МАГІЯ ПОВЕРХНІ

«Дії кремнезему належить велике майбутнє», — писав Луї Пастер. Наш великий співвітчизник Володимир Вернадський вважав, що жоден живий організм не може існувати без кремнію. Кремній утворює низку сполук, аналогічних сполукам вуглецю. Це й спонукало письменників-фантастів до написання творів про альтернативне життя на основі сполук кремнію («кремнієве» життя).

Лікувальні властивості кремнезему (SiO2) здавна високо цінували народні цілителі, а потім і медики-професіонали. Він надійно ввійшов у гомеопатичну практику. Давно помічено, що на піщаних грунтах, де багато кремнезему, краще ростуть трави, вищий врожай окультурених рослин, до того ж вони менш схильні до хвороб. Синтез кремнеземів із модифікованою поверхнею, створення на їхній основі речовин із заданими властивостями започаткували цілий науковий напрям у хімії поверхні.

Із наближенням Нового року всі очікують чогось незвичного, яскравого, вражаючого. Тому ми й вирішили, що зустріч у клубі «Еврика» — саме те, що треба. І тема цілком відповідає традиційним передноворічним очікуванням. А головне — фантастика ж у реальності! І нехай вас, шановний читачу, не бентежить трохи прозаїчна назва теми засідання нашого клубу — «Нанохімія для медицини і біології», — йтиметься про речі по-справжньому фантастичні.

«Чому, власне, хімія поверхні так цікавить зараз багатьох — і вчених, і технологів, і фахівців у галузі медицини? Річ у тому, що на поверхні всі атоми перебувають в особливому стані — у них багато ненасичених зв’язків. Цим і пояснюються незвичайні хімічні властивості малих часток, що мають багато атомів на поверхні.

Поверхня — частина будь-якого об’єкта, через яку він взаємодіє з довкіллям. Тому в науці їй зараз приділяється така пильна увага. Коли частинки речовини мають нанометрові розміри, роль поверхні значно зростає, і це викликає низку незвичайних хімічних, фізичних ефектів, що сприяють створенню нових технологій», — із цієї преамбули академіка А.Наумовця і почалася розмова на задану тему.

У засіданні клубу «Еврика» брали участь учені НАН, АМН України і Вінницького національного медичного університету (ВНМУ) ім. М.Пирогова, а саме: Антон НАУМОВЕЦЬ, академік НАНУ, академік-секретар відділення фізики й астрономії НАНУ; Олексій ЧУЙКО, академік НАНУ, директор Інституту хімії поверхні (ІХП); Ісаак ТРАХТЕНБЕРГ, член-кореспондент НАНУ, академік АМНУ, зав. лабораторією токсикології Інституту медицини праці АМНУ; Микола ЛУЦЮК, професор ВНМУ; Олександр ПЕНТЮК, професор, зав. кафедрою біохімії ВНМУ; Олег БОНДАРЧУК, доцент кафедри хірургії ВНМУ; Валерій ПОКРОВСЬКИЙ, доктор фізико-математичних наук, ІХП НАНУ; Ніна ШКЛОВСЬКА, кандидат хімічних наук, ІХП НАНУ; Валерій ПОГОРІЛИЙ, доктор хімічних наук, ІХП НАНУ; Дмитро ЗЕРБИНО, академік АМНУ (директор Інституту медичної патології, м. Львів).

Кремнієве диво

О.Чуйко: Наночастка має цікаву особливість — до певної кількості атомів, що складають цю частку, у неї практично кожен атом — учасник утворення поверхні. Тобто мала частка має величезну поверхню. На прикладі високодисперсного кремнезему хотів би зупинитися на властивостях таких наночасток.

ВДК — білосніжний пухнастий порошок. Розмір його часточки становить близько 100 ангстрем. Особливість нанометрових часток — і цим вони докорінно відрізняються від масивних зразків SiO2 — надзвичайно велика площа поверхні (від 50 до 500 метрів). 1 літр речовини важить усього 30 грамів.

Часточка з хімічно модифікованою поверхнею має сферичну форму, що дуже важливо при її суміщенні з біосередовищем. Адже якщо тверда фаза кристалічних кремнеземів здатна викликати у людини захворювання легенів (силікоз), то аморфний кремнезем абсолютно безпечний і має багато корисних властивостей.

Перша фундаментальна властивість кремнезему — гідрофільність, тобто здатність зв’язувати велику кількість води. Друга фундаментальна властивість полягає в його високій білоксорбуючій здатності. Квантові хіміки показали, що є певна відповідність електронної структури фрагмента поверхні SiO2 і електронної структури білка. Кремнезем сорбує на три порядки більше білкових сполук, порівняно з усіма відомими сорбентами.

