CC BY
193
ОГЛЯДИ
УДК 546.26.043
ФУЛЕРЕН С60 ТА ЙОГО ПОХІДНІ ЯК ПРОТИПУХЛИННІ АГЕНТИ: ПРОБЛЕМИ І ПЕРСПЕКТИВИ
С. В. ПРИЛУЦЬКА, Ю. М. КІЧМАРЕНКО, К. І. БОГУЦЬКА, Ю. І. ПРИЛУЦЬКИЙ Київський національний університет імені Тараса Шевченка E-mail: [email protected]
Отримано 21.03.2012
Створення нових біосумісних матеріалів, здатних виявляти протипухлинну активність чи підсилювати її в комбінації з традиційними препаратами, знижуючи їхні шкідливі побічні ефекти, є важливою комплексною проблемою, яка потребує використання останніх досягнень біотехнології.
В огляді узагальнено дані літератури та результати досліджень авторів стосовно основних фізи-ко-хімічних властивостей і біодоступності фулерену С60 та його похідних, їхньої мембранотропної, токсичної і пухлинотропної дії в системах in vitro та in vivo. На підставі зроблених узагальнень проаналізовано перспективи застосування цих унікальних наноструктур в онкології, зокрема в лікуванні онкохворих та з діагностичною метою. Висвітлено також деякі проблеми, що виникають за використання фулерену С60 та його похідних у медицині. Вони, зокрема, пов’язані зі створенням високостабільних водорозчинних нетоксичних сполук фулеренів С60 для введення в організм людини і доставлення кровотоком в орган, який потребуватиме терапевтичного впливу, та участю їх у процесах метаболізму.
Ключові слова: фулерен С60 та його похідні, біодоступність, мембранотропність, токсичність, пухлинотропність.
Подібно до того як Земля 500 років назад перестала здаватися пласкою, в наші дні увага... (дослідників) прикута до сферичного вуглецю.
Лауреат Нобелівської премії Г. Крото щодо порівняння відкриття фулерену С60 з відкриттям Америки Х. Колумбом
Однією з актуальних проблем розвитку сучасних нанобіотехнологій є цілеспрямоване застосування біосумісних низькотоксич-них матеріалів розміром від 1 до 100 нм для лікування різноманітних хвороб. Так, в онкології, в рамках єдиного підходу природничих наук — фізики, хімії та біології, медицини і матеріалознавства сформовано новий науковий напрям «Нанотехнологія злоякісних пухлин», що розробляє методи молекулярної діагностики і терапії онкологічних захворювань з використанням наночасти-нок. Передбачається, що за допомогою запропонованих унікальних нанотехнологій буде вирішено проблеми ранньої діагности-
ки злоякісних новоутворювань з визначенням їх локалізації, адресного доставлення лікарських препаратів у пухлину, а також розроблено нові методи селективної терапії. Серед можливих ефективних протипухлинних агентів значну роль відіграють вуглецеві наноструктури [1-3], зокрема фулерени С60 [4]. Наразі відомо, що вони мають імуно-модулювальні властивості, нормалізують клітинний обмін речовин та нервові процеси, підвищуючи стійкість до стресу, виявляють противірусні властивості, мають виражену протизапальну і антиалергенну дію, посилюють активність ензимів та регенеративну здатність тканин [1, 5, 6]. Зрештою, немодифіковані фулерени С60 та їхні похідні (модифіковані фулерени С60) можуть бути допоміжним засобом у комплексній терапії раку завдяки підвищенню захисних функцій імунної та антиоксидантної систем організму [7-10].
Структура. Фулерен С60 являє собою молекулу майже сферичної форми (діаметром 0,72 нм), поверхня якої складається з 12 п’ятикутників і 20 шестикутників,
у вузлах яких міститься 60 атомів карбону, поєднаних між собою одинарними та подвійними хімічними зв’язками [4]. Серед можливих інших типів фулеренів (рис.) найбільший інтерес для експериментальних біологічних досліджень становить саме молекула С60, яка легко утворюється, характеризується високою хімічною стабільністю та унікальними фізичними властивостями [11-13].
Послідовність фулеренів C24, C28, C32, C50, С60 і C70, які було передбачено теоретично Г. Крото
[H. W. Kroto, Nature, 1987, 329, 529-531]
Фулерени С60 можуть бути хімічно модифіковані (ковалентне та нековалентне приєднання різних груп, комплексів, атомів), що дає змогу забезпечити оптимальні умови вияву їхньої реакційної здатності у біологічних рідинах та всередині клітини [14-16]. Вони мають відновлювальну здатність, легко приєднуючи до шести електронів. Завдяки цьому фулерени С60 та їхні похідні діють у біологічних системах як уловлювачі вільних радикалів, зокрема й активних форм кисню (АФК) [17], гіперпродукція яких призводить до виникнення багатьох захворювань. Це відкриває реальну перспективу застосування цих сполук як потужних антиоксидантів, дія яких за силою і тривалістю перевищує дію відомих природних антиоксидантів — вітамінів С, Е і каротиноїдів [18-21]. З другого боку, інтенсивно поглинаючи світло в ультрафіолетовій та близькій видимій ділянках спектра [22], фулерени С60 та їхні похідні активно генерують АФК [23-26] і, таким чином, виступають як потужні прооксиданти.
Отже, здатність фулеренів С60 та їхніх похідних виявляти специфічну біологічну активність в системах in vitro та in vivo, у тому числі й завдяки своїм фотофізичним властивостям, уможливлює практичне застосування цих унікальних наноструктур у терапії раку.
