Za odkrywcę nanorurek węglowych (ang. carbon nanotubes, CNT) uważa się profesora Sumio Iijima, japońskiego fizyka. Według niektórych doniesień samo zjawisko występowania takich nietypowych struktur węgla obserwowano już wcześniej, jednak dopiero artykuł profesora Iijima z 1991 roku wywołał ogromne zainteresowanie tymi strukturami i zainicjował rozwój intensywnych badań w dziedzinie nanotechnologii. Obecnie nanorurki węglowe znajdują szereg zastosowań w układach elektronicznych (tranzystory, pamięci, elektrody, wyświetlacze), bateriach i akumulatorach, mechatronice czy optyce. Mogą być też niezwykle lekkim i wytrzymałym materiałem konstrukcyjnym do produkcji ram rowerowych czy rakiet tenisowych. Prawdopodobnie odpowiadają za niezwykłą wytrzymałość stali damasceńskiej. Dziś przyjrzymy się użyciu nanorurek węglowych w medycynie.

Struktura i właściwości

Nanorurki węglowe to nic innego jak płaszczyzny grafenowe zwinięte w cienkie rurki o średnicy około 1 nm i długości od kilku nanometrów do kilkunastu milimetrów. W zależności od ilości warstw rozróżniamy nanorurki jedno- i wielościenne. Ich wytwarzanie polega na powolnej kondensacji gorących par atomów węgla. Takie struktury węgla charakteryzują się przede wszystkim dużą powierzchnią właściwą, wytrzymałością mechaniczną oraz wysokim przewodnictwem cieplnym. Są mocniejsze od stali, lżejsze od aluminium i dwa razy twardsze od diamentu. Dodatkowo bardzo trudno rozpuszczają się w roztworach wodnych, dlatego do większości zastosowań przeprowadza się ich modyfikację – funkcjonalizację, co polega na osadzeniu na ich powierzchni różnorodnych grup funkcyjnych. Tak zmodyfikowane nanorurki węglowe mogą służyć np. jako nośniki leków czy biosensory.

Leczenie chorób

Nanorurki węglowe zawierające w swoich strukturach leki, białka, przeciwciała czy cząsteczki DNA mogą służyć jako doskonały środek transportujący lek bezpośrednio do chorych tkanek. Pierwsze prowadzone w tym kierunku badania dotyczyły przede wszystkim możliwości wykorzystania tych materiałów w terapii nowotworów i do leczenia infekcji wirusowych. Obecnie wiadomo również o możliwości wykorzystania nanorurek węglowych jako nośników w terapii genowej czy immunoterapii. Poniżej kilka przykładów.

• Dostarczanie leków w terapii przeciwnowotworowej. Dzięki udekorowaniu nanorurek węglowych grupami funkcjonalnymi rozpoznawanymi przez receptory komórek nowotworowych, nośnik dociera w organizmie bezpośrednio do chorego miejsca. Następnie nanorurka wnika do komórki np. na drodze endocytozy. Wewnątrz komórki następuje rozpad nanorurki i uwolnienie leku. W ten sposób, w eksperymentach prowadzonych w laboratorium, udało się już dostarczyć do chorych tkanek takie leki jak epirubicyna, doksorubicyna, cisplatyna, metotreksat, kwercetyna czy paklitaksel.
• Immunoterapia przeciwnowotworowa. Ten rodzaj terapii nastawiony jest na wywołanie odpowiedzi immunologicznej organizmu mającej na celu unicestwienie nowotworu. Kilka grup naukowców potwierdziło skuteczność nanorurek węglowych w dostarczaniu szczepionek rakowych.
• Leczenie infekcji. Nanorurki węglowe zostały użyte między innymi do szybszego przyswajania przeciwgrzybicznego antybiotyku – amfoterycyny B oraz antybakteryjnego fluorochinolonu. Wiadomo również, że mogą być używane do dostarczania szczepionek. Nanorurki mogą też same w sobie wykazywać właściwości antybakteryjne, poprzez zdolność do absorbowania bakterii na swojej powierzchni, co zostało zademonstrowane na przykładzie E.coli.
• Terapia genowa – dostarczanie DNA. W terapii genowej chodzi o dostarczenie do komórki DNA uszkodzonego lub nieobecnego genu. Kiedy DNA związane jest z nanorurką węglową, jest chronione przed zniszczeniem przez nukleazy i wiązaniem czynników białkowych. Stąd przewaga tej metody dostarczania kwasów nukleinowych nad wprowadzaniem nieosłoniętego DNA lub wprowadzaniem DNA przy pomocy wektorów wirusowych, które mogą wywołać odpowiedź immunologiczną organizmu.
• Choroby neurodegeneracyjne. Skuteczne dostarczanie leków do mózgu to duże wyzwanie. Jednak nanorurki ze względu na swoje niewielkie rozmiary i zdolność do funkcjonalizacji,  pokonują barierę krew-mózg łatwiej niż inne substancje. W badaniach na mysim modelu Alzheimera udało się dzięki nim skutecznie wprowadzić do mózgu acetylocholinę.
• Nanorurki węglowe jako antyoksydanty. Nanorurki posiadające na swojej powierzchni grupy karboksylowe (-COOH) mają zdolność wyłapywania wolnych rodników, przez co mogą działać jako przeciwutleniacze.