Третя фундаментальна властивість — «адсорбція» мікроорганізмів. При цьому величина зв’язування мікроорганізмів становить до 3 млрд. мікробних тіл на 1 г сорбенту. Такий високий зв’язуючий ефект обумовлений феноменом аглютинації (склеювання) мікроорганізмів частками сорбенту. Останні (4—40 нм) значно менші від мікроорганізмів, і саме частки сорбенту адсорбуються на мікробних клітинах, а не навпаки, як клей, зв’язуючи їх в один конгломерат. Цей ефект використовується також для капсулювання репродуктивних клітин.

І.Трахтенберг: Ми з вами свідки першої широкої дискусії, коли ці дві проблеми — хімія поверхні та біомедичних досліджень — тісно переплітаються.

Хотів би підкреслити, що творче співробітництво хіміків, біологів і медиків почалося ще за часів СРСР, коли група вчених під керівництвом академіка А.Несмєянова здійснила синтез металоорганічних сполук. Це був величезний прорив у хімії. Ми, кияни, свого часу зацікавилися питанням: чим є такі сполуки з погляду медицини та біології? І тут ми вийшли на проблему, що продовжує хвилювати хіміків, медиків, біологів і сьогодні, — взаємозв’язок фізико-хімічної структури відповідної молекули з біологічною або токсичною дією.

Саме тут медики спільно з хіміками зробили величезну справу — всебічно вивчили токсикологію аморфного кремнезему і довели можливість його застосування як ефективного сорбенту. На прикладі інституту, очолюваного академіком Чуйком, ми бачимо підтвердження традиційних творчих зв’язків хіміків із медиками та біологами.

М.Луцюк: Наша співпраця з Інститутом хімії поверхні НАНУ почалася 1982 року з надзвичайно цікавих експериментів на тваринах нашого колеги П.Загнибороди. Після операцій на кишечнику (з приводу непрохідності) піддослідні швидко гинули. Коли він став застосовувати для обробки тканин суспензію кремнезему, усі тварини вижили. Згодом ми дізналися, що одна з головних особливостей сорбенту полягає у зв’язуванні білка. А білкові токсини, які накопичувалися в кишечнику тварин, саме й були головною причиною їхньої загибелі. І коли ми переконалися в дієвості препарату, відразу ж звернулися в інститут, запропонувавши співробітництво.

У практиці вінницьких учених-медиків був дуже пам’ятний випадок із врятуванням дівчинки-підлітка. Вона помирала, коли її привезли в обласну лікарню із сільської глибинки. Внаслідок кишкової патології у дівчинки розвинувся перитоніт, і вона гинула від інтоксикації. Розуміючи тяжкість стану пацієнтки, лікарі навіть не тішили себе ілюзіями щодо її порятунку. І тоді зав. кафедрою біохімії медуніверситету професор М.Луцюк запропонував застосувати білий порошок (SiO2), суспензією якого промили черевну порожнину, обробили уражені ділянки. Дівчинку вдалося повернути до життя. Так, методом ризикованого експерименту у безвихідній ситуації, клініцисти відкривали унікальні властивості сорбенту.

Білий порошок. Рекомендовано МОЗ

Водночас зростає інтерес хіміків до цієї речовини. В Інституті хімії поверхні було створено відділ медико-біологічних проблем поверхні, який сьогодні став провідним у структурі ІХП. Вчені інституту відкрили й обгрунтували на молекулярному рівні зв’язок між особливостями хімічної будови поверхні аморфного кремнезему і його біоактивністю, що дозволяє створювати нові фармацевтичні препарати на основі SiO2, новітні біокоригуючі технології. Виявлено ефект значного збільшення біодоступності лікарських речовин, обумовлений впливом наноструктурних часток кремнезему на проникність клітинних мембран. Хіміки спільно з медиками працюють над створенням лікарських засобів із заданою фармакодинамікою.

В.Погорілий: Тут уже було названо головні властивості поверхні діоксиду кремнію, на яких базується його фізіологічна активність.

Токсини мають підвищену реакційну здатність, порівняно з нормально функціонуючим білком. Наночастки препарату, рухаючись всередині шлунково-кишкового тракту, відбирають білки-токсини і не чіпають тих, що функціонують нормально.

Загалом, наші теоретичні міркування чудово підтвердилися в експериментах, і сьогодні токсикологи з приводу силіксу жартують: його токсичність на рівні води. Тобто звичайною водою отруїтися не можна. Хоча, звісно, можна втонути.

