نقاط کوانتومی

نقاط کوانتومی، نانو کریستالهایی با ابعاد 2 تا 10 نانومتر هستند که در اثر تحریک شدن با نور، ایجاد فلورسانس کرده و از خود نور ساطع می کنند. نقاط کوانتومی در دسته نیم رساناها قرار می گیرند. اهمیت نیم رساناها در این است که رسانایی الکتریکی این مواد را می توان با محرک های خارجی مانند میدان الکتریکی یا تابش نور تغییر داد، تا حدی که از نارسانا به رسانا تبدیل شوند و مانند یک کلید عمل کنند. نقاط کوانتومی به علت کوچک بودن بسیار زیادشان، دسته منحصر به فردی که از نیمه رساناها به شمار می روند. پهنای آنها بین 2 تا 10 نانومتر، یعنی معادل کنار هم قرار گرفتن 10تا 50 اتم است. در این ابعاد کوچک، مواد رفتار متفاوتی دارند و این رفتار متفاوت قابلیت های بی سابقه ای در کاربردهای علمی و فنی به نقاط کوانتومی می بخشد.
ساختمان نقاط کوانتومی از دو قسمت تشکیل شده است: یک هسته غیرآلی که اندازه آن رنگ نور ساطع شده از این نقاط را تعیین می کند، بخش دوم یک پوسته غیرآلی و یک پوشش آلی محلولی در آب است که با مولکولهای زیستی ارتباط برقرار می کند. کارآیی نقاط کوانتومی در پزشکی ناشی از دو خاصیت آنها است، اول اینکه آنها توانایی اتصال به ملکولهای زیستی را دارند و دوم آنکه طول موجی را که از خود ساطع می کنند، می توان تنظیم کرد. به عبارت دیگر، نقاط کوانتومی می توانند به گونه ای طراحی شوند که در اثر برخورد با یک طول موج مشخص رنگ مشخصی از خود ساطع کنند.
نقاط کوانتومی می توانند به ملکولهای زیستی متصل شده و به عنوان ابزارهای تشخیصی بسیار حساس استفاده شوند.
در یک مطالعه انجام گرفته، نقاط کوانتومی را به پلی اتیلن گلیکول (PEG) و یک آنتی بادی ضد آنتی ژن غشایی اختصاصی پروستات (PSMA) متصل کردند و سپس آنها را به موش هایی که بافت توموری به آنها پیوند زده شده بود، تزریق کردند. نقاطی کوانتومی به کمک جریان خون و به کمک آنتی بادی اختصاصی وارد تومور شده و در آنجا تجمیع پیدا کردند.
از نقاط کوانتومی همچنین می توان برای تصویربرداری از بیماران سرطانی و تعیین مرحله بیماری و انتخاب روش درمانی استفاده کرد. این روش درمانی می تواند در بدخیمی های مختلف مثل سرطان پوست (ملانوما)، سرطان پستان، ریه و تومورهای معدی روده ای به کار گرفته شود. در این مورد نقاط کوانتومی پس از ورود به بدن توسط یک عامل هدف گیری (مثل آنتی بادی اختصاص یک بافت) در بافت مورد نظر تجمع پیدا می کنند. سپس تحت تاثیر تابش یک پرتو با طول موج مشخص،این نقاط از خود تابش فلورسانس ابجاد می کنند. نکته قابل توجه این فن آوری نو، آن است که نقاط کوانتومی مورد استفاده، در محدوده مادون قرمز نزدیک (NIR) تابش می کنند. امواج مادون قرمز نزدیک، نفوذ خوبی به بافت دارند (2تا5 سانتی متر)، ضمن اینکه امواج مزاحم (noise) کمتری نیز در دستگاه ثبت می شود.
رنگ های معمول که در حال حاضر برای تصویربرداری استفاده می شوند، نسبت به نقاط کوانتومی در ناحیه مادون قرمز نزدیک، شدت سیگنال کمتری ایجاد می کنند. بنابراین تصویربرداری، به کمک نقاط کوانتومی تصاویر واضح تری از بافت ایحاد می کند. البته باید در نظر داشت که استفاده از نقاط کوانتومی در مطالعات بالینی با خطرات و محدودیت هایی نیز مواجه است. در هسته اکثر نقاط کوانتومی عنصر کادمیم وجود دارد که
در مورد پتانسیل سمی این عنصر نگرانی هایی وجود دارد. از طرف دیگر، پوشش نقاط مرکزی برای حفاظت در برابر اثرات سمی این عنصر، منجر به افزایش ابعاد این نقاط می شود، و ممکن است ابعاد آنها از ابعاد منافذ غشاء اندوتلیوم و کلیه بیشتر و دفع آنها با مشکل مواجه می شود و این نقاط در بدن تجمع پیدا کرده و سمیت ایجاد کنند.

