Как лечит «красивая молекула»?

Г.Крото, Р.Смолли и Р.Керл открыли новую форму углерода в 1985 г. Это открытие вызвало стремительное развитие науки и технологии о свойствах вещества и методах создания объектов в нанометровом масштабе. В 1996 г. его авторы были удостоены Нобелевской премии по химии. Любопытно, что данное открытие было стимулировано обнаружением Крото и Уолтоном углеродных цепочек в холодных красных звездах и межзвездном пространстве.

Букминстерфуллерен С60 (фуллерен) - наиболее распространенный и изученный представитель нового класса молекул с уникальными физико-химическими и биологическими свойствами. Молекула С60 состоит из 60 атомов углерода, расположенных на вершинах правильных пяти- и шестиугольников, образующих симметричную полую сферу диаметром 0,72 нм. Красота этой молекулы влечет к себе исследователей.

Многоатомные молекулы углерода были названы фуллеренами по имени американского архитектора Ричарда Букминстера Фуллера, конструировавшего полусферические конструкции в виде пяти- и шестиугольников, которые навели Крото на мысль о структуре молекулы. Молекулу еще называют букиболом за ее сходство со структурой футбольного мяча.

Фуллерены гидрофобны и практически не растворимы в воде. Это делало невозможным их применение в биологии и медицине. Синтез водорастворимых фуллеренов открыл им путь в биологию. Наиболее перспективным методом получения водорастворимых производных фуллеренов является присоединение к фуллерену полярных групп.

Ф.Вудл и соавт. выполнили пионерское исследование биологической активности производных фуллеренов и показали возможность их применения в медицине в 1993 г. Они получили производное, которое подавляет ВИЧ. В эксперименте и на моделях показано, что фуллерен встраивается в сфероидную полость активного центра протеазы ВИЧ, ключевого фермента роста и размножения вируса, и тормозит его активность.

Е.Накамура получил производное фуллерена, которое при облучении видимым светом приводило к образованию синглетного кислорода (реактивная форма кислорода), расщепляющего ДНК и оказывающего цитотоксическое действие. Эта работа дала начало исследованиям по применению фуллеренов для разработки фотодинамической терапии вирусных, микробных и злокачественных новообразований.

Фуллерены обладают уникальными электроноакцепторными свойствами. Одна молекула фуллерена присоединяет свободные радикалы кислорода, окиси азота и многие другие, она является «губкой» для свободных радикалов. Это вызвало большой интерес к фуллеренам как к эффективным антиоксидантам.

В 1996-1997 гг. вышли работы, в которых показано, что производные фуллеренов с высокой антиоксидантной активностью перспективны для терапии нейродегенеративных заболеваний. На основе фуллеренов разрабатываются антиоксиданты для терапии атеросклероза и ишемии мозга, а также радиопротекторы.

Фуллерены обладают высокой липофильностью, и в силу этого они являются мембранотропными соединениями и могут переносить лекарственные вещества сквозь биологические мембраны.

Многие фундаментальные свойства фуллеренов еще не изучены, но уже в наши дни эти вещества открывают большие возможности для фармакологии. Сохраняя свои фармакодинамические свойства, фуллерены могут доставлять к мишеням химические группы, обладающие специфическим фармакологическим действием. На основе фуллеренов могут быть получены лекарства с различным спектром действия: антиоксиданты, противовирусные, противомикробные, противоопухолевые препараты и контрастирующие вещества.

С.Уилсон, Б.Эрлангер и В.-Х. Чен и соавт. в 1998 г. показали, что производные фуллеренов, конъюгированные с определенным белком, образуют поликлональные антитела. Вскоре были получены моноклональные антитела к фуллеренам и изучена структура участков связывания антител. Эти исследования важны для иммунологии и разработки количественных методов определения фуллеренов в биологических жидкостях и тканях. Развитие таких методов имеет ключевое значение для фармакологии фуллеренов. Однако, по данным С.Андреева и соавт., не на все аминокислотные производные фуллерена образуются антитела. Это подчеркивает ключевую роль химической специфичности производных фуллеренов для получения специфических антител. Недавно получены данные, что фул-лерены оказывают сильное антиаллергическое действие, они тормозят образование антител и выделение гистамина на модели анафилаксии.

С.Иидзима открыл углеродные нанотрубки в 1991 г. Нанотрубки - полые цилиндрические структуры из атомов углерода диаметром 1-2 нм, поверхность которых образована шестиугольниками. Химически модифицированные водорастворимые нанотрубки имеют большие перспективы в биологии и медицине. Фуллерены и нанотрубки представляют интерес для разработки новых химических инструментов для физиологии, биохимии и молекулярной биологии.

С 1993 г. в С.-Петербурге каждые два года проводятся международные конференции «Фуллерены и атомные кластеры», организаторами которых являются Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе и С.-Петербургский институт ядерной физики РАН. В них принимают участие ведущие ученые США, Японии, Европы, Бразилии, Мексики, России, Украины и ряда других стран.

Лекция М.Прато (Италия) была посвящена новым разработкам фуллеренов и нанотрубок для биологических и медицинских исследований. Реакция Прато позволяет присоединить к фуллерену широкий спектр химических групп. Автором в содружестве с рядом лабораторий Франции и Швейцарии на культуре клеток гиппокампа были созданы системы, интегрирующие нанотрубки с нейронами. Результаты показали, что нанотрубки могут электрически стимулировать синапсы нейронных цепей головного мозга. Эта работа дает большой импульс для развития нейронауки и технологий нейронального нанопротезирования.

K.Мацубаяши и соавт. (Япония) сообщили о новом нетоксичном препарате фуллеренов, который защищает кожу человека от цито-токсического действия ультрафиолетового облучения и оказывает антиканцерогенное действие на культуру клеток меланомы человека. Препарат создан на основе комплекса С60 с поливинилпирролидоном (ПВП).

А.Котельников и соавт. (Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка) разработали метод создания новой группы фуллеренов, перспективных для химиотерапии и фотодинамической терапии злокачественных новообразований, сердечно-сосудистых заболеваний, а также контрастирующих веществ для функциональной магнитно-резонансной томографии. С.Андреев и соавт. (НТЦ иммунологии, Москва) показали, что новые производные фуллеренов легко проникают сквозь мембраны эритроцитов и тромбоцитов человека и имеют перспективу как средства доставки вакцин и лекарств к мишеням. Они пришли к заключению, что «чистый», не модифицированный фуллерен не является антигеном.

М.Овчинникова (химический факультет МГУ, Москва) сообщила о новой модификации покрытий полимерных материалов производными фуллерена, которая обладала противомикробным действием на культуре стафилококков и ряда других микроорганизмов.

Открытие фуллеренов и их «сестер» - углеродных нанотрубок может определить развитие многих областей биологии и медицины XXI века. В настоящее время эти исследования находятся в начале пути, и многие вопросы остаются открытыми.

Игорь ПОДОЛЬСКИЙ,
ведущий научный сотрудник
Института теоретической
и экспериментальной
биофизики РАН,
кандидат медицинских наук.
Пущино Московской области.