Отримання графену, двовимірного кристала, що складається з одиночного шару атомів вуглецю, зібраних у гексанональну решітку, приклеїло розуміння науковців та інженерів у різних галузях науки і техніки. Цей матеріал має дивовижні кристалічні та електронні властивості. Тому матеріал знайшов використання в різних сферах, зокрема досить широко розглядається питання, як примінити графен в медицині.
Дивовижні властивості графена виникають завдяки унікальній природі його носіїв заряду – вони поводяться подібно до релятивістських частинок. Наноматеріал має унікальну структуру і виняткові фізичні та хімічні властивості, з яких випливає безліч можливостей для його застосування. Серед різних застосувань графену в медицині – біомедичні, які викликають постійно зростаючий інтерес.
Китайські вчені, автори огляду про використання графену в медицині, порівнюють цей чудовий наноматеріал з зіркою, що швидко сходить. Дійсно, у кожному випуску ПерсТа ми читаємо про нові застосування графену (G), оксиду графену (GO) або відновленого оксиду графену (RGO). Останнім часом і в області біомедицини було отримано цікаві результати. Автори огляду розповідають про найважливіші та перспективні напрямки.
Де застосовується графен в медицині?
Графен в медицині знайшов широке застосування. Одне із них – діагностика ракових новоутворень. Унікальні оптичні, електричні та інші властивості G, GO, RGO дозволяють створювати нові типи сенсорів біологічного походження. Серед них варто виділити наступні:
- оптичні;
- електрохімічні,
- FET біосенсори для виявлення біомаркерів.
Використання графену, ефективного гасителя флуоресценції, дозволило авторам різко підвищити чутливість оптичного біосенсора. Цей пристрій працює за принципом гасіння-відновлення флуоресценції. Для роботи йому потрібен даний матеріал і приєднаний до нього пептид з флуоресцентною міткою. Розглянутий нами кристал гасить флуоресценцію, але коли пептид зв’язується з білком-мішенню (в даному випадку це циклін А2, індикатор раку грудей, печінки, легені та ін.) і відривається від графену, флуоресценція відновлюється. Сенсори такого типу були розроблені і на основі оксиду графену.
Цей матеріал здатний значно підвищити ефективність електрохімічних імуносенсорів – на ньому можна розмістити величезну кількість елементів, що розпізнають. У деяких роботах пропонується додатково використовувати функціоналізацію наночастинками (Au, QD та ін.). Показано, що електрохімічні пристрої на базі цього матеріалу здатні не лише детектувати біомаркери, а й вивчати процеси утворення активних форм кисню (H2O2) у живих клітинах. Зростає інтерес до сенсорів з урахуванням графенових польових транзисторів – електричні властивості наноматеріалу дуже чутливі до локальному оточенню.
Графен та наноматеріали на його основі також застосовуються в медицині для безпосереднього детектування ракових клітин. Одна з методик використовує взаємодію антитіл, іммобілізованих на G або GO, з клітинами-мішенями (антигенами). Наносенсор можна навіть розмістити на живій тканині. Яскравий приклад – робота американських учених. Методом друку вони нанесли графенову матрицю з контактами та рамковою антеною на тонку плівку водорозчинного шовку. Плівка дозволяла переносити бездротовий пристрій на зуб або шкіру руки (щоправда, як видно на фотографії, для зуба сенсор поки завеликий). Після цього проводили функціоналізацію двовимірного кристалу (наприклад, приєднували пептиди, що зв’язують патогенні бактерії). Шовкову підкладку розчиняли у воді.
Мал. 1. Графен в медицині: схема та фотографія бездротового наносенсора.
Системи адресної доставки на основі графену
Ще одна область застосування графену в медицині – системи адресної доставки діагностичних пристроїв та різноманітних лікарських засобів. Автори статті M.S.Mannoor et al., Nature Commun. 3, 763 (випуск за 2012 рік) наводять приклади вельми успішного використання G, GO, гібридів GO з магнітними наночастинками як носії протиракових ліків:
- нуклеотидів/пептидів;
- флуоресцентних агентів для отримання зображення живих клітин;
- медичних препаратів.
Експерименти in vivo, in vitro, ex vivo змогли переконати медичний світ, що застосування сполучених хімічним зв’язком GO та антитіл (з радіоактивною міткою) значно підвищує ефективність позитронної емісійної томографії для клінічної онкології. Гібриди на основі GO та Fe3O4 використані для отримання як флуоресцентного, так і магнітно-резонансного зображень клітин.
Застосування графену у фототермічній терапії
Новим перспективним напрямком у медицині є застосування графену у фототермічній терапії. Цей вид лікування використовує генерацію тепла внаслідок поглинання світла фоточутливими агентами у хворих на клітини. Щоб уникнути пошкодження здорових клітин, поглинання має бути у ближньому ІЧ-діапазоні (700-1100 нм). Наноматеріал проявляє помітний фототермічний ефект завдяки сильному оптичному поглинанню у цій галузі спектра. Експериментально підтверджено протиракову активність нано-G та нано-GO. Вперше нанограф був успішно використаний для фототермічного знищення пухлини in vivo в роботі [3].
Мал. 2. Зліва – миша з пухлиною.
Справа – миша після введення нанографену та опромінення лазером.
Дослідники вводили в пухлини мишей внутрішньовенні ін’єкції нанографену (покритого поліетиленгліколем), а потім опромінювали лазером із довжиною хвилі 808 нм. Температура поверхні пухлини різко підвищувалася, і пухлина «згорала» (мал. 2). У контрольному експерименті без двовимірного кристалу зростання температури лежить на поверхні всього 2оС.
