نوش نیش

مقدمه

فن‌آوري نانو عبارت است از: «طراحي، توليد، کاربرد و ايجاد خصوصيات خاص به صورت برنامه‌ريزي شده در مواد، ساختمان‌ها، وسايل و سامانه‌ها از راه کنترل اندازه و شکل آنها در دامنه‌ مقياس نانو (از يک تا صد نانومتر)». فن‌آوري نانو کاربردهاي بالقوه‌ زيادي در پزشکي دارد زيرا مواد نانو به سامانه‌ها و مولکول‌هاي زيست‌شناختي شباهت دارند و مي‌توان آنها را طوري مهندسي کرد که کارکردهاي گوناگون و دلخواه را داشته باشند. رشته‌ پزشکي نانو با استفاده از خواص و خصوصيات فيزيکي مواد نانو، به تشخيص و درمان بيماري‌ها در سطح مولکولي مي‌پردازد.

هم‌اکنون مواد نانو به گونه‌اي طراحي مي‌شوند که توان حمل عوامل تشخيصي و درماني را به وراي غشا‌هاي زيست‌شناختي داشته باشند و تغييرات و انحراف‌هاي مولکولي را با حساسيت و دقت بالا بازشناسي کنند. برخلاف اتم‌ها و مواد ماکروسکوپي، مواد نانو از نسبت بالاي مساحت به حجم برخوردار هستند (با وجودي که حجم آن کم است اما مساحت سطح آن بسيار زياد است). در عين ‌حال مي‌توان خصوصيات نوري، الکترونيک، مغناطيسي و زيست‌شناختي آنها را به دلخواه تنظيم کرد و آنها را به گونه‌اي مهندسي نمود که اندازه‌ها، شکل‌ها، ترکيبات شيميايي، خصوصيات شيميايي سطحي و ساختار توخالي يا توپر داشته باشند. به تدريج اين امکانات در نسل‌هاي جديد حاملان دارو، مواد حاجب و وسايل تشخيصي به کارگرفته شده و مي‌شود، به گونه‌اي که اکنون حتي شماري از آنها به تاييد اداره‌ نظارت برغذا و داروي ايالات متحده (FDA) رسيده اند و برخي ديگر در مرحله‌ پژوهش‌هاي باليني در دست ارزيابي هستند. مثال‌هايي از اين مواد نانو که امروز هم در پزشکي به کار مي‌روند در شکل 1 آورده شده‌اند. اين مقاله مروري دارد بر خصوصيات مواد نانو، عمده‌ کاربردهاي پزشکي آنها و ساير امکانات اين رشته که در آينده خودنمايي خواهند کرد.

خصوصيات مواد نانو

در طول سه دهه پيشين، دانشمندان فيزيک راهبردهايي را ابداع کرده‌اند که ساخت انبوه مواد نانو با خصوصيات منحصر به فرد و قابل دستيابي در اندازه‌هاي نانو ميسر شده است. براي بهره‌گيري بهينه از کاربردهاي پزشکي مواد نانو ضرورت دارد که به درک مناسبي از اصول اين خصوصيات شيميايي و فيزيکي برسيم.

به طور کلي، مواد نانو از اتم‌هاي فلزي، اتم‌هاي غيرفلزي، يا مخلوطي از آنها تشکيل مي‌شوند که به ترتيب، ذرات فلزي، ذرات آلي يا ذرات نيمه‌رسانا نام دارند. به طور معمول سطح مواد نانو با پليمرها يا مولکول‌هاي شناخته‌شده‌ زيستي پوشيده مي‌شوند. اين مولکول‌هاي زيستي، يا براي افزايش سازگاري زيستي يا براي هدف گرفتن انتخابي ساير مولکول‌هاي زيستي روي مواد نانو را مي‌پوشانند. ساختار و اندازه‌ي نهايي مواد نانو به عوامل زير بستگي دارد: نمک و افزودني‌هاي سورفاکتانت، غلظت‌ مواد واکنش‌دهنده، دماي انجام واکنش و همچنين شرايط حلاليت.

