Раневой процесс: нанобиотехнологии оптимизации

Рис. 2. Гексагональная кристаллическая решетка графена

Перспективность и необходимость изучения и развития нанотехнологий в России закреплены на законодательном уровне. В соответствии с Распоряжением Правительства РФ от 17.11.2008 г. № 1662-р (ред. от 08.08.2009 г.) «О Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года» в ближайшее десятилетие ожидается переход развитых стран к формированию новой технологической базы экономических систем, основанной на использовании новейших достижений в области биотехнологий, информатики и нанотехнологий, в том числе в здравоохранении и других сферах.

Для России наличие научно-исследовательского потенциала и высокотехнологичных производств может создать условия для обеспечения технологического лидерства по ряду важнейших направлений, формирования комплекса высокотехнологичных отраслей и расширения позиций на мировых рынках наукоемкой продукции, увеличения стратегического присутствия России на рынках высокотехнологичной продукции и интеллектуальных услуг и пр.

В то же время отставание в развитии новых технологий последнего поколения может снизить конкурентоспособность российской экономики, а также повысить ее уязвимость в условиях нарастающего геополитического соперничества.

На 2013 – 2020 гг. запланирован рывок в повышении глобальной конкурентоспособности российской экономики на основе ее перехода на новую технологическую базу (информационные, био- и нанотехнологии), улучшения качества человеческого потенциала и социальной среды, структурной диверсификации экономики.

Интенсивное технологическое обновление всех базовых секторов экономики, опирающееся уже на новые информационные нанои биотехнологии, является важнейшим условием успеха инновационного социально ориентированного развития и успеха страны в глобальной конкуренции.

Термин «нанотехнологии» введен в практику федеральных нормативных документов РФ с марта 2002 г. (Концепция развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года). Нанотехнологией принято считать совокупность технологических методов и приемов, используемых при изучении, проектировании, производстве и применении наноструктур, устройств и систем, интеграции и взаимодействии составляющих их отдельных наномасштабных элементов (с размерами порядка 100 нм и меньше). Объектами нанотехнологий могут быть непосредственно низкоразмерные структуры – наноэлементы с характерными размерами как минимум по одному измерению (наночастицы, нанопорошки, нанотрубки, нановолокна, нанопленки), отдельные элементы устройств и систем. При этом под устройствами или системами, изготовленными с использованием нанотехнологий, понимаются такие, в которых даже один компонент является объектом нанотехнологий.

В повседневную практику в настоящее время входит понятие «наноматериалы». Наноматериалы представляют собой разновидность продукции наноиндустрии в виде материалов, содержащих структурные элементы с нанометровыми размерами, наличие которых обеспечивает существенное улучшение или появление качественно новых механических, химических, физических, биологических и других свойств, связанных с проявлением наномасштабных факторов.

Использование нанотехнологий в биологических системах прежде всего предполагает создание новых биосовместимых наноразмерных материалов и комплексное исследование их биологических свойств. Существенное значение при этом имеют природа наночастиц, а также реализованные механизмы их стабилизации. Использование природных полимеров в качестве наностабилизирующих матриц привело к созданию раздела наноразмерного материаловедения – нанобиокомпозитам (Помогайло А. Д., 2000).

Серьезные достижения последних лет в области молекулярной биологии и патофизиологии позволили более глубоко раскрыть ранее неизвестные механизмы патогенеза воспалительного и, в частности, раневого процесса. Показано, что причиной нарушения регуляции заживления ран, его осложненного течения, перехода ран в разряд долго не заживающих является вторичная альтерация, в основе которой лежит нарушение баланса систем продукции активных форм кислорода и эндогенной антиоксидантной защиты (Толстых М. П., 2002; Shukla A., 1997). В то же время, несмотря на достаточно большое количество известных химических соединений, обладающих антиоксидантными свойствами, арсенал эффективных препаратов для местного лечения ран с такой активностью существенно ограничен (Парамонов Б. А., 2000).

Известно, в частности, использование с этой целью дибунола (Берченко Г. Н., 1997; Шальнев А. Н., 1996), диэтона (Машковский М. Д., 2008), мексидола (Жинко Ю. Н., 1999), а-токоферола (витамин Е), витамина А, желчных кислот, липоевой кислоты (Парамонов Б. А., 2000). Большие перспективы связывают с разработкой антиоксидантов на основе СОД (Зиновьев Е. В., 2003; Клебанов Г. И., 2005). В то же время липофильность некоторых антиоксидантов является их значительным недостатком, так как делает невозможным их применение в первой фазе раневого процесса (Даценко Б. М., 1985; Назаренко Г. И., 2002). В связи с этим предпринимаются попытки создания водорастворимых форм липофильных антиоксидантов, например а-токоферола (Galeano M., 2001).

