Fulereni u biomedicini

Na današnji dan 1933. rođen je Robert Floyd Curl Jr., profesor kemije u Sveučilištu Rice u Houstonu. Uz Richarda Smalleya (SAD) i Harolda Krota (UK), dobitnik je Nobelove nagrade za kemiju 1996. za otkriće nanomaterijala bukminsterfulerena C₆₀ i nove skupine spojeva fulerena. Nazvan je po američkom arhitektu Richardu Buckminsteru Fulleru zbog sličnosti strukture fulerena s njegovim poznatim arhitektonskim djelom, geodetskom kupolom Montreal Biosphere.

Otkriće

Prvi put su takve nakupine (klasteri) ugljika sintetizirani godinu dana prije samog eksperimenta Kroto-Smalley-Curl, no nisu bili prepoznati. Napokon, američko-britanski tim ih je identificirao 1985. godine procesom laserskog isparavanja. Djelovanjem laserskih zraka na rotirajući disk grafita formira se vruća ugljikova plazma i prolaskom te plazme kroz helij visoke gustoće formiraju se „loptice“ ugljika, najviše u obliku sa 60 i 70 ugljikovih atoma (C₆₀ i C₇₀). Na spektroskopu su uočili šiljak na 720 jedinica atomske mase bez dodatne strukturne informacije što je dovelo do zaključka da je riječ o sfernoj molekuli. Geometrijski, C₆₀ ima oblik odrezanog ikosaedra ili poznatije rečeno, nogometne lopte. Ovo otkriće pokazuje da se savršena simetrija ne javlja samo u teoriji nego i u prirodi.

Fuleren nema uvijek sferni oblik. Postoji i drugi oblik koji je vjerojatno još poznatiji, a to su ugljične nanocijevi ili nanovlakna (engl. carbon nanofibers) koje je tek 1991. otkrio Sumio Iijima, 6 godina nakon fulerena.  Mnogo veću primjenu imaju u industriji materijala jer se odlikuju vrhunskim fizikalnim svojstvima poput odlične električne i toplinske provodnosti, 20 puta veće vlačne čvrstoće od čelika i gustoće koja je dvostruko manja od aluminija.

 

Fizička i kemijska svojstva fulerena

Fulereni, osim u industrijskoj primjeni, imaju velik značaj imaju u nanotehnologiji i nanomedicini. Male dimenzije im omogućuju lakši prodor kroz stanične membrane i krvne žile što se može iskoristiti za detektiranje i liječenje bolesti na molekularnoj razini te efikasniju dopremu lijekova.

Zbog svoje nepolarne strukture imaju svojstvo ekstremne hidrofobnosti što stvara poteškoće u njegovoj primjeni, ali može imati i svoje prednosti (HIV-1 proteaza). Molekule C₆₀ tvore stabilnu suspenziju s vodom. Osim toga, nije zahtjevno strukturno ga modificirati zbog visoke reaktivnosti, osjetljivosti na svjetlost te redukcijskih i oksidacijskih svojstava. Njegova mogućnost modifikacije rezultira velikim brojem biološki aktivnih fulerena topljivih u vodi, kao što je fulerenol C₆₀(OH)₂₄.

Oksidacijsko i antioksidacijsko djelovanje fulerena

Otkrivena su brojna obilježja biološke aktivnosti fulerena i njegovih derivata. Jedna od njih je antioksidacijsko djelovanje karboksifulerena i fulerenola pri niskim koncentracijama. Zbog svoje visoke reaktivnosti ponaša se kao „hvatač“ slobodnih radikala štiteći od oksidativnog stresa.

Suprotno tomu, fuleren C₆₀ ima svojstvo citotoksičnosti, a njegovi derivati fotocitotoksičnosti, odnosno djelovanjem svjetlosti imaju toksičan učinak na stanice. Pretvaraju tripletni (standardni) kisik u singletni (¹Δ_g, pobuđeni, visokoenergetski) kisik ili superoksid koji mogu oksidacijskim djelovanjem cijepati DNA i razoriti njenu strukturu ili uništiti stanične membrane.

Jedan od fotocitotoksičnih derivata fulerena je fulerenol. Djelovanjem UV zraka uzrokuje izniman oksidativni učinak, uništavajući stanične membrane peroksidacijom lipida i oksidacijom membranskih proteina. Citotoksičan i fotocitotoksičan učinak fulerena i fulerenola uočen je na HeLa i HepG2 staničnim linijama pa se može primijeniti za uništavanje stanica karcinoma jetre i dojke. Dobra vijest je da se njihov oksidacijski učinak može kontrolirati. U kontaktu s drugim antioksidansima kao što je askorbinska kiselina ili glutation taj učinak prestaje.

 

Antibakterijska i antivirusna svojstva fulerena

Karboksifulereni su se pokazali djelotvornim u liječenju infekcija Gram-pozitivnih i Gram-negativnih bakterija, stoga ima antibakterijsko djelovanje.

Ipak, najveći značaj fulereni imaju u antivirusnoj terapiji. Otkriveno je da derivati fulerena imaju inhibicijsko djelovanje na HIV-1 proteazu, važan enzim koji održava životni ciklus HIV virusa, uzročnika AIDS-a. Aktivno mjesto HIV-1 proteaze udubljenje je veličine 1 nanometar. Pokazano je da derivati molekule C₆₀, čija je veličina oko 0.7 nanometara, mogu svojim snažnim hidrofobnim karakterom skoro savršeno zauzeti to mjesto sprječavajući djelovanje enzima.

Ukratko, fulereni su od svog otkrića privukli veliku pozornost zbog svoje jedinstvene kemijske strukture i potencijalne primjene u biomedicini. Biološki učinci fulerena i njihovih derivata značajno ovise o njihovom obliku, polarnosti te djelovanju kromatske svjetlosti i UV zračenja. Zbog svojih veličina i mogućnosti modificiranja njihovih površina, fulereni su u fokusu nanomedicine i nanotehnologije, a njihovi korisni učinci još se samo trebaju istražiti i otkriti. Jedino što nam preostaje je zahvaliti se znanstvenicima, kao što je Robert Curl, na njihovom radu i otkrićima koji nam pomažu učiniti život boljim.