نانوشل ها

نانوشل ها(Nano shells) توسط وست و هالاس در دانشگاه Rice کشف شدند. این ذرات از یک هسته از جنس سیلیس و یک پوشش نازک فلزی تشکیل شده اند. این ذرات می توانند به کمک روش های ایمونولوژی به بافت مورد نظر هدایت شوند. از این فن آوری برای درمان سرطان استفاده شده است.
هیوش و همکارانش، از نانوشل هایی استفاده کردند که قادر بودند امواج مادون قرمز نزدیک، که از یک منبع خارج بدن ساطع می شدند را جذب کرده و بر اثر آن افزایش دما پیدا کنند. بر اثر افزایش دما، این ذرات موجب مرگ سلولی شده در نهایت موجب تخریب بافت مورد نظر می شوند.
در یک روش دیگر، محققان نانوشل ها را در یک پلیمر هیدروژنی حاوی داروی ضد سرطان تعبیه کردند. سپس با استفاده از آنتی بادی اختصاصی آنها را به سمت بافت توموری مورد نظر هدایت کردند. با تاباندن لیزر مادون قرمز این نانوشل ها گرم شده و موجب تخریب پلیمر هیدروژنی و آزادسازی دارو در بافت مورد نظر شدند. سپس داروی مورد نظر اثرات ضد سرطانی خود را اعمال کرد. مزیت این روش، کاهش عارضه جانبی داروی ضد سرطان به کار رفته است، زیرا تنها در بافت مورد نظر آزاد می شوند و در سایر بافت ها اثرات مضر خود را اعمال کرد. مزیت این روش، کاهش عارضه جانبی داروی ضدسرطان به کار رفته است، زیرا تنها در بافت مورد نظر آزاد می شود و در سایر بافت ها اثرات مضر خود را اعمال نمی کند. اخیرا از نانوشل ها در درمان انواع متاستاز یافته سرطانها و همچنین درمان دیابت نیز استفاده شده است.
از نانوشل ها برای اهداف تشخیصی نیز استفاده شده است. از آن جمله از نانوشل های طلا برای ردیابی ایمونو گلوبین ها استفاده شده است. در این روش ایمونوگلوبین مورد نظر به نانوشل حاوی طلا متصل شده و وارد بدن می گردد. از نانوشل های طلا با ابعادی استفاده می شود که قادر به جذب طول موج قرمز نزدیک باشند.
نانوشل ها پس از ورود به بدن، در تمام بدن به گردش درمی آیند و بنابراین می توان با تاباندن امواج مادون قرمز نزدیک جایگاه آنها را در هر لحظه از بدن تعیین کرد. یک مزیت عمده این کار دقت بالای این روش است، به طوری که به کمک آنها می توان ایمونوگلوبین را در غلظت های نانوگرم در میلی لیتر در پلاسما و خود ردیابی کرد.

