نانو تکنولوژي در پزشکي (1)

1.مقدمه

مقاله ي حاضر گوشه اي از کاربرد نانو تکنولوژي در پزشکي است. اين مقاله سعي دارد فرصت هاي تحقيقاتي در زمينه نانو تکنولوژي در داروها را بيان کند. البته اين نکته بايد فراموش نشود که اکثر نانو داروها در مراحل اوليه ي کاربرد هستند و بايد موانع بسياري از سر راه آنها برداشته شود که اين کار ممکن است سال ها و يا چند دهه زمان ببرد.

2. نانو داروها

2. 1. تعريف نانو تکنولوژي

اگر چه تعاريف بسياري از نانو تکنولوژي موجود است ولي يکي از اين تعاريف متداول تر است .اين تعريف بوسيله ي انستيتوي نانو تکنولوژي اين گونه تعريف مي شود:
«تحقيق و توسعه ي تکنولوژي در سطح اتم، ملکول و ملکول هاي غول آسا(Macromolecular Level) در مقياس طولي 100-1 نانومتر. که اين تحقيقات و توسعه هاي تکنولوژيک باعث مهيا شدن اطلاعات در زمينه ي پديده ها و مواد در مقياس نانو مي گردد. و ساختار ها و سيستم هايي بواسطه ي آن توليد مي شود که خواصي بسيار خوب و کاربردي دارند . اين خواص بسيار خوب و کاربردي بواسطه ي اندازه ي کوچک اين ساختارها و سيستم ها حاصل مي گردد.»
به طور ساده تر بايدگفت: که نانو تکنولوژي دنياي در مقياس نانو( يک ميليونيوم متر) است. اين مقياس بسيار کوچکتر از مقياس هاي معمولي است. اين دنيا، دنياي ميان ماکرومتر و پيکومتر(يک ميليارديوم متر) است.
براي اینکه تجسم بهتري از مقياس نانو پيدا کنيد بعضي از مقياس هاي مورد توجه براي نانومواد در زير آورده شده است:
نانو ذره ها ....................................................1-100 nm
فلرن (c60) ....................................................... 1 nm
کوانتوم دات (cdse) ....................................... 8 nm
ساختارهاي دندريتي ..................................... 10 nm
در زیر برخي مواد در مقياس نانو که در طبيعت وجود دارد آورده شده است.
اتم ...................................................................... o.1nm
DNA(عرض) ................................................... 2 nm
پروتئين ........................................................ 5- 50 nm
ويروس ها ............................................... 75-100 nm
مواد داخل سلولي ...................................< 100 nm
باکتريها ....................................... 1000- 10000 nm
گلبول سفيد خون ..................................... 10000 nm
قلمروي اندازه ي اجزاي مورد مطالعه در نانو تکنولوژي مانند اندازه ي ساختارهاي بيولوژيکي هستند. براي مثال ، کوانتوم دات(quontdm dot) به اندازه ي يک پروتئين کوچک (10nm >) است. و ساختارهاي حامل دارو(drug- carrging nano – structure) اندازه اي تقريباً برابر با يک ويروس (nm 100>) دارند. به خاطر شباهت در اندازه ي محصولات و سيستم هاي نانويي با ساختارهاي بيولوژيکي ، نانو تکنولوژي در تحقيقات سلامت استفاده ي روز افزوني پيدا کرده است. براي مثال نانو ساختارهاي هيبرپلاي که مي توانند آسيب هاي وارده به سيستم هاي بيولوژيکي را احساس کرده و آنها را برطرف کنند. (کاري که سلولهاي سفيد خون نيز انجام مي دهند) که اين ساختارها بوسيله ي نانو تکنولوژي بررسي مي گردد.
نانو کوچک کردن سلسله وار مواد از حالت ماکرواست .به هر حال به دليل آنکه تعدادي از قوانين علمي در مقياس نانوغالب مي شوند، نانو مواد مي توانند داراي خواصي بسيار متفاوت نسبت به مواد بالک داشته باشند. اين خواص باعث توليد موادي مي شوند که محکم تر، رساناتر هستند و يا خواص سوپر پارامغناطيس ، خواص نوري قابل تنظيم، تخلخل بيشتر، عايق الکتريکي بهتر و خوردگي کمتري دارند. نانو مواد پتانسيل حل مشکلات در زمينه بيولوژيکي را که امروزه لاينحل است، دارند . به عنوان مثال نانو مواد غير آلي تغييرات الکتريکي بوجود آمده در ملکولهاي بيولوژيکي را آشکار سازي مي کنند و بگونه اي عمل مي کنند که بيماريها شناسايي و درمان شوند.
وسايل و سيستم هاي کوچک مي توانند با کار در مقياس ميکرو و نانو باعث بهبود جهت دار وضعيت درمان گردند. اين کار باعث افزايش عملکرد رشته هاي DNAگشته که زمان کشف دارو وتشخيص را کاهش مي دهد.مثال ديگر سيستم هاي مايع بسيار کوچک است که در هنگام عبور آنها از ميان لوله هاي ميکرويي و نانويي ايجاد جريان آرام مي کند.در واقع برخورد شيميايي موثرتر ميان اين سيستم ها و جداره ها باعث جلوگيري از ايجاد شدن جريان هاي گردابي و تلاطمي مي گردد.

