Застосування наночастинок в діагностиці, фармакології та терапії 6 часть

Оскільки виробництво та використання наноматеріалів все більш розширюються то і потенційний вплив на здоров’я людей вірогідно теж може збільшуватися. Однією з негативних сторін, які пов’язані із впровадженням нових технологій при наявності проміжків у знаннях про безпеку, є недовіра з боку суспільства [Mehta M.D., 2004], що вже мало місце в інших галузях (наприклад з генетично модифікованими продуктами). Це може призвести до значних економічних втрат [Gewin V., 2006].

Різні методи синтезу, очистка та подальша обробка наноматеріалів призводять до виробки різних типів КНТ з різними фізичними, хімічними біологічними та іншими характеристиками, що неможна вважати однією групою речовин і дослідження їх токсичності потрібно проводити з урахуванням цього факту [Helland A., Wick P., Koehler A. et al., 2007]. В організмі розподілення, метаболізм, виділення і токсичність КНТ залежить від набутих властивостей, таких як функціоналізація, довжина, властивість до накопичення, на що впливають умови навколишнього середовища при виробництві та при наступному застосуванні. Епідеміологічні дослідження забруднення повітря передбачають можливу високу асоціацію цих частинок із серцево-легеневими захворюваннями [Pope C.A., Burnett R.T., Thurston G.D., et al. 2004]. Дослідження показали, що наночастинки можуть більш легко проникати у людський організм і бути більш біологічно активними із-за їх великої площі поверхні на одиницю маси в порівнянні з більшими за розмірами частинками [Oberdorster G., Oberdorster E., Oberdorster J., 2005]. Лабораторні дослідження виявили, що виробництво одностінних КНТ призводить до виникнення різних типів аерозолів [Maynard A.D., Baron P.A., Foley M. et al., 2004]. Слід зауважити, що деякі КНТ у своєму складі містять метал каталізатора, наприклад нікель, з котрим пов’язують збільшення ризику виникнення раку у ділянці носа [Feron V.J., Arts J.H., Kuper C.F. et al., 2002].

Фізичні та хімічні процеси у навколишньому середовищі можуть впливати на властивості КНТ, наприклад, ультрафіолетове випромінювання може змінити покриття КНТ, як це спостерігалося у випадку фуллеренів. З цього випливає, що це також може змінити поведінку КНТ у навколишньому середовищі і впливати таким чином на їх біодію. До того ж доцільно підкреслити, що КНТ один з найменш розщеплюваних мікроорганізмами штучних матеріалів [Lam C-W., James J.T., McCluskey R. et al., 2004]. Крім того, такі наночастинки повністю не розчинні у воді в первинній формі [Lam C-W., James J.T., McCluskey R. et al., 2004], та є ліпофільними по своїй природі [Wu Y., Hudson J., Lu Q. et al., 2006]. Відомо, що стійкі та ліпофільні речовини мають можливість до накопичення в організмі, таку ж саму поведінку можна очікувати і від КНТ. Велика площа поверхні КНТ може абсорбувати різні молекули забруднювачів і переносити їх у навколишнє середовище. Встановлено, що різні карбонові наноматеріали є сорбентами забруднювачів органічного походження: металів, фторидів, радіонуклідів [Fiorito S., Serafino A., Andreola F. et al., 2006; Yang K., Zhu L., Xing B., 2006; Jia G., Wang H., Yan L. et al., 2005].

Легенева токсичність.Перше in vivo вивчення впливу КНТ не виявило запальних змін або змін функції в дихальних шляхах гвінейських свинок, навіть через 4 тиждні [Huczko A., Lange A., Calko E. et al., 2001]. Можливо метод використаний у цьому досліді не відповідає фактичній токсичності матеріалу. Наступні дослідження з аналізом через 90 діб шести різних типів багатостінних трубок призначених по індивідуальним дозам (12,5 мг) гвінейським свинкам виявили деякі відмінності по дії на тварин між типами трубок [Grubek-Jaworska H., Nejman P., Czuminska K. et al., 2006; Huczko A., Lange H., Bystrzejewski M. et al., 2005]. Але для всіх типів спільним було формування мультифокальних гранулем навколо матеріалу, запальна реакція термінальних та респіраторних бронхіол та формування помірного фіброзу в альвеолярних перегородках.

