نگاهی به کاربردهای نانوتکنولوژی در علوم زیستی

نانوتكنولوژی، فناوری جدیدی است كه در ارتباط با كاربرد ذرات ریز در حد نانومتر قرار می گیرد. به نظر می رسد كه فناوری نانو در آینده در زمینه های گوناگونی مانند مواد، تجهیزات و سیستم ها توسعه چشمگیری پیدا كند. در بین این زمینه ها نانومواد، هم در عرصه تولید دانش و هم در جنبه های عرضه تجارتی از رشد و گستردگی بالاتری برخوردار شده است. در یك دهه قبل ذرات نانو به علت جذابیتی كه در مطالعه خواص فیزیكی آنها وجود داشت بیشتر مورد توجه قرار گرفت. لذا به این دلیل این مواد در حال حاضر به صورت تجارتی در دسترس قرار گرفته اند. ارگانیسم های حیاتی از سلول هایی تشكیل شده اند كه به طور كلی دارای دیواره هایی به ضخامت ۱۰ میكرومتر هستند. اما اجزای این سلول ها بسیار ریزتر و در حد نانومتر هستند. برخی از پروتئین های درون سلول تقریباً ۵ نانومتر هستند، یعنی در حد كوچكترین ذرات ناتو ساخت دست بشر هستند. از این مقایسه ابعاد چنین می توان برداشت كرد كه برخی پروتئین ها را می توان تحت كنترل قرار داد و یا به بیانی از این ذرات به عنوان پروب های سلولی برای تحریك پروتئین ها استفاده نمود. در واقع كشف حقایق مربوط به فرآیندهای بیولوژیك درون سلول ها در ابعاد نانو از مهم ترین علل تمایل و توجه به فناوری نانو و تحقیق و توسعه در این زمینه است. قطع نظر از تمایلی كه به مطالعه خواص فیزیكی ذرات نانو وجود دارد، توجه به اثرات مغناطیسی و خواص نوری مربوط به ذرات نانو از مهم ترین زمینه های كاربرد این ذرات به حساب می آیند. از طریق ذرات هیبریدشده نانو می توان به ساختارهای نوین با خواص جدید الكترونیكی، نوری _ الكترونیكی و ذرات هوشمند دست یافت. در اینجا در ابتدا به سابقه و كاربرد قبلی ذرات نانو در علوم زیستی و پزشكی می پردازیم و سپس سعی می نماییم تا تلاش هایی كه در این زمینه در دست است عرضه شود و سپس به امكان رسیدن فرآورده های نانو به بازار مصرف خواهیم پرداخت.
• كاربردهای ذرات نانو
در اینجا به برخی از كاربردهای این نوع ذرات در علوم زیستی و پزشكی اشاره می شود. برخی از مهمترین آنها عبارتند از: كاربرد در داروسازی و ژن درمانی، تهیه ماركرهای فلورسانس بیولوژیك، ردیابی بیولوژیك عوامل بیماری زا، ردیابی پروتئین ها، پروب نمودن ساختار DNA، مهندسی بافت، نابود كردن تومورها از طریق گرمایش سلولی (hyper thermia)، جداسازی و خالص نمودن مولكول های زیستی و سلول ها، ازدیاد كنتراست (زمینه سازی) در تصویربرداری پزشكی (MRI) و نهایتاً مطالعه سرعت رفتارهای سلولی و Phago-kinetic.همان طور كه اشاره شد تولید ذرات نانو در ابعاد پروتئین های سلولی سبب شده است تا از آنها به عنوان ماركرهای زیستی استفاده شود. البته اندازه ذره برای موادی كه می بایست در سیستم های بیولوژیك وارد و تاثیرگذار باشند شرط اول مطالعه است. لذا برای تماس موثر و تداخل با هدف های بیولوژیك و یا پوشش دادن مولكول های زیستی به منظور طراحی آنها به عنوان هدف های غیرآلی _ زیستی می بایستی ذرات نانو را به طرز موثری تهیه كرد تا قابلیت برقرار نمودن این نوع تداخلات و یا چسبیده شدن را داشته باشد. مثال این نوع فعالیت ها در پوشش دادن آنتی بادی ها، بیوپلیمرهای شبیه كلاژن و یا پوشش دادن به ذرات ریزی كه مانند بیومواد عمل نمایند است.