Фуллерены

Найдут ли фуллерены  свое применение в медицине?

 

Введение. Современные исследования открывают новые возможности уже знакомых природных материалов. Всем известны две формы углерода: мягкий графит и твердый  алмаз,  являющиеся редко  чистым углеродом. Пытливый ум химиков-органиков строил проекты новых органических чисто углеродных молекул. Таким образом мы пришли к Бакминстерфуллерену , путь которого отмечен такими веками: предсказан в 1966 году (статья D.E.H.Jones в научно-популярном журнале «New Scientist»), рассчитан кванто-химическим методом в 1973 году  (статья Бочвара Д.А. и Гальперн Е.Г.) и, наконец, получен в микроколичествах в 1985 году (статья H.W.Kroto, J.R.Heath, S.C.O’Brien, R.F.Curl, R.E. Smalley). С тех пор изготовлены десятки, если не сотни килограммов этого удивительного вещества, а его изобретателям присуждена Нобелевская премия по химии за 1996 год.

Из уникального объекта научного исследования фуллерен превратился  во вполне привычный предмет научного исследования, который применяют  в различных областях науки и  уже становится коммерческим продуктом. Но дело в том, что в настоящее  время  свойства фуллеренов до конца  еще не изучены. Известно лишь, что благодаря их особенной форме, похожей на мячик, в них можно вкладывать другие молекулы. Подобные упаковки находят применение в самых разных областях человеческой деятельности. Пытаются их использовать и в медицине, для чего в полость фуллерена вводят биологически активные функциональные группы.

Практическое применение в медицине требует предварительной экспериментальной  проверки, и все это поэтапно делается сегодня. Но вопрос о том, найдут ли фуллерены свое применение в медицине и смогут ли они избавить человечество от страшных недугов, остается открытым и очень серьезным, ведь ответы на них будут знаменовать новую  эпоху в истории и жизни  человека.

 

 

 

Основная часть. Первый намек на то, что фуллерены 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. Об этом нам сообщает и статья  П.А.Трошина[2], опубликованная в журнале «Химия и жизнь»[1]. В статье автор говорит о том, что вирус СПИДа «весьма изменчив, но в одном нам повезло: важнейший белок, ответственный за проникновение вируса в кровяные клетки — ВИЧ-1-протеаза, — имеет сферическую полость диаметром 10 А, форма которой остается постоянной при всех мутациях. Такой размер почти совпадает с диаметром молекулы фуллерена!» Такой вывод сделал один из студентов, написав об этом  американскому профессору Ф.Вудлу. После этого профессор пригласил студента работать к себе в лабораторию, и вскоре вышла их статья, о том, что производные фуллеренов действительно заполняют ВИЧ-1 – протеазу и тем самым блокируют активность вируса.

Фуллерены называют «радикальными  губками», так как они показали большую эффективность, чем все  другие известные в настоящее  время антиоксиданты, такие как  витамин Е. Как сообщает статья «Фуллерены защищают клетки от радиации» [4], опубликованная на сайте www.elementy.ru [3], группа американских ученых из Медицинского колледжа Джефферсона, проведя ряд экспериментов, выяснила, что фуллерены связывают возникающие в клетке под действием радиационного облучения реактивные формы кислорода (свободные радикалы кислорода, пероксиды и гидроксиды), не позволяя им разрушать клеточные структуры. Эксперимент заключался в следующем: подвергнув эмбрионы рыбы-зебры воздействию ионизирующего облучения, ученые вводили подопытным особям фуллерен C₆₀, а особи из контрольной группы получали лекарство Амифостин —радиопротектор, одобренный контролирующими инстанциями США для защиты от побочных эффектов радиотерапии. Как показали результаты эксперимента, применение C₆₀незадолго до облучения или же в течение 30 минут после процедуры позволяет снизить повреждение внутренних органов на 50-60%, что, в целом, соответствует уровню защиты, обеспечиваемому Амифостином. Уровень реактивных свободных радикалов в тканях обработанных эмбрионов также снизился вдвое по сравнению с эмбрионами, не получившими лекарства.

Обратимся к следующей  статье [6], посвященной также свойству фуллерена защищать клетки от радиации, размещенной на сайте www.nanonewsnet.ru [5]. В ней говорится о том, что «Американские исследователи показали, что определенные наночастицы можно воспламенять с помощью маломощного лазера. Как сообщает агентство «ИнформНаука», статья об этом появилась на сайте журнала Nature Nanotechnology. Ее авторы — сотрудники Университета Флориды Виджай Кришна, Нафанаил Стивенс, Бен Купман и Бридж Муджил». В лабораторных условиях в раковые клетки вводились деформированные полиоксифуллерены — сами по себе безвредные для живого организма. Затем «заминированная» клетка нагревалась с помощью маломощного лазера. Сгорание фуллеренов взрывало клетку изнутри. Таким образом, исследователи пришли к заключению, что раковые опухоли можно уничтожать, не нанося вреда окружающим тканям.

