نانوتکنولوژی، دستکاری مواد در مقیاس اتمی و مولکولی برای ایجاد موادی با خواص متنوع و جدید است.
نانوتکنولوژی، دستکاری مواد در مقیاس اتمی و مولکولی برای ایجاد موادی با خواص متنوع و جدید، حوزهای است که به دلیل داشتن پتانسیلهای عظیم کاربرد آن در زمینههای مختلف، اعم از بهداشت و سلامت تا الکترونیک و ساختمان، به سرعت در حال گسترش است. مقوله پزشکی نیز در این امر بینصیب نیست.
نانوتکنولوژی انقلابی در انتقال دارو، ژندرمانی، تشخیص، و بسیاری از حوزههای پژوهش، توسعه و کاربرد بالینی برپا کرده است. در این مقاله سعی داریم تا با ارائه مثالهایی، دیدگاههای مختلف را در زمینه اینکه چگونه نانوتکنولوژی میتواند پزشکی را هم در پژوهشهای آزمایشگاهی و هم در بالین تغییر دهد، بیان کنیم و به نگرانیهایی که در مورد خطرات آن وجود دارد نیز پاسخ دهیم.
نانوتکنولوژی انقلابی در انتقال دارو، ژندرمانی، تشخیص، و بسیاری از حوزههای پژوهش، توسعه و کاربرد بالینی برپا کرده است. در این مقاله سعی داریم تا با ارائه مثالهایی، دیدگاههای مختلف را در زمینه اینکه چگونه نانوتکنولوژی میتواند پزشکی را هم در پژوهشهای آزمایشگاهی و هم در بالین تغییر دهد، بیان کنیم و به نگرانیهایی که در مورد خطرات آن وجود دارد نیز پاسخ دهیم.
نانوتکنولوژی چیست؟
ریشه این کلمه از پسوند «نانو» از یونان باستان به معنی «کوتوله» آمده است. معنای آن در علم، 10 به توان منهای 9 از هر چیزی است. به عبارتی، یک نانومتر، یعنی یک میلیاردم یک متر است. یک نانومتر حدود پهنای 3 تا 5 اتم است، یا 40 هزار بار کوچکتر از ضخامت یک تار مو. یک ویروس بهطور معمول اندازهای برابر با 100 نانومتر دارد. توانایی دستکاری و تغییر ساختار و خصوصیات مواد در مقیاس نانو در پزشکی مانند در اختیار داشتن یک آزمایشگاه زیر میکروسکوپ است که در آن میتوانید اجزای سلولی، ویروسها و قطعاتی از DNA را با استفاده از ابزار، روباتها و تیوبهای ریز کنترل کنید.
دستکاری کردن DNA
درمانهایی که برمبنای دستکاری کردن ژنهای فرد یا مسیرهای ملکولی که بیان آنها را تحت تاثیر قرار میدهند، به طور فزایندهای به عنوان یک گزینه برای درمان بیماری مورد بررسی قرار گرفته است. یکی از اهداف بلند در این زمینه، توانایی درمان مناسب بیماران با توجه به ژنتیک منحصر به فرد آنهاست. البته این امر نیاز به ابزارهای خاصی دارد تا به محققین کمک کنند این گونه درمانها را تجربه و توسعه دهند. تصور کنید، بهطور مثال بتوانید قسمتی از DNA را مانند رشته اسپاگتی طولانی کنید. به این ترتیب قادر خواهید بود اعمال ترمیمی روی آن انجام دهید یا نانورباتهایی را بسازید که میتوانند روی رشته DNA حرکت کرده و اجزای داخل سلولی را ترمیم کند. نانوتکنولوژی رویای دانشمندان را به واقعیت نزدیک میکند.
نانوبوتها و نانوستارهها
شیمیدانهای دانشگاه نیویورک در سال 2004 روباتهایی در مقیاس نانو ساختهاند که از قطعات DNA گرفته شده و میتوانند قدمهایی به طول 10 نانومتر بردارند. آنها نام «نانوواکر» را برای این روباتها برگزیدهاند. این کار مصداق خوبی از «biomimetics» است؛ جایی که با نانوتکنولوژی میتوان بعضی از پروسههای بیولوژیکی موجود در طبیعت را مانند رفتار DNA تقلید کرد و به این ترتیب روشهای جدیدی را مهندسی کرد و شاید آنها را ارتقا داد.
