نانوفناوری پزشکی

نانوفناوری پزشکی کاربرد فناوری نانو در پزشکی است. این حوزه از کاربردهای پزشکی نانومواد و دستگاه های بیولوژیکی گرفته تا بیوسنسورهای نانو الکترونی و حتی کاربردهای نانو فناوری مولکولی در آینده مانند دستگاه های بیولوژیکی، کاربردهای گسترده ای دارد. مشکلات کنونی نانوفناوری پزشکی شامل درک مسائل مربوط به مسمومیت و تاثیرات زیست محیطی نانومواد (موادی هستند که ساختار آن ها در مقیاس نانومتری، یعنی یک میلیاردم یک متر می باشد) است.در صورت ایجاد ارتباط بین نانومواد و مولکول ها یا ساختارهای بیولوژیکی می توان قابلیت هایی را ایجاد کرد. اندازه نانومواد مشابه بیشتر مولکول ها و ساختارهای بیولوژیکی است؛ بنابراین، نانومواد می توانند برای تحقیقات و کاربردهای بیولوژیکی در محیط طبیعی و آزمایشگاهی مفید باشند. ادغام نانومواد با زیست شناسی منجر به توسعه دستگاه های تشخیصی، مواد کنتراست، ابزارهای تحلیلی، برنامه های کاربردی فیزیوتراپی و انتقال دهنده های دارو( حاملین دارو) شده است.در آینده نزدیک نانوفناوری پزشکی به عنوان مجموعه ای ارزشمند از ابزارهای تحقیق و تجهیزات بالینی استفاده خواهد شد. پیشتازان ملی فناوری نانو انتظار دارند برنامه های کاربردی تجاری جدیدی در صنعت داروسازی اتفاق بیفتد که شامل سیستم های تحویل پیشرفته دارو، درمان های جدید و تصویربرداری از اندام های طبیعی است.

تحویل یا رسانش دارو:

فناوری نانو امکان ارائه دارو به سلول های خاص را با استفاده از نانوذرات فراهم کرده است. با قرار دادن عامل فعال در منطقه بیماری می توان مصرف دارو و عوارض جانبی را کاهش داد. همچنین نیازی به مصرف دوز بالاتر از مقدار مورد نیاز نیست. تحویل هدفمند دارو برای کاهش عوارض جانبی داروها و کاهش مصرف و هزینه های درمان استفاده می شود. تحویل دارو بر روی به حداکثر رساندن قابلیت زیست محیطی در مکان های خاص بدن و طی یک دوره زمانی تمرکز می کند. این کار با هدف گیری مولکولی توسط دستگاه های نانومهندسی به دست می آید. مزیت استفاده از مقیاس نانو برای فناوری های پزشکی این است که دستگاه های کوچکتر کمتر تهاجمی هستند، در داخل بدن قابل استفاده می باشند و واکنش های بیوشیمیایی در بدن بسیار کوتاهتر خواهند بود. بعلاوه این دستگاه ها سریع تر و حساس تر از تحویل داروی معمولی عمل می کنند. اثربخشی تحویل دارو از طریق نانوتکنولوژی پزشکی عمدتا بر مبنای: الف) کپسول سازی مؤثر داروها، ب) تحویل موفقیت آمیز دارو به منطقه مورد هدف در بدن و ج) آزاد شدن موفق دارو می باشد.