Біодоступність. За хімічними властивостями фулерени С60 є гідрофобними — во-
ни нерозчинні у полярних розчинниках, що обмежує їх біодоступність [27]. З метою підвищення їхньої гідрофільності молекули С60 піддають хімічній модифікації (функціо-налізації) [28]. Для цього використовують такі основні методичні підходи: утворення нековалентно зв’язаних комплексів фулере-нів С60 з водорозчинними полімерами, хімічний синтез водорозчинних похідних фулере-нів С60 через приєднання до їхньої поверхні полярних замісників та отримання стабільних водних колоїдних розчинів немодифіко-ваних фулеренів С60 з використанням ультразвукової технології.
Найбільш перспективним підходом до отримання водорозчинних фулеренів С60 вважають хімічну модифікацію їхнього каркасу через приєднання полярних гідрофільних груп (гідроксильних, карбоксильних та аміногруп). З погляду молекулярної будови такі фулеренвмісні структури можна умовно поділити на дві групи — поліфункціона-лізовані сполуки, у яких замісники розташовані по всій поверхні фулеренового каркасу, і сполуки з одним чи декількома замісниками у певній ділянці каркасу.
З метою оптимізації введення фулеренів С60 у водне середовище, запобігання агрегації, забезпечення рівномірного розміщення і специфічності їх взаємодії з біологічним субстратом у зоні контакту було запропоновано іммобілізацію фулеренів С60 на сферичних наночастинках діоксиду кремнію — ае-росилу, який є хімічно інертним матеріалом з гідрофільною поверхнею [29]. До складу таких композитів можна вводити структури, що здатні вловлювати світло (наприклад, порфірин, антраценаль, флюоресцеїн) і посилювати фотосенсибілізувальний ефект фулеренів С60 у клітинах [30].
Висунуто пропозицію створювати біологічно активні гібридні наноструктури на основі амінокислотних похідних фулеренів С60 шляхом приєднання до фулеренового каркасу двох різних сполук (адентів): одна з них — амінокислота — забезпечує водорозчин-ність, а друга — специфічну біологічну дію щодо протеїнів, клітин [28, 31]. Відомі також оригінальні методики прямого приєднання амінокислот і пептидів до подвійного зв’язку у молекулі С60 через аміногрупу або шляхом заміщення атома водню, уведеного попередньо до структури фулерену С60 в процесі приєднання амінокислоти [28].
Для отримання водного розчину немо-дифікованих фулеренів С60 було застосовано метод, який ґрунтується на переведенні молекул С60 з толуолу у воду з подальшим об-
робленням ультразвуком [22]. Виявилося, що цей темно-коричневий розчин є типовою колоїдною системою, яка містить як поодинокі молекули С60, так і сферичні кластери діаметром до 3 нм (залежно від концентрації фулеренів С60 у воді) у гідратованому стані [32, 33]. Встановлено [22], що найбільш енергетично доцільною структурою в такому водному розчині є клатрат С60(Н2О)60.
Отже, розглянуті методи переведення фулеренів С60 у біодоступну водорозчинну форму дають змогу цілеспрямовано застосовувати їх у медичних нанотехнологіях.
Мембранотропність. Під час взаємодії з мембранами клітин фулерени С60 та їхні похідні залежно від розміру індукують появу в них різних дефектів, зокрема формування каналів і пор. Так, дослідженням субклітинного розподілу водорозчинної сполуки С60(СО2Н)2 із застосуванням флуоресцентної мікроскопії та моноклональних антитіл виявлено, що вона проникає через плазматичну мембрану всередину фібробластів людини, де зв’язується переважно з мітохондріями [34]. Автори пояснюють цей факт подібністю між структурою молекули С60 та вкритих клатриновою граткою везикул, які поглинаються клітиною шляхом ендоцитозу. В експериментах з використанням флуоресцентних зондів (еритрозину
і пірену), вбудованих у бішар фосфатидил-холінових ліпосом, показано, що комплекс С60-полівінілпіролідол у процесі взаємодії з ліпосомами руйнується, причому полімерна матриця залишається ззовні, а молекула С60 вільно дифундує у мембрану [35, 36]. Проникнення фулерену С60 у мембрану призводить до зміни в’язкості мембранних ліпідів. Із застосуванням мічених 14С-С60 фулеренів встановлено, що вони, взаємодіючи з поверхнею кератиноцитів людини, здатні проникати всередину клітин [37]. У разі введення піддослідним мишам суспензії міченого фу-лерену С60 (концентрація 10-3 М) спостерігали його накопичення у вигляді кристалів у печінці й селезінці тварин [38, 39]. За взаємодії фулеренів С60 із ліпосомальним бішаром відбувалося зменшення діаметра ліпосом та збільшення його поверхневого заряду [40]. Використовуючи методи молекулярної динаміки, встановили, що фулерени С60 здатні мігрувати всередину ліпідної основи мембрани внаслідок пасивної дифузії [41]. Високі концентрації фулеренів С60 індукують зміни структурних і пружних властивостей ліпідного бішару [42], однак вони не є достатніми для механічного пошкодження мембрани. Показано [43-45],
що модифіковані флуоресцентною міткою фуле-рени C60 за низьких концентрацій (10-4-1) мг/мл взаємодіють зі штучною бімолекулярною ліпідною мембраною, збільшуючи її питому провідність та електричну ємність, і проникають крізь плазматичну мембрану клітин HeLa, утворюючи в ній локальні дефекти (пори або канали).
Отже, завдяки мембранотропній активності фулерени С60 та їхні похідні потенційно можуть бути як транспортерами лікарських засобів у клітини і тканини організму, так і агентами специфічної біомедичної дії.
