مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون

کاربرد نانوتکنولوژی در بخش پزشکی در حقیقت نانوپزشکی نامیده می شود. به طور خاص، این ناحیه از کاربردها، از مواد نانومقیاس و روش های بر پایه ی مواد نانومتری برای تشخیص، ارزیابی، درمان و همچنین جلوگیری از بیماری ها، استفاده می کند. این موارد شامل بیماری های قلبی- عروقی، سرطان ها، بیماری های استخوانی و تهاجمی، بیماری های تخریب کننده ی اعصاب، بیماری های روانی، دیابت و بیماری های عفونی مانند عفونت های باکتریایی و ویروسی (مثلا HIV)، می باشد. مشارکت بالقوه ی نانوتکنولوژی در بخش پزشکی، گسترده است و شامل ابزارهای تشخیص جدید، عوامل و روش های تصویربرداری، سیستم های دارورسانی و داروهای جدید، عوامل درمانی، ایمپلنت ها و ساختارهای مهندسی بافت شده، می باشد.

چرا نانوتکنولوژی؟

نانومواد به عنوان موادی تعریف می شوند که در مقیاس نانو قرار دارند. در نانوپزشکی، معمولاً از اندازه ی 100 نانومتر فراتر می رویم و گستره ی کاری تا 500 نانومتر می باشد. این گستره ی اندازه در بیومولکول هایی مانند پروتئین ها، آنزیم ها و DNA و کمپلکس های مولکولی مانند پمپ یونی، یافت می شود. این نانومواد طبیعی اجزای تشکیل دهنده ی ساختارهای سلسله مراتبی و بزرگتری هستند که موجب تنظیم عملکرد سلول می شوند. باکتری ها و ویروس ها بزرگ هستند و ابعاد آنها می تواند تا چند میکرون نیز برسد؛ اما عملکرد آنها از برهمکنش های میان بیومولکول هایی ایجاد می شود که از آنها ساخته شده اند. در اصل، نانوتکنولوژی، این مسئله را مقدور می سازد که مواد مهندسی (مانند سیستم های دارورسانی، پروب های تصویربرداری بیماری ها و حتی محصولات مربوط به مهندسی بافت) در مقیاسی مشابه با مقیاس بیومولکول ها، تولید شوند. در حقیقت، این مقیاسی است که موجب تنظیم عملکرد سلول ها می شود. نانوتکنولوژی دارای پتانسیل خوبی در زمینه ی بهبود فرایندهای درمانی دارد. این مسئله در تشخیص و درمان بیماری نمود دارد. هدف توسعه ی مواد جدید و روش های نوین، تشخیص و درمان بیماری ها با دقت و اثربخشی بالاتر می باشد. در نهایت، هدف کلی ما ایجاد اقدامات پزشکی ایمن تر و غیر تداخلی، می باشد. زمان بین کشف یک دارو و یا وسیله ی درمانی و ورود آن به کاربردهای بالینی، واقعا طولانی است. در برخی موارد (مانند وسایل رسانش دارویی)، نانوتکنولوژی هم اکنون برای بهبود درمان بیماران، مورد استفاده قرار می گیرد اما در بیشتر موارد مورد بحث، استفاده از این کاربردها در محصول نهایی، سال ها زمان می خواهد.

