1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Российские нанотехнологии
  4. T. 17, № 2, 2022

Российские нанотехнологии, 2022, T. 17, № 2, стр. 148-157

Углеродные наночастицы как перспективные нейропротекторы: за и против (Pro et Contra). I. Функционализация и токсичность

О. И. Большакова 1, А. Д. Слободина 1, С. В. Саранцева 1, *

1 Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова НИЦ “Курчатовский институт”
Гатчина, Россия

* E-mail: Sarantseva_SV@nrcki.pnpi.ru

Поступила в редакцию 21.06.2021
После доработки 21.06.2021
Принята к публикации 23.06.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Открытые в течение нескольких последних десятилетий углеродные структуры – фуллерены, эндофуллерены, нанотрубки, наноалмазы и графены, обладая целым рядом уникальных свойств, могли бы стать основой для создания нового класса нейропротекторных лекарств, однако до сих пор этого не произошло, несмотря на годы исследований. В первой части обзора описывается значимость функционализации углеродных наночастиц для их использования в биологии и медицине, а также обсуждаются данные об их токсичности. Во второй части представлены работы российских и зарубежных ученых, демонстрирующие нейропротекторные свойства углеродных наночастиц и возможности применения их в нейробиологии и неврологии; описан успешный опыт таких экспериментов и обозначены существующие проблемы.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Роль функционализации углеродных наночастиц в биосовместимости

2. Токсичность углеродных наночастиц

2.1. Токсичность углеродных наночастиц в исследованиях in vitro

2.2. Токсичность углеродных наночастиц в исследованиях in vivo

Заключение

ВВЕДЕНИЕ

Успехи здравоохранения и быстрое развитие медицинских технологий приводят к парадоксальным последствиям: увеличение продолжительности жизни способствует росту заболеваемости различными нейродегенеративными расстройствами. Болезни Альцгеймера (БА), Паркинсона (БП) и Хантингтона (БХ), боковой амиотрофический склероз и другие тяжелые заболевания нервной системы встречаются все чаще. Они сложны и связаны сo многими факторами, такими как преклонный возраст, влияние окружающей среды, нарушенный иммунитет и в меньшей степени генетическая предрасположенность [1]. При анализе причин, приводящих к развитию БА, были выявлены патогенные факторы, которые могут участвовать в инициации заболевания и осложнять его течение. Активные формы кислорода (АФК), ионы металлов, нарушение процессинга белка предшественника амилоида и аномальная агрегация амилоидного пептида бета (Aβ), а также еще множество факторов предложены в качестве потенциальных [2]. Каждый из них может привести к БА как сам по себе, так и во взаимосвязи с другими. Например, ионы металлов, взаимодействуя с Aβ, стимулируют его агрегацию и накопление [3, 4], что, в свою очередь, может привести к окислительному стрессу (ОС) и в итоге к нейродегенерации [5, 6]. Описанная выше схема является общей и для других нейродегенеративных заболеваний (НЗ). Например, БП характеризуется накоплением и агрегацией α-синуклеина, БХ – мутантного белка хагтингтина с увеличенным числом полиглютаминовых повторов. Оба заболевания, так же как и БА, сопровождаются ОС и нейродегенерацией. В то же время существующие методы лечения имеют ограниченную эффективность, и поиск лекарственных препаратов для терапии НЗ, способных препятствовать агрегации амилоидных белков и ОС, является приоритетным направлением исследований. Использование наноматериалов обещает революционные изменения и в диагностике, и в лечении многих заболеваний. Эти структуры способны взаимодействовать с биологическими системами на молекулярном и надмолекулярном уровнях, могут быть адаптированы для удовлетворения конкретных условий клеток: вызвать в них желательные физиологические реакции или свести к минимуму нежелательные побочные эффекты [7]. Большими перспективами для применения в нейробиологии и неврологии обладают углеродные наночастицы (УНЧ), характеризующиеся уникальными свойствами. Однако необходимо, чтобы они обладали хорошей биосовместимостью, не были токсичными и не откладывались в органах и тканях. Годы исследований не привели к положительному результату, и на основе наночастиц (НЧ) пока не удается создать эффективных лекарств. Причины этого можно искать, в том числе, в отсутствии системных исследований и продуктивного анализа имеющихся на сегодня данных.

1. РОЛЬ ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОЧАСТИЦ В БИОСОВМЕСТИМОСТИ

В интактном состоянии большинство УНЧ обладает низкой биосовместимостью и это препятствует их применению в качестве терапевтических агентов, в частности, в клинической неврологии. Например, использование фуллеренов затруднено их нерастворимостью в воде. Следовательно, необходимы их очистка и химическая модификация, направленные на увеличение их растворимости и снижение токсичности [7]. В настоящее время предложено достаточно много способов получения водорастворимых производных фуллеренов с помощью присоединения к ним различных групп и молекул. Последние обладают большей биосовместимостью, чем нативные фуллерены, и в то же время они не теряют своих уникальных свойств, таких как способность препятствовать агрегации амилоидных белков и антиоксидантная активность. В зависимости от того, какие группы пришиваются к молекуле, можно сформировать на поверхности НЧ различные структуры, от количества и положения которых будут зависеть их поведение в среде и биологическая активность. Так, соединение фуллеренов с биомолекулами может изменить их функции и обеспечить встраивание в мембраны и проникновение в органеллы клеток. Образование супрамолекулярных комплексов фуллеренов с терапевтическими агентами улучшает биодоступность и фармакокинетику последних, способствуя адресной доставке лекарственных веществ [8]. Нерастворимость фуллеренов в воде можно преодолеть путем синтеза водорастворимых комплексов с полимерами [9]. Для этих целей применяют полиэтиленгликоль (ПЭГ), декстран, полиэтиленамин и др. Самым биосовместимым из них считается декстран [10]. Благодаря своим свойствам этот полисахарид легко связывается с различными функциональными группами и обеспечивает комплексу с НЧ нужные физико-химические характеристики [11]. Однако чаще всего используют гидроксилированные фуллерены. При этом не только число, но и различная локализация гидроксильных групп на поверхности кейджа определяет баланс гидрофильных и гидрофобных взаимодействий фуллеренолов между собой и с окружением. Получение индивидуальных биологически активных производных остается сложной задачей, и к настоящему времени синтезировано лишь несколько десятков водорастворимых соединений с индивидуальной структурой. Согласно [12] две фракции фуллеренола, имеющие различный поверхностный электрический заряд и различающиеся процентным содержанием гидроксильных и карбонильных групп, могут по-разному взаимодействовать с актиновыми филаментами в клетке. При этом ни один образец не обладал заметной цитотоксичностью. Большое значение имеет степень агрегирования фуллеренов и их производных в биологических системах [13]. При функционализации поверхности агрегация частиц может быть снижена и это повышает и биосовместимость, и коллоидную стабильность НЧ.