Токсичність. Відомості щодо токсичної активності фулеренів С60 та їхніх похідних наразі є суперечливими, що зумовлено умовами і терміном інкубації, концентрацією і розміром цих наночастинок та способом функціоналізації [46]. Так, після введення щурам шляхом інтраназальної інгаляції як нано- (діаметр 55 нм), так і мікрочастинок (0,93 мкм) фулеренів С60 упродовж 10 днів запальних процесів у легенях тварин не виявлено [47]. Є повідомлення про відсутність легеневої токсичності, пов’язаної з інтра-трахеальним уведенням фулеренів С60 або С60(ОН)24 щурам упродовж 3 місяців (загальна доза становила 3 мг/кг) [48]. Встановлено, що фулерол (доза до 200 мкг/на тварину) послаблює нейтрофільне запалення легень у мишей [49]. Виявлено [50], що для водорозчинних поліалкілсульфонованих фуле-ренів С60, які вводили щурам інтраперитоне-ально, значення величини LD50 становить 600 мг/кг, а мішенями їхньої токсичної дії є нирки, печінка та жовчний міхур. Жодних токсичних ефектів чи летальних наслідків не було зафіксовано за використання суміші фулеренів С60 і С70 (водний розчин
0,5% натрійкарбоксиметилцелюлози, що містив 0,1% Tween 80) після перорального введення в організм щурів загальної дози
2 г/кг упродовж 14 днів [51]. Виявлено здатність похідних фулеренів С60 ініціювати дозозалежну токсичність через некротичний механізм [52]. Встановлено, що токсичний потенціал (зумовлений головним чином пероксидним окисненням ліпідів) похідних фулеренів С60 щодо дермальних фібробластів, гепатоцитів і нормальних астроцитів людини істотно залежить від типу їх функціоналізації [53]. Гідроксильовані фулерени С60 за концентрації до 100 мкг/мл під час інкубації у суспензії судинних ендо-теліальних клітин протягом 10 днів призводили до їх загибелі [54]. Наночастинки С60 (2,4 мкг/мл, приготовлені з використанням тетрагідрофурану — ТГФ) спричинюють
токсичну дію, унаслідок якої посилюються процеси продукування АФК, пероксидного окиснення ліпідів і ушкоджуються мембрани клітин різних ліній (фібробласти шкіри, гепатоцити й астроцити) [55]. Відзначено, що токсичність сполуки C60(OH)18 є вищою порівняно з немодифікованими фулеренами С60 [56]. Фулерени C60 (концентрація до 10 мкг/мл, приготовлені з використанням ТГФ) не спричинювали токсичної дії щодо макрофагів людини in vitro, незважаючи на те, що локалізувались у цитоплазмі, ядрі та лізосомах клітин [57]. Припускають, що токсичність, пов’язана з дією фулеренів C60, може бути наслідком присутності залишкового розчинника (або їхніх похідних), що має здатність інтеркалювати у структуру фулерену C60 або вивільнятись у водну фазу [58]. ТГФ-С60 виявляли найбільшу токсичність, а немодифіковані фулерени C60 — найменшу у клітинних лініях кератиноцитів NTCC2544 та фібробластів шкіри NHDF людини, меланоми B6 і L929 фібросаркоми миші (діаметр наночастинок становив менше 36 нм) [59]. Виявлено, що додавання не-модифікованих фулеренів С60 у діапазоні концентрацій 10-6-10-5 М (розмір наночасти-нок не перевищував 3 нм) до суспензій нормальних (тимоцитів) і трансформованих (ас-цитної карциноми Ерліха — АКЕ та лейкозу L1210) клітин не впливало на їхню життєздатність, накопичення продуктів ПОЛ у гомогенатах печінки і мозку та стійкість еритроцитів до гемолізу [60]. Наразі більшість даних літератури свідчить, що немодифіко-вані фулерени С60 за низьких концентрацій (близьких до фізіологічних) не виявляють гострої токсичної дії в системах in vitro та in vivo [61, 62].
Отже, хімічна структура, розмір, доза введення — це головні чинники, які зумовлюють специфічну біологічну дію фулеренів С60 та їхніх похідних, включаючи токсичність. Токсичність фулеренів С60 тісно пов’язана з оксидативною відповіддю, що вказує на необхідність проведення детального аналізу їхньої здатності викликати оксидатив-ний стрес і пов’язані з ним наслідки, зокрема запалення або ушкодження ДНК.
Пухлинотропність. Один із можливих способів використання фулеренів С60 у терапії злоякісних новоутворень базується на їх модифікації шляхом приєднання біологічно активних лігандів, що мають протипухлинну активність. Так, фулерени С60 можуть слугувати вектором доставлення оксиду азоту до клітин-мішеней [63]. Відомо, що монооксид азоту (NO) контролює тонус судин,
є модулятором окисних реакцій, процесу апоптозу та імунних реакцій [64]. Виявлено хемосенсибілізуючий ефект фулеренів С60 як донорів N0 у терапії раку, що дозволяє досягти практично 100%-го виживання експериментальних тварин. Водорозчинні не-модифіковані фулерени С60 (загальна доза 25 мг/кг, уведення — 5 разів через день) вірогідно пригнічували як ріст пухлин, так і метастазування карциноми легень Льюїс у мишей лінії С57В1/6: максимальний терапевтичний ефект становив 25,1% за гальмуванням росту пухлини та 48% за індексом інгібування метастазів (ІІМ); зростання тривалості життя тварин досягало 21,8% [9, 10].
