<<
>>

Наночастицы на основе углерода — фуллерены


До недавнего времени было известно, что углерод образует 3 ал­лотропных формы: алмаз, графит и карбин. Аллотропия, от греч. al­ios — иной, tropos — поворот, свойство, существование одного и того же элемента в виде различных по свойствам и строению структур.
Начиная с 1990 г., когда два ученых Вольфганг Кретчмер и Дональд Хаффман ( Wolf gang Kraetchmer and Donald Huffman) со своими аспи­рантами опубликовали в журнале Nature статью, в которой описали метод получения фуллеренов испарением графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия, стало известно о четвертой аллотропной форме углерода, названной фуллереном.
В литературе можно встретить термин «наноуглерод» (nanocarbon) для обозначения семейства, состоящего из различных типов фулле­ренов, углеродных нанотрубок, нанографита, наноалмазов. И фул­лерены, и нанотрубки представляют собой полые углеродные капсу­лы. Наиболее популярные и изученные фуллерены из 60 и 70 атомов углерода (С60 и С70) похожи по форме на покрышку традиционного футбольного мяча и мяча для американского футбола, т.е. их форма близка к сферической. Только диаметр этих мячей около 0,7 нано­метров. Нанотрубки по форме цилиндры, причем длина может в ты­сячи раз превышать диаметр, который также около 0,7 нанометров. Поэтому «крышечками» таких цилиндров могут быть «половинки» фуллеренов. Толщина сферической оболочки 0,1 нм, радиус молекулы С60 0,357 нм. Длина связи С—С в пятиугольнике 0,143 нм, в шести­угольнике — 0,139 нм.
Молекулы высших фуллеренов С70 С74, С76, С84, С164, С192, С216 также имеют форму замкнутой поверхности. Фуллерены с п < 60 оказались неустойчивыми.
Химические модификации фуллеренов и их биологическая ак­тивность. Молекулы фуллеренов, в которых атомы углерода связаны между собой как одинарными, так и двойными связями, являются трехмерными аналогами ароматических структур. Обладая высокой электроотрицательностью, они выступают в химических реакциях как сильные окислители. Присоединяя к себе радикалы различной химической природы, фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико­химическими свойствами.
Присоединение к С60 радикалов, содержащих металлы платиновой группы, позволяет получить ферромагнитные материалы на основе фуллерена. В настоящее время известно, что более трети элементов периодической таблицы могут быть помещены внутрь молекулы С60. Имеются сообщения о внедрении атомов лантана, никеля, натрия, калия, рубидия, цезия, атомов редкоземельных элементов, таких как тербий, гадолиний и диспрозий.
Разнообразие физико-химических и структурных свойств соеди­нений на основе фуллеренов позволяет говорить о химии фуллеренов как о новом перспективном направлении органической химии.
Фармакологические свойства фуллеренов и их производных.
Сами по себе углеродные фуллерены как сильные окислители облада­ют цитотоксичностью, связанной с индукцией перекисного окисления липидов. Поэтому для создания фуллеренов с удовлетворительной био­совместимостью необходимы их химические модификации (например, включение гидроксильных или N-этиламино-групп). Маленький раз­мер фуллеренов и возможность присоединения к ним лекарственных средств и других лигандов, придающих им органотропность, делает их весьма привлекательными для разработки нового типа лекарствен­ных средств. Выявлено, что фуллереновое ядро обладает чрезвычайно высокой способностью улавливать свободные радикалы, что делает фуллерены перспективными в аспекте возможного применения при патологиях, связанных с повреждающим действием радикалов (при болезни Паркинсона, Альцгеймера или ишемии тканей). Показано, что фуллерены способны уменьшать апоптоз нейронов, индуцируе­мый радикалами кислорода. Ингибируя уровень радикалов кисло­рода, фуллерены могут оказывать противоаллергический эффект, обнаруженный Ryan et al.
