Функционализация оксида графена как способ увеличения биосовместимости

Введение. В настоящий момент одним из наиболее перспективных направлений применения графенов и материалов на его основе, в частности оксида графена, является биомедицина. Благодаря большому разнообразию функциональных групп и возможности химического модифицирования оксида графена перспективным является создание композиционных материалов биомедицинского назначения. Данные наноматериалы обладают уникальной структурой и свойствами, что определяет их использование для создания систем адресной доставки лекарств, в тканевой инженерии, биовизуализации, а также для создания новых материалов, обладающих антимикробными и противовирусными свойствами.

Цель – осуществить синтез и идентификацию оксида графена и его конъюгата с глицином, а также исследовать биосовместимость полученных наноматериалов: влияние на гемолиз и агрегацию тромбоцитов, генотоксичность, цитотоксичность.

Методы и материалы. Оксид графена был синтезирован из графита по модифицированному методу Хаммерса и Оффемана, после чего также был получен конъюгат оксида графена с глицином. Идентификацию проводили с помощью ядерной магнитно-резонансной спектроскопии. Изучение биосовместимости полученных наноматериалов включало исследование их гемолитической активности, влияния на коллаген-индуцированную агрегацию тромбоцитов, цито- и генотоксичность.

Результаты. Были синтезированы оксид графена и его конъюгат с глицином. Идентификация с помощью ядерной магнитно-резонансной спектроскопии подтвердила строение и состав веществ. Результаты исследований биосовместимости полученных наноматериалов показали отсутствие гемолитической активности (степень гемолиза не превысила 2,5% в исследуемых диапазонах концентраций); наличие антиагрегантных свойств (при С=10–100 мг·мл–1); отсутствие генотоксических и цитотоксических свойств (оксид графена при C=0,25–25 мг·л–1 не влияет на жизнеспособность клеток линии HEK293; в свою очередь, конъюгат с глицином при C=100–200 мг·л–1 вызывает дозозависимое увеличение пролиферации клеток HEK293).

Вывод. Таким образом, проведенные исследования демонстрируют, что функционализация поверхности графена кислородсодержащими группами и аминокислотами приводит к повышению гемосовместимости, а также получению наноматериалов, не проявляющих гено- и цитоксичности.

1. Eskiizmir G., Baskin Y., Yapici K. Graphene-based nanomaterials in cancer treatment and diagnosis // Fullerenes, Graphenes and Nanotubes: A Pharmaceutical Approach. – 2018. – P. 331–74.

2. Wang H., Gu W., Xiao N. et al. Chlorotoxin-conjugated graphene oxide for targeted delivery of an anticancer drug // Int J Nanomedicine. – 2014. – Vol. 9, № 1. – P. 1433–42.

3. Kim H., Namgung R., Singha K. et al. Graphene oxide-polyethylenimine nanoconstruct as a gene delivery vector and bioimaging tool // Bioconjug Chem. – 2011. – Vol. 22, № 12. – P. 2558–67.

4. Lee J., Kim J., Kim S., Min D. H. Biosensors based on graphene oxide and its biomedical application // Advanced Drug Delivery Reviews. – 2016. – Vol. 105. – P. 275–87.

5. Innocenzi P., Stagi L. Carbon-based antiviral nanomaterials: Graphene, C-dots, and fullerenes. A perspective // Chem Sci. – 2020. – Vol. 11, № 26. – P. 6606–22.

6. Szunerits S., Boukherroub R. Antibacterial activity of graphene-based materials // Journal of Materials Chemistry B. Royal Society of Chemistry. – 2016. – Vol. 4. – P. 6892–912.

7. Li C., Wang X., Chen F. et al. The antifungal activity of graphene oxide-silver nanocomposites // Biomaterials. – 2013. – Vol. 34, № 15. – P. 3882–90.

8. Zhang J., Zhang J., Zhang F. et al. Graphene oxide as a matrix for enzyme immobilization // Langmuir. – 2010. – Vol. 26, № 9. – P. 6083–5.

9. Hermanová S., Zarevúcká M., Bouša D. et al. Graphene oxide immobilized enzymes show high thermal and solvent stability // Nanoscale. – 2015. – Vol. 7, № 13. – P. 5852–8.

10. Li H., Fierens K., Zhang Z. et al. spontaneous protein adsorption on graphene oxide nanosheets allowing efficient intracellular vaccine protein delivery // ACS Appl Mater Interfaces. – 2016. – Vol. 8, № 2. – P. 1147–55.

11. Kavitha T., Kang I. K., Park S. Y. Poly(acrylic acid)-grafted graphene oxide as an intracellular protein carrier // Langmuir. – 2014. – Vol. 30, № 1. – P. 402–9.

12. Emadi F., Amini A., Gholami A. Functionalized graphene oxide with chitosan for protein nanocarriers to protect against enzymatic cleavage and retain collagenase activity // Sci Rep. – 2017. – Vol. 7. – P. 42258. DOI: 10.1038/srep42258.

13. Zhao H., Ding R., Zhao X. et al. Graphene-based nanomaterials for drug and/or gene delivery, bioimaging, and tissue engineering // Drug Discovery Today. – 2017. – Vol. 22. – P. 1302–17.