У роботі [31] вивчено дію амінокислотних похідних фулерену С60 (АПФ) у комбінації з протипухлинним антибіотиком адріамі-цином на моделі метастазуючої пухлини — карциноми легень Льюїс у мишей лінії BDF1. Встановлено, що АПФ проникають через ліпідний бішар біологічної мембрани і є ефективними інгібіторами пероксидного окиснення ліпідів. Найбільший терапевтичний ефект застосування АПФ (доза 50 мг/кг) у комбінації з адріаміцином (доза 1 мг/кг) становив 40% ІІМ. Уведення водорозчинних немодифікованих фулеренів С60 (доза 5 мг/кг) за 20 хв до введення доксорубіцину (доза
0,5 мг/кг) упродовж 10 днів (5 разів через день) сприяло вірогідному гальмуванню як росту пухлини, так і метастазів карциноми легень Льюїс у мишей лінії С57B1/6J: максимальний терапевтичний ефект становив 79% ІІМ та 34% за гальмуванням росту пухлини; зростання тривалості життя тварин досягало 24,4% [65]. У рамках хімічно індукованої моделі раку молочної залози вивчали можливу захисну роль фулеренолу [С60(ОН)24] щодо дії протипухлинного препарату доксорубіцину, який спричинював легеневу токсичність у щурів [66]. Результати чітко демонструють, що застосування лише доксорубіцину (доза 8 мг/кг) помітно погіршує функцію легень, однак попереднє введення фулеренолу (доза 100 мг/кг) за 30 хв до доксорубіцину запобігає його токсичній дії внаслідок інгібування оксидативного стресу.
Пухлиногальмівний ефект та імуномоду-лювальна активність фулеролу протестова-но на моделі Н22 гепатокарциноми миші [8]. Уведення цієї сполуки в дозах 0,2 і 1,0 мг/кг упродовж 17 днів виявило значне пригнічення об’єму пухлин, а саме: 31,9 і 38,4% відповідно. Результати засвідчили, що фулерол підвищує вроджений імунітет мишей щодо пухлин і, отже, гальмує їх ріст. Підтвер-
дженням цього факту слугують також дані щодо протекторної дії водорозчинних немо-дифікованих фулеренів С60 [10]: їх уведення (загальна доза 25 мг/кг; 5 разів через день) мишам лінії С57Bl/6J до перещеплення карциноми легень Льюїс зумовлювало вірогідне гальмування росту пухлин: максимальний терапевтичний ефект становив 96% ІІМ та 35% за гальмуванням росту пухлини; зростання тривалості життя тварин досягало 30,3%.
За сучасними уявленнями, перехід від доброякісного стану пухлини у злоякісний відбувається тоді, коли пухлина починає проростати кровоносними судинами. Цей процес отримав назву васкуляризації, або ангіогенезу [67]. Індукція ангіогенезу здійснюється сигнальними протеїнами — факторами росту фібробластів (FGFb) та факторами росту ендотелію судин (VEGF), які секретуються клітинами пухлин. Показано, що похідні фулеренів С60 здатні одночасно регулювати більш ніж 10 ангіогенних факторів на рівні мРНК [68]. Модельні дослідження [69] виявили блокування фулеренами С60 утворення нових мікросудин у пухлині, що перешкоджало її подальшому росту і прогресуванню.
Слід також відзначити, що наразі обговорюється ідея створення протипухлинних медичних препаратів на основі водорозчинних ендофулеренів С60 (молекули С60, усередині яких розміщено один або декілька атомів якого-небудь хімічного елемента) із впровадженими всередину структури фулерену С60 радіоактивними ізотопами. Окрім використання ендофулеренів С60 як нешкідливих радіоактивних маркерів уведення ліків на їх основі у тканини організму дасть змогу вибірково впливати на уражені пухлиною клітини, перешкоджаючи їх подальшому розмноженню.
Фотодинамічна терапія раку. Спрямований вплив на залежні від продукції АФК (102, 02’~, •ОН, Н2О2) сигнальні шляхи вважають перспективним способом пригнічення пухлинного росту [64]. Як традиційний напрям розглядають використання наночас-тинок як фотосенсибілізаторів у фотоди-намічній терапії (ФДТ) [70]. ФДТ заснована на вибірковому накопиченні фотосенсибілізатора у пухлинних клітинах і його здатності генерувати АФК унаслідок опромінення світлом з певною довжиною хвилі, що призводить до загибелі ракових клітин. Унікальною фотофізичною властивістю молекули С60 є здатність переходити під дією УФ/ВИД-випромінювання у збуджений
стан і майже зі 100%-ю ефективністю продукувати синглетний кисень [23, 24, 71]. У рамках ФДТ пропонують використовувати комплекси порфіринів, асоційованих із фулеренами С60, які значно посилюють фотосенсибілізувальний ефект у пухлинних клітинах [30, 72, 73]. В експериментах in vitro з клітинами АКЕ за присутності немо-дифікованих фулеренів С60 (концентрація 10-5 М) виявлено зниження на 58% життєздатності трансформованих клітин після опромінення ртутною лампою (потужність 24 Вт) упродовж 2 хв. Методом ЕПР доведено генерацію фулеренами С60 супероксидно-го аніон-радикалу зі швидкістю 10 нмоль/мл за 1 хв [24]. Показано, що інкубація пухлинних клітин із фулеренами С60 з наступним опроміненням видимим світлом спричинює апоптоз клітин через 4-6 год після опромінення [70]. Опромінення трис-малонатних похідних фулеренів С60 (А, = 220-450 нм) за інкубації у суспензії Т-клітин лінії Jurkat зумовлювало їх загибель [74]. Мишам з пухлиною, локалізованою у підшкірному шарі спини, вводили водорозчинний С60-поліети-ленгліколь (ПЕГ) (доза 424 мкг/кг) і опромінювали ділянку з пухлиною видимим світлом енергією 107 Дж/см2, унаслідок чого ріст пухлини пригнічувався [75]. Гістологічний аналіз показав, що має місце некроз пухлини. При цьому клітини шкіри залишалися неушкодженими.
