Ученые Красноярского научного центра СО РАН разработали новое перспективное применение биолюминесцентных биотестов. С их помощью можно изучать свойства наноструктурных материалов. Используя методы, основанные на свечении морских бактерий и их ферментативных реакций, ученые оценили и сравнили токсичность и антиоксидантную активность наночастиц – фуллеренолов, водорастворимых производных фуллеренов, и выяснили, что эти свойства зависят от количества кислородсодержащих заместителей на их поверхности. Такие исследования позволят прогнозировать свойства наноматериалов еще на этапе их синтеза.

C развитием технологий меняются все сферы человеческой жизни. Не осталась в стороне и медицина, в рамках которой сформировалось новое направление – наномедицина, ориентированная на использование нанотехнологий. Углерод – один из наиболее удобных и перспективных химических элементов для создания наноструктур. Уже сегодня открыты такие формы существования углерода, как фуллерены, нанотрубки, нановолокна, наноалмазы, графен. Ученые предполагают, что среди прочего их можно применять для адресной доставки лекарств, помещая препараты внутрь наночастиц, или для создания высокочувствительных маркеров, способных обнаруживать серьезные болезни на ранней стадии.

Проекты с применением наноматериалов в медицине и фармакологии пока не выходят за стены лабораторий, так как не до конца поняты механизмы действия этих мельчайших структур. Одна из часто возникающих проблем – токсичность наночастиц; закономерности проявления которой не всегда понятны. Из-за такой неопределенности и недостаточной изученности, применение углеродных наночастиц затруднено. У исследователей пока нет полной уверенности в безопасности таких медицинских препаратов.

Красноярские биофизики предложили применять биолюминесцентные тесты для оценки токсичности и антиоксидантной активности углеродных наночастиц. Ученые проверили этот метод на фуллеренолах – водорастворимых производных фуллеренов. Они представляются перспективными для создания антибактериальных, противогрибковых, противовирусных, противораковых средств и компонентов композиционных биоматериалов. В своей работе исследователи не только определили, от каких структурных особенностей фуллеренолов зависят их свойства, но и разработали принципы подбора наноматериалов для синтеза медицинских препаратов.

Для исследования свойств наноматериалов на клеточном и биохимическом уровнях красноярские ученые предлагают использовать два типа биотестов, созданных на основе клеток светящихся морских бактерий и выделенных из них ферментов. Использование таких биотестов делает оценку токсичности и антиоксидантной активности крайне простой и быстрой. Если свечение в эксперименте уменьшается, то образец токсичен, так как он подавляет клеточные процессы и замедляет биохимические реакции, отвечающие за него. Если после помещения наноматериала в растворы токсикантов окислительной природы, происходит активизация биолюминесценции, это говорит о проявления антиоксидантных свойств и детоксикации среды.

Используя биолюминесцентные тесты, ученые выяснили, что токсичность и антиоксидантная активность фуллеренолов зависит от количества присутствующих в них кислородсодержащих заместителей. Если в структуре фуллеренола имеется много таких заместителей, то он проявляет большую токсичность и слабую антиоксидантную активность. Уменьшение количества заместителей снижает токсичность и увеличивает антиоксидантную активность фуллеренола.

К примеру, они рассмотрели модифицированную молекулу фуллеренола с внедренным внутрь атомом гадолиния и большим количеством кислородосодержащих заместителей. Препараты гадолиния перспективны для диагностики онкологических заболеваний благодаря особым парамагнитным свойствам этого металла. Однако токсичность таких лекарств является проблемой для их использования. По оценке ученых, чтобы снизить токсичность фуллеренола, содержащего гадолиний, во время синтеза следует уменьшить количество кислородных заместителей.

«Мы исследовали токсичность и антиоксидантную активность фуллеренолов с различным числом кислородосодержащих заместителей, используя клеточный и ферментативные биолюминесцентные тесты. Выяснилось, что фуллеренолы с меньшим количеством кислородосодержащих заместителей не так токсичны, как фуллеренолы с большим количеством кислородосодержащих заместителей. Чтобы снизить токсичность мы рекомендуем уменьшить количество кислородсодержащих групп, присоединенных к углеродному каркасу. Наша работа показывает, что биолюминесцентные тесты можно использовать для сравнения и выбора углеродных наночастиц с определенными токсическими и антиоксидантными характеристиками», – рассказала Екатерина Ковель, одна из участниц исследования, аспирантка Красноярского научного центра СО РАН.

Таким образом, биолюминесцентные методы, используемые красноярскими биофизиками, позволяют изучать токсичные и антиоксидантные эффекты нанормазмерных материалов. Биолюминесцентные тесты просты в использовании, характеризуются высокой скоростью анализа, дают возможность одновременно исследовать большое число проб-образцов. Ученые отмечают, что такие биолюминесцентные методы помогут предсказывать свойства водорастворимых углеродных наноматериалов на этапе их синтеза, что чрезвычайно важно для создания новых медицинских препаратов на их основе.