ВОЗМОЖНОСТИ БИОМЕДИЦИНСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Сибирский государственный медицинский университет, Томск, Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний Сибирского отделения РАМН, Кемерово
Наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы, размеры которых в одном из измерений не превышают 100 нм. При переходе в ультрадисперсное состояние вещества приобретают качественно новые свойства. В последнее десятилетие наиболее популярным типом наноматериалов являются углеродные нанотрубки, которые привлекают внимание представителей различных научных направлений. Развитие фундаментальных и прикладных представлений об углеродных нанотрубках уже в ближайшие годы может привести к кардинальным изменениям в материаловедении, электронике, биологии, медицине и экологии.
Углеродные нанотрубки открывают новые возможности для биологического и медицинского применения: визуализация молекулярных, клеточных и тканевых структур; создание биосенсоров и электродов на их основе; целевая доставка разнообразных веществ; лучевая и фототермическая терапия. Наиболее перспективным свойством углеродных нанотрубок в контексте биомедицинского применения является их способность проникать в различные ткани организма и переносить большие дозы агентов, оказывая терапевтический и диагностический эффекты. Кроме того, функционализированные углеродные нанотрубки являются биодеградируемыми. Благодаря этим преимуществам нанотрубки являются перспективной основой для систем целевой доставки различных веществ. Другим актуальным направлением использования углеродных нанотрубок в медицине и биологии является визуализация объектов на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях. Связанные с углеродными нанотрубками контрастирующие вещества улучшают визуализацию клеток, что позволяет выявлять новые закономерности развития патологического процесса.
В связи с неясностью вопроса биосовместимости и цитотоксичности углеродных нанотрубок возможность их практического применения тормозится. Перед внедрением углеродных нанотрубок в практическое здравоохранение необходимо предусмотреть все возможные последствия их использования. Высокие темпы изучения свойств и разработка новых наноконструкций на основе углеродных нанотрубок в ближайшее время приведут к новым успехам, связанным с применением и разработкой новых параметров, которые будут определять их свойства и эффекты. В обзоре рассматривается строение, физико-химические свойства нанотрубок, их функционализация, фармококинетика и основные аспекты использования углеродных нанотрубок.

1. Mahmood M. Cytotoxicity and biological effects of functional nanomaterials delivered to various cell lines // J. Appl. Toxi-col. 2010. No. 30. P. 74–83.

2. Cheng J., Meziani M.J., Sun Y.-P., Cheng S.H. Poly(ethylene glycol)-conjugated multi-walled carbon nanotubes as an efficient drug carrier for overcoming multidrug resistance // Toxicology and Applied Pharmacology. 2011. No. 250. P. 184–193.

3. Bi S., Zhou H., Zhang S. Multilayers enzyme-coated carbon nanotubes as biolabel for ultrasensitive chemiluminescence immunoassay of cancer biomarker // Biosensors and Bioelectronics. 2009. No. 24. P. 2961–2966.

4. Yang F., Hu J., Yang D., Long J., Luo G., Jin C., Yu X., Xu J., Wang C., Ni Q., Fu D. Pilot study of targeting magnetic carbon nanotubes to lymph nodes // Nanomed. 2009. No. 4. P. 317–330.

5. Yinghuai Z., Peng A.T., Carpenter K., Maguire J.A., Hosmane N.S., Takagaki M. Substituted carborane-appended water-soluble single-wall carbon nanotubes: new approach to boron neutron capture therapy drug delivery // J. Am. Chem. Soc. 2005. № 127. P. 9875–9880.

6. Vivek S.T., Manasmita D., Amit K.J., Swapnil P., Sanyong J. Carbon nanotubes in cancer theragnosis // Nanomedecine. 2010. No. 5. P. 1277–1301.

7. Pacurari M., Yin X, Zhao J., Ding M., Leonard S., Schwegler-Berry D., Ducatman B., Sbarra D., Hoover M., Castranova V., Vallyathan V. Raw single-wall carbon nanotubes induce oxidative stress and active MAPKs, AP-1, NF-KappaB, and AKT in normal and malignant human mesothelial cells // Environmental Health Perspectives. 2008. V. 116, no. 9. P. 1211–1217.

8. Lam C.W, James J.T, McCluskey R., Hunter R.L. Pulmonary toxicity of single-wall carbon nanotubes in mice 7 and 90 days intratracheal instillation // Toxicol. Sci. 2004. No. 77. P. 126–134.

9. Mercer R.R., Scabilloni J., Wang L., Kisin E., Murray A.R., Schwegler-Berry D. Alteration of deposition pattern and pulmonary response as a result of improved dispersion of aspirated single-walled carbon nanotubes in a mouse model // Am. J. Physiol. Lung. Cell. Mol. Physiol. 2008. No. 294. P. 87–97.