Отже, фулерени С60 та їхні похідні є високоефективними протипухлинними агентами, які здатні перешкоджати росту злоякісних пухлин, у комбінації з традиційними цитостатиками запобігати їхній токсичній дії на організменому рівні, посилювати генерування АФК у клітинах пухлин внаслідок УФ/ВИД-опромінення, що призводить до їх незворотних окисних ушкоджень.
Проблеми використання. Поряд зі значними перспективами у використанні фуле-рену C60 та його похідних у медицині існують також певні проблеми і перестороги на цьому шляху. Так, дані щодо біологічних випробувань водних дисперсій фулерену C60 ставлять під сумнів безпеку для живих організмів і навколишнього середовища загалом. З другого боку, наводяться аргументовані докази, що немодифіковані фулерени C60 не є токсичними, а супрамолекулярна система «фулерен C60 — вода» має широкий спектр високої позитивної біоактивності. Наразі встановлено, що токсичність молекул C60 істотно залежить від модифікації їхньої поверхні. Отже, питання токсичності фуле-ренів C60, їх надходження і розповсюдження
у внутрішньоклітинному просторі, накопичення в органах та виведення з допустимою швидкістю залишаються досі відкритими. У разі встановлення безпеки для організму фулерени С60 та їхні похідні можуть набути застосування в фармакології, наприклад для таргетного спрямування до клітинних органел, впливу на внутрішньоклітинні процеси та індукції загибелі трансформованих клітин.
Таким чином, завдяки нанорозмірності, анти/прооксидантним властивостям, біодо-ступності, здатності взаємодіяти з біологіч-
ними молекулами, проникати всередину клітин та відсутності виявів гострої токсичності фулерен С60 та його похідні є потенційними фармакологічними сполуками нового класу для розроблення технології пригнічення пухлинного процесу. Вони можуть слугувати не лише носіями лікарських засобів та маркерів у клітини і тканини організму, а й високоефективними протекторами та інгібіторами росту злоякісних пухлин і метастазування, їхніми деструктан-тами внаслідок фотозбудження та в комбінації з відомими протипухлинними препаратами.
ЛІТЕРАТУРА
1. Cataldo F, Da Ros T. (Eds.) Medicinal Chemistry and Pharmacological Potential of Fullerenes and Carbon Nanotubes. Series: Carbon Materials: Chemistry and Physics. — Netherlands: Springer, 2008. — 408 p.
2. Прилуцька С. В., Ременяк О. В., Бурлака А. П., Прилуцький Ю. І. Перспективи використання вуглецевих нанотрубок у протираковій терапії // Онкология. — 20і0. — № 12. — С. 5-9.
3. Burlaka A., Lukin S., Prylutska S. et al. Hyperthermic effect of multi-walled carbon nanotubes stimulated with near infrared irradiation for anticancer therapy: in vitro studies // Exp. Oncol. — 2010. — V. 32. — P. 48-50.
4. Kroto H. W, Heath S., O’Brien S. C. et al. Cg0: Buckminsterfullerene // Nature. — 1985. — V. 318. — P. 162-163.
5. Пиотровский Л. Б., Киселев О. И. Фуллерены в биологии. — СПб: Росток, 2006. — 336 с.
6. Wilson S. R. Biological aspects of fullerenes.
Fullerenes: Chemistry, Physics and
Technology. — New York: John Wiley & Sons, 2000. — P.437-465.
7. Ashcroft J. M, Tsyboulski D.A., Hartman K. B. et al. Fullerene C60 immunoconjugates: interaction of water-soluble C60 derivatives with the murine anti-gp240 melanoma antibody // Chem. Commun. — 2006. — V. 28. — P. 3004-3006.
8. Zhu J., Ji Zh, Wang J. et al. Tumor-inhibitory еffect and immunomodulatory activity of fullerol C60(OH)x // Small. — 2008. — V. 4. — P. 1168—1175.
9. Prylutska S. V., Burlaka A. P., Prylutskyy Yu.
I. et al. Pristine C60 fullerenes inhibit the rate of tumor growth and metastasis // Exp. Oncol. — 2011. — V. 33. — P. 162-164.
10. Prylutska S. V., Burlaka A. P., Klymenko P. P. et al. Using water-soluble C60 fullerenes in anticancer therapy // Cancer Nanotechnol. — 2011. — V. 2. — P. 105-110.
11. Елецкий А. В., Смирнов Б. М. Фуллерены и структуры углерода // УФН. — 1995. — T. 165. — C. 977-1009.
12. Dresselhaus M. S., Dresselhaus G., Eklund P. C. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes: Their Properties and Applications. — New York: Academic Press, 1996. — 985 p.
13. Arbogast J. W., Foote Ch. S. Photophysical properties of Сбо // J. Am. Chem. Soc. — 1991. — V. 113. — P. 8886-8889.
14. Da Ros T., Prato M. Medical chemistry with fullerenes and fullerenes derivatives // Chem. Commun. — 1999. — V. 8. — P. 663-669.
