МАГИЯ ПОВЕРХНОСТИ

«Действию кремнезема принадлежит большое будущее», — писал Луи Пастер. Наш великий соотечественник Владимир Вернадский считал, что никакой живой организм не может существовать без кремния. Кремний образует ряд соединений, аналогичных соединениям углерода. Это и побудило писателей-фантастов к созданию произведений об альтернативной жизни на основе соединений кремния («кремниевой» жизни).

Лечебные свойства кремнезема (SiO2) издавна высоко ценили народные целители, а затем и медики-профессионалы. Он прочно вошел в гомеопатическую практику. Давно замечено, что на песчаных почвах, где много кремнезема, лучше растут травы, выше урожай окультуренных растений, к тому же они меньше подвержены болезням. Синтез кремнеземов с модифицированной поверхностью, создание на их основе веществ с заданными свойствами положили начало целому научному направлению в химии поверхности.

С приближением Нового года все ожидают чего-то необычного, яркого, впечатляющего. Поэтому мы и решили, что встреча в клубе «Эврика» — как раз то, что надо. И тема вполне соответствует традиционным предновогодним ожиданиям. А главное — фантастика-то в реальности! И пусть вас, уважаемый читатель, не смущает несколько прозаическое название темы заседания нашего клуба — «Нанохимия для медицины и биологии», — речь пойдет о вещах воистину фантастических.

«Почему, собственно, химия поверхности так интересует сейчас многих — и ученых, и технологов, и специалистов в области медицины? Дело в том, что на поверхности все атомы находятся в особом состоянии — у них много ненасыщенных связей. Этим и объясняется то, почему малые частицы, имеющие много атомов на поверхности, обладают необыкновенными химическими свойствами.

Поверхность — часть любого объекта, через которую он взаимодействует с окружающей средой. Поэтому в науке ей сейчас уделяется такое пристальное внимание. Когда частички вещества имеют нанометровые размеры, роль поверхности значительно возрастает, и это вызывает ряд необыкновенных химических, физических эффектов, что способствует созданию новых технологий», — с этой преамбулы академика А.Наумовца и начался разговор на заданную тему.

В заседании клуба «Эврика» принимали участие ученые НАН, АМН Украины и Винницкого национального медицинского университета (ВНМУ) им. Н.Пирогова, а именно: Антон НАУМОВЕЦ, академик НАНУ, академик-секретарь отделения физики и астрономии НАНУ; Алексей ЧУЙКО, академик НАНУ, директор Института химии поверхности (ИХП); Исаак ТРАХТЕНБЕРГ, член-корреспондент НАНУ, академик АМНУ, зав. лабораторией токсикологии Института медицины труда АМНУ; Николай ЛУЦЮК, профессор ВНМУ; Александр ПЕНТЮК, профессор, зав. кафедрой биохимии ВНМУ; Олег БОНДАРЧУК, доцент кафедры хирургии ВНМУ; Валерий ПОКРОВСКИЙ, доктор физико-математических наук, ИХП НАНУ; Нина ШКЛОВСКАЯ, кандидат химических наук, ИХП НАНУ; Валерий ПОГОРЕЛЫЙ, доктор химических наук, ИХП НАНУ; Дмитрий ЗЕРБИНО, академик АМНУ, директор Института медицинской патологии, г. Львов.

Кремниевое чудо

А.Чуйко: Наночастица обладает интересной особенностью — до определенного количества атомов, составляющих эту частицу, у нее практически каждый атом — участник образования поверхности. То есть малая частица имеет огромную поверхность. На примере высокодисперсного кремнезема хотел бы остановиться на свойствах таких наночастиц.

ВДК — белоснежный пушистый порошок. Размер его частички составляет около 100 ангстрем. Особенность нанометровых частиц — и этим они коренным образом отличаются от массивных образцов SiO2 — чрезвычайно большая площадь поверхности (от 50 до 500 метров). 1 литр вещества весит всего 30 граммов.

Частичка с химически модифицированной поверхностью имеет сферическую форму, что очень важно при его совмещении с биосредой. Ведь если твердая фаза кристаллических кремнеземов способна вызывать у человека заболевание легких (силикоз), то аморфный кремнезем абсолютно безопасен и обладает многими полезными свойствами.

Первое фундаментальное свойство кремнезема — гидрофильность, то есть способность связывать значительное количество воды. Второе фундаментальное свойство заключается в его высокой белоксорбирующей способности. Квантовые химики показали, что есть некое соответствие электронной структуры фрагмента поверхности SiO2 и электронной структуры белка. Кремнезем сорбирует на три порядка больше белковых соединений по сравнению со всеми известными сорбентами.

