CC BY
54
УДК 546.26.043
ФУЛЕРЕНИ С60 — БІОЛОГІЧНО АКТИВНІ МОЛЕКУЛИ І. Фізико-хімічні властивості та біодоступність
О. П. МАТИШЕВСЬКА, С. В. ПРИЛУЦЬКА, 1.1. ГРИНЮК Київський національний університет імені Тараса Шевченка E-mail: matysh@yahoo.com
Здійснено аналіз даних літератури щодо особливостей будови представників нового класу наносполук — фулеренів Сбо, їхніх фізичних та хімічних властивостей, способів уведення в біологічні системи, токсичності та перспектив використання як біологічно активних сполук.
Ключові слова: фулерен С6о, водорозчинні похідні С6о, біодоступність.
продукування активних форм кисню,
Пошук нових нанорозмірних хімічно-інертних сполук, здатних впливати на клітинні процеси, є актуальним завданням розвитку нанобіотехнологій. З огляду на це інтенсивно досліджуються представники нової алотропної форми вуглецю — фулерени С60, яким притаманні унікальні фізико-хі-мічні властивості.
Існує багато даних щодо різноманітних біологічних властивостей фулеренів, а саме їхньої здатності проникати крізь клітинні мембрани та локалізуватись усередині клітини, анти- та прооксидантних властивостей, антибактеріальних та антивірусних ефектів, впливу на сигнальні системи клітини, на активність окремих ензимів та процеси пероксидного окиснення ліпідів (ПОЛ). Для розуміння механізмів біологічної дії фулеренів С60 та розроблення методів їх застосування важливими є дані щодо фізико-хімічних властивостей С60 і способів оптимі-зації уведення їх у водне середовище, аналіз яких наведено в огляді.
Структура молекули. Відомо, що вуглець існує у вигляді двох алотропних форм — графіту й алмазу. У 1980-х роках було відкрито нову алотропну форму вуглецю, представниками якої є фулерени — молекули з унікальними фізико-хімічними властивостями, що зумовлені особливостями їхньої будови. Молекули фулеренів — це замкнені каркасні структури, сферична поверхня яких складається з шестичленних та п’яти-членних циклів з атомами вуглецю у вершинах. Загальна парна кількість атомів вуглецю у складі молекули може бути різною —
60, 70, 76, 78, 82 і т. д. Через таку незвичну будову ці сполуки було названо фулеренами на честь архітектора Б. Фулера, який проектував геодезичні куполи [1].
Особливе місце серед фулеренів посідає молекула С60, що має найвищий ступінь симетрії і є найбільш стабільною. Сферична поверхня С60 містить 20 правильних гекса-тональних і 12 пентагональних структур, чим нагадує поверхню футбольного м’яча (рис. 1). Зв’язки між сусідніми гексагонами (завдовжки 1,35 А) є подвійними, а зв’язки між гексагонами та пентагонами (завдовжки 1,47 А) — одинарними. Таким чином, гек-са- та пентагональні одиниці поєднані кон’ю-гованою п-електронною системою, чим і пояснюється компактне укладання атомів вуглецю, малі розміри молекули та її властивості [2, 3]. Так, площа поверхні молекули С60 утричі менша, ніж очікувана для біологічної молекули такої самої молекулярної маси (720 Да), а її діаметр становить лише
0,714 нм, тобто за величиною є близьким до діаметра а-спіралі поліпептидів або молекули стероїдів. Це дає підстави припустити, що стерично молекула С60 є цілком сумісною з біологічними структурами, наприклад упізнавальними сайтами рецепторів або активними центрами ензимів.
У зв’язку з цим на особливу увагу заслуговують дані щодо пригнічення фулереном С60 протеази ВІЛ. Просторова організація активного центру цього ензиму відома — це гідрофобна западина з розміщеними на відстані 0,5 нм залишками Асп-25 та Асп-125, які беруть участь у гідролітичному розщепленні пептидного зв’язку субстрату [4]. Діаметр каталітичної западини дорівнює 1 нм, тобто відповідає діаметру молекули С60. Дані молекулярного моделювання передбачали, що в разі ван-дер-ваальсової взаємодії між ними доступ до активного центру ензиму буде блоковано. Дійсно, було синтезовано похідні С60, які пригнічували активність протеази ВІЛ в інфікованих моноцитах та лімфоцитах крові [5].
Хімічні властивості. Немодифіковані (пристінні) фулерени С60 є ліпофільними молекулами, вони нерозчинні у полярних розчинниках, зокрема у воді чи метанолі, краще розчиняються в аліфатичних і є максимально розчинними в ароматичних вуглеводнях, таких як толуол та бензол [6]. Завдяки гідрофобним властивостям молекула С60 може вбудовуватись у біологічні мембрани та локалізуватись у неполярних ділянках мембранних структур [7].
