Перспективы использования фуллеренов и их производных в качестве антиоксидантов в патогенетической терапии бронхиальной астмы

Ширинкин С.В., Чурносов М.И., Андриевский Г.В., Васильченко Л.В.

Белгородский государственный университет. Медицинский факультет, кафедра медико-биологических дисциплин.

Институт Сцинтиляционных Материалов (ИСМА) Национальной Академии Наук Украины, Научно-Технологический Концерн «Институт Монокристаллов»  НАН Украины. Отдел Наноструктурных Материалов.

Адрес: Россия. 308015, г. Белгород, ул. Победы, 85.

Украина. 61001, Харьков, пр. Ленина, 60.

Резюме. В структуре болезней органов дыхания бронхиальная астма (БА) является одной из самых распространенных патологий, которая может носить тяжелый характер и подчас приводить к летальному исходу. Окислительный стресс является важной патогенетической компонентой данного заболевания. В основе чрезмерной активации ПОЛ может лежать первичная, генетически обусловленная недостаточность функции системы антиоксидантной защиты. Развитие медицинских нанотехнологий с применением при БА фуллеренов (C₆₀), с учетом выраженных у них антиоксидантных свойств, возможности получения гидратированных форм C₆₀ для энтерального и парэнтерального введения в организм человека, и отсутствия данных об острых и хронических интоксикациях ими — все это открывает новые возможности в лечении и профилактики данной патологии органов дыхания.

Ключевые слова: фуллерены, C_60, бронхиальная астма, гены.

Болезни органов дыхания (БОД) являются серьезной медико-социальной проблемой для здравоохранения во всех странах мира, в первую очередь из-за высокого уровня заболеваемости, инвалидности и смертности. В структуре БОД бронхиальная астма  (БА) является одной из самых распространенных патологий, которая может носить тяжелый характер и подчас приводить к летальному исходу. Так, в России распространенность БА на 1997 г. составляла 5-8%, а астмоподобных симптомов-39,1%, в настоящее же время заболеваемость составляет более 9% всего населения [1,2,3,4,5].

Окислительный стресс является важной патогенетической компонентой данного заболевания [6,7,8,9,10,11,12], что особенно значимо в условиях недостаточности системы антиоксидантной защиты (АОЗ) [13,14,15].

Основными антиоксидантами, используемыми в патогенетической терапии гиперактивации ПОЛ мембран, являются витамины А, К, Е, С и микроэлементы цинк, медь, железо, селен и марганец в качестве ко-факторов ферментов системы АОЗ [16,17,18,19,20,21]. Важной характеристикой работы антиоксидантов является их расходование в реакциях инактивации активных форм кислорода и «сгорание». В этом плане заслуживает внимания новая группа антиоксидантов — фуллерены, которая лишена данного признака.

Фуллерены — это группа специфических молекул, состоящих только из атомов углерода, которые объединены между собой чередующимися одинарными и двойными связями в единые сферические каркасы. Сопряженность одинарных и двойных связей в молекулах фуллеренов придает им т.н. псевдоароматические свойства, что обуславливает их способность участвовать в различных реакциях присоединения. Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Р. Бакминстеру Фуллеру, чьи архитектурные конструкции построены по принципу сетчатых сферических поверхностей. Впервые фуллерены были открыты в 1985 Х. Крото, Хит. 0′ Брайен и Р. Смолли, а в 1992 их обнаружили в древних пластах земной коры, шунгите, а позже и в метеоритном веществе. Открытие фуллеренов удостоено Нобелевской премии по химии за 1996 г. и стало одним из ярких научных достижений конца ХХ века. Наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — фуллерен C₆₀. Его называют иногда бакминстер-фуллерен, в котором 60 атомов углерода образуют многогранник из 12 пятиугольников и 20 шестиугольников, что придает такому фуллерену полное сходство с покрышкой футбольного мяча. Размер такой молекулы — приблизительно 10 Ангстремов. Известны фуллерены C₇₀, C₇₆, C₈₂, C₈₄, а также с большим числом атомов углерода, вплоть до 256, которые именуют гигантскими фуллеренами [22,23].