Третье фундаментальное свойство — «адсорбция» микроорганизмов. При этом величина связывания микроорганизмов составляет до 3 млрд. микробных тел на 1 г сорбента. Столь высокий связывающий эффект обусловлен феноменом агглютинации (склеивания) микроорганизмов частицами сорбента. Последние по размеру (4 — 40 нм) значительно меньше микроорганизмов, и именно частицы сорбента адсорбируются на микробных клетках, а не наоборот, подобно клею связывая их в один конгломерат. Этот эффект используется также для капсулирования репродуктивных клеток.

И.Трахтенберг: Мы с вами свидетели первой широкой дискуссии, когда эти две проблемы — химия поверхности и биомедицинские исследования тесно переплетаются.

Хотел бы подчеркнуть, что творческое сотрудничество химиков, биологов и медиков началось еще во времена СССР, когда группа ученых под руководством академика А.Несмеянова осуществила синтез металлорганических соединений. Это был огромный прорыв в химии. Мы, киевляне, в свое время заинтересовались вопросом: что собой представляют такие соединения с точки зрения медицины и биологии? И здесь мы вышли на проблему, которая продолжает волновать химиков, медиков, биологов и сегодня, — взаимосвязь физико-химической структуры соответствующей молекулы с биологическим или токсическим действием.

Именно здесь медики совместно с химиками сделали огромное дело — всесторонне изучили токсикологию аморфного кремнезема и доказали возможность его применения в качестве эффективного сорбента. На примере института, возглавляемого академиком Чуйко, мы видим подтверждение традиционных творческих связей химиков с медиками и биологами.

Н.Луцюк: Наше сотрудничество с Институтом химии поверхности НАНУ началось в 1982 году с чрезвычайно интересных экспериментов на животных нашего коллеги П.Загнибороды. После операций на кишечнике (по поводу непроходимости) подопытные быстро погибали. Когда он стал применять для обработки тканей суспензию кремнезема, все животные выжили. Позже мы узнали, что одна из главных особенностей сорбента заключается в связывании белка. А белковые токсины, которые накапливались в кишечнике животных, как раз и были главной причиной их гибели. И когда мы убедились в действенности препарата, сразу же обратились в институт с предложением о сотрудничестве.

В практике винницких ученых-медиков был очень памятный случай со спасением девочки-подростка. Ее, умирающую, привезли в областную больницу из сельской глубинки. Вследствие кишечной патологии у девочки развился перитонит, и она погибала от интоксикации. Понимая тяжесть состояния пациентки, врачи даже не тешили себя иллюзиями о ее спасении. И тогда зав. кафедрой биохимии медуниверситета профессор Н.Луцюк предложил применить белый порошок (SiO2), суспензией которого промыли брюшную полость, обработали пораженные участки. Девочку удалось вернуть к жизни. Так, методом рискованного эксперимента в безвыходной ситуации, клиницисты открывали уникальные свойства сорбента.

Белый порошок. Рекомендовано Минздравом

В то же время возрастает интерес химиков к этому веществу. В Институте химии поверхности был создан отдел медико-биологических проблем поверхности, который сегодня стал ведущим в структуре ИХП. Ученые института открыли и обосновали на молекулярном уровне связь между особенностями химического строения поверхности аморфного кремнезема и его биоактивностью, что позволяет создавать новые фармацевтические препараты на основе SiO2, новейшие биокорригирующие технологии. Обнаружен эффект значительного увеличения биодоступности лекарственных веществ, обусловленный воздействием наноструктурных частиц кремнезема на проницаемость клеточных мембран. Химики совместно с медиками работают над созданием лекарственных средств с заданной фармакодинамикой.

Институт разработал и внедрил в медицинскую практику новый лекарственный препарат эфферентной терапии силикс (silics от silica — SiO2 и ics — Institute Chemistry Surface).

В.Погорелый: Здесь уже были названы главные свойства поверхности диоксида кремния, на которых базируется его физиологическая активность.

Токсины обладают повышенной реакционной способностью по сравнению с нормально функционирующим белком. Наночастицы препарата, продвигаясь внутри желудочно-кишечного тракта, отбирают белки-токсины и оставляют без внимания те, что функционируют нормально.

В общем, наши теоретические соображения прекрасно оправдались в экспериментах, и сегодня токсикологи по поводу силикса шутят: его токсичность на уровне воды. То есть обычной водой отравиться нельзя. Хотя, конечно, можно утонуть.

