در سراسر جهان، مرگ و میر و بروز سرطان در حال افزایش است. طبق برآورد GLOBOCAN 2018، تعداد موارد جدید سرطان به 18.1 میلیون نفر و تعداد مرگ و میر ناشی از سرطان به 9.6 میلیون نفر خواهد رسید. پیش بینی ها حاکی از آن است که تا سال 2030، سالانه 30 میلیون نفر بر اثر سرطان جان خود را از دست خواهند داد. در مبارزه با سرطان، یک کلید برای درمان موفق سرطان، تشخیص زودهنگام است. مرگ و میر ناشی از سرطان با تشخیص زودهنگام تا حد زیادی کاهش می یابد. به عنوان مثال، سرطان پستان نرخ بقای نسبی 5 ساله نزدیک به 90٪ در مرحله اولیه را نشان می دهد، در حالیکه بیماران با متاستاز نرخ بقای 5 ساله تنها 27٪ را نشان می دهند.

در حال حاضر، تکنیک های تصویربرداری و آنالیز مورفولوژیکی بافت ها (هیستوپاتولوژی) یا سلول ها (سیتولوژی) به تشخیص زودهنگام سرطان کمک می کند. پرکاربردترین تکنیک‌های تصویربرداری مانند اشعه ایکس، تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)، توموگرافی کامپیوتری (CT)، آندوسکوپی و اولتراسوند، تنها زمانی می‌توانند سرطان را تشخیص دهند که تغییر قابل مشاهده در بافت وجود داشته باشد.

در آن زمان، هزاران سلول سرطانی ممکن است تکثیر شده و حتی متاستاز داده باشند. علاوه بر این، روش های تصویربرداری فعلی نمی توانند ضایعات خوش خیم را از ضایعات بدخیم تشخیص دهند. علاوه بر این، سیتولوژی و هیستوپاتولوژی را نمی توان به طور موثر و مستقل برای تشخیص سرطان در مراحل اولیه به کار برد. بنابراین، توسعه فن آوری برای تشخیص سرطان در مراحل اولیه (قبل از متاستاز)، یک چالش بزرگ ارائه می دهد.

اگرچه نانوتکنولوژی هنوز به صورت بالینی برای تشخیص سرطان به کار گرفته نشده است، اما در حال حاضر در انواع آزمایشات پزشکی و نمایشگرها مانند استفاده از نانوذرات طلا در تست های بارداری خانگی در بازار وجود دارد. برای تشخیص سرطان، از نانوذرات برای گرفتن نشانگرهای زیستی سرطان، مانند پروتئین‌های مرتبط با سرطان، DNA تومور در گردش، سلول‌های تومور در گردش و اگزوزوم‌ ها استفاده می‌شود.

مزیت اساسی استفاده از نانوذرات برای تشخیص سرطان در نسبت سطح بزرگ به حجم آن هاست. با توجه به این خاصیت، سطوح نانوذرات را می‌توان به طور متراکم با آنتی‌بادی ‌ها، مولکول ‌های کوچک، پپتیدها، آپتامرها و سایر بخش‌ها پوشاند. با ارائه لیگاندهای مختلف اتصال به سلول های سرطانی، می توان به اثرات چند ظرفیتی دست یافت که می تواند ویژگی و حساسیت یک سنجش را بهبود بخشد.

نانوتکنولوژی برای تشخیص بیومارکرهای سرطان خارج سلولی

بیومارکر سرطان به عنوان یک مولکول بیولوژیکی قابل اندازه گیری عمل می کند که می تواند در خون و سایر بافت ها یا مایعات بدن مانند بزاق و ادرار یافت شود که نشان دهنده وجود سرطان در بدن است. نشانگرهای زیستی سرطان ممکن است پروتئین‌ ها (پروتئین ‌های ترشح شده یا پروتئین ‌های سطح سلول)، کربوهیدرات ‌ها یا اسیدهای نوکلئیک (DNA در گردش تومور، miRNA و غیره) باشند که در زمان وجود سرطان توسط بدن یا سلول‌های سرطانی ترشح می‌شوند.

