Графен, одна из кристаллических форм углерода, имеет структурные сходства с алмазом и графитом, обладая чрезвычайно тонкой слоистой структурой и большой удельной поверхностью. Эта конфигурация придает ему высокую механическую прочность, хорошую термическую стабильность и высокую электронную проводимость.
Благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам, наномолекулы на основе графена обладают большим потенциалом для множества применений. Хотя они широко известны в технологиях, например, в производстве аккумуляторов, графен также активно исследуется в биомедицинской области, особенно в системах, предназначенных для доставки и высвобождения лекарств.
Эти наночастицы функционируют как транспортные средства, способные доставлять молекулы лекарств через организм. Для оптимизации этой функции наноматериалы комбинируются с дендримерами — сложными синтетическими макромолекулами, характеризующимися высокоразветвленной и регулярной структурой, что значительно улучшает их растворимость и облегчает взаимодействие с биомолекулами, присутствующими в организме.
Поскольку графен состоит исключительно из углерода и водорода, его состав схож с большинством структур, встречающихся в клетках человека, поэтому он не классифицируется как токсичный, тем самым избегая активации иммунных реакций в организме.
В этом контексте исследовательница Беатрис Фумелли, постдокторант Института биомедицинских наук USP, начала свои исследования, сосредоточенные на биотехнологическом потенциале этой структуры. Она исследовала наночастицы под названием «GOXP», которые состоят из оксида графена (GOX), связанного с полиамидиноамидным дендримером (PAMAM), используя их в качестве носителя для противоопухолевого препарата. Однако, прежде чем достичь этого этапа, Фумелли прошла долгий научный путь.
Научный путь начался в 2017 году, когда Фумелли училась бакалавриатом по биологическим наукам. На этом начальном этапе ее целью было понять, как эти наноматериалы взаимодействуют с биологическими системами, в частности с опухолевыми клетками, связанными с раком молочной железы.
Исследовательница подчеркивает, что в идеальных условиях наночастица не должна оказывать никакого воздействия на клетки, что означает, что, будучи использованной в качестве носителя лекарства, она должна минимально взаимодействовать с организмом, не вызывая повреждений клеток.
GOXP, использованная в экспериментах, была разработана командой профессора Деванея ду Кармо из Университета штата Сан-Паулу (UNESP). В лабораторных тестах различные количества графеновых наночастиц применялись к клеткам рака молочной железы. Результаты показали, что эти наночастицы не только прикрепились к поверхности клеток, но и были поглощены ими, что является критически важным аспектом системы доставки лекарств.
Даже при высоких концентрациях наноматериал продемонстрировал низкий цитотоксический эффект, что привело к гибели небольшой части опухолевых клеток, а также индуцировал морфологические изменения, изменившие их форму и размер. Тем не менее, общие выводы указывают на низкое вмешательство наночастиц в протестированные клеточные линии.
Для детального анализа поведения клеток рака молочной железы, подвергнутых воздействию GOXP, исследователи использовали микроскопию в реальном времени. Этот метод позволил наблюдать реакцию опухолевых клеток в момент взаимодействия с наночастицами. Наблюдение подтвердило, что наноматериал адгезируется к клеточной поверхности, что облегчает его интернализацию в виде агрегатов, которые впоследствии фрагментируются на более мелкие группы.
В этом эксперименте ученые обнаружили, что клетки передают эти агрегаты своим дочерним клеткам, процесс, сравнимый с «наследованием», что усиливает потенциал этого материала как релевантного терапевтического инструмента.
Учитывая, что раковые клетки быстро размножаются, GOXP позволила бы распределить введенное лекарство в новые клетки, образовавшиеся после деления клеток. Беатрис отмечает, что «это открывает очень интересное терапевтическое окно».
После углубленного анализа характеристик графеновых наночастиц и подтверждения их биотехнологического потенциала исследователи приступили к тестированию GOXP, нагруженной противоопухолевым препаратом доксорубицином (DOX). Были проведены многочисленные испытания как в USP, так и в Университете Гронингена в Нидерландах, где Фумелли проходила свою докторскую программу. Они оценили эффективность этого лечения на клетках различных типов рака молочной железы.
Исследователи заметили, что препарат, связанный с GOXP, оказался более эффективным по сравнению с его использованием в изолированном виде, устраняя большее количество опухолевых клеток в методах лечения на основе графена. Кроме того, DOX высвобождался из наночастиц постепенно, способствуя прогрессирующей гибели клеток с течением времени.
Фумелли также подчеркивает, что трижды негативный рак молочной железы — более агрессивный подтип заболевания, для которого еще нет специфического лечения — продемонстрировал большую восприимчивость к доксорубицину, связанному с GOXP, что указывает на большую чувствительность этой линии к лечению с помощью наноматериала.
Таким образом, эти результаты предполагают, что GOXP функционирует как платформа для введения лекарств, которая является эффективной и биосовместимой, позиционируя ее как многообещающий инструмент для биомедицинских применений. Однако необходимы дополнительные исследования, как in vitro, так и in vivo, с использованием животных моделей, чтобы полностью понять поведение GOXP в организме, оценивая ее фармакокинетику, биораспределение, эффективность и характеристики биосовместимости.