X
تبلیغات
رایتل

بیوتکنولوژی

امین جعفری طهرانی (کارشناس ارشد بیوتکنولوژی)

نگاهى به کاربردهاى نانوتکنولوژى در علوم زیستى

 

سوار بر ذرات نانو

مرتضى پیرعلى*

 نانوتکنولوژى، فناورى جدیدى است که در ارتباط با کاربرد ذرات ریز در حد نانومتر قرار مى گیرد. به نظر مى رسد که فناورى نانو در آینده در زمینه هاى گوناگونى مانند مواد، تجهیزات و سیستم ها توسعه چشمگیرى پیدا کند. در بین این زمینه ها نانومواد، هم در عرصه تولید دانش و هم در جنبه هاى عرضه تجارتى از رشد و گستردگى بالاترى برخوردار شده است. در یک دهه قبل ذرات نانو به علت جذابیتى که در مطالعه خواص فیزیکى آنها وجود داشت بیشتر مورد توجه قرار گرفت. لذا به این دلیل این مواد در حال حاضر به صورت تجارتى در دسترس قرار گرفته اند. ارگانیسم هاى حیاتى از سلول هایى تشکیل شده اند که به طور کلى داراى دیواره هایى به ضخامت ۱۰ میکرومتر هستند. اما اجزاى این سلول ها بسیار ریزتر و در حد نانومتر هستند. برخى از پروتئین هاى درون سلول تقریباً ۵ نانومتر هستند، یعنى در حد کوچکترین ذرات ناتو ساخت دست بشر هستند. از این مقایسه ابعاد چنین مى توان برداشت کرد که برخى پروتئین ها را مى توان تحت کنترل قرار داد و یا به بیانى از این ذرات به عنوان پروب هاى سلولى براى تحریک پروتئین ها استفاده نمود. در واقع کشف حقایق مربوط به فرآیندهاى بیولوژیک درون سلول ها در ابعاد نانو از مهم ترین علل تمایل و توجه به فناورى نانو و تحقیق و توسعه در این زمینه است. قطع نظر از تمایلى که به مطالعه خواص فیزیکى ذرات نانو وجود دارد، توجه به اثرات مغناطیسى و خواص نورى مربوط به ذرات نانو از مهم ترین زمینه هاى کاربرد این ذرات به حساب مى آیند. از طریق ذرات هیبریدشده نانو مى توان به ساختارهاى نوین با خواص جدید الکترونیکى، نورى _ الکترونیکى و ذرات هوشمند دست یافت. در اینجا در ابتدا به سابقه و کاربرد قبلى ذرات نانو در علوم زیستى و پزشکى مى پردازیم و سپس سعى مى نماییم تا تلاش هایى که در این زمینه در دست است عرضه شود و سپس به امکان رسیدن فرآورده هاى نانو به بازار مصرف خواهیم پرداخت. • کاربردهاى ذرات نانو در اینجا به برخى از کاربردهاى این نوع ذرات در علوم زیستى و پزشکى اشاره مى شود. برخى از مهمترین آنها عبارتند از: کاربرد در داروسازى و ژن درمانى، تهیه مارکرهاى فلورسانس بیولوژیک، ردیابى بیولوژیک عوامل بیمارى زا، ردیابى پروتئین ها، پروب نمودن ساختار DNA، مهندسى بافت، نابود کردن تومورها از طریق گرمایش سلولى (hyper thermia)، جداسازى و خالص نمودن مولکول هاى زیستى و سلول ها، ازدیاد کنتراست (زمینه سازى) در تصویربردارى پزشکى (MRI) و نهایتاً مطالعه سرعت رفتارهاى سلولى و Phago-kinetic. همان طور که اشاره شد تولید ذرات نانو در ابعاد پروتئین هاى سلولى سبب شده است تا از آنها به عنوان مارکرهاى زیستى استفاده شود. البته اندازه ذره براى موادى که مى بایست در سیستم هاى بیولوژیک وارد و تاثیرگذار