2. 2. بخش هاي نانو تکنولوژي

نانو تکنولوژي را مي توان به عنوان يک سري از تکنيک ها ديد که يا به صورت انفرادي استفاده مي شود و يا با محصولات و کاربردهاي ديگر ترکيب گشته و باعث بهبود آنها گشته است. برخي از اين تکنيک ها امروزه وجود دارند و برخي ديگر در مراحل توسعه هستند و ممکن است در سال ها و يا دهه هاي آينده براي ما مفيد باشند.
نانو تکنولوژي را مي توان بر اساس موارد زير تقسيم بندي کرد.
الف) ابزارها (tools)
ب)مواد (materials)
ج)وسايل (devices)
د) مواد و ماشين هاي هوشمند(intelligent materials and machines)
در زير توضيحات کوتاهي در مورد هر يک از بخش هاي اشاره شده در بالا داده شده است:

الف) ابزارها (tools)

ابزارهاي نانو تکنولوژي شامل تکنيک هاي ميکروسکوپيک و وسايل است که به استفاده کنندگان اجازه مي دهد تا بخش هاي در مقياس نانويي را تجسم و اداره کنند. اين بخش هاي نانويي مانند سلولها، باکتريها و ويروس ها هستند .همچنين اين وسايل باعث مي شوند تا تجمعات مولکولي در دنياي طبيعي بهتر شناسايي گردند. ابزارهاي مورد استفاده شامل ميکروسکوپ نيروي اتمي(AFM)، ميکروسکوپ تونلي- روبشي (STM)، نرم افزارهاي مدل سازي ملکولي و تکنو لوژيهاي توليد ويروس مي شود.

ب) مواد (Materials)

نانو مواد را مي توان به سه گروه تقسيم بندي کرد
- نانو مواد خام (raw nanomaterials)
اين بخش شامل نانو ذرات(nanoparticle) و مواد نانو کريستالي(nanocrystalline materials) مي شود .اين مواد به آساني تولید مي شوند.اين نانو مواد مي توانند جايگزين مواد بالک با عملکرد ضعيف گردند. نانو مواد خام را مي توان به عنوان مواد زيست سازگار (Biocompatible) و يا پوشش هاي محافظ دارو (drug encapsulation) ، جايگزين هاي استخواني(bone replacements)، پروتزها و امپلنت ها استفاده کرد.
- مواد نانو ساختار(nano structured materials)
اين مواد که حالتهاي پيشرفته اي از نانو مواد خام هستند داراي اشکال و عملکرد خاصي مي باشند. مثال هايي از مواد نانو ساختار عبارتند از کوانتوم دات ها (نانو ساختارهايي است که اتم ها را مجبور مي کنند در حالتهاي انرژي ناپيوسته قرار گيردند. اين نانو ساختارها در نشانه گذاري بيولوژيک کاربرد دارند) و دندريمرها(dendrimers) پليمرهاي شاخه دار که براي دارو رساني، فيلتراسيون و نشانه گذاري شيميايي کاربرد دارند.)
به دليل پيچيدگي ايجادي در زمينه ي نانو ساختارها ،محصولات متنوعي ايجاد گشته است که اين پيشرفت قبل از توسعه ي کاربردهاي آنها اتفاق افتاده است.
- نانوتیوپ ها و فلرن ها(nanotubes and fullerenes)
اين مواد اولين مواد شگفت انگيز در نانو تکنولوژي هستند. اين مواد فرم هاي جديد مولکولهاي کربني که استحکام آنها صد برابر فولاد و وزنشان يک ششم فولاد است. اين مواد از مس رساناتر هستند و بدون هيچ مشکلي مي توان آنها را در کاربردهاي پزشکي استفاده کرد. در حالي که تحقيقات در زمينه ي اين مواد هنوز در مراحل اوليه ي توسعه هستند . گستره ي وسيعي از نانو تيوپ ها و فلرن ها در کاربردهايي مانند ماهيچه هاي مصنوعي(muscles artificial) ، سوزن هاي تزريق براي سلولهاي منفرد( needles for individual cells injection) و سيستم هاي انتقال دارو(drug delivery systems استفاده مي شوند.