نانوحباب ها

نانوحباب ها ساختمان هایی به شکل حباب هستند که می توان داروهای ضد سرطان را در آنها قرار داد. نانوحباب ها در درجه حرارت اتاق پایدارند اما بعد از ورود به بدن، در درجه حرارت بدن به یکدیگر متصل شده و میکروحباب ها را ایجاد می کنند. مزیت نانوحباب ها آن است که به کمک فراصوت می توان آنها را به طور انتخابی در بافت مورد نظر فعال کرد. در این روش یک داروی ضد سرطان، مثل دوکسوروبیسن، در داخل نانوحباب ها قرار می گیرد و سپس وارد بدن می گردد. در بدن و در اثر درجه حرارت فیزیولوژیک بدن، این نانوحباب ها به یکدیگر متصل شده و میکروحباب ها را تشکیل می دهند، این میکروحباب ها سایز بزرگتری داشته و بنابراین از غشاء بسیاری از سلولها عبور نمی کنند یا به سختی عبور می کنند، در حالی که غشاء ناپایدار سلولهای توموری به راحتی اجازه عبور به این ذرات را می دهند، بنابراین غلظت آنها در سلولهای سرطانی به مراتب بیشتر از سایر بافت ها خواهد بود. سپس با تابش فراصوت این میکروحباب ها تخریب شده و دارو آزاد می گردد.
با توجه به آنکه دارو در این روش تقریبا به طور کامل در بافت هدف آزاد می شود، اثر بخشی دارو بسیار زیاد خواهد بود و عوارض جانبی دارو به شدت کم می شود. تاکنون در چندین مطالعه، اثربخشی آنها در درمان انواع سرطان ها مورد بررسی قرار گرفته و نتایج امیدوار کننده ای نیز به دست آمده است. علاوه بر این، از نانوحباب ها به عنوان ناقل در ژن درمانی استفاده شده است .در مطالعات in vitro و in vivo انتقال ژن ها به کمک نانوحباب ها و در حضور فراصوت به خوبی صورت گرفت.
یکی دیگر از کاربردهای نانوحباب ها در پزشکی، استفاده از آنها در حذف لخته های خونی در رگ هاست. در این روش که «سونوترمبولیز» نامیده می شود از ناحباب ها و فراصوت برای حذف لخته خونی استفاده می شود.این روش این مزیت را دارد که غیرتهاجمی است و همچنین کمتر باعث تخریب اندوتلیوم عروق خونی می شود.

نانوذرات پارامغناطیس

از نانوذرات پارامغناطیس برای تشخیص و درمان استفاده شده است. در زمینه تشخیصی، از نانوذرات پارامغناطیس اکسید آهن به عنوان ماده حاجب در تصویربرداری MRI استفاده شده است. این ذرات نسبت به مواد حاجب مرسوم حساسیت بیشتری دارند.
این نانو ذرات قادر خواهند بود بافت و اندام اختصاصی خود را هدف گیری کنند. از نانو ذرات پارامغناطیسی متصل شده به آنتی بادی HER-2/neu (اختصاصی سرطان پستان) برای ردیابی سلولهای سرطانی پستان در تصویربرداری MRI در in vitro استفاده شده است. یکی از محدودیت های پیش رو در این روش، حذف نانوذرات توسط ماکروفاژهای بدن است که باعث می شود عمر این ذرات در بدن کاهش یافته و اثربخشی آنها نیز کاهش یابد. برای جلوگیری از این مشکل، چندین راهکار به کار گرفته شده اند، از جمله مشخص شده است که دارویی مثل لووستاتین قادر است میزان بلع نانو ذرات توسط ماکروفاژها را کاهش دهد. همچنین مشخص شده است تغییر بار سطحی نانوذرات به سمت خنثی، از طریق اتصال کووالانسی با مواد شیمیایی، می تواند موجب افزایش زمان در گردش خون نانو ذرات شود.
علاوه بر این ها از نانو ذرات پارامغناطیسی، برای تصویربرداری از مغز و همچنین برای شناسایی پروتئین هایی مثل آنتی ژن اختصاصی پروستات استفاده شده است.
از نانو ذرات مغناطیسی برای درمان سرطان نیز استفاده شده است. برای این منظور، در یک مطالعه نانو ذرات مغناطیسی آهن به آنتی بادی مونوکلونال متصل شده و به بافت مورد نظر منتقل شدند. سپس تحت تاثیر میدان مغناطیسی خارجی، گرمای شدید در این نانو ذرات اعمال شد که این افزایش درجه حرارت موجب مرگ سلول های سرطانی شد.