باشند شرط اول مطالعه است. لذا براى تماس موثر و تداخل با هدف هاى بیولوژیک و یا پوشش دادن مولکول هاى زیستى به منظور طراحى آنها به عنوان هدف هاى غیرآلى _ زیستى مى بایستى ذرات نانو را به طرز موثرى تهیه کرد تا قابلیت برقرار نمودن این نوع تداخلات و یا چسبیده شدن را داشته باشد. مثال این نوع فعالیت ها در پوشش دادن آنتى بادى ها، بیوپلیمرهاى شبیه کلاژن و یا پوشش دادن به ذرات ریزى که مانند بیومواد عمل نمایند است. در عرصه فعال نمودن خواص نورى ذرات بیولوژیک، ذرات نانو مى بایستى که توانمندى تغییر خواص نورى بیومواد را آنچنان داشته باشند تا بتوانند آنها را از نظر خواص فلورسانسى قابل ردیابى نمایند. در هر صورت ذرات نانو مى توانند در تشخیص شکل سلول ها، ردیابى فرآیند هاى سیگنالینگ، عمل آنتى ژن ها و به عنوان عوامل قابل اتصال (linkers) در علوم سلولى به کار برده شوند، غالباً نانو- ذرات به صورت یک هسته تشکیل دهنده از مواد بیولوژیک که سطح آن با مواد ساده و یا ترکیبات غیر آلى و بیوپلیمرى پوشش داده شود تشکیل شده است. همچنین شکل ذرات نانو بیولوژیک مى تواند به صورت یک ریز ذره پوشش داده شده با یک غشا و یا لایه از مواد موثر وجود داشته باشد. ذرات به صورت کروى، استوانه اى، دیسک مانند و یا فرم هاى دیگرى مى تواند باشد. در مواردى که میزان نفوذ به درون لایه و غشاى خاصى مطرح باشد، سایز ذره و یا نوع توزیع ذرات نیز مى بایستى متناسب با جنبه کاربردى آن باشد. زمانى که کنترل اندازه ذرات توسط روش هاى دقیقى مانند روش quantum- sized effects مى بایستى اندازه گیرى شود، سایز ذرات و نوع توزیع اندازه ذرات آن بسیار مهم خواهد بود. به طورى که کنترل معدل اندازه ذرات مناسب و توزیع بسیار نزدیک به هم سایز ذرات سبب نشر نور فلورسانس در یک باند باریک و بسیار قوى و حاصل جذب طول موج هاى مختلف در پهنه وسیع ترى از انواع طول موج ها مى شود. این نوع توزیع مناسب و یکنواختى اندازه ذرات در تشخیص بیومارکرها از طریق ایجاد رنگ هاى مشخص کمک مى کند. در هر صورت هسته ذرات نانو مى تواند از لایه هاى مختلفى تشکیل شود و لایه هاى داراى خواص مغناطیسى و Luminescent که هر دو در ردیابى و تشخیص ذرات نانو کاربرد دارند به کار برده شوند. غالباً هسته ذرات نانو توسط پوشش هاى تک لایه اى از مواد غیر فعالى مانند سیلیکا پوشش داده مى شوند. مواد آلى مختلفى را مى توان روى این سطوح سیلیکایى سوار نمود، همچنین مى توان با نشاندن سایر مواد زیست سازگار بر روى این سطوح آنها را به منظور خاص اصلاح ساختارى نمود. در هر صورت نشاندن و سوار کردن سایر Linker ها در این موارد متداول است. در حال حاضر گروه هاى مختلفى از مواد وجود دارند که بر روى سطح نانو- ذرات قابل سوار شدن هستند. آنتى بادى ها، مواد فلوروژنیک و سایر ترکیبات زیست سازگار از این قبیل هستند. • نوآورى هاى جدید «مهندسى بافت» جدار طبیعى استخوان ها داراى ضخامتى به میزان ۱۰۰ نامتر است. اگر سطح یک ایمپلنت استخوان