После того, как была доказана его нетоксичность, следовало определить круг патологий, при которых силикс может считаться эффективным лекарственным средством. Думаю, об этом скажут наши винницкие коллеги. Единственное, что хочу подчеркнуть, в монолекарственной форме SiO2 далеко не исчерпал себя, несмотря на длительные исследования и большой опыт применения в различных клиниках.

Мы начали исследовать, разрабатывать и испытывать композиционные материалы на основе SiO2. Примечательно, что в присутствии силикса меняется свойство других лекарственных веществ, увеличивается время их действия (пролонгированность), улучшается биодоступность. Это значит, что, уменьшив дозу активного вещества, можно добиться того же терапевтического эффекта.

Поэтому мы приступили к созданию комбинированных препаратов на основе природных веществ, главным образом лекарственных трав. Подошли к этому нетрадиционным путем: создаем композит на основе силикса и высокодиспергированных растений. Таким образом, во-первых, достигается полнота действия, а во-вторых, достигается синергетический эффект. Такие композиты мы назвали фитосилами. Предварительные клинические исследования показали их высокую эффективность. Поскольку спектр действия растений очень широк, можно подбирать нужные композиты в зависимости от патологий.

Важно отметить, что диоксид кремния признан не только как лекарственное средство, но и как биоактивная пищевая добавка, рекомендованная в первую очередь для детей и людей пожилого возраста. Медикам известно, почему при сбалансированном питании пожилого человека ожидаемый терапевтический эффект не наблюдается. Дело в том, что с возрастом меняется усвояемость пищи. А в присутствии силикса тот же продукт становится для человека полезным, так как повышается его биодоступность. Кстати, SiO2 разрешен для детей, даже для новорожденных. Кроме того, он является безвредным консервантом — за счет антимикробного эффекта SiO2 препятствует развитию патогенных микроорганизмов в продуктах питания.

— Любое лекарство не лишено побочных эффектов. К тому же бывает, что один и тот же препарат одному помогает, а другому — нет. Известны случаи индивидуальной непереносимости какого-то вещества. А если, предположим, у человека повышенная чувствительность к кремнезему? Вспомним хотя бы историю жизни и смерти Маруси Весницкой (о ней повествует К.Паустовский в одном из своих рассказов). Киевская гимназистка, выйдя замуж за сиамского принца, была отравлена ненавидевшими ее придворными. Способ отравления был необычным: ей постоянно подсыпали в пищу истертое в тончайший порошок стекло, от чего у нее через какое-то время появилось сильное внутреннее кровотечение, которое и привело к летальному исходу. Известный гомеопат Т.Попова высказывает предположение, что Маруся Весницкая, видимо, имела кремниевую конституцию в гомеопатическом понимании, и поэтому мельчайший стеклянный порошок для нее оказался ядом.

Участники дискуссии тут же резонно заметили, что в приведенном случае речь идет о кристаллическом кремнеземе (вспомним тот же силикоз, вызываемый кремниевой пылью). Наночастицы ВДК, как уже говорилось выше, имеют сферическую поверхность и поэтому абсолютно безопасны.

Тем не менее, считает академик Д.ЗЕРБИНО, поставленный вопрос правомерен.

— Человек стал «таблеткопитающимся» существом. Известны случаи, когда лекарство уже через несколько секунд вызывало бурную реакцию в организме вплоть до анафилактического шока. Или, например, съел ребенок шоколадную конфету, и у него появляется сыпь. Глубоко обоснованных объяснений этому нет. И вот почему. Мы привыкли мыслить макрокатегориями, а нужно думать о клетке. На микроуровне ведь совсем другая жизнь. Здесь прозвучала фраза, мол, все зависит от химического препарата. Нет, все зависит от того, как ответит клетка. Если, к примеру, вы полюбите женщину, то это еще не значит, что она ответит вам взаимностью.

Препарат, возможно, не действует на тысячу клеток, но действует на одну из них. Мое мнение таково: нет безвредных лекарств. Вы говорите о препаратах из растений, но в последних есть и отравляющие вещества…

В.Погорелый: Так ведь и ядами лечатся. Все дело в дозе.

И.Трахтенберг: Нет ядовитых веществ, есть ядовитые количества. Яд — понятие условное, любое вещество при определенных условиях может стать либо ядом, либо лекарством. Но это тема отдельной дискуссии.

