Фуллерены в медицине кратко

Обновлено: 02.07.2024

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

Адрес: 308015, г. Белгород, ул. Победы 85. 185640, г. Петрозаводск, пр. Ленина 33.

Резюме. Болезни органов дыхания (БОД) являются серьезной медико-социальной проблемой здравоохранения России, в первую очередь из-за высокого уровня заболеваемости, инвалидности и смертности. Развитие медицинских нанотехнологий, в том числе с применением при БОД фуллеренов (C₆₀) с учетом их широкого спектра лечебных эффектов, возможности получения гидратированных форм C₆₀ для энтерального и парэнтерального введения в организм человека, и отсутствия данных об острых и хронических интоксикациях ими — все это открывает новые возможности в лечении и профилактики патологий органов дыхания.

Ключевые слова: нанотехнологии, фуллерены, C_60, болезни органов дыхания.

Роль фуллеренов в терапии болезней органов дыхания

Фуллерены, группа специфических молекул, размером 0,3-0,8 нм, состоящих только из атомов углерода, которые образуют каркас из 12 пятиугольников и нескольких шестиугольников. Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Р. Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Впервые фуллерены были синтезированы в 1985 Х. Крото, Хит. 0′ Брайен и Р. Смолли, а в 1992 их обнаружили в древних пластах земной коры, шунгите. С этих пор их условно подразделяют на искусственно синтезированные и шунгитовые. Открытие фуллеренов удостоино Нобелевской премии по химии за 1997 г. и стало одним из ярких научных достижений конца ХХ века. Наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — фуллерен-60 (C₆₀), его называют иногда бакминстер-фуллерен, в котором углеродные атомы образуют многогранник, напоминающий футбольный мяч. Известны также фуллерены C₇₀ и C₈₄ [1,2,3].

Фуллерены обладают необычными химическими и физическими свойствами, такими как магнетизм и сверхпроводимость, а при высоком давлении С₆₀ становится твердым, как алмаз. В настоящее время установлено, что фуллерены могут являться основой для создания с другими химическими элементами очень многих соединений, которые в свою очередь могут быть использованы в качестве лекарств [3,4,5].

История применения шунгита в медицине, а значит и фуллеренов уходит в глубь веков и связана с такими известными историческими личностями, как: боярыня Ксения Романова; ее сыном, основоположником правящей в России династии М.Ф. Романовым; его внуком, царем Петром, лейб-медиком Блюментростом и другими [6].
В настоящее время разработкой направления использования фуллеренов в качестве лекарств, в России, занимается целый ряд исследовательских групп. Так, в Петрозаводском государственном университете на кафедре госпитальной терапии фуллерены шунгита применяют в лечении ревматологических больных, на курсе инфекционных болезней ведется работа по оценке их антибактериального эффекта. В Военно-медицинской академии Санкт-Петербурга на кафедре военно-полевой терапии и в Тульском НИИ новых медицинских технологий исследуют экранирующие от электромагнитных излучений эффекты шунгита, в Московском институте кардиологии им. Алмазова — антиатеросклеротические, гипотензивные, спазмолитические свойства фуллеренов, их способность гасить избыточную активность перекисного окисления липидов, протекающего на мембранах клеток. Параллельные исследования ведутся и за рубежом, но работы иностранных коллег касаются только биологических эффектов синтетических фуллеренов [2,7].

Широкий спектр биологических эффектов глобулярного углерода, возможность получения водных растворов для энтерального и парэнтерального введения в организм человека- все это привлекает внимание врачей различных специальностей, в том числе и занимающихся терапией болезней органов дыхания (БОД). Действительно, БОД являются серьезная медико-социальная проблема здравоохранения России, в первую очередь из-за высокого уровня заболеваемости, инвалидности и смертности [8,9,10,11]. Эпидемиологическими исследованиями установлено, что более 25% больных ежедневно обращаются к врачам в связи с заболеваниями дыхательных путей, т. е. эта патология имеет наибольшую распространенность, где 1/3 приходится на инфекционные заболевания нижнего отдела дыхательных путей (ИЗНОД), гетерогенную группу, которая включает пневмонию (П), острый бронхит, обострение хронических обструктивных заболеваний легких (ХОБЛ) и осложненные случаи гриппа. Последнее десятилетие регистрируется высокая, имеющая тенденцию к росту распространенность бронхолегочной патологии [9,10,12,13,14].

