Фуллерены что это такое применение в медицине

Перспективы применения фуллерена С60 в медицине

Алхимия «волшебной сажи»

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].

Казалось бы, куда еще расширять этот список, но недавно он пополнился еще одним, пожалуй, самым удивительным и непонятным, качеством фуллерена С60. При исследовании токсичности фуллерена С60, растворенного в оливковом масле, французские исследователи выяснили, что крысы, регулярно получающие раствор фуллерена С60, живут дольше, чем те, которым давали просто оливковое масло или обычную диету [24]. (Краткий пересказ можно прочитать в статье «Оливковое масло с фуллеренами – эликсир молодости?» – ВМ.)

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

При этом продолжительность жизни увеличивалась не на какие-нибудь 20-30%, как в опытах с лучшими из «лекарств от старости» (такими как ресвератрол или рапамицин), а не менее чем в два раза [24]! Половина животных, получавших фуллерен, жили до 60 месяцев (самая старая крыса дожила до 5,5 лет). При этом в контрольной группе (с обычной диетой) продолжительность жизни 50% животных составляла 30 месяцев, а самые старые дожили лишь до 37 месяцев. Животные, получавшие оливковое масло без фуллерена, жили немного больше – 50% из них доживали до 40 месяцев, а самая старая крыса дожила до 58 месяцев.

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].

К сожалению, эти опыты были поставлены на небольших группах животных и потому требуют тщательной проверки. Учитывая тот факт, что очищенный фуллерен С60, производимый в России, стоит всего около 1800 рублей за грамм, повторить эти опыты, уточнить дозировки и продолжительность «лечения» не так уж и сложно. Сложнее другое. Будет ли эта «терапия старости» так же эффективна для человека? Ведь люди – не крысы, и есть десятки примеров того, что препарат, очень эффективно действующий в экспериментах на мышах, оказывался совершенно бесполезным (если не вредным!), когда испытания переходили в клинику. Что ж – время покажет. Интересно было бы также сопоставить активность фуллерена С60 по продлению жизни с его многочисленными водорастворимыми аналогами, синтезированными в России в самое последнее время.

Написано по материалам оригинальной статьи [24].

Источник

Роль фуллеренов в терапии болезней органов дыхания

Ширинкин С.В., Чурносов М.И, Карапетян Т.А.

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.

309340. Белгородская область, п. Борисовка, пер. Мирный 8-19

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].

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].

Способность фуллеренов и их производных инактивировать свободные радикалы кислорода была описана в 1991 г., когда Krustic at al. в журнале «Science» характеризовали фуллерен С₆₀ как «губку, впитывающую свободные радикалы» [37,69]. Действительно, одна молекула фуллерена C₆₀ способна присоединять 34 метильных радикала. Антиоксидантная эффективность фуллеренов зависит от числа активных центров и расстояния между активными центрами и атомами-мишенями. Фуллерены способны эффективно захватывать и инактивировать как супероксиданион — радикал, так и гидроксильные радикалы in vivo и in vitro [35,70,71,72,73]. Кроме того, большинство фуллереновых соединений проявляет адъювантную активность, т. е. стимулирует IgG-ответ на совместное введение производного фуллерена с антигеном в физиологическом растворе. При этом не обнаружено продукции специфических IgE-антител в ответ на введение конъюгатов фуллерена, а так же установлено, что употребление воды, содержащей водорастворимые соединения фуллеренов, приводит к снижению уровня гистамина в крови [1], а ее ингаляционное введение вызывает бронходилятацию [74].

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.

Анализ литературы позволяет говорить о важном месте фуллеренов в терапии ИЗНОД, однако включение их в программы лечения данной патологии требует решения еще многих задач, таких как: определение зависимости доза-ответ, кратность введения, длительность лечения и ряда других. Исследования, направленные на получение ответов по этим вопросам помогут разработать новое направление в лечение ИЗНОД.

Источник

Фуллерены: неожиданные биологические свойства углеродных наночастиц

Может ли протон проникнуть внутрь углеродной сферы? Этот вопрос стал «краеугольным камнем» новой гипотезы.

