С древних времен известно, что люди, которые работают на шахтах и рудниках, имеют тяжелые заболевания легких. Это было известно древним римлянам, грекам, Георгу Агриколе, который писал об этом еще в середине XVI века. Это очень хорошо известно и сейчас. Есть целая терминология, которая описывает заболевания, связанные с вдыханием тонкой минеральной пыли. Одним из наиболее широко распространенных и известных заболеваний является силикоз. Это заболевание возникает при вдыхании тонкой пыли кремнезема, кварца, SiO2. Силикоз ― тяжелое заболевание, неизлечимое, оно очень часто перерождается в рак легких и приводит к смерти.

Рак легких, как и любая другая форма рака, связан с множественной мутацией молекулы ДНК. Мутация является химической модификацией, химическим превращением этой молекулы ДНК. И тут мы сталкиваемся с исключительно странным парадоксом: никаких эффектов, которые могли бы свидетельствовать о взаимодействии инертного вещества SiO2 (фактически это стекло с добавками, а также кварц, хрусталь) с органическими материалами, нет. Это самое вещество, которое мы привыкли видеть как инертное, химически неактивное, каким-то образом запускает реакцию или каскад реакций, которые приводят к химическому видоизменению молекулы ДНК, превращая ее в патологическую, больную, делая клетку раковой. Это достаточно занятный парадокс, окончательного объяснения которому нет до сих пор. Но есть некоторые гипотезы, и об одной из них я хотел бы вам сейчас рассказать.

Медики очень активно обсуждают роль активных форм кислорода в образовании рака. Активные формы кислорода ― это различные радикалы, различные молекулы, такие как гидроксил-ион, пероксид-ион, озонид-ион. Это сильные окислители, и они, что было показано многочисленными экспериментами, способствуют образованию рака. Казалось бы, при чем тут активные формы кислорода и кремнезем (SiO2), в котором нет никаких активных форм кислорода, в котором обычный оксид-ион, обычный четырехвалентный кремний, очень сильные химические связи, очень низкая химическая активность? Возможно, секрет кроется в поверхности кремнезема. Дело в том, что тонкая пыль кремнезема характеризуется тем, что там очень много атомов находится близ поверхности. И возможно, поверхность обладает другим химизмом по сравнению с основной массой вещества. Вообще-то говоря, достаточно давно известно, что поверхность кристаллов может иметь другую структуру, не ту, что основная кристаллическая структура, и даже другой химический состав. С наночастицами ситуация еще более богата. Они могут иметь огромное многообразие структур, составов. И если мы учтем влияние кислорода атмосферы, в котором они находятся, то ситуация станет еще более сложной. И в этой ситуации мы постарались разобраться.

Рекомендуем по этой теме:
6944
Экстраклеточные везикулы

Сделаю шаг назад, чтобы рассказать, как к этой проблематике мы пришли. О канцерогенности некоторых видов минеральных частиц, например асбеста, известно очень давно. Я об этом слышал еще ребенком из научно-популярной лекции академика Эммануэля в начале 1980-х годов. Это уже тогда было хорошо известно, но, несмотря на это, асбест по-прежнему применялся в строительстве. И поэтому в 2000-х годах было эвакуировано основное здание кампуса Жюссьё университета Парижа 6–7 (в Париже университеты пронумерованы). И этот университет на достаточно продолжительное время был вынужден переехать в здание бывшего госпиталя, пока основное здание очищалось от асбеста. Это было очень дорого, это было очень долго, но, наверное, того стоило. Потому что хорошо известно, что строители, которые сталкивались с асбестом, с большой вероятностью потом заболевали раком легких. И люди, которые находились в таких зданиях, тоже были под угрозой. Такие свойства асбеста хорошо известны, как и кремнезема. Асбест ― это химически достаточно сложное вещество, а вот кремнезем является несколько более простым, более понятным объектом для исследователя, тем более для теоретика. Вот про него мы сейчас поговорим.

Несколько лет назад меня натолкнуло на эту тему исследования совершенно случайное происшествие. В моем американском университете, когда я работал в США, было две кандидатские защиты. Одна защита была моего аспиранта, а одна ― аспирантки из другой лаборатории. И та самая аспирантка как раз работала над проблематикой объяснения канцерогенности минеральной пыли. Я немного послушал ее доклад, мы пообщались в коридоре, и вот она мне рассказала про кремнезем, про то, что люди предлагают на эту тему. Предполагалось, что на поверхности частиц кремнезема могут образовываться такие частицы, как, например, пероксид. Это одна из тех самых активных форм кислорода, великолепный окислитель, страшнейший биохимический яд. Когда нужно убить какую-то клетку, организм генерирует пероксид-ионы и этими пероксид-ионами клетки убивает. И считали они, что пероксид-ионы возникают на дефектах у поверхности.