Бронхо-легочная система исключительно чувствительна к воздействию вредных агентов окружающей среды [15,16] по двум причинам: легкие имеют необыкновенно большой контакт с внешней средой, т.к. в среднем площадь их поверхности составляет примерно 500 м2 и это единственный орган, куда поступает весь сердечный выброс, и, таким образом, циркулирующие агенты легко достигают легочного капиллярного ложа [17].

Загрязнение окружающей среды, возростающая антигенная нагрузка на организм человека, в условиях, когда химическая мировая промышленность выбрасывает на рынок до 10 тысяч новых химических соединений в год, что объясняет рост заболеваемости ИЗНОД, ухудшение качества питания жителей нашей страны, и как следствие нарушение ответных иммунных реакций при контакте с АГ, появление антибиотикорезистентных штаммов микроорганизмов — все это требует поиска новых решений по лечению данной патологии. Развитие медицинских нанотехнологий, в том числе и применения при ИЗНОД фуллеренов открывает новые возможности в лечении и профилактики данной патологии [18,19,20].

В этиопатогенезе ИЗНОД выделяют следующие основные механизмы: внедрение инфекции в легочную ткань или оседание на слизистой бронхиального дерева химических веществ, вызывающих воспаление неинфекционной природы; снижение функции местной бронхопульмональной защиты; формирование на фоне бактериальной агрессии супрессии иммунного ответа; развитие под влиянием инфекции воспаления в альвеолах и распространение его через межальвеолярные поры на другие участки легких; повышение агрегации тромбоцитов; нарушения в системе микроциркуляции; активация перекисного окисления липидов (ПОЛ); выделение свободных радикалов, дестабилизирующих лизосомы и повреждающие легкие; нервно-трофические расстройства бронхов и легких [8,21,22,23].

Для понимания роли фуллеренов в патогенезе ИЗНОД представляется необходимым остановиться на ряде звеньев этого процесса.

Исходное состояние слизистой оболочки бронхиального дерева, дистрофические и атрофические процессы в эпителии слизистых оболочек вызывают снижение его защитных, секреторных, абсорбционных функций. Нарушение слизистого барьера, мукоцилиарного транспорта, как механизма удаления бактериальных агентов во внешнюю среду из легких, создают благоприятные условия для развития бронхолегочной патологии [24,25,26]. Кроме того, эпителий дыхательных путей является метаболически активной тканью, которая наряду с продукцией слизи регулирует функцию гладких мышц через выработку субстанций релаксирующего и констриктивного действия [15]. Исследованиями также установлено, что дыхательный эпителий вовлечен в процессы пролиферации и дифференцировки бронхиальных тучных клеток и выброса медиаторов с противовоспалительными свойствами [27]. Нарушение эпителия дыхательных путей приводит к увеличению его проницаемости для антигенов, раздражению нервных окончаний и активации аксонального рефлекса, снижению выработки эпителий-релаксирующего фактора [28], снижению содержания мембраносвязанной нейропептидазы, инактивирующей тахикинины (29), увеличению образования продуктов липооксигеназного пути (лейкотриен В-4, продукты 15- липооксигеназного пути), которые рассматриваются в качестве факторов хемотаксиса и формирования воспалительной реакции [11,30].

Фуллерены имеют широкий спектр антибактериальной активности. В работе Tsao N.et al. продемонстрировано бактерицидное действие карбоксифуллерена на двадцати бактериальных штаммах, включая Staphylococcus spp., Streptocоccus spp., Enterocоccus faecalis., Klebsiella pneumoniae, E. Cоli, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella typhi [31]. Кроме того, фуллерены могут быть использованы для борьбы с вирусными заболеваниями. Так, известные противовирусные лекарственные средства, в основном, подавляют одну из специфических функций вируса. В работах Миллера Г.Г и Раснецова Л.Д. впервые была показана возможность воздействия одним соединением, производным фуллерена, сразу на две мишени: на протеазу и обратную транскриптазу ВИЧ, а также предложен способ ингибирования одновременно двух вирусов: ВИЧ и ЦМВ. В последнем случае ингибирование осуществлялось по механизму блокирования позднего структурного белка gВ ЦМВ [32,33].