Фулереновий каркас є жорстким, і цик-логексатрієнові одиниці у його структурі залишаються пласкими, незважаючи на істотне відхилення геометрії спряжених подвійних зв’язків від нормальної планарної. Напруга, що виникає внаслідок такого відхилення, є причиною високої реакційної здатності фулеренів С60. Молекула С60 — досить сильний електронний акцептор, здатний приєднувати 1-6 електронів з утворенням відповідних аніонів Сда (де п — кількість приєднаних електронів) [8]. Висока спорідненість до електронів пояснюється тим, що після приєднання двох електронів нестійка 4п п-електронна система циклогексатрієнових одиниць на поверхні молекули С60 переходить у стабільну ароматичну (4п + 2) систему [3]. Отже, подвійні зв’язки в каркасі С60 є електронодефіцитними, що й зумовлює електронакцепторні властивості молекули та її здатність легко приєднувати реагенти, що містять неспарений електрон (вільні радикали). Фулерен С60 інколи називають «губкою для радикалів» — так, у роботі [9] показано, що одна молекула може приєднати 34 метильні радикали. Завдяки такій здатності фулерени діють у біологічних системах як уловлювачі вільних радикалів, зокрема гідроксильного та супероксид-аніону. Оскільки гіперпродукція кисневміс-
них радикалів є причиною виникнення багатьох клінічних патологій, антирадикаль-на активність фулеренів С60 та їхніх похідних відкриває перспективи застосування цих сполук як антиоксидантів.
Фізичні властивості. Фулеренам С60 притаманне інтенсивне поглинання в УФ-діапазоні (220, 265, 345 нм) та наявність менш інтенсивних смуг поглинання у видимому діапазоні (450, 600 нм) до 700 нм включно [10, 11]. Унікальною властивістю молекули С60 є здатність переходити під дією світлового випромінювання у збуджений стан та майже зі 100%-ю ефективністю продукувати активні форми кисню (АФК) — синглетний 1О2 та супероксиданіон О2 [12]. Після поглинання світла молекула фулере-ну С60 переходить у синглетний стан (1С60*), час існування якого у водних розчинах становить близько 1,3 нс [13, 14]. Основним механізмом розпаду синглетів фулерену є перехід у збуджений триплетний стан (3С60*), час існування якого в розчинах є більш тривалим — 50-130 мкс. Для виявлення фото-активності С60 у клітинах визначальним є час існування триплету 3С60*. Оскільки в’язкість цитоплазми є набагато вищою, ніж в’язкість водних розчинів, припускають, що ефективними продуцентами АФК у клітині можуть бути лише триплети з періодом існування > 100 мкс [12].
Запропоновано два шляхи продукування АФК фулеренами С60 після фотозбудження — за механізмом передачі енергії або ж за механізмом передачі електронів від фотозбуд-женої молекули С60 на молекулу О2 (рис. 2).
hv Go
C60 ^ C*60 ^ 3C*60 C60 + G2 1
hv O2
C60 ^ C 60 + донор е (HAÄH) ^ C*60 ^ C60 + G2 11
Рис. 2. Схема шляхів продукування активних форм кисню молекулою С60
Згідно з першим механізмом у разі зворотного переходу молекули фулерена зі збудженого триплетного стану у вихідний вивільнена енергія передається на молекулярний кисень з утворенням синглетного кисню (рис. 2, І). Згідно з другим механізмом за наявності у середовищі донорів електронів (наприклад, HAДH або амінних груп) збуджена молекула фулерена, яка є сильнішим акцептором електронів, аніж незбуджена, взаємодіє з донорами електронів і перетворюється на аніон-радикал, який передає електрон на молекулярний кисень з утворенням супероксиданіону (рис. 2, II).
Припускають, що у полярних біологічних системах механізм перенесення електронів є більш імовірним, ніж перенесення енергії, тому домінуючим буде процес утворення су-пероксиданіону, який є ініціатором реакцій утворення ЩО2 та гідроксилрадикала ^H.
У літературі описано результати модельних експериментів щодо ушкодження структури ДИК після фотозбудження молекули С60, зокрема щодо перетворення суперспі-ральної ДКК плазміди рВR322 на лінійну внаслідок виникнення одноланцюгових розривів [15, 16]. ^йбільш чутливими до дії утворюваних АФК виявились гуанінові основи, які перетворюються на 8-гідроксигу-анінові, що призводить до дестабілізації найближчого фосфодіефірного зв’язку та його гідролітичного розщеплення [17, 18]. Здатність фотозбуджених фулеренів С60 продукувати цитотоксичні для клітини кисневмісні радикали може бути використана в онкології для поліпшення методів фотоди-намічної терапії пухлин.
Таким чином, притаманні фулеренам С60 нанорозмірність, просторова тривимірність структури, антиоксидантні ефекти, унікальні фотофізичні властивості свідчать про перспективність застосування їх у біології та медицині. Проте основною перешкодою на цьому шляху є нерозчинність С60 у воді, що обмежує їх біодоступність. Унаслідок агрегації молекул С60 у водному розчині значно знижується їхня реакційна здатність. Тому актуальним є пошук оптимальних шляхів уведення фулеренів С60 у біологічні системи.
Методи створення проб фулеренів С60 для біологічних досліджень
Для підвищення ступеня солюбілізації фулеренів С60 використовують такі основні методичні підходи:
- отримання стабільних колоїдних розчинів фулеренів С60 у воді;
- утворення нековалентно-зв’язаних комплексів С60 з водорозчинними полімерами або комплексів за типом «гість-хазяїн»;
- хімічний синтез водорозчинних похідних через приєднання до поверхні С60 полярних замісників.