Пізніше у низці робіт було показано, що ефективність фототермічного лікування залежить від розмірів частинок G, GO та хімії поверхні. Дослідники вважають перспективними багатофункціональні нанокомпозити G (GO, RGO) з парамагнітними частинками та протипухлинними препаратами. Використовуючи такі нанокомпозити, можна поєднувати хемо- та фототермічну терапію, забезпечити точну адресну доставку.
Де ще може бути використаний двовимірний кристал у медицині?
Графен в медицині надає людству багато можливостей. Він може бути цінним помічником у лікуванні хвороби Альцгеймера. За деякими оцінками до 2050 р. кількість людей, які страждають на це тяжке нейродегенеративне захворювання, може зрости до 100 млн осіб. Ознака патології – крохмалоподібних (амілоїдних) бляшок (які в основному складаються з пептидів Αβ) та нейрофібрилярних клубків. Для лікування та запобігання захворюванню необхідно зрозуміти, як утворюються агрегати Αβ і як можна їх зруйнувати. Ефективність ліків обмежена, оскільки вони погано долають перегородку між кров’ю та мозком, не потрапляють у ціль і іноді ще й токсичні.
У кількох лабораторіях вивчили фототермічний вплив з використанням графену та довели перспективність цього підходу для лікування хвороби Альцгеймера. У групі, до якої належать автори огляду, був синтезований функціоналізований оксид графену GO-ThS та введений у спинномозкову рідину миші (ThS використовується у клінічній практиці для фарбування Αβ). Вперше було продемонстровано ефективне розкладання амілоїдних фібрил після лазерного опромінення (мал. 3).
Мал. 3. Схема використання GO-ThS на лікування хвороби Альцгеймера.
Дослідження G (GO) як субстрату культури стовбурових клітин тільки почалися, але вже з’явилися обнадійливі результати. Для відновлення порушень мозку та регенерації нейронів важливо забезпечити диференціацію нейрональних стовбурових клітин людини саме у нейрони, а не в клітини глії. Виявляється, поверхневі властивості графену сприяють цьому (мал. 4). Крім того, завдяки електричним властивостям, графен в медицині можна використовувати як електрод та стимулювати нейрони.
Мал. 4. Диференціація нейрональних стовбурових клітин на графені та покривному склі.
Негативні наслідки використання матеріалів на основі графену в медицині
Розробка графенових біоматеріалів та пристроїв поки що на початковій стадії розвитку. Необхідно вивчити вплив структури, розмірів, хімії поверхні та навчитися синтезувати потрібні матеріали з необхідними характеристиками. Важливо розробити мініатюрні та багатофункціональні пристрої безпечні для людини.
Результати перших досліджень токсичності та біологічної активності графену показали, що у малих дозах його можна використовувати без побоювання. У багатьох роботах, представлених в огляді M.S.Mannoor et al., Nature Commun. 3, 763, також йдеться про біосумісність та нетоксичність досліджених матеріалів на основі двовимірного кристалу. Але залишається багато побоювань та питань. Наприклад, як графен (G, GO, RGO) взаємодіє із кров’ю? В медицині це важливо, адже часто використовуються внутрішньовенні ін’єкції. Незважаючи на надихаючі результати, перед впровадженням подібних наноматеріалів у клінічну практику ще потрібно детально вивчити їх транспорт та розподіл в організмі, можливі хронічні та гострі ефекти.
Медичне обладнання – це широкий спектр приладів апаратів, інструментів, що використовуються у різних цілях. Незважаючи на приватні методи роботи, застосування техніки має спільну мету – відновлення та підтримання здоров’я людини. Пріоритетними напрямками модернізації медичного обладнання є розвиток технологічної складової надання медичних послуг, впровадження актуального програмного забезпечення, приведення використовуваних технічних інструментів у відповідність до нових стандартів.
Медичне обладнання з використанням графену
Графен в медицині також розглядається як важлива складова у деяких композитних матеріалах, що застосовуються для модернізації сучасного медичного обладнання. Вже розроблені на основі цього матеріалу прототипи різних електронних та оптоелектронних пристроїв:
- газові рецептори з екстремальною чутливістю;
- гравеновий одноелектронний транзистор;
- рідкокристалічні дисплеї;
- сонячні батареї (використовується як прозорий провідний електрод);
- спіновий транзистор;
- графенові польові транзистори;
- графенові випрямлячі та помножувачі частоти;
- високочутливі фотодетектори.
Дуже широко матеріал використовується в розробці приладів діагностики ракових захворювань.
Висновки та токсичність графену
Як і в багатьох інших областях, дослідження біомедичних застосувань графену в медицині розширюється, але переважно перебуває на початковій стадії. Успіхи в цій галузі досі є захоплюючими та обнадійливими, але існує низка завдань, з якими стикаються дослідники та які мають бути подолані. Одним з таких завдань є ретельне та глибоке розуміння взаємодії типу «графен-тканина», особливо механізму клітинного поглинання. Таке знання сприяє розвитку ефективної доставки ліків, біодатчиків та інших застосувань графену в медицині.
На думку редакції медичного порталу Symptom.live токсичність графену та його оксиду є ще однією з основних проблем. Попередні результати показують, що фізико-хімічні властивості тісно пов’язані з цитотоксичністю. Також вони здатні прискорити ріст, диференціювання та проліферацію стовбурових клітин, і, отже, дуже персвективні у тканинній інженерії, регенеративній медицині та інших біомедичних областях. Систематичне вивчення дуже бажане для вирішення проблем безпеки перед практичним застосуванням графену в медицині.