سیستم های تحویل دارو، نانوذرات بر پایه پلیمر یا لیپید، می توانند برای بهبود فارماکوکینتیک و توزیع بیولوژیکی دارو طراحی شوند. با این حال، فارماکوکینتیک و فارماکودینامیک نانوفناوری پزشکی در بین بیماران مختلف بسیار متغیر است. هنگامی که برای اجتناب از مکانیسم های دفاعی بدن طراحی انجام می شود،  نانوذرات دارای خواص سودمندی هستند که می توانند برای بهبود تحویل دارو استفاده شوند. مکانیسم های پیچیده از جمله توانایی دریافت دارو از طریق غشای سلولی و تحویل دارو به سیتوپلاسم سلولی تحویل دارو  را بهبود بخشیده است. پاسخ تحریک شده یکی از راه هایی است که مولکولهای دارو را به طور موثرتری مورد استفاده قرار می دهد. دارو در بدن قرار می گیرد و تنها در برخورد با سیگنال های خاص فعال می شود. برای مثال، دارویی با حلالیت ضعیف با یک سیستم تحویل دارو جایگزین خواهد شد که در آن دو محیط آب دوست و آب گریز وجود دارد و حلالیت را بهبود می بخشد. سیستم های تحویل دارو همچنین می توانند از طریق تنظیم داروهای آزاد شده، کاهش سرعت آزاد شدن دارو، کاهش حجم توزیع و کاهش تاثیر بر بافت های غیر هدف از آسیب به بافت های هدف جلوگیری کنند. با این حال، توزیع بیولوژیکی این نانوذرات هنوز با توجه به واکنش های پیچیده میزبان به مواد نانو و میکرو و مشکل در هدف قرار دادن اندام های خاص در بدن نامطلوب است. با این وجود، کارهای زیادی برای بهینه سازی و درک بهتر پتانسیل ها و محدودیت های سیستم های نانوذرات صورت می گیرد. در حالی که پیشرفت تحقیقات نشان می دهد هدف قرار دادن و توزیع می تواند توسط نانوذرات تکمیل شود، اما خطرات مواد سمی نانو گام مهم بعدی در درک بیشتر کاربرد های پزشکی این نانوذرات می باشد.

در حال حاضر تحقیقاتی بر روی نانو ذرات انجام می شود تا توانایی آن ها برای کاهش مقاومت آنتی بیوتیک ها یا استفاده از آن ها به عنوان ضدمیکروب مورد بررسی قرار گیرد. همچنین ممکن است نانو ذرات برای مکانیسم های مقاومت چند دارویی(MDR)  مورد استفاده قرار گیرد.

سیستم های تحقیقاتی:

دو نوع نانودارو که قبلا بر روی موش آزمایش شده است و در انتظار آزمایش بر روی انسان است، از غشاهای طلایی نانو برای تشخیص و درمان سرطان استفاده خواهد کرد و لیپوزوم ها به عنوان مکمل های واکسینه و حامل های دارو در این شرایط وجود خواهد داشت. همچنین، سم زدایی دارو نیز یکی دیگر از کاربردهای نانوفناوری پزشکی است که نتایج موثقی در موش نشان داده است. پیشرفت های فناوری نانو لیپید (چربی) در مهندسی پزشکی نانو دستگاه ها و سیستم های جدید تحویل دارو مانند برنامه های کاربردی در ساخت و توسعه حسگرها بسیار سودمند بوده است . مثال دیگر در خصوص دندریمر (درختپار) و نانوذرات می باشد.

نانوذرات پلیمری یک تکنولوژی رقابتی برای نانوذرات لیپیدی (بر اساس فسفولیپیدها) است. احتمال سمیت پلیمرها وجود دارد که به طور گسترده مورد مطالعه قرار نمی گیرند. مزایای عمده پلیمرها پایداری، هزینه پایین و ویژگی های قابل پیش بینی آن ها است. با این حال، در بدن بیمار این ثبات (تجزیه آهسته) یک عامل منفی است. از سوی دیگر، فسفولیپیدها لیپیدهای غشایی هستند (که قبلا در بدن و اطراف هر سلول حضور دارند) که FDA آن ها را جزو وضعیتGAS  (اصولا ایمن شناخته می شوند) می داند و از مواد طبیعی بدون ترکیبات شیمیایی پیچیده مشتق شده اند. آنها متابولیزه نمی شوند، بلکه جذب بدن می شوند و محصولات تجزیه شده خود مواد مغذی (چربی ها یا مواد مغذی) هستند.

پروتئین و پپتیدها اعمال بیولوژیکی متعددی را در بدن انسان انجام می دهند و به درمان بیماری ها و اختلالات مختلف می پردازند. این مولکولهای بزرگ داروهای زیستی نامیده می شوند. تحویل هدفمند و یا کنترل شده این داروهای زیستی با استفاده از نانوموادی مانند نانوذرات و دندرایمرها، یک حوزه در حال ظهور به نام حوزه نانوفناوری پزشکی زیستی را ایجاد کرده و این محصولات نانوداورهای زیستی نامیده می شوند.