امروزه نانوبوتهای مخصوص DNA میتوانند ساخته شوند تا سلولهای سرطانی را هدف قرار دهند. بهطور مثال محققان مدرسه پزشکی آمریکا اخیرا ساخت یک origami nanorobot را از DNA ساختهاند که میتواند محموله مولکولی را با خود حمل کند. این نانوبوتهای بشکهای شکل میتوانند با خود مولکولهایی را حمل کنند که حاوی دستورالعملهایی برای وادار کردن سلولها به انجام روشهای خاص هستند. این محققان با موفقیت نشان دادند که چگونه نانوبوتها مولکولها را به سلولهای هدف که سلولهای نابود شده در لوکمی و لمفوما هستند، تحویل میدهند.
البته نانوبوتهایی هم که از مواد دیگر مانند طلا ساخته شوند نیز در راه هستند. این دسته از نانوبوتها، نانوذرات ساده و ستاره شکلی هستند که میتوانند داروها را مستقیما به هسته سلولهای سرطانی تحویل دهند. محققان در مقالهای توضیح دادند که چگونه نانوستارههای پرشده با دارو، پس از متصل شدن به پروتئینهای بیان شده روی سطح سلولهای سرطانی تخمدان و سرویکس، محموله دارویی خود را مستقیما وارد هسته سلولی میکنند. شکل ستارهای این نانوذرات، بهترین شکل برای تحویل دقیق دارو به سلول سرطانی است. درواقع در این مدل با تاباندن پالسهای نور به نقاطی از نانوستارهها، نور تجمع پیدا کرده و داروها را به مناطق درست تحویل میدهند.
امروزه نانوبوتهای مخصوص DNA میتوانند ساخته شوند تا سلولهای سرطانی را هدف قرار دهند. بهطور مثال محققان مدرسه پزشکی آمریکا اخیرا ساخت یک origami nanorobot را از DNA ساختهاند که میتواند محموله مولکولی را با خود حمل کند. این نانوبوتهای بشکهای شکل میتوانند با خود مولکولهایی را حمل کنند که حاوی دستورالعملهایی برای وادار کردن سلولها به انجام روشهای خاص هستند. این محققان با موفقیت نشان دادند که چگونه نانوبوتها مولکولها را به سلولهای هدف که سلولهای نابود شده در لوکمی و لمفوما هستند، تحویل میدهند.
البته نانوبوتهایی هم که از مواد دیگر مانند طلا ساخته شوند نیز در راه هستند. این دسته از نانوبوتها، نانوذرات ساده و ستاره شکلی هستند که میتوانند داروها را مستقیما به هسته سلولهای سرطانی تحویل دهند. محققان در مقالهای توضیح دادند که چگونه نانوستارههای پرشده با دارو، پس از متصل شدن به پروتئینهای بیان شده روی سطح سلولهای سرطانی تخمدان و سرویکس، محموله دارویی خود را مستقیما وارد هسته سلولی میکنند. شکل ستارهای این نانوذرات، بهترین شکل برای تحویل دقیق دارو به سلول سرطانی است. درواقع در این مدل با تاباندن پالسهای نور به نقاطی از نانوستارهها، نور تجمع پیدا کرده و داروها را به مناطق درست تحویل میدهند.