10. Folkmann J., Risom L., Jacobsen N., Wallin H., Loft S., Meller P. Oxidatively damaged DNA in rats exposed by oral gavage to C60 fullerenes and single-walled carbon nanotubes // Environmental Health Perspectives. 2009. V. 117, no. 5. P. 1557–1566

11. Ma Y., Zheng Y., Huang X., Xi T., Lin X., Han D., Song W. Mineralization behavior and interface properties of BG-PVA/bone composite implants in simulated body fluid // Biomed Mater. 2010. V. 2, no. 5. P. 25003

12. Tsuda H., Xu J., Sakai Y., Futakuchi M., Fukamachi K. Toxicology of engineered nanomaterials – a review of carcinogenic potential // Asian Pacific Journal of Cancer Prevention. 2009. V. 10. P. 975–980.

13. Reilly R.M. Carbon nanotubes: potential benefits and risks of nanotechnology in nuclear medicine // The J. of nuclear medicine. 2007. V. 48, no. 7. P. 1039–1042.

14. Sato Y., Yokoyama A., Shibata K. and al. Influence of length on cytotoxicity of multi-walled carbon nanotubes against human acute monocytic leukemia cell line THP-1 in vitro and subcutaneous tissue of rats in vivo // Mol. BioSyst. 2005. no. 1. P. 176–182.

15. Yamashita K. Carbon nanotubes elicit DNA damage and inflammatory response relative to their size and shape // Inflammation. 2010. V. 33, no. 4. P. 276–280.

16. Shvedova A.A., Fabisiak J.P., Kisin E R., Murray A.R., Roberts J.R., Tyurina Y.Y. Sequential exposure to carbon nanotubes and bacteria enhances pulmonary inflammation and infectivity // Am. J. Respir. Cell. Mol. Biol. 2008. V. 5, no. 38. P. 579−590.

17. Carter A. Learning from history: understanding the carcinogenic risks of nanotechnology // News JNCI. 2008. V. 100, no. 23. P. 1664–1665.

18. Pan B., Cui D., Xu P., Ozkan C., Feng G., Ozkan M., Huang T., Chu B., Li Q., He R., Hu G. Synthesis and characterization of polyamidoaminedendrimer-coated multi-walled carbon nanotubes and their application in gene delivery systems // Nanotechnology. 2009. No. 20. P. 10–33.

19. Benito J.M., Garcia M.G., Mellet C.O., Baussanne I., Defaye J., Fernandez M.G. Optimizing saccharide-directed molecular delivery to biological receptors: design, synthesis, and biological evaluation of glycodendrimer-cyclodextrin conjugates // J. Am. Chem. Soc. 2004. No. 126. P. 1035–1040.

20. Cui D., Tian F., Ozkan CS., Wang M., Gao H. Effect of single wall carbon nanotubes on human HEK293 cells // Toxicol. Lett. 2005. V. 1, no. 155. P. 73–85.

21. Bartholomeusz J., Cherukuri P., Kingston J., Cognet L., Lemos R., Leeuw T.K., Russo G., Weisman R., Powis G. In vivo therapeuticsilencing of Hypoxia-Inducible Factor 1 alpha (HIF-1α) using single walled carbon nanotubes noncovalently coated with siRNA // Nano Res. 2009. V. 4, no. 2. P. 279–291.

22. Zheng M., Jagota A., Semke E.D., Diner B.A., Mclean R.S., Lustig S.R., Richardson R.E., Tassi N.G. DNA-assisted dispersion and separation of carbon nanotubes // Nat. Mater. 2003. No. 2. P. 338–342.

23. Coccinia T., Rodab E., Sarigiannisc D.A., Mustarellid P., Quartaroned E., Profumoe A., Manzoa L. Effects of water-soluble functionalized multi-walled carbon nanotubes examinated by different cytotoxicity methods in human astrocyte D384 and lung A549 cells // Toxicology. 2010. No. 269. P. 41–53.

24. Shvedova A.A., Kisin E.R., Porter P., Schulte P., Kagan V.E., Fadeel B., Castranova V. Mechanism of pulmonary toxicity and medical applications of carbon nanotubes: two faces of Janus? // Pharmacology & Therapeutics. 2009. No. 121. P. 192–204.

25. Bhirde A.A., Patel V.,Gavard J., Zhang G., Sousa A.A, Masedunskas A., Leapman R.D., Weigert R., Gutkind J. Targeted killing of cancer cells in vivo and in vitro with EGF-directed carbon nanotube-based drug delivery // ACS Nano. 2009. V. 2, no. 3. P. 307–316.

26. Singh R., Pantarotto D., McCarthy D. Binding and condensation of plasmid DNA onto functionalized carbon nanotubes: toward the construction of nanotube No. 127. P. 4388.

27. Ji S., Liu C., Zhang B., Yang F. Carbon nanotubes in cancer diagnosis and therapy // Biochimica et Biophysica Acta. 2010. No. 1806. P. 1121–112.

28. McDevitt M.R., Chattopadhyay D., Jaggi J.S., Finn R.D., Zanzonico P.B., Villa C., Rey D., Mendenhall J., Batt C.A., Njardarson J.T., Scheinberg D.A. PET imaging of soluble yttrium-86-labeled carbon nanotubes in mice // PLoS ONE. 2007. No. 2. P. 145–167.

