تصویر بردارى زیستى به کمک نانوذرات

کاربردهاي بيومديکال نانوذرات در تصوير برداري مولکولي، دارورساني و درمان باعث ظهور زمينه “نانوپزشکي” شده اند و پيشرفت هاي قابل توجهي در دهه هاي اخير در سراسر دنيا گزارش شده است. نسل جديدي از پروب هاي تصوير برداري (يا عوامل کنتراست) و استراتژي های نوآورانه براي تصوير برداري چند مُدی با بازده بالا توجه بسياری را به خود جلب کرده و در کاربرد های پيش کلينيکي موفق بوده است. با اين پيش زمينه در اين مقاله اصول و پيشرفت های اخير اين زمينه براي ترسيم چشم اندازی کلي مورد بحث قرار خواهد گرفت.

نانوتکنولوژی يا به عبارت ديگر نانوتک در دهه هاي اخير پيشرفت خيره کننده ای در همه زمينه های علم و فناوری از جمله زمينه های زيست شناسی و پزشکی داشته است. امروزه علم نانو تنها به سنتز، شناسايی و تهيه ساده نانومواد محدود نيست بلکه راه خود را به کاربرد های نهايی و مهندسی حتی در بخش های صنعتی همچون الکترونيک، مخابرات، انرژی، هوافضا و طبعاً زيست پزشکي گشوده است. طبق تعريف NNI ذرات نانوسايز با قطری بين ۱ الي ۱۰۰ نانومتر شناخته مي شوند. اين مواد خواص نوری، الکتريکی و ساختاري ويژه اي از خود نشان مي دهند که آن ها را از مواد با اندازه بزرگ تر و همچنين از اتم ها و مولکول هاي سازنده متمايز مي کند. استفاده از اين مواد در پزشکی هم در زمينه های پيش- کلينيکی و هم در پژوهش های کلينيکی در سراسر جهان شناخته شده است.

در دهه های اخير تکنيک های سنتی تصوير برداری برای تحقيقات روتين و استفاده های کلينيکی گسترش بسياری يافته اند. اين تکنيک ها از جمله تصوير برداری نوری، توموگرافی محاسبه شده، تصوير برداری رزونانس مغناطيسی، اولتراسوند و تصوير برداری راديوايزوتوپ به طور عام در زمينه های مختلف از تصوير برداری تحقيقاتی از حيوانات کوچک گرفته تا تصوير برداری پيش- کلينيکی و تصوير برداری کلينيکی از بدن انسان، تشخيص پزشکی و حتی درمان مورد استفاده اند.
تفاوت تصوير برداری مولکولی نسبت به تصوير برداری سنتي در پروب هايی است که به نام بيومارکر شناخته مي شوند و به طور کاملاً انتخابی با محيط اطراف اندرکنش می کنند و به نوبه خود با تغييرات مولکولی در ناحيه مورد نظر روی تصوير تأثير می گذارند.

تصوير برداری مولکولی

از ميان کاربرد هاي نانوپزشکي، تصوير برداري مولکولي يکي از زمينه هاي جذاب و در حال پيشرفت سريع است. طبق تعريف جامعه پزشکي هسته اي، تصوير برداري مولکولی “تجسم، شناخت و اندازه گيری فرآيند های زيستی در سطح مولکولی و سلولی انسان و ساير ارگانيسم هاست” زمينه ای بين رشته ای که شيمی، بيولوژی، داروسازی و پزشکی را برای تشخيص فرآيند های زيستی چه به صورت درون بافت زنده و چه به صورت آزمايشگاهی ترکيب مي کند و به کمک آن مي توان تغييرات فيزيولوژيک را تعيين کرد و براي تشخيص آناتوميک تغييرات به کار بست که اطلاعات کلينيکی قيمتي برای انتخاب استراتژی درمان در مورد بيماری های مختلف از جمله سرطان، التهاب، سکته، تصلب شريان، آلزايمر و بسياری ديگر به دست مي دهد. به علاوه نانوذرات قابل طراحي به عنوان حامل در دارورساني و همچنين حمل ژن مورد مطالعه قرار گرفته اند.