Автор

Редакторы

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Поиск соединений, способных продлить жизнь и отодвинуть старость — одна из самых актуальных задач современной науки. Сообщение о том, что исследователям из Франции удалось добиться почти двукратного увеличения продолжительности жизни экспериментальных животных при помощи фуллеренов (наночастиц углеродной природы), заставило ученых задуматься над молекулярными механизмами подобного эффекта. Эта статья повествует о компьютерном моделировании возможных механизмов биологической активности фуллеренов и о первых попытках подтвердить полученные модели в биологических экспериментах.

Конкурс «био/мол/текст»-2013

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2013 в номинации «Своя работа».

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

Мячи для нанофутболистов

Фуллерены — это довольно необычный класс молекул, представляющих собой одну из форм существования углерода (так называемых аллотропных модификаций). Всем известные алмаз и графит — тоже не что иное, как разные аллотропные формы углерода, однако в структуре алмаза атомы углерода собраны в тетраэдры, графит состоит из плоских слоев, образованных шестиугольниками, ну а фуллерены — это шарообразные молекулы с замкнутой поверхностью. Самый простой из фуллеренов содержит 60 атомов углерода и удивительным образом напоминает по своей структуре футбольный мяч: его поверхность образована чередующимися пяти- и шестиугольниками, причем размер этого «мяча» составляет всего 1 нм (нанометр).

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

Открытие фуллеренов — один из ярких примеров прогностической мощи науки: еще в 70-е годы XX века были сделаны теоретические квантово-химические расчеты, предсказывающие существование подобных молекул, однако лишь в 1985 году их впервые обнаружили при исследовании паров графита после его лазерного облучения [1]. Позднее фуллерены были найдены и в природных минералах — особняком здесь стоит такой камень, как шунгит [2]. А недавно выяснилось, что эти углеродные «шарики» встречаются даже в космических туманностях [3].

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

В 2012 году увидела свет публикация, которая привлекла внимание геронтологов — специалистов, работающих над проблемами старения. В этой работе Тарек Баати и соавторы [6] продемонстрировали впечатляющие результаты — крысы, которых кормили суспензией фуллеренов в оливковом масле, жили вдвое дольше обычных, и, к тому же, демонстрировали повышенную устойчивость к действию токсических факторов (таких как четыреххлористый углерод). Токсичность этого соединения обусловлена его способностью генерировать активные формы кислорода (АФК) [7], а значит, биологические эффекты фуллеренов, скорее всего, можно объяснить их антиоксидантными свойствами (способностью «перехватывать» и дезактивировать АФК).

Связь активных форм кислорода с процессами, происходящими при старении, в настоящее время уже практически не подвергается сомнению. С 60-х годов ХХ века, когда была сформулирована свободнорадикальная теория старения [9], и до настоящего времени объем данных, подтверждающих такую точку зрения, только накапливается. Однако до сих пор ни один антиоксидант — ни природный, ни синтетический — не давал столь поразительного увеличения продолжительности жизни экспериментальных животных, как в опытах Баати и коллег. Даже специально сконструированные коллективом под руководством академика Скулачева антиоксиданты «адресного действия» — так называемые «ионы Скулачева», или соединения ряда SkQ, — демонстрировали менее значительные эффекты [10].

Эти вещества представляют собой липофильные положительно заряженные молекулы с присоединенным антиоксидантным «хвостом», которые благодаря своей структуре способны накапливаться в митохондриях (именно в этих органоидах эукариотических клеток происходит генерация активных форм кислорода). Однако соединения ряда SkQ продлевали жизнь подопытных мышей в среднем всего на 30%.

Рисунок 2. Продление жизни подопытных мышей. Слева — мышь, старение которой замедлено благодаря приему «ионов Скулачева», справа — мышь из контрольной группы.

Почему же фуллерены оказались столь эффективными в борьбе со старением?