Рекомендуем по этой теме:
2887
Нанобактерии

У кристаллографов, у кристаллохимиков, когда нужно что-то объяснить и очевидного объяснения нет, всегда возникают дефекты. Дефект предполагается как объяснение того, где концы свести очень трудно. И это сразу же натолкнуло меня на идею, что, может быть, дело даже не в дефектах, может быть, эти пероксид-ионы или другие частицы являются структурными единицами поверхности. В самом деле, а что мы знаем о поверхности? Экспериментов достаточно мало, теоретических исследований тоже достаточно мало. Мы как раз в то время работали над созданием метода, который позволял бы предсказывать структуру и химический состав поверхности, а также наночастиц. Над поверхностями мы работаем по сей день. Похоже, что эти активные формы кислорода действительно проявляются на некоторых поверхностях кварца (но об этом в другой раз). Эта работа все еще находится в прогрессе. А законченным является другое исследование ― исследование по поводу маленьких наночастиц, состоящих из кремния и кислорода.

Это исследование было сделано моим сотрудником Сергеем Лепешкиным, который работает в моей лаборатории, а также в Физическом институте Академии наук. Это исследование, которое лично мне кажется очень красивым, совместило в себе предсказание структуры наночастиц с помощью моих методов и очень тонкий, очень красивый, термодинамический анализ ансамбля наночастиц. С помощью этого анализа удалось вывести области условий, парциальных давлений кислорода и температур, при которых те или иные наночастицы являются доминирующими. Если вы спросите, я думаю, любого химика, какой должен быть состав наночастицы кремнезема, любой химик скажет, что, скорее всего, такой же, как у кристалла SiO2. Скажем, если вы фиксируете семь атомов кремния, то атомов кислорода должно быть четырнадцать. К нашему огромному удивлению, это оказалось не так. При обычных условиях в кислородной атмосфере и при комнатной температуре доминирующей наночастицей оказалась Si7O19. То есть по составу она, вообще-то, ближе к SiO3, чем к SiO2. Оказалось, что этот избыточный кислород присутствует там в виде озонид-иона ― частиц, состоящих из трех атомов кислорода, образующих такой уголок. И таких озонидов частиц в этой наномолекуле две штуки ― с разных концов, как клешни. Эти частицы при небольшом нагревании будут выделять часть кислорода. В восстановительной среде (напомню, что клетка и вообще организм ― это восстановительная среда) также избыточный кислород будет выделяться и, надо думать, атаковать клетку. Избавиться от этих избыточных кислородом и превратить эту наночастицу в традиционный Si7O14 можно, но при этом нужно нагреть ее примерно на 300 °C. А в обычных условиях доминировать будет наночастица с избыточным кислородом.

Очень интересным и, на первый взгляд, шокирующим фактором для нас явилось то, что эта наночастица является магнитной. Из этого может быть много интересных следствий. Может быть, такого рода наночастицу удастся фильтровать с помощью каких-то магнитных фильтров, делая пребывание на рудниках, или на производстве, или в пустыне более безопасным. Но это будущее пока что. Как противодействовать этому фактору риска пыли кремнезема, мы пока еще не знаем. Но, может быть, магнитность будет к этому ключом. Но тем не менее похоже, что в стабильной форме наночастиц и, скорее всего, также поверхностей присутствуют, даже без привлечения дефектов, активные формы кислорода. И главной из них является, похоже, озонид-ион. Насколько это применимо к объяснению рака легких, будущее покажет. Но нам удалось связать воедино несколько фактов: канцерогенность наночастиц, их необычную химию, активную форму кислорода и известные медицинские факты.

Рекомендуем по этой теме:
20450
Методы биотерапии рака

Но реальное заболевание, реальная биохимия, реальные клеточные процессы, конечно, гораздо сложнее. Надо помнить, что эта наночастица, скорее всего, не сможет пройти сквозь мембрану, не сможет дойти до атомного ядра, и максимум, что может произойти, ― это окислительный процесс, который происходит, скорее всего, за пределами клетки, может быть, на клеточной мембране, а затем каким-то каскадным, очень сложным механизмом достукивается до атомного ядра. Но это уже за пределами классической кристаллографии, классической химии. Это уже мяч на стороне медиков. А вот то, что можно было выяснить со стороны химии, кристаллохимии, химии наночастиц, ― это то, что активные формы кислорода будут присутствовать в наночастицах кремнезема и, скорее всего, на поверхности кристаллов кремнезема.