تشخیص

تشخیص یک بیماری یکی از مهم ترین مراحل در پزشکی می باشد. تشخیص باید سریع و مطمئن باشد و ریسک اشتباه آن اندک باشد. نانوپزشکی دارای پتانسیل خوبی در زمینه ی بهبود کل فرایند تشخیص می باشد. به جای جمع آوری نمونه های خون در یک شیشه و ارسال آن به یک آزمایشگاه تخصصی برای بررسی، دکتر قادر است تا از وسایل تشخیصی کوچک سازی شده در عمل ها، استفاده کنند. این وسایل کوچک هستند و از این رو، قادر خواهیم بود آزمایش های متعددی را در زمانی کوتاه و با استفاده از مقادیر اندکی نمونه انجام دهیم. برخی از وسایل تخشیصی آزمایشاهی کوچک سازی شده، هم اکنون مورد استفاده قرار می گیرند مانند ابزارهای تستی که پلیس برای بررسی مصرف الکل، با خود همراه دارند. همچنین از جمله این ابزارها می توان به دستگاه های تشخیص قند اشاره کرد که افراد دیابتی، مورد استفاده قرار می دهند. این وسایل می توانند یون ها، مولکول های کوچک و یا پروتئین ها را تشخیص دهند. برخی از این ابزارها می تواند برای بررسی توالی DNA در برخی از بیماری ها و یا شرایط پزشکی خاص، مورد استفاده قرار گیرند. در سال های اخیر، یک رویه ی جالب توجه در زمینه ی کوچک سازی این وسایل انجام شده است و این وسایل قادرند تا صدها تست را در یک زمان انجام دهند و استفاده از آنها نیز بسیار آسان است. نانوتکنولوژی نقش مهمی در این توسعه ها ایفا می کند. نانومواد مانند نانوذرات و یا نانوتیوب ها می توانند در داخل این وسایل تجمیع شوند. محققین می توانند نانومواد مهندسی شده ای را با کاربردهای خاص ایجاد کنند. بنابراین، در آینده دقت این وسایل بهبود خواهد یافت و این وسایل قابلیت انجام آزمون های آنی بیشتری را خواهند داشت. نانومواد دارای ویژگی کوانتمی هستند. مثلا آنها سیگنال های ایجادی برای تشخیص بیماری ها را تقویت می کنند و بنابراین، استفاده از نانومواد در وسایل تشخیصی آزمایشگاهی، امکان بهبود تشخیص و آنالیز را فراهم می آورد. در آینده، این نوع از وسایل امکان انجام تشخیص های همزمان با درمان را فراهم می آورد. در واقع با این روش ها، می توان کارهای تشخیصی را در هر مکان انجام داد و تشخیص محدود به بیمارستان و مطب دکتر نیست. طبیعت نمونه که مورد آزمایش قرار می گیرد، نیز تغییر می کند و به جای خون، از بزاق دهان استفاده می شود. استفاده از بزاق ساده تر و ایمن تر است. این مسئله اجازه می دهد تا تعداد بیشتری از بیماران را مورد آزمایش قرار داد. این مسئله در موقع بروز بیماری های همه گیر، بسیار مفید می باشد.
وسایل تشخیصی کوچک سازی شده شامل بیوسنسورها، میکروآرایه ها و وسایل آزمایشگاه بر روی چیپ (LOC) نیز در واقع سیستم های آنالیز کلی کوچک سازی شده (μTAS) نامیده می شوند. دو مورد ابتدایی، بر پایه ی روش فرایندی موازی کار می کنند، در حالی که وسایل LOC بر پایه ی روش های فرایندی سریالی، کار می کنند.