ج) وسايل (dervices )

دو نوع از وسايل کوچک که با نانو تکنولوژي پيوند خورده است عبارتند از :
- وسايل نانويي(nano dervices)
اين وسايل ابزار آلات فني هستند که ابعادشان در مقياس نانو است .در حالي که وسايل نانويي به آساني درآزمايشگاه ساخته مي شوند .اما در اکثر مواد راه حل مناسب استفاده از وسايل در مقياس ميکرومتر است و با استفاده از وسايل در مقياس ميکرومتر از بسياري از مشکلات جلوگيري مي گردد به عنوان یک نتيجه احتمال زيادي وجود دارد که وسايل نانويي در کار بردهاي آينده استفاده شوند.
- وسايل ميکروبي(micro device)
اين وسايل شامل سيستم هاي ميکرو الکترو مکانيکي(MEMS)، ميکروسيال ها(fluidics micro) و ميکرو آرايش ها(microarrays) مي شوند. اين ميکرو تکنولوژي ها کاربردهاي پزشکي متنوعي دارند. براي مثال اين سيستم ها در سنسورهاي بيولوژيک(Bio sensors) و آشکار سازهاي مورد استفاده براي شناسايي مقادير کم باکتري ها، عوامل بيماري زا، اثرات بيماري ها، ميکروسيال هاي لب اون اِ چيپ (Lab –on –a achip) براي آزمون هاي DNA و سيستم هاي تزريق مايعات و وسايل داراي سيستم هاي ميکرو الکترو مکانيکي( اين وسايل داراي بخش هاي متحرکي هستند که در وسايل جراحي و قطعات جايگزين قلب کار برد دارد).

د) مواد و وسايل هوشمند

اين بخش يکي از بخش هاي جالب در زمينه ي نانو تکنولوژي است که شامل شکل هاي تحقيقاتي زيادي است. زمينه هاي گسترده اي مانند روباتهاي کوچک (نانوربات ها(nanorobots) يا نانو بوت ها (nanobots) ناميده مي شود وجود دارد. که تصور مي شود با آنها بتوان عفونت هاي بدن و سلولهاي ناسالم را بهبود داد. در واقع با تزريق اين نانو ربات ها به بدن بافت هاي آسيب ديده ترميم مي گردند.
پتانسيل هاي ديگر در زمينه ي کاربردهاي اين مواد عبارتند از مواد هوشمندي که مي توانند تحريکات خارجي را حس کرده و براي وفق گرفته با تغييرات محيطي خواصشان را دگرگون سازند، اين ها ماشين هاي ملکولي هستند که مي توانند مواد را اتم به اتم بسازند و مونتاژ کنندگان ملکولي اي هستند که مي توانند ماشين هاي ملکولي توليد کنند. در واقع اين مباحث تئوريک است و امروزه هنوز طرحي در اين زمينه به مرحله ي تجارتي نرسيده است.

2. 3. نانوداروها

در شکل 1 رده بندي نانو داروها به طور خلاصه بيان شده است. البته علاوه بر بيان اين رده بندي در مورد تک تک آنها نيز توضيحاتي بيان مي گردد.

