проведена непрерывная количественная оценка динамики фуллеренов в опухолях и нормальных тканях. В частности, прижизненная микроскопия применялась для изучения внутриутробной кинетики биотрансляции производного C60-ser, вводимого внутривенно, в подкожных опухолях рака груди 4T1-luc в сравнении с нормальной тканью у живых мышей. Конъюгация C60-ser с флуоресцентным красителем PromoFluoro-633 (C60-serPF) позволила отслеживать флуоресценцию и относительную количественную оценку C60-ser in vivo [99]. Авторы считают, что, поскольку этот флуорофор (~ 650 Да) сопоставим по размеру и структуре с низкомолекулярными препаратами для лечения рака, такими как паклитаксел (854 Да), его можно рассматривать как стерически модельный препарат для исследования C60-serPF в качестве носителя лекарственного средства.

Подводя итог обсуждения биораспределения, биодеградации (биостабильности) и токсичности фуллеренов, подчеркнем, что, хотя фуллерен С60 достаточно долго остается в организме неизменным, большинство водорастворимых производных выводятся в течение нескольких недель. Такой длинный период полувыведения должен настораживать, так как биоаккумуляция может в принципе приводить к развитию отсроченных эффектов. Хотя в общем острая оральная, дермальная и ингаляционная токсичности невелики, еще слишком мало экспериментальных исследований хронической токсичности, репродуктивной токсичности и канцерогенного эффекта. При этом фуллерены и функционализированные фуллерены с более высокой растворимостью могут вести себя по-разному. Поэтому необходимо очень ответственно подходить к исследованию токсичности каждого нового производного фуллерена.


Заключение

В настоящее время фуллерены, их производные и комплексы находят все большее и большее применение. Изучение биологических свойств производных фуллеренов показало, что они обладают следующими видами активности: антиоксидантной, антибактериальной, противораковой, радиозащитной, мембранотропной, могут служить ингибиторами белков, вектором для доставки лекарств, контрастирующими агентами для МРТ и для фотодинамической терапии. При поиске лекарственных препаратов, изменяя структуру производных фуллерена, возможно обеспечить точную «подстройку» их структуры для получения лекарственного вещества с определенным биологическим эффектом или для создания средств доставки лекарственного препарата к месту воздействия без побочных эффектов в других тканях и органах. При этом остается плохо исследованным вопрос об их биораспределении и метаболизме. И так как все остальные данные свидетельствуют о перспективности дальнейшего развития исследований биологической активности фуллеренов, необходимо, на наш взгляд, усилить работы по исследованию судьбы фуллеренов в организме.


Литература

1. Teradal NL, Jelinek R. Carbon Nanomaterials in Biological Studies and Biomedicine. Adv Healthc Mater. 2017

2. Пиотровский Л.Б. Очерки о наномедицине. – СПб.: Европейский дом, 2013. [Piotrovskiy LB. Essays on nanomedicine. Saint Petersburg: Evropeyskiy dom; 2013. 

3. Zhang GP, Sun X, George TF. Nonlinear optical response and ultrafast dynamics in C60. J Phys Chem A. 2009;

4. Albert K, Hsu HY. Carbon-Based Materials for Photo-Triggered Theranostic Applications. Molecules. 2016;

5. Osawa E. Superaromaticity. Kаgaku. 1970;

6. Бочвар Д.А., Гальперн Е.Г. О гипотетических системах: карбододекаэдре, s-икозаэдране и карбо-sикозаэдране // Доклады Академии наук СССР. – 1973. – Т. 209. – № 3. – С. 610–612. [Bochvar DA, Gal’pern EG. On hypothetical systems: carbododecahedron, s-icosahedron and carbo-s-icosahedron. Dokl Akad Nauk SSSR. 1973;

7. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода // Успехи физических наук. – 1995. – Т. 165. – № 9. – С. 977–1009. [Eletskiy AV, Smirnov BM. Fullerines and the structures of carbon. Uspekhi fizicheskikh nauk. 1995;

8. Пиотровский Л.Б., Киселев О.И. Фуллерены в биологии. – СПб.: Росток, 2006. [Piotrovskiy LB, Kiselev OI. Fullerenes in Biology. Saint Petersburg: Rostok; 2006.

9. Jafvert CT, Kulkarni PP. Buckminsterfullerene’s (C60) Octanol-Water Partition Coefficient (Kow) and Aqueous Solubility. Environ Sci Technol. 2008; 

10. Piotrovsky LB, Kiselev OI. Fullerenes and Viruses. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2005;

11. Piotrovskiy LB, Litasova EV, Dumpis MA, et al. Enhanced brain penetration of hexamethonium in complexes with derivatives of fullerene C60. Dokl Biochem Biophys. 2016;

12. Sijbesma R, Srdanov G, Wudl F, et al. Synthesis of a fullerene derivative for the inhibition of HIV enzymes. J Am Chem Soc. 1993;

13. Penkova AV, Acquah SF, Piotrovskiy LB, et al. Fullerene derivatives as nano-additives in polymer composites. Russian Chemical Reviews. 2017;

