Рождающий жизнь
Углерод – один из самых необычных элементов. Ни один другой элемент не обладает тем разнообразием свойств, иногда прямо противоположных, которое присуще углероду. Это эталон прозрачности и абсолютно черное тело; диа- и парамагнетик; диэлектрик и металл; полупроводник и полуметалл; сверхтвердый и сверхмягкий материал; теплоизолятор и один из лучших проводников тепла. Многообразию углеродных структур обязаны своим существованием и жизнь на Земле, и мир синтетической органической химии, насчитывающей в своем арсенале многие миллионы соединений. А теперь на основе углерода создают наноструктуры, например фуллерены - замкнутые сферические наноструктуры. Ученые из отдела нейрофармакологии НИИЭМ СЗО РАМН и НИИ гриппа МЗСР показали, что фуллерены обладают свойствами убивать вирусы, а также играют роль антиоксиданта. Правда, они могут проявлять и прямо противоположные свойства в зависимости от ряда условий. За это их назвали двуликим Янусом. Но у Януса есть и третий лик: фуллерены обладают ярко выраженной способностью изменять свойства мембран - то, что называется мембранотропным
Кольца и цепи
Такое многообразие связано со способностью атомов углерода соединяться друг с другом, образуя цепи или кольца. Д. И. Менделеев в «Основах химии» писал: «Вам никогда не приходилось задумываться о причинах резкого «водораздела» свойств, который проходит во втором коротком периоде таблицы элементов по линии, отделяющей углерод от следующего за ним азота? Азот, кислород, фтор при обычных условиях газообразны. Углерод – в любой форме – твердое тело».
Менделеев объяснял это полимерным строением молекул углерода: «Если бы углерод образовывал молекулу С2, как и О2, то был бы газом…Способность атомов угля соединяться между собой и давать сложные молекулы проявляется во всех углеродистых соединениях... Ни в одном из элементов такая способность к усложнению не развита в такой мере, как в углероде. Поныне нет основания для определения меры полимеризации угольной, графитной, алмазной молекулы, только можно думать, что в них содержится Cn, где n есть большая величина».
Считается, что в природе углерод существует в трех макроскопических аллотропных [*] формах – это алмаз, графит и аморфный углерод. Однако это справедливо только в макромире. На уровне наноразмеров углерод способен образовывать множество наноструктур, большинство которых также возникло благодаря способности цепочки атомов углерода замыкаться в кольца. Наиболее термодинамически стабильные кольца, образованные атомами углерод в sp2-гибридизации – это пяти-, шести- и семичленные кольца (пентагоны, гексагоны и гептагоны, соответственно). Именно из них и построены большинство наноструктур углерода, за исключением наноалмазов, в которых атомы углерода имеют sp3-гибридизацию.
А теперь о НАНО
Открытие наноструктур углерода, сыграло важную роль в формировании общей концепции наночастиц [1]. Согласно определению нанонауки и нанотехнологий, данному в докладе Royal Societies [2], важную роль в проявлении особых свойства наноразмерных материалов играет увеличение числа атомов, находящихся на поверхности, свойства которых отличаются от свойств тех же атомов, находящихся в однородном объеме. С этой точки зрения наноструктуры углерода представляют собой истинные идеальные наночастицы, так как в них 100% атомов находятся на поверхности.
«Простейшая» углеродная наноструктура, построенная из конденсированных гексагонов – это графен (рис.1А), представляющий собой один слой многослойного графита. Но если хотя бы один из гексагонов заменить на пентагон или гексагон, то поверхность начинает искривляться. В первом случае образуется коническая структура, во втором – седлообразная (рис.1Б и 1В) [3].