15. Djordjevic A., Bogdanovic G., Dobric S. Fullerenes in biomedicine // J. Buon. — 2оо6. — V. 11. — P. 391-4о4.
16. Матишевська О. П., Прилуцька С. В., Гринюк І. І. Фулерени С60 — біологічно активні молекули. I. Фізико-хімічні властивості та біодоступність // Біотехнологія. — 2010. — T. 3, № 1. — C. 18-26.
17. Sun T., Xu Z. Radical scavenging activities of alpha-alanine C60 adduct // Bioorg. Med. Chem. Lett. — 2006. — V. 16. — P. 3731-3734.
18. Wang I. C., Tai L. A., Lee D. D. et al. C60 and water-soluble fullerene derivatives as antioxidants against radicals-initiated lipid peroxidation // J. Med. Chem. — 1999. — V. 42. — P. 4614-4620.
19. Gharbi N., Pressac M., Hadchouel M. et al. [60] Fullerene is a powerful antioxidant in vivo with no acute or subacute toxicity // Nano Lett. — 2005. — V. 5. — P. 2578-2585.
20. Xiao L., Takada H., Gan X., Miwa N. The water-soluble fullerene derivative « radical -sponge» exerts cytoprotective action against UV irradiation but not visible-light-cat-alyzed cytotoxicity in human skin keratino-cytes // Bioorg. Med. Chem. Lett. — 2006. — V. 16. — P. 1590-1595.
21. Prylutska S. V., Grynyuk I. I., Matyshev-ska O. P. et al. Anti-oxidant properties of C60 fullerenes in vitro // Fullerenes, Nanotubes, and Carbon Nanostruct. — 2008. — V. 16. — P. 698-705.
22. Scharff P., Risch K., Carta-Abelmann L. et al. Structure of C60 fullerene in water: spectro-
scopic data // Carbon. — 2004. — V. 42. — P. 1203-1206.
23. Yamakoshi Y., Umezawa N., Ryu A. et al. Active oxygen species generated from photoexcited fullerene C60 as potential medicines: versus // J. Chem. Soc. — 2003. — V. 125. — P. 12803-12809.
24. Burlaka A. P., Sidorik Ye. Р., Prylutska S. V. et al. Catalytic system of the reactive oxygen species on the C60 fullerene basis // Exp. Oncol. — 2004. — V. 26. — P. 326-327.
25. Prylutska S. V., BurlakaА P., Matyshevska О. P. et al. Effect of the visible light irradiation of fullerene-containing composites on the ROS generation and the viability of tumor cells // Ibid. — 2006. — V. 28. — P. 160-162.
26. Scharff P., Ritter U, Matyshevska O. P. et al. Therapeutic reactive oxygen generation // Tumori. — 2008. — V. 94. — P. 278-283.
27. Ruoff R. S., Tse D. S., Malhotra M., Lorents D. C. Solubility of fullerene C60 in a variety of solvents // J. Phys. Chem. — 1993. — V. 97. — P. 3379—3383.
28. Hirsch A., Brettreich M. Fullerenes — Chemistry and Reactions. — New York: John Wiley & Sons, 2005. — 437 p.
29. Golub A., Matyshevska O., Prylutska S. et al. Fullerenes immobilized at silica surface: topology, structure and bioactivity // J. Mol. Liq. — 2003. — V. 105. — P. 141-147.
30. Davydenko M. O., Radchenko E. O., Yash-chuk V. M. et al. Sensibilization of fullerene C60 immobilized at silica nanoparticles for cancer photodynamic therapy // Ibid. — 2006. — V. 127. — P. 145-147.
31. Файнгольд И. И., Коновалова Н. П., Котельникова Р. А. и др. Аминокислотные производные фуллерена С60 — модификаторы биологических реакций при цитоста-тической терапии метастазирующих опухолей // Рос. биотерапевт. журн. — 2007. — T. 6, № 1. — С. 52.
32. Prilutski Yu. I., Durov S. S., Yashchuk V. N. et al. Theoretical predictions and experimental studies of self-organization C60 nanoparticles in water solution and on the support // Eur. Phys. J. D. — 1999. — V. 9. — P. 341-343.
33. Bulavin L., Adamenko I., Prylutskyy Yu. et al. Structure of fullerene C60 in aqueous solution // Phys. Chem. Chem. Phys. — 2000. — V. 2. — P. 1627-1629.
34. Foley S., Crowley C., Smaihi M. et al. Cellular localisation of a water-soluble fullerene derivative // Biochem. Biophys. Res. Commun. — 2002. — V. 294. — P. 116-119.
35. Piotrovsky L. B,, Dumpis M. A., Poznyakova L. N. et al. Study of the biological activity of the adducts of fullerenes with poly(N-vinyl-pyrrolidine) // Mol. Mater. Sci. — 2000. — V. 13. — P. 41-50.
36. Qiao R., Roberts A. P., Mount A. S. et al. Translocation of C60 and its derivatives
across a lipid bilayer // Nano Lett. — 2007. — V. 7. — P. 614-619.
37. Scrivens W. A., Tour J. M., Creek K. E., Pirisi L. Synthesis of labeled C60, its suspension in water, and its uptake by human keratinocytes // J. Am. Chem. Soc. — 1994. — V. 116. — P. 4517-4518.
38. Bullard-Dillard R., Creek K. E., Scrivens W. A., Tour J. M. Tissue sites of uptake of labeled C60 // Bioorg. Chem. — 1996. — V. 24. — P. 376-385.