^модифіковані фулерени С60 здатні утворювати у воді стабільні «гідрофільні» колоїдні розчини, які називають також дисперсіями [19, 20, 21, 22]. Один зі способів їх отримання — змішування насиченого розчину С60 у бензолі з тетрагідрофураном (ТГФ) та водою з подальшою відгонкою ТГФ. Концентрація С60 у таких розчинах становить близько 510-6 М. [23]. Інший спо-
сіб одержання стабільних водних колоїдних розчинів С60, який дозволяє досягти концентрації С60 порядку 10-4 М, — це перенесення їх з органічної (толуол або бензол) у водну фазу шляхом тривалого оброблення суміші ультразвуком [20, 11]. Водні розчини С60 є молекулярно-колоїдними системами, що містять як поодинокі гідратовані молекули, зокрема С60 (Н2О)19 [24], так і гідратовані кластери молекул розміром 3,4-72 нм. Припускають, що найбільш енергетично-стабільною фулереновою структурою у водному розчині є клатрат С60(Н2О)60 [11]. Колоїдні розчини С60 є стабільними упродовж тривалого часу (9-18 міс), що зумовлено взаємним відштовхуванням асоціатів молекул фулеренів, поверхня яких заряджена негативно. Недоліком описаних підходів є те, що концентрація у воді фулеренів С60 в отримуваних розчинах є низькою.
З метою оптимізації введення фулеренів С60 у водне середовище, запобігання агрегації, забезпечення рівномірного розміщення і специфічності взаємодії молекул фулеренів С60 із біологічним субстратом у зоні контакту запропоновано такий підхід, як іммобілізація фулеренів на сферичних наночас-тинках діоксиду кремнію — аеросилу, який є хімічно інертним матеріалом з гідрофільною поверхнею [25]. Особливості будови такого фулеренвмісного композиту дозволяють модифікувати його поверхню допоміжними групами (антраценаль, флюоресцеїн та ін.), що здатні посилювати фотосенсибілізуваль-ний ефект фулеренів С60 та їхні ефекти у клітинах [26, 27, 28].
Серед водорозчинних полімерів, здатних утворювати донорно-акцепторні комплекси з фулеренами, найчастіше використовують нетоксичний детергент полі-К-вінілпіролі-дон (ПВП) [29]. Міжмолекулярні контакти в такій реакційній системі зумовлені донорно-акцепторною взаємодією молекул С60 з карбонільними групами полімерних ланцюгів ПВП. Згідно з даними роботи [30] розчинність фулерена С60 у складі комплексів С60/ПВП становить 5,610-4 М, проте їхня будова часто є невизначеною, а розчини їх нестабільні внаслідок формування надмолекулярних структур під час зберігання [31].
Фулерени С60 можуть утворювати водорозчинні комплекси включення типу «гість-хазяїн» з у-циклодекстринами (у-ЦД), що пояснюється стеричними факторами: сферична молекула С60 розміщується в порожнині молекули у-ЦД, яка має форму кошика [32]. Проте концентрації С60 порядку 10-4 М у таких розчинах можна досягнути
лише за умови надлишку у-ЦД, що є небажаним у біологічних дослідженнях [33].
Більш перспективним підходом до отримання водорозчинних препаратів С60 вважають хімічну модифікацію (функціоналіза-цію) фулеренового кора через приєднання замісників різної природи. Розчинність функціоналізованих похідних фулеренів у воді зумовлена наявністю в їхніх молекулах достатньої кількості полярних гідрофільних груп (гідроксильних, карбоксильних, аміногруп), які утримують гідрофобний С60 у розчині. З погляду молекулярної будови водорозчинні похідні фулеренів можна умовно поділити на дві групи — поліфункціо-налізовані сполуки, у яких замісники розташовані по всій поверхні фулеренового каркаса, та сполуки з одним чи декількома замісниками у певній ділянці каркаса [34].
Так, представниками першої групи є по-лігідроксильовані похідні фулерена С60, названі фулеренолами, яким притаманна’ антиоксидантна дія [35, 36]. Відомо декілька методів полілгідроксилювання С60, однак вони дають різні продукти — С60(ОН)7±2 [37], Сбо(ОН)12 [38] або С6о(оН)18 (рис. 3, а) та ін., розчинність яких у воді та біологічні ефекти варіюють залежно від кількості приєднаних гідроксильних груп.
но он
•vHOJ_____СОН-
НО 7 \ ОН но он
Рис. 3. Водорозчинні похідні фулеренів С
60
Стабільно відтворюваним є синтез похідних С60, що містять три залишки малонової кислоти і несуть негативний заряд, — так званих трикарбоксифулеренів С60 [С(СОО)2]3 [39]. У D-3 ізомера цієї сполуки замісники розташовані вздовж екватора кора, тимча-сом як у С-ізомера — на одній напівсфері. Такі відмінності в розташуванні замісників призводять до значних відмінностей у властивостях ізомерів, зокрема у виявленні ней-ропротекторних ефектів у кортикальних культурах. Водорозчинними є поліфункціо-налізовані фулерени, що містять 6 етокси-карбонільних груп [40] або ж 6 сульфатованих аліфатичних ланцюгів С60[(СН2)4803Н]6 [41].