14. Witte P, Beuerle F, Hartnagel U, et al. Water solubility, antioxidant activity and cytochrome C binding of four families of exohedral adducts of C60 and C70. Org Biomol Chem. 2007;

15. Brettreich M, Hirsch A. A highly water-soluble dendro[60] fullerene. Tetrahedron Lett. 1998;

16. Semenov KN, Charykov NA, Keskinov VN. Fullerenol Synthesis and Identification. Properties of the Fullerenol Water Solutions. J Chem Eng Data. 2011;

17. Dawid A, Gorny K, Gburski Z. The influence of distribution of hydroxyl groups on vibrational spectra of fullerenol C60(OH)24 isomers: DFT study. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc. 2015;

18. Khakina EA, Yurkova AA, Peregudov AS, et al. Highly selective reactions of C60Cl6 with thiols for the synthesis of functionalized [60]fullerene derivatives. Chem Commun (Camb). 2012;

19. Ильин В.В., Пиотровский Л.Б Исследование стабильности пленок фуллерена С60 // Обз. клин. фармакол. лек. тер. – 2017. – Т. 15. – №. 2. – С. 42–45. [Ilyin VV, Piotrovskii LB. The study of the stability of fullerene C60 films. Reviews on Clinical Pharmacology and Drug Therapy. 2017;]. 

20. Lee J, Yamakoshi Y, Hughes JB, Kim J-H. Mechanism of C60 Photoreactivity in Water: Fate of Triplet State and Radical Anion and Production of Reactive Oxygen Species. Environ Sci Technol. 2008;

21. Calvaresi M, Zerbetto F. Baiting proteins with C60. ACS Nano. 2010;

22. Maeda-Mamiya R, Noiri E, Isobe H, et al. In vivo gene delivery by cationic tetraamino fullerene. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010; 

23. Zhao B, He YY, Bilski PJ, Chignell CF. Pristine (C60) and hydroxylated [C60(OH)24] fullerene phototoxicity towards HaCaT keratinocytes: type I vs type II mechanisms. Chem Res Toxicol. 2008;

24. Kong L, Zepp RG. Production and consumption of reactive oxygen species by fullerenes. Environ Toxicol Chem. 2012;

25. Castro E, Martinez ZS, Seong CS, et al. Characterization of New Cationic N,N-Dimethyl[70]fulleropyrrolidinium Iodide Derivatives as Potent HIV-1 Maturation Inhibitors. J Med Chem. 2016;

26. Misra C, Kumar M, Sharma G, et al. Glycinated fullerenes for tamoxifen intracellular delivery with improved anticancer activity and pharmacokinetics. Nanomedicine (Lond). 2017;

27. Ikeda A, Mae T, Ueda M, et al. Improved photodynamic activities of liposome-incorporated [60]fullerene derivatives bearing a polar group. Chem Commun (Camb). 2017;

28. Asada R, Liao F, Saitoh Y, Miwa N. Photodynamic anticancer effects of fullerene [C60]-PEG complex on fibrosarcomas preferentially over normal fibroblasts in terms of fullerene uptake and cytotoxicity. Mol Cell Biochem. 2014;

29. Yang XL, Fan CH, Zhu HS. Photo-induced cytotoxicity of malonic acid [C60]fullerene derivatives and its mechanism. Toxicol In Vitro. 2002;

30. Doi Y, Ikeda A, Akiyama M, et al. Intracellular uptake and photodynamic activity of water-soluble [60]- and [70]fullerenes incorporated in liposomes. Chemistry. 2008;

31. Ikeda A, Matsumoto M, Akiyama M, et al. Direct and short-time uptake of [70]fullerene into the cell membrane using an exchange reaction from a [70]fullerene-gammacyclodextrin complex and the resulting photodynamic activity. Chem Commun (Camb). 2009;

32. Sperandio FF, Sharma SK, Wang M, et al. Photoinduced electron-transfer mechanisms for radical-enhanced photodynamic therapy mediated by water-soluble decacationic C70 and C84O2 Fullerene Derivatives. Nanomedicine. 2013;

33. Mizuno K, Zhiyentayev T, Huang L, et al. Antimicrobial Photodynamic Therapy with Functionalized Fullerenes: Quantitative Structure-activity Relationships. J Nanomed Nanotechnol. 2011;

34. Yin R, Wang M, Huang YY, et al. Photodynamic therapy with decacationic [60]fullerene monoadducts: effect of a light absorbing electron-donor antenna and micellar formulation. Nanomedicine. 2014;

35. Injac R, Prijatelj M, Strukelj B. Fullerenol nanoparticles: toxicity and antioxidant activity. Methods Mol Biol. 2013;1

36. Elshater AA, Haridy MAM, Salman MMA, et al. Fullerene C60 nanoparticles ameliorated cyclophosphamide-induced acute hepatotoxicity in rats. Biomed Pharmacother. 2018;

37. Zhou Y, Li J, Ma H, et al. Biocompatible [60]/[70] Fullerenols: Potent Defense against Oxidative Injury Induced by Reduplicative Chemotherapy. ACS Appl Mater Interfaces. 2017;

38. Baati T, Bourasset F, Gharbi N, et al. The prolongation of the lifespan of rats by repeated oral administration of [60]fullerene. Biomaterials. 2012;