اندازه‌گیری سطوح مشخصی از نشانگرهای زیستی سرطان، تشخیص زودهنگام سرطان یا عود تومور را ممکن می‌سازد و به نظارت بر اثربخشی درمان کمک می‌کند. با این وجود، استفاده از نشانگرهای زیستی توسط چندین مانع محدود شده است، از جمله غلظت کم نشانگرهای زیستی در مایعات بدن، ناهمگونی در فراوانی و زمان‌بندی بیومارکرها در بیماران. نانوتکنولوژی گزینش پذیری و حساسیت بالا و توانایی انجام اندازه گیری همزمان چندین هدف را ارائه می دهد.

حسگرهای زیستی را می‌توان با نانوذرات/نانومواد بهبود بخشید تا هدف‌گیری خاص را فراهم کند. علاوه بر این، استفاده از نانوذرات نسبت سطح به حجم را افزایش می‌دهد که حسگرهای زیستی را در برآوردن نیازهای تشخیص‌های بیومولکولی خاص حساس‌تر می‌کند. نقاط کوانتومی (QDs)، نانوذرات طلا (AuNPs) و نقاط پلیمری (PDs) سه کاوشگر نانوذره رایج هستند که در تشخیص سرطان استفاده می‌شوند.

تشخیص پروتئین

تعدادی از پروتئین ها مجوز FDA را برای تشخیص سرطان دریافت کرده اند، از جمله CEA (سرطان کولورکتال)، AFP (سرطان کبد)، PSA (سرطان پروستات) و CA-125 (سرطان تخمدان). فعل و انفعالات خاص با آنتی بادی ها، قطعات آنتی بادی یا آپتامرها می تواند در تشخیص این خواص کمک کند. سپس رویداد تعامل به یک سیگنال قابل اندازه گیری تبدیل می شود که می تواند اندازه گیری شود.

در مطالعات اخیر، حسگرهای زیستی مبتنی بر QD برای شناسایی نشانگرهای زیستی سرطان استفاده شده است. سنجش نوع ساندویچ یک استراتژی رایج برای تشخیص بیومارکرهای پروتئینی است و شامل اجزای بسیاری است، یعنی یک نشانگر زیستی، یک آنتی بادی جذب، یک آنتی بادی جذب دوم و یک آنتی بادی ثانویه که به آنتی بادی جذبی متصل می شود. آنتی بادی ثانویه را می توان از طریق روش های مختلفی مانند رنگ آمیزی و فلورسانس مشاهده کرد.

در استفاده از این استراتژی، دو آنتی بادی کونژوگه با QD علیه انولاز اختصاصی نورون (NSE) و آنتی ژن سرطان جنینی (CEA) برای شناسایی دو نشانگر زیستی استفاده شده است و حد تشخیص (LOD) هر کدام به 1.0 نانوگرم در میلی‌لیتر رسید.

CEA، محبوب‌ترین نشانگر زیستی سرطان، برای نظارت بر درمان ضد سرطان و همچنین برای پیش‌بینی عود تومور پس از برداشتن جراحی در بیماران سرطانی در مراحل آخر استفاده شده است و به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. NSE آنزیمی است که تبدیل 2-فسفوگلیسرات به فسفوانول پیرووات را کاتالیز می کند که نشان دهنده ارتباط با کارسینوئیدها، کارسینوم سلول کوچک ریه و تومورهای سلول جزایر است.

پس از ترشح، آن ها را می توان در غلظت های بیش از 15 نانوگرم در میلی لیتر تشخیص داد و LOD هر یک به 1.0 نانوگرم در میلی لیتر رسید. نانوفسفرهای UCNPs نوید نسل جدیدی از برچسب‌های لومینسانس بیولوژیکی را می‌دهند.

UCNP ها قادر به جذب تابش نور مادون قرمز نزدیک (NIR) و تبدیل تابش به نور بصری با تکیه بر فرآیند تبدیل مجدد پس از جذب چند فوتونی هستند. بیان بیش از حد فسفولیپاز ترشح شده A2 (sPLA-2) ) (آنزیمی که هیدرولیز فسفولیپید را کاتالیز می کند)، گزارش شده است که ارتباطی با تکثیر سلول های سرطانی پروستات نشان می دهد. مانند فسفولیپیدها، سورفکتانت های فسفات برای شناسایی و جداسازی آنزیم sPLA-2 مفید هستند.

این ویژگی منحصر به فرد می تواند به طور قابل توجهی به کنترل انتشار UCNP کمک کند، زیرا آنزیم یک گروه استری واقع بین اسید چرب و اتیلن گلیکول را هیدرولیز می کند که فوراً نانوذرات را از سطح سرطان پروستات آزاد می کند.