39. Moussa F., Trivin F., Cerolin R. et al. Early effects of C60 administration in swiss mice: a premilinary account for in vivo C60 toxicity // Full. Sci. Technol. — 1996. — N 4. — P. 21-29.
40. Katsamenis O. L., Bouropoulos N, Fatouros D. G. Interaction of fullerenes C60 with large unilamellar vesicles // J. Biomed. Nanotechnol. —
2009. — V. 5. — P. 416-420.
41. Bedrov D., Smith G. D., Davande H., Li L. Passive transport of C60 fullerenes through a lipid membrane: a molecular dynamics simulation study // J. Phys. Chem. B — 2008. — V. 112. — P. 2078-2084.
42. Wong-Ekkabut J., Baoukina S., Triampo W. et al. Computer simulation study of fullerene translocation through lipid membranes // Nat. Nanotechnol. — 2008. — V. 3. — P. 363-368.
43. Prylutska S. V., Matyshevska O. P., Grynyuk 1.1. et al. Biological effects of C60 fullerenes in vitro and in a model system // Mol. Cryst. Liq. Cryst. — 2007. — V. 468. — P. 265-274.
44. Schuetze C., Ritter U., Scharff P. et al. Interaction of N-fluorescein-5-isothiocyanate pyrrolidine-C60 compound with a model bimolecular lipid membrane // Mater. Sci. Engineer. C. — 2011. — V. 31. — P. 1148-1150.
45. Prylutska S., Bilyy R., Overchuk M. et al. Water-soluble pristine fullerenes C60 increase the specific conductivity and capacity of lipid model membrane and form the channels in cellular plasma membrane // J. Biomed. Nanotechnol. — 2012. — V. 8, N 3. — P. 522-527.
46. Johnston H. J., Hutchison G. R., Christensen F. M. et al. The biological mechanisms and physicochemical characteristics responsible for driving fullerene toxicity // Toxicol. Sci. — 2010. — V. 114. — P. 162-182.
47. Baker G. L., Gupta A., Clark M. L. et al. Inhalation toxicity and lung toxicokinetics of C60 fullerene nanoparticles and microparticles // Ibid. — 2008. — V. 101. — P. 122-131.
48. Sayes C. M., Marchione A. A., Reed K. L., Warheit D. B. Comparative pulmonary toxicity assessments of C60 water suspensions in rats: few differences in fullerene toxicity in vivo in contrast to in vitro profiles // Nano Lett. — 2007. — V. 7. — P. 2399-2406.
49. Roursgaard M., Poulsen S. S., Kepley C. L. et al. Polyhydroxylated C60 fullerene (fullere-nol) attenuates neutrophilic lung inflammation in mice // Basic Clin. Pharmacol. Toxicol. — 2008. — V. 103. — P. 386-388.
50. Chen H. H., Yu C., Ueng T. H. et al. Acute and subacute toxicity study of water-soluble polyalkylsulfonated C60 in rats // Toxicol. Pathol. — 1998. — V. 26. — P. 143-151.
51. Mori T., Takada H., Ito S. et al. Preclinical studies on safety of fullerene upon acute oral administration and evaluation for no mutagenesis // Toxicology. — 2006. — V. 225. — P. 48-54.
52. Rouse J. G., Yang J., Barton A. R., Monteiro-Reviere N. A. Fullerene-based amino acid nanoparticle interactions with human epidermal keratinocytes // Toxicol. in Vitro. —
2006. — V. 20. — P. 1313-1320.
53. Sayes C. M., Fortner J. D., Guo W. et al. The differential cytotoxicity of water-soluble fullerenes // Nano Lett. — 2004. — V. 4. — P. 1881-1887.
54. Yamawaki H., Iwai N. Cytotoxicity of water-soluble fullerene in vascular endothelial cells // Am. J. Physiol. — 2006. — V. 290. — P. C1495-C1502.
55. Sayes C. M., Gobin A. M., Ausman K. D. et al. Nano-C60 cytotoxicity is due to lipid peroxidation // Biomaterials. — 2005. — V. 26. — P. 7587-7595.
56. Kamat J. P., Devasagayam T. P. A., Priyadar-sini K. I., Mohan H. Reactive oxygen species mediated membrane damage induced by fullerene derivatives and its possible biological implications // Toxicology. — 2000. — V. 155. — P. 55-61.
57. Porter A. E., Muller K., Skepper J. et al. Uptake of C60 by human monocyte marcro-phages, its localization and implications for toxicity: studied by high resolution electron microscopy and electron tomography // Acta Biomater. — 2006. — V. 2. — P. 409-419.
58. Zhang B., Cho M., Fortner J. D. et al. Delineating oxidative processes of aqueous C60 preparations: role of THF peroxide // Environ. Sci. Technol. — 2009. — V. 43. — P. 108-113.
59. Markovic Z., Todorovic-Markovic B., Kleut D. et al. The mechanism of cell-damaging reactive oxygen generation by colloidal fullerenes // Biomaterials. — 2007. — V. 28. — P. 5437-5448.
60. Prylutska S. V., Matyshevska O. P., Golub A. A. et al. Study of C60 fullerenes and C60-contai-ning composites cytotoxicity in vitro // Mater. Sci. Engineer. C. — 2007. — V. 27. — P. 1121-1124.
61. Kolosnjaj J., Szwarc H., Moussa F. Toxicity studies of fullerenes and derivatives // Adv. Exp. Med. Biol. — 2007. — N 620. — P. 168-180.
62. Aschberger K., Johnston H. J., Stone V. et al. Review of fullerene toxicity and exposureappraisal of a human health risk assessment,
based on open literature // Regul. Toxicol. Pharmacol. — 2010. — V. 58. —
P.455-473.