39. Inui S, Aoshima H, Nishiyama A, Itami S. Improvement of acne vulgaris by topical fullerene application: unique impact on skin care. Nanomedicine. 2011;

40. Xiao L, Takada H, Maeda K, et al. Antioxidant effects of water-soluble fullerene derivatives against ultraviolet ray or peroxylipid through their action of scavenging the reactive oxygen species in human skin keratinocytes. Biomed Pharmacother. 2005;

41. Kato S, Aoshima H, Saitoh Y, Miwa N. Biological safety of LipoFullerene composed of squalane and fullerene-C60 upon mutagenesis, photocytotoxicity, and permeability into the human skin tissue. Basic Clin Pharmacol Toxicol. 2009;

42. Mousavi SZ, Nafisi S, Maibach HI. Fullerene nanoparticle in dermatological and cosmetic applications. Nanomedicine. 2017;

43. Bianco A, Corvaja C, Crisma M, et al. A Helical Peptide Receptor for [60]Fullerene. Chem Eur J. 2002;

44. Qian M, Shan Y, Guan S, et al. Structural Basis of Fullerene Derivatives as Novel Potent Inhibitors of Protein Tyrosine Phosphatase 1B: Insight into the Inhibitory Mechanism through Molecular Modeling Studies. J Chem Inf Model. 2016;

45. Kataoka H, Ohe T, Takahashi K, et al. Novel fullerene derivatives as dual inhibitors of Hepatitis C virus NS5B polymerase and NS3/4A protease. Bioorg Med Chem Lett. 2016;

46. Ratnikova TA, Govindan PN, Salonen E, Ke PC. In vitro polymerization of microtubules with a fullerene derivative. ACS Nano. 2011;

47. Giust D, Leon D, Ballesteros-Yanez I, et al. Modulation of adenosine receptors by [60]fullerene hydrosoluble derivative in SK-N-MC cells. ACS Chem Neurosci. 2011;

48. Miao Y, Xu J, Shen Y, et al. Nanoparticle as signaling protein mimic: robust structural and functional modulation of CaMKII upon specific binding to fullerene C60 nanocrystals. ACS Nano. 2014;

49. Kim JE, Lee M. Fullerene inhibits β-amyloid peptide aggregation. Biochem Biophys Res Commun. 2003;

50. Bobylev AG, Shpagina MD, Bobyleva LG, et al. Antiamyloid properties of fullerene C60 derivatives. Biophysics. 2012;

51. Makarova EG, Gordon RY, Podolski IY. Fullerene C60 Prevents Neurotoxicity Induced by Intrahippocampal Microinjection of Amyloid-β Peptide. J Nanosci Nanotechnol. 2012;

52. Gordon R, Podolski I, Makarova E, et al. Intrahippocampal Pathways Involved in Learning/Memory Mechanisms are Affected by Intracerebral Infusions of Amyloid-β25-35 Peptide and Hydrated Fullerene C60 in Rats. J Alzheimers Dis. 2017;

53. Bednarikova Z, Huy PD, Mocanu MM, et al. Fullerenol C60(OH)16 prevents amyloid fibrillization of Aβ40- in vitro and in silico approach. Phys Chem Chem Phys. 2016;

54. Xu X, Wang X, Li Y, et al. A large-scale association study for nanoparticle C60 uncovers mechanisms of nanotoxicity disrupting the native conformations of DNA/RNA. Nucleic Acids Res. 2012;

55. Nedumpully Govindan P, Monticelli L, Salonen E. Mechanism of taq DNA polymerase inhibition by fullerene derivatives: insight from computer simulations. J Phys Chem B. 2012;

56. Pinteala M, Dascalu A, Ungurenasu C. Binding fullerenol C60(OH)24 to dsDNA. Int J Nanomedicine. 2009;

57. An H, Jin B. DNA exposure to buckminsterfullerene (C60): toward DNA stability, reactivity, and replication. Environ Sci Technol. 2011;

58. Bortolus M, Parisio G, Maniero AL, Ferrarini A. Monomeric fullerenes in lipid membranes: effects of molecular shape and polarity. Langmuir. 2011;

59. Dugan LL, Turetsky DM, Du C, et al. Carboxyfullerenes as neuroprotective agents. Proc Natl Acad Sci U S A. 1997;

60. Bosi S, Da Ros T, Spalluto G, Prato M. Fullerene derivatives: an attractive tool for biological applications. Eur J Med Chem. 2003;

61. Boutorine AS, Takasugi M, Hele`ne C, et al. Fullerene – Oligonucleotide Conjugates: Photoinduced SequenceSpecific DNA Cleavage. Angew Chem Int Ed Engl. 1995;

62. Da Ros T, Vazquez E, Spalluto G, et al. Design, synthesis and biological properties of fulleropyrrolidine derivatives as potential DNA photo-probes. J Supramol Chem. 2002;

63. Partha R, Mitchell LR, Lyon JL, et al. Buckysomes: Fullerene-Based Nanocarriers for Hydrophobic Molecule Delivery. ACS Nano. 2008;

64. Shi J, Zhang H, Wang L, et al. PEI-derivatized fullerene drug delivery using folate as a homing device targeting to tumor. Biomaterials. 2013;