مصنوعى صاف و یکنواخت باشد، بدن آن را بعد از پیوند پس مى زند و نمى پذیرد. لذا سعى مى شود تا سطح نرم و صاف ایمپلنت استخوان هاى مصنوعى طورى همگون با فضاى مجوف بافت طبیعى تهیه شود. این نوع طراحى سبب تماس کمتر بافت ایمپلنت با بافت اصلى بدن مى گردد و لذا احتمال نپذیرفتن پیوند کاهش مى یابد. در جراحى ها و استفاده از پروتز زانو و لگن نشان داده شده است که با ایجاد ناهموارى هایى در ابعاد نانو در سطح ایمپلنت امکان ایجاد حالت تحریک استئوبلاست ها و یا پس زدن پروتز کاملاً کاهش مى یابد. استئوبلاست ها سلول هاى استخوان مسئول رشد و نمو استخوان ها هستند. این اثرات با به کار بردن مواد بیوپلیمرى، سرامیکى و مواد فلزى مورد تجربه واقع شده است. در آزمایشگاه توانسته اند بیش از ۹۰ درصد سلول هاى استخوانى انسان را با مواد فلزى نانو همراه نمایند. اما در عمل نمى توان بیش از ۵۰ درصد سلول ها را با مواد نانو همراه نمود. این یافته ها سبب خواهد شد تا در اعمال جراحى تعویض زانو و استخوان لگن از ایمپلنت هاى با طول اثر بیشتر و ماندگارى بالاتر استفاده شود. تیتانیوم یک ماده کاملاً شناخته شده اى است که در ارتوپدى و دندانپزشکى کاربرد دارد. این ماده به علت سبک بودن با قابلیت مقاومت بالایى که در برابر شکستگى دارد براى سوار شدن روى استخوان ها مناسب است. اما متاسفانه معایبى نیز دارد. در عوض آپاتیت ماده اى است که کاملاً بیواکتیو است و به استخوان نیز به راحتى متصل مى شود. لذا در گذشته تلاش ها و تکنیک هاى زیادى براى پوشش دادن تیتانیوم با آپاتیت انجام شده است. البته این نوع مواد حاصل از پوشش دادن ها نیز خود از عدم مزیت هایى مانند عدم ضخامت یکنواخت پوشش آن و عدم مقاومت در برابر شکستگى ها برخوردار است. ساختار متخلخل و مجوف پروتز ها براى انتقال مواد لازم براى رشد سلول ها ضرورى به نظر مى رسد، استخوان به طور طبیعى یک ماده نانوکامپوزیتى است که از کریستال هاى هیدروکسى آپاتیت درون یک ماتریکس آلى و سرشار از کلاژن تشکیل شده است. خوشبختانه جنس استخوان طورى است که در واقع محکم و داراى خواص پلاستیک است و این امر سبب مى شود تا در صدمات مکانیکى قابلیت ترمیم را داشته باشد. هنوز مکانیسم دقیق عملکرد نانومواد که دقیقاً شبیه استخوان عمل نمایند به طور مشخص روشن نیست. نوعى مواد تلفیق شده ذرات سرامیکى و پلى متیل متاآکریلات به صورت کوپلیمر ارائه شده است. به طورى که توانسته اند از این ماده یک حالت رفتارى ویسکوالاستیک شبیه دندان هاى طبیعى انسان را ببینند. با استفاده از این ماده توانسته اند مقاومت روکش هاى دندانى را در برابر ساییدگى و گرما افزایش دهند. • درمان سرطان روش درمان فتودینامیک سرطان بر مبناى نابود کردن سلول هاى سرطانى و بر مبناى تولید اکسیژن هاى اتمى که سیتوتوکسیک است انجام مى شود، سلول هاى سرطانى رنگ هاى حاوى مواد تولید کننده اکسیژن هاى اتمى را نسبت به سلول هاى سالم بیشتر برداشت مى کنند. لذا سلول هاى سرطانى فقط در