Тэг: фуллерены с60

Биологическая активность фуллеренов — реалии и перспективы. Часть 1

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

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

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


Резюме

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


Введение

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

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

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


Строение и свойства фуллеренов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


Фуллерены в фотодинамической терапии

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

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

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

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



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

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

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

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

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


Фуллерены как антиоксиданты

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

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

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

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

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


Фуллерен и биологические молекулы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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



Фуллерены и их основные применения

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


В общем же выделяют следующие разновидности фуллеренов:

- фуллереновая сажа;

- смесь С60/С70/высшие фуллерены;

- фуллерены С60;

- фуллерены С70;

- высшие фулллерены;

- эндоэдральные фуллерены;

- химические модификации фуллеренов;

- фуллереномодифицированная продукция.


Для фуллеренов характерно:

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

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

3) фотопроводимость;

4) высокая механическая прочность;

5) нелинейные оптические свойства;

6) высокая упругость;

7) низкая поверхностная энергия;

8) высокая химическая стабильность;

9) слабые межмолекулярные взаимодействия;

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


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

Особенно выражены преимущества фуллерена в следующих практических приложениях:

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

2) добавка фуллеренов в чугун придает ему пластичность;

3) в керамических изделиях введение фуллеренов снижает коэффициент трения;

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

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

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

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

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

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

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


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


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

- синтез фуллереновой сажи;

- выделение смеси фуллеренов из сажи;  

- фракционное обогащение по фуллерену;

- очистка фуллерена;

- контроль, анализ и сертификация получаемых продуктов.


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

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

Большинство компаний предлагает наряду с фуллеренами другие разновидности продукции:

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

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

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

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

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

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


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


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

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


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

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


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


Источники: 

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

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

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