65. Liu Q, Xu L, Zhang X, et al. Enhanced photodynamic efficiency of an aptamer-guided fullerene photosensitizer toward tumor cells. Chem Asian J. 2013;

66. Rancan F, Helmreich M, Molich A, et al. Synthesis and in vitro testing of a pyropheophorbide-a-fullerene hexakis adduct immunoconjugate for photodynamic therapy. Bioconjug Chem. 2007;

67. Nishihara M, Perret F, Takeuchi T, et al. Arginine magic with new counterions up the sleeve. Org Biomol Chem. 2005;

68. Sitharaman B, Zakharian TY, Saraf A, et al. Water-soluble fullerene (C60) derivatives as nonviral gene-delivery vectors. Mol Pharm. 2008;

69. Liu Z, Liang XJ. Nano-carbons as theranostics. Theranostics. 2012;

70. Ceron MR, Maffeis V, Stevenson S, Echegoyen L. Endohedral fullerenes: Synthesis, isolation, mono- and bis- functionalization. Inorg Chim Acta. 2017;

71. Liu JH, Cao L, Luo PG, et al. Fullerene-conjugated doxorubicin in cells. ACS Appl Mater Interfaces. 2010;

72. Krishna V, Singh A, Sharma P, et al. Polyhydroxy Fullerenes for Non-Invasive Cancer Imaging and Therapy. Small. 2010;

73. Shinohara H. Another big discovery-metallofullerenes. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2016;

74. Chai Y, Guo T, Jin C, et al. Fullerenes with metals inside. J Phys Chem. 1991;

75. Meng J, Liang X, Chen X, Zhao Y. Biological characterizations of [Gd@C82(OH)22]n nanoparticles as fuller-ene derivatives for cancer therapy. Integr Biol (Camb). 2013;

76. Diener MD, Alford JM, Kennel SJ, Mirzadeh S. 212Pb@C60 and Its Water-Soluble Derivatives: Synthesis, Stability, and Suitability for Radioimmunotherapy. J Am Chem Soc. 2007;

77. Zhen M, Zheng J, Ye L, et al. Maximizing the relaxivity of Gd-complex by synergistic effect of HSA and carboxylfullerene. ACS Appl Mater Interfaces. 2012;

78. Shultz MD, Duchamp JC, Wilson JD, et al. Encapsulation of a radiolabeled cluster inside a fullerene cage, 177LuxLu(3 – x) N@C80: an interleukin-13-conjugated radiolabeled metallofullerene platform. J Am Chem Soc. 2010;

79. Bolskar RD. Gadofullerene MRI contrast agents. Nanomedicine (Lond). 2008;

80. Aschberger K, Johnston HJ, 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;

81. Oberdörster G, Oberdörster E, Oberdörster J. Nanotoxicology: An Emerging Discipline Evolving from Studies of Ultrafine Particles. Environmental Health Perspectives. 2005;113(7):823-839. doi: 10.1289/ehp.7339. 82. 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;

83. Popov VA, Tyunin MA, Zaitseva OB, et al. C60/PVP complex – No Toxicity after Introperitoneal Injection to Rats. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2008;

84. Dumpis MA, Iljin VV, Litasova EV, et al. The acute and subacute toxicity of C60/PVP complex in vivo. Adv Nano Res. 2016;

85. Yamago S, Tokuyama H, Nakamura E, et al. In vivo biological behavior of a water-miscible fullerene: 14C labeling, absorption, distribution, excretion and acute toxicity. Chem Biol. 1995;

86. Snyder RW, Fennell TR, Wingard CJ, et al. Distribution and biomarker of carbon-14 labeled fullerene C60 ([14C(U)]C60) in pregnant and lactating rats and their offspring after maternal intravenous exposure. J Appl Toxicol. 2015;

87. Wang C, Bai Y, Li H, et al. Surface modification-mediated biodistribution of 13C-fullerene C60 in vivo. Part Fibre Toxicol. 2016;

88. Shipelin VA, Smirnova TA, Gmoshinskii IV, Tutelyan VA. Analysis of toxicity biomarkers of fullerene C60 nanoparticles by confocal fluorescent microscopy. Bull Exp Biol Med. 2015;

89. Zhao Y, Fang Y, Jiang Y. Fluorescence study of fullerene in organic solvents at room temperature. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc. 2006;

90. Wu F, Bai Y, Mu Y, et al. Fluorescence quenching of fulvic acids by fullerene in water. Environ Pollut. 2013;

91. Pal D, Bhattacharya S. Absorption spectrophotometric, fluorescence and theoretical investigations on supramolecular interaction of a designed bisporphyrin with C60 and C70. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc. 2011;

92. Yu W-D, Nie Y-M, Yuan H, et al. Synthesis and characterization of a highly stable zinc phenylporphyrin Isoxazoline-[60] fullerene dyad: Impact of coordination on the redox and fluorescence properties. Inorg Chem Commun. 2017;

93. Ray A, Santhosh K, Bhattacharya S. Absorption spectrophotometric, fluorescence, transient absorption and quantum chemical investigations on fullerene/ phthalocyanine supramolecular complexes. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc. 2011;

