فن آوری نانو در پزشکی

[spow 44197]

فن آوری نانو در پزشکی

 

نويسنده: دکتر مرتضي شفقي خالکي

 

 

نقاط کوانتومی

 

نقاط کوانتومي، نانو کريستالهايي با ابعاد 2 تا 10 نانومتر هستند که در اثر تحريک شدن با نور، ايجاد فلورسانس کرده و از خود نور ساطع مي کنند. نقاط کوانتومي در دسته نيم رساناها قرار مي گيرند. اهميت نيم رساناها در اين است که رسانايي الکتريکي اين مواد را مي توان با محرک هاي خارجي مانند ميدان الکتريکي يا تابش نور تغيير داد، تا حدي که از نارسانا به رسانا تبديل شوند و مانند يک کليد عمل کنند. نقاط کوانتومي به علت کوچک بودن بسيار زيادشان، دسته منحصر به فردي که از نيمه رساناها به شمار مي روند. پهناي آنها بين 2 تا 10 نانومتر، يعني معادل کنار هم قرار گرفتن 10تا 50 اتم است. در اين ابعاد کوچک، مواد رفتار متفاوتي دارند و اين رفتار متفاوت قابليت هاي بي سابقه اي در کاربردهاي علمي و فني به نقاط کوانتومي مي بخشد.

ساختمان نقاط کوانتومي از دو قسمت تشکيل شده است: يک هسته غيرآلي که اندازه آن رنگ نور ساطع شده از اين نقاط را تعيين مي کند، بخش دوم يک پوسته غيرآلي و يک پوشش آلي محلولي در آب است که با مولکولهاي زيستي ارتباط برقرار مي کند. کارآيي نقاط کوانتومي در پزشکي ناشي از دو خاصيت آنها است، اول اينکه آنها توانايي اتصال به ملکولهاي زيستي را دارند و دوم آنکه طول موجي را که از خود ساطع مي کنند، مي توان تنظيم کرد. به عبارت ديگر، نقاط کوانتومي مي توانند به گونه اي طراحي شوند که در اثر برخورد با يک طول موج مشخص رنگ مشخصي از خود ساطع کنند.

نقاط کوانتومي مي توانند به ملکولهاي زيستي متصل شده و به عنوان ابزارهاي تشخيصي بسيار حساس استفاده شوند.

در يک مطالعه انجام گرفته، نقاط کوانتومي را به پلي اتيلن گليکول (PEG) و يک آنتي بادي ضد آنتي ژن غشايي اختصاصي پروستات (PSMA) متصل کردند و سپس آنها را به موش هايي که بافت توموري به آنها پيوند زده شده بود، تزريق کردند. نقاطي کوانتومي به کمک جريان خون و به کمک آنتي بادي اختصاصي وارد تومور شده و در آنجا تجميع پيدا کردند.

از نقاط کوانتومي همچنين مي توان براي تصويربرداري از بيماران سرطاني و تعيين مرحله بيماري و انتخاب روش درماني استفاده کرد. اين روش درماني مي تواند در بدخيمي هاي مختلف مثل سرطان پوست (ملانوما)، سرطان پستان، ريه و تومورهاي معدي روده اي به کار گرفته شود. در اين مورد نقاط کوانتومي پس از ورود به بدن توسط يک عامل هدف گيري (مثل آنتي بادي اختصاص يک بافت) در بافت مورد نظر تجمع پيدا مي کنند. سپس تحت تاثير تابش يک پرتو با طول موج مشخص،اين نقاط از خود تابش فلورسانس ابجاد مي کنند. نکته قابل توجه اين فن آوري نو، آن است که نقاط کوانتومي مورد استفاده، در محدوده مادون قرمز نزديک (NIR) تابش مي کنند. امواج مادون قرمز نزديک، نفوذ خوبي به بافت دارند (2تا5 سانتي متر)، ضمن اينکه امواج مزاحم (noise) کمتري نيز در دستگاه ثبت مي شود.