Після того, як довели його нетоксичність, слід було визначити коло патологій, при яких силікс може вважатися ефективним лікарським засобом. Гадаю, про це скажуть наші вінницькі колеги. Єдине, що хочу підкреслити, у монолікарській формі SiO2 далеко не вичерпав себе, попри тривалі дослідження і великий досвід застосування в різних клініках.

Ми розпочали дослідження, розробки й випробування композиційних матеріалів на основі SiO2. Примітно, що у присутності силіксу змінюються властивості інших лікарських речовин, подовжується час їхньої дії (пролонгованість), поліпшується біодоступність. Це означає, що, зменшивши дозу активної речовини, можна домогтися того ж самого терапевтичного ефекту.

Тому ми розпочали створення комбінованих препаратів на основі природних речовин, переважно лікарських трав. Підійшли до цього нетрадиційним шляхом: створюємо композит на основі силіксу і високодиспергованих рослин. Таким чином, по-перше, досягається повнота дії, а по-друге, досягається синергетичний ефект. Такі композити ми назвали фітосилами. Попередні клінічні дослідження засвідчили їхню високу ефективність. Оскільки спектр дії рослин дуже широкий, можна підбирати потрібні композити залежно від патологій.

Важливо зазначити, що діоксид кремнію визнаний не лише як лікарський засіб, а й як біоактивна харчова добавка, рекомендована передусім для дітей та людей літнього віку. Медикам відомо, чому при збалансованому харчуванні літньої людини очікуваний терапевтичний ефект не спостерігається. Річ у тому, що з віком змінюється засвоюваність їжі. А у присутності силіксу той самий продукт стає для людини корисним, оскільки підвищується його біодоступність. До речі, SiO2 дозволений для дітей, навіть для новонароджених. Крім того, він є нешкідливим консервантом — завдяки антимікробному ефекту SiO2 перешкоджає розвитку патогенних мікроорганізмів у продуктах харчування.

— Будь-які ліки не позбавлені побічних ефектів. До того ж трапляється, що один і той самий препарат комусь допомагає, а комусь — ні. Відомі випадки індивідуальної непереносності якоїсь речовини. А якщо, припустімо, у людини підвищена чутливість до кремнезему? Згадаймо хоча б історію життя та смерті Марусі Весницької (про неї розповідає К.Паустовський в одному зі своїх оповідань). Київська гімназистка вийшла заміж за сіамського принца і була отруєна придворними, які зненавиділи її. Спосіб отруєння був незвичний: їй постійно підсипали в їжу перетерте в щонайтонший порошок скло, від чого в неї згодом виникла сильна внутрішня кровотеча, що й призвело до летального кінця. Відомий гомеопат Т.Попова висловлює припущення, що Маруся Весницька, напевно, мала кремнієву конституцію в гомеопатичному розумінні, і тому дрібний скляний порошок для неї виявився отрутою.

Учасники дискусії відразу резонно зазначили, що тут ідеться про кристалічний кремнезем (згадаймо той-таки силікоз, що його викликає кремнієвий пил). Наночастки ВДК, про що згадувалося вище, мають сферичну поверхню і тому абсолютно безпечні.

Однак, вважає академік Д.ЗЕРБИНО, порушене питання правомірне.

— Людина стала істотою, що «харчується» таблетками. Відомі випадки, коли ліки вже через кілька секунд викликали бурхливу реакцію в організмі, аж до анафілактичного шоку. Чи, наприклад, з’їла дитина шоколадну цукерку — і в неї з’являється висип. Глибоко обгрунтованих пояснень цього немає. І ось чому. Ми звикли мислити макрокатегоріями, а треба думати про клітину. Адже на мікрорівні зовсім інше життя. Тут прозвучала фраза, мовляв, усе залежить від хімічного препарату. Ні, все залежить від того, як відповість клітина. Якщо, приміром, ви покохаєте жінку, то це ще не означає, що вона відповість вам взаємністю.

Препарат, можливо, не діє на тисячу клітин, але діє на одну з них. Моя думка така: немає нешкідливих ліків. Ви говорите про препарати з рослин, але в них є й отруйні речовини...

В.Погорілий: Таж і отрутами лікуються. Вся річ у дозі.

І.Трахтенберг: Немає отруйних речовин, є отруйні кількості. Отрута — поняття умовне, будь-яка речовина за певних умов може стати або отрутою, або ліками. Але це тема окремої дискусії.

О.Пентюк: Навіть від надмірного вживання тих чи тих продуктів можна занедужати. І препарат, який ми тривалий час досліджували, також має рекомендовані дози. За багаторічну практику застосування силіксу не виявлено жодних побічних ефектів навіть при передозуванні. З цією метою проводилися експерименти на тваринах, однак дози, якою можна було б отруїти, знайти не вдалося.