Использование в лечебных целях антиоксидантов стабилизирует собственную многокомпонентную систему антиоксидантной защиты и тормозит развитие свободнорадикального перекисного окисления липидов, клеточных и капиллярных мембран, предотвращая повреждение клеток и тканей, ограничивая распространение воспалительных изменений и вторичного некроза тканей (Тюнин М. А., 2009). При этом значительно усиливается фагоцитарная активность макрофагов и повышается неспецифический иммунитет (Берченко Г. Н., 1997; Толстых М. П., 2002). Применение антиоксидантов при лечении огнестрельных ран через 1 ч после ранения уменьшает количество иссекаемых тканей при первичной хирургической обработке в 1,3 – 1,85 раза (Шальнев А. Н., 1996).

Расширение ассортимента антиоксидантов, в первую очередь на основе наноматериалов, и их дальнейшее применение при лечении воспалительного процесса, по нашему мнению, должно способствовать предотвращению развития осложнений и скорейшему заживлению ран.

В связи с этим особый интерес представляют отмеченные ранее фуллерены (Kotelnikova R. A., 1998). До открытия фуллеренов считали, что углерод образует три аллотропные формы: алмаз, графит и карбин. Фуллерены принципиально отличаются от них тем, что представляют собой новую форму углерода не только по структуре (алмаз, графит, карбин – бесконечные системы, а фуллерены – семейство индивидуальных полиэдрических молекул), но и по существу, так как его молекула содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которая не характерна для неорганических соединений (рис. 3). О высоком потенциале использования фуллеренов в медицине и биологии ученые заговорили практически с момента их открытия. В настоящее время установлено, что фуллерены, обладая антиоксидантной (Wang I. C., 1999), нейропротективной (Dugan L. L., 1997; 2001), мембранотропной (Андреев И. М., 2002; Kotelnikova R. A., 1998), противовирусной (Меджидова М. Г., 2004; Lin Y. L., 2000), антибластомной (Yang X. L., 2002), антимикробной (Tsao N., 2002) и фотодинамической активностью (Kasermann F., 1998; Vileno B., 2004), являются перспективным материалом для создания новых высокотехнологичных медицинских материалов и лекарственных препаратов фуллерена С

(Пиотровский Л. Б., 2006). Фуллерены были обнаружены в том числе и в шунгитовых породах (Рожков С. П., 2007; Рожкова Н. Н., 2007), углерод из которых нашел применение в различных отраслях медицины (Панов П. Б., 2007; Шаповалов С. Г., 2005).

Рис. 3. Геометрическая структура фуллерена

При проявлении фуллереном биологических свойств важнейшую роль играет форма его молекулы, т. е. способность выступать в качестве лиганда в комплементарном взаимодействии с биологической мишенью. Наиболее известным примером такого действия служат фуллеренсодержащие ингибиторы протеаз вируса СПИДа (HIV). Доказана возможность фуллерена встраиваться в структуру фермента и блокировать его действие (Friedman S. H., 1993; Sijbesma R., 1993), обуславливая выраженную противовирусную активность. Помимо протеаз вируса СПИДа, в литературе сообщается об аналогичном действии производных фуллерена на сериновые протеазы (трипсин, плазмин, тромбин) (Tokuyama H., 1993).

Из химических свойств наиболее важная роль в проявлении биологической активности принадлежит двум свойствам фуллеренов – легкости присоединения свободных радикалов и способности при облучении превращать триплетный кислород в синглетный («генерировать» синглетный кислород).

Первое свойство обусловлено высокой электроотрицательностью молекулы С

. P. J. Krustik (1991) показал, что одна молекула С

может присоединять 34 метильных радикала, что позволило автору работы назвать эту молекулу «губкой для радикалов». Поскольку в биологических системах реакции с участием свободных радикалов – это преимущественно реакции окисления, следовательно, одним из биологических свойств фуллерена С

должна быть антиоксидантная активность.

Рис. 4. Генерация активных форм кислорода при действии облучения на молекулу фуллерена С

Второе свойство фуллеренов связано с тем, что при их облучении светом молекула из основного состояния переходит в короткоживущее возбужденное синглетное состояние (

С

), которое затем переходит в более стабильное триплетное состояние (

С

) (Da Ros T., 1996). В присутствии кислорода фуллерен может переходить из триплетного состояния обратно в основное, передавая свою энергию молекуле О

, которая, в свою очередь, превращается в молекулу синглетного кислорода

О

(Orfanopoulos M., 1995). Последний представляет собой мощный окислительный агент. В целом эти «взаимоотношения» молекул фуллерена и кислорода представлены на рис. 4 (Orfanopoulos M., 1995).