94. Xu K, Liu F, Ma J, Tang B. A new specific fullerene-based fluorescent probe for trypsin. Analyst. 2011;

95. Schuetze C, Ritter U, Scharff P, et al. Interaction of N-fluorescein-5-isothiocyanate pyrrolidine-C60 with a bimolecular lipid model membrane. Mater Sci Eng C. 2011;

96. Navarro DA, Kookana RS, McLaughlin MJ, Kirby JK. Fate of radiolabeled C60 fullerenes in aged soils. Environ Pollut. 2017;

97. Vlasova, II, Kapralov AA, Michael ZP, et al. Enzymatic oxidative biodegradation of nanoparticles: Mechanisms, significance and applications. Toxicol Appl Pharmacol. 2016;

98. Litasova EV, Iljin VV, Sokolov AV, et al. The biodegradation of fullerene C60 by myeloperoxidase. Dokl Biochem Biophys. 2016;

99. Lapin NA, Vergara LA, Mackeyev Y, et al. Biotransport kinetics and intratumoral biodistribution of malonodiserinolamide-derivatized [60]fullerene in a murine model of breast adenocarcinoma. Int J Nanomedicine. 2017

Фуллерены: о перспективах использования в медицине

Атомы углерода способны образовывать различные кристаллические, полимерные и молекулярные структуры. Примером устойчивой молекулярной структуры являются фуллерены, представляющие собой замкнутые сферические углеродные каркасы. Наиболее изучены фуллерены С60 и С70, молекулы которых содержат 60 и 70 атомов углерода соответственно.

Молекула С60 имеет форму усеченного икосаэдра и напоминает футбольный мяч (пятиугольники чередуются с шестиугольниками) радиусом около 0,36 нм (Романов Р.В., Скворцевич Е.Г., 2002; Захаров А.А., 2015).

Тема фуллеренов в настоящее время популярна, речь идет даже о «фуллереновой лихорадке» (Пиотровский Л.Б., Киселев О.И., 2006). Данные исследований в целом свидетельствуют в пользу низкой токсичности фуллеренов, хотя в некоторых экспериментальных работах сообщалось о токсических эффектах (Романов Р.В., Скворцевич Е.Г., 2002; Пиотровский Л.Б., Киселев О.И., 2006; Разумов В.Ф., Клюев М.В., 2008; Gelderman M.P. et al., 2008; Aschberger K. et al., 2010; Larner S.F. et al., 2017).

Предполагается, что токсичность в ряде случаев могла быть обусловлена высокими дозами фуллеренов, лигандами или примесями (Uo M., 2011). Как известно, другие формы чистого углерода нетоксичны. Особенностью некоторых наночастиц, в том числе фуллеренов, может быть их способность проникать в организм через легкие, преодолевать гематоэнцефалический барьер и цитоплазматические мембраны (Larner S.F. et al., 2017).

В отличие от углеродных нанотрубок, имеющиеся данные относительно канцерогенности фуллеренов считаются недостаточными для объективной оценки. Проводившиеся на грызунах испытания на канцерогенность дали отрицательные результаты. In vitro фуллерен C60 при одновременном облучении видимым светом вызывал повреждение ДНК (Tsuda H. et al., 2009). Отметим, что в литературе преимущественно обсуждается токсичность самих фуллеренов. При этом иногда упускаются из виду примеси, образующиеся из исходного сырья, или побочные продукты реакций, например, имеющих целью получение водорастворимых производных фуллеренов (Hirsch A., 1994).

Небольшое количество фуллеренов может присутствовать в саже, угле и шунгите (Романов Р.В., Скворцевич Е.Г., 2002; Николаев И.В. и соавт., 2011). Канцерогенное действие сажи давно известно на примере рака кожи трубочистов. Каменный уголь и продукты его переработки также могут содержать канцерогены. В качестве природного источника фуллеренов предлагалось использовать шунгит, занимающий промежуточное положение между антрацитом и графитом (Глебашев С.Г. и соавт., 1999). Как правило, получаемый продукт — обогащенная искомым веществом смесь компонентов исходного продукта. При синтезе также образуются побочные продукты. В частности, препараты фуллеренов могут содержать их ближайшие химические аналоги — полициклические соединения ароматического ряда (Романов Р.В., Скворцевич Е.Г., 2002; Николаев И.В. и соавт., 2011).

Производство фуллеренов включает получение фуллеренсодержащей сажи с последующей экстракцией органическими растворителями (Захаров А.А., 2015). Очистку экстракта выполняют на хроматографическом сорбенте или путем кристаллизации из насыщенного раствора при низкой температуре (Грушко Ю.С., Захаров А.А., 2005; Седов В.П., 2005). Существуют различные способы получения фуллеренсодержащей сажи: нагревание графитовых стержней электрическим током в вакууме, электрическая дуга между графитовыми электродами в атмосфере гелия, испарение углерода с помощью лазера, сжигание углеводородов и нафталина. Получаемая сажа может содержать примеси, в особенности полиароматические углеводороды (Николаев И.В. и соавт., 2011). В идеальных условиях при получении сажи из чистого графита электродуговым методом в атмосфере инертного газа кислородосодержащих соединений углерода образовываться не должно, однако остается вопрос чистоты исходного сырья, газа и других реактивов.