Задавшись этим вопросом, мы стали рассматривать возможность существования дополнительного механизма биологического действия фуллеренов — кроме уже известного антиоксидантного. Подсказка обнаружилась при изучении одного из соединений ряда SkQ—SkQR1, содержащего остаток родамина. Это соединение относится к группе протонофоров — молекул, способных переносить протоны из межмембранного пространства через мембрану в матрикс митохондрии, снижая, таким образом, трансмембранный потенциал (Δψ). Как известно, именно этот потенциал, существующий благодаря разнице в содержании протонов по разные стороны мембраны, и обеспечивает выработку энергии в клетке. Однако он же и является источником генерации АФК. В сущности, активные формы кислорода здесь сродни «токсическим отходам» при производстве энергии. Хотя они имеют и ряд полезных функций [12], в основном АФК — источник повреждения ДНК, липидов и многих внутриклеточных структур.

Есть сведения, что некоторое снижение митохондриального трансмембранного потенциала может быть полезным для клеток [13]. Снижение его всего на 10% приводит к уменьшению продукции АФК в 10 раз [14]! Существуют так называемые «мягкие разобщители», повышающие протонную проводимость мембран, в результате чего происходит «разобщение» дыхания и фосфорилирования АТФ [15].

Пожалуй, самый известный «разобщитель» — DNF, или 2,4-динитрофенол (рис. 3а и 3б). В 30-е годы ХХ века им очень активно пользовались при лечении ожирения. Собственно, динитрофенол — первый «жиросжигатель», использовавшийся в официальной медицине. Под его действием клетка переключается на альтернативный путь метаболизма, запуская «сжигание» жиров, а получаемая клеткой энергия не запасается в АТФ, как обычно, а излучается в виде тепла.

Рисунок 3а. Схема строения митохондрии

Рисунок 3б. Перенос протонов органическими кислотами — «мягкими разобщителями» (слева) — и динитрофенол — самый известный из «разобщителей» (справа)

Поиск легких способов похудения будет актуален всегда, пока представители Homo Sapiens будут беспокоиться о своем внешнем виде; однако для нашего исследования более интересен тот факт, что подобные «мягкие разобщители» снижают выработку АФК и в небольших дозах могут способствовать продлению жизни [16].

Возникает вопрос — а могут ли фуллерены, кроме антиоксидантных свойств, проявлять еще и свойства «переносчиков» протонов, действуя, таким образом, сразу с двух сторон? Ведь шарообразная молекула фуллерена — полая изнутри, а значит, в ней вполне могут уместиться небольшие частицы — такие как протоны.

Моделирование in silico: что сделали физики

Для проверки этой гипотезы коллективом НОЦ «Наноразмерная структура вещества» были выполнены сложные расчеты. Как и в истории с открытием фуллерена, в нашем исследовании компьютерное моделирование предшествовало экспериментам. Моделирование возможности проникновения протона в фуллерен и распределения заряда в такой системе производилось на основе теории функционала плотности (DFT). Это широко используемый инструмент квантово-химических расчетов, позволяющий вычислять свойства молекул с высокой точностью.

При моделировании один или несколько протонов помещали вне фуллерена, а затем производился расчет наиболее оптимальной конфигурации — такой, при которой полная энергия системы будет минимальной. Результаты расчетов показали: протоны могут проникать внутрь фуллерена! Оказалось, внутри молекулы C₆₀ может накапливаться до шести протонов одновременно, а вот седьмой и последующие уже не смогут проникнуть внутрь и будут отталкиваться — дело в том, что «заряженный» протонами фуллерен приобретает положительный заряд (а, как известно, одноименно заряженные частицы отталкиваются).

Происходит это потому, что проникающие внутрь фуллеренового «шарика» протоны оттягивают на себя электронные облака атомов углерода, что приводит к перераспределению заряда в системе «протоны+фуллерен». Чем больше протонов проникает внутрь, тем сильнее положительный заряд на поверхности фуллерена, тогда как протоны, напротив, все сильнее приближаются к нейтральным значениям. Эту закономерность можно проследить и на рисунке 4: когда количество протонов внутри сферы превышает 4, они становятся нейтральными (желто-оранжевый цвет), ну а поверхность фуллерена всё сильнее «синеет».

Рисунок 4. Распределение положительного заряда внутри системы «фуллерен+протоны». Слева направо: два, четыре или шесть протонов внутри фуллерена. Цветом обозначено распределение заряда: от нейтрального (красный) до слабоположительного (синий).

