Исследования производных фуллеренов на специфическую и биологическую активность

Одно из наиболее перспективных направлений органической химии фуллерена – синтез на его основе физиологически активных веществ.

   Впервые органические производные фуллерена были испытаны в качестве биологически активных соединений в 1993 году почти одновременно группой американских ученых (Friedman S.H, DeCamp D.L., Sijbesma R.P. Srdanov G., Wudl F., Kenyon G.L. // J. Am. Chem. Soc. – 1993. – v. 115. – p. 6506 – 6509)  и японскими исследователями (Tokuyama H., Yamago S., Nakamura E. // J. Am. Chem. Soc. – 1993. – v. 115. – p. 7918)  на примерах синтезированных ими дизамещенных метанофуллеренов и продуктов циклоприсоединения к С60. В этих и последующих работах было показано, что при облучении в присутствии кислорода указанные соединения способны разрывать цепь ДНК, проявлять цитотоксичность против опухолевых клеток и ингибирующую активность по отношению к различным энзимам, в том числе ингибировать протеазы ВИЧ. За короткий период проведено значительное число исследований, показавших, что многие органические производные фуллерена являются биологически активными. Фармакокинетика водорастворимых производных фуллерена показала, что они обладают очень низкой токсичностью и способны выводиться из организма с приемлемой скоростью.

Водорастворимые аминокислотные производные фуллерена обладают выраженной мембранотропной активностью, т.е. способны проникать в своей ионизированной форме через биологические мембраны и тем самым вызывать их деполяризацию.

         Наиболее интенсивно изучаемыми видами биологической активности производных фуллерена являются их антивирусная активность и фотосенсибилизационные свойства в фотодинамической терапии злокачественных опухолей. Уже в начале 90-х годов появляются первые сообщения о том, что  органические производные фуллерена С60 обладают противовирусным действием в отношении вируса иммунодефицита человека.

Фуллерен С60  имеет структуру усеченного икосаэдра с 6 осями пятого порядка. Известно, что этот тип симметрии более характерен для живой материи. Многие биологически важные молекулы обладают осью симметрии пятого порядка. Более того, молекулярные структуры некоторых белков по форме напоминают фуллерен, подобные структуры имеют и некоторые вирусы и иные, жизненно важные биологические структуры. Интересны соответствия геометрических размеров молекулы фуллерена C60 и его сферических кластеров структуре молекулы ДНК.

           Другими словами, фуллерен C60 можно рассматривать как связующее структурное звено между органической и неорганической материей. Он и молекула, и частица одновременно. Диаметр молекулы С60 составляет около 1 нм, что соответствует границе дисперсности пролегающей между “истинным”, молекулярным состоянием веществ и наносистемами.

   Уникальной особенностью анти-ВИЧ препаратов на основе фуллеренов является механизм их действия, основанный на  связывании с поверхностным гликопротеином оболочки вируса gp120 и ингибированием входа вируса в клетки человека. Это позволяет создавать на основе указанных соединений принципиально новые лекарственные средства для лечения СПИДа.        

         Весьма перспективно применение производных фуллерена, основанное на их способности к фотосенсибилизированной генерации синглетного кислорода. Фуллерен и его производные в растворах обладают интенсивными полосами поглощения в ближней УФ-области, захватывающими также видимую область, вследствие чего они интенсивно окрашены. При облучении видимым или УФ-светом молекула фуллерена переходит в возбужденное синглетное состояние, которое посредством эффективной интеркомбинационной конверсии релаксирует в триплетное возбужденное состояние, способное к передаче энергии на кислород в основном (триплетном) состоянии с образованием синглетного кислорода (2) – сильного окислителя, способного, в частности, разрушать ДНК опухолевых клеток. Селективное уничтожение именно клеток злокачественных опухолей связано, в частности, с их непрерывным делением, вследствие которого их ДНК открыта и, следовательно, доступна для атаки. Другими аспектами селективности являются локальность облучения и инъекции фотосенсибилизатора, а также функциональные группы, способные селективно связываться с ДНК опухолей.

         Другими видами биологической активности, обнаруженными у фуллереновых производных, являются:

         - антибактериальная активность, которая предположительно связана со способностью фуллереновой сферы проникать в гидрофобные клеточные мембраны; возникающее в результате изменение структуры мембраны приводит к нарушениям метаболических процессов в бактериальной клетке и ее гибели ;

         - способность ингибировать нейродегенеративные процессы и апоптоз (естественную гибель) клеток, которые связываются со способностью производных фуллерена выступать в качестве ловушек свободных радикалов, участвующих в этих процессах.