يکي از ويژگي‌هاي مشترک درهمه‌ مواد نانو، نسبت بالاي مساحت به حجم در آنهاست که شايد به صورت تصاعدي بزرگتر از اين نسبت در مواد ماکروسکوپي باشد. درنظر بگيريد يک مکعب با ابعاد يک سانتيمتر به 10²¹ مکعب برش بخورد. اين مکعب‌هاي ريز اضلاعي يک نانومتري دارند و مجموع حجم آنها همچنان با حجم مکعب بزرگ تفاوتي ندارد اما سطح آنها ده ميليون برابر بيشتر است. بنابراين، مزيت استفاده از نانو به عنوان حامل اين است که سطح بزرگ آنها را مي‌تواند با مولکول‌هاي زياد پوشاند.

خصوصيات منحصر به فرد مواد حاوي فلز که حداقل يکي از ابعاد آن‌ها کمتر از يکصد نانومتر اندازه دارد عبارت است از: اندازه، شکل و ترکيب با امکان تنظيم مختصات الکترونيک، مغناطيسي و نوري. رفتار الکترون‌ها در مواد نانو به طور مستقيم اين مختصات را تعيين مي‌کند. الکترون‌ها دو مشخصه مهم دارند: حرکت چرخشي و همچنين حرکت به صورت پله‌اي (فقط به مدار مجاور) بين سطوح انرژي. الکترون‌ها مانند براده‌هاي آهن، در يک ميدان مغناطيسي نظام يافته، چرخش آنها مطابق ميدان مغناطيسي تغيير مي‌يابد. همچنين الکترون‌ها پس ‌از جذب انرژي مي‌توانند با حرکت بين سطوح گوناگون انرژي، آن را به شکل گرما يا نور آزاد کنند.

مواد نانو براي کاربرد در بدن

شمار زيادي از مواد نانو در کارآزمايي‌هاي باليني در دست پژوهش هستند يا پيشتر توسط FDA براي استفاده‌ در طبابت تاييد شده‌اند. البته شمار بسيار بيشتري از مواد نانو در سطح کشت سلولي و نمونه‌هاي جانوري کوچک بررسي مي‌شوند تا امکان کاربرد آنها در پزشکي تعيين شود. بسياري از اين مواد نانو براي هدف قرار دادن بدخيمي‌ها در بدن طراحي شده‌اند و برخي به عنوان حامل داروها براي کاربردهاي درماني و ديگران به عنوان مواد حاجب براي تصويربرداري تشخيصي ثبت شده‌اند (شکل 3). مواد نانو پس‌از انفوزيون به درون خون مي‌توانند در تومورها تجمع پيدا کنند زيرا سيستم عروقي غير بالغ تومورها به سبب نفوذ‌پذيري بيشتر و اثر انباشتگي خون با سوراخ‌هاي غشايي کمتراز 200 نانومتر، خارج شدن ذرات نانو را از رگ‌ها به بافت تومور ممکن مي‌سازند. انفوزيون داروهاي ضدنئوپلاسم با استفاده از مواد نانو به عنوان حامل، به افزايش غلظت و بار دارو در تومور، در مقايسه با انفوزيون معمولي همان دارو، مي‌انجامد. به توجه به نسبت بالاي سطح به حجم مواد نانو مي‌توان ميزان زيادي از عوامل درماني را روي سطح اين مواد بارگذاري کرد. هسته توخالي يا متخلخل مواد نانو‌ي آلي اجازه مي‌دهد صدها مولکول دارو در يک ذره‌ حامل دارو جايگذاري شود. با تجزيه‌ ذره‌ حامل، مولکول‌هاي دارو آزاد مي‌شوند و با کنترل سرعت تجزيه از راه انتخاب نوع پليمر به کار رفته، مي‌توان سرعت آزاد‌سازي دارو را تنظيم کرد. همچنين مي‌توان اين مواد نانوي حامل را با پليمرهايي مانند پلي‌اتيلن گليکول پوشاند و بدين ترتيب به نيمه عمر آنها در گردش خون افزود و از چسبيدن پروتئين‌هاي اپسونيزه کننده به سطح مواد نانو پيشگيري کرد و از سرعت متابوليسم و پالايش آنها در خون کاست. به علاوه، استفاده از مواد نانو براي حمل دارو با پيشگيري از باز جذب غيراختصاصي عوامل درماني به درون بافت‌هاي سالم، از عوارض ناخواسته مي‌کاهد.