Установлено, что различные типы антиоксидантов способны ослаблять ишемически-реперфузионное повреждение легких. В работе Lai и соавт. оценивали способность водорастворимого производного фуллерена С₆₀ — С₆₀(ONO₂)_7±2 — снижать выраженность ишемически-реперфузионного повреждения изолированных легких крысы [34]. Показано, что С₆₀(ONO₂)_7±2 обладает антиоксидантными свойствами [35,36,37,38] и способностью освобождать оксид азота [39,40,41], проявляя эффекты, подобные эффектам нитроглицерина. Экспериментальный протокол включал 10 мин стабилизации, 45 мин ишемии и 60 мин реперфузии. Легкие вентилировали газовой смесью, содержащей 95% О₂ и 5% СО₂. До и после ишемии регистрировали давление в легочной артерии (РЛА), давление в легочной вене (РЛВ), массу легких (W), легочное капиллярное давление и коэффициент фильтрации (КФ). Ишемия вызывала повышение РЛА, W и КФ в контроле, однако С₆₀(ONO₂)_7±2 ограничивал рост этих показателей, что рассматривали как ослабление ишемически-реперфузионного повреждения легких [37,40].

В результате клинико-иммунологических исследований [42,43,44,45,46] установлено, что у больных пневмонией на фоне бактериальной агрессии создаются условия для формирования синдрома вторичного иммунодефицита, подвергаются изменению местные механизмы иммунной защиты, нарушаются процессы кооперации Т- и В -лимфоцитов, макрофагов, снижается синтез иммуноглобулинов, прежде всего секреторного иммуноглобулина класса А лимфоцитами, происходят нарушения в регуляции лимфоцитами метаболизма соединительной ткани [46,47,48,49], что важно в понимании развития пневмосклеротических процессов в легких на этапе разрешения острого воспалительного процесса в легких [21,42,44,48]. У пациентов страдающих ХОБЛ также присутствуют нарушения иммунного ответа, характеризующиеся повышенным количеством нейтрофилов и Т- лимфоцитов (особенно CD-8) в различных частях легких. У некоторых пациентов может также наблюдаться увеличение числа эозинофилов, особенно при обострении [50,51].

Иммунодепрессия может быть связана не только с прямым поражением иммунных клеток, но и со способностью АГ активировать процессы перекисного окисления липидов (ПОЛ) [52,53,54]. Процессы ПОЛ имеют важное значение в саногенетических реакциях организма. ПОЛ, протекающее в биологических мембранах и контролируемое системой антиоксидантной защиты (АОЗ), является нормальным физиологическим процессом [42,55]. В период фагоцитоза происходит резкое усиление ПОЛ в результате выделения активированными нейтрофилами и макрофагами реактивных метаболитов кислорода, играющих важную роль во внутриклеточном уничтожении микроорганизмов [56,57,58,59]. При невозможности фагоцитировать чужеродный материал активные формы кислорода генерируются во внешнюю среду и способны повреждать здоровые ткани. В результате колебания уровня ПОЛ значительно изменяется микровязкость липидного бислоя и пассивная проницаемость мембран для ионов, т. е. фундаментальные — барьерные, каталитические, рецепторные свойства [42,56,60].

При недостатке АОЗ наступает гиперактивация ПОЛ и из механизма обеспечивающего оптимальное функционирование клеточных и внутриклеточных мембран и соответственно рецепторного аппарата клеток, ПОЛ превращается в механизм развития мембранной и клеточной патологии с последующим проявлением на уровне целого организма. В результате агрессии радикалов происходит резкое повышение активности фосфолипазы А-2, приводящее к высвобождению из клеточных мембран значительного количества арахидоновой кислоты с последующим метаболизмом ее до лейкотриенов [22,55,61,62,63,64].

Увеличение метаболизма арахидоновой кислоты, при интенсификации ПОЛ, приводит к нарушению баланса между насыщенными и полиненасыщенными жирными кислотами и как следствие к нарушению синтеза сурфактанта [22,61,65]. Продукты циклооксигеназного пути превращения арахидоновой кислоты способны подавлять пролиферацию Т-лимфоцитов, выработку интерлейкина -2, индуцировать образование Т — супрессоров, а также вызывать бронхоспазм, усиление слизеобразования, нарушение транспорта мокроты, отек, клеточную инфильтрацию, нарушение функции сурфактанта. Все это влияет на скорость редукции воспалительного процесса [66]. В связи с этим заслуживают внимания данные о способности фуллеренов контролировать активность ПОЛ [34,67,68] и как следствие влиять на качество иммунного ответа.

Повышение агрегации тромбоцитов, нарушения в системе микроциркуляции и нервно-трофические расстройства также являются важными звеньями патогенеза П., от которых во многом зависят и ее исходы. Дело в том, что состояние легочного кровотока, способность подводить к зоне воспаления необходимые для поддержания тканевого гомеостаза вещества и выводить продукты метаболизма- все это факторы, серьезно влияющие на течение и исходы П. [7,22,44,52,56]. Анализ зависимости исходов П. от состояния капилярного кровотока показал, что у больных со сниженной микроциркуляцией, исходы П. в хронические неспецифические заболевания легких наблюдались достоверно чаще- в 34,6 %, в то время как при нормальном кровотоке — в 13,3% [75].