{page_break}

Nanorurki węglowe mogą być również wykorzystane do selektywnego niszczenia komórek, w szczególności komórek nowotworowych. Jedna ze strategii opiera się na wykorzystaniu ich zdolności do silnej absorbcji światła w zakresie bliskiej podczerwieni (ang. near-infrared, NIR). Światło to jest natomiast obojętne dla tkanek biologicznych i nie jest przez nie absorbowane. Stąd po wprowadzeniu nanorurek do chorego miejsca i naświetleniu tkanki promieniowaniem podczerwonym, następuje absorbcja tego promieniowania przez materiał węglowy, który w efekcie nagrzewa się i powoduje śmierć komórek z powodu nadmiaru ciepła. Taka strategia mogłaby zastąpić tradycyjną radioterapię, która, jak wiemy, niszczy również zdrowe komórki oraz wywołuje wiele efektów ubocznych.

Trzeba jednak zaznaczyć, że znaczna większość odkryć medycznych z wykorzystaniem nanorurek jest nadal na etapie eksperymentów in vitro i in vivo. Zaledwie niewielki procent został dopuszczony do etapu badań klinicznych.

Zalety nanorurek węglowych

Większość zalet nanorurek węglowych wiąże się z ich niezwykle małym rozmiarem. Dzięki temu mogą łatwo oddziaływać z biocząsteczkami, występującymi w podobnej skali. Mają zdolność przyłączania się i wnikania do wnętrza komórek oraz oddziaływania z tkankami o delikatnej i skomplikowanej strukturze. Po podaniu dożylnym są rozprowadzane po organizmie za pośrednictwem krwioobiegu, stąd ich możliwość bezpośredniego docierania do chorych komórek w celach leczniczych lub diagnostycznych. Ze względu na swój rozmiar, są również stosunkowo łatwo usuwane z organizmu. Drugą zaletą nanorurek jest ich duża reaktywność chemiczna, co umożliwia funkcjonalizację i przyłączanie wielu różnych cząsteczek – począwszy od małych cząsteczek chemicznych, skończywszy na makromolekułach takich jak białka i kwasy nukleinowe. Po trzecie, nanorurki węglowe zbudowane są z czystego węgla. W wielu badaniach wykazano już wcześniej, że węgiel nie działa szkodliwie na organizm. Wykonano z niego wiele implantów, np. sztuczne zastawki. Jednakże, aby potwierdzić bezpieczeństwo nanorurek węglowych należy wykonać szereg krótko i długoterminowych badań. Ponadto, ze względu na różnorodność modyfikacji występujących na ich powierzchni, dla każdego ich rodzaju prowadzone są osobne testy toksykologiczne.