تشخیص ctDNA

DNA تومور در گردش (ctDNA) نشان دهنده قطعات DNA مشتق شده از تومور (تقریباً 100-200 جفت باز) در جریان خون است. ctDNA می تواند از تومورهای اولیه یا سلول های تومور در گردش (CTCs) آزاد شود و می تواند امکان تشخیص سرطان را از طریق انحرافات ژنتیکی خاص سرطان فراهم کند.

تشخیص انحرافات ژنتیکی در ctDNA می تواند به تشخیص سرطان حتی قبل از بروز هر گونه نشانه ای از سرطان کمک کند. هیبریداسیون بسیار ویژه با پروب های اسید نوکلئیک که دارای توالی های مکمل هستند می تواند برای تشخیص انحرافات ژنتیکی مرتبط با سرطان استفاده شود.

یک پروب فلورسنت نانو خوشه نقره (NC) برای تشخیص یک اگزون منفرد در ژن BRCA1 در سرطان سینه ساخته شد. تحت شرایط بهینه، این کاوشگر LOD را به ^11-10 × 6.4 M افزایش داد. هیبریداسیون خاصی از پروب فلورسنت NC نقره با الگوی DNA به DNAهای هدف توانست به طور موثری فلورسانس AgNC را که دارای شدت های مختلف بود، افزایش دهد و در نتیجه حذف BRCA1 را متمایز کند. هنگامی که شرایط بهینه بود، افزایش شدت فلورسانس توسط DNA-AgNC ها در پیک های انتشار نزدیک به 440 نانومتر (تحریک در 350 نانومتر) وجود داشت. در این سیستم سنجش، نوع حذف منجر به انتشار فلورسانس بالاتری نسبت به نوع معمولی می‌شود، با نوع معمولی معمولاً فلورسانس کم را نشان می‌دهد.

تشخیص microRNA

microRNA با تشخیص سرطان مرتبط است. Jou AF یک پلت فرم سنجش دو مرحله ای را برای تشخیص حساس miR-141 (یک نشانگر زیستی امیدوارکننده برای سرطان پروستات)، گزارش داد. در مرحله اول پلتفرم سنجش، از QD های CdSe/ZnS اصلاح شده با اسیدهای نوکلئیک فعال شده با خاموش کننده فلورسانس FRET استفاده کرد که حاوی یک توالی آغازگر تلومراز همراه با یک توالی تشخیص برای توالی miR-141 بود.

خاموش کننده FRET اتصال کووالانسی به CdSe/ZnS QD های عاملدار شده با اسید نوکلئیک نشان داد. هنگامی که miR-141 با کاوشگر هیبرید شد، یک دوبلکس تشکیل شد که توسط نوکلئاز مخصوص دوبلکس (DSN) جدا می‌شود. برش واحد خاموش کننده را آزاد کرده و فلورسانس QD ها را فعال کرد. این شکاف همچنین منجر به قرار گرفتن در معرض توالی پرایمر تلومراز شد. این پلت فرم به شناسایی miR-141 در نمونه سرم کمک کرد و افراد سالم را از حاملان سرطان پروستات متمایز نمود.

تشخیص متیلاسیون DNA

متیلاسیون ژنوم (Methylscape) اخیراً به عنوان یک مشخصه مشترک اکثر انواع سرطان ها گزارش شده است و بنابراین می تواند یک نشانگر زیستی رایج سرطان باشد. در تحقیقی، نویسندگان تفاوت‌ هایی را بین ژنوم‌ های سرطان و ژنوم ‌های طبیعی بر اساس میل DNA-طلا و حلال‌پذیری DNA مشاهده کردند و سنجش‌های تک مرحله‌ای الکتروشیمیایی یا رنگ‌سنجی ساده، سریع، انتخابی و حساس را برای تشخیص سرطان توسعه دادند.

تشخیص وزیکول خارج سلولی

وزیکول‌ های خارج سلولی (EVs) به‌عنوان وزیکول ‌های در حال گردش (۳۰ نانومتر تا ۱ میکرومتر)، اطلاعات مولکولی مانند miRNA، DNA، پروتئین و mRNA را از سلول‌های مادر بسته‌بندی می‌کنند و امکان تشخیص وضعیت مولکولی سلول‌های توموری را فراهم می‌کنند که دسترسی به آن ها دشوار است. در یک مطالعه اخیر، نویسندگان یک تکنیک جدید جذب نانوحفره مغناطیسی را برای جداسازی زیرمجموعه‌های خاصی از وزیکول‌های خارج سلولی (EVs) از پلاسما ایجاد کردند.