А.Пентюк: Даже от чрезмерного употребления тех или иных продуктов можно заболеть. И препарат, который мы долгое время исследовали, также имеет рекомендованные дозы. За многолетнюю практику применения силикса не выявлено никаких побочных эффектов даже при передозировке. С этой целью проводились эксперименты на животных, однако дозы, которой можно было бы отравить, найти не удалось.

Препараты, созданные на основе силикса, прошли широкую апробацию в медицинских учреждениях Украины и России. Благодаря комплексу уникальных свойств их относят к числу наиболее перспективных средств лечения ряда заболеваний. Силикс зарекомендовал себя уникальным средством коррекции многих патологических состояний.

Особенно впечатляющие результаты применения силикса получены при патологии, которая сопровождается явлениями эндо- и экзотоксикоза. В частности, даже одноразовый прием препарата при инфекционных и токсических диареях быстро снимает явления токсикоза, диарейный синдром. Поэтому при лечении пищевых отравлений, токсикоинфекций, кишечных инфекций, включая холеру, сальмонеллез и дизентерию, силикс может быть единственным средством терапии либо входить в комплекс лечебных мероприятий.

Уникальное свойство силикса — скорость достижения терапевтического эффекта. При диарейных синдромах эффект достигается практически моментально. В связи с этим директор клиники токсикологии Института им. Склифосовского академик Лужников рекомендует, не ожидая диагностики отравления, сразу же применять этот сорбент. Клинические и экспериментальные исследования (отделение реанимации НИИ скорой помощи им.Склифосовского, Пермского и Уфимского центров лечения острых отравлений) показали, что силикс отличается от всех известных сорбентов более высокой эффективностью.

Особая ценность препаратов на основе силикса в том, что их применение незаменимо при массовых поражениях населения вследствие техногенных и природных катастроф. Как для оказания первой помощи при ранах и травмах, предотвращения эпидемий желудочно-кишечных инфекций, вирусных гепатитов, так и для обработки загрязненной воды.

И.Трахтенберг: Я, конечно, ничуть не сомневаюсь в объективности проведенных исследований. Но хотел бы предостеречь от некоторых восторженных оценок, а то можно подумать, что не нужно ничего другого, кроме силикса. Считаю, что кремнеземы с модифицированной поверхностью — находка при экологически и профессионально обусловленной патологии.

А.Чуйко: Думаю, нужно подготовить второе издание монографии «Медицинская химия и клиническое применение диоксида кремния», дополнив ее новыми фактами и данными исследований, полученных в последние годы.

О.Бондарчук: Как это обычно бывает, клиницисты шли впереди теоретиков, часто получая эффекты, которых не могли объяснить. Механизмы действия этого препарата до сих пор во многом остаются загадкой и требуется еще большая работа в данном направлении.

Тем не менее для будущей рекламы препарата я предложил бы такой сюжет. На стене висит домашняя аптечка (помните, раньше были ящички со стеклянной дверцей и красным крестиком?). Внезапно она падает, разбивается и остается в доме только флакон с этим сорбентом. Почему только он один? Дома нас преследуют чаще всего две болезни — травма и отравление. Как раз при травме препарат показал великолепные результаты. Он останавливает капиллярное и внутреннее кровотечение, связывает попавшие в полость раны микроорганизмы, блокируя развитие инфекционного процесса. Силикс успешно применяется при гнойно-воспалительных заболеваниях и гнойных осложнениях при травмах. Он прекрасно зарекомендовал себя в хирургии, акушерстве и гинекологии, стоматологии и других областях медицины.

Н.Шкловская: На основе специально модифицированных частиц силикса разработан целый спектр композиционных материалов для стоматологии.

Второе направление научных поисков нашей лаборатории — направленный транспорт лекарственных средств. При некоторых заболеваниях очень важно, чтобы лекарство было доставлено точно по месту назначения. Мы пытались решить эту проблему с помощью магниточувствительных носителей лекарственных средств. В качестве магниточувствительных частиц использовали полученные специальным образом частицы железа и оксидов железа. Затем на эти частицы наносилась «шуба», или капсула, которая служит своего рода контейнером для лекарственного препарата.

Разработаны специальные технологии сшивки мономера, позволяющие получить «шубу» с определенными размерами пор, что обеспечивает сорбцию лекарственных средств с различными размерами молекул. В качестве лекарственных препаратов исследовали цитостатики.

На настоящий момент имеется технология получения таких частиц и запатентованы их носители (в России и Украине).