چشم انداز دیگری که وجود دارد بر اساس سیستم های الکترومکانیکی کوچک است؛ سیستم های نانو الکترومکانیکی برای آزادسازی فعال داروها مورد بررسی قرار می گیرند. برخی از کاربردهای مهم شامل درمان سرطان با نانوذرات آهن یا پوسته های طلا می باشد.

فناوری نانو همچنین فرصت های جدیدی را در سیستم های تحویل قابل ایمپلنت ایجاد می کند که اغلب به استفاده از داروهای تزریقی ترجیح داده می شود، زیرا سینتیک های درجه اول را نشان می دهند (میزان غلظت خون به سرعت افزایش می یابد، اما در طول زمان به صورت نمایی کاهش می یابد). این افزایش سریع ممکن است باعث مسمومیت شود و ممکن است اثربخشی دارو کاهش یابد زیرا غلظت دارو کمتر از مقدار محدوده مورد نظر می شود.

کاربردهای نانوفناوری پزشکی:

برخی از داروهای مبتنی بر فناوری نانو که تجاری شده اند یا در آزمایشات بالینی انسان استفاده می شوند عبارتند از:

  • Abraxane که توسط اداره غذا و داروی آمریکا (FDA) برای درمان سرطان سینه، سرطان ریه غیر سلول کوچک (NSCLC) و سرطان پانکراس مورد تایید قرار گرفته است.
  • DOXIL در ابتدا توسط FDA برای استفاده برای سارکوم کاپوزی مرتبط با HIV مورد تایید قرار گرفت. در حال حاضر نیز برای درمان سرطان تخمدان و مولتیپل میلوما استفاده می شود. دارو در لیپوزوم قرار گرفته است، که به افزایش طول عمر دارو کمک می کند.
  • نقاط C (نقاط کورنل) کوچکترین نانوذرات مبتنی بر سیلیکات با اندازه کمتر از 10 نانومتر هستند. رنگ آلی به ذرات تزریق می شود و این رنگ توسط فلوئورسنت روشن می شود. از سال 2011 تحقیقات بالینی در حال انجام است تا بتوان از نقاط C به عنوان ابزار تشخیصی برای کمک به جراحان برای شناسایی محل سلول های تومور استفاده شود.
  • یک آزمایش بالینی اولیه با استفاده از نانوذرات Minicell برای تحویل دارو در بیماران مبتلا به سرطان پیشرفته و غیر قابل درمان انجام شده است.

سلول های توموری باکتری هایی را که از minicells  استخراج شده اند را تشخیص می دهند و آن را به عنوان میکروارگانیسم های مهاجم می شناسند و آن ها را به طور کامل می پوشانند. از طرف دیگر در داخل، داروهای ضد سرطان سلول های توموری را از بین می برند. Minicell 400 نانومتر می باشد که بزرگتر از ذرات مصنوعی برای تحویل دارو است. پژوهشگران نشان می دهند سایزهای بزرگتر minicell عملکرد بهتری در مقابل عوارض جانبی نشان می دهند زیرا minicell ها از رگ های خونی متخلخل در اطراف سلول های تومور نشت می کنند و به کبد، سیستم گوارشی و پوست نمی رسند. فاز اول معاینه کلینیکی نشان می دهد درمان برای بیمار قابل تحمل است. سیستم تحویل داروی minicell را می توان به عنوان یک تکنولوژی پایه برای درمان سرطان های مختلف با داروهای ضد سرطان متفاوت استفاده کرد که مزایایی  همچون دوز پایین تر و عوارض جانبی کمتر را دارد.

  • در سال 2014، فاز سوم کلینیکی برای درمان التهاب و درد بعد از عمل جراحی آب مروارید و فاز دوم برای درمان بیماری خشکی چشم با استفاده از نانوذرات etabonate loteprednol آغاز شد. در سال 2015، محصول KPI-121برای ایجاد نتایج مثبت بعد از درمان به وسیله عمل جراحی کشف شد.