برخي از بخش هاي نانو تکنولوژي هم اکنون در تحقيقات دارويي کاربرد دارد. امروز تنها بخشي کوچک از تحقيقات در زمينه ي نانو داروها در حال انجام مي باشد و تنها کمپاني هاي خاص و برخي از فعاليتهاي دولتي است که در زمينه ي نانو داروها در حال انجام مي باشد.

3. داروشناسي بيولوژيک(Biopharmaceutics)

3. 1. رسانش دارويي(Drug Delivery)

نانو تکنولوژي گستره ي وسيعي از تکنيک هاي جديد در زمينه ي رسانش دارويي را مهيا کرده است. مزيت اين روش ها بهينه سازي رسانش دارويي است.
براي اينکه درمان موثر باشد بايد از داروها در طي رسيدن به محل مورد نظر در بدن محافظت گردد. يعني بايد به گونه اي از دارو محافظت گردد تا خواص بيولوژيکي و شيميايي آن تغيير نکند.
برخي از داروها بسيار سمي هستند و مي توانند باعث ايجاد اثرات جانبي ناگواري گردند و اگر اين داروها در طي رسانش تجزيه گردند مي تواند اثرات درماني را کاهش دهند. زمان رسانش و چالش هاي پيش روي آن بسيار متفاوت است. در واقع با توجه به اينکه دارو در کجا جذب گردد( براي مثال روده ي بزرگ (colon) روده کوچک (small intestine)... و بر چه نوع مکانيزم دفاع طبيعي ، بايد غلبه گردد ، زمان دارو رساني و چالش هاي مربوط به آن تغيير مي کند.
سابقاً براي رسيدن يک دارو به محل مورد نظر، نياز بود تا دارو با يک سرعت معين در بدن آزادگردد تا مؤثر واقع شود. اگر دارو به سرعت آزاد مي شد ممکن نبود که به طور کامل جذب گردد و يا اين مساله ممکن بود باعث سوزش بخش هاي دستگاه گوارش مانند معده و روده شود. سيستم رسانش دارو بابد به طور مؤثر بر سرعت جذب، توزيع، متابوليسم و دفع دارو و ديگر مواد در بدن را تنظيم کند. به علاوه سيستم رسانش دارو بايد اجازه دهد تا دارو به گيرنده هاي هدفش بچسبد .و بر روي سيگنال هاي گيرنده تاثير گذاشته و پس از آن مانند ساير داروها عمل کرده و باعث بهبود بيماري مي گردد.
سيستم هاي رسانش دارو همچنين داراي محدوديت شديدي در نوع مواد مورد استفاده و روش هاي توليد دارد. موارد مورد استفاده در رسانش دارويي بايد با بدن سازگار باشند و به آساني به دارو متصل شوند و قابليت جذب دوباره ي زيستي (bioresorbable) داشته باشند. توليد بايد بگونه اي انتخاب شود که دارو از بين نرود و از لحاظ اقتصادي نيز به صرفه باشد.
نانو تکنولوژي مي تواند راه حل هاي رسانش دارويي جديدي ارائه کنند که عبارت اند از:
يکي از گروه هاي اصلي در سيستم هاي رسانش دارويي موادي هستند که داروها را در داخل خود حفظ مي کند. در واقع اين مواد به صورت کپسول درآمده و از داروها در طي عبور از بدن محافظت مي کنند. مواد مورد استفاده در دارو رساني کپسولي شامل ليپوسوم ها(Liposomes) و پليمرها (مانند پلي آکتيد ها – و لاکتید- کو- گليکوليد(Lactide- co – Glycolide) هستند که به عنوان ذرات در مقياس ميکروسکوبيک استفاده مي شوند. اين مواد به صورت کپسول در دور دارو ايجاد مي گردند و همين طور که دارو از ميان جداره ي کپسول نفوذ مي کند. زمان مناسب براي دارو رساني ايجاد مي گردد . همين طور که دارو ها از داخل کپسول آزاد مي گردد مواد کپسولي نيز فرسايش يافته و در بدن از ميان مي رود.
هنگامي که مواد کپسولي را از نانو ذرات با اندازه ي 100-1 نانومتر ساخته شود( به جاي اينکه از مواد با ذرات بزرگتر (ميکروذرات) استفاده شود، خواص متفاوتي ايجاد مي گردد. در واقع نانو ذرات سطح ويژه ي وسيع تر و اندازه ي تخلخل هاي کوچکتري دارند. و داراي خواص انحلالي بهتر و خواص ساختاري متفاوتي هستند .اين خواص موجب مي شود تا پديده ي نفوذ و خواص فرسايشي کپسول ها بهبود يابد.
علاوه بر ليپوسوم ها و پليمرها، انواع ديگري از نانوذرات براي سيستم هاي دارو رساني کپسولي استفاده مي شوند. موادي مانند سيليس (sid2)، کلسيم فسفات ( هيدورکسي آپاتيت) داراي خواص عالي در مقياس نانو هستند. که اين خواص بسيار بهتر از خواص آنها در مقياس ميکرو مي باشد. اين مواد به صورت بالقوه براي سيستم هاي دارو رساني بيان شده در بالا مناسب تر هستند.Advectus Life Science در حال توسعه ي يک سيستم رسانش دارو بر پايه ي نانو ذرات است. اين سازمان قصد دارد از اين سيستم براي درمان تومورهاي مغزي بهره گيرد .در اين سيستم داروي ضد تومور دوکسروبيسين