Углеродные нанотрубки (УНТ), так же как и фуллерены, нерастворимы в большинстве органических и водных растворителей. Кроме того, они имеют сильную склонность к агрегации. Для улучшения биосовместимости поверхность УНТ модифицируют [14], и химия поверхности играет очень важную роль при взаимодействии УНТ с клеткой и ее компартментами [15]. Двумя основными методами модификации поверхности нанотрубок являются: нековалентное присоединение к ним амфифильных молекул (липидов, полимеров и др.), позволяющее сохранить ароматическую структуру УНТ без вредного влияния на их электронные характеристики, а также ковалентное модифицирование путем пришивания различных групп непосредственно к углеродному скелету [16]. Функционализированные УНТ могут связывать нуклеиновые кислоты, пептиды, белки, углеводы и др., при этом способность проникать через мембраны клеток в цитоплазму делает их перспективной основой для систем целевой доставки различных веществ [17, 18], а также для визуализации и биосенсирования [19]. Кроме того, химическая модификация УНТ является мощным инструментом для конструирования субстратов, которые могут контролировать рост и морфологию нейрональных клеток [16].

Материалы на основе графена обычно агрегируют в водной среде, содержащей соли, белки или другие ионы, и требуют химической модификации для придания им необходимых свойств. Графен может быть легко функционализирован в растворимый в воде оксид графена (ОГ). Часто используется так называемый восстановленный ОГ, который имеет преимущества перед ОГ и графеном, поскольку обладает проводящими свойствами последнего и в то же время имеет отрицательно заряженные группы ОГ [20]. Добавление ПЭГ к НЧ OГ позволяет дополнительно нековалентно связывать гидрофобные лекарственные средства с помощью π–π-упаковки [21]. Химическую структуру графена можно модифицировать путем присоединения реакционноспособных функциональных групп, таких как амино, карбоксильная, гидроксильная, алкилгалогеновая или азидная группы. На поверхность модифицированного таким способом графена можно конъюгировать пептиды, антитела, контрастные агенты, лекарственные средства. Подобные конъюгаты имеют перспективу при обнаружении метаболических нарушений в мозге [22].

Наноалмазы (НА), синтезированные различными методами (например, детонацией, лазерной абляцией и прочими способами), как и другие УНЧ, имеют тенденцию образовывать агрегаты различных размеров, т.е. обладают низкой коллоидной устойчивостью. Их поверхность покрыта функциональными группами, природа которых зависит от условий и способа синтеза, а также методов очистки [23]. Для использования в биологии и медицине получают НА с высокой коллоидной устойчивостью в дисперсионных средах. В этом случае применяют технологии дополнительной очистки, позволяющие снизить содержание примесей металлов и органических веществ на поверхности [24]. Одним из решений проблемы агрегации НА является модификация их поверхности с помощью окисления в жидких средах или озоне с использованием синглетного кислорода. Чтобы увеличить их диспергирующую способность, детонационные наноалмазы (ДНА) можно функционализировать через карбоксильную группу [25]. Для обеспечения устойчивости дисперсий в воде поверхности монокристаллов алмазов функционализировали с помощью гидрофильных групп [26]. Положительно заряженные гидрированные НА, а также НА, покрытые оболочкой из полимера, способны образовывать комплексы с нуклеиновыми кислотами. В целом результаты медико-биологических исследований свидетельствуют в пользу биосовместимости и малой токсичности НЧ алмаза. Например, в [27] показано, что НА более биосовместимы, чем большинство других углеродных материалов. Химический состав их поверхности дает возможность для конъюгации с биомолекулами, а уникальные оптические, механические и термические свойства делают НА перспективными кандидатами для широкого спектра применений при доставке лекарств [28].

Таким образом, все УНЧ для увеличения биодоступности, биосовместимости и придания им необходимых качеств требуют функционализации (рис. 1). При этом НЧ могут потерять свои первоначальные свойства и стать как менее, так и, наоборот, более токсичными. То есть функционализация НЧ и их свойства тесно связаны между собой.

Рис. 1.

Функционализация углеродных наночастиц. Функционализация УНЧ осуществляется посредством присоединения к ним различных химических групп и молекул. Данные модификации делают УНЧ растворимыми и биосовместимыми, а значит, более пригодными для использования в биологии и медицине.

2. ТОКСИЧНОСТЬ УГЛЕРОДНЫХ НАНОЧАСТИЦ

Оценка токсичности НЧ и различных производных является первостепенной задачей при создании новых лекарств. Взаимодействуя со структурами внутри клетки, НЧ способны оказывать как терапевтическое, так и вредное воздействие. Важен их вклад и в токсичность комплексных препаратов. Кроме того, широкое применение НЧ увеличивает вероятность неблагоприятного воздействия на окружающую среду [29]. Использование ими внутриклеточных путей, не доступных для более крупных частиц, например эндоцитоза, способствует токсичности [30].