نانومواد

انتظار مي رود ذرات داراي ابعاد در محدوده نانومتری به علت داشتن خواصی چون سطح ويژه بسيار بالا و عامل دار بودن ذاتی و قابليت اصلاح ساختاری و سطحی رفتار های فيزيکی و زيستی ويژه ای از خود نشان دهند. همچنين اندرکنش آن ها با مولکول های زيستی قابل توجه است. اصلاح اين مواد براي تغيير در کينتيک دارويی، افزايش طول عمر شريانی، بهبود قابليت آن ها براي ورود به جريان خون و حصول اطمينان از پخش شدن آن ها در بافت زنده و رهاسازی کنترل شده داروی مورد نظر انجام مي پذيرد. به علاوه با جفت کردن ليگاند های هدف دار با نانومواد می توان توانايی هدف گيری دقيق ناحيه بيماری را در آن ها ايجاد نمود. در اين مقاله تنها کاربرد های تصوير برداری نانومواد مّد نظر است و از بحث بيش تر در باب دارورسانی پرهيز مي شود.

به علاوه با جفت کردن لیگاند های هدف دار با نانومواد می توان توانایی هدف گیری دقیق ناحیه بیماری را در آن ها ایجاد نمود. در این مقاله تنها کاربرد های تصویر برداری نانومواد مّد نظر است و از بحث بیش تر در باب دارورسانی پرهیز می شود در دهه های اخیر تکنیک های سنتی تصویر برداری برای تحقیقات روتین و استفاده های کلینیکی گسترش بسیاری یافته اند.

این تکنیک ها از جمله تصویر برداری نوری، توموگرافی محاسبه شده، تصویر برداری رزونانس مغناطیسی، اولتراسوند و تصویر برداری رادیوایزوتوپ به طور عام در زمینه های مختلف از تصویر برداری تحقیقاتی از حیوانات کوچک گرفته تا تصویر برداری پیش- کلینیکی و تصویر برداری کلینیکی از بدن انسان، تشخیص پزشکی و حتی درمان مورد استفاده اند.تفاوت تصویر برداری مولکولی نسبت به تصویر برداری سنتی در پروب هایی است که به نام بیومارکر شناخته می شوند

و به طور کاملاً انتخابی با محیط اطراف اندرکنش می کنند و به نوبه خود با تغییرات مولکولی در ناحیه مورد نظر روی تصویر تأثیر می گذارند.در ادامه به عنوان یک مطالعه موردی جالب، استفاده از نانوذرات اکسید آهن سوپر پارامغناطیس به عنوان عامل سازنده کنتراست در MRI مورد بررسی قرار خواهد گرفت. با پیشرفت سریع نانوتکنولوژی، روش های سنتز متفاوتی برای بدست آوردن این نانوذرات با بلورینگی، سایز و توزیع اندازه و همچنین پوشش های متفاوت گسترش یافته اند. در کمتر از یک اندازه بحرانی نانوذرات اکسید آهن دارای یک دومین مغناطیسی هستند و خاصیت سوپرپارامغناطیس از خود نشان می دهند

البته خواص مغناطیسی نانوذرات به سایز و شکل ذرات، میکروساختار و فاز شیمیایی آن ها بستگی دارد. این نانوذرات پتانسیل عظیمی برای کاربرد های زیست پزشکی گوناگون دارند که در جدول ۱ خلاصه آن ها مشاهده شد. این نانوذرات به علت داشتن میدان مغناطیسی بزرگ و همچنین خواص سطحی مناسب هم برای کاربرد های MRI درون بافت زنده و هم در آزمایشگاه مناسب اند.

بر حسب اندازه هیدرودینامیک، نانوذرات اکسید آهن به سه دسته تقسیم می شوند:هدف گیری مولکول های سطحی سلول ها با اکسید آهن ممکن است . همچنین رسپتور های خاص همچون Her-2/Neu به کمک نانوذارت آهن به صورت رزونانس مغناطیسی قابل نشان گذاری است . همچنین تشخیص مولکولی پلاک های تصلب شریانی به کمک این نانوذرات گزارش شده است.

پپتید انتخاب شده با نمایش باکتری خوار روی USPIO پیوند زده شد و نانوسیستم حاصل روی سلول های شریان سیاهرگ بطنی اندوتلیوم انسانی و سپس با MRI روی موش آزمایش شد. کاربرد های پزشکی و زیستی نانومواد (نانوذرات، نانوسیالات مغناطیسی و غیره) در سطح جهانی مورد توجه وسیع هستند. در تمام موارد اندازه، توزیع اندازه و شیمی سطح پارامتر های اساسی در کنترل و بهینه سازی اثر و زیست فعالی مواد هستند.