Способность фуллеренов и их производных инактивировать свободные радикалы кислорода была описана в 1991 г., когда Krustic at al. в журнале «Science» характеризовали фуллерен С₆₀ как «губку, способную впитывать свободные радикалы» и что обусловлено электрон-акцепторными свойствами его псевдоароматической структуры. Например, одна молекула фуллерена C₆₀ способна присоединять вплоть до 34 метильных радикала [24]. Другими словами, фуллерены способны эффективно ингибировать свободнорадикальные процессы и, фактически, выступать в качестве антиоксидантов. При этом, как принято считать, антиоксидантная эффективность фуллеренов зависит от числа неразорванных двойных связей в их углеродном каркасе. Поэтому наибольшей антиоксидантной активностью обладают нативные, химически немодифицированные молекулы фуллеренов. «Пришивка» к ним различных химических групп сопровождается разрывом их двойных связей, понижением электронно-акцепторных и антиоксидантых свойств фуллеренового каркаса [25].

К сожалению, такое традиционное представление о причинах антирадикальной активности фуллеренов игнорирует весьма важные факты, обнаруженные в 2000 году коллективом ученых из Франции, Англии и Германии. Было убедительно показано, что однотипные водорастворимые химические моно- и полипроизводные С₆₀, содержащие различное количество двойных связей в фуллереновом каркасе, не имеют каких-либо существенных различий в антирадикальной активности, а нейтрализация свободнорадикальных форм кислорода происходит без их непосредственного взаимодействия с фуллереновой сеткой [26]. Такие неожиданные факты свидетельствуют о том,  что антирадикальная активность фуллеренов не связана напрямую с химическими свойствами фуллеренового каркаса, а обусловлена особенностями влияния фуллеренов на свойства водной среды, которая их непосредственно окружает.

Более того, в 2004 году обнаружилось, что аналогичные производные фуллерена С₆₀, действуя как катализаторы, могут имитировать действие супероксиддисмутазы (СОД) — фермента, участвующего в нейтрализации супероксид анион радикала — побочного, потенциально токсичного продукта клеточного метаболизма. При этом также было показано, что подобная нейтрализация происходит без непосредственного участия фуллеренового каркаса с кислородными радикалами [27].

В целом, in vivo и in vitro фуллерены способны эффективно инактивировать как супероксидный, гидроксидный анион-радикалы, так и синглетный кислород [28,29,30,31]. Последние, как уже было сказано выше, являются первичными маркерами воспаления и развития окислительного стресса, обуславливающие этиологию и патогенез БА.

В соответствие с вышесказанным, в 2004 году [32] Андриевским Г.В. и соавт. предложена новая модель антиоксидантного действия для немодифицированного гидратированного фуллерена C₆₀ (HyFn), когда адсорбция, концентрирование и самонейтрализация свободных радикалов происходит за счет упорядоченных водных структур, сформировавшихся вокруг С₆₀. Такой механизм действия принципиально отличает HyFn от уже известных антиоксидантов [33]. Основываясь на физико-химических свойствах HyFn и его водных молекулярно-коллоидных растворов (C₆₀FWS) [34,35], эта модель подтверждается данными динамического светорассеяния (DLS), малоуглового нейтронного рассеяния (SANS), низкотемпературной дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC), что достаточно хорошо совпадает с результатами молекулярного моделирования  M. Chaplin [36].

Проведенные широкомасштабные биологические испытания гидратированных фуллеренов (HyFn) показали, что они, будучи сами по себе нетоксичными, неиммуногенными, неаллергенными, обладают многоплановой положительной биологической активностью, которая, в первую очередь, связана с их способностью регулировать в живых организмах свободно-радикальные процессы «разумным» образом, а именно, с их способностью нейтрализовывать только избыток свободных радикалов, не затрагивая того их количества, которое необходимо для нормального функционирования биологической системы [33,37].

Аналогичные результаты представлены в работе Christie M. Sayes.  и кол., которыми оценивались эффекты фуллеренов на легочную ткань. Было показано, что ингаляции  водных суспензий немодифицированного, чистого С₆₀ фуллерена не вызывают каких-либо токсических проявлений в легочной ткани, а напротив, приводят к снижению избыточного уровня ПОЛ. [38].