А Б В
Рис.1. Графен (А), коническая (Б) и седлообразная (В) структуры, образуемые атомами углерода. (Красным цветом отмечены атомы углерода, входящие в состав пентагона и гептагона)
Появление в структуре нескольких конденсированных пентагонов приводит к еще большему искривлению структуры, образованию наноконов и нанохорнов (рис.2)
А Б В
Рис.2. Искривление структуры углеродного монослоя при увеличении числа конденсированных пентагонов в вершине (А, Б. В - 2, 3 и 4 пентагона, соответственно. Красным цветом отмечены атомы углерода, образующие пентагоны).
Если же лист графен свернуть в трубу, то получается однослойная нанотрубка (рис.3). Нанотрубки могут быть и многослойными – несколько однослойных трубок вставлены одна в другую.
Рис.3. Однослойная и многослойные углеродные нанотрубки.
Если же наноструктура образована 12 пентагонами и гексагонами, то получается замкнутая сферическая структура, в которой всеми атомы углерода связаны только с атомами углерода. Эти структуры, размеры которых зависят от числа гексагонов, называются фуллеренами (рис.4).
Рис.4. Фуллерены С60 и С80.
Знаменитые фуллерены
Фуллерены уникальны даже среди других уникальных наноструктур углерода. Во-первых, это единственная молекулярная форма углерода, а, во-вторых, они, в отличие от всех других форм, принципиально представляют собой чистый углерод, так как в этих структурах, в отличие от других структур углерода, в том числе и наноструктур, у поверхностных атомов нет «свободных» валентностей [Пиотровский, Киселев]. Из всех фуллеренов наиболее доступен и, соответственно, наиболее изучен фуллерен С60, состоящий из 12 пентагонов и 20 гексагонов.
История открытия этих фуллеренов интересна сама по себе и весьма поучительна. Она подробно и увлекательно изложена в книгах [4,5]. Последние авторы рассматривают историю исследований, приведших к открытию фуллеренов, как исключительно удачный пример первостепенной роли серендипити в науке (serendipity – способность случайно совершать желаемые открытия). Однако не только случаем определяются научные открытия. Большую роль играет не только удача, но и способность выйти за рамки существующих представлений. Фуллерены (и другие углеродные наноструктуры, в частности нанотрубки) ученые получали и ранее. Но – смотрели, и не видели, держали в руках, и не поняли. И лишь Г. Крото, Р. Смолли и Р. Керл набрались смелости на основании не очень полных, но убедительных данных предложить принципиально новую структуру молекулы. За что и получили Нобелевскую премию.
Практически все наноструктуры в той или иной степени исследовались на применимость в биологии, при этом были получены и некоторые обнадеживающие результаты. Но наиболее исследованными являются фуллерены, в первую очередь фуллерен С60, и нанотрубки, как одно- так многослойные.
Сотрудники отдела нейрофармакологии НИИЭМ СЗО РАМН и НИИ гриппа СЗО РАМН включились в исследования биологической активности фуллеренов еще в 1995 году, когда «фуллереновая лихорадка» уже заразила многих ученых различных специальностей.
У всех фуллеренов, в том числе и у фуллерена С60, есть одно «неприятное» свойство, осложняющее изучение биологической активности. А заключается оно в том, что фуллерен практически не растворим в воде и других полярных растворителях, которые можно использовать в биологических исследованиях.
Поэтому на сегодняшний день разработано несколько форм введения фуллеренов в контакт с биологическими объектами. Из них можно назвать кристаллическую форму, мицеллярные коллоидные растворы, называемые наноС60, комплексы включения с органическими веществами и полимерами (С60/γ-циклодекстрин, С60/поливинилпирролидон и др.).