Дерматотоксичність. На сьогодні відома тільки одна публікація вивчення in vivo впливу на шкіру сажі, яка вміщувала КНТ [Huczko A., Lange A., 2001]. 40 добровольців були піддані шкірному тесту, та 4 кроликам альбіносам проведено дослідження впливу КНТ на слизову очей тварин. Наступне вивчення не виявило ніякої реакції, таким чином автори зробили висновок, що сажа, яка містить КНТ не пов’язана з ніяким негативним впливом на організм [Huczko A., Lange A., 2001]. Але отриманих експериментальних фактів недостатньо для того, щоб зробити обґрунтовані кінцеві висновки про позитивний або негативний вплив КНТ на організм тварин і людини, а також на зовнішнє середовище.

Відомі протилежні результати по кінетиці розчинних функціоналізованих КНТ та радіоактивно мічених нанотрубок в організмі. Дослідження показали, [Wang H., Wang J., Deng X. et al., 2004] що коли гідроксильовані одностінні КНТ з радіоактивним йодом-125 були введені мишам, то вони поводили себе подібно маленьким молекулам, легко проходили крізь багато перепон, накопичувались у кістках і були виявлені у всіх органах, окрім головного мозку.

Проведені також досліди in vitro на культурі клітин та на підшкірних тканинах криси in vivo, які проводили з метою визначити залежність впливу багатостінних нанотрубок в залежності від їх довжини. Після обробки результатів виявилось, що запальна реакція у вигляді утворення грануляційної тканини спостерігалася до багатостінних КНТ з довжиною 825 нм. Більшість нанотрубок з довжиною 220 нм знаходили у фагоцитах і ліпосомах [Sato Y., Yokoyama A., Shibata K. et al., 2005]. До того ж присутність наночастинок може порушити міжклітинну рівновагу. Частинки можуть збільшувати концентрацію окисників або втручатися в деградаційний шлях, що призводить до додаткової виробки окисників, які починають безконтрольну взаємодію з клітинами і призводять врешті-решт до їх пошкодження [Helland A., Wick P., Koehler A. et al., 2007].

Отже, можна зробити висновок, що існує прямий зв'язок між рівнем організації стінки карбонової нанотрубки та ступенем її токсичності. Зміна властивостей КНТ може виникнути на всіх етапах виробу: у процесі синтезу, виробництва проміжних продуктів, обробки та застосування. Карбонові нанотрубки викликають різні ефекти з боку різних клітин. В процесі реакції КНТ з клітинами утворюються вільні радикали, які є головною ланкою цих реакцій. Також, КНТ можуть поводити себе по різному в залежності від специфічних властивостей органів та від впливу зовнішнього середовища, перебування у воді або ґрунті. Умови навколишнього середовища, такі як температура, РН, ультрафіолетове випромінювання модифікують властивості КНТ. Молекули інших матеріалів можуть адсорбуватися на їх поверхні [Helland A., Wick P., Koehler A. et al., 2007]. Питання виникає в тому: чи можливо передбачити і проконтролювати ефекти від різних властивостей карбонових нанотрубок на довколишнє середовище та на організм людини? І це питання ще потребує всебічного вивчення.

Заключення. Вуглецеві нанотрубки в найближчому майбутньому будуть незамінними скрізь, де необхідно поєднання міцності з гнучкістю і малою масою. Прогрес у нанотехнології обіцяє значні переваги у ранній діагностиці та лікуванні захворювань. Актуальною є проблема детального вивчення впливу наночастинок. Фармакологам і токсикологам доцільно провести ґрунтовні дослідження по вивченню впливу нанотрубок на функцію та структуру різних органів з метою встановлення детальних властивостей цих структур та можливістю більш широкого застосування у медичній практиці. З вищенаведеного видно, що наскільки широкі межі застосування КНТ у різних галузях, настільки широкими залишаються проміжки у розумінні корисності та безпечності застосування даних матеріалів. Тільки об’єднання знань та досліджень з різних областей допоможе у вирішенні цього питання і надасть нанотехнологіям відкритий шлях до подальшого розвитку на користь людства.