درمان سرطان:

نانوحامل های موجود و بالقوه دارو مورد بررسی قرار گرفته اند. نانوذرات نسبت سطح به حجم بالایی دارند. این مسئله باعث می شود گروه های عامل زیادی به نانوذرات متصل شوند و به دنبال آن به سلول های تومور بچسبند. بعلاوه اندازه کوچک نانوذرات (10 تا 100 نانومتر) باعث می شود بتوانند در منطقه تومور جمع شوند (زیرا تومورها فاقد سیستم تخلیه لنفاوی موثری هستند). محدودیت های شیمی درمانی معمول شامل مقاومت به دارو، کمبود گزینش پذیری و کمبود حلالیت می باشد. نانوذرات این قابلیت را دارند که به این مشکلات غلبه کنند. در درمان با نور ،یک ذره در بدن قرار داده می شود و از بیرون به آن نور تابیده می شود. نور توسط ذره جذب می شود و اگر ذره فلز باشد، انرژی گرمایی ذره و بافت اطراف آن را گرم می کند. نور همچنین برای تولید مولکول های اکسیژن با انرژی بالا استفاده می شود که با آن واکنش شیمیایی می دهد و بیشتر مولکول های ارگانیک اطراف آن را (مانند تومورها) از بین می برد. این درمان به دلایل زیادی جالب است. این درمان مواد سمی ناشی از واکنش مولکولی (شیمی درمانی )  را در بدن باقی نمی گذارد زیرا فقط در جایی که نور می تابد و ذرات وجود دارند اتفاق می افتد. این درمان قابلیت درمان غیرهجومی تومورها و بیماری ها و رشد تومورها را دارد. درمان Kanzius RF نیز یکی از درمان های موجود است. همچنین نانوذرات طلا نیز قابلیت درمان دارند به این صورت که سلول های تومور، بافت ها و اندام های سرطانی را نشانه می گیرند.

تصویربرداری:

تصویربرداری در بافت زنده حوزه دیگری است که ابزار و دستگاه ها در آن مورد استفاده قرار می گیرند و پیشرفت خوبی در آن مشاهده شده است. در تصویربرداری سونوگرافی و MRI، استفاده از نانوذرات کنتراست باعث ایجاد تصاویر با کنتراست بالا و توزیع مناسب می شود. در تصویربرداری قلبی عروقی، نانوذرات قابلیت نشان دادن تصاویر رگ های خونی، کم خونی موضعی، رگ های خونی جدید، تصلب شریان و مناطق کانونی که تورم ایجاد شده است را دارند.

اندازه کوچک نانوذارت باعث شده در تومورشناسی، به خصوص تصویربرداری، بسیار مفید واقع گردند. هنگامی که نقاط کوانتومی (نانوذرات با ویژگی های کوانتومی) همراه با MRI استفاده می شوند، تصاویر استثنایی از محل تومور ایجاد می شود. هنگامی که نانوذرات کادمیوم سلنید (نقاط کوانتومی) در معرض نور فرابنفش قرار می گیرند گداخته می شوند. هنگامی که تزریق می شوند به طرف تومورهای سرطانی نفود می کنند. جراح می تواند تومورهای نورانی را ببیند و از آن به عنوان راهنمایی برای برداشتن دقیق تر تومور استفاده کند. این نانوذارت بسیار نورانی تر از رنگ های آلی هستند و برای برانگیزش فقط به یک منبع نور نیاز دارند. این بدین معنی است که استفاده از نقاط کوانتومی فلوئورسنت تصاویر با کنتراست بالاتر و هزینه کمتری نسبت به رنگهای آلی که به عنوان محیط کنتراست استفاده می شوند، ایجاد می کند. نکته منفی این است که نقاط کوانتومی از عناصر سمی ایجاد شده اند .

