БИОФИЗИКА, 2010, том 55, вып.1, c.88-94
== БИОФИЗИКА КЛЕТКИ= ==
УДК 548.736.1:546.26:612.826
ФУЛЛЕРЕНЫ C60, АНТИАМИЛОИДНОЕ ДЕЙСТВИЕ, МОЗГ И КОГНИТИВНЫЕ П Р ОЦЕССЫ
© 2010 г. И .Я. Подольский*, З.А. Подлубная*, О.В. Годух ин* **
*Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, 142290, Пущино Московской области, ул. Институтская, 3; **Пущинский государственный университет, 142290, Пущино Московской области E-mail: podolski. igor809@gmail.com Поступила в p едакцию 09.10.09 г.
Памяти замечательного ученого и гуманиста ЛевонаМихайловича Чайлахяна посвящается
П p едставлен краткий обзор работ в новом направлении: антиамилоидное действие фуллеренов C60 и коррекция нарушенных когнитивных процессов. Обсуждены возможности разработки на основе фуллеренов лекарств, действующих на ключевые молекулярные механизмы на ранней стадии болезни Альцгеймера.
Ключевые слова: фуллерены C60, антиамилоидное действие, нейроны, память, болезнь Альцгеймера, нейродегенеративные заболевания.
Фуллерены С60 - углеродные наночастицы с уникальными физико-химическими и биологическими свойствами. И сследование фуллеренов является одним из ведущих направлений нанобиотехнологии и наномедицины. Действие фуллер енов на Р-амилоиды, нейроны и когнитивные процессы - новая проблема, которая перекидывает мост от нанотехнологии к ней-ронауке.
Букминстерфуллерен (кратко, фуллерен Сбо) состоит из 60 атомов углер ода, расположенных на вершинах правильных шестиугольников и пятиугольников, образующих симметричную полую сферу диаметром менее 1 нм. Атомы углерода соединены между собой сопряженными двойными связями, создающими на всей поверхности молекулы единую систему нелока-лизованных п-электронов.
Фуллерены открыты Г. К рото, Р. Смолли и Р. Керлом в 1985 году. В 1996 г. авторы удо стоены Нобелевской премии по химии. За-
Сокращения: Фуллерен - Сбо, АФК - активные формы кислорода, АР - амилоидный Р-пептид, Сбо FWS - коллоидная водная суспензия фуллерена, БА - болезнь Альцгеймера , НМДА - К-метил-Б-аспартат, АМПА - а-ами-но-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионат, ДВП - долговременная потенциация, ПС - популяционный спайк, Сбо(ОИ),8 - фуллеренол, в/ж - введение в желудочки мозга, СбО/пВП - Сбо/поливинилпирролидон, СПИД -синдром приобретенного иммунного дефицита, ВЧ - высокочастотная стимуляция.
хватывающая история открытия этой «звездной молекулы» изложена в нобелевской речи Р. К рото [1].
Гидрофобность, сферическая форма молекулы, необычные редокс-свойства, позволяющие присоединять до шести электронов, и низкая токсичность стимулируют исследование биологических свойств этой удивительной молекулы [2-4]. Одним из основных биологических свойств фуллерена Сбо является способность тушить свободные радикалы, вести себя как «губка свободных радикалов». Применению этого свойства препятствует исключительно низкая растворимость Сбо в воде и агрегация его наночастиц. Растворение сильно влияет на гашение активных форм кислорода (АФК), и это необходимо принимать во внимание при характеристике различных препаратов и оценке их действия [3,5].
Одним из свойств фуллеренов является проницаемость через модельные липидные мембраны, превосходящая все другие молекулы [б,7].
Недавно началось внедрение нанотехноло-гии в нейронауку, котор ое быстро развивается [8,9]. Одним из перспективных направлений является исследование механизмов нейропротек-торного действия фуллеренов и возможность разработки на их основе лекарств, действующих на ключевые молекулярные механизмы нейро-дегенеративных заболеваний [8,Ю].
АНТИАМИЛОИДНОЕ ДЕЙСТВИЕ ФУЛЛЕРЕНОВ
В последние годы обнаружено сильное влияние наночастиц на агр егацию амилоидного Р-пептида [11—14]. Первая работа была выполнена Кимом и Ли в 2003 году. Авторы показали, что в водном р астворе 1,2-(диметоксимета-но)фуллерен тушил флуоресценцию тиофлавина Т, связанного с амилоидным Р-пептидом (1-40) (ЛР1-4о). Эффект был выр ажен значительно сильнее, чем у других ингибиторов агрегации ЛР [15]. Авторы предположили, что фуллерен связывается с гидрофобной областью ЛР1_40 (мотив KLVFF), препятствуя агрегации мономеров. Недавно мы впервые визуальным методом (с помощью высокоразрешающей электронной микроскопии) показали сильное влияние фуллер енов Сб0 на амилоидогенез ЛР-пептидов. В опытах in vitro добавление фуллерена приводит к декорации амилоидных фибрилл небольшими сферическими агрегатами фуллерена. Коллоидная водная суспензия фуллерена (Сб0 FWS), добавленная до формирования зрелых амилоидных фибрилл (спирально скрученных лент) ЛР25_з5-пептида, пр едотвращала их обр а-зование. Фуллерен разрушал и сформир ованные пептидом фибриллы (см. рис. 1) [16], и оказывал такое же действие на фибриллы ЛР^2 [17]. К роме того, показано, что Сб0 FWS и поликарбоксильное производное фуллерена, С60С1(С6Ы4СИ2СООКа)5, разрушали зрелые амилоидные фибр иллы мышечного X-белка и предотвращали формирование новых фибрилл [18]. Наши данные позволяют предположить, что амилоидные пептиды являются мишенью действия фуллеренов. Следует подчеркнуть, что сильное антиамилоидное действие оказывают небольшие агрегаты фуллерена и его водорастворимые производные. По-видимому, гидрофобные взаимодействия фуллеренов с амилоидными Р-пептидами и фибриллами X-белка лежат в основе их антиагрегационного действия. Наши данные позволяют предположить, что амилоидные пептиды являются мишенью действия фуллеренов. Большой интерес представляет исследование in vivo действия фулле-ренов на Р-аминолоиды. Эта работа нами только начата.
