XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Адресная доставка лекарств- это направленный транспорт лекарственного вещества в заданную область организма, органа или клетки. Многие ученые ищут высокоэффективный переносчик лекарств в организме человека: точный, безопасный, общедоступный. Было предложено и протестировано множество вариантов: полиэлектролитные микрокапсулы, липосомальные полимеры для направленного переноса противоопухолевых препаратов. И вот спустя некоторое время был обнаружен способ доставки лекарственных препаратов, сочетающий в себе все необходимые качества.

Углерод имеет несколько аллотропных модификаций, отличающихся своими физическими и химическими свойствами. Одной из них является графен, с которой сталкивался каждый из нас. След, оставленный грифелем любого карандаша на бумаге- это и есть несколько слоев графена, наложенных друг на друга. Впервые его смогли выделить двое русских ученых- физиков Андрей Гейм и Константин Новоселов. Связи между углеродами в графене ковалентно-неполярные, характеризующиеся слабой силой притяжения. Однако между плоскостями наоборот, силы притяжения достаточно сильные, что позволяет отнести графен к атомной кристаллической решетке. Благодаря своей химической и механической устойчивости, легкости (в 2017 году китайские ученые впервые смогли синтезировать графеновый аэрогель, 99% которого составлял воздух. Несмотря на это полученная субстанция может выдерживать вес, превышающий собственный в 3500 раз.) графен часто применяют в биомедицине. Одно из самых необычных его свойств- это возможность самостоятельно создавать энергию. Несмотря на то, что это вещество двумерно, оно никогда не принимает абсолютно плоскую структуру. Его строение больше похоже на водянистую рябь- быстрые, мимолетные колебания атомов продуцируют на поверхности волны, которые изгибаясь относительно друг друга в разные стороны, генерируют энергию.

Всё чаще графен используется в медицинских целях, например: для создания биохимических биосенсеров (для определения ранних стадий рака), биодатчиков, графеновой бумаги, и, что особенно привлекает внимание разработчиков, структур для точной доставки активных форм лекарств.

В 2008 году ученые из Стендфордского университета провели исследования по использованию графена в роли транспортера. С одной стороны, он обладает всеми необходимыми свойствами для выполнения функции переносчика. Однако, наряду с его преимуществами, были выявлены серьёзные недостатки данного материала.

Графен, благодаря своему строению, имеет большую площадь поверхности, что способствует переносу большего количества молекул биологически активных веществ. Однако для медицинского использования, графен необходимо растворить в биологических жидкостях, что невозможно из-за его гидрофобности. Для перевода графена в гидрофильное состояние необходимы молекулы неполярного растворителя или ПАВ, которые делают его токсичным.

В настоящее время ученые изобрели альтернативные формы графена, повышающие биосовместимость материалов. Один из них – оксид графена, содержащий большое количество гидрофильных групп.

Еще один способ модификации графена- покрытие его химическими соединениями, увеличивающими его гидрофильность, биосовместимость и время циркуляции, что уменьшает его токсичность и отрицательные последствия для человека. К ним относятся: полиэтиленгликоль, альгинаты и декстраны.

За последние несколько лет графен стали рассматривать в роли нового доставщика антибиотиков, антител, противораковых компонентов и даже молекул ДНК . В отличие от привычной химиотерапии, при которой препараты, подавляющие рост раковых клеток, странствуют по всему кровотоку и равномерно распределяется во всех частях организма, использование графена делает этот процесс точным и направленны.

Контроль доставки вещества можно осуществлять как через внешние стимулы ( температура, резистентное электрическое поле, ультразвук), так и внутренние( концентрация биологически-активных веществ, рН, окислительно-восстановительные реакции)

Из-за сложной организации человеческого организма и неравномерного, труднодоступного расположения опухолей, одновременно используют несколько различных стимулов. Согласно последним данным, гибридная везикула из оксида графена может вместить в себя большую дозу доксорубицина, который широко используется в качестве паллиативной химиотерапии у пациентов с распространенной или метастатической саркомой мягких тканей. При попадании в организм он может высвобождать его частями при инфракрасном облучении и под действием кислой внутренней среды организма. При воздействии лазера везикула «лопается», и из неё в клеточную среду выходят молекулы DOX, закрепленные на выростах оксида графена. Затем под действие кислой среды —DOX высвобождается и достигает ядра клетки.

Такие специфические подходы к доставке лекарств повышают их эффективность и позволяют уменьшить его дозировку. А следовательно, и побочное действие на организм в целом.

В настоящее время с помощью графена доставляют лекарственные вещества и генетический материал. Выделяют несколько подходов к доставке соединений. Один из них осуществляется с помощью присоединения вещества на поверхность графенового носителя. Второй, наиболее сложный, осуществляется благодаря прикреплению к доставщику не только активного вещества, но и так называемого лиганда, являющегося направляющей молекулой. В качестве лигандов могут выступать такие анионы, как F– , OH–, CN–, CNS–, NO2–, CO32–, C2O42–и др., или нейтральные молекулы вода, аммиак, угарный газ и др. С их помощью происходит распознавание клеток-мишений с последующим их связыванием.

В настоящее время с развитием технологий появилась возможность лечить многие заболевания на генном уровне. Для этого необходимо получение механизма защиты необходимого гена от деструкции. В настоящее время в 65% случаев учеными используются ретровирусные, аденоассоциированные и лентивирусные векторные системы. Но сталкиваясь с их непредсказуемостью, многие исследователи пытаются создать новые способы доставки на основе графена, который вмещает в себя большой объем генетического материала, защищает его от разрушения и облегчает проникновение в клетку-мишень. Доставить ДНК или РНК на графеновые выросты можно с помощью гидрофобных и характерных для п-п связей ароматических соединений, образующиеся между кольцами нуклеотидов и кристаллической решеткой углерода в оксиде графена.

Графен обладает редким набором свойств. Высокая механическая прочность сочетается в нем с легкостью, гибкостью, эластичностью, электропроводностью и биосовместимостью. Эти и другие свойства позволяют применять графен в различных областях медицины. Он используется в клеточной и генной инженерии, из него изготавливают вживляемые в тело человека электроды и разные медицинские инструменты – импланты, высокоэффективные биосенсоры для мониторинга неврологического статуса, каркас для повреждения различных тканей. Разумеется, многие изобретения ученых из графена должны пройти долгий клиническо-доказательный путь, прежде чем их внедрят в массовое производство. Но тем не менее рост числа публикаций и количества экспериментальных данных в поддержку нового материала однозначно говорит, что применение графена в медицине будет широким.

Список литературы:

1. Schedin F., Geim A.K., Morozov S.V. et al. Detection of Individual Gas Molecules Adsorbed on Graphene // Nat. Mater. 2007

2. Lin Y.M., Dimitrakopoulos C., Jenkins K.A. et al. 100GHz Transistors from WaferScale Epitaxial Graphene // Sci ence. 2010.

3. Интернет ресурс https://biomolecula.ru/articles/nanochastitsy-instrument-adresnoi-dostavki-lekarstv