А.Чуйко: Считаю, проблема направленного транспорта лекарственных препаратов очень актуальна и важна. Со следующего года в нашем институте стартует новый проект под руководством профессора П.Горбика, и мы намерены продолжить эти работы.

На пороге новой науки — наноэкологии

Доктор физико-математических наук В.Покровский предложил неожиданный взгляд на проблему воздействия наночастиц на живую клетку.

Мы живем в окружении мириадов наноразмерных частиц вещества. Эти мельчайшие частицы, твердые аэрозоли, всегда существовали в атмосфере нашей планеты. В доисторические времена основными их источниками были вулканический пепел, пыльные бури, горящие тропические леса. Все живое, в том числе и человек, эволюционно приспособились к этому. (Возможно, это одна из причин того, что высокодисперсный кремнезем не опасен для человека.) Но в современном мире все большее значение приобретают аэрозоли, образовавшиеся вследствие деятельности человека. Эти техногенные аэрозоли концентрируются там, где человек влияет на окружающую среду наиболее интенсивно, — в больших городах и промышленных регионах. Если в больших городах преобладают транспортные аэрозоли, то в промышленных областях основным загрязнителем атмосферы являются тепловые электростанции (около половины всех выбросов). Второе место занимает металлургия (четверть всего количества), оставшаяся четверть приходится на долю всех остальных источников загрязнения — цементная и химическая промышленность, транспорт и т. д.

Чем меньше по размеру частички пыли, тем активнее они вступают в реакции с другими химическими соединениями. Они могут попадать в легкие человека, осаждаться в почве и воде. Об этих наноразмерных аэрозолях мы знаем пока очень немного, в частности, о том, как они воздействуют на организм человека.

Главная опасность наноаэрозолей таится в том, что по размеру они меньше живой клетки и могут сильно нарушить ее жизнедеятельность. Возьмем, например, асбест. Его волокна способны протыкать стенку клетки, и содержащиеся в асбесте металлы таким образом проникают в ее внутреннюю среду. Они не представляли опасности, пока были запакованы внутри асбестового волокна. Но в клетке атом металла становится мобильным, обретает способность генерировать свободные радикалы, провоцируя канцерогенез и мутации.

Население Украины существует в условиях постоянного экологического стресса. Поэтому экомедицинские исследования подобного рода имеют огромное значение. Полученные знания дадут возможность определить степень опасности различных загрязнителей для человека, сконцентрировать ограниченные финансовые ресурсы на снижении уровня именно тех загрязнений, которые наиболее опасны для здоровья.

— Результаты наших научных исследований и глубина понимания проблемы, — заключает В.Покровский, — позволяют предположить, что мы стоим сейчас на пороге создания новой науки — наноэкологии.

И.Трахтенберг: Я всецело согласен с профессором Покровским. К сожалению, не все понимают, что такое соединения тяжелых металлов в окружающей среде и каковы последствия их воздействия на организм человека. Мы в лаборатории токсикологии Института медицины труда АМН Украины давно занимаемся этой проблематикой. Издано много научных трудов, монография. За цикл работ по этой тематике присуждена Государственная премия 2002 года. Сегодня, когда остро стоит проблема экологически, профессионально обусловленной заболеваемости, разработки Института химии поверхности, которые ведутся совместно с медицинскими научными учреждениями, несомненно, делают ему честь.

А.Чуйко: В заключение хотел бы отметить, что биомедицинские проблемы поверхности — новое направление в науке. Свидетельством научной новизны проводимых нашими учеными исследований являются публикации в ведущих научных журналах. Благодаря широким международным контактам у нас есть возможность проводить серьезные физико-химические эксперименты в авторитетных зарубежных университетах, где уровень оснащения научных лабораторий значительно выше. Мы имеем договоры с зарубежными партнерами и гранты, которые позволяют нам развиваться. Сейчас готовимся к патентованию наших разработок в ведущих странах мира.

***

В Китае был выдан патент на «таблетки долголетия». Понятно, перечень и дозировка ингредиентов, входящих в препарат, хранятся в тайне, однако известно, что один из них — кремний. Известный врач-гомеопат Т.Попова считает: кремний может быть одним из важнейших факторов долголетия.

Примечательно, что к пониманию этого сегодня приближаются и химики, и представители официальной медицины.

Справка: «Нано» происходит от греческого «карлик» и означает 1/100 000 000 000 частицу метра. То есть разделив один миллиметр на миллион, получим нанометр.

Нанотехнология — создание и применение материалов, приборов и систем путем управления материей на уровне нанометровых масштабов.