الگوریتم‌های یادگیری ماشینی و توالی‌یابی RNA به شناسایی نشانگرهای زیستی miRNA EV کمک کردند. این رویکرد برای مدل موش آدنوکارسینوم مجرای پانکراس (PDAC) اعمال شد و به شناسایی یک پانل نشانگر زیستی از یازده miRNA EV کمک کرد. اخیراً دانشمندان یک پلت فرم حسگر را گزارش کرد که در عرض چند دقیقه پروتئین ها را روی سطح اگزوزوم ها نمایان می کند. حسگر متشکل از یک نانوذره طلا (AuNP) و یک پانل آپتامر تحت کمپلکس است که بر اساس AuNP های 13 نانومتری طراحی شده است که به طور غیرکووالانسی با پانلی از 5 آپتامر که پروتئین های سطح سلول را با میل ترکیبی بالا و ویژگی قوی هدف قرار می دهند، طراحی شده است.

اگزوزوم ها به شکستن اتصال ضعیف و غیر اختصاصی بین AuNP و آپتامرها کمک کردند، در حالیکه اتصال قوی و اختصاصی بین آپتامرها و پروتئین های سطح اگزوزوم، آپتامرها را از سطح AuNP جابجا کرد و در نتیجه تجمع AuNP را تسهیل نمود. به دلیل تجمع، رنگ AuNP ها از قرمز به آبی تغییر کرد که نشان می دهد آپتامرها به پروتئین های اگزوزومی متصل شده اند.

نانوتکنولوژی برای تشخیص سلول های سرطانی

تشخیص سلول های تومور در گردش

تقریباً 90 درصد از مرگ و میرهای ناشی از تومورهای جامد به متاستاز نسبت داده می شود. در جریان انتشار متاستاتیک، یک سلول سرطانی از تومور اولیه ابتدا به بافت اطراف حمله می کند و سپس وارد عروق خونی (درون عروقی) و سیستم لنفاوی می شود و به دنبال آن زنده می ماند و از طریق جریان خون به رگ های کوچک در بافت های دور منتقل می شود و سپس خارج می شود. از جریان خون (برون ریزی) و بقا در ریزمحیط بافت های دور، که ریزمحیط خارجی مناسبی برای ایجاد تومور ثانویه ماکروسکوپی ارائه می دهد.

تشخیص زودهنگام سلول های سرطانی متاستاتیک در جریان خون، که به عنوان سلول های تومور در گردش (CTCs) نیز شناخته می شود، به طور بالقوه می تواند بر پیش آگهی و تشخیص سرطان تأثیر بگذارد. به عنوان بخشی از بیوپسی مایع، CTC ها به دلیل کاربردهای بالقوه آن ها به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند. تشخیص CTC می تواند به ما در درک سازمان مولکولی تومور به روشی کم تهاجمی کمک کند. با این وجود، CTCها فراوانی و ناهمگونی نسبتاً کمی را نشان می‌دهند که چالش‌های فنی را برای جداسازی و خصوصیات CTC ایجاد می‌کند.

در سال‌های اخیر، محققان بر کاربرد فناوری‌های نانو برای تشخیص حساس CTC متمرکز شده‌اند. این فناوری‌ها می‌توانند به شناسایی سلول‌ ها و مولکول‌ ها کمک کنند و در نتیجه از کاربردهای بالینی گسترده‌ای مانند تشخیص بیماری در مراحل اولیه و ارزیابی پاسخ درمانی و توسعه بیماری برخوردار شوند. برای تشخیص CTC، نانومواد دارای یک مزیت اساسی در نسبت سطح به حجم زیاد خود هستند که جذب لیگاندهای هدف‌گیری با کارایی بالا را با توانایی شناسایی مولکول‌های خاص روی سلول‌های سرطانی امکان‌پذیر می‌سازد.