(doxorubicin) به نانوذرات پلي بوتيل سيانواکريلات (poly Butyl Cyano Acrybte) مي چسبند و با پلي سوربات 80(polysorbate) پوشش دهي مي گردد. داروي حاصله به صورت وريدي به فرد مبتلا تزريق مي گردد. و بوسيله ي جريان خون گردش مي کند. پلي سوربات 80 آپولي پروتئين هاي پلاسمان خون (apoliporoteins) را جذب کرده که بوسيله ي جريان خون چربيها انتقال مي يابند. اين ماده باعث مي شود. تا يک اثر استتاري شبيه کلسترولLDL ايجاد مي کند. که اجازه مي دهد دارو از ميان موانع دفاعي (blood – brain barrier) عبور کند.
گروه دیگری از سیستم های رسانش دارو که نانو تکنولوژی ارائه کرده است در زمینه ی نانو مواد است که داروها را به مکان های مقصد شان حمل می کنند.این سیستم ها دارای خواص مفیدی می باشند .نانوساختار های معینی را می توان تحت کنترل قرار داد و آنها را به داروها ، ملکول های هدف (targeting molecule) و یا یک عامل تصویربرداری(Imaging agent) متصل کرد . سپس این نانو ساختارها جذب سلولهای خاص می گردند و در زمانی که نیاز باشد وظیفه ی خود را انجام می دهند. به خاطر اندازه ی نانویی ، نانو ساختارها قابلیت ورود به سلولها را دارند زیرا موادی می توانند به راحتی وارد سلولها شوند که اندازه ی آنها زیر صد نانومتر باشند. برخی از نانو ساختارهایی که برای این منظور استفاده می شوند عبارتند از:
فلرن ها(fullerenes)
دندریمرها(dendrimers)
نانوشل ها(nanoshells)
فلرن ها (باکی بال ها) کره های تو خالی طبیعی هستند که یک نانومتر قطر دارند و از بیش از شصت اتم کربن ساخته شده اند .فلرن ها یک پلت فورم رسانش دارویی بسیار عالی ایجاد می کند. در واقع فلرن ها به خاطر داشتن ساختار تو خالی بسیار مورد توجه هستند که عامل دارویی می تواند به این فلرن ها متصل گردد. و با آن حرکت کند.
c-sixty در حال توسعه ی یک پلت فورم رسانش دارویی بر پایه ی فلرن هاست که در این سیستم فلرن ها را به آنتی بادی ها و دیگر عوامل هدف متصل می کنند .تعدادی از سیستم های رسانش دارویی که بوسیله ی c-sixty ساخته شده اند. عبارت اند از: ساختارهای شیمی درمانی نشانه دار با فلرن (decorated chemotherafeutic constructs fullerone)،رادیو داروهای فلرنی(fullercne – radiopharmaceuticals)، و سیستم های لیپوسوم بر پایه ی فلرن ها (fullerene – based liposome system)
این سیستم های رسانش دارویی باکی سام(Buckysomes) نامیده می شوند .در این روش ها یا از یک تک دارو و یا از ترکیب چند دارو استفاده می شود. C- sixty چند داروی بر پایه ی تکنولوژی پلت فورم فلرن ها در زمینه ی درمان سرطان(cancer) ، ایدز(HIV/AIDS) و اختلالات عصبی(neuro – degenerative disorders) ساخته است.
نانو داروی دیگری که به عنوان داربست های رسانش دارویی استفاده می شود، دندریمرها هستند. این نانوماده یک ملکول پلیمری است که توسط دان تومالیا(Don Tomalia ) از Dendritic Nanotechnologies کشف شد. محققانی مانند جیمز بیکر(games Backer) از دانشگاه میشیگان در حال استفاده از دندیمر ها هستند.آنها از این مواد، مواد ژنتیکی مورد استفاده در روش های درمانی داخل سلولی برای تخریب تومرهای سرطانی( بدون واکنش های تدافعی) می سازند. به خاطر اندازه ی کوچک دندیمرها و ساختار های شاخه دار آنها واکنش تدافعی در بدن اتفاق نمی افتد.دندریمرها را می توان بگونه ای ساخت که ترکیبات متصل شده به آنها در اثر برخورد با یک ملکول و یا یک واکنش شیمیایی خاص آزاد گردند.
یک کره ی توخالی که به آن نانوشل می گویند بوسیله ی Nanospectra ساخته شده است. از این شل برای دارو رسانی می توان استفاده کرد. این نانوشل از یک لایه ی خارجی از جنس طلا تشکیل شده است که لایه های داخلی آن بوسیله ی سیلیکار(sio2 ) و دارو پوشانده می شوند. نانوشل های را می توان برای جذب انرژی و تبدیل آن به گروه استفاده نمود. به عنوان یک نتیجه باید گفت هنگامی که نانوشل ها درکنار یک ناحیه ی هدف مانند سلول تومری قرار می گیرد و به آن ناحیه نور مادون قرمز بتابد، نانوشل می تواند آنتی بادی های خاص آن تومر را آزاد کند.