Вначале расчеты были выполнены только в системе «фуллерен+протоны» (без учета влияния других молекул). Но ведь в клетке фуллерен находится не в вакууме, а в водной среде, заполненной множеством соединений разной степени сложности. Поэтому на следующем этапе моделирования физики добавили к системе 47 молекул воды, окружающих фуллерен, и проверили, не повлияет ли их присутствие на взаимодействие с протонами. Однако и в присутствии воды модель действовала успешно.

Биологи подтверждают гипотезу?

Известие о том, что фуллерены могут адсорбировать протоны, да еще и приобретают при этом положительный заряд, вдохновило биологов. Похоже, что эти уникальные молекулы и вправду действуют сразу несколькими путями: инактивируют активные формы кислорода (в частности, гидроксильные радикалы, присоединяя их по многочисленным двойным связям [17]), адресно накапливаются в митохондриях благодаря своим липофильным свойствам [18] и приобретенному положительному заряду, и, вдобавок ко всему, снижают трансмембранный потенциал, перенося протоны внутрь митохондрий, подобно другим «мягким разобщителям» дыхания и окислительного фосфорилирования.

Для изучения антиоксидантных свойств фуллеренов мы использовали систему экспресс-тестов на основе биолюминесцентных бактериальных биосенсоров. Биосенсоры в данном случае — генетически-модифицированные бактерии, способные улавливать повышение внутриклеточной генерации АФК и «сигнализировать» об этом исследователям. При создании биосенсоров в генóм одного из безвредных штаммов кишечной палочки Escherichia coli вводится искусственная конструкция, состоящая из генов люминесценции (свечения), поставленных под контроль специфических промоторов — регуляторных элементов, «включающихся» при повышении внутриклеточной генерации активных форм кислорода, или же при действии иных стресс-факторов — например, при повреждении ДНК. Стоит начать действовать на клетку таким стресс-фактором — бактерия начинает светиться, и по уровню этого свечения можно с достаточной точностью определить уровень повреждений.

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].

В нашем случае использование именно бактериальной модели обусловлено следующим: бактерии, как известно, относятся к прокариотам, и клетки их устроены проще, чем эукариотические. Процессы, происходящие в мембране митохондрий эукариот, у прокариот реализуются прямо в клеточной мембране; в этом смысле бактерии — «сами себе митохондрии». (Удивительное сходство строения этих органелл с бактериями даже послужило в свое время основой для так называемой симбиотической теории происхождения эукариот [24].) Следовательно, для изучения процессов, происходящих в митохондриях, подобная модель вполне подходит.

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.

Кроме того, было зафиксировано снижение уровня спонтанной продукции супероксид-анион-радикала в клетках SoxS-lux штамма при добавлении суспензии C₆₀. Особенностью этого штамма как раз и является связь уровня его свечения с количеством супероксид-анион-радикала. Именно такого эффекта следует ожидать от соединения, действующего по принципу «мягких разобщителей» — если снижается трансмембранный потенциал, то и АФК (в частности, супероксид) будут вырабатываться в меньших количествах.

Полученные результаты, конечно, весьма предварительны, и работы еще продолжаются, именно поэтому в подзаголовке данного раздела и стоит вопросительный знак. Время покажет, сможем ли мы со временем заменить его на уверенный восклицательный. Ясно одно — в ближайшее время фуллерены неизбежно окажутся в фокусе внимания научных коллективов, изучающих проблемы старения и занимающихся поиском геропротекторов — веществ, замедляющих старение. И кто знает, не станут ли эти крохотные «шарики» надеждой на продление столь короткой пока человеческой жизни?

Работа проводилась в лаборатории экспериментального мутагенеза и лаборатории промышленных микроорганизмов НИИ биологии ЮФУ, а также в НОЦ «Наноразмерная структура вещества», ЮФУ, под руководством проф. А.В. Солдатова. Основные результаты моделирования системы «фуллерен+протоны» и биологические эффекты описаны, соответственно, в работах [25], [26].

Источник