Есть еще один метод перевода «фуллереновой» клетки в полярную фазу – это синтез его водорастворимых производных. Однако здесь исследователей подстерегают серьезные опасности. Во многих исследованиях допускается серьезная ошибка – сравниваются между собой свойства незамещенного фуллерена и его функционализированных производных. Но достаточно тривиально, что введение заместителя в любое соединение приводит к изменению его свойств. Мы же не сравниваем свойства бензола и, например, бензойной кислоты, понимая, что это различные соединения, причем в последнем случае заместитель играет решающую роль в проявлении биологической активности. Но почему-то считается возможным делать это в случае производных фуллерена. В биологии, а тем более в дизайне лекарственных веществ, известно множество примеров, когда резкое изменение биологических свойств (вплоть до обращения эффекта) вызывается незначительным изменением структуры. Следовательно, на наш взгляд, функционализированные производные фуллерена представляют собой несомненно интересный и важный, но отдельный класс органических соединений.
На свету и в темноте
Мы же в течение нескольких лет проводили изучение биологических свойств самого незамещенного (нефункционализированного) фуллерена С60 с использованием различных форм введения его в контакт с биологическими объектами.
На первых порах фуллерены рассматривались нами как аналоги каркасных соединений, однако достаточно быстро убедились, что они не аналоги, что они – сами по себе. В частности, комплекс включения фуллерена С60 с поливинилпирролидоном (комплекс С60/ПВП) ингибирует вирус гриппа, причем его действие эффективнее ремантадина, производного адамантана. Однако, во-первых, этот комплекс действует и ремантадин-нечувствительные штаммы вируса гриппа. Во-вторых, в отличие от ремантадина, ингибирующего ранние стадии цикла репликации вируса, комплекс С60/ПВП проявлял активность независимо от стадии. Эти данные свидетельствует, что, несмотря на близкие размеры (диаметр молекулы С60 равен 0.7 нм, диаметр молекулы адамантана – 0.5 нм), и высокую липофильность этих молекул, механизмы их противовирусного действия различаются.
Более детальный анализ показал, что комплекс С60/ПВП влияет на мембранозависимые стадии сборки вирусных частиц. Это свидетельствует о том, что молекулы фуллерена С60 способны действовать в биологических системах по мембранотропному механизму.
Считалось, что фуллерен С60 в биологических системах может выступать как двуликий Янус – с одной стороны при освещении он способен проявлять свойства окислителя - прооксиданта, с другой – в темноте он выступает в роли высокоактивного антиоксиданта из-за способности «улавливать» свободные радикалы. Первое действие определяется фотодинамической активностью молекулы (опосредованное способностью превращать обычный триплетный кислород в синглетный, один из наиболее сильных окислителей). Второе - электронодефицитностью той же молекулы, высокой способностью присоединять свободные радикалы (антиоксидантное действие). Способность же изолированных молекул фуллерена действовать по мембранотропному механизму позволяет говорить не о «двуликости», а о «трехликости» этой молекулы в биологических системах.
Однако это относится только к тем случаям, когда в биологической системе молекулы фуллерена находятся в дезагрегированном состоянии, в виде отдельных молекул. А этого добиться бывает трудно. Практически это возможно только при использовании таких комплексов включения, как комплексы С60/ПВП или С60/γ-циклодекстрин.
В этом и заключается одна из проблем работы не только с фуллеренами, но и с другими наноструктурами углерода. Эти структуры обладают высочайшей склонностью к агрегации. А агрегировав, они ведут себя уже как наночастицы, т.е. свойства и проявляемые ими эффекты, в частности биологические, зависят от размера частиц.
Например, на поверхности, покрытой фуллереном, хорошо растут различные клеточные культуры. Но освещение этой поверхности приводит к гибели клеток, т.е. в данном случае поверхность, покрытая фуллереном, проявляет свойства фотосенситизатора. Однако если в клеточную культуру внести фуллерен в виде комплекса С60/ПВП, то фуллерен, с одной стороны, не влияет на рост клеток, но начинает защищать их от ультрафиолетового облучения.
Комплекс С60/ПВП обладает также и вирулицидным действием, т.е вызывает в бесклеточной системе повреждения вирусных частиц. Причем это действие не зависит от наличия или отсутствия освещения. Вирулицидным действием обладает также и миццелярная коллоидная суспензия наноС60, однако ее действие проявляется только при освещении.
