پتانسیل کاربرد نانوذرات مغناطیسی در بافت های زنده

نانوذرات مغناطیسی برای انتقال دارو درکاربردهای عملی بسیار مورد توجه هستند این نانوذرات زیست سازگار که قابلیت حرکت به سمت یک آهن ربا را دارند, به عنوان عوامل هایی انتقال دهنده دارو مورد مطالعه هستند

نانوذرات مغناطیسی برای انتقال دارو درکاربردهای عملی بسیار مورد توجه هستند. این نانوذرات زیست‌سازگار که قابلیت حرکت به سمت یک آهن‌ربا را دارند، به عنوان عوامل‌هایی انتقال دهنده دارو مورد مطالعه هستند. ردیابی سلول‌ها به کمک نانوذرات مغناطیسی قابل رؤیت با MRI، راه جدیدی را برای مشاهده تجربی درمان‌های سلولی ارائه می‌دهد. به هر حال نیاز نیست که همه این ذرات با دوز یکسانی پر شوند. در واقع یافتن نانوذرات مناسب برای کاربردهای خاص می‌تواند پتانسیل‌های این نانوحامل‌ها را آشکار کند.

تا امروز اکسید آهن به دلیل پایداری شیمیایی و تطبیق‌پذیری بیولوژیکی و نیز فرایند تولید نسبتاً ساده نانوذرات مگنتیت (Fe۳O۴) و ماگمیت، (۹۴۷;-Fe۲O۳) پزشکی بیشترین توجه را به خود جلب کرده است.

مخلوط‌هایی از این دو نانوذره را می‌توان از طریق رسوب‌دهی آلکالاین‌ها از نمک‌های یون‌های آهن (Fe۲+,Fe۳+)، طی یک فرایند تک‌مرحله‌ای سنتز کرد. این فرایند عموماً در یک محلول آبی از ماکرومولکول‌های خاص انجام می‌گیرد. ماکرومولکول‌ها؛ فرایند رشد هسته‌های ذرات مغناطیسی را از طریق ایجاد پوششی که قابلیت کنترل پراکندگی و به هم چسبیدن ذرات را دارد، کنترل می‌کنند. تست‌های عملی نشان می‌دهد که بازیابی ترکیبات اکسید آهن از چنین مخلوط‌هایی به طور طبیعی و منظم امکان پذیر است. ترکیبات بدن انسان از قبیل پروتئین‌ها، فریتین‌ها، هموسیدرین‌ها، ترنسفریتین و هموگلوبین حاوی سه تا چهار گرم آهن هستند.

هنگامی که نانوذرات مغناطیسی درون بدن، شروع به تجزیه شدن می‌کنندآهن‌های قابل حل وارد مخازن آهن موجود در بدن شده و در آنجا میزان آهن را تنظیم می‌کنند. دوز‌های پزشکی برای بدن احتمالاً از چند میلی‌گرم کمتر است، این در حالی است که احتمال بالاتر بودن این دوز از این حد تقریبا محال می‌نماید.

ذرات نانومتری Fe۳O۴ و - Fe۲O۳ ، در دمای اتاق رفتاری اَبَرپارامغناطیسی از خود نشان می‌دهند. به عبارت دیگر، آنها تحت یک میدان مغناطیسی تا حد زیادی مغناطیده می‌شوند که این مغناطش دائمی نیست و با حذف میدان از بین می‌رود. به کمک این رفتار مغناطیسی نانوذرات اکسید آهن از طریق حمل عوامل‌های درمانی و تحت اعمال یک میدان مغناطیسی می‌توانند توانایی دارورسانی را بدون انحراف مسیر در بدن اصلاح کنند. سوئیچ on/off در این سیستم به معنای بعید بودن احتمال چسبیدن ذرات به یکدیگر در حین فرایند ساخت بوده ویا اینکه این ذرات پس از حذف میدان مغناطیسی به راحتی قابل پراکندگی باشند.

استفاده از نانوذرات مغناطیسی که می‌توانند به دارورسانی کمک کنند، هنوز فاصله زیادی تا مراحل عملی دارد. با این وجود استفاده عملی از ترکیبات Fe۲O۳- /Fe۳O۴ فقط به استفاده از آنها به عنوان عوامل‌های مورد استفاده در تصویربرداری MRI منحصر می‌شود. این عوامل‌ها با تغییر در آهنگ هم‌جهت شدن پروتون‌های آب با میدان مغناطیسی اعمال شده (این میدان از طریق پالس‌هایی با فرکانس رادیوییRF ایجاد می‌گردند به فرایند تصویر برداری کمک می‌کنند. این عوامل‌ها (ذرات اکسید آهن) بر روی زمان تضعیف عرضی (transverse relaxation time) یا همان فرسایشT۲ تأثیر می‌گذارند؛ این امر منجر به ایجاد کنتراست منفی یا نقاط تاریک‌ بر روی تصاویر باردار شده T۲- در MRI می‌گردد. آنها همچنین بر روی تضعیف طولی یا فرسایش T۱ نیز اثر ضعیفی دارند.