Встановлено, однак, що деякі з водорозчинних поліфункціоналізованих похідних фулеренів втрачають антирадикальну ак-
тивність, зокрема здатність реагувати з продуктами радіолізу води — ^H, .H та гідрато-ваними електронами e-aq [42]. Припускають, що шар зарядів гідрофільних груп, які оточують гідрофобний кор молекули С60, запобігає реакції між такими продуктами та негативно зарядженими похідними С60 і є причиною міцелярної агрегації.
Доведено, що численні замісники, приєднані вздовж усієї поверхні молекули фу-лерена, змінюють електронну структуру вуглецевого скелета, порушуючи кон’югова-ну систему спряжених подвійних зв’язків, що призводить до зниження як антиради-кальної активності, так і фотосенсибілізу-вальної здатності [35, 40, 42]. Тому актуальним є синтез водорозчинних сполук, у яких більша частина вуглецевого кору була б вільною від замісників. Хоча синтез таких сполук є складнішим, на сьогодні вже отримані різноманітні їх представники.
Досліджено, зокрема властивості бісфунк-ціоналізованих фулеренів — С60[С(СОО-)2]2 та C60[C4H10N+]2 [35], що несуть, відповідно, позитивний та негативний заряди і не утворюють кластерів у розчині. Показано, що константа швидкості реагування цих похідних з •ОH-радикалом (~ 8,0^109М-1с-1), є вищою, ніж для такого поліпохідного, як С^ОЩ^ (2,4109М-1с-1). Час існування збудженого триплетного стану цих двох бісфункціоналі-зованих похідних у фотозбуджених розчинах — приблизно 50 мкс, що лише вдвічі нижче, ніж показник для інкапсульованих у Y-ЦД фулеренів С60, а константа швидкості гасіння триплетного стану та утворення 1О2 (1,25 та 1,73 109М-1с відповідно) є такою самою, як і для пристінних фулеренів С60 [35, 43].
Добре розчинними вважають С60-похід-ні, які дають справжні водні розчини з концентрацією 0,5-1 мг/мл [34], хоча на сьогодні синтезовано сполуки і з вищою розчинністю. Так, розчинність солей С60-похідних з п’ятьма ароматичними замісниками, розташованими навколо одного пентагонального циклу на фулереновому каркасі, становить близько 100 мг/мл; в експериментах на клітинних культурах продемонстровано низьку токсичність таких сполук та їхню здатність пригнічувати активність ВІЛ [44].
Один із шляхів синтезу водорозчинних похідних С60 з одним розкритим на фулере-новому каркасі зв’язком — отримання кон’югатів унаслідок утворення ковалентного зв’язку між С60 і циклодекстрином, поліетиленгліколем або полівінілпіролідо-ном. Так, синтезовано кон’югат С60^ЦД,
а
який добре розчиняється у воді (2,5 мг/мл) і розчини якого стабільні упродовж декількох тижнів у разі зберігання при -10 °С [45]. Показано, що кон’югат фулерена С60 з полі-етиленгліколем [46] та полімер С60-ПВП (із розчинністю у воді 5,62 мг/мл) можуть бути перспективними для фотодинамічної терапії пухлин [16].
Найбільш високорозчинним серед моно-заміщених похідних є дендримерне похідне С60, розгалужені ланцюги у складі якого містять 18 карбоксильних груп, його розчинність за рН 7,4-34 мг/мл [47].
Альтернативний підхід до синтезу водорозчинних похідних С60 з одним замісником, приєднаним до вуглецевого каркасу, — одержання кон’югатів з пептидами або з олі-гонуклеотидами. Фулереновий кор у складі таких сполук часто виконує допоміжну роль, збільшуючи ліпофільність активної біологічної молекули [48]. Так, приєднання до С60 пентапептиду Тре-Тре-Асн-Тир-Тре, який відіграє важливу роль у хемотаксисі моноцитів, посилює його біологічну активність [49]. З’ясовано, що наявність термінального залишка С60 не впливає на утворення пептидним ланцюгом регулярної вторинної структури, зокрема 310-спіралі (рис. 3, б) [49] або ^-структури [50], стабілізованих внутрішньомолекулярними водневими зв’язками.
Отримано кон’югат С60 з олігонуклеоти-дом, що складається з 14 нуклеотидних залишків і зв’язується з одноланцюговою ДНК за принципом парування основ [51]. У разі фотозбудження С60 у складі кон’юга-та відбувається неспецифічне до певних послідовностей розщеплення ДНК за гуаніно-вими залишками. У роботі [52] описано олігонуклеотидне похідне фулерена С60, що містить ланцюг з 37 нуклеотидних залишків і призначено для доставлення фотосенсити-затора до нуклеїнових кислот. Стабільність комплексу С60-ДНК може бути підвищено приєднанням до молекул фулерена не лише олігонуклеотидного фрагмента, але й фрагментів, збагачених на позитивно заряджені групи, що утворюють допоміжні іонні зв’язки з фосфатними групами ДНК. Так, для оп-тимізації методу трансфекції клітин ссавців синтезовано С60-похідні з ланцюгами тетра-амінної природи, які зв’язуються з плазмід-ним ДНК-вектором і після проникнення у клітину захищають ДНК від ензиматичної деградації [53].