انواع مختلفی از نانومواد مانند نانوذرات مغناطیسی (MNPs)، نانوذرات طلا (AuNPs)، نقاط کوانتومی (QDs)، نانوسیم‌ها، نانو ستون‌ها، نانو ستون‌های سیلیکونی، نانولوله‌های کربنی، دندریمرها، اکسید گرافن و پلیمرها را برای CTC گزارش کرده‌اند.

MNP های عامل دار شده با آنتی بادی یعنی نانوذرات ایمونومغناطیسی، اغلب در زمینه زیست پزشکی استفاده می شوند. برای تشخیص CTC، فن‌آوری‌های ایمونومغناطیسی معمولاً به‌طور خاص CTC های بیان‌کننده EpCAM را با MNPهای عاملدار ضد EpCAM هدف قرار می‌دهند. با استفاده از این سیستم، دانمشندان با موفقیت CTC ها را از 70 درصد از بیماران مبتلا به سرطان پستان اولیه و متاستاتیک خالص کردند و اندازه گیری مستقیم بیان ژن را در هر CTC انجام دادند.

تشخیص بر اساس mRNA

علاوه بر شناسایی اسیدهای نوکلئیک خارج سلولی، نانوذرات نیز به عنوان حسگرهای اسید نوکلئیک درون سلولی توسعه یافته اند. می‌توان از پروب‌های نانوذرات طلای جدید اصلاح‌شده توسط الیگونوکلئوتیدهای هیبرید شده به مکمل‌های برچسب‌گذاری شده با فلوروفور به ‌عنوان عوامل ترانسفکشن و نانوشعله ‌های سلولی برای شناسایی mRNA در سلول‌های زنده استفاده کرد.

نانوشعله‌ها برای تشخیص mRNA داخل سلولی مفید هستند. در همین حال، محققان نانوشعله‌هایی را برای تشخیص همزمان رونوشت‌های mRNA مختلف درون سلولی ایجاد کرده‌اند. در این مطالعات نانوشعله‌های چندگانه، AuNPها با 2-3 رشته شناسایی DNA عامل‌دار شدند و بعداً با رشته‌های گزارشگر مکمل کوتاه هیبرید و به‌عنوان نانوشعله‌ ها تولید شدند. در برخی موارد، پلت فرم نانو شعله برای تعیین کمیت RNA درون سلولی در سلول های زنده گسترش می یابد.

Smart-Flares برای مطالعه هتروژن سلول تومور ملانوما y مورد استفاده قرار گرفت. این Smart-Flares قادر به تعیین کمیت بیان ژنومی در سطح تک سلولی بود، بنابراین دانش ما در مورد سرطان را گسترش داد. بررسی ناهمگنی سلول های سرطانی برای شناسایی بیومارکرهای جدید برای تشخیص زودهنگام سرطان بسیار مهم است.

آزمایشات بالینی کاربردهای مبتنی بر فناوری نانو در تشخیص سرطان

نانوتکنولوژی برای تشخیص سرطان به طور گسترده در آزمایشگاه مورد مطالعه قرار گرفته است. با این حال، کاربرد بالینی مقصد نهایی این مطالعات است. در حال حاضر، چندین روش تشخیص سرطان مبتنی بر فناوری نانو در آزمایشات بالینی قرار دارند.

به عنوان مثال، محققان MSKCC و دانشگاه کرنل نانوذرات هیبریدی سیلیکا (نقطه C) را برای تصویربرداری PET از بیماران مبتلا به ملانوم متاستاتیک یا تومورهای بدخیم مغزی ساخته اند. این نانوذرات همراه با پپتیدهای cyclo-[Arg-Gly-Asp-Tyr] (cRGDY) نشاندار شده با 124I که قادر به اتصال انتخابی به اینتگرین هستند، می توانند برای بررسی سلول های تومور استفاده شوند.

علاوه بر این، گروه دیگری از محققان (همچنین از MSKCC) C-dots فلورسنت cRGDY (نقاط cRGDY-PEG-Cy5.5-C) را برای نقشه برداری غدد لنفاوی ایجاد کرده اند که می تواند در حین جراحی برای تجسم غدد لنفاوی مبتلا به سرطان استفاده شود. با پیشرفت تحقیقات، می توان پیش بینی کرد که روش های تشخیص سرطان مبتنی بر نانوتکنولوژی بیشتر و بیشتر در کلینیک ها پیشرفت کنند.

منبع: یه ژانگ، Central South University, Changsha