نانو زوم ها

رائول کوپلمن و همکارانش در دانشگاه میشیگان روی نانو زوم ها کار کرده اند. این نانوزوم ها در کاربردهای مختلف پزشکی مثل هدف گیری، تشخیص و درمان به کار گرفته شده اند. از مهمترین کاربردهای آنها می توان به درمان تومورهای مختلف از جمله تومورهای CNS (سیستم اعصاب مرکزی) اشاره کرد. در این روش نانو ذرات اکسید آهن پوشیده شده با سیلیکا و پلی اتیلن گلیکول، که به آنتی بادی های اختصاصی و عناصر متمایز کننده مثل گادولینیوم متصل شده اند، برای دستیابی به مناطق اختصاصی مغز مبتلا به تومور استفاده شده اندو ساختمان ویژه این نوع نانوذرات و حضور عوامل هدف گیری کننده اختصاصی بافت، به علاوه عناصر متمایز کننده، موجب بهبود ردگیری این ذرات در تصویربرداری MRI شده است. در موارد درمانی، با استفاده از تابش لیزر ذرات اکسید آهن را گرم کرده و گرمای ایجاد شده موجب مرگ سلول های حاوی آنها (سلول های سرطانی) می شود. یکی دیگر از روش های استفاده از نانوزوم ها در درمان سرطان، قرار دادن کاتالیت های نوری مخصوص در این نانوذرات است این کاتالیت های نوری هنگامی که با نور تحریک می شوند گونه های واکنشگر اکسیژن را تولید می کنند و بافت هدف را تخریب می کنند. یکی از مزایای این روش نسبت به روش های مرسوم شیمی درمانی، ایمنی بیشتر آنها و عوارض جانبی بسیار کمتر آنهاست، ضمن اینکه مقاومت دارویی به این روش درمانی حاصل نمی شود. در حالی که مشکل مهم داروهای شیمی درمانی، مقاوم شدن سلول های سرطانی به این داروها است.

دندریمرها

دندریمرها دسته خاصی از ماکرو ملکول های پلیمری شاخه دار هستند که از مرکز آنها چندین بازو به سمت خارج ایجاد شده است. تعداد شاخه ها (بازوها) اندازه دندریمرها را تعیین می کند که قابل کنترل است. شاخه ها به شکل ساختار کروی از مرکز دندریمرها به سمت خارج و به وسیله فرآیند پلیمریزاسیون ایجاد می شوند. این حالت منجر به تشکیل حفره هایی در دندریمرها می شود که می تواند برای انتقال دارو استفاده شود. پایانه های ملکول دندریمر می تواند به ملکول های دیگری برای انتقال متصل شود. این ملکول ها به دندریمرها کاربردهای عملی مختلف می دهند. تکنودندریمرها (Tectodendrimers) مجموعه دندریمرهایی هستند که هر جزء دندریمری آنها یک فعالیت ویژه مثل هدفگیری، تشخیص وضعیت بیماری، انتقال دارو و تصویربرداری را دارد. این نانو ابزارها کاربردهای بالقوه ای در شیمی درمانی سرطان به عنوان یک دارو درمانی هدف دار دارند.
دندریمرها همچنین می توانند جایگزین ناقل های ویروسی رایج در ژن درمانی شوند. آنها توسط آندوسیتوز وارد سلولها شده و قطعه ای از DNA را که باید رونویسی از روی آن صورت گیرد، وارد سلول می کنند. مزیت عمده این روش ژن درمانی آن است که در این حالت سیستم ایمنی بدن تحریک نمی شود. دندریمرها در انواع سلول های پستانداران و در مدل های حیوانی مورد آزمایش قرار گرفته اند و موفقیت های چشمگیری هم به همراه داشته اند.
از دندریمرها برای درمان عفونت های ویروسی (خانواده رتروویروس ها) نیز استفاده شده است. رتروویروس ها دسته ای از RNA ویروس ها شامل ویروس ایدز (HIV) هستند. داروهای بر پایه دندریمرها، برای درمان نوع میمونی HIV موفق عمل کرده اند.
نوعی از دندریمرها به نام دندریمرهای PAMAM با اتصال به داروهای ضد سرطان مثل سیس پلاتین در درمان سرطان به کار گرفته شده اند. در یک سری مطالعات دیگر نیز از داروهای سرطان دیگر مثل آدریامایسین و متوترکسات متصل به دندریمرها برای این منظور استفاده شده است.
در مطالعات دیگر محققان از دندریمرها برای از بین بردن میکروب ها استفاده کرده اند. از آن جمله «کالابرتا» و همکارانش خواص آنتی باکتریال دندریمری PAMAM و مشتقات پوشیده شده با پلی اتیلن گلیکول آن را گزارش کردند. خواص آنتی باکتریال علیه باکتری های گرم مثبت مثل استافیلوکوک و باکتری های گرم منفی مثل سودومونا مشاهده شد. هرچند پوشش پلی اتیلن گلیکول دندریمر، که سمیت سلولی دندریمرهای PAMAM را کاهش می دهد اثر بخشی علیه باکتری های گرم مثبت را کاهش می دهد، اما تاثیری بر اثربخشی این دندریمرها بر باکتری های گرم منفی مثل سودومونا ندارد.
از دیگر کاربردهای دندریمرها در پزشکی می توان به استفاده از آنها به عنوان مواد حاجب در تصویربرداری های پزشکی اشاره کرد. دندریمرهای 4.1- دی آمینو بوتان (PAMAM) و DAB برای این منظور در دسترس هستند. دفع کلیوی دندریمرها مهمترین راه دفع این ترکیبات از بدن است و وابسته به اندازه ذره است. بیش از 60 درصد دندریمرهای DAB و PAMAM ، طی 15 دقیقه بعد از تزریق از جریان خون حذف می شوند. دندریمرهای کوچکتر از نظر اندازه خیلی زود از طریق کلیه ها دفع می شوند، اما دندریمرهای دارای بار سطحی و یا سطح آب گریز به سرعت از طریق کبد دفع می شوند. دندریمرهای دارای سطح دوست از دفع کلیوی در امان می مانند و زمان در گردش طولانی تری دارند.
دندریمرهای کاتیونی دارای پتانسیل بیشتری برای ایجاد سمیت سلولی، در مقایسه با دندریمرهای آنیونی و دندریمرهای PAMAM هستند. به نظر می رسد دندریمرهای کاتوینی موجب ناپایداری غشاء سلولی و تجزیه سلول می شوند. سمیت دندریمرها به اندازه ذره بستگی دارد و با افزایش اندازه این ذرات افزایش می یابد. سمیت سلولی آنها را می توان با اصلاح سطحی دندریمرها، مثل افزودن پلی اتیلن گلیکول یا اسیدهای چرب، کاهش داد.