رنگ هاي معمول که در حال حاضر براي تصويربرداري استفاده مي شوند، نسبت به نقاط کوانتومي در ناحيه مادون قرمز نزديک، شدت سيگنال کمتري ايجاد مي کنند. بنابراين تصويربرداري، به کمک نقاط کوانتومي تصاوير واضح تري از بافت ايحاد مي کند. البته بايد در نظر داشت که استفاده از نقاط کوانتومي در مطالعات باليني با خطرات و محدوديت هايي نيز مواجه است. در هسته اکثر نقاط کوانتومي عنصر کادميم وجود دارد که

در مورد پتانسيل سمي اين عنصر نگراني هايي وجود دارد. از طرف ديگر، پوشش نقاط مرکزي براي حفاظت در برابر اثرات سمي اين عنصر، منجر به افزايش ابعاد اين نقاط مي شود، و ممکن است ابعاد آنها از ابعاد منافذ غشاء اندوتليوم و کليه بيشتر و دفع آنها با مشکل مواجه مي شود و اين نقاط در بدن تجمع پيدا کرده و سميت ايجاد کنند.

 

نانوشل ها

 

نانوشل ها(Nano shells) توسط وست و هالاس در دانشگاه Rice کشف شدند. اين ذرات از يک هسته از جنس سيليس و يک پوشش نازک فلزي تشکيل شده اند. اين ذرات مي توانند به کمک روش هاي ايمونولوژي به بافت مورد نظر هدايت شوند. از اين فن آوري براي درمان سرطان استفاده شده است.

هيوش و همکارانش، از نانوشل هايي استفاده کردند که قادر بودند امواج مادون قرمز نزديک، که از يک منبع خارج بدن ساطع مي شدند را جذب کرده و بر اثر آن افزايش دما پيدا کنند. بر اثر افزايش دما، اين ذرات موجب مرگ سلولي شده در نهايت موجب تخريب بافت مورد نظر مي شوند.

در يک روش ديگر، محققان نانوشل ها را در يک پليمر هيدروژني حاوي داروي ضد سرطان تعبيه کردند. سپس با استفاده از آنتي بادي اختصاصي آنها را به سمت بافت توموري مورد نظر هدايت کردند. با تاباندن ليزر مادون قرمز اين نانوشل ها گرم شده و موجب تخريب پليمر هيدروژني و آزادسازي دارو در بافت مورد نظر شدند. سپس داروي مورد نظر اثرات ضد سرطاني خود را اعمال کرد. مزيت اين روش، کاهش عارضه جانبي داروي ضد سرطان به کار رفته است، زيرا تنها در بافت مورد نظر آزاد مي شوند و در ساير بافت ها اثرات مضر خود را اعمال کرد. مزيت اين روش، کاهش عارضه جانبي داروي ضدسرطان به کار رفته است، زيرا تنها در بافت مورد نظر آزاد مي شود و در ساير بافت ها اثرات مضر خود را اعمال نمي کند. اخيرا از نانوشل ها در درمان انواع متاستاز يافته سرطانها و همچنين درمان ديابت نيز استفاده شده است.

از نانوشل ها براي اهداف تشخيصي نيز استفاده شده است. از آن جمله از نانوشل هاي طلا براي رديابي ايمونو گلوبين ها استفاده شده است. در اين روش ايمونوگلوبين مورد نظر به نانوشل حاوي طلا متصل شده و وارد بدن مي گردد. از نانوشل هاي طلا با ابعادي استفاده مي شود که قادر به جذب طول موج قرمز نزديک باشند.

نانوشل ها پس از ورود به بدن، در تمام بدن به گردش درمي آيند و بنابراين مي توان با تاباندن امواج مادون قرمز نزديک جايگاه آنها را در هر لحظه از بدن تعيين کرد. يک مزيت عمده اين کار دقت بالاي اين روش است، به طوري که به کمک آنها مي توان ايمونوگلوبين را در غلظت هاي نانوگرم در ميلي ليتر در پلاسما و خود رديابي کرد.

 

[spow 44197]

نانوحباب ها

 

نانوحباب ها ساختمان هايي به شکل حباب هستند که مي توان داروهاي ضد سرطان را در آنها قرار داد. نانوحباب ها در درجه حرارت اتاق پايدارند اما بعد از ورود به بدن، در درجه حرارت بدن به يکديگر متصل شده و ميکروحباب ها را ايجاد مي کنند. مزيت نانوحباب ها آن است که به کمک فراصوت مي توان آنها را به طور انتخابي در بافت مورد نظر فعال کرد. در اين روش يک داروي ضد سرطان، مثل دوکسوروبيسن، در داخل نانوحباب ها قرار مي گيرد و سپس وارد بدن مي گردد. در بدن و در اثر درجه حرارت فيزيولوژيک بدن، اين نانوحباب ها به يکديگر متصل شده و ميکروحباب ها را تشکيل مي دهند، اين ميکروحباب ها سايز بزرگتري داشته و بنابراين از غشاء بسياري از سلولها عبور نمي کنند يا به سختي عبور مي کنند، در حالي که غشاء ناپايدار سلولهاي توموري به راحتي اجازه عبور به اين ذرات را مي دهند، بنابراين غلظت آنها در سلولهاي سرطاني به مراتب بيشتر از ساير بافت ها خواهد بود. سپس با تابش فراصوت اين ميکروحباب ها تخريب شده و دارو آزاد مي گردد.

با توجه به آنکه دارو در اين روش تقريبا به طور کامل در بافت هدف آزاد مي شود، اثر بخشي دارو بسيار زياد خواهد بود و عوارض جانبي دارو به شدت کم مي شود. تاکنون در چندين مطالعه، اثربخشي آنها در درمان انواع سرطان ها مورد بررسي قرار گرفته و نتايج اميدوار کننده اي نيز به دست آمده است. علاوه بر اين، از نانوحباب ها به عنوان ناقل در ژن درماني استفاده شده است .در مطالعات in vitro و in vivo انتقال ژن ها به کمک نانوحباب ها و در حضور فراصوت به خوبي صورت گرفت.

يکي ديگر از کاربردهاي نانوحباب ها در پزشکي، استفاده از آنها در حذف لخته هاي خوني در رگ هاست. در اين روش که «سونوترمبوليز» ناميده مي شود از ناحباب ها و فراصوت براي حذف لخته خوني استفاده مي شود.اين روش اين مزيت را دارد که غيرتهاجمي است و همچنين کمتر باعث تخريب اندوتليوم عروق خوني مي شود.

 

نانوذرات پارامغناطيس

 

از نانوذرات پارامغناطيس براي تشخيص و درمان استفاده شده است. در زمينه تشخيصي، از نانوذرات پارامغناطيس اکسيد آهن به عنوان ماده حاجب در تصويربرداري MRI استفاده شده است. اين ذرات نسبت به مواد حاجب مرسوم حساسيت بيشتري دارند.

اين نانو ذرات قادر خواهند بود بافت و اندام اختصاصي خود را هدف گيري کنند. از نانو ذرات پارامغناطيسي متصل شده به آنتي بادي HER-2/neu (اختصاصي سرطان پستان) براي رديابي سلولهاي سرطاني پستان در تصويربرداري MRI در in vitro استفاده شده است. يکي از محدوديت هاي پيش رو در اين روش، حذف نانوذرات توسط ماکروفاژهاي بدن است که باعث مي شود عمر اين ذرات در بدن کاهش يافته و اثربخشي آنها نيز کاهش يابد. براي جلوگيري از اين مشکل، چندين راهکار به کار گرفته شده اند، از جمله مشخص شده است که دارويي مثل لووستاتين قادر است ميزان بلع نانو ذرات توسط ماکروفاژها را کاهش دهد. همچنين مشخص شده است تغيير بار سطحي نانوذرات به سمت خنثي، از طريق اتصال کووالانسي با مواد شيميايي، مي تواند موجب افزايش زمان در گردش خون نانو ذرات شود.

علاوه بر اين ها از نانو ذرات پارامغناطيسي، براي تصويربرداري از مغز و همچنين براي شناسايي پروتئين هايي مثل آنتي ژن اختصاصي پروستات استفاده شده است.

از نانو ذرات مغناطيسي براي درمان سرطان نيز استفاده شده است. براي اين منظور، در يک مطالعه نانو ذرات مغناطيسي آهن به آنتي بادي مونوکلونال متصل شده و به بافت مورد نظر منتقل شدند. سپس تحت تاثير ميدان مغناطيسي خارجي، گرماي شديد در اين نانو ذرات اعمال شد که اين افزايش درجه حرارت موجب مرگ سلول هاي سرطاني شد.

 

نانو زوم ها

 

رائول کوپلمن و همکارانش در دانشگاه ميشيگان روي نانو زوم ها کار کرده اند. اين نانوزوم ها در کاربردهاي مختلف پزشکي مثل هدف گيري، تشخيص و درمان به کار گرفته شده اند. از مهمترين کاربردهاي آنها مي توان به درمان تومورهاي مختلف از جمله تومورهاي CNS (سيستم اعصاب مرکزي) اشاره کرد. در اين روش نانو ذرات اکسيد آهن پوشيده شده با سيليکا و پلي اتيلن گليکول، که به آنتي بادي هاي اختصاصي و عناصر متمايز کننده مثل گادولينيوم متصل شده اند، براي دستيابي به مناطق اختصاصي مغز مبتلا به تومور استفاده شده اندو ساختمان ويژه اين نوع نانوذرات و حضور عوامل هدف گيري کننده اختصاصي بافت، به علاوه عناصر متمايز کننده، موجب بهبود ردگيري اين ذرات در تصويربرداري MRI شده است. در موارد درماني، با استفاده از تابش ليزر ذرات اکسيد آهن را گرم کرده و گرماي ايجاد شده موجب مرگ سلول هاي حاوي آنها (سلول هاي سرطاني) مي شود. يکي ديگر از روش هاي استفاده از نانوزوم ها در درمان سرطان، قرار دادن کاتاليت هاي نوري مخصوص در اين نانوذرات است اين کاتاليت هاي نوري هنگامي که با نور تحريک مي شوند گونه هاي واکنشگر اکسيژن را توليد مي کنند و بافت هدف را تخريب مي کنند. يکي از مزاياي اين روش نسبت به روش هاي مرسوم شيمي درماني، ايمني بيشتر آنها و عوارض جانبي بسيار کمتر آنهاست، ضمن اينکه مقاومت دارويي به اين روش درماني حاصل نمي شود. در حالي که مشکل مهم داروهاي شيمي درماني، مقاوم شدن سلول هاي سرطاني به اين داروها است.

 

دندريمرها

 

دندريمرها دسته خاصي از ماکرو ملکول هاي پليمري شاخه دار هستند که از مرکز آنها چندين بازو به سمت خارج ايجاد شده است. تعداد شاخه ها (بازوها) اندازه دندريمرها را تعيين مي کند که قابل کنترل است. شاخه ها به شکل ساختار کروي از مرکز دندريمرها به سمت خارج و به وسيله فرآيند پليمريزاسيون ايجاد مي شوند. اين حالت منجر به تشکيل حفره هايي در دندريمرها مي شود که مي تواند براي انتقال دارو استفاده شود. پايانه هاي ملکول دندريمر مي تواند به ملکول هاي ديگري براي انتقال متصل شود. اين ملکول ها به دندريمرها کاربردهاي عملي مختلف مي دهند. تکنودندريمرها (Tectodendrimers) مجموعه دندريمرهايي هستند که هر جزء دندريمري آنها يک فعاليت ويژه مثل هدفگيري، تشخيص وضعيت بيماري، انتقال دارو و تصويربرداري را دارد. اين نانو ابزارها کاربردهاي بالقوه اي در شيمي درماني سرطان به عنوان يک دارو درماني هدف دار دارند.

دندريمرها همچنين مي توانند جايگزين ناقل هاي ويروسي رايج در ژن درماني شوند. آنها توسط آندوسيتوز وارد سلولها شده و قطعه اي از DNA را که بايد رونويسي از روي آن صورت گيرد، وارد سلول مي کنند. مزيت عمده اين روش ژن درماني آن است که در اين حالت سيستم ايمني بدن تحريک نمي شود. دندريمرها در انواع سلول هاي پستانداران و در مدل هاي حيواني مورد آزمايش قرار گرفته اند و موفقيت هاي چشمگيري هم به همراه داشته اند.

از دندريمرها براي درمان عفونت هاي ويروسي (خانواده رتروويروس ها) نيز استفاده شده است. رتروويروس ها دسته اي از RNA ويروس ها شامل ويروس ايدز (HIV) هستند. داروهاي بر پايه دندريمرها، براي درمان نوع ميموني HIV موفق عمل کرده اند.

نوعي از دندريمرها به نام دندريمرهاي PAMAM با اتصال به داروهاي ضد سرطان مثل سيس پلاتين در درمان سرطان به کار گرفته شده اند. در يک سري مطالعات ديگر نيز از داروهاي سرطان ديگر مثل آدريامايسين و متوترکسات متصل به دندريمرها براي اين منظور استفاده شده است.

در مطالعات ديگر محققان از دندريمرها براي از بين بردن ميکروب ها استفاده کرده اند. از آن جمله «کالابرتا» و همکارانش خواص آنتي باکتريال دندريمري PAMAM و مشتقات پوشيده شده با پلي اتيلن گليکول آن را گزارش کردند. خواص آنتي باکتريال عليه باکتري هاي گرم مثبت مثل استافيلوکوک و باکتري هاي گرم منفي مثل سودومونا مشاهده شد. هرچند پوشش پلي اتيلن گليکول دندريمر، که سميت سلولي دندريمرهاي PAMAM را کاهش مي دهد اثر بخشي عليه باکتري هاي گرم مثبت را کاهش مي دهد، اما تاثيري بر اثربخشي اين دندريمرها بر باکتري هاي گرم منفي مثل سودومونا ندارد.

از ديگر کاربردهاي دندريمرها در پزشکي مي توان به استفاده از آنها به عنوان مواد حاجب در تصويربرداري هاي پزشکي اشاره کرد. دندريمرهاي 4.1- دي آمينو بوتان (PAMAM) و DAB براي اين منظور در دسترس هستند. دفع کليوي دندريمرها مهمترين راه دفع اين ترکيبات از بدن است و وابسته به اندازه ذره است. بيش از 60 درصد دندريمرهاي DAB و PAMAM ، طي 15 دقيقه بعد از تزريق از جريان خون حذف مي شوند. دندريمرهاي کوچکتر از نظر اندازه خيلي زود از طريق کليه ها دفع مي شوند، اما دندريمرهاي داراي بار سطحي و يا سطح آب گريز به سرعت از طريق کبد دفع مي شوند. دندريمرهاي داراي سطح دوست از دفع کليوي در امان مي مانند و زمان در گردش طولاني تري دارند.

دندريمرهاي کاتيوني داراي پتانسيل بيشتري براي ايجاد سميت سلولي، در مقايسه با دندريمرهاي آنيوني و دندريمرهاي PAMAM هستند. به نظر مي رسد دندريمرهاي کاتويني موجب ناپايداري غشاء سلولي و تجزيه سلول مي شوند. سميت دندريمرها به اندازه ذره بستگي دارد و با افزايش اندازه اين ذرات افزايش مي يابد. سميت سلولي آنها را مي توان با اصلاح سطحي دندريمرها، مثل افزودن پلي اتيلن گليکول يا اسيدهاي چرب، کاهش داد.

 

فن آوری نانو در ژن درمانی

 

ژن درماني يک دستاورد نسبتا جديد در درمان بسياري از اختلالات با منشأ ژنتيکي مثل ديابت، فيبروز کيستي و... است. ناقل هاي ويروسي که براي انتقال ژن ها استفاده مي شوند، از نظر ايمني با خطرات بالقوه اي همراه هستند و همچنين مي توانند موجب تجريک سيستم ايمني و توليد آنتي بادي عليه اين ناقل هاي ويروسي شوند.

از طرف ديگر، DNA برهنه (DNAفاقد پوشش) به علت بار منفي خود، قادر نيست از سطح غشاء سلولي که آن هم داراي بار منفي است، عبور کند. از اين رو استفاده از نانو ذرات در انتقال ژن ها مورد توجه فراواني قرار گرفته است. ليپوزوم هايي با اندازه کوچکتر از100 نانومتر مي تواند براي انتقال ماده ژنتيکي به داخل سلول ها استفاده شونتد. ليپوزوم هايي که به پلي اتيلن گليکول و گالاکتوز ملحق شده اند به طور موثري سلول هاي کبدي را هدف گيري مي کنند زيرا سلول هاي کوپفر کبدي به سرعت آنها را جذب مي کنند. بنابراين ژن درماني به کمک اين ليپوزوم ها در اختلالات مختلف کبدي مثل بيماري ويلسون و هموکروماتوز ارثي مورد بررسي قرار گرفته است.

در يک مطالعه محققان از نانو ذرات کيتوزان براي انتقال ژن انسولين انساني به موش ها، از طريق مجاري گوارشي استفاده کردند. آنها دريافتند در اين موش ها قند صبح ناشتا به شدت کاهش مي يابد و سطوح انسولين پلاسمايي و همچنين بيان MRNA ژن انسولين انساني به شدت افزايش مي يابد. اين مطالعه مي تواند به کشف راه هاي درماني جديد براي درمان ديابت کمک کند.

 

منبع: نشريه اطلاعات علمي شماره8