این عوامل‌ اگر ذرات مجزای بزرگ‌تر از ۵۰ نانومتر باشند، به صورت اکسید‌های آهن ابر پارامغناطیس (SPIO) رفتار می‌کنند و اگر دارای قطری کوچک‌تر از ۵۰ نانومتر باشند، ذرات اکسید آهن ابرپارامغناطیس فوق ریز هستند (USPIO) . عوامل‌های SPIO بیشتر در تصویربرداری ارگان‌های وابسته به سیستم‌های رتیکولواندوتلیال استفاده می‌شوند؛ در حالی که عوامل‌های کوچک‌تر (USPIO) به خاطر تمایل به جمع شدن در گره‌های لنفاوی، برای تصویربرداری سیستم‌های لنفاتیکی مناسب هستند. با این وجود می‌توان گفت که ذرات اکسید آهن می‌توانند توانایی تصویربرداری بر پایه MR در سیستم‌های سلولی را توسعه دهند.

این کاربرد عملی نوظهور، حوزه کاربرد ابزارهای MRI در تصویربرداری‌های پیشرفته از رفتار‌های سلولی را توسعه می‌دهد.

به عنوان مثال محققان دانشکده داروسازی دانشگاه جونز هاپکینز در بالتی مور، در حال بررسی قوانین موجود در تصویربرداری SPIO با استفاده از سلول‌های دندریتی در محیط بافت‌های بدن هستند. سلول‌های دندریتی بالغ در صورت همراه شدن با آنتی‌ژن یک تومور خاص، می‌توانند در گره‌های لنفاوی عکس العمل حفاظتی ایجاد کنند. به این دلیل این امید است بتوان از آنها به عنوان واکسن سرطان استفاده شوند. تا به امروز آزمایش چنین واکسن‌هایی ناامیدکننده بوده است.

محققان دانشگاه Nijmegen هلند در یک کار گروهی نشان داده‌اند که سلول‌ها لزوماً عامل اصلی سرطان نیستند. تصویربرداری MRI در هشت فرد مبتلاً به نوعی سرطان پوستی (melanoma) به کمک سلول‌های دندریتی نشان‌دار شده با SPIO، مشکلاتی در زمینه روش تزریق اولیه تحت هدایت اولترسونیکی را آشکارساخت. گروه دانشگاهی جونز هاپکینز تصمیم دارند این مشاهدات را تکرار کنند. این فرایند از طریق MR هدایت شده انجام گرفته و با تزریق سلول‌های نشان‌دار شده با SPIO نیز آغاز می‌گردد. آنها از SPIO برای نشان‌دار کردن و ردیابی سلول‌های مغز استخوان سگ و تزریق به داخل بافت قلب استفاده نموده‌اند.

جف بالت، استاد رادیولوژی در جان هاپکینز، می‌گوید: "کسب اطمینان از انتقال صحیح سلول‌ها در همه این درمان‌ها ضروری است، این کار از طریق مشاهده همزمان تزریق هدفمند‌شده در MRI قابل انجام است.

● بیشینه‌سازی مغناطش

آیا نانوذرات اکسید آهن بهترین مواد برای ردیابی سلول‌ها درMR هدایت‌شده هستند؟ به عقیده Taeghwan Hyeon، مدیر تحقیقات ملی سرطان و مواد نانوبلوری اکسیدی در دانشگاه ملی سئول کره، پاسخ این سوال منفی است؛ زیرا کنتراست منفی نانوذرات اکسیدی گاهی اوقات به پس‌زمینه که تا حد زیادی به خود زمینه نزدیک است گسترش یافته، منجر به ایجاد بی‌نظمی‌هایی در تصویر پس‌زمینه یا آرتیفکت‌های شکوفه‌ای شکل بزرگی می‌شود که ساختمان‌های آناتومیک مجاور را تحت تأثیر قرار می‌دهد و این مسئله می‌تواند مانعی بزرگ در استفاده از ذرات SPIO در ردیابی سلول‌های بدن یا سلول‌های پیوندی باشد، زیرا در این موارد مکان دقیق و گسترش سلول‌ها در بدن از عوامل مهم محسوب می‌شود.

به همین دلیل هنوز در مورد مناسب بودن استفاده از Fe۳O۴و Fe۲O۳- ۹۴۷; در دارورسانی هدفمند مغناطیسی تردید‌هایی وجود دارد.

