Hij klopt en hij veegt en hij zuigt

De buckybal , zestig koolstofatomen in de vorm van een voetbal, vindt nog steeds nieuwe toepassingen. De curieuze chemische eigenschappen van het molecuul vereisen voorzichtigheid.

Dik twintig jaar na zijn ontdekking is de curieuze buckybal op weg naar de status van een nuttig doorsneemolecuul. Het Groningse bedrijfje Solenne gaat deze voetbalvorm van 60 koolstofatomen – een wetenschappelijke sensatie in 1985 – verwerken in een olie voor een gezondere en mooiere huid. Later deze maand zal het smeersel onder de merknaam Combray op de markt komen.

Of de huidolie werkt is niet in wetenschappelijke publicaties aangetoond, maar er zijn duidelijke aanwijzingen. En cosmetica is bepaald niet de enige recente nieuwe toepassing van buckyballen of fullerenen – de algemene benaming voor kooivormige moleculen van zestig of meer koolstofatomen. Er zijn wetenschappers die de moleculaire voetballen willen inzetten tegen kanker, of als antibioticum. En ze worden al verwerkt in prototypes van zonnecellen en computerchips.

Veel medische toepassingen berusten op de sponswerking van de fullerenen, die een bepaald type schadelijke moleculen uit het lichaam als het ware absorberen. Deze zogeheten vrije radicalen zijn zeer reactief, omdat ze een elektron over hebben dat een chemische binding wil aangaan. Dat fullerenen radicalen absorberen kan van belang zijn in de huidolie, maar ook in een experimentele aanpak tegen ziektes die levens kunnen ruïneren. In een recente publicatie toont neuroloog Howard Weiner van de Harvard Medical School in Boston aan dat oplosbare fullerenen die aan zenuwcellen binden de verschijnselen van vergevorderde multiple sclerose in muizen kunnen remmen (zie kader).

De buckybal is een molecuul met geschiedenis. Dat koolstof kon bestaan in een derde elementaire variant – naast grafiet en diamant – was indertijd een ontdekking die met ongeloof werd begroet. Toch leverde de vondst Robert Curl, Harold Kroto en Richard Smalley in 1996 een Nobelprijs op. Het molecuul ontstond bij toeval toen de wetenschappers in het laboratorium probeerden de omstandigheden rond rode reuzensterren na te bootsen. Anno 2008 vindt het ‘buitenaardse’ molecuul nog steeds nieuwe toepassingen.

Maar er zijn ook zorgen. Twee jaar geleden al waarschuwde de Gezondheidsraad voor het ongewone molecuul (Betekenis van nanotechnologieën voor de gezondheid, 27 april 2006). Fullerenen kunnen niet alleen oxidatieve stress wegnemen, zo concludeerde de raad, maar ze kunnen die ook juist veroorzaken – met name bij blootstelling aan zonlicht. Daarbij zou het zeer reactieve singlet zuurstof kunnen ontstaan.

ongepaard

Oxidatieve stress is schade die in ons lichaam ontstaat door de aanwezigheid van zuurstof in een reactieve vorm. Voorbeelden daarvan zijn superoxiden en het hydroxylradicaal, allebei moleculen met een ongepaard elektron (de genoemde vrije radicalen). Maar ook singlet zuurstof is zo’n zeer reactieve zuurstofvariant die (door licht) in een hogere energietoestand is gebracht.

Anti-oxidanten, zoals vitamine E en C en ook fullerenen, kunnen oxidatieve stress wegnemen door met vrije radicalen te reageren. Solenne beoogt met zijn huidolie dan ook oxidatieve stress weg te nemen. Toch zijn er ook wetenschappers die juiste de oxidatieve stress die fullerenen kunnen veroorzaken willen gebruiken om bijvoorbeeld kankercellen op te ruimen. “Singlet zuurstof kan ter plekke alles dood maken”, zegt buckybalspecialist Kees Hummelen, hoogleraar in Groningen en oprichter van Solenne.

Dat buckyballen enerzijds zouden kunnen worden toegepast in kankertherapie en anderzijds in cosmetica, om eigenschappen die chemisch diametraal tegenover elkaar liggen, noemt hij een interessant, maar verklaarbaar probleem. Hummelen wijst erop dat lichttherapie bij kanker weliswaar werkt met porfyrinederivaten, maar dat de inzet van buckyballen tegen kanker nog niets heeft opgeleverd.