Препарати, створені на основі силіксу, пройшли широку апробацію в медичних закладах України та Росії. Завдяки комплексу унікальних властивостей їх зараховують до найперспективніших засобів лікування ряду захворювань. Силікс зарекомендував себе унікальним засобом корекції багатьох патологічних станів.

Особливо вражаючі результати застосування силіксу отримано при патології, яка супроводжується явищами ендо- та екзотоксикозу. Зокрема, навіть одноразовий прийом препарату при інфекційних і токсичних діареях швидко знімає явища токсикозу, діарейний синдром. Тому при лікуванні харчових отруєнь, токсикоінфекцій, кишкових інфекцій, включно з холерею, сальмонельозом і дизентерією, силікс може бути єдиним засобом терапії або входити в комплекс лікувальних заходів.

Унікальна властивість силіксу — швидке досягнення терапевтичного ефекту. При діарейних синдромах ефект досягається практично моментально. У зв’язку з цим директор клініки токсикології Інституту ім. Скліфосовського академік Лужников рекомендує, не чекаючи діагностики отруєння, відразу ж застосовувати цей сорбент. Клінічні й експериментальні дослідження (відділення реанімації НДІ швидкої допомоги ім.Скліфосовського, Пермського й Уфимського центрів лікування гострих отруєнь) засвідчили, що силікс відрізняється від усіх відомих сорбентів вищою ефективністю.

Особлива цінність препаратів на основі силіксу в тому, що вони незамінні при масових ураженнях населення внаслідок техногенних і природних катастроф. Як для надання першої допомоги при ранах і травмах, запобігання епідеміям шлунково-кишкових інфекцій, вірусним гепатитам, так і для обробки забрудненої води.

І.Трахтенберг: Я, звісно, анітрохи не сумніваюся в об’єктивності проведених досліджень. Але хотів би застерегти від деяких захоплених оцінок, а то можна стати на точку зору, що непотрібно нічого іншого, крім силіксу. Вважаю, що кремнеземи з модифікованою поверхнею — знахідка при екологічно та професійно обумовленій патології.

О.Чуйко: Гадаю, треба підготувати друге видання монографії «Медична хімія і клінічне застосування діоксиду кремнію», доповнивши її новими фактами і даними досліджень, отриманими в останні роки.

О.Бондарчук: Як це зазвичай буває, клініцисти йшли попереду теоретиків, часто отримуючи ефекти, яких не могли пояснити. Механізми дії цього препарату досі багато в чому залишаються загадкою, і потрібна ще велика робота в цьому напрямі.

Однак для майбутньої реклами препарату я запропонував би такий сюжет. На стіні висить домашня аптечка (пам’ятаєте, колись були скриньки зі скляними дверцятами і червоним хрестиком?). Несподівано вона падає, розбивається, і в будинку залишається лише флакон із цим сорбентом. Чому лише він? Вдома нас найчастіше підстерігають дві хвороби — травма й отруєння. Саме при травмі препарат показав чудові результати. Він зупиняє капілярну і внутрішню кровотечу, зв’язує мікроорганізми, які потрапили в порожнину рани, блокуючи розвиток інфекційного процесу. Силікс успішно застосовується при гнійно-запальних захворюваннях і гнійних ускладненнях при травмах. Він чудово зарекомендував себе в хірургії, акушерстві та гінекології, стоматології й інших галузях медицини.

Н.Шкловська: На основі спеціально модифікованих часток силіксу розроблено цілий спектр композиційних матеріалів для стоматології.

Другий напрям наукових пошуків нашої лабораторії — направлений транспорт лікарських засобів. При деяких захворюваннях дуже важливо, щоб ліки було доставлено точно за місцем призначення. Ми намагалися вирішити цю проблему з допомогою магніточутливих носіїв лікарських засобів. Як магніточутливі частки використовували отримані спеціальним чином частки заліза й оксидів заліза. Потім на ці частки наносилася «шуба», або капсула, що слугує своєрідним контейнером для лікарського препарату.

Розроблено спеціальні технології зшивки мономера, які дозволяють одержати «шубу» з певними розмірами пор, що забезпечує сорбцію лікарських засобів із різними розмірами молекул. Як лікарські препарати досліджували цитостатики.

На цей момент є технологія одержання таких часток і запатентовано їхні носії (у Росії й Україні).