در عرصه فعال نمودن خواص نوری ذرات بیولوژیك، ذرات نانو می بایستی كه توانمندی تغییر خواص نوری بیومواد را آنچنان داشته باشند تا بتوانند آنها را از نظر خواص فلورسانسی قابل ردیابی نمایند. در هر صورت ذرات نانو می توانند در تشخیص شكل سلول ها، ردیابی فرآیند های سیگنالینگ، عمل آنتی ژن ها و به عنوان عوامل قابل اتصال (linkers) در علوم سلولی به كار برده شوند، غالباً نانو- ذرات به صورت یك هسته تشكیل دهنده از مواد بیولوژیك كه سطح آن با مواد ساده و یا تركیبات غیر آلی و بیوپلیمری پوشش داده شود تشكیل شده است. همچنین شكل ذرات نانو بیولوژیك می تواند به صورت یك ریز ذره پوشش داده شده با یك غشا و یا لایه از مواد موثر وجود داشته باشد. ذرات به صورت كروی، استوانه ای، دیسك مانند و یا فرم های دیگری می تواند باشد.در مواردی كه میزان نفوذ به درون لایه و غشای خاصی مطرح باشد، سایز ذره و یا نوع توزیع ذرات نیز می بایستی متناسب با جنبه كاربردی آن باشد. زمانی كه كنترل اندازه ذرات توسط روش های دقیقی مانند روش quantum- sized effects می بایستی اندازه گیری شود، سایز ذرات و نوع توزیع اندازه ذرات آن بسیار مهم خواهد بود. به طوری كه كنترل معدل اندازه ذرات مناسب و توزیع بسیار نزدیك به هم سایز ذرات سبب نشر نور فلورسانس در یك باند باریك و بسیار قوی و حاصل جذب طول موج های مختلف در پهنه وسیع تری از انواع طول موج ها می شود. این نوع توزیع مناسب و یكنواختی اندازه ذرات در تشخیص بیوماركرها از طریق ایجاد رنگ های مشخص كمك می كند. در هر صورت هسته ذرات نانو می تواند از لایه های مختلفی تشكیل شود و لایه های دارای خواص مغناطیسی و Luminescent كه هر دو در ردیابی و تشخیص ذرات نانو كاربرد دارند به كار برده شوند. غالباً هسته ذرات نانو توسط پوشش های تك لایه ای از مواد غیر فعالی مانند سیلیكا پوشش داده می شوند. مواد آلی مختلفی را می توان روی این سطوح سیلیكایی سوار نمود، همچنین می توان با نشاندن سایر مواد زیست سازگار بر روی این سطوح آنها را به منظور خاص اصلاح ساختاری نمود. در هر صورت نشاندن و سوار كردن سایر Linker ها در این موارد متداول است. در حال حاضر گروه های مختلفی از مواد وجود دارند كه بر روی سطح نانو- ذرات قابل سوار شدن هستند. آنتی بادی ها، مواد فلوروژنیك و سایر تركیبات زیست سازگار از این قبیل هستند.• نوآوری های جدید «مهندسی بافت»
جدار طبیعی استخوان ها دارای ضخامتی به میزان ۱۰۰ نامتر است. اگر سطح یك ایمپلنت استخوان مصنوعی صاف و یكنواخت باشد، بدن آن را بعد از پیوند پس می زند و نمی پذیرد. لذا سعی می شود تا سطح نرم و صاف ایمپلنت استخوان های مصنوعی طوری همگون با فضای مجوف بافت طبیعی تهیه شود. این نوع طراحی سبب تماس كمتر بافت ایمپلنت با بافت اصلی بدن می گردد و لذا احتمال نپذیرفتن پیوند كاهش می یابد. در جراحی ها و استفاده از پروتز زانو و لگن نشان داده شده است كه با ایجاد ناهمواری هایی در ابعاد نانو در سطح ایمپلنت امكان ایجاد حالت تحریك استئوبلاست ها و یا پس زدن پروتز كاملاً كاهش می یابد. استئوبلاست ها سلول های استخوان مسئول رشد و نمو استخوان ها هستند. این اثرات با به كار بردن مواد بیوپلیمری، سرامیكی و مواد فلزی مورد تجربه واقع شده است. در آزمایشگاه توانسته اند بیش از ۹۰ درصد سلول های استخوانی انسان را با مواد فلزی نانو همراه نمایند. اما در عمل نمی توان بیش از ۵۰ درصد سلول ها را با مواد نانو همراه نمود. این یافته ها سبب خواهد شد تا در اعمال جراحی تعویض زانو و استخوان لگن از ایمپلنت های با طول اثر بیشتر و ماندگاری بالاتر استفاده شود. تیتانیوم یك ماده كاملاً شناخته شده ای است كه در ارتوپدی و دندانپزشكی كاربرد دارد. این ماده به علت سبك بودن با قابلیت مقاومت بالایی كه در برابر شكستگی دارد برای سوار شدن روی استخوان ها مناسب است. اما متاسفانه معایبی نیز دارد.