بیوسنسورها

اگر کلی صحبت کنیم، یک سنسور، در واقع وسیله ای است که قابلیت تشخیص گونه های شیمیایی خاص را مقدور می سازد. در این وسایل، یک مبدل، سیگنال های شیمیایی را به سیگنال های کمی تبدیل می کنند. وقتی کار سنسور بر پایه ی تشخیص بیومولکولی انجام شود، به این سنسورها، بیوسنسور می گویند. انواع مختلفی از بیوسنسورها، وجود دارد (مثلا آنهایی که بر پایه ی آنتی بادی ها یا آنتی ژن ها، اسیدهای نوکلئیک و آنزیم ها کار می کنند). علاوه براین، بسته به روش مورد استفاده در تبدیل سیگنال، بیوسنسورها به عنوان بیوسنسورهای تشخیص نوری، بیوسنسورهای الکتروشیمیایی، بیوسنسورهای حساس به جرم یا بیوسنسورهای گرمایی، تقسیم بندی می شوند.
نانوذرات مختلفی وجود دارد که می توانند در تولید بیوسنسورها، استفاده شوند. این کار مشابه پروب های مورد استفاده در تشخیص یک آنالیت و یا تفکیک میان آنالیت های مورد نظر می باشد. در این کاربردها، برخی گونه ها از مولکول های بیولوژیکی به سطح یک نانوذره متصل می شوند تا بدین صورت بتوان به هدف مورد نظر از طریق ایجاد یک مکانیزم قفل- کلید، برسیم. این پروب ها سپس وجود ماده ی مورد نظر را از طریق تغییر رنگ، جرم و یا سایر خواص فیزیکی، نمایش می دهند. نانوذرات مورد استفاده به عنوان المان های بیوسنسوری، عبارتند از کوانتم دات ها، نانوذرات فلزی، نانوذرات سیلیسی، ذرات معناطیسی و فلرن ها می باشند.
سایر بیوسنسورها نیز از ذرات نانوساختار به عنوان غربال های نانومتری استفاده می کنند که در آنها تغییرات مولکولی به صورت تغییر در یک میدان الکتریکی، نمود دارد. در این مورد، مواد حاوی نانوتخلخل های مهندسی، استفاده می شوند.
نانوتیوب های کربنی و نانوسیم ها نیز برای ایجاد سنسورها، استفاده می شوند. نانوسیم ها می توانند از یک ماده ی نیمه رسانا تولید شوند و تغییر در اندازه ی آنها نیز موجب تغییر در خواص رسانایی آنها می شود. این مسئله به همراه قابلیت اتصال دهی گونه های خاص بر روی سطح، منجر به ایجاد قابلیت خواندن الکتریکی بدون لیبل می شود. این بیوسنسورهای نانوسیمی اجازه ی تشخیص یک گستره از گونه های شیمیایی و بیولوژیکی را مقدور می سازد. این گونه ها می توانند غلظت های پایینی از پروتئین ها و یا ویروس ها باشد. شکل 1 و 2 نشاندهنده ی یک بیوسنسور بر پایه ی نانوسیم سیلیکونی است که برای تشخیص بیولوژیکی، استفاده می شود.

بیوسنسورهای Cantilever

یک بیوسنسور Cantilever در حقیقت بیوسنسوری است که از بازوهای متعددی تشکیل شده است که دارای طولی برابر ده ها میکرون هستند اما بسیار نازک می باشند. این وسایل از طریق لیتوگرافی و اچ تولید می شوند. سطح این بخش ها با لایه های نازک و نانومتری از پوشش عامل دار می شوند به نحوی که اطمینان حاصل شود که عملکرد مناسبی دارند. هر بازو یا Cantilever متفاوت است و می تواند برای تجریه و تحلیل یک ماده ی هدف، مورد استفاده قرار گیرد (شکل 3). در این نوع از سنسورها، جذب مواد شیمیایی خاص بر روی اهداف خاص موجود بر روی بازوها، منجر به ایجاد یک تنش و خمیدگی در این بازوها، می شود. متداول ترین نوع این بخش ها، در واقع بخش های نوری هستند که در آنها انحراف زاویه بوسیله ی باریکه ی لیزر اندازه گیری می شود. اگر چه این روش متدوال است، اما از محدودیت هایی در اندازه گیری برخورد است. مثلا نمی توان در مایع های اپک و مات، مانند خون، استفاده کرد زیرا این مواد نور لیزر را جذب می کنند. یک راه جایگزین برای این روش، روش خواندن پیزوالکتریک است که در آن از یک بخش پیزوالکتریک استفاده می شود. بعد از تشخیص ماده ی مورد نظر، تنش اعمالی به رسیستور تغییر می کند و این تنش در واقع انعکاسی از میزان تغییر می باشد. این تغییر به عنوان یک سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. این روش مزیت هایی در زمینه ی تشخیص در محیط های اپک، ایجاد می کند.