ردیابی حرکات دارو باعث می شود بتوان میزان توزیع آن را مشاهده کرد و نشان دهنده چگونگی متابولیسم عناصر است. ردیابی گروه کوچکی از سلول ها در بدن سخت است بنابراین دانشمندان از رنگ کردن سلول ها استفاده می کنند. این رنگ ها توسط نوری با طول موج مشخص تحریک می شوند و روشن می گردند. از آنجایی که رنگ های مختلف فرکانس های مختلفی از نور را جذب می کنند، تعداد منابع نور مورد نیاز به میزان تعداد سلول ها بستگی خواهد داشت. کلید حل این مشکل نشانه های لومینسان است. این نشانه ها نقاط کوانتومی هستند که به پروتئین ها متصل می شوند و به غشای سلول نفوذ می کنند. این نقاط سایزهای مختلفی دارند و از مواد زیستی تهیه می شوند و نشان می دهند رنگ مستقل از سایز و اندازه است. در نتیجه، اندازه ها انتخاب می شوند به طوری که فرکانس نور مورد استفاده برای ایجاد یک گروه از نقطه های کوانتومی فلورسنت چند برابر فرکانس مورد نیاز برای ایجاد یک گروه تابشی دیگر است. سپس هر دو گروه می توانند توسط یک منبع نور روشن شوند. آن ها همچنین راهی برای ورود نانوذرات به مناطق مورد نظر در بدن می یابند به طوری که این قسمت های بدن روشن  می شوند و رشد تومور یا کوچک شدن آن یا مشکلات اندام ها را نشان می دهند.

حسگرها:

نانوسنسور:

فناوری نانو بر روی تراشه یکی دیگر از ابعاد تکنولوژی آزمایشگاهی بر روی تراشه است. نانوذرات مغناطیسی، متصل به پادتن های مناسب، برای نشانه گذاری مولکولها، ساختار یا میکروارگانیسم ها استفاده می شوند. نانوذرات طلا با حلقه کوچکی از DNA علامت گذاری شده اند و برای تعیین مراحل ژنتیکی در یک نمونه استفاده می شوند. کدگذاری نوری چند رنگ برای آزمایش های بیولوژیک با قرار دادن نقاط کوانتومی به اندازه های مختلف در میکروبیدهای پلیمری به دست آمده است. تکنولوژی Nanopore برای تجزیه و تحلیل اسیدهای نوکلئیک، رشته های نوکلئوتیدها را به طور مستقیم به آثار الکترونیکی تبدیل می کند. تراشه های تست سنسور حاوی هزاران نانوسیم هستند که قادر به شناسایی پروتئین ها و دیگر نشانگرهای زیستی که توسط سلول های سرطانی باقی مانده اند می باشند و می توانند سرطان را در مراحل اولیه با استفاده از چند قطره خون بیمار تشخیص دهند. فناوری نانو در پیشبرد استفاده از آرتروسکوپ ها کمک میکند؛ آرتروسکوپ ها ابزارهایی به اندازه مداد هستند که در جراحی با نور و دوربین استفاده میشوند، بنابراین جراحان میتوانند جراحی را با برشهای کوچکتر انجام دهند. هرچه برش کوچکتر باشد بهبود سریع تر اتفاق می افتد که برای بیماران بهتر است. همچنین این تکنولوژی کمک می کند راهی برای ایجاد یک آرتروسکوپ کوچکتر از یک رشته مو یافت شود.

تحقیق بر روی تشخیص سرطان مبتنی بر نانوالکترونیک منجر به آزمایشاتی می شود که در داروخانه ها انجام می شود. نتایج خیلی دقیق و محصول ارزان می باشد. آنها می توانند مقدار بسیار کمی خون بگیرند و در حدود 5 دقیقه در هر جایی از بدن سرطان را تشخیص دهند. حساسیت این آزمایش هزار بار بهتر از آزمایشات معمول آزمایشگاهی است.

این دستگاه ها با استفاده از نانوسیم ها برای شناسایی پروتئین های سرطانی ساخته شده اند. هر آشکارساز نانوسیم به یک نشانگر سرطانی متفاوت حساس است. بزرگترین مزیت آشکارسازهای نانوسیم این است که آنها را می توان برای 10 تا 100 بیماری استفاده کرد و هیچ هزینه ای برای دستگاه ایجاد نمی کنند. فناوری نانو همچنین به تومورشناسی برای تشخیص و درمان سرطان کمک می کند. در حال حاضر می توان آن را برای هر تومور برای عملکرد بهتر طراحی کرد. روش هایی کشف شده است که می توان بخش خاصی از بدن را که مبتلا به سرطان است را هدف قرار داد.