Среди предполагаемых полезных свойств фуллеренов в первую очередь обсуждается антиоксидантная активность, которую связывают с наличием в их молекулах двойных связей (Разумов В.Ф., Клюев М.В., 2008). Однако двойные связи имеются во многих органических соединениях. Сведения о влиянии фуллеренов на окислительно-восстановительный баланс отчасти противоречивы. Предполагается, что биологические эффекты фуллеренов опосредованы как поглощением свободных радикалов, так и их генерацией (Романов Р.В., Скворцевич Е.Г., 2002). Окислительно-восстановительный баланс организма поддерживается в динамическом равновесии под влиянием многих факторов; вызывает сомнение, что его временный сдвиг с помощью фармакологических препаратов полезен априори. Действие антиоксидантов может быть как полезным, так и вредным. Под термином «антиоксиданты» подразумевают различные вещества, например витамины, иногда со сложным механизмом действия. Далеко не всегда ясно, показан ли прием антиоксидантов, какие препараты и в каком количестве следует применять (Papas A.M., 1999; Denisov E.V., Afanas’ev I.B., 2005; Edeas M., 2009; Soory M., 2012; Ashor A.W. et al., 2014; Kaludercic N. et al., 2014; Giorgio M., 2015; Conti V. et al., 2016).

Особая структура молекул фуллеренов привлекает внимание исследователей и широкой публики. Безусловно, эти вещества заслуживают дальнейшего изучения (Чекман І.С., 2009). В частности, необходимы исследования содержащих фуллерены препаратов с целью выявления возможного токсического, в том числе канцерогенного действия. Эксперименты на животных допустимы лишь в условиях, когда конфликты интересов не влияют на результаты и выводы. Канцерогены можно также выявлять методами химического анализа.



  • Глебашев С.Г., Аксенов Е.И., Сементовский Ю.В. (1999) Шунгит. Геоинформмарк, Москва.
  • Грушко Ю.С., Захаров А.А. (2005) Выбор технологического варианта получения чистого фуллерена С70. Курчатовский ин-т, Гатчина.
  • Захаров А.А. (2015) Условия синтеза фуллеренов. Курчатовский ин-т, Гатчина.
  • Николаев И.В., Лебедев В.М., Орлова Д.Н., Иванова И.Н. (2011) Методы синтеза, строение и физико-химические свойства фуллеренов. Курчатовский ин-т, Гатчина.
  • Пиотровский Л.Б., Киселев О.И. (2006) Фуллерены в биологии. Наука, Санкт-Петербург.
  • Разумов В.Ф., Клюев М.В. (2008) Функциональные производные фуллеренов. Изд. Ивановского ун-та, Иваново.
  • Романов Р.В., Скворцевич Е.Г. (2002) Биологические эффекты фуллеренов. Вопр. биол. мед. фарм. химии, 1: 32–36.
  • Седов В.П. (2005) Использование метода кристаллизации для получения чистых фуллеренов С60 и С70. Курчатовский ин-т, Гатчина.
  • Чекман І.С. (2009) Нанонаука: історичний аспект, перспективи досліджень. Укр. мед. часопис, 3(71): 19–21.
  • Aschberger K., Johnston H.J., Stone V. et al. (2010) Review of fullerene toxicity and exposure — appraisal of a human health risk assessment, based on open literature. Regul. Toxicol. Pharmacol., 58: 455–473.
  • Ashor A.W., Siervo M., Lara J. et al. (2014) Antioxidant vitamin supplementation reduces arterial stiffness in adults: a systematic review and meta-ana­lysis of randomized controlled trials. J. Nutr., 144: 1594–1602.
  • Conti V., Izzo V., Corbi G. et al. (2016) Antioxidant supplementation in the treatment of aging-associated diseases. Front. Pharmacol., 7: 24.
  • Denisov E.V., Afanas’ev I.B. (2005) Oxidation and Antioxidants in Organic Chemistry and Biology. Taylor & Francis, Boca Raton, Florida, p. 1024.
  • Edeas M. (2009) Anti-oxidants, controversies and perspectives: How can the failure of clinical studies using anti-oxidants be explained? J. Soc. Biol., 203: 271–280.
  • Gelderman M.P., Simakova O., Clogston J.D. et al. (2008) Adverse effects of fullerenes on endothelial cells: fullerenol C60(OH)24 induced tissue factor and ICAM-I membrane expression and apoptosis in vitro. Int. J. Nanomedicine., 3: 59–68.
  • Giorgio M. (2015) Oxidative stress and the unfulfilled promises of antioxidant agents. Ecancermedicalscience, 9: 556.
  • Hirsch A. (1994) The chemistry of the fullerenes. Thieme, Stuttgart, p. 203.
  • Kaludercic N., Deshwal S., Di Lisa F. (2014) Reactive oxygen species and redox compartmentalization. Front. Physiol., 5: 285.
  • Larner S.F., Wang J., Goodman J. et al. (2017) In vitro neurotoxicity resulting from exposure of cultured neural cells to several types of nanoparticles. J. Cell Death, 10: 1179670717694523.
  • Papas A.M. (1999) Antioxidant status, diet, nutrition, and health. CRC Press, Boca Raton, Florida, p. 479.
  • Soory M. (2012) Nutritional antioxidants and their applications in cardiometabolic diseases. Infect. Disord. Drug Targets., 12: 388–401.
  • Tsuda H., Xu J., Sakai Y. et al. (2009) Toxicology of engineered nanomaterials — a review of carcinogenic potential. Asian Pac. J. Cancer Prev., 10: 975–980.
  • Uo M., Akasaka T., Watari F. et al. (2011) Toxicity evaluations of various carbon nanomaterials. Dent. Mater. J., 30: 245–263.