Вуглецеві нанотрубки: історія відкриття, властивості, застосування.

1. Головенко М., Ларіонов В. Адресна доставка наносистемами лікарських засобів до головного мозку // Вісник фармакології та фармації. – 2008. – №4. – С. 8 – 16.

1. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. – М.: Мишиностроение, 2007. – 496 с.

2. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. 2-е узд. Испр. – М.: ФИЗМАТЛИТ. 2007. – 416 с.

3. Кац Е.А. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры: Родословная форм и идей – М.: Издательство ЛКИ 2008 – 296 с.

4. Керл Р.Ф. Истоки открытия фуллеренов: эксперимнт и гипотеза // Успехи физических наук . – 1996. – Т. 168, №3. – С. 331-342.

5. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. – Пер. с японск. – М. БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 134 с.

6. Крото Г. Симметрия, космос, звезды и С60 // Успехи физических наук . – 1996. – Т. 168, №3. – С. 343-358.

7. Лахтин В.М., Афанасьев С.С., Лахтин М.В. и соавт. Нанотехнологии и перспективы их использования в медицине и биотехнологии // Вестн. РАМН. – 2008. – №4 – С. 50–55.

8. Мовчан Б.А, Электронно – лучевая нанотехнология и новые материалы в медицине – первые шаги // Вісник фармакології і фармації. – 2007 – №12 – С. 5 – 13.

9. Мовчан Б.А. Элктронно-лучевая гибридная нанотехнология осаждения неорганических материалов в вакууме // Актуальные проблемы современного материаловедения. Киев: Изд. Академпериодика, 2008. – Т. 1. – С. 227-247.

10. Москаленко В.Ф., Розенфельд Л.Г., Мовчан Б.О., Чекман І.С. Нанотехнології, наномедицина, нанофармакологія: стан, перспективи наукових досліджень, впровадження в медичну практику // 1 національний конгрес «Человек и лекарство – Украина». Київ, 2008 – С. 167 – 168.

11. Пул Ч.- мл., Оуенс Ф. Нанотехнологии. 2-е дополненое издание. Техносфера, Москва: 2006. – 119 –120 с.

12. Смолли Р.Е. Открывая фуллерены // Успехи физических наук. – 1996. – Т. 168, №3. – С. 323-330.

13. Трефилов В.И. Фуллерены – основа материалов будущего. Киев: Изд-во АДЕФ – Украина, 2001. – 408 с.

14. Чекман І.С., Корнійкова Я.М., Загородний М.І. і співавт. Квантові мітки: клінічні і фармакологічні аспекти // Мистецтво лікування. – 2008. – Т.50, №4. – С. 72 – 74.

15. Чекман І.С. Нанофармакологія: експериментально-клінічний аспект // Лікарська справа. Врачебное дело. – 2008. – №3 – 4. С. 104 – 109.

16. Balamurugan S. Surface immobilization methods for aptamer diagnostic applications // Anal Bioanal Chem. – 2008. – Vol. 390. – P. 1009–1021.

17. Balasubramanian K. Biosensors based on carbon nanotubes // Anal Bioanal Chem. – 2006. – Vol. 385. – P. 452–468.

18. Baun A. Ecotoxicity of engineered nanoparticles to aquatic invertebrates: a brief review and recommendations for future toxicity testing // Ecotoxicology. – 2008. – Vol. 17– P. 387–395.

19. Benjamin S. Carbon nanotube applications for tissue engineering // Biomaterials. – 2007. – Vol. 28. – P. 344–353.

20. Brian R. Nanoparticle–polymer photovoltaic cells // Advances in Colloid and Interface Science. – 2008. – Vol. 138. – P. 1–23.

21. Cao G. Template-based synthesis of nanorod, nanowire, and nanotube arrays // Advances in Colloid and Interface Science. – 2008. – Vol. 136. – P. 45–64.

22. Chaudhary S. Hierarchical placement and associated optoelectronic impact of carbon nanotubes in polymer- fullerene solar cells // Nano letters. – 2007. – Vol. 7. – P. 1973 – 1979.

23. Donaldson K. Carbon Nanotubes: A review of their properties in relation to pulmonary toxicology and workplace safety // Tox. sciences . – 2006. – Vol. 92. – P. 22.