Met zes werknemers wil Solenne gaan opboksen tegen cosmeticagiganten als L’Oréal. “Het klinkt misschien wat vreemd dat wij als wetenschappers zo’n huidolie zelf op de markt gaan zetten”, zegt David Kronholm, de Amerikaanse chief executive officer van Solenne. “Wij denken dat het kan. Multinationals hebben lang een stevige greep gehad op deze markt, maar dankzij nieuwe afzetkanalen als het internet is dat inmiddels veranderd.”

Paul Borm, hoogleraar toxicologie aan de universiteit van Düsseldorf en verbonden aan de Hogeschool Zuyd in Heerlen, is enthousiast over de toepassing van buckyballen in medicijnen en cosmetica. “Met hun anti-oxiderende werking zouden de buckyballen een mooie kruising kunnen zijn tussen vitamine C en vitamine E”, zegt hij. “De eerste vitamine is in water oplosbaar, de andere houdt van vet en komt terecht in de celmembranen. Het lijkt erop dat sommige fullerenen beide eigenschappen combineren.”

Toch spreekt Borm, mede-auteur van het rapport van de Gezondheidsraad over nanotechnologie, ook waarschuwende woorden: “De radicalen die fullerenen blijkbaar afvangen kunnen schade aanrichten, maar radicalen verrichten ook allerlei belangrijke functies in ons lichaam. Je kunt wel zeggen: we hebben een molecuul gevonden dat radicalen opslorpt, hiep hoi, maar zo eenvoudig ligt het niet. Je moet ervoor zorgen dat je de radicalen alleen afvangt op die plaats waar er te veel van zijn.”

“Het grote verschil met vitamine C of E is dat een fullereen radicalen als het ware opzuigt”, zegt Kronholm. “Als vitamine E een vrije radicaal onschadelijk maakt, gaat het als het ware kapot. In een reactie met vitamine C kan vitamine E zich vervolgens weer herstellen. Fullerenen daarentegen, kunnen wel 15 tot 20 radicalen opnemen, hydroxylradicalen bijvoorbeeld. Ze gaan niet kapot.”

Het hydroxylradicaal, OH met een ongepaard elektron, wordt in kleine hoeveelheden gevormd onder de zon in onze huid. Als de buckybal er één absorbeert dan verandert het door opname van het ongepaarde elektron zelf tijdelijk in een radicaal. Dat gebeurt ook met een vitamine die een radicaal onschadelijk maakt. In de buckybal wordt deze situatie echter opgelost als een tweede (hydroxyl) radicaal bindt. Kronholm: “Het fullereen heeft dan per saldo twee radicalen opgenomen, maar de ongepaarde elektronen van de twee vrije radicalen vormen samen een ongevaarlijk koppel.”

Dat Oxofulleram, de met een forse chemische zijgroep in (druiven)olie oplosbaar gemaakte buckybal van Solenne ook echt werkt, is aannemelijk. “Er is een overvloed aan wetenschappelijke artikelen waaruit blijkt dat vrije radicalen de oorzaak zijn van allerlei aandoeningen waarbij ontsteking een rol speelt”, zegt Kronholm. In Japan heeft Vitamin C60 Bioresearch, een gespecialiseerde dochter van het conglomeraat Mitsubishi, gemodificeerde buckyballen ontwikkeld die worden toegepast in een huidcrème. “Van schadelijke effecten op de huid is niets gebleken”, zegt Kronholm.

De fullerenen van Mitsubishi zijn verkrijgbaar in dure crèmes met merknamen als Perricone en Dr. Brandt. De Japanse fabrikant meldt op zijn website dat de anti-oxiderende werking de aangepaste fullerenen geschikt maakt als ingrediënt van huidcrèmes, omdat ze werken tegen de meest uiteenlopende kwalen van acné tot zonneverbranding en van cellulitis tot ouderdomsrimpels.

“Voordat we wetenschappelijk onderzoek hebben gedaan willen we voor Combray geen sterke claims maken”, zegt Kronholm. “Op de verpakking komt iets te staan in de trant van: verbetert de gezondheid en het uiterlijk van de huid. Met het Universitair Medisch Centrum Groningen en anderen gaan we de komende jaren nader onderzoek doen.”

gefrustreerd

David Kronholm is naar eigen zeggen “ongelooflijk gefrustreerd”, dat fullerenen in berichten en rapporten zoals dat van de Gezondheidsraad over de veiligheid van nanotechnologie op één hoop worden gegooid met andere nanodeeltjes. “Het zijn geen nanodeeltjes”, zegt hij.

Met een diameter van iets minder dan één nanometer passen de fullerenen aan de ondergrens van de deeltjesgrootte die voor nanotechnologie wordt gehanteerd. Toch is er een belangrijk verschil. In nanotechnologie gaat het erom eigenschappen van materialen als silicium, zilver of titaniumdioxide ingrijpend te veranderen door er zeer kleine kristallen van te maken. Kleine kristallen hebben per gram een groter oppervlak, ze zijn daardoor reactiever en dat is de aanleiding voor zorgen over de giftige werking ervan. Bij fullerenen gaat het in de eerste plaats om de eigenschappen van een nieuw molecuul. “Moleculen worden in de scheikunde altijd al gemaakt”, zegt Hummelen. “Je moet ze onderzoeken op hun giftige werking, maar er is geen aanleiding voor een bijzondere behandeling.”

Volgens Kronholm, als scheikundig ingenieur opgeleid aan het Massachusetts Institute of Technology in Boston, zijn sommige publicaties waarin de giftige werking van fullerenen werd aangetoond intussen weerlegd. Hij ziet zelfs aanwijzingen voor kwade trouw bij de Amerikaanse auteurs van studies over de giftige werking van fullerenen op vissen: “Ondanks de weerlegging van de resultaten hebben de auteurs van de Amerikaanse overheid grote subsidiebedragen ontvangen voor de opzet van onderzoekscentra naar de gezondheidsrisico’s van nanotechnologie.”

De Amerikaanse chemicus Vicky Colvin (Rice University) en de toxicoloog Eva Oberdörster (Universiteit van Dallas) haalden vier jaar geleden de wereldpers met publicaties waarin ze aantoonden dat fullerenen giftig zijn, omdat ze oxidatieve stress veroorzaken. Ook de Gezondheidsraad refereert aan dit onderzoek in zijn rapport over nanotechnologie, maar de Amerikaanse wetenschappers hebben een cruciale fout gemaakt. Niet de fullerenen, maar het door hen toegepaste oplosmiddel tetrahydrofuraan (THF) heeft een giftige uitwerking op mensen- en vissencellen. In een korte reactie per e-mail erkent Oberdörster de miskleun: “Zónder THF zijn de fullerenen tien keer minder giftig dan met het THF”, schrijft zij. “Nog steeds giftig dus”, voegt ze eraan toe.

Maar dat laatste is niet de communis opinio. “C60 [de buckybal, red.] is in een grote variëteit van organismen niet toxisch”, concludeert Fathi Moussa van de Université Paris Sud in een recent overzichtsartikel (Bio-Applications of Nanoparticles, 2007). Toch waarschuwt óók Moussa voor sommige gemodificeerde fullerenen en de vorming van het zeer giftige singlet zuurstof als het molecuul in oplossing aan ultraviolet licht wordt blootgesteld.

In het kader van een in de Europese Unie verplichte veiligheidstest hebben 25 proefpersonen Combray acht weken lang gebruikt. Ze werden ook blootgesteld aan ultraviolet licht. “Het product bleek veilig”, zegt Kronholm. “Sterker, de huid ging erop vooruit, maar dát hoeven wij voor onze marktintroductie niet aan te tonen. Intussen hebben ook vrienden en kennissen het product uitgeprobeerd. Daaruit hebben we anekdotisch bewijs dat de huidolie een heilzame uitwerking heeft op ouderdomsvlekken, rimpels, acné en andere huidziekten. Ik heb zelf vroeger ook last gehad van acné en ik weet dat mensen het erg belangrijk vinden hoe ze eruit zien. Wij zien als wetenschappers nu eenmaal het potentieel van buckyballen als anti-oxidant. We vinden dat we dit product naar de mensen moeten brengen.”

Dat buckyballen in zonlicht efficiënte producenten zijn van singlet zuurstof, maar in de praktijk geen schade aanrichten is volgens Kronholm goed te verklaren. “Zolang er voldoende zuurstof beschikbaar is zetten fullerenen elk foton dat ze absorberen om in singlet zuurstof. Maar ze absorberen licht helemaal niet zo goed.”

Volgens Kronholm produceert het fullereen van Solenne zelfs minder singlet zuurstof dan vitamine E onder vergelijkbare omstandigheden. “Een publicatie hierover hebben we in voorbereiding”, zegt Kronholm. “We denken ook dat we een wetenschappelijke verklaring hebben gevonden, waarom buckyballen in de praktijk zo weinig singlet zuurstof produceren. Hoe dat precies werkt kan ik nog niet zeggen omdat andere wetenschappers met dat idee aan de haal zouden kunnen gaan.”