معرض تابش اشعه لیزر قرار خواهند گرفت. اما مقادیر باقى مانده از رنگ هاى درمانى تولید کننده اتم هاى اکسیژن فعال متاسفانه به سطح پوست و چشم ها رسیده و سبب مى شوند تا بیماران نسبت به در معرض قرار گرفتن در مقابل نور حساسیت نشان بدهند. به منظور جلوگیرى از این عارضه ناخواسته مولکول هاى رنگ اصلاح شده و با خواص آب گریزى بیشتر به درون نانوذرات متخلخل قرار داده مى شوند. به این ترتیب رنگ درون ذرات نانو باقى مى ماند و مانع از دسترس قرار گرفتن در سطح سلول ها مى شود. اما خاصیت تولید اتم اکسیژن آن ثابت باقى مى ماند. لذا با تابش اشعه لیزر اتم هاى اکسیژن تولید شده شروع به خروج از محفظه هاى یک نانومترى ذرات نانو مى نمایند. • سیستم کد رنگ هاى مجزا براى تشخیص هاى بیولوژیک با پیشرفت هایى که در زمینه ژنومیکس و پروتئومیکس صورت گرفته هر روز به تعداد ژن هایى که کشف مى شوند افزوده مى شود. لذا نیاز به سرعت در تشخیص افزایش مى یابد. زمانى که تعداد آزمایشات بر مبناى عوامل تاثیر گذار متجاوز از هزاران فاکتور باشد، سرعت تشخیص مى بایستى از فناورى هاى پیشرفته داراى سرعت عمل زیاد برخوردار باشد. به کمک سیستم بارکد ذرات محلول پلیمرى و بر مبناى روش هاى سه بعدى نورسنجى شاید بتوان با کمک عوامل مشخص برخى از ردیابى ها را انجام داد. به کمک نقطه هایى کوانتومى (quantum dots) مربوط به ترکیبات نیمه هادى ها اخیراً ردیابى جدیدى به جاى رنگ سنجى انجام شده که اصطلاحاً به نام کاربرد برچسب هاى بیولوژیک boi-tagging نامیده مى شود. این تکنیک با یک گام بالاتر تلفیقى از اندازه ذرات متفاوت و نقاط کوانتومى داراى فلورسانس مشخص را با هم در نانوذرات پلیمرى به خدمت گرفته است. در این روش شش نوع رنگ و با ۱۰ شدت متفاوت به دست مى آید و از مقایسه آنها با نقاط کوانتومى شاهد مى توان به خواص مواد پى برد. • کاربرد مولکول هاى زیستى در سلو ل ها اخیراً نانوذرات مغناطیسى کاربرد هاى جالبى در زمینه جداسازى سلول ها و تشخیص آنها یافته اند. اکثر ذرات مغناطیسى نانو که به این منظور تهیه شده اند کروى شکل هستند. در مقابل ذرات مستطیل شکل را نیز مى توان به کمک نانوذرات و آلومینا تهیه کرد. با درک بیشتر از شیمى سطوح در مورد اتصال برقرار کردن ذرات فلزى مى توان آنها را بر روى عوامل مختلف مستقر کرد. به طور مثال پورفیرین ها را مى توان به کمک اتصال دهنده هاى داراى گروه تیول و یا کربوکسى با فلزاتى مانند نیکل و یا طلا متصل کرد. به این ترتیب مى توان رشته سیم هاى مغناطیسى حاوى نانو ذرات که خواص فلورسانس داشته باشند را تهیه کرد. به علت کوچک بودن سطح این نانو ذرات قدرت میدان مغناطیسى آنها بسیار بالا خواهد بود. بنابراین با اعمال میدان مغناطیسى بسیار ضعیفى آنها را مى توان به حرکت درآورد. به طورى که نشان داده شده است جهت و حرکت این رشته هاى مغناطیسى نانو را مى توان به کمک کمترین میدان مغناطیسى تغییر داد. با این فرایند شاید بتوان شکل سلول ها را تغییر داد.