2.1. Токсичность углеродных наночастиц в исследованиях in vitro

Имеющиеся в настоящее время данные о токсичности НЧ очень неоднозначны. Это связано с тем, что в исследованиях используются сильно отличающиеся друг от друга препараты, изготовленные различными способами. Кроме того, применяются разные методы оценки и тест-системы. Однако и эти разрозненные, но довольно многочисленные данные позволяют сделать определенные выводы. Например, цитотоксические эффекты фуллеренов связывают с высвобождением АФК, прямым окислением мембраны, ее разрушением, нарушением структуры и функций мембранных белков, продукцией АФК внутри клетки, приводящей к повреждению белков и органелл [31]. Показано, что фуллеренолы и некоторые их производные влияют на гомеостаз клеток, способны блокировать ионные каналы мембран [32]. Однако в последнее время появляется все больше фактов, подтверждающих тезис о том, что сам по себе фуллерен типа С60 является практически безвредным [33–35]. Токсичность препаратов часто связана с несовершенством применяемых для их изготовления методов. В частности, для очистки фуллеренов и получения, например, фуллеренолов используются органические растворители, остатки которых способны сохраняться в структуре фуллеренолов в адсорбированном состоянии или в виде химически связанных с фуллереновым каркасом фрагментов и функциональных групп [29]. Например, в нескольких исследованиях было подтверждено, что увеличение смертности при воздействии C60, диспергированного с тетрагидрофураном, вызвано остаточными продуктами разложения растворителя, а не самим фуллереном [35–38]. Если фуллеренолы получены способом, позволяющим производить особо чистый продукт, они абсолютно безвредны [39]. Есть также мнение, что токсичность фуллеренов и их производных является проявлением характеристик присоединенных функциональных групп [40], и в зависимости от конкретных характеристик биологический эффект меняется от цитопротекторного до цитотоксического [32]. Например, токсичность катионных производных фуллеренов [40, 41] может объясняться их взаимодействием с отрицательно заряженными нуклеиновыми кислотами. При этом карбоксильные производные фуллерена [41] и гидроксифуллерены [42] практически безвредны. В предыдущей главе указано, что самым биосовместимым агентом для функционализации фуллеренов является декстран. Однако в исследовании [29] препарат C6 Dex-C60, содержащий декстран, при использовании нескольких методов оценки продемонстрировал дозозависимый токсический ответ в глиальных клетках. Токсичность растворов фуллеренов может быть связана и с некоторыми их свойствами. Так, в [43, 44] считают, что она коррелирует с размерами кластеров частиц, поскольку разница в размерах и геометрии приводит к различному взаимодействию с биологическими структурами. Считается, что агрегаты меньших размеров более токсичны [43, 45]. Однако при исследовании связи токсичности растворов фуллеренов с их физическими характеристиками в различных условиях, было показано, что основным негативным фактором является не размер кластеров, а использование в качестве растворителя N-метилпирролидона, позволяющего уменьшить агрегаты до 10 нм. При снижении концентрации фуллеренов значительно уменьшались и токсические  эффекты остаточного N-метилпирролидона [13]. Таким образом, для использования в медицине необходимо стандартизировать критерии чистоты препаратов на основе фуллеренов и определить критерии качества [33].

Активно обсуждается возможная токсичность УНТ. Согласно [17, 46–48] важную роль здесь играют геометрия, степень агрегации, функционализация. Гораздо меньшее значение имеет присутствие примесей. Однако показано, что на токсичность УНТ влияет наличие примесей различных металлов (Co, Ni, Fe и редкоземельных элементов), а также графита и аморфного углерода, которые образуются в процессе производства. Например, очистка коммерческих УНТ от примесей железа приводила к снижению образования свободных радикалов [49]. В [50] продемонстрировано, что очищенные УНТ не продуцируют свободные радикалы, а наоборот, снижают активность гидроксильных и супероксидных радикалов. При этом полное удаление примесей может привести и к обратному эффекту за счет увеличения площади поверхности [51] и большой плотности образующихся на ней карбоксильных и гидроксильных групп при кислотной обработке [48, 52]. На основе анализа собранных данных о цитотоксичности различных типов УНТ в отношении разных клеток млекопитающих был сделан вывод, что токсичность часто зависит от дозы препарата [53]. Таким образом, как и в случае с фуллеренами, основными факторами, определяющими цитотоксичность УНТ, являются их гидрофобность, склонность к агрегации и наличие примесей. Немаловажную роль играют конъюгированные с ними функциональные группы и молекулы, адсорбированные на их поверхности [53].

Токсичность наноматериалов на основе графена плохо изучена. Считается, что графен способен преодолевать клеточную мембрану и взаимодействовать и с самой плазматической мембраной, и с органеллами цитоплазмы. Попадая в ядро, он взаимодействует с ДНК, чем создает угрозу как для генома, так и для эпигенома [54]. Считается, что основной механизм токсичности графена связан с генерацией АФК внутри клетки [55]. Трудности в оценке его эффектов возникают из-за различий в морфологии и размерах НЧ. Токсичность может зависеть от заряда, присутствующих функциональных групп, методов синтеза, способа введения, от дозы и времени воздействия, влияют также остаточные загрязнители, и все это является причиной расхождений между данными различных авторов [56]. В обзорах [56, 57] проанализированы исследования о токсичности графена, систематизированные в зависимости от описанных выше параметров, и показана сложная взаимосвязь физико-химических свойств графена и получаемых биологических эффектов. Из приведенных в них данных можно сделать вывод, что токсичность графена мало зависит от времени инкубации с препаратом, но сильно зависит от применяемой дозы, функциональных групп (функционализации), типа клеток и, возможно, размера частиц. Все это необходимо учитывать при создании препаратов на его основе.

