Нобелевское открытие в физике послужит медицине
Материал под названием графен был открыт относительно недавно — чуть более 15 лет назад. А спустя всего шесть лет после этого его «создатели» получили Нобелевскую премию. Сейчас графен и его производные активно внедряются буквально повсюду, в том числе в медицине. Все больше научных групп подключаются к перспективному направлению исследований и достигают весьма любопытных результатов. Заведующий кафедрой общей и биоорганической химии, заведующий лабораторией биомедицинского материаловедения, доктор химических наук Константин СЕМЕНОВ из Первого Санкт-Петербургского государственного медицинского университета им. академика И.П.Павлова модифицирует графены антиоксидантными аминокислотами.
— Графен — это 2D-наноматериал толщиной всего в один атом, который представляет собой двумерную форму существования углерода, — напоминает историю вопроса Константин. — Благодаря быстрому развитию подходов к синтезу и химической модификации графен и его производные все шире применяются во многих областях, таких как наноэлектроника, создание композиционных материалов, энергетика (топливные элементы, аккумуляторы и суперконденсаторы, материалы для хранения водорода), катализ и разработка сверхчувствительных сенсоров. Начали его использовать и в биомедицине. Это доставка лекарств и генов, создание биологических сенсоров и антибактериальных препаратов, биовизуализация, а также разработка биосовместимых матриц для тканевой инженерии.
— Зачем графены модифицируют антиоксидантными аминокислотами?
— Графен — материал с уникальными данными, этим и объясняются интенсивные исследования его биологических свойств. Он обладает целым рядом качеств. Это исключительная электронная проводимость, теплопроводность, сверхвысокая механическая прочность, биосовместимость, низкая стоимость и масштабируемое производство, легкость модификации. Для того чтобы успешно использовать его, мы должны понять, как он взаимодействует с клетками организма.
Я и мои коллеги занимаемся разработкой масштабируемых методик синтеза производных графена с антиоксидантными аминокислотами, такими как L-цистеин, L-метионин, таурин, меркаптопропионилглицин, N-ацетилцистеин. Также в наши задачи входит комплексное изучение биосовместимости и физико-химических свойств всех этих материалов. Чтобы понять, насколько биосовместимы материалы, необходимы комплексные исследования гемосовместимости (гемолиз, агрегация тромбоцитов, изучение параметров гемостаза), цитотоксичности, генотоксичности (влияние на целостность молекулы ДНК), антиоксидантных свойств, связывания с транспортными белками крови.
— Кто изготавливает для вас графены?
— Мы сами. В нашей лаборатории разработана уникальная методика получения оксида графена, которая обладает преимуществами перед аналогами. Это высокий выход конечного продукта (до 95%), более глубокое окисление графена и, как следствие, значительное увеличение (более 85%) процентного содержания кислородсодержащих функциональных групп (карбоксильных, гидроксильных, карбонильных, эпоксидных, лактольных), что делает удобной дальнейшую модификацию оксида графена и обеспечивает стабильность водных дисперсий без добавления поверхностно-активных веществ. Кроме того, наш метод быстрый, синтез длится всего четыре часа, и масштабируемый — до одного килограмма. Еще мы можем регулировать размер наночастиц.
— Получается, вы не только получаете нужные модификации графена, но и всесторонне их исследуете?
— Да, конечно. На кафедре общей и биоорганической химии и в лаборатории биомедицинского материаловедения мы проводим исследования, связанные с синтезом и функционализацией углеродных наноструктур — фуллеренов, графенов, нанотрубок, наноалмазов. Под руководством профессора Владимира Владимировича Шаройко занимаемся доклиническим изучением in vitro полученных веществ и материалов. В данном случае стоит задача исследовать их антиоксидантные, фотодинамические свойства, характеристики связывания синтезированных материалов с биомолекулами. При этом важно определить гемосовместимость, понять, каковы эффекты от взаимодействия веществ и материалов с клеточными линиями человека, в частности, измерить повреждающее действие новых веществ и материалов на молекулы ДНК.
— Применяете ли вы в работе современные высокопроизводительные вычисления?
— Вместе с кафедрой химии твердого тела Института химии Санкт-Петербургского университета мы на протяжении многих лет занимаемся компьютерным моделированием систем, содержащих наноматериалы биомедицинского назначения. В применяемом методе важную роль играют квантово-химические расчеты электронной структуры графена и его производных. Рабочей лошадкой тут выступает метод теории функционала плотности, который очень хорошо воспроизводит в компьютерном моделировании основные физико-химические характеристики материалов. В расчетах с помощью этого метода достаточно точно определяются заряды атомов, стабильность структуры, самые разнообразные спектры и термодинамические функции, которые можно напрямую сравнивать с экспериментальными данными.
На следующем этапе, где количество частиц может достигать нескольких десятков тысяч атомов и молекул, применяется метод молекулярной динамики. Оказалось, что он чрезвычайно эффективен в изучении композитных материалов на основе наноуглеродных структур. При этом возможна оценка не только структур получаемых материалов, но и подвижности атомов. Таким образом, мы можем не только объяснить, как атомы углерода в модифицированном графене меняют свои свойства в зависимости от расположения и природы добавленных функциональных групп, но и прогнозировать создание новых материалов.
— Где могут использоваться результаты ваших исследований?
— Основная наша цель — создание новых уникальных материалов для биомедицины. Как я уже сказал, мы разрабатываем конструкции на основе углеродных наноструктур для адресной доставки противоопухолевых препаратов. Еще одно направление — исследования по синтезу антиоксидантов для уменьшения очага ишемического и реперфузионного повреждения головного мозга. При этом сотрудничаем с ведущими медицинскими учреждениями нашей страны. А вместе с Агрофизическим институтом уже создали новое поколение микроудобрений на основе водорастворимых производных фуллеренов.
Главным направлением дальнейшей работы будет создание роботизированных молекулярных комплексов наноразмерного масштаба для лечения онкологических заболеваний. Противораковые препараты нового поколения могут создаваться с помощью таких технологий, в которых сам препарат будет обладать управляемым извне функционалом и самостоятельно принимать решения о движении в заданном направлении, которое создается электрическими, магнитными или концентрационными полями.
— Кто работает в вашей команде?
— В нашей группе трудятся ученые из разных областей науки: химии, физики, биологии, медицины, математики. Междисциплинарный подход помогает проводить более глубокое и комплексное изучение наноматериалов и получать уникальные результаты. При выполнении научных задач мы привлекаем студентов и аспирантов, которые получают не только теоретические, но и практические навыки, работая вместе с преподавателями и сотрудниками.
Фирюза Янчилина
Нет комментариев