اوريميون (Aurimmune) از ذرات نانوي طلا به قطر 27 نانومتر تشکيل شده و با نوع بازترکيب عامل نکروز تومور آلفاي انساني (recombinant ?-TNF) و پلي‌اتيلن گليکول پوشش يافته است. اوريميون در کارآزمايي‌هاي باليني فاز 2 در دست بررسي قرار دارد. در اين کارآزمايي‌ها ارزيابي مي‌شود که اوريميون تا چه حد به درمان بيماران مبتلا به گستره‌ متنوعي از سرطان‌هاي پيشرفته يا متاستاتيک کمک مي‌کند. اين پژوهش روي کساني انجام مي‌شود که ديگر به درمان‌هاي موجود پاسخ نمي‌دهند. مطالعات هيستوپاتولوژي نشان داده است که اين ذرات نانو درون يا اطراف تومور جاي مي‌گيرند و ميزان جذب آنها به بافت‌هاي سالم به مراتب کمتر از آن چيزي است که با تزريق مستقيم ?-TNF ديده مي‌شود. به عبارت ديگر، آثار سمي‌ و تجمع غيراختصاصي ?-TNF وقتي روي سطح ذره‌ي نانو را مي‌پوشاند کمتراز تزريق مستقيم آن است. چيزي که تجويز سيتوکين‌هايي مانند ?-TNFرا محدود مي‌کند، پاسخ‌هاي التهابي ناشي از دوزهاي بالا در بافت‌هاي در تماس با آنهاست. با تزريق وريدي اوريميون، بيماران مي‌توانند تا 20 برابر دوز معمول ?-TNF را تحمل کنند.

عامل ديگري که تحت پژوهش و هم‌اکنون در کارآزمايي باليني فاز 4 است، ژنکسول پي‌ام (Genexol - PM) نام دارد. اين عامل از ميسل‌هاي بين 50-20 نانومتري تشکيل شده که از به هم پيوستن پليمرهاي پلي‌اتيلن گليکول و پلي - دي، ال - لاکتيد پديد آمده‌اند. هسته‌ اين ميسل‌ها حاوي پاکلي‌تاکسل (Paclitaxel) يعني يک داروي شيمي‌درماني بازدارنده‌ ميتوز است. به 21 بيمار داراي تومورهاي توپر پيشرفته که به درمان‌هاي مرسوم پاسخ نمي‌دادند، اين ماده نانو تزريق شد. در 42 آنها بيماري متوقف شد و در 14 پاسخ‌هاي مثبت (مانند کاهش در توده‌ي ريه) ديده شد. هر دو دسته‌ بيماران بالا توانسته بودند دوز بالاتري را تحمل کنند زيرا دگرگوني رفتار فارماکوکينتيک عامل درماني به سبب همراهي با ذرات نانو به عنوان حامل، هيچ عارضه‌ جانبي آشکاري در پي نداشت.

ذرات نانو به عنوان مواد حاجب حساس در تصويربرداري سرطان هم توجه‌ها را به خود جلب کرده‌اند. در MRI تقويت شده با ذرات نانو، کنتراست خوبي بين بافت‌هاي دارا و فاقد ذرات نانوي اکسيد آهن فوق مغناطيسي⁽¹⁾ (SPION) به چشم مي‌خورد. اين عامل با دگرگوني در فرکانس تغيير جهت محور گردش (precession) پروتون‌ها به کنتراست بالا مي‌انجامد. در يک مطالعه، SPION پوشيده شده با دکستران براي شناسايي متاستاز احتمالي به غدد لنفاوي به مبتلايان سرطان پروستات تزريق شد. پوشش دکستران زمان گردش ذرات نانو را در خون مي‌افزايد و به سبب اندازه کوچک، اين ذرات مي‌توانند به عروق لنفاوي وارد شده، خود را به غدد لنفاوي برسانند و توسط ماکروفاژهاي مقيم در غدد بلعيده شوند. استفاده از SPION همراه با MRI، در مقايسه با MRI معمول باعث افزايش حساسيت (5/90 در برابر 4/35) و اختصاصي بودن (9/97 در برابر 4/90) در شناسايي تومورهاي متاستاتيک مي‌شود.

