Η σταθεροποίηση επιφάνειας διασφαλίζει την ασφάλεια του Buckminster Fullerene
Η ανακάλυψη του νανοδομημένου υλικού άνθρακα "fullerenes" έχει αναδειχθεί ως ένα νέο υποκατάστατο για το ευρέως αποδεκτό υλικό νανοάνθρακα όπως το γραφένιο στον κόσμο της νανο-έρευνας. Η έλευση αυτού του νέου νανοϋλικού από τους Kroto et al. το 1985 του έδωσε την ευκαιρία να καταλάβει μεγάλο χώρο σε διάφορες εφαρμογές όπως αισθητήρες, φωτοβολταϊκά, κατάλυση, ηλεκτρονικά και ούτω καθεξής. Όταν η εξάτμιση του γραφίτη με λέιζερ έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό 60 συστάδων άνθρακα, ονομάζονται "Buckminster fullerene" ή απλά "bucky ball".
Η μοναδικότητα του φουλερενίου C60 βασίζεται στη μοριακή του οργάνωση, η οποία είναι ένα κολοβωμένο εικοσάεδρο με δομές 12 πεντάγωνων και 20 εξαγωνικών δακτυλίων (1). Η εξαιρετική σταθερότητα ως αποτέλεσμα των συμμετρικά διατεταγμένων ατόμων άνθρακα στα φουλλερένια τα καθιστά κατάλληλα για βιοϊατρικές εφαρμογές ως παράγοντα χορήγησης φαρμάκων, ανιχνευτή βιοαπεικόνισης, ικριώματα μηχανικής ιστών, κ.λπ. την οικογένεια φουλερενίων. Η ομάδα φουλλερενίου έχει παρόμοια δομή αλλά με διαφορετικό αριθμό ατόμων άνθρακα. Ο κύριος τομέας στον οποίο το φουλερένιο τυγχάνει της προσοχής στις βιοϊατρικές εφαρμογές είναι το αντιοξειδωτικό δυναμικό που παρουσιάζουν σε ένα βιολογικό σύστημα.
Οι αντιδράσεις μείωσης οξείδωσης ως μέρος της μιτοχονδριακής αναπνοής αποτελούν τις κύριες αντιδράσεις όπου οι ελεύθερες ρίζες δημιουργούνται και διαδίδονται εκτενώς μέσα στο κύτταρο. Τα μόρια που σαρώνουν αυτά τα εξαιρετικά αντιδραστικά είδη οξυγόνου μπορούν να βελτιώσουν το ποσοστό επιβίωσης των κυττάρων. Τα φουλερένια με ειδικά διατεταγμένα άτομα άνθρακα είναι αρκετά καλά για να αποσυνδέσουν τις αλυσιδωτές αντιδράσεις μεταφοράς ηλεκτρονίων που διαδίδονται μέσα στο μιτοχονδριακό διαμέρισμα. Οι χαρακτηριστικές διατάξεις άνθρακα 60 αφιερώνουν επίσης αντιμικροβιακή ιδιότητα στα φουλλερένια μέσω διαταραχής της προστατευτικής λιπιδικής διπλοστιβάδας και των δομών μεμβράνης των μικροοργανισμών. Παρομοίως, το ντόπινγκ μεταλλικών ιόντων μέσα στη δομή του bucky ball του φουλερενίου χρησιμοποιείται ως παράγοντας αντίθεσης. Στη βιοαπεικόνιση, η φωτοακτινοβόληση συζεύξεων φουλερενίου με ικανότητα δέσμευσης DNA χρησιμοποιείται συχνά ως αντικαρκινικός παράγοντας (2) (Εικόνα 1).
Ενώ εξετάζονται αυτά τα πλεονεκτήματα, είναι σημαντικό να επισημανθούν τα κύρια μειονεκτήματα του φουλερενίου C60, όπως η υδρόφοβη φύση που περιορίζει την εφαρμογή τους σε ένα βιολογικό σύστημα. Οι ερευνητές ξεπερνούν αυτό το πρόβλημα μέσω της λειτουργικοποίησης των φουλλερενίων με διάφορα υδρόφιλα τμήματα στην επιφάνειά τους (3). Ως αποτέλεσμα, τα υδατοδιαλυτά φουλερένια καθιερώθηκαν ως θηρανωσικός παράγοντας στην οστεοπόρωση και στοχευμένοι παράγοντες χορήγησης φαρμάκων/γονιδίων στη θεραπεία του καρκίνου.