24. Evtim V. Achievements in resonance Raman spectroscopy. Review of a technique with a distinct analytical chemistry potential // analytica chimica acta. – 2008. – Vol. 606. – P.119–134.

25. Freitag M. Imaging of the Schottky Barriers and Charge Depletion in Carbon Nanotube Transistors // Revised Manuscript Received. – 2007. – Vol. 7. – P.2037– 2042.

26. Gazit E. Use of biomolecular templates for the fabrication of metal nanowires // Advances in Colloid and Interface Science. – 2007. – Vol. 136. – P. 145–164.

27. Goldberger J. Inorganic Nanotubes: A novel platform for nanofluidics // Acc. Chem. Res. – 2006. – Vol.39. – P. 239–248.

28. Hamada D. Engineering amyloidogenicity towards the development of nanofibrillar materials // Trends in Biotechnology. – 2004. – Vol.22. – N.2. – Р. 236 – 247.

29. Hillebrenner H. Template synthesized nanotubes for biomedical delivery applications. Nanomedicine. – 2006. – Vol. 1. – P. 39-50.

30. Hod O. Magnetoresistance of nanoscale molecular devices // Acc. Chem. Res. – 2006. – Vol. 39. – P. 109–117.

31. Iijima S. Helical microtubules of graphite carbon // Nature. – 1991. – Vol. 354. – P. 56-58.

32. Jithesh V. Development of Immunosensors Using Carbon Nanotubes // Biotechnol. Prog. – Vol. 23. – 2007. – P. 517–531.

33. Khomutov B. Interfacially formed organized planar inorganic, polymeric and composite nanostructures // Advances in Colloid and Interface Science. – 2004. – Vol. 111. – P. 79– 116.

34. Kianoush K.-D. The role of high-resolution imaging in the evaluation of nanosystems for bioactive encapsulation and targeted nanotherapy // Micron. – 2007. – Vol. 38. – P. 804–818.

35. Lacerda L. Carbon nanotubes as nanomedicines: from toxicology to pharmacology // Advanced Drug Delivery Reviews. – 2006. –Vol. 58. – P. 1460–1470.

36. Liu A. Towards development of chemosensors and biosensors with metal-oxide-based nanowires or nanotubes. Model G.BIOS-2743 // Biosensors and Bioelectronics – 2008. – P. 11 – 24.

37. Matthew A. The use of optical biosensors for compound screening // Drug discovery today. – 2007.–Vol. 23. – P.221-235.

38. Pyrzynska K. Application of Carbon Sorbents for the Concentration and Separation of Metal Ions // Analytical Sciences. – 2007. – Vol. 23. – P. 137–142.

39. Rао C. N. R. Carbon Nanotubes from Organometallic Precursors // Acc. Chem. Res. – 2002. – Vol.35. – P. 998–1007.

40. Ravi S. Nanobiotechnology: Protein-Nanomaterial Interactions // Biotechnol. Prog. – 2007, №. 23. – P. 316–319.

41. Ravi S. Nanobiotechnology: Protein-Nanomaterial Interactions //Biotechnol. Prog. – 2007, №. 24. – P. 300–310.

42. Stephan T. Nanotechnology Safety Concerns Revisited // Toxicological Sciences. – 2008. – Vol. 101. – P. 4–21.

43. Tasis D. Chemistry of Carbon Nanotubes // Chem. Rev. - 2006. – Vol. 106. – P. 1105–1136.

44. Yao W.-T. Architectural control syntheses of cds and cdse nanoflowers, branched nanowires, and nanotrees via a solvothermal approach in a mixed solution and their photocatalytic property // J. Phys. Chem. – 2006. – Vol. 110. – P. 11704-11710.

45. Zhao J. Optical properties and photonic devices of doped carbon nanotubes // Analytica Chimica Acta. – 2006. – Vol. 568. – P. 161–170.

Руденко Е.М., Короташ І.В., Семенюк В.Ф., Шамрай К.П. Установка для прецизійного інно-плазмового формування вуглецевих нанотрубок в єдиному вауумно-технологічному циклі // Наука та інновації. – 2009. – Т. 5, №5. – С. 5-8.