2. 3. کشف دارو( Drug discovery)

تکنولوژی های نانو و میکرو یکی از آخرین راه حل ها برای کاهش زمان توسعه ی داروهای جدید است .این تکنولوژی ها پتانسیل کاهش قیمت تحقیقات و توسعه ی داروها را نیز دارند.
روش آزمون و خطاکه برای کشف داروها از آن بهره گرفته می شود حداقل ده سال طول می کشد. این زمان شامل مراحل تحقیقات و رسیدن دارو به مراکز فروش است. که گاهاً این زمان به بیش از ده سال نیز می رسد. در سال های اخیر، تعدادی تکنولوژی تکمیلی و جدید و توسعه یافته است که بطور قابل ملاحظه ای روش تولید دارو را فشرده می کند. نظم عملیاتی بالا ، برچسب زنی بسیار حساس (sensitived labeling) و تکنولوژی های آشکار سازی برای افزایش سرعت و دقت شناسایی ژن ها و مواد ژنتیکی استفاده می گردد که نتیجه ی آن کاهش پروسه ی کشف و توسعه ی دارویی می شود. تکنولوژی نانو و میکرو به همراهی راه حل های فناوری اطلاعات مثل شیمی ترکیبات(combinatorial) ، بیولوژی محاسباتی (computional biology) ، ساخت داروها با کمک کامپیوتر ، اطلاعات مینرالی و ابزارهای پردازش داده باعث شناسایی و حل بهتر چالش های مرتبط با کشف دارو شده و توانسته تنگناهای بحرانی در ساخت و کشف داروها را کاهش دهد. به علاوه به خاطر مزایای فناوری اطلاعات تعداد داروهای مورد آزمایش در 10سال گذشته رشد زیادی داشته و از 500.000 ترکیب دارویی به یک و نیم میلیارد رسیده است.
منبع انگلیسی: Nanomedicine Toxon omy/ Neil Gorden & uri Sagman Canadian Alliance<
* استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.