• ردیابى پروتئین ها پروتئین ها بخش مهمى از ساختار سلول هستند و دریافت نحوه عملکرد آنها براى بشر بسیار مهم است. نانوذرات طلا به طور گسترده اى براى شناسایى تداخل پروتئین- پروتئین مهم است. روش هاى موجود براى دنبال کردن ساختارهاى پروتئین زیاد نیستند. روش اسپکتروسکوپى رامان براى ردیابى پروتئین ها یک روش متداول است. با به کارگیرى هر دو روش با هم شاید بتوان ردیابى پروتئین ها را با دقت بیشترى انجام داد. در حال حاضر با فناورى نانوذراتى از طلا به ابعاد ۱۳ نانومتر و با روکش اولیگونوکلئوتیدى تهیه شده اند که قابلیت ردیابى را دارند. اگر این ذرات در مجاورت نقره و هیدروکینون قرار گیرند قابلیت آن را خواهند یافت تا در ردیابى توسط میکروسکوپ رامان مشاهده شوند. قطع نظر از قدرت تشخیص برخى از مولکول هاى کوچک چنانچه این ذرات با آنتى بادى هاى اختصاصى نیز همراه باشند قابلیت اتصال به پروتئین هاى اختصاصى را خواهند یافت. • کشفیات قابل دسترس و آینده برخى از شرکت ها یافته هاى خود را در زمینه نانوفناورى در دسترس دیگران قرار داده اند. اغلب این شرکت ها نانوفناورى را به منظور دارورسانى نوین براى داروها استفاده مى کنند. برخى از آنها نانوکریستال هاى نیمه هادى را براى تهیه برچسب هاى بیومولکولى استفاده کرده و برخى احیاناً براى تهیه متصل شونده هاى بیولوژیک به همراه نانوذرات طلا براى مشخص کردن اجزاى سلولى تلاش کرده اند. تعدادى از شرکت ها نیز در تهیه بیومواد نانوسرامیکى براى مهندسى بافت و یا تهیه پروتزهاى ارتوپدى فعالیت مى کنند. اغلب شرکت هاى دارویى در زمینه دارورسانى نوین و تهیه فرمولاسیون هایى از نانوذرات تلاش کرده اند. نقره کلوئیدى به طور گسترده در تهیه عوامل ضدمیکروبى در فرمولاسیون ها همراه پوشش ها استفاده شده است. همچنین ذرات تیتان نیز که توسط تابش خودبه خودى آن و یا تاثیر تابش ماوراى بنفش فعال شوند به منظور استفاده از اثر ضدمیکروبى آنها در فیلترها استفاده شده است. علاوه بر این از خواص سطوح فعال سرامیک هاى نانو و یا فلزاتى از قبیل پلاتین براى از بین بردن توکسین ها و یا مواد آلى کشنده دیگر استفاده شده است. در حال حاضر نقطه عطف توجه فناورى نانو در علوم زیستى بیشتر در زمینه دارورسانى است. همچنین توجه خاصى به همراه کردن داروها با برخى از نانوپروب ها به منظور دارورسانى ضدسرطان علیه تومورها و یا نابودسازى آنها وجود داشته است. به نظر مى رسد که تلاش هاى آتى براى هدایت از راه دور فعال سازى نانو مواد توسط برخى از روش هاى سیگنالینگ براى تهیه نانو وسیله ها جهت گیرى شده باشد. *دانشیار دانشکده داروسازى دانشگاه تهران شرق آنلاین

تاریخ ارسال: شنبه 10 بهمن‌ماه سال 1388 ساعت 11:24 ق.ظ | نویسنده: امین جعفری طهرانی | چاپ مطلب
نظرات (1)
شنبه 10 بهمن‌ماه سال 1388 04:45 ب.ظ
ali mahrooz [ ]
امتیاز: 0 0
لینک نظر
سلام خوبی وبلاگ خیلی خوب وقشنگی داری خوشحال میشم اگه به سایت من هم سر بزنی در مور فروش اکانت های رپیدشیر و مگا آپلود هستش. منتظرتم راستی میشه یه لینک از سایت من تو وبلاگت بدی با همین عنوان فروش اکانت های رپیدشیر و مگا اپلود ؟ ایشالا جبران میکنم مرسی فعلا بای http://www.byrapid.com
برای نمایش آواتار خود در این وبلاگ در سایت Gravatar.com ثبت نام کنید. (راهنما)
نام :
پست الکترونیک :
وب/وبلاگ :
ایمیل شما بعد از ثبت نمایش داده نخواهد شد