بیوسنسورها پلاسمونی

خواص نوری مربوط به نانوذرات فلزی گران قیمت توجه تحقیقاتی قابل توجهی را در سال های اخیر، به خود جلب کرده است. در واقع این مواد را می توان در کاربردهای مانند سنسورهای شیمیایی/ بیوشیمیایی استفاده کرد. خواص نوری مربوط به این نانوذرات بوسیله ی اثر رزونانس پلاسمونی سطحی (LSPR) تحت تأثیر می باشد. یکی از نتایج مربوط به اثر LSPR در نانوذرات فلزی، این است که آنها دارای جذب نوری مرئی قوی هستند. علت این مسئله، در حقیقت نوسان های پیوسته ی رزونانسی پلاسمون هاست. به عنوان یک نتیجه، کلوئید حاوی ذرات فلزی مانند طلا و نقره، می توانند رنگ های مختلفی داشته باشند که در حالت بالک، موجود نمی باشد. این رنگ به شکل، اندازه و محیط اطراف وابسته می باشد. انرژی LSPR به عملکرد دی الکتریک ماده و محیط اطراف و شکل و اندازه ی نانوذره، وابسته می باشد. این بین معناست که اگر یک لیگاند مانند پروتئین ها، به سطح نانوذره ی فلزی بچسبد، انرژی LSPR تغییر می کند. به طور مشابه، اثر LSPR نسبت به سایر تغییرات مانند فاصله ی میان نانوذره ها، حساس می باشد. این مسئله می تواند در حضور سورفکتانت ها و یون ها، تغییر کند. حقیقت این است که LSPR به محیط دی الکتریک وابسته است. این بدین معناست که اندیس شکست می تواند به عنوان یک پارامتر حساسیت، مورد استفاده قرار گیرد. در حقیقت تغییر در محیط دی الکتریک محلی که موجب ایجاد یک فعالیت قابل تشخیص می شود، با اتصال دهی مولکول ها به ذرات، اصلاح شده و برای تشخیص عوامل مختلف، استفاده می شود.
در این نوع از بیوسنسورها، نانوذرات می توانند در داخل یک محیط پراکنده شوند و یا بوسیله ی یک سطح، حمایت شوند. هر دو نوع از این سنسورها، از این حقیقت استفاده می کنند که پدیده ی تشخیص موجب تغییر در LSPR مربوط به نانوذره ی فلزی می شود اما از استراتژی های خواندن مختلف استفاده کرده اند.
در بیوسنسورهای پلاسمونی کلوئیدی (مانند آنهایی که از طلا ساخته شده اند)، پدیده ی حس کردن موجب ایجاد یک تغییر در آگلومریزاسیون میان نانوذراتی می شود که از کلوئید تشکیل شده اند (شکل 4). این مسئله می تواند در نهایت موجب تغییر در رنگ کلوئید شود. طیف جذبی برای شناسایی این پدیده، استفاده می شود. در مورد کلوئیدهای طلا که در غربال گری ژنتیک کاربرد دارند، محققین به دنبال توالی ژن های خاصی هستند که در نمونه وجود دارند. این مسئله در واقع شاخصی از بیماری است. اما چگونه این اتفاق می افتد؟ ابتدا توالی مشخصی در DNA هدف، تشخیص داده می شود. سپس دو گروه از نانوذرات آماده سازی می شوند. یکی دارای DNA است که یک انتهای آن به DNA هدف می چسبد و دیگری حاوی DNA هست که به سر دیگر می چسبد. نانودرات در آب پراکنده می شوند. وقتی DNA هدف اضافه می شود، این DNA به هر دو نوع از نانوذره می چسبد و موجب آگلومره شدن آنها می شود. تشکیل این آگلومره ها، موجب یک شیفت در طیف نور جذب شده از محلول می شود (یعنی تغییر در رنگ محلول که می تواند به سهولت تشخیص داده شوند). یک مثال در شکل 5 آورده شده است.

در یک سنسور پلاسمونی، نانوذرات فلزی بر روی یک سطح، ثابت می شوند (شکل 6). نانوذرات فلزی بوسیله ی ایجاد اتصال های شیمیایی و یا نانولیتوگرافی به سطح می چسبند. و سپس با بخش حسگر، اصلاح می شوند. آنالیت موجود در محلول بوسیله ی عامل های تشخیصی موجود بر روی ذرات جذب می شوند. این مسئله موجب تغییر در اندیس شکست ذرات شده و در نهایت، منجر به شیفت LSPR می شود. شیفت LSPR با روشی به نام طیف سنجی انقراضی (extinction spectroscopy) اندازه گیری می شود.