نانومواد زیستی و خاصیت دارویی آن‌ها

مفهوم نانولوله‌های DNA در اوایل سال ۱۹۸۰ توسط نادرین سیمن (Nadrian Seeman) بکار گرفته‌شد که تا به حال پیشرفت‌های شگرف در علوم و فناوری نانو بر جای گذاشته‌ است. از ویژگی اصلی نانولوله‌های DNA، خودآرایی و تشخیص مولکولی را می‌توان برشمرد. نانولوله‌های یک بعدی که به صورت مصنوعی ساخته می‌شوند، کاربردهای وسیعی از جمله تولید تجهیزات نانوالکترونیکی تا مطالعات زیستی دارند. نانولوله‌های دوبعدی و سه‌بعدی نیز ساخته شده‌اند. از نانوذرات نوکلئیک اسید، جهت ژن درمانی- سرطان- استفاده می‌کنند. نانولوله‌های پپتیدی نیز کاربرد وسیعی دارند که می‌توان از آن‌ها به عنوان آنتی‌بیوتیک، حامل دارو در ساخت استخوان مصنوعی و غیره استفاده کرد که در این مقاله به معرفی و کاربردهای وسیع آن‌ها می‌پردازیم.

۱-مقدمه

نانو یک علم خاص نیست بلکه تلاقی علوم – فیزیک، شیمی و بیولوژی-، مهندسی – مواد، الکترونیک و مکانیک- و پزشکی – دارو- و غیره است. علوم و فناوری نانو علم بین رشته‌‌ای است. تحقیق و توسعه نانو نیاز به ارتباط و همکاری رشته‌های مختلف دارد. از پیشرفت‌های شگرف در علوم و فناوری نانو می‌توان کشف C60، نانولوله‌های کربنی، نانولوله‌های DNA، نانولوله‌های پپتیدی و همچنین نانومواد بر پایه پروتئین‌ها و پپتید‌ها را برشمرد. C60 در سال ۱۹۸۵ توسط ریچارد اسمالی و روبرت کورل (Robert Curl & Richard Smalley) و سر هری کروتو (Sir Harry Kroto) کشف شد و از خواص نانودارویی آن‌ها می‌توان از قرار دادن داروها در قفس باکی‌بال نام برد. همچنین سومیو ایجیما (Somio Iijima) در سال ۱۹۹۱ شکل جدیدی از کربن با نام نانولوله‌های کربنی را در ژاپن کشف کرد. مفهوم نانولوله‌های از جنس DNA در اوایل سال ۱۹۸۰ توسط نادرین سیمن پایه‌گذاری شد. او در سال ۱۹۹۸ با همکاری اریک وین فری (Erik Winfree) موفق به ساخت نانولوله‌های دو بعدی از جنس DNA شد. سپس گزارش نانولوله‌های سه‌بعدی از جنس DNA نیز در سال ۲۰۰۹ توسط ایشان به چاپ رسید. شرط به کارگیری دارویی نانولوله‌های تهیه‌شده، وجود پایداری، نفوذپذیری و فاکتورهای تحویل‌دهنده دارویی در آن‌ها است.
در این مقاله به بحث در موارد زیر خواهیم پرداخت:

1. نانولوله‌های DNA خودآرا، که در این مجموعه نانوذرات نوکلئیک اسید و لیپوپلکس‌ها را مورد مطالعه قرار می‌دهیم؛ و
2. نانومواد بر پایه پروتئین و پپتید که در این مجموعه نانومواد بر پایه پروتئین‌های گیاهی و نانولوله‌های پپتیدی حاصل از خودآرایی پپتیدها را مورد مطالعه قرار می‌دهیم.