Розподіл в організмі та токсичність in vivo. Ліпофільні властивості фулеренів С60 обмежують їх адсорбцію, проникність через
стінку кишечнику, розподіл в органах та проникнення всередину клітин, проте показано, що сполуки фулеренів здатні проникати через плазматичні мембрани та накопичуватись в окремих тканинах, що певною мірою залежить від способу введення С60 в організм та ступеня розчинності сполуки.
При пероральному введенні фулерени С60 та їх малорозчинні похідні не засвоюються і виводяться з організму впродовж приблизно 160 год [54]. У разі внутрішньочеревного введення водної суспензії фулеренів С60 мишам та щурам у дозах 0,5 та 2 г/кг відповідно максимальний рівень акумуляції С60 (24%) спостерігався через 7 днів. Методом скану-вальної електронної мікроскопії виявлено накопичення кристалів С60 у клітинах печінки та селезінки (у ретикулоендотеліаль-них клітинах), морфологічні ознаки тканини при цьому не змінювались [55], величини LD50 дорівнювали відповідно 0,7 та 1,2 г/кг.
Згідно з даними роботи [56] через добу після внутрішньочеревного введення суспензії фулерени С60 виявляли в макрофагах печінки, через 7-12 днів — у гепатоцитах, купферовських та жирових клітинах без ознак їх ушкодження.
У разі внутрішньовенного введення малорозчинних похідних С60 спостерігається швидкий розподіл їх усередині організму. Так, з використанням міченої за 14С С60-піро-лідинокарбонової кислоти вже через 1-16 год після введення 62%, 11% та 1,2% від загальної кількості мітки виявляли у печінці, селезінці та мозку відповідно. Через 7 діб виявляли лише 2% мітки, зосередженої у скелетних м’язах [54].
Високорозчинні у воді похідні фулеренів С60 виводяться значно швидше. Так, дослідження розподілу радіоактивного фулеренолу 125І-С60(ОН) показало, що після внутрішньовенного введення сполука швидко, протягом 1 год, розповсюджується по всіх органах, окрім мозку, і акумулюється у печінці, нирках, селезінці та шлунку, тимчасом як із тканин серця, легень, м’язів, шкіри та кишечнику виводиться упродовж 72 год [57]. Згідно з даними щодо розподілу 14С-міченої С60-піролідинокарбонової кислоти цю сполуку у разі внутрішньовенного введення виявляли і в мозку, що свідчить про її ліпофіль-ність, достатню для проникнення через гематоенцефалічний бар’єр. Гостра токсичність сполуки була низькою, хронічних токсичних ефектів не спостерігали [54].
У роботі [46] досліджено розподіл в організмі мишей-пухлиноносіїв міченого кон’ю-гату 125І-С60-поліетиленгліколю після внут-
рішньовенного введення. Кон’югат рівномірно розподілявся в усіх органах, через 24 год з організму виводилось 78% міченої сполуки, а через 144 год вона виводилась повністю. 125І-С60-поліетиленгліколь не виявляв специфічної спорідненості до нормальних тканин, але його вміст у пухлинній тканині був вищим, ніж у нормальних тканинах.
Згідно з токсикологічною класифікацією, сполуки, які виявляють токсичність у дозах, що перевищують 1 г/кг, належать до нетоксичних [58]. Про відсутність токсичності пристінних С60 свідчать результати роботи [59], у якій встановлено, що внутріш-ньоочеревинне введення мишам суспензії С60 (2,5 г/кг) не спричиняло загибелі тварин або порушень у поведінці упродовж 8 тижнів. Не виявлено токсичних ефектів колоїдних розчинів С60 в експериментах in vivo та in vitro за сумарних доз до 25 мг/кг [60].
Водорозчинні похідні С60, як правило, також не виявляють гострої токсичності in vivo у дозах до 200-500 мг/кг [61]. Так, величина LD50 для фулеренола С60(ОН)18 при внутрішньовенному введенні становить 1,2 г/кг [55]. Слід зазначити, що токсичність похідних С60 може варіювати залежно від природи замісника. Так, синтезовано добре розчинне у воді моносукцинімідпохідне аміноетилди-
ЛІТЕРАТУРА
1. Елецкий А. В., Смирнов Б. М. Фулерены и структуры углерода // Усп. физ. наук. — 1995. — Т. 165. — С. 977-109.
2. Kroto H. W., Heath S., O’Brien S. C. et al. C60: Buckminsterfullerene // Nature. — 1985. — V. 318, N 6042. — P. 162-163.
3. Wilson S. R. Biological aspects of fullerenes // Fullerenes: Chemistry, Physics and Technology. — New York: John Wiley & Sons, 2000. — P. 437-465.