Большое количество информации можно найти об использовании  фуллеренов в качестве лекарства  от страшных болезней. На сайте www.scientific.ru [7] опубликована статья Е.Онищенко «Фуллерены помогут восстановить нарушения памяти» [8], которая говорит о том, что «эксперименты исследователей из института теоретической и экспериментальной биофизики РАН в Пущино дают надежду, что фуллерены помогут людям с нарушениями формирования долговременой памяти». Исследователи работали с лабораторными крысами, у которых специально нарушали память, вводя в мозг высокие дозы циклогексимида - он останавливал синтез белка. Известно, что синтез белка в мозгу блокируется при болезни Альцгеймера, атеросклерозе сосудов мозга, черепно-мозговой травме, в результате чего страдает долговременная память, а затем начинается гибель нервных клеток. Так что, отравляя несчастных крыс, ученые моделировали именно эти заболевания. Память крыс проверяли в бассейне с непрозрачной водой, в которой им нужно было найти невидимую спасительную платформу и запомнить ее местонахождение. Через сутки после обучения память сохранялась — крысы находили платформу в два-три раза быстрее, чей в первый раз. Но те животные, в мозгу которых экспериментаторы заблокировали синтез белка, теряли приобретенный навык. Однако память сохранялась у тех крыс, которым за час до инъекции циклогексимида вводили препарат фуллерена: они находили платформу так же быстро, как и контрольные животные. Таким образом, результаты этих экспериментов показывают, что с помощью микроинъекции препарата на основе фуллерена можно будет предупреждать нарушения долговременной памяти, вызванные блокированием синтеза белка.

В этом же портале я нашла  еще одну статью Е.Онищенко под названием  «Фуллерены против гриппа» [9]. В ней он упоминает об Институте экспериментальной медицины (г. Санкт-Петербург), которые в экспериментах по подавлению вирусов гриппа использовали водорастворимые аддукты фуллеренов с поливинилпирролидоном. Это соединение хорошо растворимо в воде и имеет полости близкие с размерами фуллеренов. Полости заполняются фуллеренами и, так как поливинилпирролидон не обладает антивирусными свойствами, вся активность приписывается содержащимся в комплексе молекулам C₆₀.

Эксперименты дают хорошие результаты относительно полезности фуллеренов, но всегда существуют риски. Есть ли подводные  камни у столь красивого и  многофункционального фуллерена? В  журнале «Химия и жизнь» [1] я нашла статью, начатая по инициативе академика РАН Р.В.Петрова [10], в которой идет рассуждение на основе опытов по поводу «подводных камней» фуллерена. Автор статьи утверждает, что противоположные точки зрения: фуллерены полезны и вредны, вызваны особенностями физико-химических свойств фуллеренов, а именно то, что они не растворимы в воде. И чтобы ввести препарат подопытному животному, молекулу фуллерена нужно преобразовать: присоединить к ней гидрофильные группы или добавить в раствор поверхностно-активные вещества. Эти компоненты сами по себе токсичны, что вполне способно привести к выводу о токсичности самого фуллерена. Специалист по изучению биологического действия фуллеренов Г.В.Андриевский из Института терапии АМН Украины, известный тем, что сумел создать методику получения довольно концентрированного раствора фуллерена в воде, доказал, что «данные, приведенные в наиболее часто цитируемой статье о токсичности фуллеренов, связаны именно с артефактом: в изучаемой фуллеренсодержащей жидкости присутствовало токсичное вещество — тетрагидрофуран».  Вернемся к статье Р.В.Петрова [10], в своих опытах академики РАН пытались вызвать у мышей иммунный ответ на чистые фуллерены, но не преуспели в этом. Зато они обнаружили реакцию на аминокислоты, пришитые к фуллерену. И подтвердили, что аминокислотные производные фуллеренов легко проникают внутрь клетки и меняют кислотность среды. Такой вывод дала серия опытов, проведенная с эритроцитами, тромбоцитами человека и симбиосомам. В опытах с эритроцитами, мембрану которых заряжали отрицательно, при добавлении в них фуллерена с аргинином, которые имели положительный заряд, происходила быстрая разрядка потенциала мембраны клетки. Изменение потенциала мембраны оказалась не единственным аффектом. Добавляли также флуоресцентный краситель -  акридин оранжевый, который меняет свое свечение при изменении кислотности среды. Но при дальнейшей работе ученых возникли трудности в финансировании, пришлось им прервать работу. Стоит заметить, что зарубежные исследователи не стоят на месте.