البته نمی توان یک نوع ماده را برای تمام کاربرد های زیستی ساخت و گسترش داد و نیاز به تحقیق و توسعه فراوان برای تبدیل کاربرد های بالقوه به فعل احساس می شود. لازم است پروتکل هایی برای سنتز و اصلاح نانومواد در کاربرد های زیستی تدوین شود. توجه به این نکته ضروری است

که دانش اثر نانوذرات بر سلامت انسان بسیار محدود است بنابراین مطالعات نانوسم شناسی روی اثرات نانوساختار های مصنوع بر ارگانیسم های زنده از اهمیت بالایی برخوردار است

همچنين جدول ۱برخی از مهم ترين نانومواد مورد استفاده در نانوپزشکی و کاربرد های آن ها را خلاصه می کند.

جدول ۱) ويژگی های چند دسته نانوذره مهم و کاربرد های زيست پزشکی آن ها

نانوذرات سوپرپارامغناطيس آهن

در ادامه به عنوان يک مطالعه موردی جالب، استفاده از نانوذرات اکسيد آهن سوپر پارامغناطيس به عنوان عامل سازنده کنتراست در MRI مورد بررسي قرار خواهد گرفت. با پيشرفت سريع نانوتکنولوژی، روش های سنتز متفاوتی براي بدست آوردن اين نانوذرات با بلورينگي، سايز و توزيع اندازه و همچنين پوشش های متفاوت گسترش يافته اند. در کمتر از يک اندازه بحراني نانوذرات اکسيد آهن داراي يک دومين مغناطيسی هستند و خاصيت سوپرپارامغناطيس از خود نشان مي دهند البته خواص مغناطيسی نانوذرات به سايز و شکل ذرات، ميکروساختار و فاز شيميايی آن ها بستگی دارد. اين نانوذرات پتانسيل عظيمی براي کاربرد های زيست پزشکی گوناگون دارند که در جدول ۱ خلاصه آن ها مشاهده شد. اين نانوذرات به علت داشتن میدان مغناطيسی بزرگ و همچنين خواص سطحی مناسب هم برای کاربرد های MRI درون بافت زنده و هم در آزمايشگاه مناسب اند. بر حسب اندازه هيدروديناميک، نانوذرات اکسيد آهن به سه دسته تقسيم مي شوند:

۱ –اکسيد آهن سوپرپارامغناطيس بسيار کوچک که قطر هيدروديناميک کمتر از ۵۰ نانومتر دارند. که البته خود به دسته های کوچک تری هم تقسيم مي شوند که از حوصله بحث خارج است.
۲ – اکسيد آهن سوپرپارامغناطيس که قطر هيدروديناميک بزرگ تر از ۵۰ نانومتر دارد.
۳ –ذرات اکسيد آهن ميکرون

نانوذرات اکسيد آهن به عنوان پروب های مولکولی در MRI

هدف گيری مولکول های سطحی سلول ها با اکسيد آهن ممکن است . همچنين رسپتور های خاص همچون Her-2/Neu به کمک نانوذارت آهن به صورت رزونانس مغناطيسی قابل نشان گذاری است . همچنين تشخيص مولکولی پلاک های تصلب شريانی به کمک اين نانوذرات گزارش شده است. پپتيد انتخاب شده با نمايش باکتری خوار روي USPIO پيوند زده شد و نانوسيستم حاصل روي سلول های شريان سياهرگ بطنی اندوتليوم انسانی و سپس با MRI روی موش آزمايش شد. 

نتيجه گيری

کاربرد های پزشکی و زيستی نانومواد (نانوذرات، نانوسيالات مغناطيسي و غيره) در سطح جهانی مورد توجه وسيع هستند. در تمام موارد اندازه، توزيع اندازه و شيمی سطح پارامتر های اساسي در کنترل و بهينه سازي اثر و زيست فعالي مواد هستند. البته نمي توان يک نوع ماده را براي تمام کاربرد هاي زيستي ساخت و گسترش داد و نياز به تحقيق و توسعه فراوان براي تبديل کاربرد هاي بالقوه به فعل احساس مي شود. لازم است پروتکل هايی براي سنتز و اصلاح نانومواد در کاربرد هاي زيستی تدوين شود. توجه به اين نکته ضروری است که دانش اثر نانوذرات بر سلامت انسان بسيار محدود است بنابراين مطالعات نانوسم شناسی روی اثرات نانوساختار های مصنوع بر ارگانيسم های زنده از اهميت بالايی برخوردار است.