Углеродные наноструктуры: яд или эликсир?

Токсикологи Лос-Аламосской национальной лаборатории (Los Alamos National Laboratory) и междисциплинарная группа исследователей документально подтвердили потенциальный вред, наносимый живым клеткам фуллеренами – углеродными наноструктурами, имеющими форму футбольного мяча и состоящими из 60 атомов углерода.

Ученые однако отметили, что именно этот опасный эффект может превратиться в надежду для пациентов с болезнями Альцгеймера, Паркинсона и даже раком.

Исследование ученых из Лос-Аламоса недавно опубликовано в Toxicology and Applied Pharmacology и представляет собой первое такого рода наблюдение для сферических фуллеренов, известных также как «бакиболлз» и получивших свое название от имени покойного Бакминстера Фуллера (Buckminster Fuller), так как их форма напоминает геодезические купола – популяризируемую им архитектурную концепцию.

Инженерные углеродные наночастицы, к которым относятся и фуллерены, находят все большее применение. Ежегодно в мире производится от 4 до 5 тонн углеродных наночастиц. Каждый фуллерен – клетка из атомов углерода размером с вирус. Они имеют большой потенциал в области создания прочных и легких конструкций, а также лекарственных препаратов и мельчайших механизмов для их доставки.

«Наноматериалы – это революция XXI века», - говорит токсиколог из Лос-Аламосской национальной лаборатории Раши Иер (Rashi Iyer), руководитель проведенного исследования и автор статьи. «Нам приходится жить с ними и применять их, в связи с чем возникает вопрос: как мы можем извлечь максимальную пользу из их использования и в то же время свести к минимуму их отрицательное влияние на нас и окружающую среду?».

Иер и Юн Гао (Jun Gao), также из Лос-Аламосской национальной лаборатории, подвергли культуру клеток кожи человека воздействию нескольких определенных типов фуллеренов. Различия типов заключались в пространственной организации коротких цепочек молекул, прикрепленных к основной структуре фуллерена. Одна из разновидностей фуллеренов, называемая tris-конфигурацией, имела три молекулярных веточки, находящихся на одной полусфере фуллерена. Другая разновидность – hexa-конфигурация – имела шесть почти симметрично расположенных боковых структур. Последним типом были простые фуллерены.

Ученые обнаружили, что клетки, подвергшиеся воздействию tris-конфигурации, проявляли признаки преждевременного старения – что может быть описано как состояние анабиоза. Другими словами, такие клетки не умирали, как нормальные, но и не делились и не росли. Такая задержка естественного жизненного цикла клетки после воздействия tris-конфигурацией фуллеренов может поставить под угрозу нормальное развитие органа, приводя к болезням живого организма. В целом, tris-конфигурация оказалась токсичной для клеток кожи человека.

Кроме того, клетки, подвергшиеся воздействию tris-конфигурации, показали уникальный уровень молекулярного ответа, что означает, что tris-конфигурация может препятствовать нормальному иммунному ответу, вызываемому вирусами. Сейчас ученые проверяют, проявляют ли такие клетки повышенную восприимчивость к вирусным инфекциям.

По иронии судьбы, это открытие может привести к новой стратегии лечения нескольких серьезных заболеваний. Например, при болезнях Альцгеймера и Паркинсона нервные клетки умирают или дегенерируют до нефункционального состояния. Механизм, способный вызвать старение в определенных нервных клетках, может задержать или остановить начало заболевания. Подобным же образом можно бороться с такими заболеваниями как рак, распространяющимися благодаря бесконтрольному размножению раковых клеток. Такая стратегия может остановить их деление и предоставить врачам дополнительное время для уничтожения аномальных клеток.

Так как наночастицы отличаются минимальными размерами, основной связанной с ними опасностью считается их потенциальное вдыхание – по аналогии с воздействием асбеста.

«Уже с токсикологической точки зрения это исследование является полезным, так как оно показывает, что если у вас есть выбор – использовать tris- или hexa-конфигурацию фуллеренов – hexa-конфигурация, вероятно, будет лучшим выбором», - говорит Иер. «Такие исследования могут стать руководством к разработке и проектированию новых материалов».

Все эти результаты явились следствием исследования, проводимого с целью изучения взаимодействия фуллеренов и биологических мембран. Лос-Аламосская национальная лаборатория приняла активное участие в инициировании программы, целью которой являлось обеспечение безопасности ее работников, занимающихся разработкой высоко функциональных и обладающих низким воздействием на биологические объекты наноматериалов, имеющих значение для национальной безопасности.

Ученые Лос-Аламосской национальной лаборатории продолжат свои исследования возможных последствий воздействия наноматериалов так же, как когда-то, на ранних этапах истории лаборатории, Лос-Аламос стал мировым лидером в изучении эффектов радиационного облучения. Сотрудники Лос-Аламоса, работающие с наноматериалами, продолжат следование протоколам, обеспечивающим высочайшую степень защиты от их потенциального воздействия.

Лос-Аламосское исследование по наноматериалам представляет собой поучительную историю по их использованию, так же как и разработка основ защиты работающих с ними сотрудников. В настоящее время для использования наноматериалов не существует правил, принятых на федеральном уровне. Компании и частные лица предоставляют информацию об их использовании на добровольной основе. Но так как сфера применения наноматериалов все более расширяется, должно углубляться и понимание их потенциальной опасности.

Источник: Нанотехнологии в медицине и биологии