کاربرد نانو ذرّات طلا در زیست‌شناسی و پزشکی؛ پیشرفت‌ها و چشم اندازها

پزشکنا: مواد نانوسایز در دو دهه گذشته مورد توجه بسیاری از دانشمندان قرار گرفته‌اند. نانوذرّات طلا (AuNPs) به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه‌ای که دارند، یکی از موادی هستند که بیشترین بررسی‌ها را به خود اختصاص داده‌اند. امروزه روش‌های متعددی برای سنتز نانوذرّات طلا توسعه یافته است که در میان آن‌ها دو روش کلاسیک وجود دارد که به طور گسترده بکار گرفته می‌شود. اولین روش کلاسیک در سال 1951 به ‌وسیله‌ «تویرکویچ» و همکارانش گسترش پیدا کرد. در این سیستم، نانوذرّات طلا از طریق کاهش HAuCL4با سدیم سیترات در آب در حال جوش تهیه می‌شود. با تغییر نسبت طلا به سیترات، سایز ذرّات می‌تواند از 150-16 نانومتر تغییر کند. روش دو متوسط برات و همکارانش در سال 1994 گسترش پیدا کرد. در این روشAucl4-  به‌وسیله‌ سدیم بورهیدرید در حضور آلکان تیول‌ها در یک سیستم دوفازی (آب –تولوئن) کاهش می‌یابد. نانوذرّات طلای به دست آمده زمانی که به آلکانتیول‌ها متصل می‌شوند، کاملاً پایدار هستند و می‌توانند به طور کامل خشک و در حلال‌های آبی پراکنده شوند.

با توسعه سریع فناوری نانو، سنتز نانوذرّات طلا پیشرفت چشمگیری داشته است. علاوه‌ بر ذرّات کروی بسیاری از نانو ساختارهای طلا با اندازه و اشکال گوناگون مانند نانومیله، نانوپوسته، نانوقفسه، نانومکعب و… می‌توانند تهیه شوند. امروزه تأکید بیشتر بر قرار دادن لیگاندهای گوناگون روی سطح نانوذرّات است. در مقایسه با دیگر نانومواد، نانوذرّات طلا (AuNPs) از نظر شیمیایی پایدارند، سمّی نیستند و به راحتی عامل‌دار می‌شوند. DNA، آنزیم‌ها، آنتی بادی‌ها و برخی از پلیمرها م‌توانند به آسانی با نانوذرّات طلا کونژوگه شوند و در بسیاری از موارد روی فعالیت آن‌ها اثر نمی‌گذارند. براساس موارد استفاده، عامل‌دار کردن متفاوت نانوذرّات طلا می‌تواند به کار برده شود. بنابراین نانوذرّات طلا پلتفرم امیدوار کننده‌ای را برای کاربردهای متفاوت در بیوفناوری نانو ارائه می‌دهند.

نانوذرّات طلا به طور مؤثری به عنوان حامل دارو عمل می‌کنند و اگر از لیگاندهای هدف‌دار استفاده شود، می‌توانند داروها را به مناطق خاصی تحویل دهند. به علاوه ‌برخی از نانوساختارهای طلا خواص فتوترمال ذاتی دارند که می‌تواند برای درمان مستقیم سرطان مورد استفاده قرار گیرند. در روش‌های تشخیصی نیز به دلیل مساحت سطحی بالای نانوذرّات طلا، بیومولکول‌های کونژوگه شده با نانوذرّات طلا روش‌های جدیدی ارائه می‌دهند که حساسیت و انتخاب پذیری بالایی دارند. با این مزایا در تشخیص و درمان، نانوذرّات طلا به ابزاری با ارزش در قلمرو علم زندگی تبدیل شده‌اند.

  نانوذرّات طلا به عنوان ابزارهای داروسازی

توانایی برای انتقال دارو به بافت هدف بیمار یک بحران در پزشکی است؛ زیرا دارورسانی هدفمند اثر درمان را بهبود داده (تجمع دارو را در بافت هدف افزایش می‌دهد) و اثرات جانبی را کم می‌کند (تراکم دارو را در بافت سالم کاهش می‌دهد) خواص منحصربه‌فرد شیمیایی و فیزیکی نانوذرّات طلا، این ترکیبات را برای کاربردهای دارورسانی مناسب می‌کند. اول اینکه نانوذرّات طلا پایدارند و سمی نیستند؛ بنابراین به بافت سالم آسیب نمی‌رسانند. دوم اینکه گروه‌های عاملی می‌توانند با استفاده از پایه تیول با پیوند کواوالانسی، به راحتی روی سطح نانوذرّات طلا قرار بگیرند. سرانجام خواص فتوفیزیکی نانوذرّات طلا می‌تواند برای کنترل از راه دور آزاد شدن دارو از سطح نانوذرّات بکار برده شود.

داروها می‌توانند به‌ وسیله‌ روش‌های کووالانسی و غیرکووالانسی روی نانوذرّات طلا نشانده شوند. روش‌های غیرکووالانسی برای نشاندن داروها بدون تغییر استفاده می‌شوند. در این روش اثر درمانی داروها به طور کامل باقی می‌ماند، در حالی که در کونژوگه کردن کووالانسی دارو برای متصل شدن به نانوذرّات طلا به اصلاح شیمیایی نیاز دارد که ممکن است باعث اثرات جانبی ناشناخته و یا کاهش اثرات درمانی شود. از طرفی روش‌های کووالانسی، ترکیب نانوذرّه–دارو پایداری را ایجاد می‌کنند و باعث آزاد شدن انتخابی بیشتر دارو از ذرّه می‌شوند. نمونه‌های متعددی از دارورسانی غیرکووالانسی گزارش شده است.

این محلول آبی مدت بیشتری در جریان خون باقی می‌ماند و می‌تواند داروهای آب گریز را به طور مؤثر و عمیق به تومور برساند.

سیستم عروقی معیوب و زهکشی لنفاوی ضعیف در تومورهای جامد، باعث افزایش نفوذپذیری نانوذرّات و تجمع آن‌ها در بافت طلا می‌شود. با توجه به افزایش بیان نشانگرهای زیستی در بیماری‌های خاص مانند سرطان، عامل‌دار کردن سطح نانوذرّات با عوامل خاص می‌توانند باعث تجمع انتخابی نانوذرّات طلا در بافت‌های بیمار شود. به عنوان مثال چنگ و همکارانش برای تحویل دارو به تومورهای مغزی از یک فاکتور رشد اپیدرمی که روی نانوذرّات طلا نشانده شده بود استفاده کردند. بررسی‌ها نشان داد که راندمان و انتخاب‌پذیری بهبود پیدا می‌کند و تجمع دارو به تومور مغزی به طرز قابل توجهی افزایش می‌یابد. زمانی که ترکیب دارو –نانوذرّات طلا به هدفش می‌رسد، در اثر تغییرات محیط مانند PH، قطبیت، مولکول‌های زیستی داخل سلولی و یا از طریق تابش نور، رهاسازی داروی نشانده شده از نانوذرّات طلا تحریک می‌شود. رهاسازی کنترل شده دارو می‌تواند به‌ وسیله‌ بیومولکول‌های داخل سلولی از طریق واکنش تبادلی یا تخریب آنزیمی انجام شود. الکساندر و همکارانش تأیید کردند که با استفاده از اتصال DNAبه نانوذرّات طلا، رهاسازی دارو با کنترل بیشتری انجام می‌شود.

از تحریک خارجی (مانند نور) نیز می‌توان برای رهاسازی دارو استفاده کرد. بوریک و همکارانش از نور مادون قرمز نزدیک (NIR) به عنوان محرک آزادسازی دارو از کامپوزیت نانومیله‌های طلا – پلیمر، در مطالعات بافتی استفاده کردند. با توجه گرمادهی موضعی نانومیله‌های طلا پس از تابش، دمای کامپوزیت پلیمر تحت تابش مادون قرمز بالاتر از دمای انتقال شیشه7 (Tg) می‌‌رود و در نتیجه ذوب جزئی پلیمر و رهاسازی کنترل شده به دست می‌آید.

  نانوذرّات طلا دردرمان فتوترمال

درمان فتوترمال (PTT) یک تکنیک برای تخریب سلول‌ها به وسیله گرمای موضعی و یا هیپرترمی کلی به‌ وسیله‌ نانوذرّات طلا پس از تابش‌دهی با نور است. تخریب سلول فتوترمال روشی امیدبخش برای درمان تومور و بیماری‌های عفونی است. اساس این روش به این شرح است: زمانی که نانوذرّات طلا در معرض تابش قرار می‌گیرند، به ماکزیمم جذب خود در ناحیه مرئی یا مادون قرمز می‌رسند. در نتیجه داغ می‌شوند و اگر این ذرّات در داخل یا اطراف سلول هدف قرار بگیرند، باعث تخریب این سلول‌ها می‌شوند. مشکل عمده در استفاده از این روش این است که هیپرترمی موضعی یا کلی به دلیل ایجاد اختلال در تراوایی غشای سلولی و دناتوره شدن پروتئین‌ها باعث آسیب غیرقابل برگشت می‌شود و بافت‌های سالم هم در این فرآیند آسیب می‌بینند. انقلاب در گرما درمانی سرطان با استفاده از اشعه لیزر پایه‌ریزی شد که باعث می‌شود تومور به صورت هدفمند تخریب شود.

در سال 2003 از نانوذرّات طلا با پالس‌های لیزری کوتاه به منظور تخریب بسیار موضعی سلول در شرایط آزمایشگاهی استفاده شد. محققان دریافتند که تحت شرایط آزمایشگاهی برای تخریب هر سلول تنها به 500 نانوذرّه نیاز است. به علاوه الید و همکارانش در مورد محاسبه گرمای تولید شده به‌ وسیله‌ نانوذرّات با شکل‌ها و اندازه‌های مختلف، شدّت و قدرت لیزر و همچنین درجه حرارت آستانه موردنیاز برای القاء مرگ سلولی تحقیقاتی را انجام دادند.

در سال 2007 شیا و همکارانش از آنتی بادی کونژوگه با نانوقفسه‌های طلا برای کشتن سلول‌های SK-BR-3سرطان سینه با  PTTمادون قرمز نزدیک در شرایط آزمایشگاهی استفاده کردند. در ادامه مطالعات بیشتری در مورد عملکرد  PTTنانوقفسه‌های طلا در داخل بدن انجام دادند. نانوقفسه‌های طلا در تومور تجمع یافتند و سپس به مدت یک دقیقه تا دمای 50 درجه سانتی‌گراد گرم شدند. اما پس از تزریق محلول نمکی به عنوان شاهد هیچ تغییر آشکاری مشاهده نشد. علاوه ‌بر آن فعالیت متابولیک تومور پس از 24 ساعت از درمان 70% کاهش پیدا کرده که قابلیت استفاده از نانوقفسه‌های طلا را تأیید کرد. علاوه ‌بر نانو قفسه‌های طلا، نانوکره‌های توخالی، نانومکعب‌ها و دیگر نانوساختارهای طلا نیز در درمان  PTT توانایی خود را نشان داده‌اند.

نانوذرّات طلا برای بهبود درمان فتودینامیک

نانوذرّات طلا علاوه ‌بر اینکه در داروسازی کاربرد دارند، می‌تواند بخش جدایی‌ناپذیر درمان باشند. به طور کلی نقش نانوذرّات طلا در درمان عمدتاً از طریق درمان فتودینامیک (PDT) و یا درمان فتوترمال (PTT) است. PDT  یک روش غیرتهاجمی برای تخریب سلول‌های هدف با استفاده از عوامل حساس به پرتو است. روش فتودینامیک در بیماری‌های غدد، بیماری‌های خاص پوستی و یا بیماری‌های عفونی استفاده می‌شود. عوامل برای درمان فتودینامیک (PDT) می‌توانند به طور انتخابی در تومور یا بافت هدف تجمع یابند. بافت هدف تحت تابش لیزر با طول موج مربوط به ماکزیمم جذب عوامل حساس‌کننده به نور قرار می‌گیرد. در این روش علاو بر اینکه پس از تابش به طور معمول حرارت آزاد می‌شود، تولید فتوشیمیایی اکسیژن و تشکیل رادیکال‌های بسیار فعال نیز اتفاق می‌افتد. این رادیکال‌های آزاد باعث افزایش نکروز8 و آپوپتوز9 سلول‌های تومور می‌شوند.PDT به دلیل آسیب‌هایی که به رگ‌های میکروسکوپی تومور می‌زند، باعث اختلال در خون‌رسانی به تومور می‌شود و در نتیجه تومور را نابود می‌کند.

 تحقیقاتی که اخیراً به ‌وسیله‌ گروه هوانگ انجام شد، نشان داد که به جای ارائه ساده داروها با  PDT، با استفاده از نانوذرّات طلای 22 نانومتری، اکسیژن سینگلت می‌تواند بدون حساس کننده‌های پرتو تشکیل شود. اگرچه اکسیژن‌های سینگلت به دست آمده از نانوذرّات طلا قابل مقایسه با رنگ‌های معمول نیستند (37%) ، اما پایداری عالی و ضریب خاموشی مولی بالا به راحتی این کمبود را جبران می‌کند.

در برخی مطالعات برای دارورسانی از کپسول‌های پلی الکترولیت روی نانوذرّات طلا استفاده شده است که تحت تابش لیزر متلاشی می‌شوند و عوامل درمانی را به هدف می‌رسانند. از نانوذرّات احاطه شده با یک لایه از پلیمر نانوژل نیز در این روش استفاده شده است. علاوه‌ بر این، عوامل فعال نوری و پپتیدها که نفود داخل سلولی را تسهیل می‌کنند، به همراه ترکیب نانوذرّات به کار برده می‌شوند. اخیراً از نانوذرّات کامپوزیتی استفاده می‌شود که علاوه‌ بر نانوپوسته‌های طلا، شامل ذرّات مغناطیسی، رنگ‌های فتودینامیک، پلی‌اتیلن گلیکول و آنتی‌بادی‌ها هستند. در نهایت با توجه به اطلاعات به دست آمده، نانوذرّات کونژوگه شده با عوامل (رنگ‌های) فتودینامیک می‌توانند اثر ضدمیکروبی بهتری داشته باشند.

  استفاده از نانوذرّات طلا به عنوان عوامل درمانی

نانوذرّات طلا نه تنها در روش‌های فتوترمولیز سلول به صورت فعال به کار برده می‌شوند، بلکه برای اهداف درمانی نیز قابل استفاده هستند. در سال 1997 کاربرد موفقیت‌آمیز طلای کلوئیدی در یک بیمار مبتلا به آرتریت روماتوئید گزارش شد. پس از آن تحقیقات در این زمینه افزایش یافت.

 محققان دانشگاه مریلند از حامل طلای کلوئیدی برای رساندن داروهای ضد عامل نکروز دهنده‌ تومور TNF10 به تومور جامد موش استفاده کردند به موش مبتلا به تومور MC-3815 میکروگرم از ترکیب نانوذرّات طلا- TNFبه‌ صورت وریدی تزریق شد. از سطح شکمی موش در زمان‌های مشخص عکس گرفته شد و تجمع ترکیب نانوذرّات طلا – TNFدر موش به مدت بیش از 5 ساعت بررسی شده است. پس از تزریق نانوذرّات طلا کونژوه با TNFترکیب به سرعت در سلول‌های تومور تجمع می‌یابد و در سلول‌های کبد، طحال و سایر اندام‌های حیاتی مشاهده نمی‌شود. تجمع در سلول‌های تومور با تغییر تومور مشخص شده است. ترکیب نانوذرّات طلا  –TNFدر مقایسه با  TNFخالص تأثیر بیشتری در کاهش سایز تومور دارد؛ بنابراین با دوز کمتری از دارو انجام می‌شود.

خواص ایمنی نانوذرّات طلا

از دهه 1920 محققان به خواص ایمنی فلزات کلوئیدی و به ویژه طلا علاقه نشان دادند. ال‌ای زیلبر سرم ترکیبی از طلای کلوئیدی به دست آورد. او نشان داد که ترکیب یک آنتی‌ژن مشخص با طلای کلوئیدی تولید آنتی‌بادی را تحریک می‌کند. تحقیقات بسیاری در این زمینه انجام شده است. در یکی از بهترین بررسی‌ها، مجموعه‌ای از داروها در مورد اثر نانوذرّات طلا روی عملکرد ایمنی غیراختصاصی ارائه شد. نتایج به‌ دست آمده نشان داد که دو ساعت پس از تزریق وریدی 5 میلی‌متر طلای کلوئیدی به خرگوش، لوگوسیت‌های موجود در یک میلی‌متر خون به طرز قابل توجهی افزایش می‌یابد (از 9900 به 19800). نکته‌ای که باید به آن توجه کرد، این است که در مورد سایر فلزات کلوئیدی چنین نتایجی مشاهده نشده است.

  توزیع زیستی و سمیت نانوذرّات

نکات مهّمی که در مورد استفاده از نانوذرّات طلا در مصارف پزشکی وجود دارد شامل: توزیع زیستی، حضور گردش خون و حذف آن‌ها از اندام‌ها و همچنین سمیت آن‌ها در سطح اندام‌ها و یا در سطح ژنی با سلولی است. در بررسی این موارد عوامل متعددی شامل اندازه و شکل ذرّات، روش عامل‌دار کردن نانوذرّات، نوع حیوان مورد آزمایش، دوز و شکل ورود نانوذرّات و غیره درنظر گرفته می‌شود. ابتدا اندام‌های سیستم ریتوکواندوتیال به عنوان هدف اصلی برای تجمع نانوذرّات طلای 100-10 نانومتر در نظر گرفته شدند. نتایج به‌ دست آمده بدین شرح است:

توزیع زیستی نانوذرّات طلا با کاهش اندازه کاهش می‌یابد.
نفوذ نانوذرّات از طریق سد خونی مغزی به اندازه ذرّات بستگی دارد، به طوری که ذرّات تا 20 نانومتر قادر به نفوذ هستند.
به دلیل اینکه نانوذرّات طلا با قطر 2-1 نانومتر با پلیمرهای زیستی داخل سلول پیوند برگشت‌ناپذیر ایجاد می‌کنند، سمیت بیشتری نسبت به ذرّات بزرگ‌تر دارند. همچنین به شرط اینکه مقدار دوز مصرفی از ذرّات 100-3 نانومتر از 1012 میلی لیتر ذرّه تجاوز نکند، در مورد این ذرّات سمیت مشاهده نشده است.