[کاربردهای نانو] - نانو پزشکی

[P O U R I A]

1- مقدمه
نانوکومپوزیتهای آلی- معدنی یکی از زمینه های امیدوارکننده تحقیقاتی در شیمی مواد است. اخیرا لایه آلی هیدروکسید مضاعف، به عنوان موضوعی مهم در حوزه نانوکومپوزیت های آلی- معدنی، شیمیدانها را مجذوب خواص بی نظیراش کرده است. هیدروکسیدهای مضاعف لایه ای LDHs،که به شنهای آنیونی نیز مشهوراند، نوعی جامد لایه ای میهمان-میزبان با فرمول کلی M(II)1-X M(III)X (OH)2 (A[SUP]n-[/SUP]) × yH2O هستند که M(II)، و(M(III :کاتیون 2و3 ظرفیتی، [SUP]-[/SUP]A:آنیون میان لایه ای، n: بار یون میان لایه و x,y ثابتهای جزئی، هستند (شکل1). طیف وسیعی از LDH ها با تغییر کاتیونهای M[SUP]+3[/SUP] و[SUP]2+[/SUP]Mوآنیونهای میانی [SUP]-[/SUP]A به دست می آیند که از میان آنها، برخی زیست سازگار خواهند بود. به دلیل خصلت میان لایه سازی در LDH ها، بیومولکولها وترکیبات آنیونی سودمند مثل DNA، آمینواسید، حشره کشها، تنظیم کننده های رشدگیاهان و داروها در میان LDH قرارگرفته اند. مخصوصا به دلیل ویژگیهای برجسته ای چون افزایش خصلت انحلال، افزایش پایداری دمایی و سرعت رهاسازی کنترل شده، توجه زیادی به هیبرید LDH-دارو شده است. گروه آمبورگی، دیکلوفناک میان لایه سازی شده در Mg-Al-LDHs و مراحل رهاسازی آن را بررسی کردند. مقدار رهایش دیکلوفناک در بافر فسفات در۰/۷ =pH، بعد از10ساعت کمتر از 70 % بود. آنالیز سنتیکی اهمیت تراوش از طریق ذره را در رهایش کنترل شده دارو نشان می دهد.گروه وی آی ناپاروکسین را در Mg-Al-LDHs لایه سازی کرده و خصلت گرمایی و پتانسیل ذخیره سازی آن را، بررسی کردند [۳].

شکل1- شمایی از ساختار LDH، لایه های فلزی در بالا و پایین لایه آنیونی که در وسط قرار گرفته و مدل سه بعدی از LDH(راست)​

2-نحوه بارگیری مواد میانی و چگونگی انتقال آنها به بدن
دارو با روشهای تبادل یون یا ترسیب در بین لایه هیدروکسید قرار می گیرد. LDH ها به عنوان ناقلهای معدنی محلول برای ژنها، DNA و دارو عمل می کنند. LDHها هدفدار تهیه شده و کاربردهای وسیعی در اهداف کاتالیتیکی و بیوفارماکوتیکال دارند. از دیدگاه فارماکوتیکال توجه زیادی به LDH ها شده و آنها به عنوان عاملهای ضد اسید در فرمولهای تجاری کاربرد دارند. علاوه براین هیبریدهای LDH با داروهای ضدالتهاب، آنتی بیوتیک، ضد فشارخون و ضد سرطان، به عنوان وسیله ای با ویژگی رهایش کنترل شده دارو از طریق موضعی، روده ای یا از طریق تزریق درون رگی یا ماهیچه ای مورد بررسی قرار گرفته است. به طورکلی مکانیسم رهاسازی هم از طریق تعویض یون در محیط اصلی یا با انحلال در محیط اسیدی رخ می دهد. LDH، می تواند از میان غشاء مخاطی روده گذشته و وارد جریان خون شود. سپس هیبرید می تواند بدون مزاحمت برهمکنش های تدافعی الکتروستاتیکی که می تواند برای مولکول آنیونی تنها ایجاد شود، با عبور از غشاء سلولی با بار منفی، وارد سلول شود. درون سلول، LDH توسط لیزوزومها، تخریب شده و رهاسازی رخ می دهد (شکل۲). مواد تشکیل دهنده LDH در محیط اسیدی ناپایدارند و بنابراین برای مدت طولانی نمی توانند در معده دوام داشته باشند. ولی پوشش مناسب و رهاسازی آهسته دارو به درون روده کوچک می تواند موجب تحویل موثر به درون سلولها شود. در مسیر روده ای به علت اسیدی بودن سیال معده (2.1 =pH)، تخریب LDH حیاتی است و استفاده از پوششی برای دست یابی به رهایش کنترل شده در روده لازم است. ازسوی دیگر انحلال LDH ها در لیزوزوم با (7.4-5.0 pH ) مکانیسم رهاسازی در روش تزریق، برای تحویل درون سلولی DNA و داروهای ضدسرطان است. این مثالها بیان می کنند که تخریب LDH فاکتوری کلیدی در بهینه کردن عملکرد آن در سرعت رهاسازی و انحلال پذیری، به عنوان ابزار دارورسانی تلقی می شود.

شکل 2- مکانیسم انتقال نانوهیبرید bio LDH به سلول​

3- دارورسانی کنترل شده با استفاده از LDH ها
افزودن LDH به محلولی آبی داروی هدف در دمای اتاق، منجر به قرارگیری دارو بین صفحات میزبان می شود. LDH ها خاصیت ضد اسیدی و ضد پپسینی داشته و قادرند برای پذیرش مولکولهای جدید به ابعادی بیش از20Å ، متورم شوند. محصولات ضداسیدی انحصاری مثل(TALCID[SUP]TM[/SUP] وALTACITE[SUP]TM[/SUP])حاویLDH، [Mg6Al2(OH)16]CO3 هستند. داروهای نام آشنای دیکلوفناک (Diclofenac(DIC))، ایبوبروفن، ناپروکسن، جم فیبروزیل، ۲- پروپیل پنتانوئیک اسید، ۴- بی فنیل استیک اسید و تولفنامیک اسید، به طور برگشت پذیر درون LDH لایه سازی شدند. تعدادی از عاملهای ضدالتهابی قلبی عروقی که کربوکسیلیک اسید یا مشتقات آن هستند نیز میتوانند به منظور رهاسازی کنترل شده، در LDH لایه سازی شوند. علاوه بر وجود پتانسیل اینگونه مواد در دارورسانی به بدن، با انتخاب یونهای فلزی در لایه های میزبان (LDH)، امکان کنترل مکان رهاسازی و پروفایل فارماکوسنتیک نیز وجود خواهد داشت. پایداری در pH نیز با انتخاب لایه های فلزی، که از برهمکنشهای مولکولی ممانعت می کنند، قابل کنترل است. میان لایه سازی کردن در هیدروتالسیت (hydrotalcite(HTlc) رهاسازی DIC را تغییر می دهد. ناحیه درون لایه ای این ماتریکس می تواند میکرو رگی در نظرگرفته شود که دارو در آن ذخیره شده و توسط مراحل حذف لایه ها در نتیجه یونهای موجود در روده کوچک، رها می شود. رهاسازی DIC به تراوش از میان ذره و نه به غلظت دارو، بستگی دارد. مطالعات آزمایشگاهی نشان می دهد که دارو با از بین رفتن لایه سازها، رها شده و با یونهای موجود در محیط تعویض می شود. در pH=5.7، رهایش دارو از HTIc-DIC آهسته تر از رهایش از مخلوط فیزیکی است و بعد از 9 ساعت کامل می شود. آنالیزهای سنتیکی نشان دهنده اهمیت نفوذ از ذرات در سرعت رهاسازی کنترل شده دارو است. درنتیجه میان لایه سازی معکوس تعدادی از عاملهای ضد التهابی قلبی عروقی در LDH ها، می تواند منجر به سیستم دارورسان قابل تنظیم جدید شود[1].

شکل3- شمایی از موقعیت های ممکن برای سالی سیلات و ناپاروکسین در فضای بین لایه ای Mg Al هیدروتالسیت​

 

[P O U R I A]

1-3- دارو درمانی سرطان با استفاده از LDHها
مشتقات فولیک اسید(فولیک اسید ومتوترکسات(methotrexate(MTX)، با روش تعویض یون با LDH هیبرید شدند. MTX در درمان سرطان های مختلف رایج است. از معایب آن نیمه عمر بسیار کوتاه در پلاسما است و لذا با تجویز دوزهای زیاد همراه است که منجر به ایجاد مقاومتهای دارویی و سمیت در سلولهای طبیعی در حال تکثیر می شود. میان لایه سازی MTX درونLDH، MTX را از تخریب در حین انتقال محافظت می کند. احتمالا LDH نفوذپذیری MTX از طریق سد سلولی را تحت تاثیر قرار می دهد. تفرق پرتو X و آنالیزهای طیف سنجی نشان دهنده قرارگیری مولکولها درون لایه داخلی هیدروکسیدی است. تست جذب سلولی از هیبرید MTX-LDH در فیبروبلاست (تاندون انسان) و سلول SaOS-2 (اوستئوسارکوما، انسان)، انجام شد. تکثیر اولیه سلول SaOS-2 نسبت به MTX تنها، به شدت توسط هیبرید MTX-LDH سرکوب می شود. بنابراین LDH به عنوان ماتریکس زیست سازگار تحویل دارو عمل می کند و بازده تحویل را به طور عمده افزایش می دهد. داروی دیگر کامپتوسین است.((Campothecin(CPT)، کامپتوتسین، یکی از بازدارنده های توپوایزومراز I (آنزیم درگیر در تکثیر DNA)، در معالجه برخی از انواع سرطانها، مورد بررسی قرار گرفت. CPT ایندول الکالئیدی پنج حلقه ای با حلقه ای انتهایی است که به سرعت در محیط اسیدی (pH< 5)، به لاکتون و در (pH< 8) به فرم کربوکسیلات تبدیل می شود. برای فعال شدن CPT می بایست فرم لاکتونی غالب شود. فرم فعال، تنها کمی در آب محلول است که منجر به پراکندگی ضعیف در محلولهای فیزیولوژی شده و مشکلاتی را در کارایی دوزهای تحویلی ایجاد می کند. بررسی ها شیوه های تحویلی جدیدی را برای داروهای غیریونی نامحلول نظیر CPT، شرح می دهند. دارو درون مایسل بارگیری شده و سپس درون فضای نانومتری LDH لایه سازی می شود. این کمپلکس ویژگیهای سمیتی مشابهی با داروی آزاد ایجاد می کند اما نانوهیبریدها در مدلهای دوزهای کنترل شده هستند و درنتیجه پراکندگی کمپلکس در آب، به خوبی انجام می شود. همچنین افزایش3 برابری انحلال پذیری درمقایسه با داروی آزاد ملاحظه می شود. با توجه به توانایی اتصال به بیومولکولهای هدف، سطح خارجی هیبرید و پتانسیل رهاسازی کنترل شده، این هیبریدها می توانند برای تحویل ویژه داروهای غیریونی با انحلال پذیری ضعیف، مورد استفاده قرار گیرند.

۳-۲- انتقال کاپتوپریل با LDH
کاپتوپریل ((captopril (Cpl)، بازدارنده آنزیم مبدل آنژیوتانسین است که برای پرفشاری خون استفاده می شود. این دارو به عنوان مدل انتخاب و درون Mg-Al-LDHs با موفقیت لایه سازی شد. شمایی از ساختار سوپرا مولکولیcpl- LDH در شکل4 (چپ)، نشان داده شده است [2].

شکل4- مدل ساختار سوپرمولکولی cpl- LDHs (چپ) پروفایل رهاسازی cpl از cpl-LDHs در محلول بافر در pH مختلف(راست)​

ویژگی دارو با افزودن ترکیبات میان لایه ای به نمونه شبیه سازی شده مایع روده ای و روده ای – معده ای، در آزمایشگاه بررسی شد. شکل4 (راست)، پروفایل رهاسازی cpl-LDHs، را در محلولی با 7.45 و4.60 pH، نشان می دهد. رهاسازی دارو در4.60 pH، در ۱ دقیقه اول خیلی سریع است که احتمالا به دلیل انحلال جزئی لایه LDH در محلول اسیدی ضعیف است. در 7.45 pH، رهاسازی cpl-LDHs، آهسته است و بعد از گذشت 1، 10 و140 دقیقه درصد رهاسازی به ترتیب، 8.12%، 4.47 %، 4.92% خواهد بود. قابل ذکر است که رهایش انفجاری در آغاز تست، اتفاق نیافتاد. رهاسازی دارو از سیستم دارو- LDH هم می تواند با انحلال ذرات LDH و یا از طریق تراوش دارو از میان LDHکنترل شود. [۲]


3-3- انتقال فن بوفن با LDH
Fenbufen، دارویی غیراستروئیدی وضد التهابی است که برای کاهش علائم آرتیریت روماتیسمی و استئوآرتریت، تجویز می شود. استفاده از این دارو به دلیل وجود اثرات جانبی بر معده- روده و سیستم قلبی عروقی، محدود است. انتظار می رود که رهایش کنترل شده بتواند این اثرات ناخوشایند را کاهش دهد. حضور گروه کربوکسیلات، قرارگیری فن بوفن در LDH را آسان میکند. داروی میان لایه سازی شده در LDH پوشیده شده با پلیمر Eudragit، در شرایط آزمایشگاهی، رهاسازی آهسته دارد و تنها 67 % دارو بعد از 5ساعت در 7.4=pH، آزاد می شود[3].

4- سودمندهای مهم LDHs: اجتناب از اثرات جانبی دارو و بهبود پایداری ویتامینها
جاذبهای آلی پرتوUV (مورد استفاده در محصولات حفاظت از پرتوخورشید) با جذب پوستی در غلظتهای بالای مصرف، مشکلاتی را برای سلامتی ایجاد می کنند. این مشکل می تواند با لایه سازی جاذب پرتو UV در نانوفضاهای LDH، برطرف شود. داروهای ضد التهابی غیراستروئیدی مورد استفاده در معالجات روماتیسمی، اثرات جانبی مثل ایجاد زخم معده–اثنی عشرایجاد می کنند. لایه سازی اندومتاسین با LDHها آسیب های گوارشی را کاهش می دهد. ویتامینها(رتینوئیک اسید (ویتامینA)، آسکوربیک اسید (ویتامینC) و توکوفرول(ویتامینE)) که خیلی به نور، دما، اکسیژن و.. حساس اند، با لایه سازی شدن در LDH ها پایدار خواهند ماند.

5- بحث و نتیجه گیری
هیبریداسیون دارو یا بیومولکول با LDH موجب راندمان قابل توجهی در انتقال و پایداری آنها می شود. بنابراین هیبریدهای LDHمی توانند به عنوان ذخیره کننده و حامل مفیدی برای ژنها، داروها و سایرمولکولها باشند. LDH به بسیاری از بیماریها اجازه ردیابی، تشخیص و معالجه در کمترین روشهای تهاجمی را می دهد و بنابراین LDH می تواند امیدهای زیادی را ارتقاء سلامتی و زندگی طولانی مدت، ایجادکند. در این مقاله ضمن شناخت LDH، به میان لایه سازی دارو، ورود هیبرید دارو-LDH به بدن، حمل دارو و چند داروی حمل شده با LDH، پرداخته شد.

 

[P O U R I A]

جلسه 29 : نانوکریستال‏های دارویی

جلسه 29 : نانوکریستال‏های دارویی

امروزه بسیاری از داروها به دلیل انحلال کم در حلال‏های مایی و غیر مایی، در مراحل اولیه‏ی تحقیقات کنار گذاشته می‏شوند. یک راه مناسب برای رفع این مشکل استفاده از نانوکریستال‏ها است که قابلیت استفاده در صنعت و آزمایشگاه را دارند. برای تولید این ساختارها روش‏هایی مانند بکارگیری هموژنایزر با فشار بالا یا استفاده از سایش و همچنین روش رسوبی وجود دارد. این ساختارها تاکنون توانسته‏اند به خوبی جایگاه خود را در بازار و تحقیقات دارویی پیدا کنند و نمونه‏های موفقی از فرمولاسیون را در سطح دنیا معرفی نمایند. ساده¬تر بودن ساخت و نیز عوارض کمتر از ویژگی‏های اصلی این نانوساختارها است که دلیل عمده‏ی آن، عدم نیاز به فرمولاسیون‏های پیچیده برای وارد کردن دارو در ساختار نانو و حفظ پایداری محصول می‏باشد.

 

[P O U R I A]

در طی دهه‏های گذشته با کمک شیمی و کامپیوتر طراحی‏های زیادی برای ساختارهای دارویی انجام شده است هر چند، حدود 60% از این ساختارها در آب کم‏محلول هستند. فرموله کردن این ساختارها از مشکلات اساسی محققان داروسازی است زیرا این دسته از ترکیبات، به دلیل سرعت انحلال و پخش شدن آهسته، فراهمی زیستی و جذب کمی خواهند داشت [1]. برای جذب خوراکی، داروها باید بتوانند شیب غلظتی مناسبی را بین محیط گوارشی و جریان خون ایجاد نمایند. اما در مورد داروهای کم محلول این شیب غلظتی اندک و در نتیجه جذب نیز کم می‏شود. در راه‏های غیر خوراکی نیز، اگر دارو کم‏محلول باشد به خوبی در محل تزریق حل نمی‏شود و در نتیجه نمی‏توان سطح مناسبی از دارو را در خون ایجاد نمود. برای رفع این مشکلات راه حل‏هایی نظیر استفاده از کمک‏حلال‏ها، ایجاد نمک، داخل کردن به سیکلودکسترین‏ها (ساختارهایی شبیه به سبد با حفره‏ای در وسط که قابلیت ورود ترکیبات به درون این حفره وجود دارد) یا استفاده از حامل‏ها نظیر لیپوزوم‏ها و پراکندگی جامدات ارائه شده است [1].
متاسفانه استفاده از این راهکارها برای همه‏ی داروها امکان‏پذیر نیست مثلا برخی داروها به سختی به یون تبدیل می‏شوند تا بتوان از آنها نمک ایجاد نمود یا برای داخل شدن به ساختار سیکلودکسترین‏ها مناسب نیستند. همچنین افزودنی‏هایی که در فرمولاسیون‏ها استفاده می‏شود همیشه کمک‏کننده نیست. به طور مثال محلول دارویی تزریقی تاکسول که هم‏اکنون در بازار دارویی وجود دارد حاوی مقادیر بالایی از Cremophor EL است که برای بهبود فراهمی زیستی پاکلیتاکسول استفاده شده است اما موجب عوارض جانبی نظیر شوک آلرژیک می‏گردد [1].
در دهه‏ی 90 میلادی، نانوکریستال‏های دارویی توجه محققین دارویی را به خود جلب نمود. نانوکریستال‏های دارویی، پراکندگی کلوئیدی با اندازه‏ی کمتر از میکرومتر هستند که تقریبا حاوی 100% ماده‏ی فعال دارویی بوده و با کمک مقادیر ناچیز از پایدارکننده‏هایی نظیر پلیمرها یا سورفاکتانت‏ها پایدار می‏شوند [1].
محیط پراکنده کننده‏ی این ساختارها می‏تواند آب، محلول‏های مایی یا غیر مایی (مثل پلی اتیلن گلیکول مایع یا روغن‏ها) باشد [2].
بسته به تکنولوژی ساخت، ذرات جامد ایجاد شده می‏توانند آمورف یا کریستالی باشند که در نتیجه به این ذرات، نانوکریستال در ساختار آمورف نیز گفته می‏شود [2].
2- مزایای نانوکریستال‏ها
• افزایش سرعت انحلال
با کاهش اندازه‏ی ذره سطح تماس بین ذره و محیط اطراف افزایش یافته و در نتیجه سرعت انحلال (که به میزان سطح تماس مرتبط است) افزایش می‏یابد (شکل 1) [2].

شکل 1- با کاهش اندازه‏ی ذرات سطح تماس افزایش می‏یابد [2]
​

• احتمال ایجاد ساختارهای آمورف و مزایای آن
ساختارهای آمورف سرعت انحلال بیشتری دارند در نتیجه اگر حین تولید این ساختارها ایجاد شوند زمان مورد نیاز برای انحلال کمتر شده و سرعت اثر دارو افزایش می‏یابد [2].
• بهبود ویژگی‏های زیستی
همان‏طور که در مقالات قبل نیز ذکر شده است، نانوذرات نسبت به ذرات بزرگتر از نظر جذب و اثربخشی بهتر عمل می‏کنند [1].
3- روش‏های تهیه‏ی نانوذرات کریستالی
در کل روش‏های تولید نانوذرات کریستالی به دو دسته‏ی بالا- پایین (top-down) و پایین- بالا (down-top) تقسیم می‏شوند. روش پایین- بالا مانند روش رسوبی به این معنا است که نانوکریستال‏ها از مولکول‏ها ساخته می‏شوند اما در روش بالا- پایین مانند تکنیک هموژنایز کردن و سایش دانه‏ای، نانوکریستال‏ها با تخریب و واپاشی مرحله به مرحله از پودر سخت ایجاد می‏گردند [1].
3-1- تکنولوژی رسوبی (Precipitation technique)
داروی کم‏محلول در آب، در یک حلال (غالبا حلال آلی) حل و محلول به یک ضد حلال (antisolvent) قابل امتزاج با آب (حلال مایی) افزوده و چرخیده می‏شود (شکل 2). با این کار اشباع سریع رخ داده و موجب هسته‏زایی و ایجاد رسوب می‏گردد. روش رسوبی این مزیت را دارد که یک داروی خاص می‏تواند در حلال‏های مختلف، میزان انحلال‏های متفاوتی داشته باشد که این امر خود بر هسته‏زایی موثر است. هرچند ذرات ایجاد شده در فرمولاسیون نهایی می‏توانند رشد کنند و با افزایش اندازه، موجب بروز مشکلاتی در فراورده‏های دارویی شوند. برای جلوگیری از این پدیده اغلب پایدارکننده‏ها به فرمولاسیون افزوده می‏شوند [2و1].
در روش رسوبی، برخی از عوامل بر اندازه و یکسان‏سازی ذرات اثرگذار است:
سرعت چرخش
نسبت حلال به ضد حلال

مقدار دارو
دما
با افزایش سرعت چرخش، ذرات کوچکتر می‏شوند زیرا سرعت بالاتر، پخش شدن دارو را بین فازها افزایش داده و موجب ازدیاد تعداد هسته‏های ایجاد شده و در نتیجه تولید ذرات کوچکتر می‏گردد [2].
اگر نسبت ضد حلال به حلال نیز افزایش یابد موجب اشباع‏پذیری بین سطوح فازها و هسته‏زایی سریعتر می‏شود [2].
میزان داروی وارد شده نیز نباید زیاد باشد زیرا موجب افزایش احتمال تجمع ذرات اطراف هم و بزرگتر شدن آنها می‏گردد.
در این روش معمولا دما را نیز پایین در نظر می‏گیرند. در دمای پایین‏تر اشباع‏پذیری سریعتر انجام می‏شود به¬علاوه، با توجه به گرمازا بودن واکنش هسته‏زایی، هرچه دما کمتر باشد هسته‏زایی بهتر انجام می‏شود [1].
روش رسوبی ساده و مقرون به صرفه است و نیاز به تجهیزات گران‏قیمت ندارد. به¬علاوه به دلیل عدم نیاز به انرژی بالا برای انجام آن، احتمال تخریب دارو نیز کاهش می‏یابد.
گاه با استفاده از این روش، اشکال آمورف نیز ایجاد می‏شود که موجب افزایش سرعت انحلال دارو می‏گردد. اشکال آمورف یک عیب دارند و آن این است که حالت‏های آمورف با انرژی بالاتر تمایل دارند به فرم کریستاله که پایدارتر است برسند و این مورد بر پایداری دارو موثر خواهد بود [1].
باقی ماندن حلال در محصول نهایی و نیاز به محلول بودن دارو در حداقل یک حلال، از دیگر محدودیت‏های این روش برای تولید نانوذرات کریستالی است [3].

شکل 2- تولید نانوکریستال‏ها به روش رسوبی [3]
​

​

 

[P O U R I A]

3-2- روش سایش دانه‏ای (Pearl milling technique)
در این روش دارو، سورفاکتانت و آب وارد محفظه‏ ی سایش حاوی دانه‏ های سایشی
(milling pearls) که از جنس شیشه، زیرکونیوم اکسید یا رزین پلی استایرن هستند شده و با چرخش دانه‏ ها با انرژی بالا، دارو به نانوذره تبدیل می‏شود (شکل 3). در کل، بهینه‏ سازی این روش به عوامل زیر بستگی دارد:
میزان دارو
تعداد دانه‏ های سایشی
سرعت سایش
زمان سایش
دما [2]
اگر میزان دارو و زمان سایش زیاد باشد، احتمال تجمع ذرات و کلوخه شدن آنها افزایش می‏یابد. با افزایش سرعت سایش و نیز تعداد دانه‏ های سایشی، میزان انرژی مصرفی توسط دستگاه بیشتر می‏شود که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.
در برخی گزارش‏ها ذکر شده است که کاهش دما از کلوخه شدن ذرات جلوگیری می‏نماید. به همین دلیل در بسیاری از فرآیندهای تولید، با وارد کردن نیتروژن مایع دمای محفظه‏ ی سایش را کاهش می‏دهند [2و1].
روش سایش دانه‏ای ساده است و برای داروهای نامحلول در محیط مایی و غیر مایی کاربرد دارد. این فرآیند در حجم ‏های مختلف از میلی‏ لیتر تا لیتر قابل استفاده است و در نتیجه هم در آزمایشگاه‏ های تحقیقاتی و هم در صنعت قابلیت اجرا دارد [2].
اولین محصولی که با این روش تولید شد، Rapamune® بوده است که در سال 2000 معرفی گردید. این روش تولید در مقایسه با تکنیک رسوبی نیاز به انرژی بیشتری دارد. به علاوه این نگرانی نیز وجود دارد که با سایش دانه‏ ها ترکیباتی از آنها وارد محصول شده و موجب آلودگی محصول نهایی شود. همچنین این روش زمانبر است و این زمان ممکن است از چند ساعت تا چند روز ادامه یابد که همین موضوع احتمال آلودگی میکروبی فرآورده را افزایش می‏ دهد [1].

شکل 3- محفظه‏ی سایش و دانه‏های سایشی. دارو در این محفظه ریخته شده و با حرکت دانه‏ها بر روی هم ذرات دارو کوچک می‏شوند [4].

3-3- روش هموژنایز کردن با فشار بالا
(High-pressure homogenization technique)
در این روش، سوسپانسیونی حاوی دارو، سورفاکتانت و آب از یک شکاف بسیار باریک با سرعت بسیار بالا عبور کرده و ذرات را به اندازه‏ی نانو در می‏آورد (شکل 4). این روش نیز مانند روش سایش دانه‏ای، برای داروهای نامحلول در محیط مایی و غیر مایی مناسب است [2و1].

شکل 4- روش کار هموژنایزر [2]

​

عوامل زیر بر بهینه عمل کردن این روش موثر هستند:
سختی ترکیبات وارد شده
فشار اعمال شده
تعداد دفعات هموژنایز کردن
دما


با افزایش فشار اعمال شده معمولا اندازه‏ی ذرات کاهش می‏یابد. اغلب در آزمایشگاه‏ها حداکثر فشار لازم برای تهیه‏ی نانوذرات کریستالی دارویی حدود 1500 بار است. البته هر چه ذرات سخت‏تر باشند فشار لازم برای کاهش اندازه‏ی آنها بیشتر خواهد بود [2].

هرچه تعداد دفعات هموژنایز کردن بیشتر شود، ذرات اندازه‏ی یکسان‏تری خواهند داشت. با کمک شکل 5 این موضوع روشن‏تر خواهد شد. طی یک تحقیق اثر تعداد دفعات هموژنایز کردن بر اندازه‏ی ذرات بررسی شد و نشان داد که با افزایش تعداد دفعات قطر کلی ذرات به هم نزدیکتر شده و گستردگی اندازه‏ی ذرات که یکی از معایب تولید است، کاهش می‏یابد [3و1].
​

شکل 5- D50 و D90 به‏ترتیب نشان دهنده‏ی قطر متوسط 50% و 90% از محصولات است. با افزایش تعداد دفعات هموژنایز کردن، قطر متوسط عمده‏ی ذرات به هم نزدیکتر می‏شود [3].

با انجام عمل هموژنایز کردن دمای محفظه‏ی انجام فرآیند افزایش می‏یابد که برای داروهای حساس به حرارت مناسب نیست در نتیجه اغلب از یک دستگاه خنک کننده در این روش استفاده می‏شود [1].
یک مزیت عمده در این روش قابلیت تولید زیاد محصول بدون نگرانی از آلوده شدن آن است که نسبت به روش سایش دانه‏ای یک مزیت بزرگ محسوب می‏شود [1].

​

جدول 1- مقایسه‏ی دو روش هموژنایز کردن و سایش دانه‏ای [3]

روش	مزایا	معایب
هموژنایز کردن با فشار بالا	قابل کاربرد برای تقریبا تمام داروها روش ساده · قابلیت انجام برای حجم بالای دارو جلوگیری از آلودگی داروها	توزیع اندازه‏ای ناهمگون غیر کارا بودن برای داروهای حساس به دما
سایش دانه‏ای	ساده بودن عدم نیاز به کمک‏حلال قابلیت استفاده برای حجم بالای دارو مقرون به صرفه بودن از نظر تولید و اقتصاد	زمانبر بودن آلودگی محصول با سایش دانه ‏ها با افزایش حجم دانه‏های بکار رفته، میزان حجم ورودی دارو کم می‏شود

​

​

​

 

[P O U R I A]

4- نسل دوم نانوکریستال‏ها
محصولاتی را که با بکارگیری روش‏هایی که تاکنون نام برده شد تولید می‏شوند، نسل اول نانوکریستال‏ها گویند. در نسل دوم از مخلوطی از روش‏ها برای تولید استفاده می‏شود. اصل این روش‏ها بر پایه‏ی هموژنایز کردن است با این تفاوت که پیش از ورود ذرات به هموژنایزر یکسری عملیات بر روی آنها صورت می‏گیرد [5و3]. جدول زیر به طور خلاصه نام فرآیندهای نسل دوم و پیش‏عملیات لازم بر روی ذرات قبل از مرحله‏ی هموژنایز کردن را نشان می‏دهد.

​

جدول 2- نسل دوم نانوکریستال‏ها [3]

فرآیند	پیش‏ عملیات	عملیات اصلی
Nanopure	پیش‏ عملیات لازم نیست اما دارو را در محیط ‏های مایی وارد کرده و سپس هموژنایز می‏کنند.	هموژنایز کردن با فشار بالا
H42	خشک کردن افشانه‏ای	هموژنایز کردن با فشار بالا
H69	رسوب دادن	هموژنایز کردن با فشار بالا
H96	لیوفیلیزه کردن	هموژنایز کردن با فشار بالا
CT	سایش دانه‏ای	هموژنایز کردن با فشار بالا

​

​

​

4-1- مزیت‏های نسل دوم نانوکریستال‏ها
• نانوکریستال‏های کوچکتر
در نسل اول اغلب ذرات ایجاد شده اندازه‏ای کمتر از 200 نانومتر دارند اما در نسل دوم این محدوده کوچکتر شده و به زیر 100 نانومتر می‏رسد [5].
• افزایش پایداری فیزیکی
با همراهی روش‏هایی نظیر سایش و هموژنایز کردن در نسل دوم نانوکریستال‏ها، در حقیقت از دو راه اندازه‏ی ذرات کاهش می‏یابد که این امر به کم شدن گستره‏ی اندازه‏ی ذرات کمک می‏کند. هرچه ذرات اندازه‏ی مشابه‏تری داشته باشند احتمال تجمع و کلوخه شدن آنها کاهش می‏یابد که این امر خود از مزایای نسل دوم نسبت به نسل اول است [5].
5- داروهای وارد شده به بازار
جدول زیر داروهای نانوکریستالی را که تاکنون با موفقیت وارد بازار شده‏اند، نشان می‏دهد:

جدول 3- داروهای نانوکریستالی وارد شده به بازار دارویی دنیا [3]
​

نام تجاری	شرکت سازنده	زمان پذیرش و ورود به بازار	روش ساخت
® Rapamune	Wyeth	آگوست 2000	سایش
® Emend	Merck	مارس 2003	سایش
® TriCor	Abbott	نوامبر 2004	سایش
®Megace	Par Pharmaceutical	جولای 2005	سایش
®Triglide	Skye Pharma	می 2005	هموژنایز کردن با فشار بالا

[SUP]
®[/SUP]Rapamune حاوی داروی سیرولیموس است که به عنوان سرکوب‏کننده‏ی ایمنی بکار می‏رود. این دارو به دو صورت سوسپانسیون خوراکی و قرص در بازار وجود دارد که البته قرص‏ها 21% فراهمی زیستی بالاتری دارند [2].
[SUP]® [/SUP]Emendحاوی داروی Aprepitant است که یک ضد تهوع می‏باشد. این دارو برخلاف اغلب داروهای ضد تهوع در شیمی‏درمانی که به صورت تزریقی مصرف می‏شوند، به صورت قرص بوده و همین امر یک مزیت عمده محسوب می‏شود که باعث بیشتر شدن همراهی بیمار می‏گردد [2].
[SUP]®[/SUP] TriCorحاوی داروی Fenofibrate است. اثر دارو بسته به آنکه بیمار دارو را با معده‏ی پر یا خالی مصرف کند متفاوت است. هنگام پر بودن معده انحلال افزایش یافته و جذب بیشتر می‏شود. با کاهش اندازه‏ی این دارو به نانوذرات، حلالیت دارو افزایش می‏یابد و دیگر تفاوتی بین خالی یا پر بودن معده‏ی بیمار وجود ندارد. فرمولاسیون دیگر حاوی این دارو که به صورت نانوکریستال است [SUP]®[/SUP]Triglide نام دارد [2].
محصول دیگر [SUP]®[/SUP]Megace است که حاوی داروی Megestrol می‏باشد. مزیت این فرمولاسیون که به صورت پودر است، راحت‏تر بودن بلع توسط بیمار به علت کاهش گرانروی دارو در فرم نانو و نیز کمتر بودن حجم داروی مصرفی می‏باشد [2].
داروهای دیگری نیز به صورت نانوکریستال وجود دارند که در حال گذراندن مراحل بالینی برای ورود به بازار دارویی هستند. نام این داروها در جدول 4 ذکر شده است.

نام تجاری	دارو	مورد مصرف	شرکت سازنده	مرحله ‏ی بالینی
Semapimod	Guanylhydrazone	مهارکننده‏ی آلفا TNF	Cytokine Pharma science	فاز II
Paxceed	Paclitaxel	ضد التهاب	Angiotech	فاز III
Theralux	Thymectacin	ضد سرطان	Celmed	فاز II
Nucryst	Silver	ضد باکتری	Nucryst Pharmaceutical	فاز II

6- محدودیت‏های نانوکریستال‏ها
نانوذرات با اندازه‏های کمتر از 150 نانومتر احتمال سمیت سلولی را افزایش می‏دهند زیرا این ساختارها توانایی ورود به همه ‏ی سلول‏های بدن و ایجاد سمیت در آنها را دارند. به ‏علاوه این روش تولید اغلب برای داروهای دسته II در داروسازی یعنی داروهایی با انحلال کم و در عین حال قابلیت نفوذ بالا به بافت ‏ها قابل استفاده است [6].


بحث و نتیجه‏ گیری
نانوکریستال‏های دارویی یکی از مهم‏ترین راه‏های فرمولاسیون برای داروهای کم‏ محلول است که تاکنون معرفی شده است. این فرمولاسیون‏ها ساده بوده و نیاز به همراهی ترکیبات دیگر (که خود می‏توانند باعث ایجاد عوارض شوند) برای بهینه‏ سازی ندارند. با توجه به آنکه تعداد داروهای معرفی شده‏ ی کم ‏محلول در حال افزایش است، گمان می‏رود که نانوکریستال‏ها بتوانند در آینده جایگاه مناسبی را در بین فرمولاسیون‏های دارویی برای وارد کردن این داروها داشته باشند.

 

[P O U R I A]

جلسه 30 : نانوذرات و دارورسانی خوراکی

جلسه 30 : نانوذرات و دارورسانی خوراکی

دارورسانی خوراکی رایج ‏ترین راه دارورسانی محسوب می‏ شود چرا که راهی غیر تهاجمی برای بیمار است هرچند که رسیدن به غلظت درمانی مورد نیاز برای برخی داروها به علت محلولیت کم، پایداری کوتاه ‏مدت و پایین بودن میزان داروی ورودی به خون با کمک روش خوراکی از مشکلات این روش به شمار می ‏آید. برای رفع این مشکلات از نانوذراتی استفاده می‏ شود که می‏توانند داروها را از تخریب در دستگاه گوارش حفظ نموده و آنها را به محل مناسب برای درمان برسانند. نمونه ‏هایی از این ذرات، نانوذرات پلیمری، نانوذرات لیپیدی جامد و نانوکریستال‏ها هستند که هر کدام می‏ توانند در حالت بهینه، میزان داروی جذبی را افزایش داده و موجب بیشتر شدن زمان ماندگاری دارو و پایداری آن در دستگاه گوارش شوند.

 

[P O U R I A]

1- دارورسانی خوراکی و ویژگی‏های آن
دارورسانی خوراکی بهترین انتخاب برای دارورسانی است زیرا خاصیت تهاجمی ندارد. این راه نسبت به راه تزریقی که بیشترین درصد ورود دارو به بدن را دارد، مزیت‏هایی مانند جلوگیری از درد و ناراحتی و نگرانی از آلودگی همراه با تزریق را داراست [1]. سلول‏های پوششی روده قابلیت جذب بالا دارند و در ساختار خود دارای پرز (villi) هستند که سطح کل جذب را تا حدود
400 -300 متر مربع افزایش می‏دهد. البته مصرف دارو از راه گوارشی معایبی نیز دارد. گاه میزان دارورسانی از این راه فراهمی زیستی بسیار کمی دارد که این امر می‏تواند ناشی از عدم پایداری ترکیب در دستگاه گوارش، نفوذناپذیری غشای گوارشی نسبت به ترکیب یا ویژگی‏های فیزیکوشیمیایی ماده‏ی دارویی باشد [2]. فقط ذرات کوچک توانایی عبور از خلال غشای گوارشی را دارند و اگر ترکیبی برای عبور از این غشاها گیرنده داشته باشد، می‏بایست ضریب توزیع مناسب را دارا باشد. بنابراین ترکیبات بسیار آب‏دوست یا بسیار آب‏گریز توانایی عبور ندارند. به‏علاوه بعد از عبور نیز ممکن است ترکیبات دچار عبور اول کبدی زیادی شوند [3]. [هنگامی‌که یک دارو تجویز و وارد بدن می‏شود (به‌طور عمده از طریق گوارشی) پیش ‌از ورود به جریان خون سیستمیک٬ از سیستم پورتال (ورید باب در کبد) گذر می‏کند. در این گذار بخشی از دارو توسط کبد متابولیز شده و در نتیجه به جریان خون سیستمیک نمی‌رسد. به این فرآیند عبور اول کبدی گویند.]
2- ساختار سلولی غشای گوارشی
انواع مختلفی از سلول‏ها ساختار غشایی دستگاه گوارش را شامل می‏شوند. انتروسیت‏ها و سلول‏های گابلت ترشح‏کننده‏ی موکوس، پرزها را می‏پوشانند. یکی از نقش‏های اصلی انتروسیت‏ها، کنترل عبور درشت‏مولکول‏ها و پاتوژن‏ها و نیز اجازه‏ی جذب راحت‏تر ترکیبات هضم شده است. نواحی لنفوئیدی یعنی peyer’s patches با سلول‏های M پوشانیده شده‏اند (شکل 1). سلول‏های M برای نمونه‏گیری از آنتی‏ژن‏ها استفاده می‏شوند به این معنی که نمونه‏هایی از ماده‏ی بیگانه را از لومن به بافت لنفوئیدی برده تا موجب پاسخ‏های ایمنی شود. سلول‏های M برای انتقال دارو بسیار مهم هستند زیرا چندان با موکوس پوشانیده نشده‏اند و در نتیجه به عنوان راهی مهم برای انتقال داروهایی نظیر پروتئین‏ها و پپتیدها و نیز نانوذرات محسوب می‏شوند [1].

شکل 1- سلول‏های غشای گوارشی [1]​

3- نقش موکوس در دستگاه گوارش
موکوس به‏عنوان سدی بزرگ برای جذب ذرات محسوب می‏شود. موکوس سطح سلول‏های پوششی را می‏پوشاند تا به‏خوبی پاتوژن‏ها را به دام اندازند و سریع آنها را پاکسازی نمایند. به‏علاوه موکوس می‏تواند سطح سلول‏ها را لغزاننده کند تا زمان باقی ماندن ذراتی را که قابلیت جذب ندارند، کاهش دهد [2].
موکوس هیدروژلی پیچیده از پروتئین، کربوهیدرات، لیپید، نمک، آنتی‏بادی، باکتری و بقایای سلولی است. ترکیب پروتئینی اصلی موکوس موسین است. موکوس ماتریکسی با بار منفی و ضخامت متوسط بین 100 تا 800 میکرومتر در نواحی مختلف دستگاه گوارش ایجاد می‏کند (شکل 2). مونومرهای موسین با پیوندهای دی‏سولفیدی به هم اتصال یافته و مولکول‏های درشت را ایجاد می‏نمایند [2]. برخی از قسمت‏های موسین با قندها اتصال یافته و گلیکوزیله شده‏اند. حضور این قندها باعث اثر محافظتی از موسین در برابر برخی آنزیم‏های گوارشی مانند پروتئازها می‏شود [2].

شکل 2- ضخامت موکوس در نواحی مختلف دستگاه گوارش [2]

4- انواع نانوذرات بکار رفته در انتقال داروها از دستگاه گوارش
• نانوذرات لیپیدی جامد (SLN)
SLNها به¬طور گسترده برای بررسی بهبود دارورسانی داروهای کم‏محلول و پروتئین‏ها مورد سنجش قرار گرفته‏اند. هسته‏ی لیپیدی آنها می‏تواند از ترکیبات مختلف مانند مونو، دی و تری‏گلیسیرید، اسید چرب، استروئید و موم باشد. از این ساختار برای انتقال داروی سیکلوسپورین استفاده شده است. SLNهای حاوی این دارو توانسته‏اند اثر درمانی مناسبی را هم در خوک و هم در انسان نشان دهند. Neoral نام تجاری فرمولاسیون SLN این دارو است که به‏عنوان سرکوب‏کننده‏ی سیستم ایمنی در پیوند اعضا و کولیت اولسراتیو استفاده می‏شود. جالب آن است که این فرمولاسیون حاوی ترکیبی به نام
polyoxyl 40 hydrogenated castor oil است که باعث واکنش‏های حساسیتی شدید در تزریق وریدی می‏شود. اما گزارشی از بروز حساسیت در فرمولاسیون Neoral ارائه نشده است که این خود نشانگر مقاومت دستگاه گوارش به این ترکیب و تفاوت راه‏های دارورسانی می‏باشد [4].
• سیستم‏های خود نانوامولسیون‏شونده برای انتقال دارو
(Self-nanoemulsifying drug delivery systems (SNEDDS))
SNEDDها معمولا از ژلاتین یا هیدروکسی پروپیل متیل سلولز یا کپسول‏های سخت فرموله می‏شوند. این ساختارها از مخلوط‏های دارو، روغن و سورفاکتانت تهیه شده و در ادامه در تماس با مایعات فیزیولوژیک دستگاه گوارش باعث ایجاد نانوامولسیون‏های روغن در آب با اندازه‏های کوچکتر از 200 نانومتر خواهند شد. داروهایی که در این سیستم‏ها بکار می‏روند با توجه به آنکه ناگهان با حجم فراوانی از مایع فیزیولوژیک روبرو می‏شوند، سرعت انحلال زیادی دارند و همین امر برای انحلال داروهای چربی‏دوست بسیار اهمیت می‏یابد. فاز روغنی در این ساختارها می‏تواند ترکیباتی نظیر اولئیک اسید، مونوگلیسیریدهای کاپریلیک اسید و استرهای پروپیلن گلیکول از کاپریلیک اسید باشد که همگی باعث بهبود نفوذ داروها به دستگاه گوارش می‏شوند. این ساختارها از طریق دو مکانیسم، عبور اول کبدی کمی دارند که در برخی مقالات به آنها اشاره شده است. اول آنکه باعث مهار فعالیت آنزیم‏های حاضر در دستگاه گوارش می‏شوند و دوم حضور گلیسیریدهای بلندزنجیر باعث بهبود انتقال لنفاتیک آنها می‏گردد [4].
• نانوکریستال‏ها (Nanocrystals)
نانوکریستال‏ها کاملا کریستاله هستند (گرچه گاه آمورف نیز می‏توانند باشند) و صرفا حاوی دارو بوده و به¬صورت سوسپانسیون و یا قرص و کپسول فرموله می‏شوند. در حقیقت این ساختارها هیچ حاملی را همراه ندارند. در تماس با مایعات گوارشی، فرمولاسیون با آب ترکیب شده و نانوکریستال‏ها را به¬صورت یک پودر نرم آزاد می‏کند. فرمولاسیون‏هایی که از این ساختارها در بازار دارویی وجود دارد شامل Rapamune (sirolimus)، Emend (aprepitant) و TriCor (fenofibrate) است. یک مزیت عمده‏ی این ساختارها، عدم استفاده از سورفاکتانت‏ها و در نتیجه کم شدن مشکلاتی مانند حساسیت‏زایی برخی از این ترکیبات است [4].
• نانوذرات پلیمری
این ساختارها قابلیت ایجاد نانوکپسول و نانوسفر را دارند و نحوه‏ی تهیه‏ی آنها در مقالات پیشین ذکر شده است. در تجویز خوراکی یک ویژگی دیگر از این پلیمرها بیشتر مورد توجه قرار می‏گیرد و آن خاصیت مخاط‏چسب بودن برخی از پلیمرها است [4و2].
اغلب داروهای تجویزی مدت زمان کمی را در دستگاه گوارش می‏مانند و همین امر موجب کاهش احتمال جذب آنها می‏شود. برای رفع این مشکل، ذرات مخاط‏چسب پیشنهاد شدند. در تحقیقات اولیه که بر روی این ساختارها انجام پذیرفت مشکلاتی دیده شد زیرا احتمال چسبیدن به سطوحی غیر از سطح گوارشی نیز وجود داشت. به همین دلیل تحقیقات بر روی این ساختارها به سمت استفاده از پلیمرهای خاص یا ساختارهای حساس به pH حرکت نمود [2].
• پلیمرهای مخاط‏چسب
برای بهینه‏سازی مخاط‏چسبی پلیمرها می‏توان از بهینه‏سازی سطح آنها استفاده نمود. ذرات ساخته شده از پلیمرهایی مانند پلی لاکتیک اسید (PLA) و پلی لاکتیک گلایکولیک اسید (PLGA) می‏توانند با کمک ایجاد پیوند هیدروژنی، اتصال پلیمر به موسین، اتصالات آب‏گریز یا مجموعی از این روش‏ها، به مخاط اتصال یابند [2].
علاوه بر اتصالات آب‏گریز، بار الکتریکی نانوذرات هم می‏تواند بر مخاط‏چسب بودن آنها اثر بگذارد. اگر بین سطح مثبت ذرات و بار منفی سطح قندهای مخاط اتصالات الکترواستاتیک ایجاد شود، افزایش جذب نیز دیده می‏شود. به همین دلیل سعی می‏شود از پلیمرهایی با بار مثبت مانند کایتوزان برای بهبود ورود دارو استفاده گردد.
• سیستم‏های مخاط‏چسب حساس به pH
انتقال ذرات با کمک تفاوت pH بسیار در دارورسانی خوراکی مورد توجه است زیرا در دستگاه گوارش pHهای متفاوتی وجود دارد: از pH بسیار اسیدی در معده تا pH بازی در کولون و البته قسمت‏هایی از روده با pH نزدیک به خنثی. در یک تحقیق از پلیمرهای بر پایه‏ی آکریلیک مانند پلی متاکریلیک اسید (poly(methacrylic acid), PMAA) استفاده گردید. این پلیمر در pH اسیدی به¬صورت در هم تنیده و در pH بازی به¬صورت متورم است [2].
در تحقیقی دیگر با کمک نانوذرات کایتوزان/ پلی گلوتامیک اسید، داروی انسولین بارگیری شد و در موش آزمایش گردید. نتایج نشان داد که مصرف خوراکی این نانوذرات موجب رهاسازی آهسته‏ی دارو در pH اسیدی و آزادسازی سریع در pH بازی می‏شود. همچنین، در مقایسه با تزریق زیرپوستی انسولین که موجب کاهش سریع قند خون می‏شود، نانوذرات توانستند در مدت 3 ساعت به حداکثر اثر خود برسند و در نتیجه اثر منفی کاهش سریع قند خون نیز از بین رفت [2].
هرچند آزمون‏های انسانی درباره‏ی نانوذرات حساس به pH هنوز کامل نشده‏اند اما آزمایش‏های انجام شده دورنمای مناسبی را برای ادامه‏ی تحقیقات نشان می‏دهد.
• سیستم‏های لیپیدی مخاط‏چسب
لیپیدها در مقادیر بسیاری در دستگاه گوارش وجود دارند در نتیجه می‏توان از این سیستم‏ها برای دارورسانی استفاده نمود. مزیت اصلی سیستم‏های لیپیدی، افزایش محلولیت و فراهمی زیستی داروی بارگیری شده است. عیب عمده‏ی آنها نیز ناپایداری در دستگاه گوارش در مقایسه با نانوذرات پلیمری است. انواع فرمولاسیون‏های لیپیدی شامل نانوذرات لیپیدی جامد، لیپوزوم‏ها و نانوامولسیون‏ها هستند [2].
​

​

 

[P O U R I A]

5- مکانیسم‏های جذب ذرات در دستگاه گوارش
• مسیر بین سلولی
از آنجا که مسیرهای بین سلولی از اتصالات محکم تشکیل شده‏اند و کمتر از 1 درصد سطح را تشکیل می‏دهند، این راه انتقال چندان اهمیتی ندارد. گرچه با کمک تشکیل برخی نانوذرات پلیمری مانند کایتوزان، پلی‏آکریلات یا نشاسته این روش ورود را بهبود داده‏اند. روشی که احتمال می‏رود این پلیمرها از طریق آن توانسته باشند موجب بهبود ورود داروها از مسیر بین سلولی شوند، اتصال وابسته به بار ذرات بر روی پروتئین‏های اتصالات محکم است به این صورت که بار مثبت این پلیمرها و بار منفی روی سطح غشا با هم ایجاد پیوند الکترواستاتیک نموده و موجب بهبود ورود ذرات می‏شود [5].
پلیمرهای تیول دار یا تیومرها یک دسته‏ی دیگر از ترکیباتی هستند که موجب بهبود ورود ذرات به سلول‏های گوارشی از راه بین سلولی می‏شوند و بیشتر در انتقال پروتئین‏ها مطرح هستند. مکانیسمی که برای عمل این پلیمرها پیش‏بینی شده است اثر آنها بر مهار پروتئین تیروزین فسفاتاز و در نتیجه باز نمودن فاصله‏ی بین اتصالات محکم است [5و1].
• مسیر اندوسیتوز یا مسیر درون سلولی
اندوسیتوز فرآیندی است که با تشکیل وزیکول‏های غشایی از غشای سلولی و وارد کردن ترکیبات خارج سلولی به داخل سلول رخ می‏دهد (شکل 3). انتقال ذرات به این روش به عواملی مانند اندازه‏ی ذرات مورد مطالعه، آب‏گریز یا آب‏دوست بودن ذرات، مدل حیوانی که بر روی آن آزمایش انجام می‏شود و فیزیولوژی دستگاه گوارش بستگی دارد. در کل هرچه اندازه‏ی ذرات کوچکتر باشد انتقال ذرات از این راه بیشتر می‏شود [1].

شکل 3- مسیرهای مختلف ورود ذرات به سلول‏های گوارشی، (I): مسیر بین سلولی (II): مسیر اندوسیتوز (III): به دام انداختن ذرات بیگانه توسط ماکروفاژها و سلول‏های دفاعی گوارشی [5]​

6- راه‏های بهبود عبور ذرات از سلول‏های گوارشی
6-1- هدف‏درمانی بر روی سلول‏های اپیتلیال روده‏ای
بهبود دارورسانی با قرار دادن لیگاند بر روی سطح نانوذرات روشی مناسب برای هدف‏درمانی است. مشهورترین این دسته از تحقیقات بهینه‏سازی سطح ذرات با کمک لکتین است [5و1]. سطح انتروسیت‏ها وسلول‏های M از کربوهیدرات‏های خاصی پوشیده شده است که محل مناسبی برای حامل‏های دارویی می‏باشد. گلیکوپروتئین لکتین به این ساختارهای سطحی با مکانیسم انتخابی متصل می‏شود و موجب ورود دارو به سلول‏ها می‏گردد.
استفاده از لکتین مشکلاتی را نیز به همراه دارد:
1- این مطالعات در حیوانات نتایج مختلفی را نشان می‏دهد و الگوی ورود با کمک لکتین متفاوت است.
2- درباره‏ی الگوی اتصالات لکتین در دستگاه گوارش انسان اطلاعات کمی وجود دارد.
3- اتصال لکتین به پرزها باعث تخریب آنها می‏شود در نتیجه استفاده از این مولکول هنوز نیاز به مطالعات بیشتری دارد [5].
6-2- راه‏های غیر انتخابی برای بهبود ورود ذرات به سلول‏های گوارشی
• اندازه‏ی ذرات
برای بهبود جذب می‏توان از راه‏های غیر اختصاصی نیز استفاده نمود. یکی از این روش‏ها استفاده از اثر اندازه‏ی ذرات بر جذب است.
مطالعاتی که با کمک نانوذرات پلی استایرن انجام شده است نشان می‏دهد که ذراتی با اندازه‏ی بین 50 تا 100 نانومتر نسبت به ذرات بزرگتر جذب بهتری دارند. با افزایش اندازه‏ی ذرات به 500 نانومتر میزان جذب از 33% به 10% کاهش می‏یابد.
نتایج مشابهی برای ذرات تهیه شده از پلیمر پلی لاکتیک گلایکولیک اسید گزارش شده است. در نتیجه یکی از راه‏های بهبود جذب کاهش اندازه‏ی ذرات است [5].
• آب‏گریزی و بار سطحی
به غیر از اندازه‏، ویژگی‏های سطحی ذرات نیز بر جذب آنها موثر است. جذب ذراتی که از پلیمرهای آب‏گریز تشکیل شده‏اند بیشتر از پلیمرهایی است که تا حدودی خاصیت آب‏دوستی دارند.
نانوذرات پلیمری تهیه شده از پلی استایرن که بار منفی بر سطح خود دارند کمتر از ذرات دارای بار مثبت از روده به ویژه سلول‏های M قابل جذب هستند. در عوض نانوذرات دارای بار منفی پلیمرهای پلی انیدرید اسیدهای سباسیک جذب بیشتری را نشان می‏دهند.
در کل این نتایج نشانگر آن است که نانوذرات بدون بار یا دارای بار مثبت از پلیمر آب‏گریز و نانوذرات دارای بار منفی از پلیمرهای آب‏دوست‏تر قابلیت جذب بهتری توسط سلول‏های گوارشی دارند [5]. جدول زیر نمونه‏هایی از تحقیقات انجام شده برای بهبود دارورسانی را نشان می‏دهد.

جدول 1- تدابیر استفاده شده برای بهبود دارورسانی خوراکی داروها [1]

هدف	پارامتر	تدابیر بکار رفته	نتایج
سلول پوششی	مخاط‏ چسبی	نانوذرات همراه با پلیمر مخاط‏چسب	افزایش ورود ذرات به محل اثر
سلول پوششی	اندازه‏ ی ذرات	کاهش اندازه‏ی ذرات	افزایش ورود ذرات به محل اثر
سلول پوششی	بار ذرات	اتصال پلیمر کاتیونی	افزایش 70% جذب دارو
سلول M	اندازه‏ی ذرات	کاهش اندازه‏ی ذرات	افزایش ورود ذرات به سلول
سلول پوششی	هدف‏ درمانی	اتصال به پکتین	افزایش 12 برابری غلظت دارو در محل اثر
سلول M	هدف‏ درمانی	اتصال به پکتین	افزایش 100 برابری غلظت دارو در محل اثر در موش

​

بحث و نتیجه‏ گیری
دارورسانی خوراکی مقبول‏ترین راه تجویز داروها است. بسیاری از مولکول‏های دارویی به¬طور موفقیت‏آمیزی با قابلیت جذب بالا از این راه منتقل می‏شوند. البته برخی از داروها هنوز برای جذب خوراکی مشکلاتی نظیر انحلال و پایداری کم دارند. ورود این داروها به داخل نانوذرات می‏تواند برخی مشکلات را رفع نماید و موجب ماندگاری و جذب بیشتر دارو در دستگاه گوارش شود. سدهای زیاد موجود در دستگاه گوارش به عنوان یک معضل در دارورسانی محسوب می‏شوند اما نانوساختارهایی نظیر ذرات مخاط‏چسب نیز وجود دارند که با کمک همین سدها توانسته‏اند موجب بهبود دارورسانی شوند. با وجود پیشرفت‏های زیاد، دارورسانی خوراکی حیطه‏ای بسیار گسترده در میان انواع سیستم‏های دارورسانی است که هنوز نیاز به تحقیقات بیشتر در آن وجود دارد.

 

[P O U R I A]

جلسه 31 : نانوذرات هیدروژل در دارورسانی

جلسه 31 : نانوذرات هیدروژل در دارورسانی

هیدروژل‏ ها شبکه‏های سه‏ بعدی آبدوست و دارای اتصالات عرضی هستند که در تماس با آب متورم می‏شوند اما حل نمی‏گردند. این ترکیبات می‏توانند اشکال فیزیکی مختلفی شامل ورقه، میکروذره، نانوذره، ساختار پوششی و فیلم داشته باشند. به دلیل همین تنوع ساختار، هیدروژل‏ها به طور متداول در زمینه‏ های گوناگون پژوهشی نظیر زیست‏حسگرها، مهندسی بافت، جداسازی مولکول‏های زیستی یا سلول‏ها و تنظیم چسبندگی زیستی مواد مورد استفاده قرار می‏گیرند. موادی که دارای ساختار هیدروژل نانوذره‏ای هستند ویژگی‏ هایی را که هیدروژل‏ها و نانوذرات هر یک به طور جداگانه دارا می‏باشند، به طور همزمان نشان می‏دهند. نانوذرات هیدروژل کاربردهای گسترده‏ای دارند که یکی از مهم‏ترین آنها هدف‏درمانی سلولی است. این ساختارها همچنین برای آزادسازی کنترل شده‏ی پروتئین‏ هایی مانند لیزوزیم، آلبومین و ایمونوگلوبولین نیز مورد استفاده قرار گرفته‏اند.

 

[P O U R I A]

هیدروژل‏ها شبکه‏ های بسپاری با پیکربندی سه‏بعدی هستند که قادر به جذب مقدار زیادی آب یا مایعات زیستی می‏باشند. تمایل این ترکیبات به جذب آب به دلیل حضور گروه‏های آبدوست نظیر -OH، -CONH-،
CONH2 - و SO3H - در بسپارهایی است که ساختار هیدروژل را تشکیل می‏دهند. بسته به ماهیت محیط آبی و ساختار بسپار، ژل با نسبت‏های مختلفی آبدار می‏شود که گاه این میزان به بیش از نود درصد وزنی بسپار می‏رسد. محتوای آبی هیدروژل‏ها نقش مهمی در تعیین ویژگی‏های کلی شبکه‏ی بسپاری ایفا می‏کند. بر این اساس در مقایسه با شبکه‏های بسپاری آبگریز، هیدروژل‏های آبدوست خصوصیات متمایزی از خود نشان می‏دهند. همچنین شرایط تهیه‏ی هیدروژل‏ها نیز به طور قابل ملاحظه‏ای ملایمتر است و علاوه بر تشکیل ژل در دمای محیط، به ندرت از حلال‏های آلی در فرآیند تولید آنها استفاده می‏شود. هیدروژل‏ها به ویژه انواعی که در دارورسانی و اهداف پزشکی زیستی مورد استفاده قرار می‏گیرند، باید زیست‏سازگاری و زیست تخریب‏پذیری قابل قبولی داشته باشند [1].

ساختار شبکه هیدروژل‏ها می‏تواند ماکرومتخلخل (macroporous)، میکرومتخلخل (microporous) یا غیر متخلخل (nonporous) باشد. هیدروژل‏های ماکرومتخلخل منافذ بزرگی در ابعاد 0.1 تا 1 میکرومتر دارند. این هیدروژل‏ها داروی به دام افتاده درون خلل و فرج خود را از طریق مکانیسمی که بستگی به ضریب پخش دارو دارد آزاد می‏کنند. هیدروژل‏های میکرومتخلخل منافذ کوچکی در محدوده‏ی 10 تا 100 نانومتر دارند و داروی داخل آنها از طریق فرآیندهای انتشار و جریان همرفت مولکولی آزاد می‏شود. هیدروژل‏های غیر متخلخل ساختارهای غربال‏مانند در ابعاد درشت‏مولکول محسوب می‏شوند که منافذ آنها 1 تا 10 نانومتر است و از طریق ایجاد اتصالات عرضی در زنجیره‏ های تکپار (monomer) تشکیل می‏گردند. در این ساختارها آزادسازی دارو فقط از طریق مکانیسم انتشار صورت می‏گیرد [2].

2- طبقه‏ بندی هیدروژل‏ ها
به طور کلی هیدروژل ار)، ساختار فیزیکی (بی‏شکل (amorphous)، شبه بلوری، دارای پیوند هیدروژنی، ابرمولکول و هیدروکلوئیدی) و پاسخ‏دهی به محرک‏های محیطی (pH، قدرت یونی، دما، تابش الکترومغناطیس و غیره) طبقه‏بندی می‏شوند. بسپارهایی که به طور متداول در تهیه‏ ی هیدروژل‏های دارای کاربردهای دارویی و زیستی مورد استفاده قرار می‏گیرند، منشا طبیعی یا سنتزی دارند [1و3].


3- سیستم‏ های هیدروژل با آزادسازی کنترل شده

سیستم‏های دارورسانی مبتنی بر هیدروژل به دو گروه عمده تقسیم می‏شوند: 1) سیستم‏های دارای کنترل زمانی و 2) سیستم‏ های آزادسازی به واسطه‏ ی حضور یک محرک. به گروه دوم نام‏های دیگری نظیر حساس به محرک، پاسخ دهنده به محرک، حساس به محیط، پاسخ دهنده به محیط یا به‏طور کلی سیستم‏ های هیدروژل پاسخ دهنده نیز اطلاق می‏شود. با وجود توجه زیادی که به سیستم‏ های دارورسانی نوین بر مبنای هیدروژل‏ های حساس به محیط معطوف شده است، این سیستم ‏ها معایب خاص خود را دارند. مهم‏ترین نقطه ضعف هیدروژل‏ های حساس به محرک، زمان پاسخ آهسته‏ی آنها است. سیستم‏های هیدروژل حساس به محیط که به عنوان سیستم‏ های هوشمند نیز شناخته می‏شوند، خود به سه زیرشاخه تقسیم می‏گردند: 1) سیستم‏های آزادسازی با محرک فیزیکی، 2) سیستم‏ های آزادسازی با محرک شیمیایی و 3) سیستم‏های آزادسازی با سایر محرک‏ها. دما، جریان الکتریسیته، نور، فشار، صوت و میدان مغناطیسی از جمله محرک ‏های فیزیکی هستند در حالی که pH، ترکیب حلال، یون‏ها و برهمکنش‏های ویژه‏ای که به شناسایی مولکول‏ها می‏ انجامند از محرک‏ های شیمیایی محسوب می‏شوند [1]. شکل 1 رفتار متورم شدن- جمع شدن هیدروژل‏ های حساس به محیط را نشان می‏دهد.

شکل 1- نمایش رفتار متورم شدن- جمع شدن هیدروژل‏های حساس به محیط [3]


​

4- نانوذرات هیدروژل (نانوژل)
به عنوان خانواده‏ای از ذرات نانومقیاس، مطالعات بسیاری در زمینه‏ی دارورسانی با نانوذرات هیدروژل که نانوژل نیز خوانده می‏شوند صورت گرفته است. موادی که دارای ساختار هیدروژل نانوذره‏ای هستند ویژگی‏هایی را که هیدروژل‏ها و نانوذرات هر یک به طور جداگانه دارا می‏باشند، به طور همزمان نشان می‏دهند. از این رو می‏توان از آبدوستی، انعطاف‏پذیری، تطبیق‏پذیری، میزان زیاد جذب آب و زیست‏سازگاری این ذرات و همه‏ی مزایای نانوذرات به ویژه طول عمر زیاد در چرخه‏ی مورد استفاده و امکان کاربرد روی سایت هدف به صورت فعال یا غیر فعال بهره گرفت [1]. روش‏های مختلفی برای تهیه‏ی نانوذرات هیدروژل مورد استفاده قرار گرفته است که از آن میان می‏توان به بسپارسازی امولسیونی، بسپارسازی بین سطحی، تبخیر حلال، ته‏نشینی حلال، نانورسوب‏گیری، انحلال بسپارهای طبیعی و امولسیون‏سازی- پخش اشاره کرد [4]. در کنار بسپارهای سنتزی متداول، پژوهش‏های گسترده‏ای روی تهیه‏ی نانوذرات با استفاده از بسپارهای آبدوست طبیعی متمرکز شده است. در ادامه به بررسی انواع نانوذرات هیدروژل بر اساس نوع مواد بسپاری بکار رفته در تهیه‏ی آنها خواهیم پرداخت.

1-4- نانوذرات هیدروژل بر پایه‏ کیتوزان
کیتوزان فرم استیل‏زدایی شده‏ کیتین که پلی‏ساکارید موجود در پوسته سخت‏ پوستان است می‏باشد. کیتوزان در آب محلول و دارای بار مثبت است و این ویژگی از نقطه نظر تکنیکی اهمیت بسیاری دارد چراکه بسپار را قادر می‏سازد تا با بسپارهای دارای بار منفی، درشت‏مولکول‏ها و حتی با برخی پلی‏ آنیون‏ها در محیط آبی برهمکنش داشته باشد. از این برهمکنش‏ها و حالت‏های گذار محلول-ژل ایجاد شده برای اهداف نانوکپسوله کردن استفاده می‏شود. از سوی دیگر کیتوزان امکان چسبیدن به سطوح مخاطی درون بدن را دارد و این سبب می‏گردد تا در دارورسانی مخاطی مورد توجه قرار گیرد. علاوه بر این خصوصیات، زیست‏سازگاری و سمیت کم کیتوزان باعث شده است تا از آن برای انتقال ترکیبات درشت‏مولکول نظیر پپتیدها، پروتئین ‏ها، آنتی‏ژن‏ ها، الیگونوکلئوتیدها و ژن‏ها بهره ‏برداری شود.


• نانوذرات مبتنی بر کیتوزان با اتصالات عرضی کووالانسی
نخستین کارها روی نانوساختارهای مبتنی بر کیتوزان مربوط به ایجاد اتصالات عرضی شیمیایی بین زنجیره‏های بسپار است. بر این اساس نانوکره‏های کیتوزان که حامل داروی ضد سرطان 5-فلوئورو اوراسیل بودند سنتز شدند. برای تهیه‏ی این نانوکره‏ها از گلوتارآلدهید به عنوان عامل ایجاد کننده‏ی اتصالات عرضی بین گروه‏های آمینو در کیتوزان استفاده شد. از آنجا که مشتقات 5-فلوئورو اوراسیل خود دارای گروه آمین انتهایی هستند، افزودن گلوتارآلدهید سبب اتصال دارو به بسپار و عدم تحرک دارو به جای کپسوله شدن آن می‏گردد.

• نانوذرات مبتنی بر کیتوزان با اتصالات عرضی یونی
همان‏طور که اشاره شد از ماهیت کاتیونی کیتوزان به خوبی برای توسعه‏ی سامانه‏های دارورسان بهره‏برداری شده است. علاوه بر تشکیل کمپلکس با بسپارهای دارای بار منفی، یک ویژگی جالب کیتوزان توانایی آن در ایجاد ژل در تماس با برخی پلی‏آنیون‏ها است. این فرایند که انعقاد یونوتروپیک (ionotropic gelation) نامیده می‏شود به دلیل تشکیل اتصالات عرضی بین زنجیره‏های بسپار (inter crosslinking) و درون آنها (intra crosslinking) روی می‏دهد. از نانوذرات کیتوزان که از انعقاد یونوتروپیک کیتوزان با تری پلی‏فسفات به وجود آمده‏اند برای کپسوله کردن دارو استفاده می‏شود. به عنوان مثال نانوذرات کیتوزان با اندازه‏ی nm 400-300 برای انتقال انسولین مورد استفاده قرار گرفته‏اند [1].

 

[P O U R I A]

2-4- نانوذرات هیدروژل بر پایه آلژینات
آلژینیک اسید یک بسپار زیستی آنیونی است که ویژگی‏هایی مانند انحلال‏ پذیری زیاد در محیط آبی، تمایل به تشکیل ژل در شرایط مناسب و تخلخل زیاد ژل حاصل، زیست‏ سازگاری و عدم سمیت دارد. به‏ طور کلی ایجاد اتصالات عرضی و به دنبال آن تشکیل شبکه‏های بسپاری با افزودن یون مخالف (counter ion) به آلژینات منجر به تولید حامل‏های دارورسان با ساختار نانوذرات هیدروژل می‏ گردد. گرچه هر گونه‏ کاتیونی می‏تواند واکنش را آغاز نماید اما بیشتر پژوهشگران ترجیح می‏دهند از کلسیم کلرید استفاده کنند. نخستین حامل دارویی که از سدیم آلژینات ساخته شد دارای گستره‏ی اندازه ذرات وسیعی (850-250) نانو متر بود. از آنجا که گستره‏ی اندازه‏ی نانوذرات آلژینات به میزان زیادی وابسته به ترتیب افزودن یون مخالف به محلول آلژینات است، برخی گروه‏های تحقیقاتی با اضافه کردن مرحله‏ی ایجاد کمپلکس پلی‏الکترولیت، نانوذراتی با توزیع اندازه‏ محدود به دست آورده ‏اند. نانوذرات مبتنی بر آلژینات برای انتقال انسولین، داروهای ضد سل و ضد قارچ و حتی در زمینه‏ی انتقال ژن مورد استفاده قرار گرفته‏ اند. مقایسه‏ داروهای ضد سل گوناگون به صورت آزاد و کپسوله شده در نانوذرات آلژینات نشان می‏ دهد که فراهمی زیستی (bioavailability) همه‏ داروهای کپسوله شده به طور قابل ملاحظه‏ ای بیش از داروهای آزاد می‏باشد [1].

3-4- نانوذرات هیدروژل بر پایه‏ی پلی‏(وینیل الکل)
پلی‏(وینیل الکل) (PVA) که محصول بسپارسازی رادیکال آزاد (free radical polymerization) وینیل استات و به دنبال آن هیدرولیز گروه‏های استات به گروه‏های هیدروکسیل است، از امیدبخش‏ترین بسپارها برای مطالعات هیدروژل به شمار می‏رود. نانوذرات PVA نخستین بار به منظور دارورسانی پروتئین/پپتید تهیه شدند. کامپوزیت‏های ناهمگنی که این بسپار را در خود دارند، در زمینه‏ی تهیه‏ی نانوذرات هیدروژل بسیار مورد توجه قرار گرفته ‏اند. بر این اساس پلی‏ استرهای زیست تخریب‏ پذیر پیوند خورده با PVA یا سولفوبوتیل-پلی‏(وینیل الکل) سنتز شدند. این بسپارها خودبخود خودآرایی می ‏کنند و نانوذرات را به وجود می‏ آورند که این نانوذرات کمپلکس‏ های پایداری با برخی پروتئین‏ها نظیر آلبومین سرم خون و سیتوکروم C تشکیل می‏دهند [1].

4-4- نانوذرات هیدروژل بر پایه‏ پلی‏(اتیلن اکسید) و پلی‏(اتیلن ایمین)
خانواده‏ ای جدید از مواد نانومقیاس بر مبنای شبکه ‏های پراکنده‏ پلی‏(اتیلن اکسید) (PEO) و پلی‏(اتیلن ایمین) (PEI) که به صورت PEO-cl-PEI نشان داده می ‏شود، گسترش یافته‏ اند. برای به دست آوردن سیستم‏هایی با پخش مناسب، واکنش ایجاد اتصالات عرضی با روش اصلاح شده‏ امولسیون‏سازی/تبخیر حلال انجام می‏ گیرد. بر این اساس ذراتی با اندازه‏ی بین 300 تا 400 نانومتر تولید می‏شوند که قطر میانگین بخش عمده آنها nm 240-150 خواهد بود. برهمکنش مولکول‏های آنیونی یا دوگانه‏دوست یا الیگونوکلئوتیدها با PEO-cl-PEI منجر به تشکیل مواد نانوکامپوزیتی می ‏گردد. برای بهبود دارورسانی با استفاده از گیرنده‏ ها می‏توان ذرات نانوژل حامل ترکیبات فعال زیستی را با لیگاندهای پلی ‏پپتید اصلاح نمود. تحقیقات نشان داده است که الیگونوکلئوتیدهای مستقر شده در نانوژل PEO-cl-PEI جذب سلولی و آزادسازی درون‏سلولی موثری دارند [1].

5-4- نانوذرات هیدروژل بر پایه پلی‏(وینیل پیرولیدون)
پلی‏(وینیل پیرولیدون) (PVP) یک بسپار آبدوست است که به عنوان ترکیبی زیست‏ سازگار و غیر آنتی ژنی شناخته می‏شود و از این رو برای آزمایش‏های زیستی ایمن می‏باشد. یکی از روش‏های تهیه‏ی نانوذرات هیدروژل بر پایه‏ PVP استفاده از هسته‏ های مایی ریزقطره‏ های میسل معکوس به عنوان نانوراکتور است. از آنجا که ریزقطرات میسل معکوس بسیار تک‏پخش (monodispersed) هستند و اندازه‏ی آنها به خوبی قابل کنترل است، نانوذراتی که به این روش تهیه می‏شوند توزیع اندازه‏ی کوچکی دارند و قطر آنها معمولا کمتر از 100 نانومتر است. نانوسفرهای مغناطیسی هیدروژل PVP آزادسازی غیر فعال دارو از خود نشان می ‏دهند که از این خاصیت می‏ توان برای افزایش تاثیر درمانی بهره برد. این ساختارها قابلیت استفاده به عنوان حامل‏های دارویی را در شیمی‏ درمانی با هدایت مغناطیسی دارا می‏ باشند [1].

6-4- نانوذرات هیدروژل بر پایه‏ی پلی-N-ایزوپروپیل آکریل آمید
پلی-N-ایزوپروپیل آکریل آمید (PNIPAM) احتمالا شناخته شده ‏ترین عضو خانواده‏ بسپارهای پاسخ دهنده (responsive) است. شبکه‏های نانوذرات هیدروژل این ترکیب که حاوی دکستران (dextran) هستند و نیز نانوذرات دارای ساختار هسته-پوسته (core-shell) آن تهیه شده‏ اند.

ساختارهای نانوهیدروژل هسته-پوسته با اندازه‏ی 50 تا 150 نانومتری از همبسپار پلی(آکریلونیتریل-N-co-ایزوپروپیل آکریل‏آمید) تهیه شده‏ و به عنوان حامل ‏های دارویی مورد مطالعه قرار گرفته‏ اند. ویژگی قابل توجه این نانوذرات این است که هسته‏ آبگریز آنها که از پلی(آکریلونیتریل) تشکیل شده است، به سادگی با تبدیل گروه‏ های نیتریل به آمیداکسیم خصلت آبدوستی زیادی پیدا می‏ کند. این خصوصیت امکان تنظیم تعادل آبگریزی/آبدوستی نانوذرات را فراهم می‏آورد. از پوسته‏ی حساس به دمای این ساختار برای آزادسازی پروپرانولول استفاده شده است. نتایج تحقیقات نشان می‏دهد که ظرفیت بارگیری و آزادسازی این نانوذرات با آمیداکسیم‏دار کردن هسته تقریبا دو برابر می‏شود (شکل 2) [5].

شکل 2- تصاویر TEM پلی(آکریلونیتریل-N-co-ایزوپروپیل آکریل‏آمید) با دو بزرگنمایی [5]​

4-7- نانوذرات هیدروژل از سایر بسپارها

جدول زیر تکپارهایی را که به‏ طور متداول در سنتز هیدروژل‏های دارای کاربرد دارویی مورد استفاده قرار می‏گیرند، نشان می‏دهد.

جدول 1- تکپارهای متداول در سنتز هیدروژل‏های دارای کاربرد دارویی [1]

نام اختصاری تکپار	نام شیمیایی تکپار
HEMA	هیدروکسی‏ اتیل متاکریلات
HEEMA	هیدروکسی‏ اتوکسی‏ اتیل متاکریلات
HDEEMA	هیدروکسی‏ دی‏ اتوکسی‏ اتیل متاکریلات
MEMA	متوکسی‏ اتیل متاکریلات
MEEMA	متوکسی‏ اتو کسی‏ اتیل متاکریلات
MDEEMA	متوکسی‏دی‏ اتوکسی‏ اتیل متاکریلات
EGDMA	اتیلن گلیکول دی‏ متاکریلات
NVP	N-وینیل-2-پیرولیدون
NIPAAm	N-ایزوپروپیل Aam
VAc	وینیل استات
AA	آکریلیک اسید
MAA	متاکریلیک اسید
HPMA	N-2-هیدروکسی‏پروپیل) متاکریل‏آمید
EG	اتیلن گلیکول
PEGA	آکریلات پگیله
PEGMA	متاکریلات پگیله
PEGDA	دی‏ آکریلات پگیله
PEGDMA	دی‏ متاکریلات پگیله

​

​

​

پپتیدهای دارای فعالیت زیستی که برای مقاصد درمانی مورد استفاده قرار می‏گیرند، عموما نیمه‏ عمر نسبتا کوتاهی دارند و در نتیجه نیازمند سیستم ‏های آزادسازی کنترل شده برای درمان موثرتر هستند. با این وجود آزادسازی کنترل شده‏ پپتیدها به سادگی سایر داروهای متداول نیست چرا که اندازه‏ مولکولی بزرگ آنها عامل مهمی در جلوگیری از پخش و آزادسازی آنها از حامل‏های بسپاری محسوب می‏شود. یک راه غلبه بر این مشکل استفاده از حامل‏ های میکروکپسولی حاوی نانوژل‏ های آکریلات می‏باشد. به این منظور ذرات لاکتوز حامل انسولین با بسپاری از آکریلات پوشیده می‏شوند. تجویز خوراکی میکروکپسول‏های حاصل بر روی حیوانات نشان می‏دهد که با انتقال اختصاصی انسولین به روده‏ی بزرگ، غلظت گلوکز خون آنها به طور چشمگیری کاهش می‏‏ یابد. این میکروکپسول‏ها دارای کنترل زمانی هستند و مستقل از تغییرات pH عمل می‏ کنند [3]. شکل 3 نمونه‏ هایی از نانوذرات هیدروژل به کار رفته در دارورسانی داروهای پپتیدی را نشان می‏دهد.

شکل 3- نمونه‏ هایی از نانوذرات هیدروژل به کار رفته در دارورسانی داروهای پپتیدی؛ EA: اتیل آکریلات، Gd-DTPA: گادوپنتتیک اسید، HEMA: 2-هیدروکسی‏ اتیل متاکریلات، MAA: متاکریلیک اسید، MBAAm: متیلن بیس‏ آکریل‏ آمید، MMA: متیل متاکریلات، NIPAAm: N-ایزوپروپیل‏آکریل‏آمید، PEGDMA: پلی‏(اتیلن گلیکول) دی ‏متاکریلات، PEGMA: پلی(اتیلن گلیکول) منومتاکریلات، TEGDMA: تترا اتیلن‏ گلیکول دی‏ متاکریلات [3]

5- کاربردهای دارویی هیدروژل‏ها
به منظور فراهم آوردن شرایط دارورسانی پایدار یا کنترل شده، طراحی و بهینه‏ سازی هیدروژل‏ها برای کاربردهای درون‏تن (in vivo) انجام گرفته است. در حال حاضر هیدروژل‏ها در دارورسانی از طریق مسیرهای غیر گوارشی، چشمی، روده‏ای، پوستی و از راه بینی مورد استفاده قرار می‏ گیرند. در ادامه برخی از مهم‏ترین کاربردهای دارویی هیدروژل‏ها مورد بررسی قرار گرفته است.

• درمان جراحات
از یک پلی‏ ساکارید اصلاح شده که در غضروف وجود دارد برای تشکیل هیدروژل و درمان عیوب غضروفی استفاده شده است. پلی‏ ساکارید با متاکریلات و گروه آلدهیدی عامل‏دار می‏ گردد و متاکریلات با ایجاد اتصالات عرضی با دی‏ساکارید غضروف و گروه آلدهیدی با برهمکنش با پروتئین‏های بافت پوست، شبکه‏ای را به وجود می‏ آورند که از آن سلول‏های غضروف آزاد می‏ شوند.

• دارورسانی اختصاصی به روده‏ی بزرگ
به دلیل حضور غلظت زیاد آنزیم‏ های پلی‏ ساکاریداز درون روده‏ بزرگ، هیدروژل‏های پلی ‏ساکاریدی اختصاصی این منطقه باید به دقت طراحی شوند. داروهای بارگیری شده بر روی چنین هیدروژل‏ هایی در مقابل یک بافت ویژه به‏طور اختصاصی عمل می‏کنند و با تغییر pH یا فعالیت‏های آنزیمی، آزاد می‏ شوند.

• مواد آرایشی
از هیدروژل‏ها به عنوان مواد حجم ‏دهنده استفاده می‏شود. این ترکیبات در محیط مایی درون بدن متورم می ‏شوند و آب را در خود نگه می‏دارند.

• دارورسانی موضعی
هیدروژل‏ها برای ارسال ترکیبات فعال نظیر دزونید (Desonide) که یک کورتیکواستروئید سنتزی است و معمولا به عنوان ضد التهاب از آن استفاده می‏ شود، کاربرد دارند. به جای کرم‏های متداول، هیدروژل‏ها به گونه‏ ای فرموله شده‏ اند که رضایت بیشتر بیمار را در پی دارند. این هیدروژل‏ها خصلت مرطوب‏ کنندگی دارند و از این رو خشکی پوست به همراه نمی‏ آورند.

• دارورسانی به چشم
برای دارورسانی چشمی پیلوکارپین و تیمولول، از بسپارهای تشکیل دهنده‏ی ژل نظیر زایلوگلوکان (xyloglucan) استفاده شده است. هیدروژل‏ های برخی از بسپارها مانند پلی هیدروکسی‏اتیل متاکریل‏آمید از طریق قرنیه به‏ طور کامل جذب می‏شوند.

• قابلیت ‏های صنعتی
بسترهای هیدروژل به عنوان جاذب دی‏اکسین‏ها مورد استفاده قرار می‏گیرند. DNAی ماهی آزاد دی‏اکسین‏ها را جذب می‏کند که خطراتی مانند سرطان‏زایی، مسمومیت و اختلال در عملکرد غدد درون‏ریز را در پی دارد.

• دوزهای دارویی اصلاح شده
دارورسانی مبتنی بر هیدروژل از آزادسازی و افت ناخواسته‏ ی داروهایی نظیر انسولین جلوگیری می‏کند.

• مهندسی بافت
علاوه بر ترمیم غضروف که به آن اشاره شد، هیدروژل‏ هایی با ابعاد میکرومتر که میکروژل نامیده می‏شوند، برای ارسال درشت‏ مولکول‏ هایی مانند فاگوزوم‏ ها به سیتوپلاسم سلول‏های دارای آنتی‏ ژن مورد استفاده قرار می‏گیرند.

• دارورسانی پروتئین
در حال حاضر اینترلوکین (interleukin) که عموما به صورت تزریقی تجویز می‏ شود، به شکل هیدروژل ارائه می‏ گردد که رضایت بیشتر بیمار را به دنبال دارد. این هیدروژل‏ها به ‏طور درجا (in situ) شبکه‏ بسپاری تشکیل می‏ دهند و پروتئین‏ها را به آهستگی آزاد می‏ کنند [2].

• سایر کاربردها
از نانوهیدروژل‏ هایی که دارای سطحی الگومند (surface-patterned) هستند برای تهیه‏ آرایه ‏های (arrays) پروتئینی با چگالی و حساسیت بالا استفاده می‏شود. نانوآرایه‏های پروتئینی شرایط مناسبی را برای مطالعه‏ی جنبه‏های بنیادی ماهیت و عملکرد پروتئین سلولی فراهم می‏آورند. به علاوه، این ساختارها به عنوان ابزارهایی برای کشف داروها، شناخت مولکول‏های زیستی جدید برای تشخیص بیماری‏ها و ارتقای سنجش‏ های ایمنی‏شناسی مورد استفاده قرار می‏گیرند [6].

بحث و نتیجه‏ گیری
از میان کاربردهای مختلف، دارورسانی مبتنی بر هیدروژل‏ها به زمینه‏ ای مورد توجه و در حال پیشرفت تبدیل شده است. هیدروژل‏ها می‏ توانند از دارو در مقابل عوامل مهاجم محیطی مانند آنزیم‏ها یا تغییرات pH محافظت کنند. تخلخل آنها سبب بارگیری دارو درون ماتریکس ژل و آزادسازی آن با سرعت از پیش تعیین شده می‏ گردد. مواد کنترل‏ کننده‏ فعالیت آنزیم‏ها، عوامل ناپایدارکننده‏ فسفولیپیدهای دولایه، مواد کنترل‏ کننده‏ اتصال برگشت‏ پذیر سلول، نانوراکتورهایی با امکان گنجاندن دقیق گروه‏ های فعال در فضای سه‏ بعدی، میکروسیالات هوشمند با هیدروژل‏های پاسخ ‏دهنده و سیستم‏ های تبدیل انرژی کاربردهای نوید بخش هیدروژل‏ ها در زمینه های پزشکی و داروسازی می‏ باشند.
​

​

 

[P O U R I A]

جلسه 32 : نانو ذرات مغناطیسی در تصویربرداری پزشکی (1)

جلسه 32 : نانو ذرات مغناطیسی در تصویربرداری پزشکی (1)

ویژگی ها و مزایای منحصر به فرد نانو ذرات مغناطیسی برتری این ذرات به عنوان عوامل کنتراست در تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)را موجب می شود. اساس کار MRI بر پایه بر هم کنش بین میدان مغناطیسی و پروتون های بافتی می باشد. بررسی ها نشان داده است که استفاده از نانوذرات مغناطیسی در MRI، کنتراست بهتری از تصاویر را به همراه دارد و امکان تصویربرداری در سطوح سلولی و ملکولی را فراهم می کند. در این مقاله توضیح مختصری از نحوه عملکرد MRI داده شده است، هم چنین مقایسه ای بین نانوذرات مغناطیسی و سایر عوامل کنتراست انجام شده است و علت برتری و افزایش کنتراست حاصل از نانوذرات مغناطیسی بحث شده است و در ادامه توضیحات کلی در مورد ساختار ذرات استفاده شده، داده شده است.

 

[P O U R I A]

1- تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)
(MRI (magnetic resonance imagingیک ابزار قدرتمند پزشکی در زمینه تشخیص می باشد [1]. استراژی اصلی برای درمان بیماری ها در تشخیص سریع آنها می باشد و هرچه بیماری در مراحل ابتدائی تر شناسایی شود امید به درمان موفقیت آمیز آن بیشتر است. MRI بر پایه پدیده رزونانس مغناطیسی هسته همراه با عامل کنتراست مناسب، امکان تشخیص زودهنگام سرطان وانواع بیماری ها را فراهم می آورد [2].

1-1- اصول کنتراست MRI
در MRI یک میدان مغناطیسی قوی بکار می رود که ممان های مغناطیسی پروتون در نمونه را هم جهت می کند و یک مغناطیس پذیری به بزرگی M0 در راستای محور z (Mz) تولید می کند (شکل 1). یک پالس فرکانس رادیویی(RF) در فرکانس تشدید و با قابلیت انتقال انرژی به پروتون، با چرخش ممان های مغناطیسی پروتون ها، باعث دور شدن آنها از محور Z و قرار گرفتن آنها در زاویه ای می شود که زاویه فلیپ نام دارد. انتخاب زاویه فلیپ وابسته به توالی تصویر برداری اعمالی می باشد، اما عموما در صفحه عرضی (صفحه xy) قرار می گیرد و باعث مغناطیس پذیری خالص Mxyمی شود. با برداشتن RF ممان های مغناطیسی پروتون به حالت اول (تعادل) آسایش می یابند. زمان مورد نیاز برای آسایش ممان های مغناطیسی به حالت تعادل، که اصطلاحا زمان آسایش نام دارد، به نوع بافت وابسته است[3و4].

شکل1- رزونانس مغناطیسی برای تجمعی از پروتون ها با گشتاور مغناطیسی شبکه m در حضور میدان مغناطیسی خارجی B0

​

کنتراست MRI در بافت های نرم به علت تفاوت در دانسیته پروتون، زمان آسایش اسپین-شبکه (T1) و زمان آسایش اسپین-اسپین (T2) پروتون ایجاد می شود.T1ثابت زمانی فرآیند بازیابی نمایی M0 در راستای محور Z بعد از اعمال پالس RF می باشد. پروتون هایی که سریع آسایش می یابند (T1کوتاه دارند)، مغناطیس پذیری کامل در جهت محور Z را دوباره ایجاد می کنند و سیگنال با شدت های بالا تولید می کنند. برای پروتون هایی که آهسته تر آسایش می یابند (T2طولانی دارند)، مغناطیس پذیری کامل قبل از برداشتن پالس RF، مجددا ایجاد نمی شود و بنابراین این پروتون ها به طور ذاتی سیگنال ضعیف تری تولید می کتتد و منجر به ایجاد پدیده ای به نام اثر اشباع می شوند. تصاویر وزن T1 آناتومی را به خوبی نشان می دهند و هنگامی که تصاویر واضح از ساختار مورد نیاز است، ارجحیت دارند [4].

T2ثابت زمانی از بین رفتن نمایی مغناطیس پذیری عرضی (Mxy) بعد از اعمال پالس RF می باشد. T2 مرتبط با مقدار زمان مورد نیاز ممان های مغناطیسی پروتون ها برای تغییر جهت و قرار گرقتن تصادفی در راستای صفحه xy بعد از اعمال RF می باشد و نهایتا منجر به ممان مغناطیسی خالص صفر در صفحه xy می شود. این فرآیند بی فاز شدن، می تواند به وسیله ترکیب شدن ناهمگونی های موضعی میدان مغناظیسی در نتیجه بر همکنش مولکول های مجاور و همچنین بوسیله اثرات ماکروسکوپیک مرتبط با تغییرات کوچک در میدان مغناطیسی خارجی ایجاد شود. وقتی که زمان بی فاز شدن هم برای برهمکنش های مولکولی و هم برای ناهمگونی های میدان مغناطیسی خارجی محاسبه شود، اصطلاحا به آن T2* گفته می شود و تصاویر تولید شده تصاویر با وزن T2* خوانده می شوند. تصاویر با وزن T2 با حذف اثرات بی فاز شدن مربوط به ناهمگونی های میدان خارجی تولید می شود و فقط برای برهمکنش های مولکولی محاسبه می شود. تصاویر وزن T2 زمانی که مایعات غیرنرمال در برابر زمینه بافت نرمال روشن ظاهر می شوند، اطلاعات پاتولوژیک خوبی می دهد.

از آنجایی که بین محتوای آب اندامها و بافتها تفاوت وجود دارد، و همچنین در خیلی از بیماریها روند آسیب رسانی منجر به تغییر در محتوای آب می شود، این روش تصویر برداری بطور وسیع در پزشکی بکار برده می شود[1]. دستگاه MRI لوله‌‌ای است که بوسیله آهنربای دایره‌ای شکل دواری احاطه شده است (شکل2). این آهنربا میدان مغناطیسی ایجاد می کند. در اینجا امواج رادیویی با طول موجهای متفاوت سطح نمونه را اسکن می کنند.

شکل2-نمایی از دستگاه MRI

​

هنگامیکه یک میدان مغناطیسی یکنواخت استفاده می شود، هسته چرخشی در فرکانس لارمور (Larmor) دارد و از دو سطح انرژی بالا و پایین تشکیل می شود[3]. نمونه با جذب انرژی از موج رادیویی هم فرکانس با تفاوت دو تراز، به حالت انرژی بالاتری می روند و در راستای میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرند و با قطع میدان، این هسته ها به حالت اولیه خود برمی گردند[1] و در برگشت به سطح قبلی امواج رادیویی ( (RFدر فرکانس Larmor را منتشر می کنند. سیگنال RF با سیم پیچ رادیوفرکانسی دریافت می‌شود و آن میزان تفاوت بین دو سطح را نشان می دهد [3].سپس سیم امواج دریافتی را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند. این جریانها تقویت می‌شوند و به عنوان سیگنالهای MRI به رایانه داده می‌شود. رایانه با استفاده از سیستم تبدیلی به نام تبدیل فوریه این داده ها را به تصویر تبدیل می‌کنند. این تصویر بسیار دقیق است و تغییرات بسیار کوچک را نیز می‌تواند نشان دهد [1].

2-1- مزایای MRI:

• غیر هجومی است
• رزولوشن فضایی بالایی دارد
• توانایی توموگرافی چند بعدی دارد
و مشکل آن حساسیت پایین می باشد.
توانایی تکنیک های مدرن MRI در تمایز بین بافت های بیمار، توموری وملتهب به عامل کنتراست استفاده شده بستگی دارد. عوامل کنتراست که غالبا استفاده می شده است شامل یون های فلزی پارامغناطیس مثل [SUP]+[/SUP]Mn[SUP]2+[/SUP],Fe [SUP]3[/SUP] یا شلات های نادر زمین مثل [SUP]+[/SUP]Gd[SUP]3[/SUP]می باشد که استفاده از اینها یکسری معایبی دارد.
​

​

 

[P O U R I A]

3-1- عوامل کنتراست در MRI
در بیشتر بافت ها، تغییرات ذاتی T1 و T2 کوچک است و اغلب در کاربرد های بالینی، مواد خارجی برای تقویت کنتراست بین بافت هدف و بافت های اطراف بکار می روند. در حالی که تقریبا تمام عوامل کنتراست MRI بر هر دو زمان T1 و T2تاثیر دارند، اما اثر عوامل کنتراست معمولا بر روی یکی از زمان های T1 یا T2 برجسته تر است که منجر به تقسیم بندی این پروب ها به عوامل کنتراست T1 یا T2می شود. عوامل کنتراست T1برای افزایش شدت سیگنالی بکار می رود که با عث تقویت کنتراست مثبت در تصاویر وزن T1می شود، در حالی که عوامل کنتراست T2شدت سیگنال را کاهش می دهد و منجر به تقویت کنتراست منفی در تصاویر وزن T2می شود. در حال حاضر بیشتر عوامل کنتراست مورد استفاده در بالین، مبتی بر شلاته های پارامغناطیس فلزات لانتانید مانند گادولینیم می باشد .حضور یون های پارامغناطیس نزدیک پروتون های آب، زمان آسایشT1 آنها را از طریق هماهنگی با مولکول های آب کاهش می دهد و باعث افزایش کنتراست می شود. با وجود اینکه که شلاته های گادولینیم به طور وسیع استفاده می شوند اما زمان کوتاه در گردش خون آنها، حساسیت ردیابی ضعیف و نگرانی های مربوط به سمیت، منجر به توسعه پیوسته نانوذرات مغناطیسی ها به عنوان تقویت کننده های کنتراست شده است [5].

4-1- معایب عوامل کنتراست معمول در MRI
• سمیت
منگنز آزاد مشکلاتی در سیستم های مختلف بدن از جمله قلبی عروقی، سیستم عصبی مرکزی، ریه،کبد، سمیت روی تولیدمثل و جنین را بدنبال دارد و گادولونیوم سمیت زیادی بر عملکرد کلیه دارد [5].
• زمان حضور در بدن بسیار کوتاهی دارند که بررسی را مشکل می کند.
• توانایی مشخص کردن کامل بافت ملتهب اترواسکلروزیس، متاستاز سرطان و نشان دادن مراحل بهبود حاصل از درمان را ندارد.
• این عوامل عملکرد منفردی دارند و قابلیت های دیگر مثل انتقال دارو را ندارند [5].


5-1- محاسن نانوذرات مغناطیسی به عنوان عوامل کنتراست
• سمیت پایینی دارند و زیست سازگارهستند مثلا در استفاده ازآهن اکسید چون مقدار آن نسبت به آهن بدن بسیار کمتر است طبق مکانیسم های هموستاتیک آهن فیزیولوژیک متابولیزه می شود و تغییر چندانی در میزان آنزیم های کبدی و استرس اکسیداتیو به همراه ندارد (شکل3) وعلاوه بر این استفاده از پوشش روی سطح سمیت آن را کمتر می کند .

شکل ٣- تاثیر نانوذرات مغناطیسی بر استرس اکسیداتیو و میزان آنزیم های کبدی

​

• مدت زمان حضور بالایی در خون دارند و با استفاده از پوشش در سطح می توان کلیرانس ذرات را به تعویق انداخت و مدت زمان حضور خونی را افزایش داد.

• توانایی حمل انواع داروهای هیدروفوب مثلpaclitaxel ,doxorubicin به بافت را نیز دارند (شکل4)

شکل4- امکان همراهی دارو با نانو ذرات

• کنتراست خوبی دارند [5]. شکل 5 کنتراست بهتر در تصاویر با استفاده از نانو ذرات مغناطیسی را نشان می دهد.
​

شکل 5 - کنتراست خوب تصاویر حاصل از نانوذرات مغناطیسی

​

-چگونه نانوذرات مغناطیسی کنتراست تصاویر را بهبود می بخشند؟

این ذرات با ساختار کوچک خود منجر به کاهش زمانT1و T2 می شوندکه منجر به تیره شدن زمینه تصویر [7] و افزایش کنتراست و حساسیت می شود.

شکل 6 - تاثیر نانو ذرات مغناطیسی در افزایش کنتراست تصاویر

نانوذرات سوپر پارامغناطیس(SPM) در میدان مغناطیسی به کاررفته در MRI، اشباع مغناطیسی شده و قادر به تولید میدان دوقطبی مختل کننده موضعی می باشند و بدین شکل مقدار T1,T2 را کاهش می دهند [3]. واژه سوپرپارامغناطیس از طبیعت پارامغناطیس قوی ذرات با این سایز ناشی می شود. این ذرات وقتی تحت میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرند مومنتوم ذرات در راستای میدان قرار می گیرد و جریان مغناطیسی را افزایش می دهد.

بنابراین، تصویرسازی از ذرات SPIO ها نیست بلکه اثر آن روی آسایش طولی و عرضی از هسته های محیط اطراف می باشد [8]. SPIO به ذرات آهن اکسید با خصوصیات سوپرپارامغناطیسی می گویند که از اندازه آنها در محدوده نانو منشا می گیرد. وقتی ذرات به محدوده سوپرپارامغناطیسی وارد می شوند لوپ هیسترزیس را از دست می دهند، بنابراین شدیدا از میدان مغناطیسی خارجی تاثیر می پذیرند.

بعد از حذف میدان مغناطیسی، در جهت حذف پسماند های میدان، حرکات براونی جهت دهی تصادفی SPIO ها را موجب می شود. حرکات براونی از تجمع SPIO ها به دلیل جاذبه مغناطیسی جلوگیری می کند [8]. هم چنین با ایجاد پوشش در سطح نانوذرات با گروه های عملکردی خاص مثل آنتی بادی مونوکلونال و پروتئین اختصاصیت تشخیص و هیدروفیلیسیتی را درکاربری های MRI افزایش می دهند [2]. به همین دلایل برای تقویت سیگنال از نانوذرات و نانوکریستال های مغناطیسی (با ویژگی هایی مثل اندازه کوچک، مغناطیس قوی، زیست سازگاری و عملکرد فعال برای گیرنده) استفاده می کنند[3]. در سال 2005 ایده استفاده از نانو ذرات آهن اکسید سوپرپارامغناطیس [SUP]3[/SUP](SPIO) در MRI مطرح شد [9].

پروب های نانو ذرات مغناطیسی برای کاربردهای تصویربرداری درزیست پزشکی شامل هسته SPIO های با اندازه نانو از نوع مگنتیت[SUP]4[/SUP](Fe3O4) و یا مگهمیت[SUP]5[/SUP](γ Fe2O3) .- با کاربرد بیشترازمگنتیت- همراه پوششی از پلی ساکارید، پلیمر و یا مونومر سنتزی می باشد [8 و9].

٣- تصویربرداری ملکولی
تکنولوژی در حال گسترش تصویر برداری ملکولی نقش اساسی در بخش پژوهشی و کاربردی علوم زیستی دارد. تصویر برداری ملکولی حد فاصل علوم زیستی و فیزیک است و با تسهیل برهم کنش تکنیک استفاده شده با ساختار زیستی در سطح ملکولی تصویر ایجاد می کند.
تصویربرداری ملکولی تعاریف مختلفی دارد و به عنوان روشی غیر هجومی،کمی وتکرار پذیر، تصویربرداری از ماکروملکول های مورد نظر و یا پروسه های زیستی در موجودات زنده را فراهم می کند. با توجه به اینکه بسیاری از پروسه های بیماری زا با تغییر پروفایل ملکولی و یا تغییر رفتار سلولی قبل از آثار آناتومی مشخص می شود، این روش
-امکان تشخیص سریع بیماری
- پیش بینی با دقت بیشتر از سطح بیماری وامکان درمان توسط خود بیمار در جهت کاهش پروسه های درمانی
- توانایی نمایش تاثیر عامل درمانی
و بهبود فهم ما از برهم کنش سلول با محیط اطراف را فراهم می آورد.
بنابراین قابل پیش بینی است که تصویر برداری ملکولی در هر دو بخش آزمایشگاهی و درمانی تاثیر ژرفی خواهد داشت [8].
تکنیک های مختلف تصویربرداری نوری، تصویر برداری هسته ای و تصویربرداری رزونانس مغناطیسی از گسترده ترین تکنیک های تصویر برداری ملکولی قابل استفاده هستند که بحث ما در مورد تصویر برداری رزونانس مغناطیسی می باشد. MRI اطلاعات آناتومیکی و مورفولوژیکی با رزولوشن فضایی بالا و عمق نفوذ بدون محدودیت را فراهم می کند که با استفاده ازعوامل افزایش دهنده تضاد مثل MNP ها تا سطح سلولی و ملکولی بهبود می یابد[1].
اگرچه حدود 45 سال است که ازذرات آهن اکسید به عنوان عامل کنتراست استفاده شده است اما توسعه سنتز و پوشش نانو ذرات مغناطیسی در دهه اخیر افزایش کاربرد های آنها را در مطالعات زیستی از جمله ادغام خونی، به عنوان عوامل کنتراست اختصاصی سلول و بافت در تصویربرداری مغناطیسی، ردیابی سلولی و تشخیص بیوملکول ها ممکن ساخته است.


نتیجه گیری:
MRI بر پایه بر هم کنش امواج رادیویی با سطح نمونه در حضور میدان مغناطیسی می باشد و با دریافت و تبدیل امواج منتشر شده از پروتون های بافتی تصاویر دقیقی از بافت می توان تهیه کرد. عوامل کنتراستی که به طور معمول استفاده می شوند، یکسری معایبی از جمله سمیت، نیمه عمر پایین و عدم امکان عملکرد چندگانه دارند، در مقابل نانوذرات مغناطیسی با سمیت پایین، نیمه عمر بالا و عملکرد چندگانه و از همه مهمتر کنتراست بهتر، گوی سبقت را از دیگر عوامل کنتراست ربوده اند. ساختار این ذرات شامل هسته مگنتیت و مگهمیت همراه با پوششی از پلی ساکارید، پلیمر و یا مونومر می باشد. استفاده از این ذرات زمان T1و T2 را کاهش داده و موجب افزایش کنتراست تصاویر می شود.
​

​

 

[P O U R I A]

جلسه 33 : نانو ذرات مغناطیسی در تصویربرداری پزشکی (2)

جلسه 33 : نانو ذرات مغناطیسی در تصویربرداری پزشکی (2)

در این مقاله عمده بحث بر روی خواص و ویژگی های نانوذرات مغناطیسی در تصویربرداری پزشکی می باشد. در ابتدا ویژگی های مورد نیاز برای این ذرات نامبرده شده و در ادامه عوامل موثر در این خواص بحث شده است، از جمله اندازه ذره و اثر آن بر کنتراست تصاویر ، روش تهیه ذرات و اثر آن بر خواص فیزیکی و شیمیایی آنها و انواع پوشش های استفاده شده و مزایای آنها نامبرده شده است. در ادامه انواع نانو ذرات مورد استفاده به صورت مختصر معرفی شده اند و در نهایت نحوه انتقال ذرات به بافت هدف به صورت غیر فعال بررسی شده است.

 

[P O U R I A]

4 - ویژگی های مورد نیاز برای نانوذرات در تصویربرداری مغناطیسی

• گشتاور بالا و یکنواختی سوپرپارامغناطیسی
• پایداری کلوییدی بالا در شرایط فیزیولوژیک (غلظت بالای نمک،تغییرات pH)
• توانایی گریز از سیستم رتیکلواندوتلیال
• سمیت پایین و زیست سازگاری بالا
• قابلیت عملکردی شدن برای اتصال به گونه های فعال زیستی مثل پروتئین و نوکلئیک اسید [1]

۵-عوامل موثر در ویژگی های ذرات
کیفیت و ویژگی های مورد نیاز برای نانوذرات به عنوان عوامل کنتراست، به مواد هسته ای ذرات، توزیع اندازه ذره ای، بار سطحی ذرات، پایداری در محلول آبی ومایعات فیزیولوژیکی، شیمی فضایی نانو ذرات،خواص مغناطیسی مطلو بو خصوصیات شیمیایی ملکول های عملگر در سطح ذرات بستگی دارد [1و 2].
٥-۱-اندازه ذرات
آزمایشات نشان می دهد قطر نانوذرات مغناطیسی روی میزان تشدید سیگنال و نیمه عمر ذرات در بدن موثر است.
بررسی ها نشان داده است که ذرات با قطر 10 نانو متر نیمه عمر بیشتری نسبت به ذرات با قطر 30 و بزرگتر دارند [3].

(1)

​

​

γ: نسبت ژیرومغناطیسی پروتون در آب، :M مولاریته محلول نانوذرات، :r شعاع ذرات، :Nعدد آووگادرو، µ: گشتاورمغناطیسی نانوذرات، :Ws فرکانس لارمور محلول الکترونیک و :wI فرکاانس لارمور پروتون های آب می باشد[6] )

طبق فرمول شماره 1 بین اندازه ذره و میزان کاهش T2و بنابراین کنتراست تصویر رابطه وجود دارد. ذراتی با سایز های 12، 9، 6 و 4 نانومتر داریم و هر کدام گشتاور مغناطیسی خاص خود را دارند به طوریکه تحت میدان T 1.5 ،گشتاور مغناطیسی به ترتیب 102، 80، 43 و 25 emug[SUP]-1[/SUP] Fe می باشد. گرادیان آسایش پذیرییاT2 /1از 56 به 106، 130 و 190افزایش می یابد که همان گرادیان کنتراست تصویراست. همانطور که سایز ذرات از 4 به 12 می رسد تفاوت رنگ از سفید تا سیاه دیده می شود و همانطور که سایز ذرات بزرگ می شود شدت سیگنال های MRI کاهش می یابد. شکل 7 ارتباط سایز و شدت سیگنال را نشان می دهد[3].

شکل 7- ارتباط بین اندازه ذره و شدت سیگنال

از طرف دیگر بررسی ها نشان داده است که ذرات با قطر 10نانومتر نیمه عمر بیشتری نسبت به ذرات با قطر 30 و بزرگتر دارند[٣].

​

۵-۱-۱-دسته بندی ذرات
نانوذرات مغناطیسی بر اساس قطر کلی آنها که شامل هسته و پوشش می باشد به دسته بندی می شوند:
- SPIO های دهانی با سایز بین300nm وµ5 /3که از طریق مسیر دهانی مصرف می شوند و غالبا در جهت تصویربرداری سیستم گوارشی به کار می روند.
- SPIO های استاندارد(SSPIO) با اندازهnm 150-60
SPIO های خیلی کوچک (USPIO )با اندازه حدود nm100-40.
- نانو ذرات مونوکریستال آهن اکسید MION که زیر مجموعه USPIO می باشد با سایز حدود nm30-10
- ذرات بزرگتر از nm50 که شامل کریستال های چندگانه می باشند.
ذرات با سایز کمتر ازnm 50 در کارهای تصویربرداری ملکولی در شرایط درون تن استفاده می شود، بنابراین SPIOها تمام انواع MIONT،USPIO و CLIO (MION هایی که با پوشش دکستران اتصال متقاطع دارند)را شامل می شود[4].


5-2-روش تهیه نانوذرات مغناطیسی به منظور استفاده در MRI

​

در روش های مرسوم ساخت نانو ذرات از جمله میکروامولسیون وسل – ژل کنترل دقیقی روی اندازه ومونودیسپرسیتی وجود ندارد. نانوذرات کریستالیتی نسبتا ضعیفی دارد و ترکیبات شیمی فضایی گسترده ای دارند. در مقابل، روش های با شرایط بدون آب و دمای بالا ، کنترل اندازه بهتری را نشان می دهند، تک کریستال های زیادی تولید می کنند و شیمی فضایی خوبی دارند . تنها مشکل این روش ها حلالیت کم در آب است بدین منظور از پوشش های مختلف استفاده می کنند[1].

۵-۳- پوشش ذرات

انواع پوشش برای افزایش زیست سازگاری، تغییر بار سطحی ذرات ، افزایش نیمه عمر آنها در خون و بهبود عملکرد و اختصاصیت ذرات استفاده می شود [2].
انواع پوشش ها (جدول1) از جمله لیگاند های دو عاملی، پلیمری، سیلوکسان (siloxane)، میسل های فسفولیپیدی پگیله شده (که این ذارت توانایی اتصال به پپتیدهای Tat برای نشانه گذاری سلولی را دارند) و در بعضی مواقع از 2,3-dimercaptosuccinic acid (DMSA) استفاده می شود(شکل8). DMSA شلات های کربوکسیلات را به آهن متصل می کند، اتصال متقاطع دی سولفیدی بین لیگاند ها ایجاد می کند و همچنین گروه های تیول روی سطح می نشاند که امکان اتصال به مارکر های اختصاصی و عملکردی را بدنبال دارد. این ذرات پایداری بالایی در آب و بافر سالین فسفات و شرایط پر نمک دارند وبنابراین گزینه مناسبی برای اتصال به مارکر های سرطانی در شرایط درون تن و برون تن می باشند [1].​

شکل 8- SPIO با پوشش DMSA

​

برای بهبود زیست سازگاری نانوذرات سوپر پارامغناطیس (SPM) برپایه اکسیدآهن، ذرات را با پلیمری از دکستران پوشش می دهند که بعد از درمان توسط کبد به راحتی دفع می شود [2].
​

جدول1- انواع پوششهای استفاده شده درSPIO 6

مواد پوشش	مزایا
Citric,gluconic,oleic	هسته SPIO بزرگ با پوشش نازک از ترکیب ارگانوفیلیک
Dextran	نیمه عمر پلاسمایی بالا
Polycarboxymethyl dextran	کاهش قطر، افزایش نیمه عمر پلاسمایی
Polyvinyl alcohol	نیمه عمر طولانی درپلاسمای خون
Starches	زیست سازگاری، دسترسی زیستی و پایدارنگه داشتن pH , همراه با قابلیت تغییر سطحی
PMMA	حامل دارو رسانی مغناطیسی
PLGA	پوشش زیست سازگار تایید شده توسط سازمان غذا و دارو
PAM	ماتریکس با قابلیت به دام انداختن ذرات چند گانه
PEG	افزایش نیمه عمر در پلاسمای خون، قابلیت تغییر شیمیایی سطح
PEG-lipid	پوشش نازک و الحاقات زیستی در دسترس
Silane	واکنش نسبت به الکل و عوامل جفت شدگی سیلان نشان می دهد
Silica	پوشش خنثی و زیست سازگار

​

​

​

​

یکی از پوشش هایی که برای افزایش آبدوستی نانو ذرات آهن اکسید استفاده شده است، سیلیکا است که مشکل آگلومره شدن در خون را داردکه به همین دلیل به جای آن از دکستران استفاده کردند که پایداری بیشتری در شرایط فیزیولوژیکی دارد و به این تربیت انواع اشکال SPIO ها ساخته شد.

 

[P O U R I A]

در جدول 2 انواعی از نانوذرات بر پایه اکسید آهن قابل استفاده در MRI با ذکر ویژگی های کاربردی آنها دیده می شود.

جدول 2- انواع اشکال SPIO با پوشش های سطحی مختلف
​

عامل	اندازه هسته اکسید آهن (نانومتر)	اندازه کلی ذره (نانومتر)	مواد پوشاننده	آسایش T2 (L mol[SUP]-1[/SUP] S[SUP]-1[/SUP])	نیمه عمر در خون
AMI-121(Lumirem; Gastromark)	10	300	سیلیکون	72	کمتراز5 دقیقه
AMI-25 Feridex; Endorm	6-5	150-80	دکستران	98	6 دقیقه
(SHU 555A (Resorvist	4-2	62	کربودکستران	151	5,3
AMI-227(Combidex; Sinerem)	6-4	40-20	دکستران	53	کمتراز24ساعت

۶- انواع نانوذرات مغناطیسی برپایه SPIO
۶-۱-نانو ذرات آهن اکسید تک کریستال(MION) و آهن اکسید به صورت کراس لینک شده (CLIO)
دیده شده که ذرات آهن اکسید کوچکتر که شامل آهن اکسید مونوکریستال ( MION ) و یاآهن اکسید کراس لینک شده (CLIO) با پوشش دکستران می باشند نیمه عمر بیشتری داشته و قابلیت بیشتری برای اتصال به ملکول های فعال زیستی دارند، بنابراین برای کاربرد های پزشکی در شرایط درون تن کارایی بهتری دارند. در این ذرات اندازه مرکز آهن اکسید 2.8nmو اندازه با پوشش دکستران حدود10nm-30nmمی باشد[1].

۶-۲-مگنتو فریتین
فریتین یک پروتئین ذخیره کننده آهن در بدن می باشد که دارای هسته فری هیدراته 6 نانومتری(5Fe2O3_9H2O) و پوسته پلی پپتیدی آپوفریتین می باشد (شکل9). مگنتوفریتین در تصویر برداری نیز استفاده می شود و مقدار آسایش پذیری T[SUP]2[/SUP]حدود L mmol[SUP]_1[/SUP] s_1 157دارد و انتظار می رود زیست سازگاری و پایداری کلوئیدی بالایی در خون داشته باشد. اما نتایج،پاکسازی کمتر از 10 دقیقه را برای این ذرات نشان می دهد، زیرا توسط سیستم رتیکلواندوتلیال به کبد، طحال و گره های لنفی رفته و بنابراین برای تصویربرداری این اندام ها گزینه مناسبی است ولی برای تصویربرداری ملکولی مناسب نیست [1].

​

​

​

شکل 9-مراحل آماده سازی مگنتوفریتین
1-خارج کردن فری هیدارت از فریتین و تشکیل آپوفریتین
2- جایگذاری نانوذرات مغناطیسی در آپوفریتین و مگنتوفریتین تشکیل می شود.​

۶-۳-مگنتودندریمر
ساختار چندعملکردی بواسطه گروه های انتهایی و منفذ واحد، دندریمر ها را برای حمل دارو در دارو رسانی مطلوب کرده است که به طور مشابه می توانند حامل نانو ذرات مغناطیسی باشند این ذرات خواص مغناطیسی بیشتری را نشان می دهند (اشباعیت مغناطیسی حدود emu g[SUP]_1[/SUP] Fe 94 و میزان بالایی آسایش پذیری T2از 200 تا 406 L mmol[SUP]_1[/SUP] s[SUP]_1[/SUP] دارد و به راحتی بدون نیاز به عامل انتقالی به داخل سلول نفوذ می کنند(شکل10). بدین وسیله از این عوامل در نشانه گذاری سلولی و ردیابی سلولی می توان استفاده کرد. اندازه هسته آهن اکسید به 8nm-7nmو هسته همراه با پوشش دندریمری به 20nm-30nm می رسد [1].

شکل10-مگنتودندریمر

۶-۴-مگنتولیپوزوم
لیپوزوم نیز بسیار برای انتقال مواد دارویی استفاده می شود و پوشش خوبی برای هیدروفیل ساختن نانوذرات مغناطیسی است (شکل 11). ذرات در مرکز لیپوزوم قرار می گیرند که اندازه هسته آهن اکسیدی آن 16nmو اندازه ذرات در حالت لیپوزومی حدود 60nm است و در این ساختارآسایش پذیری T2 240 mmol[SUP]_1[/SUP] s[SUP]_1[/SUP]Lمی باشد [1].

​

شکل11-مگنتولیپوزوم

7- نحوه انتقال نانو ذرات مغناطیسی به بافت ها
۷-۱-انتقال غیر فعال
در انتقال غیر فعال قطر هیدرودینامیک و بار سطحی SPIO ها (که از فاکتور های وابسته به مواد پوشاننده سطح می باشد)، زمان گردش خون نانو ذرات، دسترسی به بافت، اپسونیزاسیون و میزان برداشت سلولی را تحت الشعاع قرار می دهد. در ادامه مواردی از انتقال غیر فعال پروب های مغناطیسی MRI بیان می شود [3].
مسیرهای برداشت متفاوت نانوذرات مغناطیسی در بافت های مختلف کنتراست MRI را مشخص می کند. ذرات کوچک توسط سیستم رتیکلواندوتلیال جمع آوری می شوند در سلول های توموری به علت غیاب سیستم رتیکلواندوتلیال، زمان آسایش با وجود عوامل کنتراست MNP، تغییر نمی کند. بنابراین شناسایی بدخیمی گره لنفاوی، تومور کبد و مغز با مقایسه تصاویر کنتراست بدست آمده از MRI با کمک نانو ذرات مغناطیسی ممکن می شود [3]. پروب های SPIO فاقد اختصاصیت ملکولی برای تصویربرداری سیستم های بیولوژیکی، بوسیله پروسه های فیزیولوژیکی شامل برداشت سلولی غیر اختصاصی،به دام افتادن در داخل ماکروفاژهای فاگوسیت کننده بافتهای توموری و ملتهب و یا تجمع در طحال،کبد و گره های لنفاوی به صورت طبیعی هدایت می شوند [4].

7-1-1- تصویربرداری کبد و طحال
تحقیقات نشان داده است که ذرات بزرگتر از 150nmبا پوشش دکستران ، به صورت غیر اختصاصی بوسیله سلول های کوپفر در کبد سالم برداشت می شود. با توجه به نبود سلول های کوپفر در کبد های بدخیم امکان تشخیص بافت سالم ومعیوب فراهم می شود [4].

7-1-2-تصویربرداری گره های لنفاوی
کوچکترین ذرات با اندازه 30nm توسط عروق لنفاوی جمع آوری و در گره های لنفاوی مجتمع می شوند. تجمع SPIO در گره های نرمال با کاهش T2همراه است و غیاب SPIO ها در تصاویر MRI با دقت بالایی اختلال جریان و یا متاستازگره ها را نشان می دهد و بدین وسیله، بدون مارکر اختصاصی اجازه تمایز بین ساختارهای مبتلا و سالم را ممکن می سازد [4] بنابراین ماکروفاژی که حاوی ذرات باشد تصویر سیاهی را ایجاد می کند و بافت سرطانی روشن می باشد [1].

7-1-3-تصویربرداری سرطان
مطالعات زیادی نشان داده که علاوه بر تشخیص متاستاز گره های لنفاوی،SPIO ها می توانند تومورهای جامد را نیز به طور مستقیم شناسایی کنند. این ذرات می توانند بوسیله نشت از عروق و برداشت ماکروفاژی به صورت غیر فعال در محل حاضر شوند. میزان نشت، به میزان تخلخل عروق توموری بستگی دارد. در بررسی مغز استخوان از AMI-25 استفاده شده و آسیب مغز استخوان با حساسیت بالا تشخیص داده می شود.(AIM یک نوع از نانو ذرات مغناطیسی قابل استفاده در MRI می باشد که مشخصات آن در جدول شماره 2 ذکر شده است).

7-1-4-تصویربرداری ماکروفاژ
MRI در تشخیص التهاب و بیماری های تخریبی با فعالیت بالای ماکروفاژی، بر پایه برداشت موثر ذرات بوسیله ماکروفاژها و سایر سلول های فاگوسیت کننده عمل می کند و امکان شناسایی محل دفع پیوند، شناسایی محل صفحات آترواسکلروزیس و امکان تشخیص قبل از تنگی مجرا را ممکن می سازدکه یقینا درمان مطلوبتری را به همراه دارد. نقش ماکروفاژها در بافت های بیمار سیستم عصبی مرکزی امکان تصویر برداری برای تشخیص سکته، مالتیپل اسکلروزیس، تومور مغزی و آترواسکلروز کاروتید را فراهم می کند.
قابل ذکر است که کنتراست تصاویر، به طور وسیعی به زمان گردش خونی و بار سطحی ذرات بستگی دارد. تجربه نشان داده است که ذرات کوچک با سایز 30nm-15nmبا مدت گردش خون بیشتر، کنتراست بهتری در محل التهاب در مقایسه با ذرات بزرگتر نشان می دهند [4].

نتیجه گیری:
در این مقاله مشاهده شد که کاهش اندازه نانو ذرات مغناطیسی موجب افزایش کنتراست و نیمه عمر ذرات می شود و ذرات بر اساس اندازه دسته بندی شدند. تهیه نانوذرات در شرایط بدون آب و دمای بالا کنترل بهتر بر اندازه ذره و کریستالیتی را به همراه دارد ولی حلالیت ذرات را کم می کند که برای رفع این نقیصه از پوشش بر سطح ذرات استفاده می کنند که البته انواع پوشش با کاربری های مختلف موجود است و منجر به تنوع در نانو ذرات شده است. پوشش فاکتور بسیار مهم و تاثیرگذار به ویژه در کاربردهای پزشکی می باشد و موجب کاهش سمیت ذرات، تسریع و تسهیل مکانیسم های دفع ذره،افزایش امکان عملکردی کردن سطح ذرات و تسهیل اتصال آنتی بادی و افزایش پایداری فیزیکوشیمیایی ذرات در بدن می شود. انواع نانو ذرات قابل استفاده شامل MION، CLIO ، مگنتوفریتین، مگنتودندریمر و مگنتولیپوزوم می باشد. این ذرات می توانند به صورت غیر فعال به بافت ها منتقل شوند و تصویربرداری از بافت های مختلف مثل کبد و طحال،گره های لنفاوی، سرطان و ماکروفاژ را امکان پذیر می کنند.
​

​

​

​

 

[P O U R I A]

جلسه 34 : نانو ذرات مغناطیسی در تصویربرداری پزشکی (3)

جلسه 34 : نانو ذرات مغناطیسی در تصویربرداری پزشکی (3)

در این مقاله انتقال فعال نانو ذرات مغناطیسی به منظور تشخیص و تصویربرداری به انواع بافت ها از جمله مشکلات قلبی و عروقی، بررسی بافت ملتهب، رگ زایی،آپوپتوز، بیان ژن، سرطان و ردیابی سلولی توضیح داده شده است و توضیح مختصری در مورد چگونگی و کاربردهای تغییر آسایش سطحی بیان شده است.

 

[P O U R I A]

7-2-انتقال فعال پروب های سوپرپارامغناطیس
وقتی اندازه ذرات کوچک باشد از سیستم های فاگوسیتی فرار می کند به همین دلیل از این ذرات به همراه مارکرهای اختصاصی، برای انتقال هدفمند استفاده می کنند(شکل 12)[1] .انتقال هدفمند نسبت به حالت غیر فعال برتری دارد زیرا هم باعث افزایش کنتراست می شود و هم توانایی تشخیص ملکولی را پیدا می کند که علاوه بر اطلاعات فیزیولوژیکی، بینشی از مکانیسم ملکولی را فراهم می کند ومنجر به تشخیص سریعتر و دقیق تر می شود. تصویربرداری التهاب، انفارکتوس، آنژیوژنز، آپوپتوز، بیان ژن و سرطان با این روش تا به حال انجام شده است.

شکل 12- انتقال فعال نانوذرات مغنا طیسی بر اساس قرار دادن آنتی بادی مربوط به مارکر بیماری بر سطح

به منظور دستیابی به انتقال هدفمند نانوذرات سوپرپارامغناطیس اکسید آهن (SPIO)، بیومارکرهای خاص هر بافت نیاز است. در مرحله اول عامل به طور مستقیم به سطح پوشش داده شده هیدروفیلیک متصل می شود. پوشش های پلیمری، گروه های عاملی فعال مختلف مثل آمین، سولفیدریل وکربوکسیل را دارند و باعث تسریع مراحل کانژوگاسیون می شوند. در مرحله بعد تجمع کافی ذرات در بافت، مورد نظر است. شاید بزرگترین مانع برای انتقال هدفمند، مکاندهی مقدار مناسبی از SPIO در محل آسیب، برای ایجاد کنتراست کافی می باشد. به همین منظور تکنیک های مختلفی برای افزایش تجمع ذرات در محل خاص استفاده می شود. روشی که بیشتر کاربرد دارد تله اندازی داخل سلولی است و از طریق برداشت با واسطه گیرنده ایجاد می شود و سطح بالایی از کنتراست را در سلول آسیب دیده ایجاد می کند. روش دیگر شامل روش های تقویت دو مرحله ای می باشد، مثل استفاده از آنتی بادی بیوتینه شده که در محل های بیماری مجتمع می شوند و SPIO متصل به استرپتوویدین در محیط قرار می گیرد(شکل13). از آنجایی که بیوتین و آویدین تمایل بالایی دارند، ذرات در محل مورد نظر مجتمع می شوند .

شکل 13-افزایش امکان تجمع ذرات بوسیله بیوتین و استرپتوویدین

پروب های MRI با آنتی بادی هدف سرطانی کانژوگه می شوند و گاهی این پروب ها ی مغناطیسی را با رنگ های فلورسنت همراه می کنند(شکل14)که امکان مطالعات درون تن و برون تن را فراهم می کند[2].

شکل 14-همراه کردن رنگ فلورسنت با پروب های مغناطیسی MRI

​

7-2-1- تصویربرداری قلبی-عروقی
علاوه بر فراهم آمدن امکان تشخیص آپوپتوز (مرگ برنامه ریزی شده سلولی) و تصویربرداری ملکولی، امکان تشخیص زود هنگام بیماری های قلبی عروقی مختلف از جمله آترواسکلروزیس، ترومبوز و نقایص میوکارد فراهم می شود.
تشخیص زود هنگام آترواسکلروز با SPIO هدفگذاری شده با anti-VCAM-1 و با پپتید اختصاصی VCAM-1 انجام می شود. عامل دیگری که در این مطالعات استفاده می شود E-selectin می باشد که یک مارکر پیش التهابی سلول های اندوتلیال است که در اترواسکلروزیس، تکثیر اندوتلیال عروق توموری و آنژیوژنز کاربرد دارد. با استفاده از SPIO کانژوگه شده با ضد E-selectin انسانی می توان بوسیله MRI میزان فاکتور نامبرده را در محیط کشت برون تن نمایش داد.
تشخیص ترومبوز بر پایه تشخیص اختصاصی αIIb-β3- می باشد که از پلاکت های فعال شده آزاد می شود. پلاکت فعال شده، از طریق SPIO کانژوگه شده با RGD شناسایی می شودRGD.یک پپتید اسیدی حلقه ای مشتمل از سه اسید آمینه آرژنین،گلایسین و اسپارتات می باشد که به طور اختصاصی اینتگرین αIIb-β3 را شناسایی می کند .SPIOهمراه با RGD تشخیص بهتری نسبت به SPIO بدون مارکر فراهم می کند و امکان مشاهده لخته با قطر 0.2mm در 0.2mm را ممکن می سازد.
از نانوذرات آهن اکسید تک کریستال (MION ) متصل شده با آنتی میوزین براساس جاذبه الکتروستاتیکی و یا کوالانتی بین گروه های لیزین آنتی بادی و گروه های هیدروکسیل سطحی فعال شده بوسیله پتاسیم پریودات در جهت تشخیص انفارکتوس قلبی استفاده می شود(شکل 15). یک سلول انفارکتوس شده قلبی، غشا متخلخل تری نسبت به سلول نرمال دارد. SPIO کانژوگه شده با Fab آنتی میوزین به صورت موثر وارد سلول آسیب دیده می شود و میوزین را شناسایی می کند و در تصاویر محل آسیب دیده به رنگ سیاه دیده می شود در حالیکه در نمونه بدون مارکر کنتراست خوبی دیده نمی شود [3].
​

شکل 15- تشخیص بهتر انفارکتوس قلبی به کمک تصویربرداری با نانوذرات مغناطیسی

​

7-2-2-التهاب
برای بررسی بافت های ملتهب نیز با اتصال آنتی بادی پلی کلونال ایمونوگلوبولین انسانی به سطح SPIO امکان شناسایی بافت فراهم می شود(شکل 16).
​

شکل 16- بررسی التهاب بافتی بوسیله نانوذرات مغناطیسی به عنوان عوامل کنتراست​

​

​

​

​

 

[P O U R I A]

7-2-3-آنژیوژنز
رگ زایی (آنژیوژنز)یک پروسه ضروری رشد رگ های خونی جدید برای توسعه، تکثیر و تعمیر بافت ها می باشد و البته از نشانه های آشکار رشد تومور نیز محسوب می شود. بنابراین بررسی شدت آنژیوژنز در تشخیص سرطان و بررسی مراحل بهبود موثر است. چندین ملکول در آنژیوژنز از جمله فاکتور رشد اندوتلیال عروقی(VEGF) ،فاکتور رشد فیبروبلاست (FGF)، فاکتور رشد سلول های اندوتلیال مشتق شده از پلاکت (PD-EDGF) ،گیرنده Tie2، اینتگرین و E-selectin(شکل17)دخیل هستند و در این بین گیرنده VEGF, Tie2، E-selectin و اینتگرین بیشتر بررسی شده اند[3].

شکل 17- ساختار های CLIO متصل شده به E-Selectin به منظور بررسی آنژیوژنز

7-2-4-آپوپتوز
بحث هدفمندسازی SPIO در تشخیص آپوپتوز نیز مطرح می باشد .آپوپتوز، خود تخریبی برنامه ریزی شده سلول ها می باشد و در پاتوژنی سرطان، تخریب بافتهای عصبی، انفارکتوس میوکارد حاد و التهاب مزمن دیده می شود و در جهت نمایش اثر بخشی دارو نیز کاربرد دارد[3].
از اولین مراحل این پروسه تخریب فسفاتیدیل سرین در غشا سلول می باشد. برای شناسایی این مرحله از synaptotagmin وannexin استفاده می کنند. استفاده از SPIO های متصل به ناحیه C2 از synaptotagmin، سلول آپوپتوز شده را شناسایی می کنند (شکل18) و رزولوشن 0.1nm دارد که در مقابل روشهای مرسوم 3 برابر بهبود داشته است .
روش دیگر در این بخش شامل استفاده از فسفولیپید فسفاتیدیل سرین و Annexin V. می باشد. استفاده از نانو ذرات کانژوگه شده با Annexin V. غلظت 0.1gµ در شرایط برون تن از سلول های آپوپتوز را تشخیص می دهد [3].

شکل 18- استفاده از SPIOها در بررسی آپوپتوز سلولی بر اساس synaptotagmin

7-2-5-بیان ژن
بررسی میزان و یا چگونگی بیان ژن، یکی از شاخه های در حال گسترش در علوم زیست پزشکی می باشد. روش های مختلفی برای بررسی بیان ژن وجود دارد ولی محدودیت هایی دارند از جمله در تصویربرداری های نوری عمق نفوذ کمی دارند و در تصویر بردادری ها به کمک رادیوایزوتوپ ها رزولوشن فضایی کمی وجود دارد.
به عنوان مثال بیان ژن گیرنده ترانسفرین در سلول های توموری را بررسی می کنند. بدین منظور بر سطح MION ها، ترانسفرین قرار می دهند، در صورت وجود گیرنده در محیط، این ذرات متصل می شوند (شکل 19).هرچه بیان آن بیشتر باشد گرادیان کاهشی در T2بیشتر دیده می شود..

شکل 19- بررسی بیان ژن به کمک نانوذرات مغناطیسی در MRI​

​

​

​

​

​

​

 

[P O U R I A]

7-2-6- تصویربرداری سرطان
تشخیص غیر هجومی سرطان بسیار قابل توجه است که می تواند در افزایش درصد حیات بیماران موثر باشد. روش های مرسوم MRI جرم 1 cm را شناسایی می کند اما به کمک نانوذرات می توان محدوده تشخیص را به ملکولی و برهم کنش های ملکولی وارد کرد و جرم های خیلی کوچک سرطان را از بافت نرمال تشخیص داد .
بسیاری از مارکر های سرطانی به عنوان اهدافی از لیگاند مستقیم SPIO ها مطرح هستند. مارکرهایی که برای انتقال هدفمند انتخاب می شوند علاوه بر داشتن سطح بیان بالاتر در سلول های سرطانی باید امکان تجمع بالاتر در داخل سلول از روش اندوسیتوز بواسطه گیرنده را فراهم کنند(شکل 20).
یکی از این مارکرها گیرنده های ترانسفرین می باشند که بیان بالایی روی سطح اکثر سلول های سرطانی علی الخصوص سرطان سینه دارند و با استفاده از SPIO های متصل شده به ترانسفرین، نمایش بیان و تنظیم گیرنده ترانسفرین در شرایط درون تن و برون تن فراهم می شود.
از طرف دیگر قرار دادن فولات (فولیک اسید) به سطح SPIO امکان برداشت سریع و موثر توسط سلول های سرطانی که سطح بالایی از گیرنده فلات را دارند فراهم می کند و کاهش 38% در شدت T2 را نشان می دهد.
مارکر دیگری که به وسیله SPIO ها شناسایی می شود شامل آنتی ژن توموری MUC-1 می باشد که عامل معمول در بسیاری از آدنوکارسینومای سلول های اپیتلیال می باشد و در سرطان سینه، پانکراس،کلرکتال، ریه، پروستات و معده وجود دارد و با پپتید EPPT1 ردیابی می شود. مارکرهای زیادی در این زمینه استفاده شده اند از جمله متالوپروتئیناز ماتریکسی2، اندوپپتید متصل شده به غشا که در گلیوما سطح بیان بالایی دارد.

شکل 20 - اتصال اخنصاصی نانوذرات مغناطیسی با مارکر Her-2 در جهت تشخیص مارکراختصاصی سرطان سینه به کمک MRI

​

راه دیگر برای شناسایی بافت سرطانی، هدفمند کردن ذرات با گیرنده های اختصاصی در سطح سلول نرمال می باشد که در سلول سرطانی بیان نمی شود .مثلا گیرنده CCK در سطح SPIO متصل شده و گیرنده ACCK در سطح سلول نرمال پانکراس شناسایی می شود و با توجه به کاهش T2 در بافت های سالم می توان به محدوده بافت توموری پی برد .
سرطان کبد غالبا بدنبال متاستاز ناشی از سرطان های سینه، ریه، رکتوم و کلون می باشد. پژوهشگران بدنبال مارکر خاص برای عامل کنتراست در تصویربرداری MR برای مشخصه یابی سرطان کبد بودند. گیرنده(ASG(asialoglycoprotein در هپاتوسیت های نرمال وجود دارد و در سلول هایی ابتدائی و فرم متاستاز سلول های سرطانی از بین می رود. بدین منظور SPIO ها را به ارابینوگالاکتان AG) ) که لیگاند پلی ساکاریدی ASG می باشد متصل می کنند. تصاویر MR نشان می دهد که استفاده از AG-SPIO در تصویربرداری هدفمند کنتراست خوبی بین دو بافت نرمال و سرطانی ایجاد می کند [3].

7-2-7-ردیابی سلولی
یکی از کاربردهای SPIO بررسی توزیع سلولی در شرایط درون تن است. در حال حاضر از SPIO ها برای ردیابی سلول های بنیادی بسیار استفاده می شود و به طور کلی امکان شناسایی سلول به صورت منفرد را فراهم می کند. برای این منظور از روش های مختلفی استفاده می کنند که عبارتند از:
- جایگذاری SPIO های همراه سلول در بدن موجود زنده وردیابی حرکت و مکان یابی آنها در بافت خاص
- همراه کردن این ذرات با سلول های T
-ورود ذرات از طریق اندوسیتوز وابسته به گیرنده به سلول و بررسی مهاجرت سلول. به عنوان مثال آنتی بادی ضد گیرنده ترانسفرین را به نانوذره کانژوگه کردند و نانوذره از طریق اندوسیتوز وابسته به گیرنده وارد سلول می شوند که امکان بررسی حرکت سلول های الیگودندرسیت فراهم میشود. نتایج کار مهاجرت10mm ذرات در 14 روز را نشان دهند [3].

8- تغییر آسایش مغناطیسی
تجمع SPIO ها یک پدیده مغناطیسی به نام تغییر آسایش مغناطیسی(MRS) را ایجاد می کند. در این شرایط تجمعی از نانو ذرات منفردSPIO در دفاز کردن اسپین پروتون های محیط اطراف موثرتر می شوند که موجب افزایش زمان آسایش اسپین-اسپین T2 می شود. اخیرا از این تکنیک برای تشخیص بیوملکول ها در آزمایش هموژن استفاده می کنند و امکان تشخیص الیگونوکلئوتید، پروتئین، آنزیم و انانتیومر با حساسیت بالایی را فراهم می کند. دقت تشخیص این روش حدود 500 اتم می باشد.
مزیت MRS نسبت به دیگر روش های تشخیصی این است که تغییرات مغناطیسی در شرایط کدر و لیز شده سلولی بدون نیاز به تخلیص پروتئینی را ممکن می کند و از طرف دیگر در MRS امکان بررسی SPIO ها در عمق بافت وجود دارد. بنابراین اهمیت آن در کاربرد های درون تن افزایش می یابد [3].

8-1- تشخیص الیگونکلئوتید
اولین کاربرد سیستم MRS در تشخیص نوکلئیک اسید در محلول بوده است. دو گروه از SPIO ها ی کانژوگه شده با الیگونوکلئوتید سنتز می شوند که بر اساس مکمل رشته هدف بودن طراحی می شوند. هیبرید شدن با رشته DNA یک تغییر قابل توجه در زمان آسایش T2 را ایجاد می کند و یکی از کاربرد های این روش در بررسی میزان بیان ژن تلومراز می باشد که مشخصه بافت های توموری است و می توان به دقت در حد تک رشته از ژن تلومراز دست یافت [3].

8-2- تشخیص پروتئین وآنزیم
پروب MRS در بیوسنسورها قادر به تشخیص پروتئین خاص و حتی ویروس ها بر اساس برهم کنش خاص آنتی بادی می باشد.
سطح SPIO را با آنتی بادی سطحی مخصوص آدنوویروس و یا هرپس متصل می کنند و قادر است تعداد 5 عدد ویروس در lµ10 را شناسایی کند. از تکنیک مشابهی در جهت جستجوی پروتئین خاص مثل پروتئین فلورسنت سبز(GFP ) در ترکیب لیز شده سلولی استفاده می کنند. بعضی روش ها نیز در جستجوی آنزیم ها مثل اندونوکلئاز، متیلاز و پروتئاز می باشند، مثلا برای اندونوکلئاز دو گروه از SPIO های متصل به رشته الیگونوکلئوتیدی مکمل تهیه می شوند. وقتی ذرات باهم مجتمع شوند زمان آسایش T2 کاهش می یابد و چنانچه آنزیم اندونوکلئاز در محیط وجود داشته باشد دو ذره از هم جدا می شوند و منجر به افزایش زمان آسایش T2می شوند.
میلوپراکسیداز آنزیمی(MPO )است که در اترواسکلروزیس و التهاب نقش دارد برای تشخیص این آنزیم از SPIO نشانه گذاری شده با سروتونین استفاده شده است. MPO بین این ذرات اتصال متقاطع ایجاد می کند و این تجمع کاهش T2را به همراه دارد [3].

8-3- تشخیص انانتیومر
با توجه به تفاوت های زیاد در فعالیت فارموکولوژیکی انانتیومر های خاص، نیاز به سیستم های متمایز کننده انانتیومر ها با سرعت،حساسیت و میزان محصول بالا ضروری است. امروزه نانو ذرات MRS به عنوان سنسور های بسیار حساس به ناخالصی های انانتیومری کاربرد دارند.
به عنوان نمونه SPIO ها با فنیل آلانین D ( (D-Pheنشانه گذاری شدند سپس از محلول حاوی آنتی بادی D-Phe استفاده کردند که منجر به ایجاد شاخه هایی از ذرات و بدنبال آن کاهش T2 می شود چنانچه محلول راسمیکی از D-Phe و L-Phe داشته باشیم از این اتصال به صورت رقابتی ممانعت کرده بنابراین افزایش قابل توجه T2 را خواهیم داشت [3].

نتیجه گیری:
انتقال ذرات به بافت به صورت فعال و غیر فعال امکانپذیر است که با توجه به خصوصیات و روش های انتقال در هر بافت انجام می شود. انتقال فعال از غیر فعال کنتراست بیشتری را موجب می شود و در روش های ملکولی کارامدتر است و تشخیص سریعتر و دقیق تر بیماری را به ارمغان می آورد . بحث پوشش هیدروفیلیک ذرات و چگونگی تجمع آنها در بافت هدف به صورت جزئی در هر بخش مطرح شده است. از طرف دیگر تجمع ذرات باعث افزایش سیگنال می شود و با فراهم کردن شرایط تجمع ذرات می توان به کنتراست مطلوب تری دست یافت و تشخیص الیگو نوکلئوتید، پروتئین ،آنزیم و انانتیومر فراهم می شود.

 

[P O U R I A]

جلسه 35 : سدهای زیستی در برابر ورود نانوذرات از راه خون

جلسه 35 : سدهای زیستی در برابر ورود نانوذرات از راه خون

نانوذرات به عنوان حامل‏ های جدید داروها مورد استفاده قرار می‏ گیرند. در سال‏ های اخیر نیز پیشرفت‏ های زیادی در فناوری تهیه، تشخیص و آزادسازی این حامل‏ ها ایجاد شده است و انواع گوناگونی از نانوذرات نظیر لیپوزوم‏ ها، میسل‏ ها، نانوذرات پلیمری و انواعی دیگر مورد تحقیق قرار گرفته‏ اند. هرکدام از این فناوری‏ ها ویژگی‏ هایی دارد که تحت اثر مشخصات زیستی سلول‏ ها قرار می‏ گیرد و موجب می‏ شود تا توانایی توزیع و اثربخشی نانوذرات تغییر نماید. بنابراین طراحی حامل‏ های دارویی برای مقاصد درمانی و تشخیصی باید با توجه به سدهای زیستی بدن برای ورود ذرات و نحوه‏ی توزیع آنها در بافت ‏های مختلف باشد. در مقالات قبلی به صورت خلاصه سدهای زیستی برای اعضای مختلف بدن ذکر شده ‏اند اما در این بحث بیشتر درباره‏ تداخلات احتمالی نانوذرات بعد از عبور از سدهای بافتی و ورود به خون توضیح داده می‏ شود.

 

[P O U R I A]

هرچند حامل‏ های نانو ممکن است بر روی مواضع متعددی مورد استفاده قرار گیرند اما نگرانی بیشتر در مواردی است که این ذرات در سیستم ‏های تزریقی بکار می‏ روند. بنابراین ساختار خون، نحوه‏ پاک‏سازی نانوذرات از آن و ویژگی‏های پوشش عروقی، همه می‏ توانند جزئی از فاکتورهای توزیع زیستی نانوذرات باشند. درک این نکات و جلوگیری از پاک‏سازی سریع نانوذرات در محل اثر، اولین نکته‏ ی مهم در نانوفناوری دارویی است [1].

2- تداخلات احتمالی نانوذرات با جریان خون
نانوذرات در ابتدای تزریق ممکن است با سلول‏ها و پروتئی ن‏های پلاسمای خون روبرو شوند. اتصال به پروتئین‏های پلاسما نقش مهمی را در تعیین درجه‏ تجمع درون‏تن نانوذرات و میزان جذب توسط تک‏سلول‏های فاگوسیتی ایفا می‏ کند. به علاوه، حامل‏ های نانو ممکن است با سلول‏های خونی در گردش مانند پلاکت‏ها و گلبول‏ های سفید تماس داشته و این امر بر عملکرد سلول‏ها و حامل‏ها اثرگذار باشد [1].


3- نفوذپذیری از خلال پوشش‏ها در بافت‏های مختلف و تومورها
نانوذرات برای هر بافتی که در نظر گرفته شده باشند، ابتدا باید از خلال پوشش داخلی عروق عبور کنند تا بتوانند از خون خارج شوند. سلول‏های پوششی عروق، به‏ طور محکم توسط اینتگرین‏ها (integrin) به ماتریکس خارج سلولی (extracellular matrix, ECM) زیرین خود اتصال دارند. نفوذ مولکول‏های کوچک و بزرگ از پوشش بافت‏های سالم از خلال روزنه ‏های کوچک موجود در بین سلول‏های پوششی بافت عروقی یا همان مسیر بین سلولی (paracellular) با اندازه‏ ای در حدÅ45و یا بزرگتر در حدودÅ 250 انجام می‏شود. این مطلب نشان می‏دهد که ذرات بزرگتر از حدود 25 نانومتر به‏راحتی توانایی عبور از خلال پوشش‏های عروقی را ندارند [1].

نحوه‏ عبور درشت‏ مولکول‏ها هنوز به‏ طور کامل مشخص نیست. از طرفی حضور روزنه‏ های بزرگ برای عبور این ذرات از خلال پوشش عروقی هنوز بحث برانگیز است. از طرف دیگر نظریه‏ هایی برای عبور آنها بیان می‏ شود. سلول‏های پوششی حاوی تعداد زیادی وزیکول‏های اندوزومی مشتق شده از calveolae هستند که ساختاری غنی از چربی و پروتئین calveolin دارند. یک نظریه بیان می‏کند که ورود ذرات بزرگ طی عمل transcytosis انجام می ‏شود که به معنی جذب درشت‏ مولکول‏ها به داخل کالوئولا در یک طرف سلول، عبور وزیکول‏های کالوئولار از غشای سلولی و آزادسازی آنها در طرف دیگر سلول است. در یک نظریه‏ دیگر بیان می شود که چندین وزیکول کالوئولاری به هم وصل می‏شوند تا کانال‏هایی را در خلال غشای سلول ایجاد نموده و یک مسیر غیر فعال برای انتقال ذرات بزرگ ایجاد نمایند. در هر صورت در کل آنچه مسلم است، در عروق معمول بسیاری از بافت‏ها عبور ذرات بزرگتر از Å250 (25 نانومتر) بسیار بعید است [1].

در برخی از بافت‏ها ساختار پوششی عروق برای ورود ذرات بزرگتر سازگار شده است. برای مثال عروق ریز در کبد و طحال دارای پنجره‏هایی (fenestration) با قطر 200- 100 نانومتر هستند. این ویژگی به همراه حضور فراوان فاگوسیت‏های تک‏ سلولی در این دو بافت یک دلیل واضح برای تجمع نانوذرات در آنها است. در اینجا ذکر یک نکته اهمیت دارد و آن این است که در طی التهاب، انتقال آب و مولکول‏های بزرگ به سلول‏ها بیشتر می‏ شود. بنابراین محل‏های التهاب به راحتی در دسترس نانوذرات قرار می‏ گیرند [1].

نفوذ از خلال پوشش عروقی توسط فرآیندهای سیگنال‏دهی کنترل می‏ شود. انواع سیگنال‏ها شامل ترومبین، هیستامین، فاکتور رشد پوشش عروقی
(vascular endothelial growth factor, VEGF)، فاکتور تخریب تومور
(tumor necrosis factor-alpha, TNF-a) و گونه‏های فعال اکسیژن
(reactive oxygen species, ROS) است. در برخی تحقیقات این ترکیبات با نانوذرات همراه شده‏اند تا عبور از رگ‏ها را بهبود بخشند [1].

تومورها یکی دیگر از مناطقی هستند که در آنها عروق کوچک ویژگی‏های طبیعی ندارند و در نتیجه مسیر عبور نانوذرات هموارتر است. البته بافت تومور نسبت به بافت طبیعی تفاوت‏های زیادی دارد. مثلا تعداد، طول، میزان شاخه‏ دار شدن و سرعت جریان خون در عروق کوچک تومور نسبت به بافت طبیعی متفاوت است. برخی مطالعات نشان می‏دهد که روزنه‏ ها یا پنجره‏ های داخل عروق تومورها اندازه‏ای بین 100 تا 700 نانومتر دارند و در نتیجه نسبت به بافت طبیعی نفوذ بیشتری خواهند داشت (شکل 1) [1].

شکل 1– تغییر فاصله‏ی بین سلول‏های پوششی در بافت تومور در مقایسه با بافت سالم [2]

​

عامل دیگری نیز در برابر ورود نانوذرات از خون به بافت‏ها وجود دارد و آن، فشار بالای مایعات درون ‏بافتی (interstitial fluid pressure) است. در تومورها نیز این فشار بالا است که علت آن را به حضور میزان کم سیستم‏های لنفاتیکی در تومور نسبت می‏دهند. همین نکته ویژگی دیگری را به تومورها داده است که به آنEPR
(enhanced permeability and retention) گویند و موجب تجمع نانوذرات در آنها می‏ شود. روزنه‏ های بزرگتر موجود در تومورها موجب ورود ذرات بزرگتر به آنها و جریان لنفی کمتر موجب افزایش ماندگاری ذرات در آنها می‏ گردد.

4- سلول‏های تک‏ هسته‏ ای و برداشت ذرات
سلول‏ های فاگوسیتی در سیستم رتیکولواندوتلیال یا همان سیستم فاگوسیت تک‏ هسته‏ ای (mononuclear phagocyte system, MPS)، نقش مهمی در توزیع زیستی نانوذراتی که به صورت سیستمی مصرف می ‏شوند دارند. نقش طبیعی MPS پاک کردن بدن از پاتوژن‏های ورودی مانند باکتری و قارچ و نابودی سلول‏های مرده در بدن است.

بر سطح ماکروفاژها گیرنده‏های مختلفی برای انواع لیگاندها وجود دارد و موجب ورود ذرات به داخل ماکروفاژ می‏شود. از جمله‏ی این لیگاندها، دسته‏ای از پروتئین‏ های پلاسمایی به نام اپسونین‏ ها (opsonin) هستند. اگر نانوذرات در پلاسما به این لیگاندها اتصال یابند، با اتصال این لیگاندها به گیرنده‏های خود در سطح ماکروفاژ، نانوذرات به داخل ماکروفاژ وارد می‏ شوند و با شروع فعالیت آنزیم درون لیزوزوم تخریب می‏ گردند.

سلول‏های MPS در کل بدن وجود دارند اما در کبد و طحال از سایر نقاط بیشتر هستند در نتیجه به علت حضور بیشتر این سلول‏ها و نیز ساختار بازتری که عروق این دو عضو دارند درصد زیادی از نانوذرات تجویزی در این دو عضو تجمع می‏ یابند. راهکارهای مختلفی برای کم کردن این رخداد وجود دارد که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد.
اگر فرض بر آن باشد که نانوذره در بدن در حال چرخش است و میزان کمی از آن توسط سیستم‏های ماکروفاژی از بین می‏رود، در ادامه باید راهی برای ورود ذره به سلول مناسب آن و هدف ‏درمانی در پیش گرفت.

فرآیند هدف‏ درمانی سلول‏ها در کل شامل اتصال نانوذرات به گیرنده‏ های سطحی سلول‏ها، ورود به داخل سلول در قالب اندوزوم و سپس آزادسازی نانوذرات یا جزیی از آنها در داخل سیتوپلاسم سلول است. این مسیرها گرچه به‏ طور کامل شناخته نشده‏ اند اما برخی ویژگی های کلی آنها را در ادامه بیان می‏کنیم.

نکته‏ مهمی که درباره‏ی گیرنده ‏های سطح سلول وجود دارد آن است که این گیرنده‏ ها به عنوان کلیدی برای ورود ذرات محسوب می‏ شوند. باید به خاطر داشت که گیرنده‏ اختصاصی ویژه برای یک لیگاند خاص در سطح یک نوع سلول وجود ندارد بلکه برخی از گیرنده‏ها به میزان بیشتری بر سطح برخی سلول‏ها بیان می‏ شوند و همین موضوع موجب اختصاصی‏ تر شدن عملکرد آنها می‏ گردد. حضور گیرنده ‏های اختصاصی‏ تر در سرطان بسیار مورد توجه است. مثلا گیرنده‏ HER2 در برخی زیرگروه‏های سرطان سینه بیشتر بیان می ‏شود. اما همین نوع گیرنده‏ ها هم به میزان کمی در سایر انواع سلول‏ها بیان شده‏ اند. در نتیجه گیرنده‏ کاملا اختصاصی در بدن وجود ندارد.

نکته‏ دومی که باید به آن دقت نمود آن است که گیرنده باید بتواند لیگاند را به طور کامل در داخل سلول وارد نماید. برای ورود ذرات به داخل سلول حداقل 4 راه شناخته شده وجود دارد (شکل 2):

1- راه وابسته به کلاترین که راه "کلاسیک" انتقال به درون سلول است. لیگاند متصل به گیرنده، وارد وزیکولی پوشیده از کلاترین شده و در ادامه وارد سلول می ‏شود. سپس این وزیکول کم‏کم متلاشی شده و به اندوزوم تبدیل می‏ گردد. در داخل اندوزوم، لیگاند از گیرنده جدا شده، گیرنده مجددا به سمت غشای سلولی رفته و لیگاند به سمت اندوزوم نهایی می‏ رود. این اندوزوم نهایی با اتصال به لیزوزوم باعث واکنش بر لیگاند می‏ شود.

2- Calveolae ساختارهای غشایی غنی از اسفنگولیپید و کلسترول هستند که در ورود گیرنده‏هایی که دارای گلیکوزیل فسفاتیدیل اینوزیتول و یا متصل به G-protein باشند، نقش دارند. Calveolae ایجاد وزیکولی به نام caveosome می‏کند که در نهایت به جسم گلژی متصل می‏شود. این مسیر ورودی به اندازه‏ی سایر راه‏های ورود ذرات اهمیت ندارد.

3- ماکروپینوسیتوز فرآیندی است که در آن سلول‏ها با کمک ماشین انقباضی اکتین و میوزین خود، برجستگی‏ های غشایی را بزرگتر کرده و سپس با کمک همین ساختار اندوزومی ایجاد شده، حجم بالایی از مایعات خارج سلولی را وارد خود می‏کنند. این اندوزوم ایجاد شده می‏تواند هم به لیزوزوم متصل شود و هم اینکه مجددا به سطح سلول بازگردد. این روش با کمک سیگنال‏هایی نظیر فاکتور رشد فعال می‏ شود.

 

[P O U R I A]

4- روش دیگری که چندان شناخته شده نیست بدون کمک کلاترین و کالوئولین رخ می‏دهد که طی آن یک اندوزوم ایجاد و سپس به جسم گلژی وصل می‏ شود.
هر کدام از این مسیرها در ورود نوعی از نانوذرات استفاده می‏شوند که به ویژگی‏ های سطحی نانوذره، نوع سلول و ویژگی‏ های زیستی فرد بستگی دارد.

شکل 2– انواع راه‏های ورود ذرات به سلول [1]

​

5- ترکیبات زیستی و شیمیایی برای هدف‏ گذاری اختصاصی سلول
هرچند هنوز هم دارورسانی اختصاصی به سلول‏ها یک چالش محسوب می‏ شود اما روش‏هایی برای بهبود این مساله یافت شده است. یکی از این راه‏ها، اتصال آنتی‏بادی به نانوذرات است زیرا تحقیقات نشان داده است که آنتی‏ بادی موجب بهبود جذب و اثر ضد سرطانی داروها می‏ شود.
یک راه دیگر برای دارورسانی هدفمند، استفاده از فاژ است. در اینجا پروتئین‏هایی در سطح باکتریوفاژ بیان می‏ شوند که توانایی شناسایی و در نهایت اتصال به یک مولکول هدف را خواهند داشت.

6- ترکیبات بهبود دهنده ‏ ورود ذرات به سلول
1- علاوه بر ورود به سلول گاه لازم است که نانوذره به هسته یا سیتوپلاسم وارد شود. در قسمت‏ های قبل گفته شد که ذره وارد اندوزوم می‏ شود اما این انتقال صرفا مناسب ورود ذره نیست. در حال حاضر توجه زیادی به پیدا کردن راهی برای بهبود ورود ذرات به سیتوپلاسم می‏ گردد که نتیجه‏ ی آن، یافتن پپتیدهای وارد شونده به سلول
(cell-penetrating peptides, CPPs) بوده است. در CPPهای اولیه از سکانس‏های پلی‏کاتیونی ویروسی یا فاکتورهای نسخه ‏برداری یوکاریوت‏ها استفاده می ‏شد. این واحدها برای ورود پپتیدها و اولیگونوکلئوتیدها به داخل سیتوپلاسم بسیار مناسب هستند. مکانیسم دقیق عملکرد CPPها مشخص نیست اما به نظر می ‏رسد که ترکیبات اتصال یافته به آنها، از آسیب توسط اندوزوم‏ها فرار کرده و می‏توانند به سایر بخش‏های سلول بروند (شکل 3).

شکل 3– انتقال ذرات مختلف با کمک CPP امکان‏پذیر است [3].

​

2- یکی از موفق ‏ترین راه‏ها برای طولانی ‏اثر کردن داروها، استفاده از روشی به نام passivation سطح ذرات با کمک پلیمرهای بسیار آب‏دوست مانند پلی اتیلن گلیکول (poly ethylene glycol, PEG) است. این کار مانع پاک شدن سریع ذرات توسط سلول‏های ماکروفاژی می‏شود.

3- علاوه بر PEG، یک راه دیگر برای عمل passivation، استفاده از دکستران‏ها و ترکیباتی نظیر پلاگزامین‏ها (poloxamine) و پلاگزامرها (poloxamer) است. مکانیسم دقیق عمل این ترکیبات بر سطح ذرات کاملا مشخص نیست اما احتمالا مانع اتصال آنها به پلیمرهای پلاسما مانند پروتئین‏ها و جلوگیری از اپسونیزه شدن ذرات می‏شوند [1].

در کل روش‏های پیشنهاد شده برای هدف ‏درمانی داروها به سلول ‏های خاص به دو دسته تقسیم می‏گردند (شکل 4):
1- هدف‏ درمانی فعال (active targeting)
2- هدف‏ درمانی غیر فعال (passive targeting)
انواع مختلفی از هدف‏درمانی فعال وجود دارد. در این نوع هدفمندسازی، نحوه‏ی دارورسانی با کمک تغییراتی که بر روی ذرات ایجاد می‏شود، بهبود می‏یابد. قرار دادن لیگاندهای خاص بر روی سطح نانوذرات به منظور اتصال آنها به محل خاصی از بدن، یک نمونه از هدف‏درمانی فعال است. قرار دادن آنتی‏بادی بر سطح ذرات و اتصال دارو با یک لیگاند خاص در داخل نانوذرات و سپس شناسایی این لیگاند و ورود نانوذرات به داخل سلول نیز نمونه‏‏ی دیگری از این نوع هدفمندسازی می‏باشد [4].
​

شکل 4– مقایسه‏ A: هدفمندسازی غیر فعال و B: هدفمندسازی فعال [5]

​

در هدفمندسازی غیر فعال، انتقال ذرات با کمک ذرات اصلی و بدون اتصالات اختصاصی به سطح ذرات (مانند قرارگیری لیگاند) بهبود می ‏یابد. در این روش ذرات توانایی بیشتری برای گریز از مکانیسم‏ های دفعی بدن دارند.
یک نمونه از روش های هدفمندسازی غیر فعال کاهش اندازه‏ ذرات است. با این کار، EPR بهبود می ‏یابد و در نتیجه ماندگاری دارو در بدن افزایش پیدا می‏ کند. نمونه‏ای دیگر از هدفمندسازی غیر فعال بهره‏ گیری از خاصیت افزایش نفوذپذیری تومورها برای ورود ذرات نسبت به بافت‏ های سالم است. استفاده از دکستران، PEG و پلاگزامرها هم نمونه‏ های دیگری از این دسته هستند.

بحث و نتیجه‏ گیری
علم استفاده از نانوذرات روز به روز در حال گسترش و پیشرفت است. یکی از رویکردهای استفاده از این ذرات در علم پزشکی، کاربرد وریدی و ورود مستقیم آنها به جریان خون است. نانوذرات در مقایسه با ذرات عادی زمان بیشتری را در بدن باقی می‏ مانند و نیز ورود بهتری به بافت ‏ها از خود نشان می‏ دهند که علت آن اندازه‏ کوچک ذرات است. اما همین ذرات نیز برای ورود به بافت‏ها و سلول‏ها می‏ بایست از سدهای زیادی عبور کنند تا قابلیت دارویی خود را نشان دهند. مطالعات بر روی نحوه‏ عبور نانوذرات از سدهای بدن همچنان ادامه دارد زیرا مکانیسم دقیق عبور آنها مشخص نیست و برای بهره‏ گیری بهتر از ساختارهای نانو می‏ بایست این نقاط نامفهوم رفع شوند تا دارورسانی به بهترین نحو امکان‏ پذیر گردد.
​

​

​