Направления возможного использования графена в неврологии и нейрохирургии

В настоящее время наблюдается широкое внедрение в клиническую практику инновационных методик с использованием нанотехнологий. Одним из перспективных материалов, представляющих научно-практический интерес для медицинской науки, является графен — аллотропная модификация углерода, обладающая рядом специфических физических свойств. Нами проведен анализ результатов исследований по данной проблеме. Имеющиеся в литературе сведения говорят о высоких перспективах его использования в нейронауках. Установлены основные направления внедрения графена в неврологию и нейрохирургию. Разработка технологических приемов с использованием графена будет способствовать появлению новых эффективных методов диагностики и терапии, качественно повышающих уровень ведения пациентов с заболеваниями и травмами нервной системы.

1. Drowart J., De Maria G., Inghram M. G. Thermodynamic Study of SiC Utilizing a Mass Spectrometer. J. Chem. Phys. 1958;29:1015–1021. https://doi.org/10.1063/1.1744646

2. Lebedev S. P., Amel’chuk G., Eliseyev I. A., Nikitina I. P., Dementev P. A., Zubov A. V., Lebedev A. A. Comparison of graphene films grown on 6h-sic and 4h-sic substrates. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2020;28(4): 321–324. https://doi.org/10.1080/1536383X.2019.1697684

3. Давыдов В.Ю., Усачёв Д.Ю., Лебедев С.П., Смирнов А.Н., Левицкий В.С., Елисеев И.А., Алексеев П.А., Дунаевский М.С., Вилков О.Ю., Рыбкин А.Г., Лебедев А.А. Исследование кристаллической и электронной структуры графеновых пленок, выращенных на 6h-sic (0001) Физика и техника полупроводников. 2017;(51/8):1116–1124. https://doi.org/10.21883/FTP.2017.08.44800.8559.

4. Воробьев С.В., Янишевский С.Н., Емелин А.Ю., Лебедев А.А., Лебедев С.П., Макаров Ю.Н., Усиков А.С., Клотченко С.А., Васин А.В. Перспективы применения биологических сенсоров на основе графена в ранней диагностике болезни Альцгеймера (обзор литературы). Клиническая лабораторная диагностика. 2022;67(1):5–12. https://doi.org/10.51620/086920842022671512

5. Georgakilas V., Otyepka M., Bourlinos A.B., Chandra V., Kim N., Kemp K.C., Hobza P., Zboril R., Kim K.S. Functionalization of graphene: covalent and non-covalent approaches, derivatives and applications. Chem. Rev. 2012;112:6156–6214. https://doi.org/10.1021/cr3000412.

6. Tehrani Z., Burwell G., Mohd Azmi M. A., Castaing A., Rickman R., Almarashi J., Dunstan P., Miran Beigi A., Doak S.H., Guy O. J. Generic epitaxial graphene biosensors for ultrasensitive detection of cancer risk biomarker. 2D Materials. 2014;1(025004):1–19. https://doi.org/10.1088/2053–1583/1/2/025004

7. Лебедев А. А., Давыдов В.Ю., Новиков С.Н., Литвин Д.П., Макаров Ю. Н., Климович В. Б., Самойлович М. П. Биосенсоры на основе графена. Письма в журнал технической физики. 2016;42(14):28–35.

8. Smith A. D., Elgammal K., Niklaus F., Delin A., Fischer A.C., Vaziri S., Forsberg F., Råsander M., Hugosson H., Bergqvist L., Schröder S., Kataria S., Östlinga M., Lemme M.C., Resistive graphene humidity sensors with rapid and direct electrical readout. Nanoscale. 2015;7:19099. https://doi.org/10.1039/C5NR06038A

9. Lebedev S., Usikov A., Novikov S., Shabunina E., Schmidt N., Barash I., Roenkov A., Lebedev A., Makarov Y., Graphene/SiC functionalization for blood type sensing applications. Materials Science Forum. 2018;924:909. https://doi.org/3.4028/www.scientific.net/MSF.924.909

10. Iannazzo D., Espro C., Celesti C., Ferlazzo A., Neri G. Smart Biosensors for Cancer Diagnosis Based on Graphene Quantum Dots. Cancers (Basel). 2021;13(13):3194. https://doi.org/10.3390/cancers13133194

11. Chen S. L., Chen C. Y., Hsieh J.C., Yu Z. Y., Cheng S. J., Hsieh K. Y., Yang J. W., Kumar P. V., Lin S.F., Chen G. Y. Graphene Oxide-Based Biosensors for Liquid Biopsies in Cancer Diagnosis. Nanomaterials (Basel). 2019;9(12):1725. https://doi.org/10.3390/nano9121725

12. Safarzadeh M., Suhail A., Sethi J., Sattar A., Jenkins D., Pan G. A Label-Free DNA-Immunosensor Based on Aminated rGO Electrode for the Quantification of DNA Methylation. Nanomaterials (Basel). 2021;11(4):985. https://doi.org/10.3390/nano11040985

13. Liu X., Lin L. Y., Tseng F. Y., Tan Y.C., Li J., Feng L., Song L., Lai C. F., Li X., He J. H., Sakthivel R., Chung R. J. Label-free electrochemical immunosensor based on gold nanoparticle/polyethyleneimine/reduced graphene oxide nanocomposites for the ultrasensitive detection of cancer biomarker matrix metalloproteinase 1. Analyst. 2021;146(12):4066–4079. https://doi.org/10.1039/d1an00537e

14. Yu D., Yin Q., Wang J., Yang J., Chen Z., Gao Z., Huang Q., Li S. SERS-Based Immunoassay Enhanced with Silver Probe for Selective Separation and Detection of Alzheimer’s Disease Biomarkers. Int J Nanomedicine. 2021;16:1901–1911. https://doi.org/10.2147/IJN.S293042

15. Dey J., Roberts A., Mahari S., Gandhi S., Tripathi P. P. Electrochemical Detection of Alzheimer's Disease Biomarker, β-Secretase Enzyme (BACE 1), With One-Step Synthesized Reduced Graphene Oxide. Front Bioeng Biotechnol. 2022;10:873811. https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.873811

16. Sun L., Zhong Y., Gui J., Wang X., Zhuang X., Weng J. A hydrogel biosensor for high selective and sensitive detection of amyloidbeta oligomers. Int J Nanomedicine. 2018;13:843–856. https://doi.org/10.2147/IJN.S152163

17. Zhu D., Liu B., Wei G. Two-Dimensional Material-Based Colorimetric Biosensors: A Review. Biosensors (Basel). 2021;11(8):259. https://doi.org/10.3390/bios11080259

18. Park D., Lee D., Kim H. J., Yoon D. S., Hwang K. S. Scalable Functionalization of Polyaniline-Grafted rGO Field-Effect Transistors for a Highly Sensitive Enzymatic Acetylcholine Biosensor. Biosensors (Basel). 2022;12(5):279. https://doi.org/10.3390/bios12050279

19. Nichols J. W., Bae Y.H. Odyssey of a cancer nanoparticle: from injection site to site of action. Nano Today. 2012;7(6):606–618. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2012.10.010

20. Patel S.C., Lee S., Lalwani G., Suhrland C., Chowdhury SM, Sitharaman B. Graphene-based platforms for cancer therapeutics. Ther Deliv. 2016;7(2):101–16. https://doi.org/10.4155/tde.15.93

21. Moore T. L., Podilakrishna R., Rao A., Alexis F. Systemic administration of polymer-coated nano-graphene to deliver drugs to glioblastoma. Part. and Part. Syst. Char. 2014;31(8):886–894. 1 https://doi.org/0.1002/ppsc.201300379

22. Kutwin M., Sosnowska M. E., Strojny-Cieślak B., Jaworski S., Trzaskowski M., Wierzbicki M., Chwalibog A., Sawosz E. MicroRNA Delivery by Graphene-Based Complexes into Glioblastoma Cells. Molecules. 2021;26(19):5804. https://doi.org/10.3390/molecules26195804

23. Campbell E., Hasan M.T., Pho C., Callaghan K., Akkaraju G. R., Naumov A. V. Graphene Oxide as a Multifunctional Platform for Intracellular Delivery, Imaging, and Cancer Sensing. Sci Rep. 2019;9(1):416. https://doi.org/10.1038/s41598018366174

24. Perini G., Palmieri V., Ciasca G., De Spirito M., Papi M. Unravelling the Potential of Graphene Quantum Dots in Biomedicine and Neuroscience. Int J Mol Sci. 2020;21(10):3712. https://doi.org/10.3390/ijms21103712

25. Ren Y., Miao C., Tang L., Liu Y., Ni P., Gong Y., Li H., Chen F., Feng S. Homotypic Cancer Cell Membranes Camouflaged Nanoparticles for Targeting Drug Delivery and Enhanced ChemoPhotothermal Therapy of Glioma. Pharmaceuticals (Basel). 2022;15(2):157. https://doi.org/10.3390/ph15020157

26. Li M., Yang X., Ren J., Qu K., Qu X. Using graphene oxide high near-infrared absorbance for photothermal treatment of Alzheimer’s disease. Adv Mater. 2012;24(13):1722–8. https://doi.org/10.1002/adma.201104864

27. Park S. Y., Park J., Sim S.H., Sung M. G., Kim K.S., Hong B.H., Hong S. Enhanced differentiation of human neural stem cells into neurons on graphene. Adv Mater. 2011;23(36): H263–7. https://doi.org/10.1002/adma.201101503

28. Li N., Zhang X., Song Q., Su R., Zhang Q., Kong T., Liu L., Jin G., Tang M., Cheng G. The promotion of neurite sprouting and outgrowth of mouse hippocampal cells in culture by graphene substrates. Biomaterials. 2011;32(35):9374–9382, https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2011.08.065

29. Bei H. P., Yang Y., Zhang Q., Tian Y., Luo X., Yang M., Zhao X. Graphene-Based Nanocomposites for Neural Tissue Engineering. Molecules. 2019;24(4):658. https://doi.org/10.3390/molecules24040658

30. Feng Z. Q., Wang T., Zhao B., Li J., Jin L. Soft Graphene Nanofibers Designed for the Acceleration of Nerve Growth and Development. Adv Mater. 2015;27(41):6462–8. https://doi.org/10.1002/adma.201503319

31. Jakus A. E., Secor E.B., Rutz A. L., Jordan S. W., Hersam M.C., Shah R.N. Three-dimensional printing of high-content graphene scaffolds for electronic and biomedical applications. ACS Nano. 2015;9(4):4636–48. https://doi.org/10.1021/acsnano.5b01179