В обзоре [58] в числе других УНЧ подробно описана токсичность НА. Из приведенных в работе литературных данных нельзя сделать однозначных выводов. Так, в ряде исследований показано, что НА не токсичны или малотоксичны для различных перевиваемых клеточных культур. В других работах продемонстрировано обратное как для перевиваемых линий, так и для культивируемых клеток крови человека, причем эффекты носят дозозависимый характер. Однако анализ литературы свидетельствует в пользу того, что токсичность НА in vitro или незначительна, или вовсе отсутствует. Приведем здесь лишь некоторые данные. Показано, что НА не оказывали существенного влияния на пролиферацию и дифференциацию клеток, клеточный цикл и экспрессию белков [59]. В других экспериментах НА не были токсичны для клеток Hela в полной среде для культивирования клеток, а их цитотоксичность была связана с отсутствием в ней сыворотки [60]. Похожие результаты были получены в отношении лимфоцитов периферической крови человека и перевиваемых опухолевых линий A549 и HT29, кроме того, продемонстрировано влияние на цитотоксичность очистки и функционализации НА [61]. Для понимания того, как ведут себя частицы внутри клетки, были использованы НА без функционализации поверхности. Показано, что НА локализуются отдельными группами в ранних эндосомах, лизосомах и вблизи плазматической мембраны. Предположительно НА проникают в клетку посредством непрерывного эндоцитоза и, как показал метод сокультивирования, не накапливаются в клетке, а удаляются из нее с помощью экзоцитоза. НА не были идентифицированы в ядре, митохондриях, аппарате Гольджи и не оказывали негативного воздействия [62]. Изучение эффектов НА на уротелиальных клетках также показало их локализацию в эндосомах и отсутствие токсичности [63]. Согласно данным обзора [64] НА обладают низкой токсичностью по отношению к различным видам клеток и не приводят к заметной генерации АФК. Такие же выводы можно сделать из работ [27, 65–67]. Кроме того, НА могут способствовать снижению неблагоприятной реакции на препарат. Например, показано, что НА, допированные Fe, очень мало влияют на живые клетки, несмотря на то, что токсичность Fe общеизвестна [68].

Если рассматривать исследования, в которых продемонстрировано вредное воздействие НА, то существует несколько гипотез, объясняющих этот феномен. Так, при сравнении различных групп НА оказалось, что НА–NH+3 обладают более высокой цитотоксичностью, чем НА–COOH и НА–ПЭГ. Предполагается, что это может быть связано со способностью положительно заряженых частиц легче проходить через клеточную мембрану благодаря свойствам самой мембраны: внутренняя часть ее липидного бислоя гидрофобна и отрицательно заряжена [69]. В то же время НА–NH2 и НА–COOH в отличие от НА–ПЭГ вызывали дозозависимую токсичность, при этом НА с аминогруппой большую, чем НА с карбоксильной группой при одинаковых условиях воздействия [70]. Это свидетельствует в пользу того, что, как и в случае с фуллеренами, биологические свойства НА тесно связаны с характеристиками присоединенных функциональных групп. Возможно, имеет значение и размер частиц (маленькие частицы более токсичны), но несмотря на это, токсичность НА в первую очередь связана с наличием примесей (например, углерода) в образце [71].

Таким образом, токсичность in vitro всех описанных УНЧ связывают с одинаковыми факторами: чистота препарата, доза, размер НЧ и присоединенные функциональные группы (рис. 2). Токсичность на организменном уровне (in vivo) может быть обусловлена дополнительными причинами.

Рис. 2.

Токсичность углеродных наночастиц. Токсичность УНЧ связана с рядом факторов, которые необходимо учитывать, чтобы соотношение риск: польза при их применении в биологии и медицине было оптимальным.

2.2. Токсичность углеродных наночастиц в исследованиях in vivo

Использование НЧ в качестве лекарственных препаратов, компонентов лекарств или диагностических средств подразумевает необходимость учитывать реакцию всего организма и должно предваряться оценкой их влияния на всех этапах воздействия: от первоначального введения до проникновения в эндотелий ткани, в межклеточное пространство и через клеточную мембрану внутрь клетки, в ее компартменты и далее в ядро [72]. Важно, как данный препарат распределяется внутри организма, в каких органах и тканях аккумулируется, как выводится, каким образом реагирует иммунная система, будет ли на него воспалительная реакция и т.д. В этой связи встают задачи оценки прямых и отдаленных последствий введения НЧ in vivo.

В 2012 г. было показано, что фуллерен С60, растворенный в оливковом масле, при пероральном введении крысам (1.7 мг/кг) удваивал продолжительность их жизни [73]. Производные фуллерена демонстрировали очень низкую цитотоксичность, а также низкую острую токсичность у мышей. У одного из этих соединений она была в 4 раза меньше, чем у аспирина и сопоставима с таковой у поваренной соли или сахара [74]. Не было обнаружено вредного воздействия фуллеренов и в работе [75]. Изучение влияния фуллеренолов С60(OH)30, C70(OH)30 и C120(OH)n на Drosophila melanogaster показали, что даже очень высокие дозы препаратов (2 мг/мл) не изменяли продолжительность жизни и поведение мух. В [76] не было обнаружено гистопатологических изменений в органах дыхания крыс при вдыхании частиц С60 разного размера. В ряде исследований показано, что фуллерены и их производные не только не обладают высокой токсичностью in vivo, но и могут иметь некоторые защитные функции [77–80]. Такая реакция организма может быть связана с низким поглощением и эффективным выведением этих частиц из желудочно-кишечного тракта. Например, было продемонстрировано, что водорастворимые производные фуллеренов после внутривенного введения широко распространяются в тканях, детектируются в печени, почках, селезенке и костях, а затем выводятся с мочой или калом [81–83].

Однако сообщение об образовании антител к фуллерену говорит о том, что за введением препарата может последовать иммунная реакция [84]. Есть данные о зависящем от дозы токсическом ответе организма на введенный препарат [85]. Вероятно, на реакцию in vivo, так же как и in vitro, может влиять то, каким способом были изготовлены препараты и каковы их характеристики.

Ответ на введение нанотрубок также может быть различным: если попадающие в организм животных через дыхательные пути НЧ способны вызвать воспалительную реакцию в результате ОС, то перорально введенные в основном выводятся с калом [86]. Имеющиеся в литературе данные по их токсичности неоднозначны. Разница между результатами различных авторов, как и в случае с фуллеренами, может быть связана с тем, что каждый тип нанотрубок следует рассматривать как отдельное вещество с индивидуальной оценкой гигиенических нормативов. В [72] собраны данные об исследовании УНТ in vivo. Они не многочисленны и в большинстве своем связаны с влиянием УНТ на органы дыхания. Как показывает анализ, основная масса работ, демонстрирующих токсичность УНТ, описывает нефункционализированные нанотрубки, попадающие в организм через дыхательные пути. Большой интерес представляет биораспределение НЧ. При исследовании УНТ, меченых радиоактивными изотопами, было показано, что они легко распространяются по органам и тканям мышей, накапливаются в желудке, почках и костях и далее выводятся с мочой и калом. Никаких повреждений тканей не обнаружено [87]. Нанотрубки, функционализированные диэтилентриаминпентауксусной кислотой, после внутривенного введения не задерживались ни в одном из органов ретикулоэндотелиальной системы (печень, селезенка) и быстро выводились из системы кровообращения через почки. Электронно-микроскопический анализ образцов мочи показал, что нанотрубки выделяются в интактном виде [88]. По некоторым данным УНТ не обладают внутренней иммуногенностью [89].

В упомянутых выше обзорах, посвященных наноматериалам на основе графена [56, 57], представлены данные о его токсичности in vivo. Результаты исследований внутривенного введения различных производных графена экспериментальным животным чрезвычайно разнородны. В ряде работ показаны тяжелая легочная тромбоэмболия и снижение веса после воздействия препаратов. Препарат накапливался в селезенке и печени, поступал в легкие, желудок, почки, проходил через гематоэнцефалический барьер. В других случаях патологических изменений отмечено не было. Показана зависимость эффекта от дозы препарата и функциональных групп. При внутрибрюшинном введении в большинстве случаев никаких неблагоприятных последствий не наблюдалось. При пероральном введении самкам наблюдались значительное снижение массы тела и другие изменения у потомства, а также кратковременные нарушения поведения.

Согласно [90, 91] поведение НА in vivo похоже на поведение фуллеренов и нанотрубок. Проблемой может быть их высокая склонность к агрегации в условиях повышенной ионной силы после внутривенного введения. Этот процесс неконтролируем и может влиять на способность проникать в клетки и на их жизнеспособность [26]. В этой связи очень важным представляется использование НА, стабилизированных адсорбцией биосовместимого полимера или поверхностно-активного вещества, способного также сорбировать и десорбировать лекарственные вещества. В то же время результаты изучения биосовместимости НА, проведенные на приматах и крысах, показали, что они хорошо переносятся в клинически значимых дозах. Исследование на крысах длилось две недели и включало в себя гистологический анализ, анализ крови и мочи. Приматов комплексно тестировали 6 мес, анализируя сыворотку крови, мочи, гистологическую картину тканей и учитывая массу тела. В обоих случаях было использовано несколько доз препаратов [92]. С помощью радиоактивной метки (188Re) было проанализировано биораспределение ДНА [90]. НЧ в этом исследовании вводились интрахеально. Оказалось, что большая часть ДНА скапливается в легких, откуда выводится очень медленно. Они попадают в селезенку, печень, кости и сердце и демонстрируют острую токсичность в мышах Kun Ming. Однако согласно [93] НА обладают низкой легочной токсичностью, так как их количество в альвеолах с течением времени уменьшается при участии легочных макрофагов в этом процессе. При нанесении на кожу НА не вызывают аллергических реакций, а в случае подкожных инъекций локализуются в месте укола, образуют кластеры в межклеточных пространствах, при этом деструкции клеток не наблюдалось [94]. Отметим, что метаболизм НА в организме изучен недостаточно, тем не менее уже есть данные об их применении в клинике. В [95] провели рандомизированное исследование восстановления после лечения корневых каналов, сравнивая материал (полимер) без НА и с НА. Из отчета следует, что при использовании НА наблюдались заживление поражения, уменьшение послеоперационной боли и отсутствие повторного инфицирования. Через 3 и 6 мес побочных эффектов не наблюдалось.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из анализа многочисленных данных о токсичности УНЧ можно сделать вывод: реакция клетки или организма на их введение может быть очень разной и в настоящее время еще нет достаточного понимания связи физико-химических свойств исследуемых материалов с биологическими процессами. Кроме того, отсутствует надлежащий контроль качества во время процессов синтеза. Вместе с тем понятно, что чистота синтезируемых УНЧ и их правильная функционализация играют первостепенную роль на пути к созданию на их основе лекарственных препаратов.

Список литературы

  1. Mayeux R. // Annu. Rev. Neurosci. 2003. V. 26. № 1. P. 81. https://doi.org/10.1146/annurev.neuro.26.043002.094919

  2. Armstrong R.A. // Folia Neuropathol. 2019. V. 57. № 2. P. 87. https://doi.org/10.5114/fn.2019.85929

  3. Lee M., Kim J.I., Na S., Eom K. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2018. V. 20. № 13. P. 8951. https://doi.org/10.1039/C7CP05072K

  4. Istrate A.N., Kozin S.A., Zhokhov S.S. et al. // Sci. Rep. 2016. V. 6. № 1. P. 21734. https://doi.org/10.1038/srep21734

  5. Cheignon C., Tomas M., Bonnefont-Rousselot D. et al. // Redox Biol. 2018. V. 14. P. 450. https://doi.org/10.1016/j.redox.2017.10.014

  6. Liu Y., Nguyen M., Robert A., Meunier B. // Acc. Chem. Res. 2019. V. 52. № 7. P. 2026. https://doi.org/10.1021/acs.accounts.9b00248

  7. Gilmore J.L., Yi X., Quan L., Kabanov A.V. // J. Neuroimmune Pharmacol. 2008. V. 3. № 2. P. 83. https://doi.org/10.1007/s11481-007-9099-6

  8. Пиотровский Л.Б., Литасова Е.В., Думпис М.А. и др. // Докл. РАН. 2016. Т. 468. № 1. С. 108. https://doi.org/10.7868/S0869565216130259

  9. Пиотровский Л.Б., Киселев О.И. Фуллерены в биологии. С.-Пб.: Росток, 2006. 336 с.

  10. Gamarra L.F., Brito G.E.S., Pontuschka W.M. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 2005. V. 289. P. 439. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2004.11.123

  11. Sun G., Mao J.J. // Nanomed. 2012. V. 7. № 11. P. 1771. https://doi.org/10.2217/nnm.12.149

  12. Jin J., Dong Y., Wang Y. et al. // J. Biomed. Nanotechnol. 2016. V. 12. № 6. P. 1234. https://doi.org/10.1166/jbn.2016.2251

  13. Kyzyma O.A., Avdeev M.V., Bolshakova O.I. et al. // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 483. P. 69. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.03.167

  14. Bianco A., Kostarelos K., Prato M. // Chem. Commun. 2011. V. 47. № 37. P. 10182. https://doi.org/10.1039/c1cc13011k

  15. Lee Y., Geckeler K.E. // Adv. Mater. 2010. V. 22. № 36. P. 4076. https://doi.org/10.1002/adma.201000746

  16. John A.A., Subramanian A.P., Vellayappan M.V. et al. // Int. J. Nanomed. 2015. V. 10. P. 4267. https://doi.org/10.2147/IJN.S83777

  17. Митрофанова И.В., Мильто И.В., Суходоло И.В., Васюков Г.Ю. // Бюллетень Сибирской Медицины. 2014. Т. 13. № 1. С. 135. https://doi.org/10.20538/1682-0363-2014-1-135-144

  18. Negri V., Pacheco-Torres J., Calle D., López-Larrubia P. // Top. Curr. Chem. 2020. V. 378. № 1. P. 15. https://doi.org/10.1007/s41061-019-0278-8

  19. Mann F.A., Horlebein J., Meyer N.F. et al. // Chem. Eur. J. 2018. V. 24. № 47. P. 12241. https://doi.org/10.1002/chem.201800993

  20. Carneiro P., Morais S., Pereira M.C. // Nanomater. Basel. Switz. 2019. V. 9. № 12. P. 1663. https://doi.org/10.3390/nano9121663

  21. Liu Z., Robinson J.T., Sun X., Dai H. // J. Am. Chem. Soc. 2008. V. 130. № 33. P. 10876. https://doi.org/10.1021/ja803688x

  22. Biju V. // Chem. Soc. Rev. 2014. V. 43. № 3. P. 744. https://doi.org/10.1039/c3cs60273g

  23. Кулакова И.И. // ФТТ. 2004. Т. 46. № 4. С. 621. https://doi.org/10.1134/1.1711440

  24. http://www.nanonewsnet.ru/blog/nikst/detonatsionnye-nanoalmazy-ispolzovanie-v-oblasti-meditsiny-biologii

  25. Lim D., Kim K., Lim S. et al. // Int. J. Nanomed. 2016. V. 11. P. 2381. https://doi.org/10.2147/IJN.S104859

  26. Пиотровский Л.Б., Николаев Д.Н., Шендерова О.А. // Детонационные наноалмазы. Технология, структура, свойства и применения / Под ред. Вуля А.Я., Шендеровой О.А. С.-Пб.: ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 2016. С. 317.

  27. Schrand A.M., Huang H., Carlson C. et al. // J. Phys. Chem. B. 2007. V. 111. № 1. P. 2. https://doi.org/10.1021/jp066387v

  28. Namdar R., Nafisi S. // Drug Discov. Today. 2018. V. 23. № 5. P. 1152. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2018.04.006

  29. Biby T.E., Prajitha N., Ashtami J. et al. // Brain Res. Bull. 2020. V. 155. P. 191. Doi: https://doi.org/10.1016/j.brainresbull.2019.11.014

  30. Hubbs A.F., Sargent L.M., Porter D.W. et al. // Toxicol. Pathol. 2013. V. 41. № 2. P. 395. https://doi.org/10.1177/0192623312467403

  31. Zhang Q., Cui Y., Gu C., Zhang C. // Sci. Total. Environ. 2020. V. 728. P. 138754. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138754

  32. Орлова М.А., Трофимова Т.П., Орлов А.П. и др. // Онкогематология. 2013. Т. 8. № 1. С. 65. https://doi.org/10.17650/1818-8346-2013-8-1-65-71

  33. Keykhosravi S., Rietveld I.B., Couto D. et al. // Materials. 2019. V. 12. № 16. P. 2571. https://doi.org/10.3390/ma12162571

  34. Aschberger K., Johnston H.J., Stone V. et al. // Regul. Toxicol. Pharmacol. 2010. V. 58. № 3. P. 455. https://doi.org/10.1016/j.yrtph.2010.08.017

  35. Spohn P., Hirsch C., Hasler F. et al. // Environ. Pollut. 2009. V. 157. № 4. P. 1134. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2008.08.013

  36. Oberdörster E. // Environ. Health. Perspect. 2004. V. 112. № 10. P. 1058. https://doi.org/10.1289/ehp.7021

  37. Henry T.B., Menn F-M., Fleming J.T. et al. // Environ. Health. Perspect. 2007. V. 115. № 7. P. 1059. https://doi.org/10.1289/ehp.9757

  38. Yang S., Mulet X., Gengenbach T. et al. // Colloids Surf. Physicochem. Eng. Asp. 2017. V. 514. P. 21. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2016.11.021

  39. Bolshakova O., Borisenkova A., Suyasova M. et al. // Mater. Sci. Eng. C. 2019. V. 104. P. 109945. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.109945

  40. Kolosnjaj J., Szwarc H., Moussa F. // Adv. Exp. Med. Biol. 2007. V. 620. P. 168. https://doi.org/10.1007/978-0-387-76713-0_13

  41. Bosi S., Feruglio L., Da Ros T. et al. // J. Med. Chem. 2004. V. 47. № 27. P. 6711. https://doi.org/10.1021/jm0497489

  42. Monteiro-Riviere N.A., Linder K.E., Inman A.O. et al. // J. Toxicol. Environ. Health. A. 2012. V. 75. № 7. P. 367. https://doi.org/10.1080/15287394.2012.670894

  43. Song M., Yuan S., Yin J. et al. // Environ. Sci. Technol. 2012. V. 46. № 6. P. 3457. https://doi.org/10.1021/es2039008

  44. Guichard Y., Fontana C., Chavinier E. et al. // Toxicol. Ind. Health. 2016. V. 32. № 9. P. 1639. https://doi.org/10.1177/0748233715572562

  45. Lyon D.Y., Adams L.K., Falkner J.C., Alvarezt P.J.J. // Environ. Sci. Technol. 2006. V. 40. № 14. P. 4360. https://doi.org/10.1021/es0603655

  46. Harik V.M. // Toxicol. Lett. 2017. V. 273. P. 69. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2017.03.016

  47. Alshehri R., Ilyas A.M., Hasan A. et al. // J. Med. Chem. 2016. V. 59. № 18. P. 8149. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.5b01770

  48. Magrez A., Kasas S., Salicio V. et al. // Nano Lett. 2006. V. 6. № 6. P. 1121. https://doi.org/10.1021/nl060162e

  49. Pulskamp K., Diabaté S., Krug H.F. // Toxicol. Lett. 2007. V. 168. № 1. P. 58. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2006.11.001

  50. Fenoglio I., Tomatis M., Lison D. et al. // Free Radic Biol. Med. 2006. V. 40. № 7. P. 1227. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2005.11.010

  51. Tian F., Cui D., Schwarz H. et al. // Toxicol. Vitro Int. J. Publ. Assoc. BIBRA. 2006. V. 20. № 7. P. 1202. https://doi.org/10.1016/j.tiv.2006.03.008

  52. Jos A., Pichardo S., Puerto M. et al. // Toxicol. Vitro Int. J. Publ. Assoc. BIBRA. 2009. V. 23. № 8. P. 1491. https://doi.org/10.1016/j.tiv.2009.07.001

  53. Lee Y., Geckeler K.E. // Adv Mater. 2010. V. 22. № 36. P. 4076. https://doi.org/10.1002/adma.201000746

  54. Dasmahapatra A.K., Dasari T.P.S., Tchounwou P.B. // Rev. Environ. Contam. Toxicol. 2018. V. 247. P. 1. https://doi.org/10.1007/398_2018_15

  55. Li Y., Liu Y., Fu Y. et al. // Biomaterials. 2012. V. 33. № 2. P. 402. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2011.09.091

  56. Liao C., Li Y., Tjong S. // Int. J. Mol. Sci. 2018. V. 19. № 11. P. 3564. https://doi.org/10.3390/ijms19113564

  57. Lalwani G., D’Agati M., Khan A.M., Sitharaman B. // Adv. Drug Deliv. Rev. 2016. V. 105. P. 109. https://doi.org/10.1016/j.addr.2016.04.028

  58. Raja I.S., Song S.-J., Kang M.S. et al. // Nanomaterials. 2019. V. 9. № 9. P. 1214. https://doi.org/10.3390/nano9091214

  59. Zhu Y., Li J., Li W. et al. // Theranostics. 2012. V. 2. № 3. P. 302. https://doi.org/10.7150/thno.3627

  60. Li J., Zhu Y., Li W. et al. // Biomaterials. 2010. V. 31. № 32. P. 8410. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2010.07.058

  61. Adach K., Fijalkowski M., Gajek G. et al. // Chem. Biol. Interact. 2016. V. 254. P. 156. https://doi.org/10.1016/j.cbi.2016.06.004

  62. Prabhakar N., Khan M.H., Peurla M. et al. // ACS Omega. 2017. V. 2. № 6. P. 2689. https://doi.org/10.1021/acsomega.7b00339

  63. Zupančič D., Kreft M.E., Grdadolnik M. et al. // Protoplasma. 2018. V. 255. № 1. P. 419. https://doi.org/10.1007/s00709-017-1146-4

  64. Chauhan S., Jain N., Nagaich U. // J. Pharm. Anal. 2020. V. 10. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.jpha.2019.09.003