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

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

НАНОУГЛЕРОДНАЯ ОСНОВА ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНОГО БУДУЩЕГО

Материалы с улучшенными эксплуатационными свойствами, высокопрочные и при этом легкие, устойчивые к износу, давлению и различным видам излучения, нужны для развития практически всех отраслей экономики. Например, в судо- и машиностроении востребованы легкие и износостойкие материалы, необходимые для создания элементов обшивки конструкций. Ведутся разработки для авиационной и автомобильной промышленности, нацеленные на уменьшение веса деталей при одновременном сохранении прочности корпуса и его частей, снижения расхода топлива, улучшения качества автомобильных красок и масел. В атомной промышленности нужны новые материалы для энергетических реакторов, способные выдерживать высокие температуры, давление и радиацию. Широкие возможности открывают такие исследования для развития медицины, в том числе в целях создания противораковых аппаратов. Решить перечисленные задачи возможно за счет создания углеродных наноматериалов — наноалмазов, углеродных нанотрубок (УНТ) и фуллеренов.


ФУЛЛЕРЕНЫ

Фуллерены — химические соединения, молекулы которых состоят только из углерода с числом атомов от 32. К основным свойствам фуллеренов следует отнести их стабильность, нерастворимость в воде, полупроводниковые свойства, фотопроводимость, безопасность для организма человека. Кроме того, они биосовместимы и обладают антиоксидантными свойствами, что в перспективе позволит их использовать в медицине. В настоящее время фуллерены применяются в различных отраслях промышленности. Например, их используют в качестве компонентов алюминиевых сплавов повышенной прочности для электротехники и энергетики, в сверхтвердых покрытиях для микрозондов в приборостроении. Существует также ряд патентов, авторы которых предлагают использование фуллеренов в катализаторах для нефтесинтеза, при производстве искусственных алмазов (фуллереновые добавки увеличивают выход алмазов на 30%), в аккумуляторных батареях (благодаря фуллеренам они получаются экологичнее, безопаснее и легче по сравнению с литиевыми). В медицине рассматриваются перспективы их применения в лекарствах от гастрита и язвы, в противоожоговых, ранозаживляющих и других препаратах. Ведутся работы по использованию фуллеренов в качестве добавок в органические масла, косметические и лечебные средства.


Эффекты

Снижение себестоимости легких и высокопрочных материалов на основе углеродных волокон, модифицированных фуллеренами. Увеличение безопасности и экологичности аккумуляторных батарей. Повышение качества катализаторов для нефтесинтеза и, как следствие, улучшение качества получаемого топлива. Повышение качества медицинской помощи за счет улучшения лекарств (в том числе противораковых) и создания систем их адресной доставки.


НАНОАЛМАЗЫ

Наноалмазы — углеродные материалы со структурой алмаза и характерным размером кристаллита до 10 нм — обладают ярко выраженной химически активной поверхностью, высокой сорбционной способностью, устойчивостью в масляных суспензиях , радиационной стойкостью, а также безопасностью для организма. Спектр применения наноалмазов варьируется от автомобилестроения (улучшают качество смазочных масел, смазочноохлаждающих жидкостей и автомобильных красок), производства лазерной техники, оптики и твердотельной электроники (оптимизируют микроабразивные и полировальные составы, абразивные инструменты) до нефтедобычи (усиливают эксплуатационные свойства хром-алмазных износостойких покрытий) и биомедицины. Ряд наиболее многообещающих приложений с использованием наноалмазов разрабатывается для медицины: с их помощью можно выделять белки, создавать средства борьбы с раковыми опухолями, ожогами, аллергическими контактными дерматитами и другими недугами. Тесты на применение наноалмазов в качестве средств доставки лекарств к здоровым клеткам (либо ядовитых веществ к опухолевым клеткам) показали отсутствие негативных последствий для здоровых клеток организма, в отличие от современных способов доставки.


Эффекты

Снижение стоимости промышленной техники за счет увеличения ее межремонтного ресурса, продолжительной эксплуатации без капитального ремонта. Уменьшение расхода горюче-смазочных материалов благодаря наноалмазным присадкам в маслах. Переход на более высокий уровень производства лазерной техники, оптики и твердотельной электроники. Повышение качества медицинской помощи за счет применения биокомпозитов с использованием наноалмазов.


УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

Углеродные нанотрубки (УНТ) — свернутые в цилиндр графитовые слои диаметром до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров — уникальным образом сочетают в себе хорошую электропроводность и высокую адсорбционность, способность к холодной эмиссии электронов и аккумулированию газов, диамагнитные характеристики, химическую и термическую стабильность.