Известно, что различные типы антиоксидантов способны ослаблять ишемически-реперфузионное повреждение легких. В работе Lai и соавт. оценивали способность водорастворимого производного фуллерена С₆₀ — С₆₀(ONO₂)_7±2 — снижать выраженность ишемически-реперфузионного повреждения изолированных легких крысы [39]. Показано, что С₆₀(ONO₂)_7±2  обладает антиоксидантными свойствами и способностью освобождать оксид азота [39,40], проявляя эффекты, подобные эффектам нитроглицерина. Экспериментальный протокол включал 10 мин стабилизации, 45 мин ишемии и 60 мин реперфузии. Легкие вентилировали газовой смесью, содержащей 95% О₂ и 5% СО₂. До и после ишемии регистрировали давление в легочной артерии (РЛА), давление в легочной вене (РЛВ), массу легких (W), легочное капиллярное давление и коэффициент фильтрации (КФ). Ишемия вызывала повышение РЛА, W и КФ в контроле, однако С₆₀(ONO₂)_7±2 ограничивал рост этих показателей, что рассматривали как ослабление ишемически-реперфузионного повреждения легких [39].

Фуллерены могут оказывать влияние на протекание воспалительного процесса не только через снижение активности ПОЛ, но и через макрофагальное звено. В экспериментах in vitro Baierl T. et al. было продемонстрировано, что производные фуллерена С₆₀, захваченные макрофагами, вызывают выброс противовоспалительных цитокинов [41], а в работе John J. Ryan et al. было показано сочетанное, антигистаминное и антиоксидантное, действие фуллеренов в виде их полигидрокси-производных, что, как полагают авторы является перспективным для их применения для терапии, включая такие болезни, как астма, полиартриты, болезни сердца и расеяный склероз [42].

Кроме того, некоторые производные фуллеренов могут быть использованы не только как антиоксиданты в терапии БА, но и в качестве антибактериальных и противовирусных препаратов [43,44,45,46], в условиях, когда ухудшение течения астмы происходит из-за инфекции органов дыхания.

Таким образом, развитие нанотехнологий в пульмонологии с использованием фуллеренов в качестве принципиально новых, «разумных» антиоксиданов при БА, особенно в условиях генетически обусловленной недостаточности системы АОЗ,  представляется перспективным.

Литература:

1. Чучалин А.Г. Инфекционные заболевания нижнего отдела дыхательных путей. Пульмонология. 1999; 2: 6-9.
2. Либман О.Л, Чучалин А.Г., Шугинин И.О. Лечение бронхиальной астмы у беременных женщин перед родами. Пульмонология. 2006; 6:84-87.
3. Демко И.В., Гордеева Н.В., Петрова М.М., Артюхов И.П. Бронхиальная астма в г. Красноярске: использование различных методов для оценки уровня контроля. Пульмонология. 2007; 2: 68-73.
4. Биличенко Т.Н. Эпидемиология бронхиальной астмы. В кн.: Чучалин А.Г. (ред.) Бронхиальная астма. М. Агар. 1997; 1: 400-423.
5. Минкалов Э.К. Распространенность бронхиальной астмы и ее факторов риска среди взрослого населения республики Дагестан в зависимости от производственных и климатических условий. Вестник новых медицинских технологий. 2005; 12 (2): 103-105.
6. Федосеев Г.Б. Механизмы обструкции бронхов. С-Петербург, 1995; 139-149.
7. Величковский Б.Т. Свободнорадикальное окисление как звено срочной и долговременной адаптации организма к факторам окружающей среды. Вестник Рос. ак. мед. наук. 2001; 3:45-51.
8. Скулачев В.П. Н2О2-сенсоры легких и кровеносных сосудов и их роль в антиоксидантной защите организма. Пульмонология. 2001; 2: 6-9.
9. Харьков А.С., Чесникова А.И., Гайдар Е.Н., Зинькович С.А., Беловолова Р.А., Дзюба М.Н. Справочник пульмонолога. Ростов на Дону «Феникс». 2000; 8-45.
10. Фрейдин М.Б., Брагина Е.Ю., Огородова Л.М. Генетика атопии: современное состояние. Вестник ВОГиС. 2006; 10 (3): 492-503.
11. Вавилин В.А., Макарова С.И., Ляхович В.В. Оценка связи генетического полиморфизма ферментов биотрансформации ксенобиотиков с некоторыми проявлениями сенсибилизации у детей с бронхиальной астмой. Бюл. эксперим. биол. мед. 2002б; 1: 74-77.
12. Ляхович В.В., Вавилин В.А., Макарова С.И. Роль ферментов биотрансформации в предрасположенности к бронхиальной астме и формировании особенностей ее клинического фенотипа. Вестн. РАМН. 2000; 12: 36-41.
13. Bowry V.W., Stocker R. Tocopherol-mediated peroxidation: the prooxidant effect of vitamin E on the radical-initiated oxidation of human low-density lipoprotein. J. Am. Chem. Soc. 1993; 115: 6029-44.
14. Ширинкин С.В. Микроэлементы и их роль в патогенезе пневмонии. Пульмонология. 2003; 4: 104-108.
15. Чернеховская Н.Е., Ярема И.В., Вторенко В.И., Шушло В.К., Андреев В.Г., Черепянцев Д.П., Федченко Г.Г. Интрабронхиальная лимфотропная терапия абсцедирующей пневмонии. Пульмонология. 2000; 3: 41-43.
16. Решетник Л.А., Парфенова Е.О. Селен и здоровье человека. Рос. педиатр. журнал. 2000; 2: 41-43.
17. Chen J.R., Weng C.N., Ho T.J., Chang I.C., Lai S.S. Identification of the copper- zinc superoxide dismutase activity in micoplasma hyopneumoniae. Vet. Microbiol. 2000; May 11, 73 (4): 301-310.
18. Дремина Е.С., Шаров В.С., Владимиров Ю.А. Определение антиоксидантной активности биологических и лекарственных препаратов. Методологические аспекты. Пульмонология. 1995; 1: 73-75.
19. Проворотов В.М., Семенкова Г.Г., Великая О.В., Никитина Н.Н. Динамика клинических проявлений и активности ферментов в бронхиальном смыве при лечении больных затяжной пневмонией с применением энтеросорбента. Пульмонология. 1997; 1: 32-35.
20. Bogomolov B.P., Deviatkin A.V. Microcirculation and hemestasis in influenza and acute viral respiratory infections complicated with pneumonis. Ter. Arkh. 2002; 74(3): 44-48.
21. Sigal O.L., Becker K.L. Arachidonic acid is — lipoxygenase and airway epithelium. Am. Rew. Respir. Dis. 1988; 138 (2): 35-40.
22. Калинин Ю.К. Экологический потенциал шунгита. Шунгиты и безопасность жизнидеятельности человека. Материалы первой всероссийской научно-практической конференции (3-5 октября 2006 г.). Петрозаводск. 2007; 5-10.
23. Соколов В.И., Станкевич И.В. Фуллерены — новые аллотропные формы углерода: структура, электронное строение и химические свойства. Успехи химии. 1993; 62 (5), 455.
24. Krustic P.J, Wasserman E, Keizer P.N. Radical reactions of C60. Science. 1991; 254: 1183-1185.
25. Wang I.C., Tai L.A., Lee D.D. C₆₀ and Water-Soluble Derivatives as Antioxidants Against Radical-Initiated Lipid Peroxidation. J. Med. Chem. 1999; 42: 4614-4620.