63. Файнгольд И. И., Коновалова Н. П., Котельникова Р. А. и др. Фуллереннитраты как адъюванты цитостатической химиотерапии // Рос. биотерапевт. журн. — 2006. — T. 5. — C. 21-22.
64. Бурлака А П., Сидорик Є. П. Радикальні форми кисню та оксиду азоту при пухлинному процесі. — К.: Наук. думка, 2006. — 227 с.
65. Prylutska S. V., Burlaka A. P., Prylutskyy Yu. I. et al. Comparative study of antitumor effect of pristine C60 fullerenes and doxorubicin // Біотехнологія. — 2011. — T. 4, № 6. — C. 82-87.
66. Injac R., Radic N, Govedarica B. et al. Acute doxorubicin pulmotoxicity in rats with malignant neoplasm is effectively treated with fullerenol C60(OH)24 through inhibition of oxidative stress // Pharmacol. Rep. —
2009. — V. 61. — P. 335-342.
67. Freitas Jr R. A. Nanomedicine, Volume IIA: Biocompatibility, Landes Bioscience. — Georgetown: TX, 2003. — 262 p.
68. Meng H., Xing G., Sun B. et al. Potent angio-genesis inhibition by the particulate form of fullerene derivatives // ASC Nano. — 2010. — V. 4. — P. 2773-2783.
69. Murugesan S., Mousa S. A., O’Connor L. J. et al. Carbon inhibits vascular endothelial growth factor- and fibroblast growth factorpromoted angiogenesis // FEBS Lett. —
2007. — V. 581. — P. 1157-1160.
70. Li W.-T. Nanotechology-based strategies to enhance the efficacy of photodynamic therapy for cancers // Curr. Drug Met. — 2009. — V. 10. — P. 851-860.
71. Mroz P., Tegos G. P., Gali H. et al. Photodynamic therapy with fullerenes // Photochem. Photobiol. Sci. — 2007. — V. 6. — P. 1139-1149.
72. Constantin C., Neagu M., Ion R. M. et al. Fullerene-porphyrin nanostructures in photodynamic therapy // Nanomedicine. —
2010. — V. 5. — P. 307-317.
73. Sharma S. K., Chiang L. Y., Hamblin M. R. Photodynamic therapy with fullerenes in vivo: reality or a dream? // Ibid. — 2011. — V. 6. — P. 1813-1825.
74. Rancan F., Rosan S., Boehm F. et al. Cytotoxicity and photocytitixicity of a dendritic C60 mono-adduct and a malonic acid C60 tris-adduct on Jurkat cells // J. Photochem. Photobiol. — 2002. — V. 67. — P. 157-162.
75. Tabata Y., Murakami Y., Ikada Y. Photodynamic effect of polyethylene glycol-modified fullerene on tumor // Jpn. J. Cancer Res. — 1997. — V. 88. — P. 1108-1116.
ФУЛЛЕРЕН С60 И ЕГО ПРОИЗВОДНЫЕ КАК ПРОТИВООПУХОЛЕВЫЕ АГЕНТЫ: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
С. В. Прилуцкая Ю. М. Кичмаренко К. И. Богуцкая Ю. И. Прилуцкий
Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко
E-mail: [email protected]
Создание новых биосовместимых материалов, способных проявлять противоопухолевую активность или усиливать ее в комбинации с традиционными препаратами, снижая их вредные побочные эффекты, является важной комплексной проблемой, которая требует использования последних достижений биотехнологии.
В обзоре обобщены данные литературы об основных физико-химических свойствах и биодоступности фуллерена С60 и его производных, их мембранотропном, токсическом и опухо-летропном действии в системах in vitro и in vivo. На основании сделанных обобщений проанализированы перспективы применения этих уникальных наноструктур в онкологии, в частности в лечении онкобольных и с диагностическими целями. Освещены также некоторые проблемы, возникающие при использовании фуллерена С60 и его производных в медицине. Они, в частности, связаны с созданием высокостабильных водорастворимых нетоксичных соединений фуллеренов С60 для введения в организм человека и доставки кровотоком в орган, подлежащий терапевтическому воздействию, и их участием в процессах метаболизма.
Ключевые слова: фуллерен С60 и его производные, биодоступность, мембранотропность, токсичность, опухолетропность.
FULLERENE C60 AND ITS DERIVATIVES AS ANTICANCER AGENTS: PROBLEMS AND PROSPECTS
S. V. Prylutska Yu. M. Kichmarenko K. I. Bogutska Yu. I. Prylutskyy
Taras Shevchenko National University of Kyiv
E-mail: [email protected]
Creation of new biocompatible materials, which can exhibit antitumor activity or enhance it in combination with conventional drugs, reducing their harmful side effects, is an important complex problem that requires the use of last accomplishments of biotechnology.
The data regarding the main physico-chemical properties and bioavailability of fullerene C60 and its derivatives, their membranotropic, toxic and tumortropic effects in vitro and in vivo systems are summarized in the review. Based on these generalizations the prospects of these unique nanostructures in oncology, particularly in the treatment of cancer patients and for diagnostic purposes are analyzed. At the same time, some problems arising from the use of fullerene С60 and its derivatives in medicine are highlighted. They are particularly associated with the creation of highly stable water-soluble non-toxic compounds of fullerene С60, which could be introduced into the human body and delivered with the bloodstream in the organ to be a therapeutic effect and their participation in the processes of metabolism.
Key words: fullerene C60 and its derivatives, bioavailability, toxicity, membranotropic and tumortropic effects.