Материалы на основе УНТ могут использоваться в аккумуляторах водорода, элементах радиоэлектроники, конструкциях корпуса, а также в качестве высокоэффективных адсорбентов, в ортопедических имплантах. Уже представлены первые образцы их применения для создания аналогов полупроводниковых транзисторов, однако такие разработки еще не достигли уровня массового производства. Широко обсуждается использование УНТ в тонком химическом синтезе, биологии, медицине, атомной, авиационной и автомобильной промышленности. Например, ведутся разработки по увеличению запаса хода электромобилей посредством повышения эффективности их обогрева, что реализуется при помощи панельных радиаторов с покрытием из углеродных нанотрубок (взамен более тяжелых и энергозатратных медных проволочных нагревателей).


Эффекты

Снижение себестоимости легких и высокопрочных материалов на основе углеродных волокон, модифицированных нанотрубками для машино-, авиа- и судостроения. Снижение стоимости, повышение энергоэффективности и срока эксплуатации электронной техники благодаря использованию УНТ в качестве основы для ее элементов. Улучшение качества диагностики и доставки лекарств.

Станут ли фуллерены главным открытием 21-ого века?

ПРИМЕНЕНИЕ ФУЛЛЕРЕНОВ

К настоящему времени применения фуллеренов и родственных им структур весьма разнообразны. В далеко не полном списке их потенциальных применений - алмазные технологии, СТЭЛС – технология, антивирусные препараты и препараты против СПИДа, материалы для хранения водорода, магнитные нанокомпозитные материалы для записи и хранения информации, препараты для магнитной (ЯМР) томографии, антиоксиданты, нелинейные оптические материалы для защиты высокочувствительных приемников света от лазерной атаки, биологически важные водорастворимые полимеры, высокотемпературные антифрикционные смазки и пр. Отдельно нужно отметить применение углеродных наноструктур для разработки мономолекулярной электроники. Уже создан экспериментальный транзистор на одной молекуле фуллерена С60 и полевой транзистор на одной углеродной нанотрубке.

Очевидность широких и скорых применений фуллереновых материалов способствовала тому, что ведущие развитые страны в последние годы направляют в эту область миллиардные инвестиции. Это прежде всего США, Япония, Южная Корея и Европейский Союз. Федеральный Резервный Банк США в Хьюстоне назвал в своем релизе Нанотехнологии и Биотехнологии в числе наиболее инвестиционно привлекателных направлении 21-ого века.

С момента открытия фуллеренов в 1985 году и последующего введения атомов металла внутрь их углеродного кэйджа (замкнутой углеродной сетки) значительный интерес сфокусирован на этих уникальных молекулах. Интенсивные исследования последнего времени значительно расширили наши знания о химических и биологических свойствах самых  экзотических разновидностей фуллеренов.

Безусловно, что медицина является самым очевидным полем применения фуллеренов. Первый намек на то, что они могут иметь будущее в медицине, появился в 1993 году, когда было сообщено, что одно из органических производных фуллерена С60 обладает активностью против вируса СПИД'а. Сегодня перспективы использования фуллеренов в медицине значительно шире. По-видимому, важнейшим для медицинских приложений свойством  фуллеренов является их способность действовать в качестве биологических антиоксидантов. Из-за большого количества сопряженных двойных связей в молекуле фуллерена, которые легко взаимодействуют со свободными радикалами, С60 может рассматриваться как своеобразная «губка, поглощающая свободные радикалы». В частности, фуллерен легко взаимодействует с -ООН (остаток перекиси водорода ) и, таким образом, блокирует его окислительное биологическое действие.

Другим важным применением фуллеренов является их использование в качестве агентов для т.н. фотодинамической терапии. Это новый метод лечения, использующий лазеры. С помощью С60 было проведено успешное лечение фибросаркомы на мышах.

Важно отметить, что до сих пор не было отмечено токсичности фуллеренов, хотя можно предположить, что токсичность будет зависеть от того, в виде какого производного фуллерен будет вводиться  в организм.

Наиболее важным приложением нерадиоактивных фуллеренов является использование их как контрастирующих агентов в ЯМР-томографии. Этот метод в настоящее время широко используется и является основным в медицинской диагностике. В отличие от рентгеновской томографии он не связан с вредным действием излучения на организм.

Фуллерены весьма перспективны и для использования в ядерной медицине, диагностике, терапии рака и иммунотерапии.

Другой важной проблемой, при решении которой важно знать свойства радиоактивных фуллеренов, является проблема фиксации и захоронения радиоактивных отходов и связанная с её решением задача разработки новых материалов и технологий. Существует несколько направлений в комплексной переработке радиоактивных отходов, в которых фуллерены и родственные им материалы могут быть успешно использованы. Впереди у ученых большое поле деятельности для изучения разнообразных свойств фуллеренов  и внедрение научно-обоснованных рекомендаций   в повседневную жизнь. Пожелаем сотрудникам лаборатории химии и спектроскопии материалов отделения нейтронных исследований новых поисков, успешных результатов и творческих находок в Новом году.