На портале «Элементы» [3] по поисковику я нашла статью о токсичности фуллеренов под названием «Фуллерены нарушают работу ДНК» [11]. В статье упоминается вашесказанное утверждение о том, что производные фуллеренов легко проникают внутрь клетки. А именно говорится о том, что «компьютерное моделирование показало, что фуллерены, представляют потенциальную опасность для молекул ДНК, хранящих генетическую информацию». Моделирование на компьютере взаимодействия ДНК с молекулой С₆₀ проводили американские исследователи из Окриджской национальной лаборатории, штат Теннесси, и Университета Вандербилта в Нэшвилле. Компьютерное моделирование показало, что молекулы фуллерена могут присоединяться к ДНК сбоку, вызывая искривление молекулы, а могут проникать в нее с конца, внедряясь между двумя спиралями и разрывая существующие между ними водородные связи, также присоединившийся к молекуле ДНК шарик C₆₀ может препятствовать механизмам самовосстановления поврежденной молекулы ДНК. «Наш расчет показал, что фуллерен очень прочно связывается с молекулой ДНК и та функционирует неверно, — говорит руководитель работы Питер Каммингс из университета Вандербильда (США). — Мы не знаем, способен ли фуллерен, даже попав в клетку, проникнуть в ее ядро. Но если это случится, последствия будут фатальными».

Обсуждение.  Особенности физико-химических свойств фуллеренов, а именно то обстоятельство, что они в силу своей гидрофобности не растворимы в воде, способствуют появлению разных точек зрения, одни из которых утверждают – они очень вредны и они весьма полезны. В настоящее время синтезированы сотни соединений фуллеренов, которые ведут себя по-разному в живом организме.

Если разобрать статьи по классификации  «вредны» и «полезны» можно установить такую закономерность – эксперименты показывают положительное влияние  производных фуллерена на живой  организм, а вот их отрицательное  влияние на него устанавливается только лишь с помощью компьютерного моделирования. Как видно из статьи [4] портала «Элементы» [3] исследователи пока не считают возможным говорить об опасности или токсичности фуллеренов C₆₀. Они признают, что при попадании в ядро клетки эти молекулы, безусловно, могут нанести значительный ущерб. Однако сама возможность такого проникновения еще нуждается в тщательном изучении.

По моему мнению, статья П.А.Трошина [2] не выглядит убедительной. Она вытекает из теории о том, что размер вируса СПИДа почти совпадает с диаметром молекулы фуллерена, а экспериментов по этому поводу недостаточно, но сам факт того, что возможно ученые нашли лекарство от СПИДа, дает надежду многим людям, страдающим этой неизлечимой болезнью. Но существует всегда риск – найдется много шарлатанов, которые захотят сделать деньги на несчастье и доверии этого множества людей.

Следует заострить внимание на то, что статья академика РАН Р.В.Петрова [10] неожиданно заканчивается прекращением работы из-за недостаточного финансирования. Действительно, чтобы проводить исследования нужно качественное оборудование, квалифицированный персонал и многое другое. А вот 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-привлекательных направлении 21-ого века.

Выводы. Таким образом, проанализировав все факты, я выяснила, что у фуллеренов прекрасные перспективы в области медицины. Фуллерены можно использовать в ядерной медицине, диагностике, терапии рака и иммунотерапии. Но это все требует тщательной проверки.

Из-за развития нанотехнологий практически неизбежно возникают условия для загрязнения окружающей среды этими весьма стойкими соединениями, масштаб производства которых возрастает. Пора решать вопрос об опасности или безопасности фуллеренов в том числе и об иммунологической безопасности.

Но, я думаю, уже сделан огромный вклад к победе над страшными болезнями.

 

Список литературы:

1. Журнал «Химия и жизнь»
2. Статья П.А. Трошина «Фуллерен лечит СПИД?»

Журнал «Химия и жизнь» №11, 2005

3. Сайт  www.elementy.ru
4. Статья «Фуллерены защищают клетки от радиации» http://elementy.ru/news/164992
5. Сайт  www.nanonewsnet.ru.
6. Статья «Новые возможности фуллеренов для медицины, электроники и саперов»

http://www.nanonewsnet.ru/news/2010/novye-vozmozhnosti-fullerenov-dlya-meditsiny-elektroniki-saperov

7. Сайт  www.scientific.ru
8. Статья Е.Онищенко «Фуллерены помогут восстановить нарушения памяти»

http://www.scientific.ru/journal/news/1202/n051202.html

9. Статья Е.Онищенко «Фуллерены против гриппа»

http://www.scientific.ru/journal/news/n110801.html

10. Статья, начатая по инициативе академика РАН Р.В.Петрова «Фуллерен и жизнь»

Журнал «Химия и жизнь» №12, 2008

11. Статья «Фуллерены нарушают работу ДНК»

http://elementy.ru/news/165039