رفتارهای نانوذرات اکسیدی در میدان مغناطیسی خارجی می‌تواند به افزایش موارد استفاده از آنها در تصویربرداری‌ کمک کند؛ اما آیا واقعاً می‌توان با استفاده از این ویژگی آنها را به‌وسیله نیرو‌های مغناطیسی در بدن جابه‌جا کرد ؟ به نظر Jian-pingWang، استاد مرکز میکرومغناطیس دانشگاه مینسوتا، پاسخ این سوال احتمالاً منفی است، زیرا اشباع مغناطیسی و در نتیجه گشتاور مغناطیسی در واحد حجم نانوذرات SPIO بسیار پایین است. (میزان جذب میدان مغناطیسی پایین خواهد بود.)

بی‌شک افزایش اندازه ذرات به جذب بیشتر میدان مغناطیسی خارجی کمک می‌کند؛ اما افزایش بیش از اندازه ذرات SPIO می‌تواند باعث افزایش احتمال انسداد عروقی شود و خروج این ذرات از بدن را تسریع می‌بخشد. ولی در مقابل، ذرات کوچک‌تر، سطح ویژه نسبتاً بیشتری برای جذب دارند و همین امر میزان حامل‌های مغناطیسی لازم برای دوز مشخصی از دارو را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، حامل‌های مغناطیسی احتمالاً راندمان بالاتری در جذب سلولی خواهند داشت، لذا این سؤال مطرح است که چه ماده‌ای در این مسیر مناسب‌تر است ؟

یک راه استفاده از نانوذرات فلزات واسطه است مثل آهن خالص، کبالت و یا ترکیبات و آلیاژهای آنها مثل FeCo است؛ این دسته از نانوذرات فلزی در مقایسه با اکسید آهن، تمایل بیشتری به حفظ گشتاور مغناطیسی و جذب میدان مغناطیسی دارند، (به عنوان مثال اشباع مغناطیسی FeCo به طور چشمگیری بالاست. استفاده از جرم مشابهی از این حامل‌ها در مقایسه با حامل‌های دیگر می‌تواند نیروی پیشران قوی‌ای را ایجاد کرده، و باعث بالارفتن راندمان فرایند دارورسانی ‌شود. در عین حال برای داشتن اثری یکسان از یک میدان مغناطیسی مشخص می‌توان از غلظت کمتر یا ذرات کوچک‌تر از این حامل‌ها استفاده نمود. وانگ می‌گوید: "این مواد می‌توانند استفاده از نانوذرات فوق ریز (شاید کوچک‌تر از پنج یا ده‌ نانومتر) را برای رساندن مولکو ل‌های بسیار کوچک یا حتی قسمتی از DNA ممکن سازند".

به هر حال این دسته از مواد مشکلات خاص خود را دارند به عنوان مثال، سنتز پایدار و تک‌سایز بودن این دسته از نانوذرات فلزی (فلزات واسطه که برای استفاده در محیط‌های آبی نیز مناسب هستند)، با توجه به فعالیتشان چندان ساده به نظر نمی‌رسد. نانوذرات این فلزات در دمای اتاق فرومغناطیس هستند، به این معنی که این مواد با یک بار مغناطیده شدن به طور دائمی و حتی بدون حضور میدان، حالت مغناطیسی خود را حفظ می‌کنند و همین امر باعث افزایش احتمال جذب آنها به یکدیگر می‌شود، این در حالی است که اکسیدهای آهن در حالت قبلی ابرپارامغناطیس بودند.

برخی از محققان در حال جستجو برای یافتن پوششی مناسب برای جلوگیری از جذب و یکی شدن ذرات و همچنین حفظ پایداری شیمیایی آنها هستند، در این مسیر فلزات بی‌اثر مثل طلا، نقره، سیلیکا و لیگاندهای کلاهکی پپتید بسیار مورد توجه هستند. محققان انستیتو علوم نانو (INA) و انستیتو مهندسی مواد Aragone (ICMA) دانشگاه زاراگوزای اسپانیا، در حال بررسی کربن به عنوان گزینه احتمالی برای پوشش مورد نظر نانوذرات فلزات واسطه و تهیه نانوذرات Fe@C به روش تخلیه قوس الکتریکی هستند؛ این روش مشابه فرایند مورد استفاده در تولید نانولوله‌های کربنی و فولرین‌هاست.

تبخیر همزمان آهن و گرافیت در پلاسمای آرگون منجر به تولید ذرات آهن و اکسید آهن پوشیده از مخلوط کربنی با ابعاد متوسط ۲۰۰ نانومتر می‌شود .

تست‌های عملی هماتولوژیکی مقدماتی بر روی نمونه‌های خون انسان و خرگوش‌ها نشان داده که ذرات پوشیده شده با کربن که برای انتقال دارو در شیمی‌درمانی به روش‌های مغناطیسی استفاده می‌شوند، سازگاری زیستی مناسبی با محیط دارند. تخلخل و سطح ویژه بالای این دسته از پوشش‌های معدنی، سرعت جذب سطحی عوامل‌های درمانی را افزایش می‌دهد و تا حد زیادی باعث کاهش سرعت تجزیه سطحی مولکول‌های دارویی می‌شود.

---