О.Чуйко: Вважаю, проблема направленого транспорту лікарських препаратів дуже актуальна і важлива. З наступного року в нашому інституті стартує новий проект під керівництвом професора П.Горбика, і ми плануємо продовжити ці роботи.

На порозі нової науки — наноекології

Доктор фізико-математичних наук В.ПОКРОВСЬКИЙ запропонував несподіваний погляд на проблему впливу наночасток на живу клітину.

Ми живемо в оточенні міріад нанорозмірних часток речовини. Ці дрібні частки, тверді аерозолі, завжди існували в атмосфері нашої планети. В доісторичні часи основними джерелами їх були вулканічний попіл, пилові бурі, палаючі тропічні ліси. Все живе, у тому числі й людина, еволюційно пристосувалося до цього. (Можливо, це одна з причин того, що високодисперсний кремнезем безпечний для людини.) Але в сучасному світі дедалі більшого значення набувають аерозолі, які утворилися внаслідок діяльності людини. Ці техногенні аерозолі концентруються там, де людина впливає на довкілля найінтенсивніше, — у великих містах і промислових регіонах. Якщо у великих містах переважають транспортні аерозолі, то в промислових областях основний забруднювач атмосфери — теплові електростанції (близько половини всіх викидів). Друге місце посідає металургія (чверть усієї кількості), ще одна чверть припадає на частку решти джерел забруднення — цементна і хімічна промисловість, транспорт тощо.

Чим дрібніші частки пилу, тим активніше вони вступають у реакції з іншими хімічними сполуками. Вони можуть потрапляти в легені людини, осідати в грунті та воді. Про ці нанорозмірні аерозолі ми знаємо поки що дуже мало, зокрема про те, як вони впливають на організм людини.

Головна небезпека наноаерозолів полягає в тому, що за розмірами вони менші від живої клітини і можуть значно порушити її життєдіяльність. Візьмімо, наприклад, азбест. Його волокна здатні проштрикнути стінку клітини, і метали, що містяться в азбесті, таким чином проникають у її внутрішнє середовище. Вони не становили загрози, доки були запаковані всередині азбестового волокна. Але в клітині атом металу стає мобільним, отримує можливість генерувати вільні радикали, провокуючи канцерогенез і мутації.

Населення України живе в умовах постійного екологічного стресу. Тому екомедичні дослідження такого роду мають величезне значення. Отримані знання дадуть можливість визначити міру небезпеки різноманітних забруднювачів для людини, сконцентрувати обмежені фінансові ресурси на зниженні рівня саме тих забруднень, які найбільш небезпечні для здоров’я.

— Результати наших наукових досліджень і глибина розуміння проблеми, — підбиває підсумок В.Покровський, — дозволяють припустити, що ми стоїмо зараз на порозі створення нової науки — наноекології.

І.Трахтенберг: Я цілком згоден із професором Покровським. На жаль, не всі розуміють, що таке сполуки важких металів у довкіллі і які наслідки їхнього впливу на організм людини. Ми в лабораторії токсикології Інституту медицини праці АМН України давно працюємо над цією проблематикою. Видано багато наукових праць, монографія. За цикл робіт із цієї тематики присуджено Державну премію 2002 року. Сьогодні, коли гостро стоїть проблема екологічно, професійно обумовленої захворюваності, розробки Інституту хімії поверхні, що ведуться разом із медичними науковими установами, безперечно, роблять йому честь.

О.Чуйко: На завершення хотів би зазначити, що біомедичні проблеми поверхні — новий напрям у науці. Свідчення наукової новизни проведених нашими вченими досліджень — публікації в провідних наукових журналах. Завдяки широким міжнародним контактам у нас є можливість проводити серйозні фізико-хімічні експерименти в авторитетних зарубіжних університетах, де рівень оснащення наукових лабораторій значно вищий. Ми маємо договори з зарубіжними партнерами та гранти, які дозволяють нам розвиватися. Зараз готуємося до патентування наших розробок у провідних країнах світу.

***

У Китаї було видано патент на «таблетки довголіття». Зрозуміло, перелік і дозування інгредієнтів, які входять у препарат, зберігаються в таємниці, проте відомо, що один із них — кремній. Відомий лікар-гомеопат Т.Попова вважає: кремній може бути одним із найважливіших чинників довголіття.

Примітно, що до розуміння цього сьогодні наближаються і хіміки, і представники офіційної медицини.

Довідка: «Нано» походить від грецького «карлик» і означає 1/100 000 000 000 частину метра. Тобто, поділивши один міліметр на мільйон, отримаємо нанометр.

Нанотехнологія — створення і застосування матеріалів, приладів та систем шляхом керування матерією на рівні нанометрових масштабів.