۲-نانولوله‌های DNA خودآرا

DNA علاوه بر آنکه مولکول اصلی ذخیره‌کننده اطلاعات ژنتیکی است، می‌تواند مولکول مفیدی نیز در زمینه فناوری نانو باشد. از DNA می‌توان به عنوان واحد ساختاری ترکیبات نانو استفاده کرد و از ویژگی اصلی آن می‌توان خودآرایی به صورت هیبرید شدن توالی نوکلئیک اسیدها و تشخیص مولکولی به صورت نشانگر را نام برد.
مولکول‌های DNA تک‌رشته یا دورشته هستند که هر رشته DNA از واحدهای فسفات-داکسیریبوز به علاوه یکی از چهار باز آدنین -A-، گوانین- G-، سیتوزین- C- یا تیمین- T- تشکیل می‌شود. هر رشته می‌تواند با تبعیت از قانون جفت شدن باز واتسون-کریک (Watson–Crick base-pairing) به ساختار مارپیچ دوگانه هیبرید شود.
جفت شدن G-C پایدارتر از جفت شدن A-T است زیرا سه پیوند هیدروژنی بین بازهای G و C برقرار می‌شود، درحالی که بین A و T تنها دو پیوند برقرار است. لذا این قانون عامل مهمی در خودسازماندهی DNA است (شکل ۱). از ویژگی نانولوله‌های DNA می‌توان به نسبت طول به عرض زیاد، مجرای باریک داخلی و دیواره سلولی از جنس DNA نام برد. نانولوله‌های DNA یک بعدی، از پیچیده‌ شدن صفحات DNA تشکیل می‌شوند. این نوع نانولولوله‌های DNA می‌توانند چند نوع باشند: ۱٫ نانولوله‌های حاوی دو نوع مارپیچ اصلی DNA که DX نامیده می‌شوند. ۲٫ نانولوله‌های حاوی سه نوع مارپیچ اصلی DNA که با علامت اختصاری TX مشخص می‌شوند و ۳٫ نانولوله‌های پیچیده‌تر که دارای چهار اتصال چهار بازویی هستند و ۴×۴ نامیده می‌شوند (شکل ۲).

شکل ۱٫ قانون جفت‌شدن باز واتسون-کریک عامل مهم در خودآرایی (Watson–Crick base-pairing) [DNA]

شکل ۲٫ انواع نانولوله‌های یک‌بعدی DNA [10]

طول این نانولوله‌ها به وسیله طیف‌سنج فلورسانس مورد آزمایش قرار گرفته‌است. البته نانولوله‌های دوبعدی هم وجود دارند که از خودآرایی حلقه‌های مسطح و یک‌بعدی DNA حاصل می‌شوند (شکل ۳).

شکل ۳٫ انواع نانولوله‌های DNA [10]

بنابراین هر کدام از نانولوله‌های یک‌بعدی Dx- DNA، TX، ۴×۴ و غیره- خود می‌توانند به نانولوله‌های دوبعدی DNA، نوآرایی کنند که در این بحث نمی‌گنجد.
نانولوله‌های یک‌بعدی که به صورت مصنوعی ساخته می‌شوند، کاربردهای وسیعی از جمله تولید تجهیزات نانوالکترونیکی تا مطالعات بیولوژیکی دارند. در دهه‌های گذشته انتقال الکترونیکی DNA به زمینه تحقیقاتی هیجان‌انگیزی مبدل شده‌ است. DNA، به دلیل اندازه، ساختار سازمان‌دهی‌شده و توانایی آن در تشخیص مولکولی و جفت‌شدن بازهای خاص خود جهت خودآرایی نانوسیم‌ها به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است. نانولوله‌های DNA را به عنوان قالب در نانوسیم‌های فلزی همانند نقره، طلا، پالادیم، پلاتین و مس به کار می‌برند. نانوسیم‌ها به کمک میکروسکوپ الکترونیکی بررسی شدند. ارتفاع این نانو سیم‌ها ۲±۳۵ نانومتر و پهنای آن‌ها ۲±۴۳ نانومتر است. مقاومت نانوسیم نقره‌‌ای که پوشش نانولوله‌ای از جنس نانولوله DNA 4×۴ دارد، حدود Ω ۲۰۰ اندازه‌گیری شده‌ است. سیم‌های دارای پوشش نانولوله از جنس DNA در سلول‌های موجود زنده نیز جهت تولید ساختارهای سلولی پشتیبان در سلول‌های حرکتی مثلاً ساخت ماهیچه و استخوان مصنوعی به کار می‌رود. در ادامه راجع به نانوذرات نوکلئیک اسید و کاربرد آن‌ها در ژن‌درمانی و همچنین ساختار لیپوپلکس‌ها بحث می‌کنیم.
DNA (´۲-دِاکسی ریبونوکلئیک اسید) از چهار نوع ´۲-دِاکسی ریبونوکلئوتید که از طریق ´۳-´۵-فسفودی استر به یکدیگر متصل شده‌اند، تشکیل شده‌ است که توالی این نوکلئوتیدها مسئول انتقال اطلاعات ژنتیکی است. امروزه نوکلئیک اسیدها به آسانی به وسیله آنزیم‌های خاص و با توالی قابل تنظیم به دست بشر ساخته می‌شوند که جهت ژن درمانی کاربرد بسیاری دارند. ژن‌درمانی عبارت است از کنترل قطعه DNA خارجی در میزبان و سپس تحویل به هسته سلول اندام مورد نظر و به کارگیری DNA جدید، جهت تولید پروتئین‌های درمانی.
ویروس‌ها دسته‌ای از ابر مولکول‌های طبیعی هستند که خاصیت ژن درمانی دارند. آن‌ها چندین ویژگی مفید جهت تهیه نانومواد دارند:

1. اندازه ویروس‌ها که از چند ده تا ۱۰۰ نانومتر هستند؛
2. ویروس‌ها برخلاف نانومواد مصنوعی ساخته شده، ابعاد و ساختار دقیقی دارند؛
3. اطلاعات ژنتیکی و توالی نوکلئیک اسید آن‌ها شناسایی شده است؛
4. تولید و تکثیر توده‌ای ویروس‌ها جهت کاربردهای مهندسی ممکن است.

به کارگیری اغلب ویروس‌ها جهت تهیه نانوبیومواد به دلیل شباهت‌های خودآرایی نانولوله‌های از جنس پپتیدی و DNA به ویروس‌ها امکان‌پذیر است. به عنوان مثال CPMV یک ویروس گیاهی است که بدین منظور به کار گرفته شده است. انواع مختلف ویروس در درمان‌های بالینی به کار گرفته شده است و لذا ویروس‌ها حائز اهمیت هستند. اما آفات حاصل از ویروس‌ها موجب محدودیت در کاربردهای بالینی آن‌ها شده است. بدین منظور از DNA جهت تشکیل نانوذراتی شبیه به ویروس استفاده می‌کنند. نحوه تهیه این نانومواد نوکلئیک اسید از ویروس TMV در شکل (۴) نشان داده شده است.

شکل ۴٫ جایگزینی DNA به جای ویروس‌ها [۱۹]

ویژگی‌هایی نظیر حداقل سایز، حفاظت DNA و غیره در حامل‌های تزریقی نوکلئیک اسیدی در نظر گرفته‌ می‌شود. ژن درمانی و درمان‌های بالینی پیشرفته، به وسیله تحویل‌دهنده‌هایی از جنس DNA بسیار مفید و ضروری است. این نانوابزارها حاوی حامل‌های ویروسی، لیپوزم‌ها و سیستم‌های تحویل‌دهنده ژنی نظیر نانومواد پلیمری کاتیونی، دندریمرها و نانوذرات اصلاح‌شده غیرآلی هستند. سیستم‌های تحویل‌دهنده DNA غیرویروسی به دلیل سمیت کمتر و سازگاری بالاتر، بیشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند. اولین نانوسیستم سنتزی تحویل‌دهنده از جنس DNA که دارای اکثر این ویژگی‌ها بود، توسط لو وسالتزمن (Luo and Saltzman) گزارش شده است. این نانوسیستم‌های سه‌جزئی از نانوذرات سیلیکا، دندریمرها و DNA به وسیله خودآرایی تشکیل می‌شد.

۲-۲-لیپوپلکس‌ها (Lipoplexes)

مخلوطی از نوکلئیک اسیدهای منفی و لیپیدهای مثبت، موجب خودآرایی تجمعی می‌شوند که لیپوپلکس نام دارند که لیپوپلکس‌ها حامل‌های DNA هستند. لیپیدهای کاتیونی از یک قسمت کاتیونی و بخش هیدروفوبیکی متصل به آن تشکیل می‌شوند. تنوع در ساختار لیپیدی نیز در خواص لیپوپلکس‌ها مؤثر است. اغلب لیپیدهای کاتیونی نیز جهت افزایش خصلت لیپوفیلی با لیپیدهای خنثی ترکیب می‌شوند. این عمل موجب افزایش پایداری لیپوپلکس‌هایی که دارای دو غشا هستند، می‌شود. اندازه ذرات لیپوپلکس بدون توجه به اجزای سازنده و شرایط متفاوت تهیه‌شان از ۱۰۰ نانومتر تا چندین میکرون است. محدوده تجمع لیپوپلکس‌ها با گذشت زمان افزایش می‌یابد. علاوه بر آن، دسته‌ای از پلی ساکاریدها هم می‌توانند حامل‌های DNA باشند. لیپیدهای مثبت را معمولاً نمی‌توان در طبیعت یافت، امّا دسته وسیعی از آن‌ها جهت ژن درمانی سنتز می‌شوند.

۳-نانومواد بر پایه پروتئین و پپتید

بیوپلیمرهایی نظیر پروتئین‌ها، لیپیدها و پلی ساکاریدها معمولاً جهت حفاظت از دارو در مقابل فشارهای محیطی به کار می‌روند. تهیه حامل‌های دارویی از ماکرومولکول‌های زیست سازگار، اهمیت بسیاری دارند. حامل‌های کلوئیدی به شکل نانوذرات که قطر ۵۰-۵۰۰ نانومتر دارند، توانایی رساندن دارو به مکان مورد نظر را دارند. نانوذرات را می‌توان از پلیمرهای سنتزی و بیوپلیمرهایی نظیر پروتئین، لیپید و کربوهیدرات تهیه کرد. در اینجا به نانومواد بر پایه گیاهی اشاره می‌کنیم و در بخش بعد به نحوه خودآرایی پپتیدها جهت تهیه نانولوله‌های پپتیدی می‌پردازیم.

۱-۳-نانومواد برپایه پروتئین‌های گیاهی

بسیاری از نانومواد را به روش‌های مختلف از پروتئین‌های گیاهی تهیه می‌کنند. پروتئین‌های گیاهی در فرایند زیستی نقش اساسی دارند و می‌توان آن‌ها را براساس خواص فیزیکی، شیمیایی و نحوه استخراج دسته‌بندی کرد.
به معرفی چهار دسته از پروتئین‌های گیاهی می‌پردازیم:

1. آلبومین گیاهی -آرژنین، گلوتامیک اسید، لیزین، تریپتوفان و غیره- که محلول در آب است؛
2. گلبولین‌ها مولکول‌های پیچیده‌‌ای هستند که ترکیب آمینواسیدهایی نظیر آلبومین دارند. حلالیت گلبولین‌ها نیاز به محیط الکترولیتی دارد؛
3. پرولامین‌ها، به دلیل آن که دارای آمینواسیدهای حاوی بخش آب‌دوست هستند، در مخلوط هیدروالکلی حل می‌شوند؛ و
4. گلوتلین‌ها که به دلیل جرم مولکولی بالا و پیوندهای دی سولفیدی موجود نمی‌توانند در هیچ‌کدام از حلال‌های ذکرشده حل شوند.

۲-۳-خودآرایی پپتیدها و نانولوله‌های پپتیدی

تعداد مساوی آمینواسیدها با خودآرایی L و D از طریق پیوندهای هیدروژنی، تشکیل نانولوله‌ها را می‌دهند. در این نانولوله‌ها، تمام زنجیره‌های جانبی بر روی سطح خارجی قرار دارند. خواص سطحی نانولوله و سوراخ داخلی با ترتیب آمینواسیدها تغییر می‌کند و طول آن بستگی به تعداد زیر واحدها دارد. شمایی از خودآرایی نانولوله‌های پپتیدی را در شکل (۵) ملاحظه می‌کنید.

شکل ۵٫ خودآرایی نانولوله‌های پپتیدی [۲۹]

برخی از کاربردهای نانولوله‌های پپتیدی در ادامه آورده شده است:

1. با وجود توسعه آنتی‌بیوتیک‌ها، همچنان مقاومت بشر در برابر باکتری‌ها کم است، چون باکتری‌ها به راحتی می‌توانند نسبت به آنتی‌بیوتیک‌ها مقاوم شوند. نانولوله‌های پپتیدی می‌توانند یک نوع ضدباکتری باشند که این نانولوله‌ها به خاطر اندازه کوچک‌شان به راحتی وارد دیواره سلولی باکتری شده و در آنجا با تشکیل پیوند با دیواره سلولی، باز می‌شوند و این باعث ایجاد روزنه در دیواره سلولی باکتری و در نهایت مرگ آن می‌شود؛
2. نانولوله‌های پپتیدی می‌توانند حامل‌های مناسبی برای انتقال دارو باشند؛
3. از آن‌ها به عنوان پایه در ساخت بیوسرامیک‌ها می‌توان استفاده کرد. بیوسرامیک‌ها در ساخت استخوان یا دندان مصنوعی کاربرد بسیار دارند؛ و
4. امروزه نانولوله‌های پپتیدی را به عنوان نانوکابل نیز به کار می‌برند. به این صورت که نانولوله‌های پپتیدی را با طلا روکش داده و هسته‌های آن‌ها را از فلز نقره پُر می‌کنند. نتیجه این روکش‌دهی افزایش خاصیت الکترومغناطیسی نانولوله‌ها در حضور میدان مغناطیسی است.

۴-نتیجه‌گیری

لذا با توجه به نیاز بشر به درمان بیماری‌های ژنی همانند سرطان و کاربردهای فراوان آن‌ها، گسترش تحقیقات در زمینه استفاده از نانومواد زیستی مورد توجه دانشمندان قرار گرفته‌ است و این روش همچنان در حال گسترش و توسعه است. امید است مقاله حاضر و اطلاعات جمع‌آوری شده موجب درک بهتر سیستم‌های نانو مشتق شده از مواد زیستی باشد که کاربردهای مؤثر و تازه‌ای را به دنبال داشته است.

منبع: http://edu.nano.ir

This post is also available in: English