29. Kaul G., Amiji M. Biodistribution and targeting potential of poly(ethylene glycol)-modified gelatin nanoparticles in subcutaneous murine tumor model // J. Drug Target. 2004. V. 9–10, no. 12. P. 585–591.

30. Otsuka H., Nagasaki Y., Kataoka K. PEGylated nanoparticles for biological and pharmaceutical applications // Adv. Drug. Deliv. Rev. 2003. № 55. P. 403–419.

31. Duong H.M., Papavassiliou D.V., Mullen K.J. et al. Computational modeling of the thermal conductivity of single-walled carbon nanotube-polymer composites // Int. J. Heat Mass Transfer. 2009. V. 23–24, no. 52. P. 5591–5597.

32. Bianco A., Kostarelos K., Partidos C.D., Prato M. Biomedical applications of functionalized carbon nanotubes // Chem. Commun. (Cambridge, UK). 2005. № 5. P. 571–577.

33. Chen J., Chen S., Zhao X.,Kuznetsova L.V., Wong S.S., Ojima I. Functionalized single-walled carbon nanotubes as rationally designed vehicles for tumor-targeted drug delivery // J. Am. Chem. Soc. 2008. V. 49, no. 130. P. 16778–16785.

34. Sayes C., Liang F., Hudson J., Mendez J., Guo W., Beach J., Moore V., Doyle C., West J., Billups W., Ausman K., Colvin V. Functionalization density dependence of single-walled carbon nanotubes cytotoxicity in vitro // Toxicol. Lett. 2006. No. 161. P. 135–42.

35. McDevitt M.R. Tumor targeting with antibody-functionalized, radiolabeled carbon nanotubes // The J. of nuclear medicine. 2007. V. 48, no. 7. P. 1180–1189.

36. Bianco A., Kostarelos K., Prato M. Applications of carbon nanotubes in drug delivery // Curr. Opin. Chem. Biol. 2005. No. 9. P. 674–679.

37. De La Zerda A., Zavaleta C., Keren S. Carbon nanotubes as photoacoustic molecular imaging agent in living mice // Nat. Nanotechnol. 2008. V. 9, no. 3. P. 557–562.

38. Yu X., Zhang Y., Chen C., Yao Q., Li M. Targeted drug delivery in pancreatic cancer // Biochimica et Biophysica Acta. 2010. No. 1805. P. 97–104.

39. Kateb B., Yamamoto V., Alizadeh D., Zhang L., Manohara H.M., Bronikowski M.J., Badie B. Multi-walled carbon nanotube (MWCNT) synthesis, preperetion, labeling, and functionalization // Immunotherapy of Cancer, Methods in Molecular Biology. 2010. No. 651. P. 307–317.

40. Ting G., Chang C.-H. and Wang H. Cancer nanotergeted radiopharmaceutical for tumor imaging and therapy // Anticancer Researche. 2009. No. 29. P. 4107–4118.

41. Pastorin G., Wu W., Wieckwski S., Briand J.P., Kostarelos K., Prato M., BiancoA. Double functionalization of carbon nanotubes for multimodal drug delivery // Chem. Commun. 2006. No. 11. P. 1182–1184.

42. Mahmood M., Karmakar A., Fejleh A., Mocan T., Iancu C., Mocan L., Iancu D.T., Xu Y., Dervishi E., Li Z., Biris A.R., Agarwal R., Ali N., Galanzha E.I., Biris A.S., Zharov V.P. Synergistic enhancement of cancer therapy using a combination of carbon nanotubes and anti-tumor drug // Nanomedicine. (London). 2009. No. 4. P. 883–893.

43. Dumortier H., Lacotte S., Pastorin G., Marega R., Wu W., Bonifazi D., Briand J.P., Prato M., Muller S., Bianco A. Functionalized carbon nanotubes are non-cytotoxic and preserve the functionality of primary immune cells // Nano Lett. 2006. No. 6. P. 1522–1528.

44. Liu Z., Davis C., Cai W., He L., Chen X., Dai H. Circulation and long-term fate of functionalized, biocompatible single-walled carbon nanotubes in mice probes by Raman spectroscopy // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008. No. 105. P. 1410–1415.

45. Weng X., Wang M., Ge J., Yu S., Liu B., Zhong J., Kong J. Carbon nanotubes as a protein toxin transporter for selective HER2-positive breast cancer cell destruction // Mol. BioSyst. 2009. № 5. P. 1224–1231.

46. Liu Z., Fan A.C., Rakhra K., Sherlock S., Goodwin A., Chen X., Yang Q., Felsher D.W., Dai H. Supramolecular stacking of doxorubicin on carbon nanotubes for in vivo cancer therapy // Angew. Chem. Int. Ed Engl. 2009. V. 41, no. 48. P. 7668–7672.

47. Subbiah R.P., Veerapandian M., Sadhasivam S., Yun K. Structural and biological evaluation of a multifunctional SWCNT-AgNPs-DNA/PVA bio-nanofilm // Electronic supplementary material. 2011. No. 4. P. 547–560.