ساخت دارو در محل
دانشمندان دریافتهاند که داروها با پایه پروتئینی بسیار مهم هستند، زیرا میتوانند برای تحویل سیگنالهای خاص به سلولها برنامهریزی شوند. البته مشکل آنجاست که قبل از رسیدن این دسته از داروها به مقصد، قسمت اعظم آنها بهوسیله بدن شکسته میشوند، اما اگر بشود برای غلبه بر این مشکل، در همان نقطه هدف دارو تولید شود، چه؟ محققان MIT آمریکا به تازگی نشان دادهاند که شاید بتوان این کار را انجام داد. آنها در مقاله خود امکان خودمونتاژی «نانوکارخانهها» را برای ساخت ترکیبات پرئتئینی، بسته به محل هدف و به میزان مورد نیاز نشان دادند. این محققان با این ایده در تلاشند تا راهی برای حمله به تومورهای متاستایک پیدا کنند. آنها درحال حاضر روی نانوذراتی کار میکنند که میتوانند داروهای سرطانی بالقوه را سنتز کنند و همچنین بهدنبال راههای دیگری برای روشن کردن این نانوذرات هستند.
نانوفیبرها
نانوفیبرها، فیبرهایی با قطر کمتر از هزار نانومتر هستند که در مواد خاصی که برای پوشاندن زخم استفاده میشوند، همچنین مواد قابل کاربرد در ایمپلنتها، مهندسی بافت و اجزای اندام مصنوعی به کار برده میشوند. نانوفیبرهای ساخته شده از کربن این امید را به وجود آوردهاند که در تصویربرداری پزشکی و ابزار علمی مخصوص اندازهگیری دقیق مورد استفاده قرار گیرند. اما چالش بزرگی که در این زمینه وجود دارد، آن است که چگونه اندازه خود آنها را دقیق درآورند، زیرا عملی است هزینه و زمانبر.
سال گذشته بود که محققان دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، روش جدیدی را برای ساخت نانوفیبرهای کربنی در اندازههای دقیق معرفی کردند. آنها توضیح دادند که چگونه توانستهاند نانوفیبرهای کربنی را بهطور یکسان و متحدالشکل در اندازه قطرهایشان درست کنند. این کار به کمک نانوذرات نیکل انجام شده است. نانوذرات نیکل از آنجایی مورد توجه قرار گرفتهاند که به نانوفیبرهای کربن اجازه میدهند در دمای بالا رشد کنند. سرب نیز ماده دیگری است که در ساخت نانوفیبرها استفاده میشوند. این دسته از نانوفیبرها انقلابی در مشهای جراحی مورد استفاده در اتاق عمل ایجاد کردهاند. بهطوریکه در ترمیم صدمات مغز و طناب نخاعی کاربرد بالایی پیدا کردهاند. اما بعضی معتقدند در ترمیم هرنی، فیستول و دیگر صدمات نیز جای خود را باز کردهاند.
در حال حاضر مشهایی که در ترمیم غشای پوشاننده مغز و طناب نخاعی استفاده میشوند، از مواد ضخیم و سختی درست شدهاند که کار با آنها را با مشکل مواجه میکند. اما نانوفیرهای سرب که در این مشها به کار میروند، نازکتر، قابل انعطافتر و به احتمال بیشتری با بافتهای بدن ادغام میشوند. هر رشته از این نانوفیبرها، هزاران بار کوچکتر از قطر یک سلول هستند. با استفاده از این نانوفیبرها، نهتنها اعمال جراحی با راحتی بیشتری انجام میشود، بلکه عوارض پس از عمل کمتری نیز در انتظار بیماران است، زیرا در طول زمان بهطور طبیعی شکسته میشوند. محققان امیدوارند که روش جدید بهطور گستردهای برای تحویل داروهای مورد نیاز درمان سرطان، بیماریهای قلبی و آلزایمر مورد استفاده قرار گیرند.
سال گذشته بود که محققان دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، روش جدیدی را برای ساخت نانوفیبرهای کربنی در اندازههای دقیق معرفی کردند. آنها توضیح دادند که چگونه توانستهاند نانوفیبرهای کربنی را بهطور یکسان و متحدالشکل در اندازه قطرهایشان درست کنند. این کار به کمک نانوذرات نیکل انجام شده است. نانوذرات نیکل از آنجایی مورد توجه قرار گرفتهاند که به نانوفیبرهای کربن اجازه میدهند در دمای بالا رشد کنند. سرب نیز ماده دیگری است که در ساخت نانوفیبرها استفاده میشوند. این دسته از نانوفیبرها انقلابی در مشهای جراحی مورد استفاده در اتاق عمل ایجاد کردهاند. بهطوریکه در ترمیم صدمات مغز و طناب نخاعی کاربرد بالایی پیدا کردهاند. اما بعضی معتقدند در ترمیم هرنی، فیستول و دیگر صدمات نیز جای خود را باز کردهاند.