14. Paul A., Hasan A., Kindi H. A. et al. Injectable graphene oxide/hydrogel-based angiogenic gene delivery system for vasculogenesis and cardiac repair // ACS Nano. – 2014. – Vol. 8, № 8. – P. 8050–62.

15. Chen B., Liu M., Zhang L. et al. Polyethylenimine-functionalized graphene oxide as an efficient gene delivery vector // J Mater Chem. – 2011. – Vol. 21, № 21. – P. 7736–41.

16. Imani R., Shao W., Taherkhani S. et al. Dual-functionalized graphene oxide for enhanced siRNA delivery to breast cancer cells // Colloids Surfaces B Biointerfaces. – 2016. – Vol. 147. – P. 315–25.

17. Yue H., Zhou X., Cheng M., Xing D. Graphene oxide-mediated Cas9/sgRNA delivery for efficient genome editing // Nanoscale. – 2018. – Vol. 10, № 3. – P. 1063–71.

18. Tang Z., Wu H., Cort J. R. et al. Constraint of DNA on functionalized graphene improves its biostability and specificity // Small. – 2010. – Vol. 6, № 11. – P. 1205–9.

19. Lu C. H., Zhu C. L., Li J. et al. Using graphene to protect DNA from cleavage during cellular delivery // Chem Commun. – 2010. – Vol. 46, № 18. – P. 3116–8.

20. Gaponenko I. N., Ageev S. V., Iurev G. O. et al. Biological evaluation and molecular dynamics simulation of water-soluble fullerene derivative C60[C(COOH)2]3 // Toxicol Vitr. – 2020. – Vol. 62. – P. 104683.

21. Huang Z. R., Hua S. C., Yang Y. L., Fang J. Y. Development and evaluation of lipid nanoparticles for camptothecin delivery: a comparison of solid lipid nanoparticles, nanostructured lipid carriers, and lipid emulsion // Acta Pharmacol Sin. – 2008. – Vol. 29, № 9. – P. 1094–102.

22. Liao K. H., Lin Y. S., MacOsko C. W., Haynes C. L. Cytotoxicity of graphene oxide and graphene in human erythrocytes and skin fibroblasts // ACS Appl Mater Interfaces. – 2011. – Vol. 3, № 7. – P. 2607–15.

23. Pinto A. M., Moreira J. A., Magalhães F. D., Gonçalves I. C. Polymer surface adsorption as a strategy to improve the biocompatibility of graphene nanoplatelets // Colloids Surf B Biointerfaces. – 2016. – Vol. 146. – P. 818–24.

24. Abdelhalim A. O. E, Sharoyko V. V., Meshcheriakov A. A. et al. Synthesis, characterisation and biocompatibility of graphene–L-methionine nanomaterial // J Mol Liq. – 2020. – Vol. 314. – P. 113605.

25. Abdelhalim A. O. E., Sharoyko V. V., Ageev S. V. et al. Graphene oxide of extra high oxidation: a wafer for loading guest molecules // J Phys Chem Lett. – 2021. – Vol. 12, № 41. – P. 10015–24.

26. Abdelhalim A. O. E., Sharoyko V. V., Meshcheriakov A. A. et al. Reduction and functionalization of graphene oxide with L-cysteine: Synthesis, characterization and biocompatibility // Nanomedicine Nanotechnology, Biol Med. – 2020. – Vol. 29. – P. 102284.

27. Singh S. K., Singh M. K., Nayak M. K. et al. Thrombus inducing property of atomically thin graphene oxide sheets // ACS Nano. – 2011. – Vol. 5, № 6. – P. 4987–96.

28. Liu Y., Luo Y., Wu J. et al. Graphene oxide can induce in vitro and in vivo mutagenesis // Sci Rep. – 2013. – Vol. 3. – P. 3469.

29. Wang A., Pu K., Dong B. et al. Role of surface charge and oxidative stress in cytotoxicity and genotoxicity of graphene oxide towards human lung fibroblast cells // J Appl Toxicol. – 2013. – Vol. 33, № 10. – P. 1156–64.

30. Wang Y., Wu S., Zhao X. et al. In vitro toxicity evaluation of graphene oxide on human RPMI 8226 cells // Bio-Medical Materials and Engineering. – IOS Press, 2014. – Vol. 24, № 6. – P. 2007–13.

31. Akhavan O., Ghaderi E., Akhavan A. Size-dependent genotoxicity of graphene nanoplatelets in human stem cells // Biomaterials. – 2012. – Vol. 33, № 32. – P. 8017–25.

32. Sun J., Deng Y., Li J. et al. A new graphene derivative: hydroxylated graphene with excellent biocompatibility // ACS Appl Mater Interfaces. – 2016. – Vol. 8, № 16. – P. 10226–33.

33. Wu H., Shi H., Wang Y. et al. Hyaluronic acid conjugated graphene oxide for targeted drug delivery // Carbon N Y. – 2014. – Vol. 69. – P. 379–89.

34. Abdelhalim A. O. E., Meshcheriakov A. A., Maistrenko D. N. Graphene oxide enriched with oxygen-containing groups: on the way to an increase of antioxidant activity and biocompatibility // Colloids Surfaces B Biointerfaces. – 2022. – Vol. 210. – P. 112232.