Опасен ли фуллерен?
Существует миф о токсичности фуллерена для живых организмов. Но вызван он публикацией одной, не корректно выполненной статьи. Надо отметить, что сами авторы этой статьи впоследствии признали свою ошибку. Но речь здесь не об этом.
Наноструктуры углерода в целом, и фуллерены в частности, просто не обладают токсическим потенциалом, так как не могут вступать ни в какие биохимические реакции или ингибировать какие-либо ферменты. И в первую очередь «благодаря» своей нерастворимости в воде. Косвенным доказательством отсутствия у них токсичности является и то, что они существуют и в окружающем нас мире. В частности, фуллерены и нанотрубки найдены, пусть в небольших количествах, в продуктах сгорания дерева и газа. Таким образом, человечество сталкивалось с ним давно, но никогда никакого вреда от них не ощущало. И если что-то и случалось неприятное, то в результате ингаляционного воздействия, про которое известно, что основным «поражающим» фактором при ингаляционном воздействии нано- или микро частиц является их размер, а не состав.
Тем не менее, в отделе нейрофармакологии НИИЭМ СЗО РАМН было проведено исследование безвредности комплекса С60/ПВП in vivo на мышах и крысах (внутрибрюшинно). Исследования проводились на основании нормативных документов по предклиническому изучению новых препаратов и, в частности «Методических рекомендаций по выявлению наноматериалов, представляющих потенциальную опасность для здоровья человека». Результаты показали, что длительное в/б введение (14 и 30 дней) как ПВП, так и комплекса С60/ПВП в больших дозах (350 и 700 мг/кг) не оказывало никакого негативного влияния на животных. Более того, фуллерен С60 в комплексе с ПВП не просто не токсичен, но препятствует проявлению незначительных токсических эффектов больших доз самого ПВП.
Токсичность есть крайнее проявление биологической активности, приводящее к гибели биологического объекта. Следовательно, механизмы проявления токсичности данным веществом есть суть механизма его биологической активности. Как было сказано выше, в случае фуллеренов в основе их биологической активности лежат, в первую очередь, три свойства этих молекул – липофильность, определяющая мембранотропные свойства, электронодефицитность, приводящая к способности взаимодействовать со свободными радикалами, и способность фуллерена в возбужденном состоянии передавать энергию молекуле обычного кислорода и превращать его в синглетный кислород. Способность фуллерена проявлять те или иные свойства, приводящие к воздействию на биологические объекты, зависит как от условий биологического эксперимента, так и от способа его введения, а точнее от степени диспергированности молекул фуллерена. Поведенные нами исследования позволяют сделать вывод об отсутствии у фуллерена С60 (в виде комплекса С60/ПВП) токсического действия invivo, что делает в частности этот комплекс перспективным соединением для применения его в биологии и медицине.
Рекомендуемая литература
Вуль А.Я., Соколов В. И. 2007. Исследования наноуглерода в России: от фуллеренов к нанотрубкам и наноалмазам. Российские нанотехнологии. 3 (3-4): 9-22.
Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties. The Royal Society & The Royal Academy of Engineering, Nanoscience and nanotechnologies. July 2004.
Ebbesen T., Cones and tubes: geometry in the chemistry of carbon. Acc. Chem. Res., 1998, v.31, p.558-566.
Кац Е. А. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры (Родословная форм и идей) ЛКИ, М., 2008, 294 с.
Смит В., Бочков А., Кейпл Р. Органический синтез. Наука и искусство. Мир, М., 2001.
Пиотровский Л. Б., Киселев О. И. Фуллерены в биологии. Росток, СПб, 2006,
[*] Аллотропия - это существование, по крайней мере, двух форм одного и того же элемента в твердом кристаллическом состоянии, отличающихся пространственным расположением атомов.