در حال حاضر مشهایی که در ترمیم غشای پوشاننده مغز و طناب نخاعی استفاده میشوند، از مواد ضخیم و سختی درست شدهاند که کار با آنها را با مشکل مواجه میکند. اما نانوفیرهای سرب که در این مشها به کار میروند، نازکتر، قابل انعطافتر و به احتمال بیشتری با بافتهای بدن ادغام میشوند. هر رشته از این نانوفیبرها، هزاران بار کوچکتر از قطر یک سلول هستند. با استفاده از این نانوفیبرها، نهتنها اعمال جراحی با راحتی بیشتری انجام میشود، بلکه عوارض پس از عمل کمتری نیز در انتظار بیماران است، زیرا در طول زمان بهطور طبیعی شکسته میشوند. محققان امیدوارند که روش جدید بهطور گستردهای برای تحویل داروهای مورد نیاز درمان سرطان، بیماریهای قلبی و آلزایمر مورد استفاده قرار گیرند.
نگرانیها در مورد نانومواد
در سالهای اخیر شاهد انقلابی عظیم در انتشار مقالاتی هستیم که جنبههای گوناگون و تنوع کاربرد نانوتکنولوزی و نانومواد را نشان میدهند. در این مقاله ما فقط سطح مقطع کوچکی از این میدان وسیع را نظارهگر هستیم. با این حال، در همه موارد، چالشهای قابلتوجهی وجود دارد که به نظر میرسد بزرگترین آن به چگونگی تولید مواد و ابزار و چگونگی پایین آوردن هزینهها و بازههای زمانی در آن است. چالش دیگر نیز آن است که چگونه میتوان به جامعه این اطمینان را داد که نانوتکنولوژی با این سرعت پیشرفت، ایمن نیز هست. البته موضوع آن است که آیا واقعا ایمن هست؟
البته آنهایی که در مورد ایمنی نانوتکنولوژی نگرانیهایی را مطرح میکنند، خود اذعان دارند که اگر مادهای در ابعاد نانو درآید، بدان معنا نیست که به ماده خطرناکی تبدیل خواهد شد. علاوه برآن، نانوذرات از زمان پیدایش زمین در اطراف ما حضور همیشگی داشتهاند، به طور مثال در خاکسترهای آتشفشان به وفور یافت میشوند. همچنین از زمان حضور انسان روی زمین و از زمان عصر سنگ، نانوذرات در دود و دوده وجود داشتهاند.
به منظور اثبات ایمنی نانومواد، انستیتو ملی سرطان (NCI) در آمریکا معتقد است بهطور طبیعی نانوذرات در محیط اطراف ما همیشه حضور داشتهاند، حتی بسیار بیشتر از سطحی که در حال حاضر نانوذرات مهندسی شده وجود دارند. از سوی دیگر آنها اذعان دارند که نانو ذرات مهندسی شده سمیت بسیار کمتری از مواد پاک کننده مورد استفاده در منازل، حشرهکشها و حیوانات خانگی دارند. همچنین نانوذراتی که به عنوان حامل داروهای شیمیدرمانی در بدن مورد استفاده قرار میگیرند، خود سمیت بسیار کمتری از داروهای مذکور دارند.
مورد استفاده دیگر نانوذرات در مواد غذایی است که در سطح تجاری یافت میشوند. هرچند تعداد این دسته از مواد غذایی در حال حاضر اندک است، به نظر میرسد ظرف چند سال آینده، تکنولوژی آن پیشرفت قابل ملاحظهای داشته باشد. نانومواد در حال حاضر برای کم کردن سطح چربی و قند مواد، بدون آنکه طعم آنها را تغییر دهند، استفاده میشود. همچنین برای بهتر کردن روشهای بستهبندی و سالم نگاه داشتن مواد غذایی به مدت طولانیتر و افزایش فراهمزیستی مواد غذایی (بهطور مثال در مکملهای غذایی) نیز کاربرد دارد.