26. Bensasson R.V., Bretteich M.,. Frederiksen J., Gottinger H., Hirsch A., Land E.J., Leach S.,. Mcgarvey D.J., Schonberger H. Reactions of (aq), CO₂^—, HO^—, O₂^— and O₂(¹Dg) with a dendro[60]fullerene and C₆₀[C(COOH)₂]n (n = 52-6). Free Radical Biology and Medicine. 2000; 29 (1): 26-33.
27. Samen S. Ali, Joshua I. Hardt, Kevin L. Quick, Jeong Sook Kim-Han, Bernard F. Erlanger, Ting-Ting Huang, Charles J. Epstein, Laura L. Dugan. Biologicalli effective fullerene (C₆₀) derivative with superoxide dismutase mimetic properties. Free Radical Biology and Medicine. 2004; 37 (8): 1191-1202.
28. 28. Андриевский Г.В., Клочков В.К., Деревянченко Л.И. Токсична ли молекула фуллерена С₆₀?, или к вопросу: «какой свет будет дан фуллереновым нанотехнологиям — красный или все-таки зеленый?» Тезисы. Институт Терапии АМН Украины. Октябрь 2004 г.
29. Chueh S.C, Lai M.K, Lee M.S. Decrease of free radical level in organ perfusate by a novel water-soluble carbon-sixty, hexa (sulfobutyl) fullerenes. Transplant Proc. 1999; 31 (5):1976-1977.
30. Satoh M., Matsuo K., Kiriya H. Inhibitory effect of a fullerene derivative, monomalonic acid C60, on nitric oxide-dependent relaxation of aortic smooth muscle. Gen. Pharmacol. 1997; 29 (3): 345-51.
31. Онищенко Е.Н. Фуллерены как антиоксиданты. Бюллетень ПерсТ. 2002; 22: 1.
32. Andrievsky G.V., Burenin I.S. Hydrated C₆₀ fullerenes as versatile bio-antioxidants, which in biological systems regulate free-radical processes by the «WISE» manner. Nano Conference. 2004, September 14-16. 2004; St.Gallen, Switzerland, Abs. 261.
33. Andrievsky G.V., Klochkov V.K., Derevyanchenko L.I. Is C60 fullerene molecule toxic?! Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2005; 13 (4): 363-376.
34. Andrievsky G.V., Kosevich M.V., Vovk O.M., Shelkovsky V.S., Vashchenko L.A. On the production of an aqueous colloidal solution of fullerenes. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1995; 12: 1281-1282.
35. Andrievsky G.V., Klochkov V.K., Bordyuh A., Dovbeshko G.I. Comparative analysis of two aqueous-colloidal solution of C₆₀ fullerenes with help of FT-IR reflectance and UV-VIS spectroscopy. Chem. Phys. Letters. 2002; 364: 8-17.
36. Avdeev M.V., Khokhryakov A.A., Tropin T.V. Structural features of molecular-colloidal solutions of C60 fullerenes in water by small-angle neutron scattering. Langmuir. 2004; 20: 4363‑4368.
37. Tykhomyrov A.O., Nedzvetsky V.S., Klochkov V.K., Andrievsky G.V.. Nanostructures of hydrated C₆₀ fullerene (C₆₀HyFn) protect rat brain against alcohol impact and attenuate behavioral impairments of alcoholized animals. Toxicology. 2008; 246 (2-3): 158-165.
38. Christie M. Sayes, Alexander A. Marchione, Kenneth L. Reed, David B. Warheit. 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; 7 (8): 2399 -2406.
39. Lai H.S., Chen W.J., Chiang L.Y. Free radical scavenging activity of fullerenol on the ischemia-reperfusion intestine in dogs. World J. Surg. 2000; 24 (4): 450-454.
40. Huang S.S., Mashino T., Mochizuki M. Effect of hexasulfobutylated C60 on the isolated aortic ring of guinea pig. Pharmacology. 2000; 64: 91-97.
41. Baierl T., Seidel A. In vitro effects of fullerene C60 and fullerene black on immunofunctions of macrophages. Ful.l Sci. Technol. 1996; 4: 1073-1085.
42. John J. Ryan, Henry R. Bateman, Alex Stover, Greg Gomez, Sarah K. Norton, Wei Zhao, Lawrence B. Schwartz, Robert Lenk, Christopher L. Kepley. Fullerene Nanomaterials Inhibit the Allergic Response. The Journal of Immunology. 2007; 179: 665-672.
43. Tsao N., Luh T.Y., Chou C.K. In vitro action of carboxyfullerene. J. Antimicrobal Chemother. 2002; 49: 641-649.
44. Bosi S., Da Ros T., Castellano S. Antimycobacterial activity of ionic fullerene derivaties. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2000; 10: 1043-1045.
45. Миллер Г.Г., Кущ А.А., Романова В.С. Средство для ингибирования ВИЧ и ЦМВ- инфекций и способ их ингибирования. RU 2196602. С 1, 20.01.2003.
46. Раснецов Л.Д. Средство для ингибирования репродукции оболочечных вирусов, способ его получения, фармацевтическая композиция и способ ингибирования вирусных инфекций. RU 2236852. C 1, 27.09.2004.