فن آوری نانو در ژن درمانی

ژن درمانی یک دستاورد نسبتا جدید در درمان بسیاری از اختلالات با منشأ ژنتیکی مثل دیابت، فیبروز کیستی و... است. ناقل های ویروسی که برای انتقال ژن ها استفاده می شوند، از نظر ایمنی با خطرات بالقوه ای همراه هستند و همچنین می توانند موجب تجریک سیستم ایمنی و تولید آنتی بادی علیه این ناقل های ویروسی شوند.
از طرف دیگر، DNA برهنه (DNAفاقد پوشش) به علت بار منفی خود، قادر نیست از سطح غشاء سلولی که آن هم دارای بار منفی است، عبور کند. از این رو استفاده از نانو ذرات در انتقال ژن ها مورد توجه فراوانی قرار گرفته است. لیپوزوم هایی با اندازه کوچکتر از100 نانومتر می تواند برای انتقال ماده ژنتیکی به داخل سلول ها استفاده شونتد. لیپوزوم هایی که به پلی اتیلن گلیکول و گالاکتوز ملحق شده اند به طور موثری سلول های کبدی را هدف گیری می کنند زیرا سلول های کوپفر کبدی به سرعت آنها را جذب می کنند. بنابراین ژن درمانی به کمک این لیپوزوم ها در اختلالات مختلف کبدی مثل بیماری ویلسون و هموکروماتوز ارثی مورد بررسی قرار گرفته است.
در یک مطالعه محققان از نانو ذرات کیتوزان برای انتقال ژن انسولین انسانی به موش ها، از طریق مجاری گوارشی استفاده کردند. آنها دریافتند در این موش ها قند صبح ناشتا به شدت کاهش می یابد و سطوح انسولین پلاسمایی و همچنین بیان MRNA ژن انسولین انسانی به شدت افزایش می یابد. این مطالعه می تواند به کشف راه های درمانی جدید برای درمان دیابت کمک کند.
منبع: نشریه اطلاعات علمی شماره8