البته بعضی دانشمندان در نقطه مقابل نظرات فوق معتقدند وقتی تحقیقات در این زمینه سرعت رشد زیادی دارد و بازار نیز همزمان با آن ارتقا مییابد، زمان کافی برای آنکه عواقب و پیامدهای بعدی و مضرات آن مشخص شود، وجود نخواهد داشت. این نظر، از سوی کمیته علوم و تکنولوژی مجلس اعیان پارلمان بریتانیا مطرح شده که در مورد نانومواد و تاثیر آنها بر سلامت انسان نگرانیهای جدی بسیاری وجود دارد، خصوصا خطری که ممکن است با خوردن نانومواد برای سلامت انسان پیش آید. یکی از این نگرانیهای این کمیته به اندازه و حرکت استثنایی نانوذرات برمیگردد: آنها به اندازه کافی کوچک هستند که اگر بلعیده شوند، از غشای سلولی دیواره روده عبور میکنند و میتوانند خود را به مغز و دیگر اعضای بدن برسانند و حتی داخل هسته سلولی شوند. در حالی که هنوز مشخص نیست اثرات آنها روی مغز و دیگر اعضا چیست؟
از دیگر موارد نگرانی، قابلیت حل و مقاومت نانوذرات است. مثلا اگر آنها حل نشوند، چه اتفاقی میافتد؟ اگر آنها نتوانند شکسته شوند یا تخریب شوند، آیا تجمع آنها در یک عضو برای سلامت انسان خطرناک نیست؟ نامومواد شامل اکسیدهای فلزی معدنی هستند و به نظر میرسد به احتمال زیاد یکی از نقاط منفی این رشته محسوب خواهند شد. مورد دیگر آنکه با توجه به نسبت بالای سطح به جرم آنها، نانوذرات بسیار واکنشی هستند و شاید واکنشهای شیمیایی ناشناختهای را تحریک کنند یا با باند شدن به توکسینها، به آنها امکان ورود به داخل سلولها را بدهند، در حالیکه بدون نانوذرات نمیتوانند وارد سلول شوند. با توجه به تمامی موارد فوق، این کمیته پیشنهاد میکند که تحقیقاتی بیشتری باید انجام شوند تا به نگرانیهای موجود پاسخ مناسب دهند و نسبت به ایمنی این مواد اعتماد کامل ایجاد کنند. البته در حال حاضر تمامی این نگرانیها مورد چالش است و نمیتوان به طور قطع در مورد آنها اظهارنظر کرد.
موسسات زیادی از جمله انستیتو ملی سرطان آمریکا نیز پیشبینی میکنند که به احتمال زیاد بیضرر بودن این مواد ثابت خواهند شد. اما وقتی پیشرفت یک تکنولوژی سریع است، دانش و ارتباطات درباره ایمنی آن باید با منافع آن همخوانی داشته باشد، خصوصا آنکه تضمین اعتماد عمومی نیز در آن دخیل باشد./
البته آنهایی که در مورد ایمنی نانوتکنولوژی نگرانیهایی را مطرح میکنند، خود اذعان دارند که اگر مادهای در ابعاد نانو درآید، بدان معنا نیست که به ماده خطرناکی تبدیل خواهد شد. علاوه برآن، نانوذرات از زمان پیدایش زمین در اطراف ما حضور همیشگی داشتهاند، به طور مثال در خاکسترهای آتشفشان به وفور یافت میشوند. همچنین از زمان حضور انسان روی زمین و از زمان عصر سنگ، نانوذرات در دود و دوده وجود داشتهاند.