تصفیه خون:

ذرات میکرومغناطیسی ابزار تحقیقاتی برای جداسازی سلول ها و پروتئین ها از محیط های پیچیده هستند. این تکنولوژی تحت نام سلول های مغناطیسی فعال یا Dynabeads شناخته شده اند. اخیراً در مدل حیوانات نشان داده شده است که نانوذرات مغناطیسی می توانند برای حذف ترکیبات مختلفی از جمله سموم، پاتوژن ها و پروتئین ها از خون در مدار extracorporeal مشابه دیالیز استفاده شوند. در مقایسه با دیالیز، که بر اساس اصل اندازه مربوط به توزیع محلول و اولترافیلتراسیون مایع در یک غشای نیمه نفوذپذیر عمل می کند، تصفیه با نانوذرات مواد را هدف قرار می دهند. علاوه بر این، ترکیبات بزرگتر که معمولا قابل دیالیز نیستند، می توانند از بین بروند.

فرآیند تصفیه مبتنی بر نانوذرات فلزی با پوشش کربنی یا اکسید آهن با خواص آهنربایی یا فوق پارامغناطیسی است. عوامل اتصال دهنده مانند پروتئین ها، پادتن ها، آنتی بیوتیک ها، یا لیگندهای مصنوعی به صورت کووالانسی به سطح ذرات متصل می شوند. این عوامل اتصال دهنده قادر به تعامل با گونه های هدف هستند که باعث ایجاد توده های به هم چسبیده می شوند. اعمال گرادیان میدان مغناطیسی خارجی باعث اعمال نیرو بر روی نانوذرات می شود. از این رو ذرات از مایع جدا می شوند و در نتیجه از آلاینده ها پاک می شوند.

اندازه کوچک (کوچکتر از 100 نانومتر) و بزرگ سطح نانومغناطیس های کاربردی منجر به خواص سودمندی نسبت به هموپرفیوژن می شود؛  هموپرفیوژن یک روش بالینی برای تصفیه خون است و بر اساس جذب سطحی می باشد.

این مزایا عبارتند از بالا بودن نیروی اعمالی و دسترسی به عوامل اتصال، انتخاب ترکیبات هدف، انتشار سریع، مقاومت هیدرودینامیکی و دوز کم.

این روش، امکانات درمای برای درمان های عفونی سیستمیک مانند سپسیس (گندیدگی) را با از بین بردن مستقیم پاتوژن ارائه می دهد. همچنین می تواند برای حذف انتخابی سیتوکین ها یا اندوتوکسین ها یا برای دیالیز ترکیباتی که با روش های سنتی دیالیز قابل دسترسی نیستند، استفاده شود. با این حال این فن آوری هنوز در مرحله پیش بالینی است و انتظار نمی رود اولین آزمایش های بالینی پیش از سال 2017 انجام شود.

مهندسی بافت:

فناوری نانو به عنوان بخشی از مهندسی بافت برای کمک به ترمیم و تشکیل دوباره بافت های آسیب دیده با استفاده از فاکتورهای رشد و چارچوب های نانومواد مناسب استفاده می شود. اگر مهندسی بافت موفق باشد می توان آن را برای درمان با استفاده از ایمپلنت های مصنوعی یا پیوند عضو استفاده کرد. نانوذراتی مانند گرافن، نانولوله های کربنی، مولیبدن دیسولفید و تنگستن دیسولفید را می توان به عنوان عوامل تقویت کننده برای ساخت نانوکامپوزیت های پلیمری زیست تجزیه پذیر قوی برای کاربردهای مهندسی بافت استخوان استفاده کرد. افزودن این نانوذرات به زمینه پلیمری در غلظت پایین (تقریباً 2/0 درصد وزنی) باعث افزایش مقاومت خمشی و فشاری نانوکامپوزیت های پلیمری می شود. این نانوکامپوزیت ها به عنوان کامپوزیت های سبک و قوی و جدید برای ایمپلنت های استخوان استفاده می شود.

بستن
بستن