4. Sijbesma R., Srdanov G., Wudl F. et al. Synthesis of fullerene derivative for the inhibition of HIV enzymes // J. Am. Chem. Soc. — 1993. — V. 115. — P. 7918-7919.
5. Schinazi R. F., Sijbesma R., Srdanov G. et al. Synthesis and virucidal activity of a water-soluble, configurationally stable, derivatized C60 fullerene // Antimicrob. Agents Chemo-ther. — 1993. — V. 37. — P. 1707-1710.
6. Dresselhaus M. S., Dresselhaus G., Eklund P. C. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes. — New York: Academic Press, 1996. — P. 23-89.
7. Foley S., Crowley C., Smaihi M. et al. Cellular localization of a water-soluble fullerene derivative // Biochem. Biophys. Res. Commun. — 2002. — V. 294. — P. 116-119.
феніл-С60, яке у разі внутрішньовенного введення тваринам у дозі 15 мг/кг не спричиняло токсичних ефектів, але за підвищення дози до 25 мг/ кг призводило до загибелі тварин [62].
Таким чином, фулерени С60 виявляють унікальні фізико-хімічні властивості, які відкривають можливості їх медичного застосування. Хоча С60 та його похідні, як правило, не виявляють гострої та хронічної токсичності, накопичення їх в організмі є негативним чинником. Використання фулеренів С60 як антиоксидантів або фотосенситизаторів є перспективним, проте здатність молекули С60 уловлювати радикали, так само, як і здатність генерувати АФК після фотозбуд-ження, обмежується нерозчинністю С60 у воді та агрегацією молекул. Уведення замісників у фулереновий кор частково вирішує цю проблему, однак для збереження біологічних ефектів виникає потреба, по-перше, дотримуватися балансу гідрофільних та гідрофобних властивостей молекули, а по-друге, обмежувати кількість та розмір замісників, які порушують п-кон’юговану систему фуле-ренового кора. Потрібні подальші дослідження щодо пошуку оптимальних варіантів уведення молекули С60 у біологічні системи.
8. Xie Q., Perez-Cordero. E., Echegoyen L. Electrochemical Detection of C60 and C70: Enhanced Stability of Fullerides in Solution // Am. Chem. Soc. — 1992. — V. 114. — P. 3978-3980.
9. Krusic P. J., Wasserman P. N., Keizer P. N. et al. Radical reactions of C60 // Science. — 1991. — V. 254. — P. 1183-1185.
10. Jensen A. W., Wilson S. R., Schuster D. I. Biological applications of fullerenes // Bioorg. Med. Chem. — 1996. — V. 4. — P. 767-779.
11. Scharff P., Risch K., Carta-Abelmann L. et. al. Structure of C60 fullerene in water: spectroscopic data // Carbon. — 2004. — V. 42. — P. 1203-1206.
12. Da Ros T., Spalluto G., Prato M. Biological applications of fullerene derivatives: a brief overview // Croat. Chem. Acta. — 2001. — V. 74. — P. 743-755.
13. Arbogast J. W., Foote C. S. Photophysical properties of C60 // J. Am. Chem. Soc. — 1991. — V. 113. — P. 8886-8889.
14. Orfanopoulos M., Kambourakis S. Chemical evidence of singlet oxygen production from C60 and C70 in aqueous and other polar media // Tetrahedron Lett. — 1995. — V. 36. — P. 435-438.
15. Tokuyama H., Yamago S., Nakamura E. et al. Photoinduced biochemical activity of fulle-rene carbocyclic acid // J. Am. Chem. Soc. —
1993. — V. 115. — P. 7918-7919.
16. Iwamoto Y., Yamakoshi Y. A highly water-soluble C60-NVP copolymer: a potential material for photodynamic therapy // J. Chem. Commun. — 2006. — V. 46. — P. 4805-4807.
17. Саприн А. H., Калинина Е. В. Окислительный стресс и его роль в механизмах апопто-за и развитии патологических процессов // Усп. совр. биол. химии. — 1999. — Т. 39. —
С. 289-326.
18. Boutorine A. S., Tokuyama H., Takasugi M. et al. Fullerene-oligonucleotide conjugates: Photoinduced sequence-specific DNA cle-vage // Angew. Chem. Intern. Ed. — 1994. — V. 33. — P. 2462-2465.
19. Scrivens W. A., Tour J. M., Creek K. E., Pirisi L. Synthesis of labeled C60, its suspension in water, and its uptake by human keratino-cytes // J. Am. Chem. Soc. — 1994. — V. 116. — P. 4517-4518.
20. Andrievsky G. V., Kosevich M. V., Vovk G. M. et al. Gn the production of an aqueous colloidal solution of fullerenes // J. Chem. Soc. Chem. Commun. — 1995. — Is. 12 — P. 1281-1282.
21. Sayes C. M., Fortner I. D., Guo W. et al. The differential cytotoxicity of water-soluble fullerenes // Nano Lett. — 2004. — V. 4. — P. 1881-1887.
22. Labille J., Brant J., Villieras F. et al. Affinity of C60 fullerene with water // Fuller. Nanotub. Carb. nanostruct. — 2006. — V. 14. — P. 307-314.