Исследователи экспериментировали с тучными клетками человека и мышей. Эти клетки в больших количествах содержатся в лимфати­ческих узлах, селезенке и костном мозге. При контакте с аллергенами они начинают активно вырабатывать гистамин — биологически ак­тивное вещество, участвующее в запуске аллергической реакции.
Как показали эксперименты, добавление модифицированного фуллерена-60 сокращало продукцию гистамина в колонии клеток приблизительно в 50 раз. Аллергическая чувствительность также значительно сокращалась у подопытных мышей, получавших инъ­екции этого соединения. При этом вопреки опасениям исследователей не было выявлено каких-либо признаков токсичности использовавше­гося в эксперименте наноматериала.
Молекулы фуллерена-60 обладают высоким сродством к электро­нам, а значит, должны активно связывать свободные радикалы, высо­кие уровни которых провоцируют развитие аллергического ответа. Та­ким образом, использование гидроксильных производных фуллеренов открывает новые возможности в борьбе с аллергией, а также, возмож­но, и с целым рядом воспалительных и аутоиммунных заболеваний.
Обсуждается идея создания противораковых препаратов на основе водорастворимых эндоэдральных соединений фуллеренов (это молеку­лы фуллеренов, внутри которых помещен один или более атомов какого- либо элемента) с радиоактивными изотопами или соединениями для нейтронзахватной терапии (гадолиний, бор, висмут). Найдены условия синтеза противовирусных и противораковых препаратов на основе фул­леренов. Одна из трудностей при решении этих проблем — создания водорастворимых нетоксичных соединений фуллеренов, которые могли бы вводиться в организм человека и доставляться кровью в орган, под­лежащий терапевтическому воздействию. Американская компания С-Sixty Inc. проводит предклинические испытания средств на основе фуллереновых наносфер С60 с упорядоченно расположенными на их поверхности химическими группами. Эти группы могут быть подо­браны таким образом, чтобы связываться с заранее выбранными био­логическими мишенями. Спектр возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями, такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболевания­ми, остеопорозом, заболеваниями сосудов. Например, наносфера может содержать внутри атом радиоактивного элемента, а на поверхности — группы, позволяющие ей прикрепиться к раковой клетке.
В Институте экспериментальной медицины (Санкт-Петербург) использовали аддукт фуллерена с поливинилпирролидоном (ПВП). Это соединение хорошо растворимо в воде, а полости в его структу­ре близки по размерам молекулам С60. Полости легко заполняются молекулами фуллерена, и в результате образуется водорастворимый аддукт с высокой антивирусной активностью. Поскольку сам ПВП не обладает антивирусным действием, вся активность приписывается содержащимся в аддукте молекулам С60.
В пересчете на фуллерен его эффективная доза составляет пример­но 5 мкг/мл, что значительно ниже соответствующего показателя для ремантадина (25 мкг/мл), традиционно используемого в борьбе с виру­сом гриппа. В отличие от ремантадина, который наиболее эффективен в ранний период заражения, аддукт С60/ПВП обладает устойчивым действием в течение всего цикла размножения вируса. Другая отличи­тельная особенность сконструированного препарата — его эффектив­ность против вируса гриппа А и В.
<< | >>
Источник: Коллектив авторов. Биохимическая фармакология: Учебное пособие / Под ред. П.В. Сергеева, Н.Л. Шимановского. — М.: ООО «Медицинское информационное агент­ство»,2010. -624 с.: ил.. 2010
Помощь с написанием учебных работ

Еще по теме Наночастицы на основе углерода — фуллерены:

  1. Углерод
  2. 26.5. Отравление окисью углерода
  3. Углерод и жизнь
  4. Интоксикация окисью углерода
  5. Розділ 1. ОСНОВИ НАРКОЗУ
  6. Часть 1. Теоретические основы
  7. Суппозиторные основы
  8. ГЛАВА 1ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕНЕДЖМЕНТА
  9. Глава 1. Основы функциональной анатомии
  10. Розділ 3. ОСНОВИ МЕДИЧНОЇ СТАТИСТИКИ