به منظور اثبات ایمنی نانومواد، انستیتو ملی سرطان (NCI) در آمریکا معتقد است بهطور طبیعی نانوذرات در محیط اطراف ما همیشه حضور داشتهاند، حتی بسیار بیشتر از سطحی که در حال حاضر نانوذرات مهندسی شده وجود دارند. از سوی دیگر آنها اذعان دارند که نانو ذرات مهندسی شده سمیت بسیار کمتری از مواد پاک کننده مورد استفاده در منازل، حشرهکشها و حیوانات خانگی دارند. همچنین نانوذراتی که به عنوان حامل داروهای شیمیدرمانی در بدن مورد استفاده قرار میگیرند، خود سمیت بسیار کمتری از داروهای مذکور دارند.
مورد استفاده دیگر نانوذرات در مواد غذایی است که در سطح تجاری یافت میشوند. هرچند تعداد این دسته از مواد غذایی در حال حاضر اندک است، به نظر میرسد ظرف چند سال آینده، تکنولوژی آن پیشرفت قابل ملاحظهای داشته باشد. نانومواد در حال حاضر برای کم کردن سطح چربی و قند مواد، بدون آنکه طعم آنها را تغییر دهند، استفاده میشود. همچنین برای بهتر کردن روشهای بستهبندی و سالم نگاه داشتن مواد غذایی به مدت طولانیتر و افزایش فراهمزیستی مواد غذایی (بهطور مثال در مکملهای غذایی) نیز کاربرد دارد.
البته بعضی دانشمندان در نقطه مقابل نظرات فوق معتقدند وقتی تحقیقات در این زمینه سرعت رشد زیادی دارد و بازار نیز همزمان با آن ارتقا مییابد، زمان کافی برای آنکه عواقب و پیامدهای بعدی و مضرات آن مشخص شود، وجود نخواهد داشت. این نظر، از سوی کمیته علوم و تکنولوژی مجلس اعیان پارلمان بریتانیا مطرح شده که در مورد نانومواد و تاثیر آنها بر سلامت انسان نگرانیهای جدی بسیاری وجود دارد، خصوصا خطری که ممکن است با خوردن نانومواد برای سلامت انسان پیش آید. یکی از این نگرانیهای این کمیته به اندازه و حرکت استثنایی نانوذرات برمیگردد: آنها به اندازه کافی کوچک هستند که اگر بلعیده شوند، از غشای سلولی دیواره روده عبور میکنند و میتوانند خود را به مغز و دیگر اعضای بدن برسانند و حتی داخل هسته سلولی شوند. در حالی که هنوز مشخص نیست اثرات آنها روی مغز و دیگر اعضا چیست؟
از دیگر موارد نگرانی، قابلیت حل و مقاومت نانوذرات است. مثلا اگر آنها حل نشوند، چه اتفاقی میافتد؟ اگر آنها نتوانند شکسته شوند یا تخریب شوند، آیا تجمع آنها در یک عضو برای سلامت انسان خطرناک نیست؟ نامومواد شامل اکسیدهای فلزی معدنی هستند و به نظر میرسد به احتمال زیاد یکی از نقاط منفی این رشته محسوب خواهند شد. مورد دیگر آنکه با توجه به نسبت بالای سطح به جرم آنها، نانوذرات بسیار واکنشی هستند و شاید واکنشهای شیمیایی ناشناختهای را تحریک کنند یا با باند شدن به توکسینها، به آنها امکان ورود به داخل سلولها را بدهند، در حالیکه بدون نانوذرات نمیتوانند وارد سلول شوند. با توجه به تمامی موارد فوق، این کمیته پیشنهاد میکند که تحقیقاتی بیشتری باید انجام شوند تا به نگرانیهای موجود پاسخ مناسب دهند و نسبت به ایمنی این مواد اعتماد کامل ایجاد کنند. البته در حال حاضر تمامی این نگرانیها مورد چالش است و نمیتوان به طور قطع در مورد آنها اظهارنظر کرد.
موسسات زیادی از جمله انستیتو ملی سرطان آمریکا نیز پیشبینی میکنند که به احتمال زیاد بیضرر بودن این مواد ثابت خواهند شد. اما وقتی پیشرفت یک تکنولوژی سریع است، دانش و ارتباطات درباره ایمنی آن باید با منافع آن همخوانی داشته باشد، خصوصا آنکه تضمین اعتماد عمومی نیز در آن دخیل باشد./