23. Deguchi S., Alarg R. G., Tsujii K. Stable dispersions of fullerenes C60 and C70 in water. Preparation and characteristics // Lang-muir. — 2001. — V. 17. — P. 6013-6017.
24. Korobov M. V., Stukalin E. B., Ivanova N. I. et al. DSC srudy of C60-water system: unexpected peak // ТЬє exciting world of Nanocages and Nanotubes / Ed. By P. Kamat, D. Guldi, K. Kadish. — Fullerenes. ECS, 2002. — V. 12. — P. 799-814.
25. Golub A., Matyshevska G., Prylutska S. et al. Fullerenes immobilized at silica surface: topology, structure and bioactivity // J. Mol. Liq. — 2003. — V. 105, N 2-3. — P. 141-147.
26. Прилуцька С. В., Гринюк 1.1., Голуб О. А., Матишевська О. П. Оцінка параметрів ци-тотоксичності фулеренів С60 та С60-вмісних композитів in vitro // Доп. HAHУ. — 2006. — № 1. — С. 163-167.
27. Прилуцька С. В., Гринюк 1.1., Бурлака А. П. та ін. Оксидантні властивості фотозбудже-них фулеренів С60 та С60-вмісних композитів у суспензіях тимоцитів та клітин ас-цитної карциноми Eрліха // Укр. біохім. журн. — 2006. — Т. 78, № 4. — С. 131-137.
28. Scharff P., Ritter U., Prylutska S. et al. Therapeutic reactive oxygen generation // Tumori. — 2008. — V. 94. — P. 278-283.
29. 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.
30. Yamakoshi Y. N., Yagami T., Fukuhara K. et al. Solubilisation of fullerenes into water with polyvinylpyrrolidone applicable to biological test // J. Chem. Soc. Chem. Commun. — 1994. — Is. 4. — P. 517-518.
31. Pavlov G., Nazarova G., Ebel C. et al. Molecular Characteristics of Star-Like Polyvinylpyrrolidone with Fullerene C60 as the Branching Site in Dilute Solutions // Russ. J. Appl. Chem. — 2005 — V. 78, N. 1. — P. 1981-1986.
32. Anderson T., Westman G., Wennerstrom G., Sundahl M. NMR and UV-VIS investigation of Water-soluble fullerene-C60-g cyclodext-rin // J. Chem. Soc. Perkin Trans. ІІ. —
1994. — Is. 5. — Р. 1097-1101.
33. Buvari-Barcza A., Rohonczy J., Rozlosnik N. et al. Aqueous solubilisation of [60]fullerene via inclusion complex formation and the hydration of C60 // Ibid. — 2001. — P. 191-196.
34. Troshin P. A., Lyubovskaya R. N. Grganic chemistry of fullerenes: the major reactions, types of fullerene derivatives and prospects for practical use // Russ. Chem. Rev. — 2008. — V. 77, N. 4. — P. 323.
35. Guldi D., Asmus K. Activity of water-soluble fullerenes towards GH-radicals and molecular oxygen // Radiat. Phys. Chem. — 1999. — V. 56. — P. 449-456.
36. Kamat J. P., Devasagayam T. P., 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(1-3). — P. 55-61.
37. Chen Y-W., Hwang K., Yen C-C., Lai Y-L. Fullerene derivatives protect against oxidative stress in RAW 264.7 cells and ischemia-reperfused lungs // Am. J. Physiol. Regular Integr. Comp. Physiol. — 2004. — V. 287. — P. 21-26.
38. Conti F., Corvaja C., Maggini M. et al. A fulleropyrrolidine binitroxide: synthesis, EPR and electrochemical features // Phys. Chem. Chem. Phys. — 2001. — V. 3, Is. 17. — P. 3518 — 3525.
39. Dugan L. L., Turetsky D. V., Du C. et al. Carboxyfullerenes as neuroprotective agents // Proc. Natl. Acad.Sci. USA. — 1997. — V. 94. — P. 9434-9439.
40. Hamano T., Gkuda K., MashinonT. et al. Singlet oxygen production from fullerene derivatives: effect of sequential functiona-
lization of the fullerene core // Chem. Commun. — 1997. — Is. 1. — P. 21-22.
41. Chiang L. Y., Lu F.-J., Lin J.-T. Free radical scavening activity of water-soluble fullere-nols // J. Chem. Soc. Chem. Commun. —
1995. — Is. 12. — P. 1283-1284.
42. Lu C.-Yu., Yao S.-D., Lin W-Z. et al. Studies on the fullerol of C60 in aqueous solution with laser photolysis and pulse radiolysis // Radiat. Phys. Chem. — 1998. — V. 53. — P. 137-143.
43. Foote C. Photophisical and photochemical, properties of fullerenes // Top. Curr. Chem. —
1994. — V. 169. — P. 347-363.
44. Troshina G., Troshin P., Peregudov A. et al. Chlorofullerene C60Cl6: a precursor for straightforward preparation of highly water-soluble polycarboxylic fullerene derivatives active against HIV // Grg. Biomol. Chem. — 2007. — V. 5. — P. 2783.