در عوض آپاتیت ماده ای است كه كاملاً بیواكتیو است و به استخوان نیز به راحتی متصل می شود. لذا در گذشته تلاش ها و تكنیك های زیادی برای پوشش دادن تیتانیوم با آپاتیت انجام شده است. البته این نوع مواد حاصل از پوشش دادن ها نیز خود از عدم مزیت هایی مانند عدم ضخامت یكنواخت پوشش آن و عدم مقاومت در برابر شكستگی ها برخوردار است .ساختار متخلخل و مجوف پروتز ها برای انتقال مواد لازم برای رشد سلول ها ضروری به نظر می رسد، استخوان به طور طبیعی یك ماده نانوكامپوزیتی است كه از كریستال های هیدروكسی آپاتیت درون یك ماتریكس آلی و سرشار از كلاژن تشكیل شده است. خوشبختانه جنس استخوان طوری است كه در واقع محكم و دارای خواص پلاستیك است و این امر سبب می شود تا در صدمات مكانیكی قابلیت ترمیم را داشته باشد. هنوز مكانیسم دقیق عملكرد نانومواد كه دقیقاً شبیه استخوان عمل نمایند به طور مشخص روشن نیست. نوعی مواد تلفیق شده ذرات سرامیكی و پلی متیل متاآكریلات به صورت كوپلیمر ارائه شده است. به طوری كه توانسته اند از این ماده یك حالت رفتاری ویسكوالاستیك شبیه دندان های طبیعی انسان را ببینند. با استفاده از این ماده توانسته اند مقاومت روكش های دندانی را در برابر ساییدگی و گرما افزایش دهند.
• درمان سرطان
روش درمان فتودینامیك سرطان بر مبنای نابود كردن سلول های سرطانی و بر مبنای تولید اكسیژن های اتمی كه سیتوتوكسیك است انجام می شود، سلول های سرطانی رنگ های حاوی مواد تولید كننده اكسیژن های اتمی را نسبت به سلول های سالم بیشتر برداشت می كنند. لذا سلول های سرطانی فقط در معرض تابش اشعه لیزر قرار خواهند گرفت. اما مقادیر باقی مانده از رنگ های درمانی تولید كننده اتم های اكسیژن فعال متاسفانه به سطح پوست و چشم ها رسیده و سبب می شوند تا بیماران نسبت به در معرض قرار گرفتن در مقابل نور حساسیت نشان بدهند. به منظور جلوگیری از این عارضه ناخواسته مولكول های رنگ اصلاح شده و با خواص آب گریزی بیشتر به درون نانوذرات متخلخل قرار داده می شوند. به این ترتیب رنگ درون ذرات نانو باقی می ماند و مانع از دسترس قرار گرفتن در سطح سلول ها می شود. اما خاصیت تولید اتم اكسیژن آن ثابت باقی می ماند. لذا با تابش اشعه لیزر اتم های اكسیژن تولید شده شروع به خروج از محفظه های یك نانومتری ذرات نانو می نمایند.• سیستم كد رنگ های مجزا برای تشخیص های بیولوژیك
با پیشرفت هایی كه در زمینه ژنومیكس و پروتئومیكس صورت گرفته هر روز به تعداد ژن هایی كه كشف می شوند افزوده می شود. لذا نیاز به سرعت در تشخیص افزایش می یابد. زمانی كه تعداد آزمایشات بر مبنای عوامل تاثیر گذار متجاوز از هزاران فاكتور باشد، سرعت تشخیص می بایستی از فناوری های پیشرفته دارای سرعت عمل زیاد برخوردار باشد. به كمك سیستم باركد ذرات محلول پلیمری و بر مبنای روش های سه بعدی نورسنجی شاید بتوان با كمك عوامل مشخص برخی از ردیابی ها را انجام داد. به كمك نقطه هایی كوانتومی (quantum dots) مربوط به تركیبات نیمه هادی ها اخیراً ردیابی جدیدی به جای رنگ سنجی انجام شده كه اصطلاحاً به نام كاربرد برچسب های بیولوژیك boi-tagging نامیده می شود. این تكنیك با یك گام بالاتر تلفیقی از اندازه ذرات متفاوت و نقاط كوانتومی دارای فلورسانس مشخص را با هم در نانوذرات پلیمری به خدمت گرفته است. در این روش شش نوع رنگ و با ۱۰ شدت متفاوت به دست می آید و از مقایسه آنها با نقاط كوانتومی شاهد می توان به خواص مواد پی برد.