Данные литературы показывают, что фуллерены способны оказывать влияние на трофику тканей, состояние регенераторного потенциала, микроциркуляцию, через снижение избыточной активности ПОЛ [34,35,70] и высвобождение оксида азота [10,19,38], защищают нейроны от апоптоза, а препараты на основе фуллеренов предупреждают нарушение формирования долговременной памяти у млекопитающих, которые вызваны ингибитором синтеза белка [48,76,77].

Установлен эффект торможения пролиферации опухолевых клеток человека под воздействием фуллеренов [1], что может стать важным звеном профилактики онкопатологии, развивающейся у пациентов страдающих ХОБЛ.

Обзор

Автор

Редакторы

Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific. Спонсор приза зрительских симпатий — фирма Helicon.

Мячи для нанофутболистов

Рисунок 1. Молекула фуллерена очень похожа на футбольный мяч, только забивать им голы сможет лишь футболист наноскопического размера

Физики и химики нашли фуллеренам множество применений: их используют при синтезе новых соединений в оптике и при производстве проводников. О биологических же свойствах фуллеренов долгое время поступали неоднозначные данные: биологи то объявляли их токсичными [4], то обнаруживали антиоксидантные свойства фуллеренов и предлагали использовать их в лечении таких серьезных заболеваний, как бронхиальная астма [5].

Крысы-долгожители

Почему же фуллерены оказались столь эффективными в борьбе со старением?

Рисунок 3а. Схема строения митохондрии

Моделирование in silico: что сделали физики

Биологи подтверждают гипотезу?

Рисунок 5. Светящиеся бактерии на чашке Петри (слева) и принцип действия биосенсоров (справа)

Такие модифицированные штаммы разрабатываются в ГосНИИ Генетики [19] и широко применяются в генетической токсикологии [20] при изучении механизмов действия излучений и окислительного стресса [21], действия антиоксидантов (в частности, SkQ1 [22]), а также для поиска новых перспективных антиоксидантов среди синтезируемых химиками веществ [23].

Первые же результаты показали, что водная суспензия фуллерена C₆₀, для более эффективного растворения обработанная ультразвуком, при добавлении к культуре биосенсоров увеличивала их устойчивость к повреждению ДНК активными формами кислорода. Уровень таких повреждений в опыте был на 50–60% ниже, чем в контроле.

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.

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.

С.В. Яргин
Российский университет дружбы народов, Москва

В 1985 году была открыта молекула, состоящая из 60 атомов углерода, устроенная наподобие футбольного мяча, – фуллерен, названный так в честь инженера Ричарда Фуллера, прославившегося конструкциями именно такой формы. Помимо своей удивительно симметричной формы, эта молекула, являющаяся третьей (после алмаза и графита) аллотропной формой углерода, оказалась чем-то вроде философского камня алхимиков [1].

До последнего времени она не перестает удивлять ученых своей крайне низкой токсичностью [2, 3] (особенно по сравнению с чем-то похоже устроенными нанотрубками [4]) и другими удивительными свойствами [5]. Механизмы взаимодействия фуллеренов с клетками пока не ясны, но результат поистине можно назвать волшебством [6].

Вот далеко не полный перечень тех свойств, которые заинтересовали медиков и биологов. Фуллерен и его производные можно использовать:

Помимо этого, фуллерен может использоваться для доставки в клетку различных лекарственных веществ [21] и невирусной доставки в клеточное ядро генетических векторов [22, 23].

Растворение в масле резко повышает эффективность фуллерена С60, так как его большие агрегаты (16 и более молекул) не способны проникнуть внутрь клеток [25].

Диаграмма выживаемости крыс, получавших: обычную диету (голубая линия), вдобавок к диете оливковое масло (красная) и оливковое масло с растворенным в нем фуллереном С60 (черная линия). Рисунок из [24].

Животворное действие фуллерена С60 авторы статьи приписывают его антиоксидантным свойствам. Однако не исключено, что оно может быть связано со способностью фуллерена С60 взаимодействовать с витамином А [26]. Известно, что ретиноиды (к которым относится и витамин А) играют важную роль в экспрессии ключевых генов иммунной системы, и что локальный синтез ретиноидов, по всей видимости, играет ключевую роль в регуляции эмбриогенеза и регенерации [27, 28].

Читайте также: