ТОКСИКОЛОГО-ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МОДИФИЦИРОВАННОГО ФУЛЛЕРЕНОЛА С60/С70(ОН)40
О фуллеренах
Полезные свойства активированного угля сложно переоценить поэтому он является обязательным составляющим любой аптечки. Он незаменим при оказании первой медицинской помощи в случаях острых отравлений и ещё при многих болезнях.
Технология производства активированного угля не стоит на месте и быстро развивается. Было известно, что чем меньше частицы углерода применяемого для активации, тем большая поверхность доступна для использования и тем выше его сорбционные и лечебные свойства.
Казалось, что об элементарном углероде известно если не всё то практически все. Ранее были подробно исследованы три его модификации – алмаз, графит и карбин (рис.1)
Химики были убеждены, что все варианты построения устойчивых модификаций углерода исчерпаны. Это три структуры бесконечной протяженности, имеющие сетчатое (алмаз), слоистое (графит) и линейное (карбин) строение.
Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Соседние атомы связаны между собой ковалентными связями (sp3-гибридизация).
Такая структура определяет свойства алмаза как самого твердого вещества, известного на Земле.
Атомы углерода в кристаллической структуре графита связаны между собой прочными ковалентными связями (sp2-гибридизация ) и формируют шестиугольные кольца, образующие, в свою очередь, прочную и стабильную сетку, похожую на пчелиные соты. Сетки располагаются друг над другом слоями, слабо связанными между собой. Такая структура определяет специфические свойства графита: низкую твёрдость и способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки.
Карбин конденсируется в виде белого углеродного осадка на поверхности при облучении пирографита лазерным пучком света. Кристаллическая форма карбина состоит из параллельно ориентированных цепочек углеродных атомов с sp-гибридизацией валентных электронов в виде прямолинейных макромолекул полиинового ( -С= С-С= С-...) или кумуленового (=С=С=С=...) типов.
Известны и другие формы углерода, такие как аморфный углерод, белый углерод (чаоит) и т.д. Но все эти формы являются композитами, то есть смесью малых фрагментов графита и алмаза.
Открытие фуллерена буквально ошеломило химиков. Новая модификация углерода – фуллерен – отличается от них прежде всего тем, что это индивидуальные конечные молекулы, имеющие замкнутую сферическую форму. Фуллерен, в отличие от известных ранее трех форм углерода, растворим в органических растворителях (бензол, гексан, сероуглерод). Из растворов фуллерен кристаллизуется в виде мелких темно-коричневых кристаллов. К сожалению, для рентгеноструктурного анализа они не пригодны, т. к. из-за сферической формы молекул их структура разупорядочена (рис.2)
К настоящему времени общее количество публикаций, связанных с изучением фуллеренов и их производных, превысило 25 тыс. Фуллерен был причислен одновременно как к неорганическим материалам в качестве новой аллотропной модификации углерода, так и к миру органической химии, поскольку в химических превращениях он проявлял многие свойства непредельных углеводородов. Молекула С60 содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических соединений. Поэтому следует признать, что молекула фуллерена является органической молекулой, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит) – это молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органическим и неорганическим веществом.
Однако его влияние на процессы, происходящие в организме человека, далеко не полностью изучено. Каждый день медицина открывает новые способы применения адсорбентов, в частности изготовленных на основе фуллеренов. Эти препараты мало доступны и крайне дороги. Они безвредны и почти не имеют побочных эффектов, их использование разрешается без предварительной консультации врача.
Предполагаемая токсичность фуллеренов
Одно время в мире широко обсуждалась токсичность фуллеренов. Главным обсуждением служила статья В. Колвина c сотрудниками из университета Райса и E. Обердостера из университета Далласа. По их наблюдениям, у рыб, которые плавали в воде с добавками фуллеренов, происходили отрицательные изменения в мозге, а клетки человеческой кожи человека при контакте с раствором и вовсе погибали. В качестве «токсичного» фуллерена в этих работах применялись водные дисперсии nano-C60 (nC60, THF/nC60), приготовленные по одной и той же методике, в которой, в качестве промежуточного растворителя, использовался токсичный тетрагидрофуран (ТГФ, THF).
Харьковские ученые же более десяти лет работали с водными растворами фуллеренола и не замечали их вредного влияния, в том числе на кожу. Они предположили на 8-й Международной конференции «Фуллерены и атомные кластеры», которая состоялась в 2007 году в Санкт-Петербурге, а затем их вывод был подтвержден самими американцами, что ошибка последних заключалась в методе приготовления водного раствора фуллеренов. Американцы использовали тетрагидрофуран (ТГФ). Стандартные манипуляции с подобной дисперсией, с целью избавиться от ТГФ, не приводят к желаемому результату, а газо-хроматографический анализ всегда обнаруживает ТГФ и продукты его деградации, которые являются неотъемлемыми и превалирующими компонентами частиц nano-C60. И именно ТГФ и продукты его окислительной модификации и последующей их полимеризации обуславливают отрицательные биологические эффекты частиц nano-C60.
Попадая в живой организм, раствор чистого полигидроксилированного фуллерена заставляет избыточные свободные радикалы, в частности агрессивные формы кислорода и продукты окисления биомолекул, самоуничтожаться. При этом он не затрагивает того минимума свободных радикалов, который жизненно важен для нормального функционирования наших биологических систем. Другими словами, он только регулирует их количество и тем самым дает организму возможность мобилизовать собственные защитные функции для противостояния различным болезням.
Таким образом, молекула фуллерена не токсична и не может быть более токсична, чем уголь, графит, алмаз или обычный песок. Токсичными могут быть как химические производные фуллеренов (что определяется свойствами химических групп, пришитых к фуллереновому кору) так и наночастицы в виде кристалл сольватов (или клатратов) молекул фуллеренов с другими токсичными молекулами.
Использование фуллеренов в медицине
Группа специалистов из двух исследовательских организаций штата Вирджиния VCUHS (Virginia Commonwealth University Health System) и Luna Innovations предложили использовать для лечения аллергии химические свойства фуллеренов. Учёные обратили внимание на «умение» фуллерена взаимодействовать со свободными радикалами - химическими молекулами, имеющими неспаренные электроны. Так, фуллерен C60 легко присоединяет свободные радикалы, чем и нейтрализует их. Ряд предыдущих исследований показал, что такая особенность фуллеренов может использоваться для защиты нервных клеток от разрушающего действия свободных радикалов. Этот факт очень заинтересовал иммунолога Кристофера Кепли (Christopher L. Kepley) из VCUHS, и он вместе с коллегами решил провести исследование этих особенностей для лечения аллергии. Для этого доктор пригласил к сотрудничеству специалистов из Luna Innovations - фирмы, занимающейся исследованиями в сфере нанотехнологий.
Благодаря усилиям этой компании был создан полигидроксилированный фуллерен - фуллеренол С60(ОН)24. Такой фуллерен имел дополнительные функциональные группы ОН-, повышающие растворимость этих частиц в воде. Затем учёные внедрили эти модифицированныефуллерены испытуемым в так называемые тучные клетки - клетки соединительной ткани, играющие большую роль в воспалительных процессах при аллергии. После этого испытуемых подвергли действию аллергенов. Оказалось, что у испытуемых сила аллергической реакции резко уменьшилась. Причиной тому - уменьшение выброса гистамина (вещества, вызывающего патологические реакции при аллергии) в 50 раз, а также ослабление действия трёх десятков других веществ аналогичного действия. По данным Кепли, это происходит из-за связывания растворёнными фуллеренами свободных радикалов, возникающих при аллергии.
Не так давно японские ученые сообщали, что нашли лекарство против рака на основе фуллеренов. В то же время, работы в этом направлении активно ведут и в России, зачастую опережающие зарубежные. В частности, группа ученых из Казани и Черноголовки опубликовала статью, в которой сообщают о синтезе новых производных фуллеренов с фармакофорными группами. В работе приведены данные о синтезе, рентгеноструктурном анализе и биологической активности этих веществ. В ходе исследования было впервые установлено, что нитроксидные метанофуллерены проявляют в комбинации с препаратом циклофосфамид противораковую активность против лейкемии, хотя введение этих веществ по отдельности в тех же дозах положительного эффекта не дает.
В качестве примера можно привести работы, проведенные в лабораториях НИИ экспериментальной диагностики и терапии Российского научного онкологического центра, которыми руководит профессор Буренин. Рост опухолей на 30-70% замедлялся, продлевая жизнь больным.
В 1994 году учёные под руководством Григория Владимировича Андриевского разработали технологию, позволившую «встраивать» молекулы углерода С60 в сферические водные кластеры. Располагаясь в центре сферы гидратной оболочки, молекула Фуллеренола удерживает молекулы Н2О. Молекулы воды вокруг молекулы фуллеренола имеют одинаковый изотопный состав. Водород имеет два стабильных изотопа: протий 1H и дейтерий 2H, кислород - три изотопа: 16O, 17O и 18O. Молекула 1H216O является самой лёгкой из совокупности всех вариантов. Воду, состоящую из таких молекул, называют «лёгкой» или протиевой водой. Именно такая вода формирует водный кластер вокруг фуллеренола. С другими молекулами воды молекула фуллеренола кластеры не образует. Фуллереновая вода способствует насыщению организма «лёгкой» водой и вымыванию молекул «тяжёлой» воды.
Клинические испытания
На протяжении восемнадцати лет проводились исследования фуллереновой воды в научных центрах Украины, России, США, Франции, Германии, Венгрии и Турции. Результаты исследований были достаточно удивительны. Чистейшая вода с сверхмалой дозой фуллеренола, проявляла широкую медико-биологическую активность, лабораторные животные получали 10-12 капель этой воды, люди –2-3 столовых ложки. Положительное влияние на организм оказывали природные кластеры воды, стабилизированные молекулами фуллерена.
В процессе клинических испытаний подтверждены факты, выявленные в ходе доклинических испытаний, и установлено, что водный раствор полигидроксилированного фуллерена – Фуллеренол, полностью лишен какого-либо вредного влияния, в т.ч. токсического, на организм человека.
Выраженные клинические свойства:
1. Фуллеренол обладает выраженным иммунотропным эффектом, отсутствием токсического влияния на систему кроветворения.
2. Проявляет стимулирующее влияние на функцию макрофагов.
3. Проявляет потенцирующее действие на восстановление функционального состояния гепатоцитов.
4. Проявляет «разумную» и долговременную антиоксидантную активность за счет регуляции уровня свободных радикалов в очаге воспаления, а также активирует собственные, эндогенные антиоксидантные системы организма.
5. Обеспечивает повышение метаболического потенциала организма.
6. Обладает мощными регенераторными, ранозаживляющими и бактерицидными свойствами, что способствует ускорению процессов грануляций и рубцевания язвенных процессов у больных.
7. Противовоспалительные и регенераторные свойства Фуллеренола, проявляются в кооперации иммунных, метаболических и микроциркуляторных реакций организма, направленных на заживление дуоденальных язв.
8. Обеспечивает оптимизацию механизмов нейро-вегетативной регуляции секреторной функции желудка, а включение его в комплексное лечение больных язвенной болезнью двенадцатиперстной кишки способствует восстановлению кислотообразующей функции желудка.
9. Способствует нормализации показателей клинического анализа крови у больных язвенной болезнью двенадцатиперстной кишки, что связано с выраженным противовоспалительным эффектом лечения и отсутствием токсического влияния препарата.
10. Способствует более быстрому уменьшению астеновегетативного, диспептического, абдоминальноболевого синдромов.
11. Обеспечивает эффективную гуморальную иммунную защиту, что связано как с завершением аутоиммунных реакций, так и восстановлением естественных барьерных свойств слизистой оболочки кишечника. Последний эффект взаимосвязан с восстановлением дренажных свойств слизистой на уровне гликокаликса мембран клеток ЖКТ.
12. Повышает активность пролиферативных процессов на фоне снижения аутоиммунной агрессии и улучшает распознавание собственных антигенных детерминант организма больных.
13. Обладает выраженной антимикробной активностью в отношении H.pylori, повышает чувствительность H.pylori к традиционному медикаментозному лечению.
14. Изменение уровня иммуноглобулинов связано с элиминацией H. pylori, уменьшением воспалительных явлений и нормализацией процессов распознавания собственных антигенов. То есть фуллеренол способствует восстановлению идентификации клеток по типу «свой – чужой» и торможению аутоиммунной реакции «реципиент против хозяина».
15. Применение фуллеренола положительно влияет на функции гепатоцитов, восстановление белкового, липидного, ферментного обменов, улучшает метаболические и окислительно-восстановительные процессы в организме, снижает воспалительные и фиброзирующие процессы в печени.
16. Фуллеренол способен разрушать защитные структурные барьеры патогенных микроорганизмов и способствует активизации фагоцитарной реакции и тем самым способствует - лекарственной резистентности возбудителей заболеваний человека.
17. В 2-3 раза ускоряет сроки выздоровления при использовании традиционных схем лечения.