Η πρόοδος της έρευνας στη νανοτεχνολογία οδήγησε στην ανάπτυξη υλικών με τεράστιες βιοϊατρικές εφαρμογές. Ωστόσο, η χρήση αυτών των υλικών ως φαρμακευτικών προϊόντων απαιτεί ενδελεχή έρευνα σχετικά με την τοξικότητά τους στα έμβια όντα και στο περιβάλλον. Αν και πολλές μελέτες ανέφεραν τη γενική τοξικότητα των νανοσωματιδίων σε ζωντανά συστήματα, εξακολουθούν να υπάρχουν διαφωνίες σχετικά με τον μηχανισμό και το ρόλο των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών. Ο τρόπος με τον οποίο τα περισσότερα από τα υλικά νανομεγέθους προκαλούν τοξικότητα σε ένα ζωντανό σύστημα είναι μέσω της άμεσης αλληλεπίδρασής τους με την πλασματική μεμβράνη και της σχετικής καταστροφής των προστατευτικών μονάδων μεμβράνης.
Σε μια άλλη ιδέα, εάν τα σωματίδια εσωτερικεύονται στα κύτταρα μέσω του μηχανισμού της ενδοκυττάρωσης, θα κατανεμηθούν στο κυτταρόπλασμα και στην αλληλεπίδραση πρόσβασης με τα κυτταρικά οργανίδια. Μερικά από τα βελτιωμένα νανοσωματίδια μπορούν να διασχίσουν το πυρηνικό περίβλημα και ακόμη και να προκαλέσουν βλάβη σε γενετικά υλικά (4). Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να επιστήσουμε την προσοχή στην τοξικολογική αξιολόγηση των συνθετικών υλικών και να αποδείξουμε την ασφάλειά τους πριν από τη χρήση τους για ιατρικές εφαρμογές. Η παρούσα μελέτη πραγματεύεται την αλληλεπίδραση του λειτουργοποιημένου με δεξτράνη φουλερενίου C60 (Dex-F60) με κυτταρικές σειρές ωοθηκών κινέζικου χάμστερ (CHO).
Η μελέτη ξεκινά με τη λειτουργικοποίηση του φουλερενίου C60 με χρήση υδρόφιλου πολυμερούς:δεξτράνης και χαρακτηρισμό τροποποιημένου υλικού χρησιμοποιώντας απεικόνιση TEM και ανάλυση FTIR. Στη συνέχεια, διεξήχθη λεπτομερές προφίλ τοξικότητας του Dex-F60 χρησιμοποιώντας κύτταρα CHO. Η κυτταρική βιωσιμότητα όσον αφορά το δυναμικό μείωσης των μιτοχονδρίων και την εσωτερίκευση των λυσοσωμάτων αξιολογήθηκε μετά από 24 ώρες έκθεσης στο Dex-F60 με κύτταρα CHO. Γενικά, οι νανοενώσεις δημιουργούν οξειδωτικό στρες στα κύτταρα καθώς αποσπούν την προσοχή του δυναμικού της μιτοχονδριακής μεμβράνης και επιταχύνουν την εξέλιξη των ελεύθερων ριζών. Η παρούσα μελέτη ανέφερε αυξημένη παραγωγή ελεύθερων ριζών στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων μετά από αλληλεπίδραση Dex-F60. Η δημιουργία ελεύθερων ριζών βρέθηκε ότι εξαρτάται από τη συγκέντρωση των σωματιδίων Dex-F60 που εκτέθηκαν σε κύτταρα CHO. Ωστόσο, η κυτταροσκελετική ακεραιότητα καθώς και η λειτουργία των οργανιδίων δεν επηρεάστηκαν από το Dex-F60 στις συγκεκριμένες συγκεντρώσεις που χρησιμοποιήθηκαν για αυτήν τη μελέτη. Η δυνατότητα του Dex-F60 να προσδώσει οποιαδήποτε σοβαρή επίδραση σε πυρηνικά ομολόγους διερευνήθηκε επίσης με τη χρήση χρώσης DAPI και ανάλυσης κλίμακας DNA. Διεξήχθη επίσης κυτταρομετρία ροής για να ελεγχθεί ο αριθμός των ζωντανών/νεκρών κυττάρων που υπάρχουν στο σύστημα μετά την αλληλεπίδραση Dex-F60. Δεν βρέθηκε πυρηνική αποσύνθεση και αποπτωτικός κυτταρικός θάνατος παρουσία Dex-F60. Οι κύριες παρατηρήσεις της μελέτης απεικονίζονται στο Σχήμα 2.
Ολόκληρη η μελέτη ολοκληρώθηκε με την ιδέα ότι το Fullerene C60 που έχει σταθεροποιηθεί με δεξτράνη είναι ένα βιοσυμβατό υλικό που σίγουρα μπορεί να λάμψει στον τομέα της νανοϊατρικής.