45. Liu Yu., Zhao Yan-Li, Chen Yong et al. A water-soluble ß-cyclodextrin derivative possessing a fullerene tether as an efficient photodriven DNA-cleavage reagent // Tetrahedr. Let. — 2005. — V. 46, Is. 14. — P. 2507-2511.
46. Tabata Y., Murakami Y., Ikada Y. Photodynamic effect of polyethylene glycol-modified fullerene on tumor // Jpn. J. Canc. Res. —
1997. — V. 88 (11). — P. 1108-1116.
47. Brettreich M., Hirsch A. A higly water-soluble dendro[60]fullerene // Tetrahedr. Let. —
1998. — V. 39. — P. 2731-2734.
48. Bianco A., Da Ros T., Prato M., Toniolo C. Fullerne-based amino acids and peptides // J. Pept. Sci. — 2001. — V. 7. — P. 208-219.
49. Toniolo C., Bianco A., Maggini M. et al. A bioactive fullerene pepetide // J. Med. Chem. — 1994. — V. 37. — P. 4558-4562.
50. Konarev D. V., Khasanov S. S., Gtsuka A. et al. First negatively charged n-(C60-)2 dimer bonded by two single bonds with biradical state at room temperature // J. Am. Chem. Soc. — 2006. — V. 128. — P. 9292-9293.
51. Goryunkov A., Mazej Z., Zemva B. et al. C60 fluorination with rare earth metal tetrafluorides: an extreme PrF4 case // Mendeleev Communic. — 2006. — V. 16, Is. 3. — P. 159-161.
52. Boltalina G., Markov V., Taylor R., Waugh M. Preparation and characterisation of C60F1 // Chem. Commun. — 1996. — Is. 22. — P. 2549-2550.
53. Isobe H., Tanaka T., Nakanishi W. et al. Regioselective oxygenative tetraamination of [60]fullerene. Fullerene-mediated reduction of molecular oxygen by amine via ground state single electron transfer in dimethyl sulfoxide // J. Org. Chem. — 2005. — V. 70, N12. — P. 4826-32.
54. Yamago S., Tokuyama H., Nakamura E. et al. In vivo biological behavior of a water-misci-ble fullerene: labeling, absorbtion, distribution, excretion and acute toxicity // Chem. Biol. — 1995. — V. 2. — P. 385-389.
55. Ueng T. H., Kang J. J., Wang H. W., Cheng Y. W., Chiang L. Y. Suppresion of microsomal cytochrome P450-dependent monooxygenases and mitochondrial oxidative phosphorylation by fullerenol, a polyhydroxylated fullerene C60 // Toxicol. Lett. — 1997. — V. 93. — P. 29-37.
56. Kolosnjaj H., Szwarc H., Moussa F. Toxicity studies of fullerenes and derivatives // Adv. Exp. Med. Biol. — 2007. — V. 620. — P. 168-180.
57. Ji Z. Q., Sun H., Wang H. et al. Biodistribution and tumor uptake of C60(OH)x in mice // J. Nanopart. Res. — 2006. — V. 8, N 1. — P. 53-63.
58. Пиотровский Л. Б., Киселев О. И. Фуллере-ны в биологии. — Санкт-Петербург: Росток, 2006. — 335 с.
59. Moussa F., Trivin F., Ceolin R. et al. Early effects of C60 administration in Swiss mice: a premilionary account for in vivo C60 toxicity // Full. Sci. Technol. — 1996. — V. 4. — P. 21-29.
60. Andrievsky G. V., Klochkov V., Derevyanchen-ko L. Is C60 fullerene molecule toxic // Fuller. Nanotub. Carbon Nanostruct. — 2005. — V. 13. — P. 363-376.
61. Richardson C., Schuster D., Wilson S. Properties of water soluble fullerene derivatives // Fulleren. — 2000. — V. 9. — P. 226-232.
62. Rajagopalan P., Wudl F., Schinazi R., Boudi-not F. Pharmacokinetics of a water-soluble fullerene in rats // Antimicrob. Agents Chemother. — 1996. — V. 40, N10. — P. 2262-2265.
ФУЛЛЕРЕНЫ С60 — БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ МОЛЕКУЛЫ L Физико-химические свойства и биодоступность
О. П. Матышевская С. В. Прилуцкая И. И. Гринюк
Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко
E-mail: matysh@yahoo.com
Осуществлен анализ данных литературы относительно особенностей строения представителей нового класса наносоединений — фуллере-нов С60, их физических и химических свойств, способов введения в биологические системы, токсичности и перспектив использования как биологически активных соединений.
Ключевые слова: фуллерен С6о, водорастворимые производные С6о, продуцирование АФК, биодоступность.
FULLERENES С60 — BIOLOGICALLY ACTIVE MOLECULES
І. Physicochemical properties and bioavailability
G. P. Matyshevska
S. V. Prylutska
I. I. Grynyuk
National Taras Shevchenko University, Kyiv
E-mail: matysh@yahoo.com
Analysis of the literature data concerning structure of a new class of nanocompounds — fullerenes C60, their physical and chemical properties, and ways of introduction into biological systems, toxicity and perspectives of using as biologically active compounds is carried out.
Key words: fullerene С60, С60 water-soluble derivatives, RGS production, bioavailability.