مواد نانو در تشخيص آزمايشگاهي

دومين استفاده‌ مهم از مواد نانو عبارت است از: اندازه‌گيري مولکول‌هاي مورد نظر در نمونه‌هاي بيولوژيک. از مواد نانو يا براي تسهيل خواندن نتيجه آزمايش يا بهبود و تقويت آستانه‌ شناسايي در کيت‌ها و وسايل آزمايشگاهي استفاده مي‌شود. از مواد نانو در⁽²⁾ LFA مانند آزمايش بارداري روي ادرار براي شناسايي نشانگرهاي پروتئيني (مانند hCG) مي‌توان بهره گرفت. همچنين شماري از انواع LFA براي اندازه‌گيري و تشخيص HIV، مالاريا و نشانگرهاي قلبي توسط FDA تاييد شده‌اند. استفاده از LFA اگرچه آزمايش‌ها را آسان و اعلام نتيجه را سريع کرده است (در کمتر از يک ساعت) اما مشکل آن کاهش آستانه‌هاي تشخيصي (از ميلي‌مول به ميکرومول بسته به نشانگر مورد استفاده) است.

ديگر کاربردهاي باليني مواد نانو

مواد نانو در ديگر کاربردهاي باليني هم به کارگرفته شده‌اند. براي مثال، پوسته‌هاي نانو از جنس طلا که شامل يک هسته‌ از جنس سيليکا با پوشش لايه‌ا‌ي نازک از طلا است، براي درمان تومورهاي راجعه سروگردن به کار مي‌رود. دراين کاربرد، پوسته‌هاي نانو به درون تومور تزريق شده، نوري با طول موج 800 - 700 نانومتر به آن تابيده مي‌شود. اين طول موج الکترون‌ها را تحريک مي‌کند و بدين ترتيب با مولکول‌هاي آب اطراف خود وارد واکنش مي‌شوند و به صورت موضعي گرما ايجاد مي‌کنند و از اين راه باعث مرگ سلول‌‌ها مي‌شوند.

چالش‌هاي کنوني و افق آينده

نخستين آثار منفي مسموميت احتمالي با مواد نانو در مطالعات آزمايشگاهي روي کشت‌هاي سلولي و در بدن جانوران گزارش شده‌اند. براي مثال، لوله‌هاي نانو از جنس کربن، التهاب و گرانولوم‌هايي شبيه به واکنش ناشي از آزبستوز را در موش‌هاي ماده القا کرده‌اند. اين امکان وجود دارد که ترکيب فلزهاي سنگين و ويژگي‌هاي فيزيکي مواد نانو مانند توان آنها براي ورود به اعضاي حياتي بدن، به پاسخ‌هاي سمي جديد و منحصر به فردي منتهي شود. شايان يادآوري است که تا امروز هيچ مورد مستندي از عوارض سمي ناشي از مواد نانو در انسان به طور اختصاصي گزارش نشده است.

توان مواد نانو در کاربردهاي جديد در دست شناسايي است که از آن جمله مي‌توان به غربالگري سلول و بافت و هدفگيري تومورها در بدن با استفاده از مواد نانوي پوشيده شده با آنتي‌بادي‌ها و پپتيدها يا اليگونوکلئوتيدهاي شکل داده شده به صورت ساختارهاي پيچيده‌اي با نام آپتامر (aptamer) اشاره کرد. به علاوه، از مواد نانو براي تهيه و طراحي عوامل چند کاربردي با توان تشخيصي، درماني و آنتي‌اکسيداني استفاده مي‌شود. هنوز تا بهينه‌سازي اين طرح‌ها براي استفاده از آنها در بيماران راه زيادي در پيش روي پژوهشگران است که از حيوانات کوچک آغاز و پس‌از موفقيت در پستانداران نخستين غير از انسان آزموده مي‌شود؛ فرآيندي که طي کردن آن به زمان زيادي نياز دارد. اين پژوهش‌ها پايه‌هاي پيشرفت درازمدت فن‌آوري نانو را درحيطه طبابت باليني مستحکم مي‌سازد.