Влияние наночастиц на Р-амилоиды вызывает большой интерес. Так, в работе [11] при проведении опытов in vitro было показано, что полиэтиленгликолевые фосфолипидные нано-мицеллы разр ушали фибриллы ЛР1_42. В отличие от этого, наночастицы двуокиси титана усиливали агрегацию ЛР1_42, вызывая амилои-
Рис. 1. Электронные микрофотографии агрегированного ЛР25-э5-пептида, коллоидного водного раствора фуллерена (C60 FWS) и ЛР25-э5-пептида при добавлении C60 FWS. ЛР25-э5-пептид инкубирован в течение 24 часов при 37°C. Спирально скрученные ленточные фибриллы диаметром 26 нм (показаны стрелками) (а). Сферические агрегаты Сб0 FWS диаметром 5 - 40 нм и их скопления (б). Инкубация Лв25-35-пептида с Сбо FWS в молярном соотношении 6:15. Все агрегаты фуллерена связаны с короткими протофибриллами ЛР-пептида, показано стрелками (в). Шкала - 100 нм [16].
догенное действие [12]. Авторы предположили, что определенные наночастицы могут быть этиологическим фактором спонтанной формы болезни Альцгеймер а (БА). П ричины спонтанной формы БА неизвестны. П редположение о роли некоторых наночастиц в этиологии БА-пр едмет дальнейших исследований.
Взаимодействие белков и наночастиц - высокоспецифический процесс, зависящий от свойств поверхности белков и наночастиц. К р и-
0.4-'-'-'-'-'-'-'-■-'-'
-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70
Время, мин
С60Р\¥8, 7-10"5 мг/мл
Рис. 2. Динамка изменения амплитуды популяционного спайка (П С) (нормированные значения) в контроле (1) и при действии См FWS (2). Показаны среднее значение ± стандартная ошибка (п = 4). На врезках приведены примеры ПС до и после высокочастотной (ВЧ) стимуляции. Линией показано время введения С№ FWS. * - Достоверное отличие от контроля до и после ВЧ-стимуляции, р < 0,05 [21].
тическое значение имеет изгиб поверхности на-ночастицы. Эта гипотеза объясняет механизм различного влияния наночастиц на обр азование фибрилл АР [13,14].
ВЛИЯНИЕ ФУЛЛЕРЕНОВ НА НЕЙРОНЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА
Какое действие фуллерены оказывают на нейроны головного мозга? На культуре нейронов мозга эмбр ионов крыс полигидроксилиро-ванные фуллерены, фуллеренолы (Сбо(ОИ)18) подавляли связывание подтипов ионотропных глутаматных рецепторов: К-метил-Б-аспартат-ных (НМДА), а-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионатных (АМПА) и каинатных и снижали уровень внутриклеточного кальция [19]. В срезах гиппокампа крыс коллоидная водная суспензия фуллерена Сбо (Сбо FWS), в которой присутствовали как отдельные молекулы, так и их ассоциаты [20], в низкой концентрации (7-10-6, 7-10-5 мг/мл) значительно повышала активность пирамидных нейр онов, основных клеточных элементов гиппокампа, не нарушая развития долговременной потенциа-ции (ДВП) (см. рис. 2). В более высокой концентрации (7-10-3 мг/мл) фуллерен не влиял на активность пирамидных нейронов и подавлял ДВП [21]. Генез популяционного спайка (ПС), вызванного стимуляцией глутаматергических синаптических входов от коллатералей Шаф-фера, зависит как от активации постсинапти-
ческих АМРА-р ецепто ров глутамата, так и от потенциалзависимых Ка+-каналов пирамидных нейронов. Фактором инициации развития ДВП синаптической пер едачи в поле СА1 гиппокам-па является активация НМДА-рецепторов [22]. Мы предполагаем, что немодифицированный фуллерен оказывает иное действие, чем поли-гидроксилированные фуллерены и в низкой концентрации, не влияя на активность НМДА-рецепторов, способен либо избирательно повышать эффективность проведения синаптическо-го сигнала, опоср едованного АМПА-рецепто-рами, либо усиливать активацию потенциалза-висимых Ка+-каналов в постсинаптических пирамидных нейронах. Необходимы дальнейшие исследования этого вопроса.
АФК и глутаматная эксайтотоксичность являются ведущими факторами патогенеза многих тяжелых и распространенных заболеваний головного мозга: нейродегенеративных заболеваний, нарушений мозгового кровообращения, эпилепсии [23]. В срезах гиппокампа перекись водорода и гидропероксид кумола обратимо подавляли амплитуду ПС пирамидных нейронов в поле СА1. Введение фуллеренола в низкой концентрации (0,1 мМ) предупреждало повреждающее действие АФК. Фуллеренол восстанавливал синаптическую проводимость в концентрации на порядок более низкой, чем де-фероксамин, хелатор железа [24]. На культуре кортикальных нейронов показано, что карбок-сифуллерены снижали эксайтотоксичность, вы-
званную стимуляцией НМДА- и АМПА-p ецеп -тор ов и подавляли апоптоз, вызванный A в1-42 [10]. На культуре нейронов феноxpомоцитомы фуллер енол в концентр ации 0,1-1,0 мкМ умень -шал уровень свободного кальция в цитозоле, повышенный AР25-3
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.