  65. Liu K.K., Cheng C.L., Chang C.C., Chao J.I. // Nanotechnology. 2007. V. 18. № 32. P. 325102. https://doi.org/10.1088/0957-4484/18/32/325102

  66. Schrand A.M., Dai L., Schlager J.J. et al. // Diam. Relat. Mater. 2007. V. 16. № 12. P. 2118. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2007.07.020

  67. Yu S.J., Kang M.W., Chang H.C. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2005. V. 127. № 50. P. 17604. https://doi.org/10.1021/ja0567081

  68. Lin B.R., Chen C.H., Kunuku S. et al. // Sci. Rep. 2018. V. 8. № 1. P. 7058. https://doi.org/10.1038/s41598-018-25380-1

  69. Zhang Y., Zhang W., Fedutik Y. et al. // J. Nanosci. Nanotechnol. 2019. V. 19. № 9. P. 5426. https://doi.org/10.1166/jnn.2019.16545

  70. Zhang H., Zhang L., Li Z. et al. // J. Nanosci. Nanotechnol. 2018. V. 18. № 2. P. 815. https://doi.org/10.1166/jnn.2018.13949

  71. Keremidarska M., Ganeva A., Mitev D. et al. // Biotechnol. Biotechnol. Equip. 2014. V. 28. № 4. P. 733. https://doi.org/10.1080/13102818.2014.947704

  72. Lacerda L., Bianco A., Prato M., Kostarelos K. // Adv. Drug Deliv. Rev. 2006. V. 58. № 14. P. 1460. https://doi.org/10.1016/j.addr.2006.09.015

  73. Baati T., Bourasset F., Gharbi N. et al. // Biomaterials. 2012. V. 33. № 19. P. 4936. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2012.03.036

  74. Bobylev A.G., Kraevaya O.A., Bobyleva L.G. et al. // Colloids Surf. B. 2019. V. 183. P. 110426. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2019.110426

  75. Гендриксон О.Д., Жердев А.В., Гмошинский И.В., Дзантиев Б.Б. // Российские нанотехнологии. 2014. Т. 9. № 11. С. 5.

  76. Baker G.L., Gupta A., Clark M.L. et al. // Toxicol. Sci. J. Soc. Toxicol. 2008. V. 101. № 1. P. 122. https://doi.org/10.1093/toxsci/kfm243

  77. Halenova T.I., Vareniuk I.M., Roslova N.M. et al. // RSC Adv. 2016. V. 6. № 102. P. 100046. https://doi.org/10.1039/C6RA20291H

  78. Vereshchaka I.V., Bulgakova N.V., Maznychenko A.V. et al. // Front. Physiol. 2018. V. 9. P. 517. https://doi.org/10.3389/fphys.2018.00517

  79. Gharbi N., Pressac M., Hadchouel M. et al. // Nano Lett. 2005. V. 5. № 12. P. 2578. https://doi.org/10.1021/nl051866b

  80. Gonchar O.O., Maznychenko A.V., Bulgakova N.V. et al. // Oxid. Med. Cell. Longev. 2018. V. 2018. № 4. P. 1. https://doi.org/10.1155/2018/2518676

  81. Cagle D.W., Kennel S.J., Mirzadeh S. et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. 1999. V. 96. № 9. P. 5182. https://doi.org/10.1073/pnas.96.9.5182

  82. Qingnuan L., Yan X., Xiaodong Z. et al. // Nucl. Med. Biol. 2002. V. 29. № 6. P. 707. https://doi.org/10.1016/s0969-8051(02)00313-x

  83. Yamago S., Tokuyama H., Nakamura E. et al. // Chem. Biol. 1995. V. 2. № 6. P. 385. https://doi.org/10.1016/1074-5521(95)90219-8

  84. Hendrickson O., Fedyunina N., Zherdev A. et al. // Analyst. 2012. V. 137. № 1. P. 98. https://doi.org/10.1039/c1an15745k

  85. Prylutska S.V., Grebinyk A.G., Lynchak O.V. et al. // Fuller. Nanotub. Carbon Nanostructures. 2019. V. 27. № 9. P. 715. https://doi.org/10.1080/1536383X.2019.1634055

  86. Świdwińska-Gajewska A., Czerczak S. // Med. Pr. 2017. V. 68. № 2. P. 259. https://doi.org/10.13075/mp.5893.00504

  87. Wang H., Wang J., Deng X. et al. // J. Nanosci. Nanotechnol. 2004. V. 4. № 8. P. 1019. https://doi.org/10.1166/jnn.2004.146

  88. Singh R., Pantarotto D., Lacerda L. et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. 2006. V. 103. № 9. P. 3357. https://doi.org/10.1073/pnas.0509009103

  89. Pantarotto D., Partidos C.D., Hoebeke J. et al. // Chem. Biol. 2003. V. 10. № 10. P. 961. https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2003.09.011

  90. Yuan Y., Chen Y., Liu J.-H. et al. // Diam. Relat. Mater. 2009. V. 18. № 1. P. 95. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2008.10.031

  91. Xu J.Y., Li Q.N., Li J.G. et al. // Carbon. 2007. V. 45. № 9. P. 1865. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2007.04.030

  92. Moore L., Yang J., Lan T.T.H. et al. // ACS Nano. 2016. V. 10. № 8. P. 7385. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b00839

  93. Yuan Y., Wang X., Jia G. et al. // Diam. Relat. Mater. 2010. V. 19. № 4. P. 291. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2009.11.022

  94. Say J.M., van Vreden C., Reilly D.J. et al. // Biophys. Rev. 2011. V. 3. № 4. P. 171. https://doi.org/10.1007/s12551-011-0056-5

  95. Lee D.K., Kee T., Liang Z. et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. 2017. V. 114. № 45. P. E944. https://doi.org/10.1073/pnas.1711924114

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Российские нанотехнологии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал