نانو پزشکی

فناوری نانو در پزشکی (قسمت اول)

نانو در پزشکی: ريچارد فاينمن طي يك سخنراني در همايش جامعه فيزيك آمريكا در سال 1959 در مؤسسه تكنولوژي (فن آوري) كاليفرنيا، اولين ايده ها در مورد، فن آوري نانو را مطرح كرد: «آنچه من مي خواهم به شما بگويم» مسأله دستكاري و كنترل اشياء در مقياس كوچك است. ترديدي وجود ندارد كه در نوك يك سوزن آن قدر جا هست كه بتوان تمام دايره المعارف بريتانيكا را در آن جا داد.» با توجه به امكانات علمي آن زمان، سخنراني فاينمن كاملا ً غير عملي به نظر مي رسيد. چرا كه ساخت اتم ها نظري و ظاهرا يا ملكول هاي منفرد غيرممكن به نظر مي رسيد. با اختراع ميكروسكوپ نگاره روبشي (STM) و ميكروسكوپ نشانگر روبشي (SP) پيشرفت هاي زيادي در زمينه شيمي ملكولي رخ داد و كم كم كار كردن با ملكول ها عملي شد و فن آوري نانو پا به عرصه وجود گذاشت. فن آوري نانو عرصه پيچيده و غيرقابل باور، اما عملي و ممكن ابتداي قرن بيست و يكم مي باشد كه جهان امروز را در خواهد نورديد و بنيان تازه و جديدي در عرضه محصولات شكل گرفته به دست بشر را معرفي خواهد كرد. اين فن آوري در بيشتر حوزه هاي فن آوري تأثير چشمگيري داشته و به نظر مي رسد در سال هاي نه چندان دور، تغييرات بنيادي در علم و صنعت ايجاد كند. البته فن آوري نانو هنوز دوران بلوغ خود را طي نكرده است، اما با توجه به كاربردهاي گسترده اين فن آوري در علوم مختلف از هوا و فضا، الكترونيك، توليد مواد گرفته تا پزشكي و داروسازي، آينده درخشاني را مي توان براي آن متصور بود. در اين مقاله، كاربردهاي مختلف اين فن آوري در پزشكي مورد بحث و بررسي قرار خواهد گرفت.

تعريف واژه فن آوري نانو اولين بار توسط نوريوتاينگوچي ـ استاد دانشگاه علوم توكيو در سال 1974 معرفي شد. او اين واژه را براي ساخت مواد دقيقي كه تلورانس ابعادي آنها در حد نانومتر باشد به كار برد. فن آوري نانو واژه اي است كلي كه به تمام فن آوري هاي پيشرفته در عرصه كار با مقياس نانو اطلاق مي شود. معمولا منظور از مقياس نانو در اينجا ابعادي در حدود 1 تا 100 نانومتر مي باشد (1 نانومتر يك ميليارديم متر است). در حالي كه تعاريف زيادي براي فن آوري نانو وجود دارد، اما NNI تعريفي را براي فن آوري نانو ارائه مي دهد كه در برگيرنده هر سه تعريف ذيل باشد: ـ توسعه فن آوري و تحقيقات در سطوح ملكولي در مقياس 1 تا 100 نانومتر ـ خلق و استفاده از ساختارها، ابزارها و سيستم هايي كه به خاطر اندازه كوچك آنها خواص و عملكرد نويني دارند. ـ توانايي كنترل يا دستكاري در سطوح اتمي بنابراين، فن آوري نانو فن آوري جديدي است كه برپايه دستكاري تك تك اتم و ملكول ها استوار است، بدين منظور كه بتوان ساختاري پيچيده را با خصوصيات اتمي توليد كرد. نانو پزشكي نانو پزشكي عبارت است از به كارگيري فن آوري نانو براي منافع سلامت انسان و بهزيستي او. استفاده از نانو تكنولوژي در بخش هاي مختلف درماني و پزشكي انقلاب ايجاد كرده است. ذرات نانو با ابعاد 1 تا 100 نانومتر طراحي و در تشخيص، درمان و توليد ابزار و وسايل پزشكي استفاده شده اند. در حال حاضر اين امكان وجود دارد كه درمان در سطح ملكولي با كمك اين ابزار تحقق يابد. بنابراين، درمان بيماري و مطالعه روند بيماريزايي (پاتوژنز) بيماري ها نيز امكان پذير شده است. داروهايي كه در حال حاضر استفاده مي شوند از محدوديت عمده اي به نام «عوارض جانبي» رنج مي برند كه معمولا به علت عدم اختصاصي عمل كردن دارو اتفاق مي افتد. همچنين اثربخشي بسياري از داروها نيز، مثل داروهايي كه در شيمي درماني سرطان يا درمان ديابت استفاده مي شوند، بسيار كم است. بنابراين، توليد داروهايي با درجه اختصاصيت بالاتر اثربخشي را بهبود مي دهد و عوارض جانبي را به حداقل مي رساند. در زمينه روش هاي تشخيص بيماري ها نيز، افزايش درجه حساسيت ابزارها و وسايل مي تواند كمك شاياني به تشخيص بيماري در ابتداي بيماري مي كند و بنابراين پيش آگهي بيمار و شانس درمان يا زنده ماندن بيمار افزايش مي يابد. وضعيت درمان در حال حاضر مهمترين عواملي كه در نتيجه درمان يك بيمار اثر مي گذارند عبارتند از

ساختمان لیپوزوم ها
نحوه توزیع دارو در لیپوزوم ها

اثربخشي و ايمني (سلامت) دارو اين عوامل در دارودرماني بيمارهايي چون سرطان بسيار مهمتر و چشمگيرتر هستند. داروهاي مورد استفاده در شيمي درماني سرطان اختصاصيت بسيار پاييني دارند و سميت بالا مثل سركوب مغز استخوان، عوارض گوارش، ريزش مو، سميت كليوي، عوارض قلبي و … ايجاد مي كنند. به طور مشابه دارو درماني ديابت نيز با كنترل ناكافي قند خون مواجه است. در دسترس بودن اشكال غيرتزريقي انسولين مي تواند موجب رشد دارورساني مناسب اين بيماري شود. در زمينه تشخيص و رديابي سرطان نيز روش هاي موجود كافي و كاملا دقيق به حساب نمي آيند، در حالي كه تشخيص به موقع بيماري نقش مهمي در درمان بيماري خواهد داشت. فن آوري نانو و كاربردهاي پزشكي توسعه سيستم هاي دارورسانى جديدتر بر پايه فن آوري نانو براي درمان سرطان، ديابت، عفونت هاي قارچي و ويروسي و ژن درماني مورد بررسي قرار گرفته است. عمده ترين مزاياي اين روش هاي درماني عبارتند از: هدف گيري اختصاصي دارو و بنابراين عملكرد اختصاصي دارو و همچنين ايمني و سلامت بيشتر. فن آوري نانو همچنين در روش هاي تشخيصي، به عنوان مواد حاجب، رنگ هاي فلورسنت و نانو ذرات مغناطيسي استفاده شده اند.

هدفگیری غیرفعال نانوذرات

انواع نانو ذرات مورد استفاده در پزشكي ليپوزوم ها ليپوزوم ها در اواسط دهه 1960 كشف شده اند و امروزه از مهمترين ابزارهاي دارورساني در مقياس نانو به حساب مي آيند. ليپوزوم ها نانو ذرات كروي با يك غشاء ليپيدي دو لايه هستند. نشان داده شده است هنگامي كه داروهاي شيمي درماني سرطان و ديگر داروهاي سمي مثل آمفوترسين B و هاميسين، به صورت ليپوزوم استفاده مي شوند اثربخشي و ايمني بسيار بيشتري در مقايسه با فرآوردهاي معمولي اين داروها دارند. ليپوزوم ها داراي دو بخش هستند. بخش مركزي كه پوشيده از آب است و ً داروهاي محلول در چربي در بخش غشاء غشاء دو لايه كه ليپيدي است. معمولا ليپيدي و داروهاي محلول در آب در بخش آبي مركزي قرار مي گيرند. مهمترين مشكل در استفاده از ليپوزوم ها، تخريب سريع و حذف آنها از گردش خون توسط ماكروفاژهاي كبدي است. اين مورد موجب كاهش طول اثر داروهايي كه با خود حمل مي كنند مي شود. اين مشكل را مي توان با پنهان كردن ليپوزوم ها از طريق پوشاندن آنها با موادي مثل پلي اكسي اتيلن، كه موجب مهار بلغ ليپوزوم ها توسط ماكروفاژها مي شود، بر طرف كرد. يك راه ديگر، افزايش زمان حضور ليپوزوم ها در گردش خون، اضافه كردن موادي مثل كلسترول، ليپيدي هاي پلي آكريلاميد و نييل پيرو ليدون و… به آنها است. يكي از مهمترين قابليت هاي ليپوزوم ها آن است كه مي توان طوري انها را طراحي كرد كه يك بافت يا اندام اختصاصي را هدف گيري كنند. با اين كار دارو ً به صورت كاملا اختصاصي عمل كرده و به علت كاهش يا عدم تاثير دارو بر ساير بافت ها ايمني بهتري حاصل مي شود. هدف گيري ليپوزوم ها به دو صورت فعال و غيرفعال انجام مي شود. روش غيرفعال در واقع انتخاب طبيعي ليپوزوم براي حضور در يك بافت است. براي مثال عروق خوني در تومورها ساختار بسيار ضعيف دارند و عبور و مرور مواد از خون به اين بافت ها با سهولت بيشتري رخ مي دهد. لذا داروهاي محصور در ليپوزوم ها به طور خود بخودي تجمع بيشتري در تومور مي يابند و اثر دارو بر اين بافت ها بيشتر از ساير بافت ها مي شود. در هدف گيري فعال از ايمونوليپوزوم ها و ليپوزوم هاي هدايت شونده با ليگاند استفاده مي شود. ايمونو ليپوزوم ها ليپوزوم هايي هستند كه يك آنتي بادي ً اختصاصي (مثلا آنتي بادي ضد يك آنتي ژن توموري) به آنها متصل شده است.

nanoporous seperation
نانو پزشکی شکل 5

آنتي بادي هاي مختلفي را مي توان به ليپوزوم ها وصل كرد و با توجه به نوع آنتي بادي آن را براي بافت يا سلول مشخصي اختصاصي كرد. همچنين ليپوزوم هاي غيرپنهان و يا پنهان شده با پلي اكسي اتيلن را مي توان به آنتي بادي متصل نمود و محدوديتي در اين مورد وجود ندارد. اين ايمونوليپوزوم ها هنگامي كه وارد بدن بيمار مي شوند به بافت هدف رسيده و در آنجا تجمع مي يابند. لذا اختصاصيت دارو و اثر بخشي در اين روش به حداكثر و عوارض سمي و جانبي به حداقل مي رسد. بنابراين ايمني استفاده از اين داروها بسيار بالاست. روش ديگر به اختصار ADEPT ناميده مي شود به اين صورت است كه ليپوزوم ابتدا به يك آنزيم متصل مي شود كه اين آنزيم مسئوليت فعال كردن يك پيش دارو به فرم فعال خود را دارد. سپس اين مجموعه (ليپوزوم+ آنزريم) به يك آنتي بادي اختصاصي (مثل يك آنتي ژن توموري) متصل مي شود. اين دارو را بايد بعد از تجويز پيش داروي اصلي تجويز كرد. بعد از تجويز آنتي بادي كمپلكس ليپوزومي را به سمت تومور هدايت و در آنجا آتريم پيش دارو را به فرم فعال دارو تبديل مي كند و سلول توموري را از بين مي برد. بنابراين، تبديل پيش دارو به فرم فعال در ساير بافت هاي سالم رخ نمي دهد و بنابراين، عوارض سمي به حداقل مي رسد. دو داروي ضد سرطان به نام هاي اپي روبيسين و دو كسوروبيسين با چنين روشي در حال مطالعه هستند. در روش هدف گيري ليپوزوم با استفاده از ليگاند، ليپوزوم به يك ملكول شيميايي (ليگاند) متصل مي شود كه به كمك آن به ساختمان هدف هدايت مي شود. براي مثال در سرطان تخمدان، گيرنده هاي فولات به وسيله بافتتوموري بيان بيش از حد پيدا مي كنند. لذا براي دستيابي به اين تومورها مي توان ليپوزوم ها را به فولات متصل كرد تا ليپوزوم و داروي موجود در آن را به سمت تومورهاي تخمداني هدايت كند. همچنين در درمان بيماري لشمانياز (ايجاد شده توسط يك ميكرو ارگانيسم به نام لشمانيا) از روشي مشابه استفاده شده است. در اين روش ليپوزوم حاوي داروي هاميسين به مانوسيل متصل شده اند تا ماكروفاژهاي انساني حاوي لشمانيا را شناسايي كنند. در ژن درماني نيز از اتصال آسيالوفوتين به ليپوزوم ها براي هدف گيري سلول هاي كبدي استفاده شده است.

نانو پزشکی شکل 6

نانوسوراخ ها نانو سوراخ ها (nanoperes) در سال 1997به وسيله دسايي و فراري طراحي شدند و شامل قطعاتي با تراكم بالاي سوراخ هايي با ابعاد حدود 20 نانومتر هستند. اين سوراخ ها اجازه مي دهند اكسيژن، گلوكز، انسولين و… از آنها عبور كند ولي اجازه عبور به سلول ها يا درشت ملكولهايي مثل آنتي بادي ها را نمي دهند. لذا نانو سوراخ ها مي توانند به عنوان وسيله هايي براي حفاظت بافت هاي پيوند شده از سيستم ايمني ميزبان استفاده شوند. با اين كار درشت ملكولهاي سيستم ايمني مثل آنتي بادي ها امكان دسترسي به بافت و رد پيوند را ندارند ولي در عين حال بافت به طور كامل قادر است وظايف فيزيولوژيك خود را انجام دهد. در درمان ديابت وابسته به انسولين از چنين روشي استفاده شده است. در اين روش سلول هاي متاي پانكراس(لوزالمعده) داخل نانو سوراخ ها بسته بندي مي شوند و سپس به بدن فرد ديابتي پيوند مي شوند. اين بافت مواد مغذي خود را بافت هاي اطراف تأمين مي كند. و در عين حال از دسترس سيستم ايمني به دور است و بنابراين پس زده نمي شود و انسولين موردنياز بيمار را بدون مشكل تأمين كند. يكي ديگر از كاربردهاي نانو سوراخ ها استفاده از آنها در تعيين توالي نوكلئوتيدهاي DNA است. گروه برانتون در دانشگاه هاروارد روي نانو سوراخ هاي اصلاح شده اي كه توانايي داشتند رشته هاي DNA را برپايه توالي جفت بازها تمايز دهند، كاركردند. نانو سوراخ ها همچنين مي توانند طوري طراحي شوند كه نوكلئوتيدهاي حاوي بازهاي پوريني را از نوكلئوتيدهاي حاوي بازهاي پيريميدني تشخيص دهند. علاوه براين ها، براي تفكيك و شناسايي بازها در طول DNA از اتصال الكترودهاي هدايت كننده الكتريسيته در سطح نانو سوراخ ها استفاده شده است. چنين روشي مي تواند يك هزار باز را در هر ثانيه در هر سوراخ شناسايي كند. اين روش مي تواند براي تعيين توالي ژنوم با قيمتي بسيار پايين و دقت بالا استفاده كرد. فولرن ها فولرن ها از آلوتروپ هاي كربن هستند كه باكي بال نيز ناميده مي شوند. فولرن ها در سال 1985 كشف شدند. فولرن Buckminster معروفترين فولرن با اندازه 7 آنگستروم (درقطر) و به شكل يك توپ فوتبال است كه 20 شش ضلعي و 12 پنج ضلعي در ساختمان آن قابل مشاهده است. انواع فولرن ها -فولرن هاي قليايي: فولرن هايي هستند كه در بين آنها فلز قليايي وجود دارد. فولرن ها ماهيت الكترونگاتيو دارند بنابراين يك فلز الكتروپوزيتيو قادر به كشيدن الكترونهاي آنها به سمت خود است. -فولرن هاي اندوهدرال: در اين فولرن ها يك اتم مشخص مي تواند در داخل فولرن ها قرار گيرد. اگر اين اتم، يك اتم فلزي باشد آن را متالوفولرن مي گوييم. به علت اندازه كوچك فولرن 60c  ( فولرني با 60 اتم كربن در ساختمان خود ) سنتز اندوهدرال آن دشوار است. اما فولرن هاي بزرگ تر مثلc82  وc84 براي سنتز فولرن هاي اندوهدرال استفاده شده اند.

نانو پزشکی شکل 7

ولرن هاي اندوهدرال استفاده شده اند. متالوفولرن هاي اندوهدرال مي توانند براي اهداف تشخيصى به عنوان ماده. حاجب در MRI و ديگر روش هاي تشخيصي استفاده شوند. زماني كه فلز راديواكتيو داخل باكي بال محصور مي شود سميت كمتري ايجاد مي كند و ايمن تر هستند. اين روش همچنين مي تواند براي تصوير برداري از اندام ها به عنوان ردياب راديواكتيو به كار گرفته شود. فولرن هاي اگزوهدرال: اين فولرن ها به وسيله واكنش هاي شيميايي بين فولرن ها و ديگر گروههاي شيميايي ساخته مي شوند اين دسته فولرن ها، فولرن هاي عملكردي نيز ناميده مي شوند. چنين فولرن هايي مي توانند به عنوان مواد حساس كننده به نور فوتوديناميك تراپي براي درمان سرطان ها استفاده شوند. اين فولرن ها گونه هاي واكنشگر اكسيژن را هنگام تحريك شدن با نور آزاد مي كنند و سلول هاي هدف را مي كشند.

اين روش هم اكنون به عنوان ماده اي با خواص ضدميكروبي نيز در دست تحقيق است. فولرن ها با روش مشابه روش فوق مي توانند موجب از بين رفتن غشاء سلولي به خصوص در باكتري هاي گرم مثبت و مايكوباكتري ها شوند. ـ هتروفولرن ها: فولرن هايي هستند كه يك يا تعداد بيشتري اتم كربن، در آنها با اتم هاي ديگري مثل نيتروژن يا بور جايگزين مي شود. فولرن ها براي انتقال داروهاي ضدويروس، آنتي بيوتيك ها و داروهاي ضدسرطان در دست تحقيق هستند. فولرن ها همچنين به عنوان گيرنده راديكال آزاد، در نتيجه حضور تعداد زياد پيوندهاي دوگانه كننده كه در ساختمان هسته آنها، نيز عمل مي كنند. مشخص شده كه فولرن ها يك فعاليت حفاظتي در برابر آسيب هاي ميتوكندري القاء شده به وسيله راديكال هاي آزاد اعمال مي كنند. اين خواص مي توانند در درمان سرطان استفاده شوند. فولرن ها پتانسيل تحريك پاسخ سيستم ايمني و توليد آنتي بادي هاي اختصاصي ضدفولرن ها را دارند. مطالعات حيواني با فولرن هاي C60 متصل به تيروگلوبين يك پاسخ ايمني اختصاصي C60 را توليد كرد كه توسط روش ELTSA قابل رديابي بود. اين خاصيت مي تواند براي طراحي روش هاي برآورد سطح فولرن ها در بدن، هنگامي كه براي اهداف تشخيصي يا درماني استفاده مي شوند به كار برده شود. در تزريق داخل وريدي، فولرن ها بدون تغيير از كليه دفع مي شوند. مشتقات محلول در آب فولرن ها، در مقايسه با اشكال نامحلول در آب آنها سازگاري زيستي بيشتري دارند و پتانسيل سمي كمتري توليد مي كنند حتي در دوزهاي بالاتر. علاوه بر اينها، درجه خلوص فولرن ها عامل مهمي در تعيين قيمت آنها است و فولرن هاي بسيار خالص، بسيار گران هستند و كاربرد پزشكي آنها محدود مي شود. نانوتيوب ها نانوتيوب هاي كربني در سال 1991 كشف شدند. اين تركيبات ساختمان هاي لوله اي شكل هستند كه سطح خارجي آنها يك ورقه با ساختماني مانند گرافيت است كه به صورت استوانه پيچيده است و يك يا دو سر آنها توسط باكي بال بسته شده است. نانوتيوب ها به دو صورت وجود دارند: الف: نانوتيوب هاي داراي يك ديواره كربني كه به اختصار SWCNT ناميده مي شوند. ب: نانوتيوب هاي داراي چندلايه كربني متحدالمركز كه به اختصار MWCNT ،ناميده مي شوند. SWCNTها داراي قطر داخلي 1 تا 2 نانومتر هستند. MWCNT ها قطري بين 2 تا 25 نانومتر دارند و فاصله بين ديواره هاي آنها 36/0 نانومتر است. طول نانوتيوب ها متفاوت است و مي تواند از يك ميكرومتر تا چند ميكرومتر متغير باشد. نانوتيوپ ها پايداري بسيار خوب و دوام بالايي دارند و بنابراين موردتوجه زيادي به عنوان حامل هاي دارويي هستند. به كمك اتصال آنتي بادي هاي اختصاصي به نانوتيوب ها و يا با افزودن مواد فلورسنت و مواد راديواكتيو به آنها مي توان به اختصاصيت سلولي دست يافت. ورود نانوتيوب ها به داخل سلول مي تواند به واسطه آندوستيوز يا با الحاق با غشاء سلولي صورت پذيرد. براي افزايش پايداري نانوتيوپ هاي كربن، مي توان به آنها گروه هاي كربوكسيليك يا آمونيوم اضافه كرد. از نانوتيوب ها براي انتقال پپتيدها، نوكلئيك اسيدها و ديگر ملكول هاي دارويي استفاده شده است. از جمله نانوتيوب هاي كربني متصل به راديونوكلئوتيد اينديوم ـ 111 براي كشتن سلولهاي سرطاني به طور انتخابي، در دست مطالعه است. همچنين نانوتيوب هاي حاوي آمفوترسين B نشان داده اند كه در مقايسه با تجويز آمفوتريسين B به تنهايي، دارو را به مقدار بيشتر به داخل سلولها مي رسانند. اثر بخشي نانوتيوب هاي آمفوتريسين B به عنوان يك داروي ضدقارچ در مقايسه با آمفوتريسين B به تنهايي بهتر بوده است و حتي روي نژادهايي كه به آمفوتريسين B مقاوم بوده اند نيز مؤثر بوده است. علاوه بر اينها، سميت نانوتيوب هاي آمفوتريسين B براي سلولهاي پستانداران كمتر از آمفوتريسين B به تنهايي بود. از توانايي نانوتيوب ها براي حمل DNA در عرض غشاء در مطالعات ژن درماني استفاده شده است. DNA مي تواند به سر نانوتيوب ها متصل شده و يا در داخل آنها قرار گيرد. پارتو و همكارانش، نشان دادند هنگامي كه ژن بتاگالاتوزيد از طريق نانوتيوب ها به داخل سلول منتقل شود بيان آن بيشتر از حالتي است كه DNA به صورت برهنه وارد سلول گردد. يك مزيت استفاده از نانوتيوب ها در ژن درماني آن است كه اين روش موجب برانگيختن پاسخ سيستم ايمني نمي شود در حالي كه انتقال ژن از طريق ناقل هاي ويروسي موجب توليد واكنش هاي ايمني مي شد. مطالعات خاموش كردن ژنها با استفاده از RNA كوچك مداخله كننده ً جديد هستند كه سلولهاي توموري را به (SiRNA) يك روش درماني نسبتا طور انتخابي از بين مي برند. استفاده از SWCNT هاي متصل به SiRNA مي تواند براي خاموش كردن ژن ها استفاده شود. در يك سري مطالعات جديد نيز استفاده از نانوتيوب ها در توليد واكسن ها موردمطالعه قرار گرفته است. مشاهده شده است كه هنگامي كه نانوتيوب هاي كربن، به استثناء انواع استيله آنها، به يك پپتيد متصل باشند، پاسخ ايمونولوژيك بيشتري در مقايسه با پپتيدهاي آزاد توليد مي شود. از اين خاصيت مي توان در توليد واكسن ها، به منظور افزايش پاسخ سيستم ايمني عليه يك آنتي ژن و در نتيجه افزايش اثر بخشي واكسن استفاده كرد. علاوه بر اين، مشخص شده است كه تركيبات متصل شده به نانوتيوب ها اثر بخشي روش هاي تشخيصي مثل ELISA را نيز افزايش مي دهند. لذا از آنها مي توان براي طراحي حسگرهاي زيستي استفاده كرد. اشكال نامحلول در آب نانوتيوب ها مثل نانوتيوب كربني pristine سميت invitro بسيار بالاترى نسبت به انواع قابل حل در آب نانوتيوب ها دارند.

ادامه دارد (فناوری نانو در پزشکی قسمت دوم)

تالیف: دکتر مرتضی شفقی خالکی

حجم فایل: 298KB

به اشتراک گذاری

Leave a Comment