Так как чистый фуллерен нерастворим в воде, все экспериментальные данные об антиоксидантной активности были получены при работе с химически модифицированными водорастворимыми производными (фуллеренол, карбоксифуллерен и др.). Способность фуллеренола действовать в биологических системах в качестве ловушки для свободных радикалов подтверждается тем, что он снижает концентрацию свободных радикалов в крови и может быть использован как ловушка для супероксидных радикалов O

, генерируемых in vitro ксантином и ксантин-оксидазой (Chian

g L. Y., 1995;

Da Ros T., 1996). В других исследованиях фуллеренол блокировал вызванное перекисью водорода ингибирование передачи нейрональных сигналов (Tsai M. C., 1997), спазм бронхов (Lai Y. L., 1997), предупреждал некроз тканей при ишемически-реперфузионном повреждении кишки (Lai H. S., 2000; Lai H. S., Chen W. J., 2000). Сравнение фармакологической активности фуллеренола и аскорбиновой кислоты показало, что производное фуллерена более эффективно снижает выработку супероксиданион-радикала, индуцированную аллоксаном (Lu L. H., 1998).

Другое водорастворимое производное фуллерена – карбоксифуллерен, также проявляет выраженные антиоксидантные свойства. Показано, что он является эффективной ловушкой для гидроксил-радикала

OН и супероксиданион-радикала O

(Dugan L. L.,1996; Wang I. C., 1999). Карбоксифуллерен также снижал гибель нейронов от апоптоза, вызванного ?-амилоидными пептидами (Dugan L. L., 2001). Введение карбоксифуллерена в боковые желудочки мозга при реперфузионной ишемии снижало поражение коры и предупреждало повышение уровня ПОЛ (Lin A. M. – Y., 2002). Обусловленный антиоксидантной активностью нейропротективный эффект карбоксифуллерена позволяет предполагать, что новые антиоксиданты на основе фуллерена могут быть использованы как нейропротекторы при нейродегенеративных расстройствах, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона (Dugan L. L., 1997).

Способность фуллерена и некоторых его производных при освещении превращать обычный кислород в синглетный (или другие его активные формы), т. е. проявлять свойства фотосенситизатора, в настоящее время широко применяется в биологических и медицинских исследованиях (Kasermann F., 1998; Tokuyama H., 1993).

Описано фотозависимое противовирусное действие фуллерена (Kasermann F., 1997). Его исследование проводили с использованием двух оболочечных вирусов, принадлежащих к разным семействам, – вируса лесов Семлики и вируса везикулярного стоматита. При этом было показано, что облучение видимым светом суспензии вирусов в присутствии фуллерена С

и пропускание через нее кислорода приводит к уменьшению величины ID

вирусов более чем на 7 lg/мл за 6 – 8 ч. Наблюдаемая инактивация вирусов четко зависела от присутствия кислорода. Введение в систему глутатиона или гидрохинона (ловушек для свободных радикалов) не оказывало эффекта на вирусингибирующее действие С

, на основании чего авторы сделали вывод, что наблюдаемый эффект не связан с действием свободных радикалов, а обусловлен только действием именно синглетного кислорода.

Стимулируемое освещением вирусингибирующее действие фуллеренов наблюдали также на моделях безоболочечных вирусов. Так, при облучении minute virus of mice в присутствии фуллерена С

и кислорода падение ID

достигало более 5 lg/мл в течение 3 – 5 ч (Tokuyama H., 1993). Показано также, что один из изомеров карбоксифуллерена при облучении ингибирует вирус Dengue-2 (Lin Y. L., 2000) и вирус везикулярного стоматита (Hirayama J., 1999).

Установлено, что облучение светом клеточных культур в присутствии фуллерена С

вызывает сильный цитостатический эффект (Nakajima N., 1996). Для фотодинамической терапии опухолей предложены соединения С

с липосомами, биологическое действие которых активируется освещением (Li W. Z., 1994).

При исследовании влияния различных карбоксифуллеренов на рост и клеточный цикл клеток линии HeLa все соединения проявили при облучении токсический эффект (Yang X. L., 2002). Однако было показано, что фотоиндуцируемая цитотоксичность производных С