• كاربرد مولكول های زیستی در سلو ل ها
اخیراً نانوذرات مغناطیسی كاربرد های جالبی در زمینه جداسازی سلول ها و تشخیص آنها یافته اند. اكثر ذرات مغناطیسی نانو كه به این منظور تهیه شده اند كروی شكل هستند. در مقابل ذرات مستطیل شكل را نیز می توان به كمك نانوذرات و آلومینا تهیه كرد. با درك بیشتر از شیمی سطوح در مورد اتصال برقرار كردن ذرات فلزی می توان آنها را بر روی عوامل مختلف مستقر كرد. به طور مثال پورفیرین ها را می توان به كمك اتصال دهنده های دارای گروه تیول و یا كربوكسی با فلزاتی مانند نیكل و یا طلا متصل كرد.
به این ترتیب می توان رشته سیم های مغناطیسی حاوی نانو ذرات كه خواص فلورسانس داشته باشند را تهیه كرد. به علت كوچك بودن سطح این نانو ذرات قدرت میدان مغناطیسی آنها بسیار بالا خواهد بود. بنابراین با اعمال میدان مغناطیسی بسیار ضعیفی آنها را می توان به حركت درآورد. به طوری كه نشان داده شده است جهت و حركت این رشته های مغناطیسی نانو را می توان به كمك كمترین میدان مغناطیسی تغییر داد. با این فرایند شاید بتوان شكل سلول ها را تغییر داد.
• ردیابی پروتئین ها
پروتئین ها بخش مهمی از ساختار سلول هستند و دریافت نحوه عملكرد آنها برای بشر بسیار مهم است. نانوذرات طلا به طور گسترده ای برای شناسایی تداخل پروتئین- پروتئین مهم است.روش های موجود برای دنبال كردن ساختارهای پروتئین زیاد نیستند. روش اسپكتروسكوپی رامان برای ردیابی پروتئین ها یك روش متداول است. با به كارگیری هر دو روش با هم شاید بتوان ردیابی پروتئین ها را با دقت بیشتری انجام داد. در حال حاضر با فناوری نانوذراتی از طلا به ابعاد ۱۳ نانومتر و با روكش اولیگونوكلئوتیدی تهیه شده اند كه قابلیت ردیابی را دارند. اگر این ذرات در مجاورت نقره و هیدروكینون قرار گیرند قابلیت آن را خواهند یافت تا در ردیابی توسط میكروسكوپ رامان مشاهده شوند. قطع نظر از قدرت تشخیص برخی از مولكول های كوچك چنانچه این ذرات با آنتی بادی های اختصاصی نیز همراه باشند قابلیت اتصال به پروتئین های اختصاصی را خواهند یافت.
• كشفیات قابل دسترس و آینده
برخی از شركت ها یافته های خود را در زمینه نانوفناوری در دسترس دیگران قرار داده اند. اغلب این شركت ها نانوفناوری را به منظور دارورسانی نوین برای داروها استفاده می كنند. برخی از آنها نانوكریستال های نیمه هادی را برای تهیه برچسب های بیومولكولی استفاده كرده و برخی احیاناً برای تهیه متصل شونده های بیولوژیك به همراه نانوذرات طلا برای مشخص كردن اجزای سلولی تلاش كرده اند. تعدادی از شركت ها نیز در تهیه بیومواد نانوسرامیكی برای مهندسی بافت و یا تهیه پروتزهای ارتوپدی فعالیت می كنند. اغلب شركت های دارویی در زمینه دارورسانی نوین و تهیه فرمولاسیون هایی از نانوذرات تلاش كرده اند. نقره كلوئیدی به طور گسترده در تهیه عوامل ضدمیكروبی در فرمولاسیون ها همراه پوشش ها استفاده شده است. همچنین ذرات تیتان نیز كه توسط تابش خودبه خودی آن و یا تاثیر تابش ماورای بنفش فعال شوند به منظور استفاده از اثر ضدمیكروبی آنها در فیلترها استفاده شده است. علاوه بر این از خواص سطوح فعال سرامیك های نانو و یا فلزاتی از قبیل پلاتین برای از بین بردن توكسین ها و یا مواد آلی كشنده دیگر استفاده شده است. در حال حاضر نقطه عطف توجه فناوری نانو در علوم زیستی بیشتر در زمینه دارورسانی است. همچنین توجه خاصی به همراه كردن داروها با برخی از نانوپروب ها به منظور دارورسانی ضدسرطان علیه تومورها و یا نابودسازی آنها وجود داشته است. به نظر می رسد كه تلاش های آتی برای هدایت از راه دور فعال سازی نانو مواد توسط برخی از روش های سیگنالینگ برای تهیه نانو وسیله ها جهت گیری شده باشد.
*دانشیار دانشكده داروسازی دانشگاه تهران

منبع : روزنامه شرق