نانو تکنولوژی و Nanomedicine
قبل از اینکه به تفصیل وارد مبحث Nanomedicine شدیم، نخست از ابزار استفاده از این شکل تازه به پزشکی تحت نام کلی نانوتکنولوژی صحبت خواهیم کرد.
در Nanomedicine نیاز به ساخت ابزارها و امکاناتی با دقت در حد اتمی احساس می شود. پیشوند “Nano” از ریشه یونانی Nanos یا Duarf به معنای یک بیلیونیم (9- 10) از هرچیز اطلاق می شود.
اصلاح نانوتکنولوژی به فن آوری با میزانهایی در حد یک بیلیونیم یا نانومتر، که به اندازه عرض 6 اتم کربن است گفته می شود. کلماتی چون نانوماشین، نانو رباط، نانو موتور و نانوکامپیوتر به ساختارهای پیچیده مهندسی که تا حد مولکول کنترل می شوند، اطلاق می شود.
نخستین بار مهندسی مولکولی در دهه های 1960 و 1970 توسط، «فُن هیپل» و «فُن فاستر» و «زینگ شایم» مورد بحث قرار گرفت. اصطلاح نانوتکنولوژی نخستین بار در سال 1974 توسط «اِن – تانی گوچی4» مورد استفاده واقع شد، که کوچکتر کردن میزانها و کنترل ابزار را در حد نانومتر در بر می گرفت.
در سال 1981 «KE درکسلر5» صحبت از دستکاریهایی در حد مولکولی و مهندسی مولکولی در جهت ساخت ماشین های مولکولی با دقت در حد اتم، را پیش کشید. درکسلر: «نانو تکنولوژی مولکولی به کنترل سه بعدی اتمها و ساختارهای مولکولی در جهت خلق مواد یا ابزارهایی با دقت مولکولی اطلاق می شود.» Nanomedicine برای اولین بار در 1991 توسط درکسلر، Peterson و Rergenit در کتاب مشهور «گشودن آینده» مورد استفاده قرار گرفت.
نکته جالب اینجاست که سیستم های بیولوژیک مولکولی نیز به عنوان نانوماشین درنظر گرفته می شود. شواهدی مبنی بر ارتباط تنگاتنگ اجزای بزرگتر یک ماشین بیولوژیک و اجزای مولکولی کوچکتر آن وجود دارد. برای مثال از «مارسلومالپیگی» (1694 – 1628) که موفق به کشف ساختارهای ظریف ریه و مویرگها با کمک میکروسکوپ شد، است: بدنهای ما متشکل است از رشته ها، دسته ها سنج، مایعات، اندامک ها و مجراها و فیلترها.
همگام ساختن نانوتکنولوژی با دانش پزشکی در حالی بود که پزشکان قرن بیستم بیشترین حواس خود را روی جراحی و داروها متمرکز ساخته بودند. «درکسلر» در کتاب موتورهای خلقت می گوید:
«جراحان تکنیکهای خود را از دوختن جراحات و قطع اعضاء به ترمیم قلب و برگرداندن اندامها ارتقاء بخشیده اند. ولی هنوز، بهترین "Microsuryeon" ها در دوختن بافتهای ظریف ناتوان و اسکاپیل های مدرن و سوچورها نیز هنوز جهت ترمیم مویرگها، سلولها و مولکولها بسیار خشن و غیر کاربردی اند.»
بر خلاف جراحی با ساختارهای ظریف سلولی سروکار دارد. مولکولهای دارویی به عنوان ابزارهای مولکولی عمل می کنند. مورفین روی رسیتورهای مغز جهت کاهش درد، همچنین انوسین، βبلوکرها و ... هر کدام روی گیرنده خاصی عمل می کنند. اما این مولکولهای دارویی بصورت ویژه و مستقیم و هدفمند عمل نمی کنند. در کل بدن منتشر شده تا به گیرنده خاص خود برسند. ماشین های مولکولی که توسط نانوکامپیوترها هدایت می شوند پزشکان را از این جهت توانمند می سازند که می تواند به گیرنده برنامه ریزی و ابزار مولکولی مجهز شده و یک سلول ویژه یا گروه خاصی از سلولها را تحت معاینه و ترمیم قرار دهند. در واقع این ماشین ها سیطره جراح گونه ای بر عرصه مولکولها اعمال می کنند.
کاربردهای اولیه این تکنولوژی به خارج از بدن و در عرصه هایی چون تشخیص و تولید داروهای محدود شده است. ولی نهایتاً پا فراتر گذاشته کاربردهای داخل بدنی چون ماشین های ایمنی برنامه ریزی شده که به کمک سیستم ایمنی فرد می آیند یا ماشین های ترمیمی که بهبود سریع و بازسازی بافتها را به عهده می گیرند و نهایتاً اعمالی چون جراحی ژنتیک سلولها را شامل خواهد شد.
پرورش ایده «نانو Medicine» دو مسیر اساسی را دنبال کرده است. «ریچارد اسمالی» از آن تحت عنوان نانوتکنولوژی Wet (مرطوب) در سیستم های بیولوژیک و نانوتکنولوژی خشک (در سیستم های مکانیکی) یاد کرده است. در این مجال بیشتر آیتم اول را مورد بررسی قرار خواهیم داد.
ارتباط بیوتکنولوژی و نانوتکنولوژی مولکولی
بیوتکنولوژی در حال حاضر از ظرفیتها و پایه های محکم و وسیعی برخوردار است. کاربردهای عملی و نتایج واقعی آن در بازار موجود است. نانوتکنولوژی نیز کاربری های وسیعی در پزشکی در عرصه های تکنیکهای تشخیص، جراحی، دندانپزشکی الکترودهای داخل سلولی در سلولهای عصبی، جراحی توسط میکروسکوپ اپتیک، طراحی واکسن ها و ... مطرح کرده است. بیوتکنولوژی به کاربری سیستم های بیولوژیک و ارگانیسم ها در پروسه های تکنیکی و صنعتی اطلاق می شود. ولی در سالهای اخیر به کلمه مهندسی ژنتیک و از آن بیشتر به مهندسی در تمامی سیستم های بیولوژیکی، حتی سیستم های زنده ارگانیک کاملاً صناعی است تفاوت میان نانوتکنولوژیست ها و بیوتکنولوژیست ها اینست که گروه اول فعالیتهای خود را به ساختارهای کرده است. بیولوژیک ها محدود نمی کنند و در یک کلام بلندپرواز ترند!
طبق آمار چیزی حدود 90 – 80 % شکایات پزشکی از طریق همدستاز طبیعی بدن و بدون تداخل عوامل بیوتکنولوژی فعال، مرتفع می شوند. با بکارگیری نانوتکنولوژی مولکولی، دامنه، کیفیت، سهولت و سرعت درمانهای پزشکی به طور قابل توجهی افزایش یافته است. این فن آوری نقش مهم خود را در شرایط مخفی، انتخابی و بحرانی از نظر زمانی نشان می دهد. (مثل ترما به سر، سوختگی و بیماریهای منتشر سریع)
تصور اعمال بیوتکنولوژی پیشرفته در ساخت سفیه خون، فیبر و بلاست ها، ماکروفاژهایی که انرژی خود را از اکسیژن و گلوکز خودی و المانهای حرکتی پیشرفته میتوکنه ریایی، سوروپوریا، مژکها یا فلاژلّا، دریافت می کند و از طریق سیگنالهای بیوشیمیایی ردیابی می شوند، چندان دور از ذهن نیست.
بعد دیگر کاربری نانوتکنولوژی مولکولی در سیستم های نانو رباطی مکانیکی است. این سازه های مکانیکی قادر به انتقال اجزاء مواد، انرژی و ابزارهایی از طریق کانال های ثابت می باشد در حالیکه سیستم های بیولوژیکی این نقل و انتقالات را از طریق انتشار انجام می دهند.
لیستی از فواید نانوتکنولوژی مولکولی:
1. سرعت درمان پزشکی:
سرعت فعالیت نانو رباط ها در مقایسه با سرعت فیبر وبلاست ها و لکوسیت ها، بطور شگفت انگیزی پروسه های همدستاز طبیعی مثل ترمیم پوستی از طریق فیبروبلاست ها، ممکن است هفته ها طول بکشد. سرعت حرکت فیبروبلاست ها: 1 – 1/0 (ثانیه / میکرون) است در حالیکه نانو رباط های مکانیکی با سرعت 10 – 1 (ثانیه/ cm) و حتی بیشتر ذکر شده است.
فرکانس ضربات مژکهای بیولوژیکی 30 هرتز است در حالیکه نانومژکهای مکانیکی فرکانس ضرباتی حدود 20 مگاهرتز ایجاد می کنند. گرچه محدودیات ابزاری بیشتر اوقات این فرکانس را به 10 کیلوهرتز کاهش می دهند.
2. تراکم نیرویی بالا و قابلیت انتقال زیاد
سلولهای بیولوژیکی از تراکم نیرویی (Power Density) در حدود 4 10 – 3 10 (3 m/w) تا ماکزیمم 6 10(3 m/w) در سلولهای باکتریایی استفاده می کنند. در حالیکه سیستم های نانومکانیکی نیرویی در حد12 10 – 9 10 (3 m/w) ایجاد می کنند. (یعنی چیزی حدود 3 10 – 8 10 برابر) علاوه بر این، حرکات آسیبی سلولها از تخریب و بازسازی سیستم سیتواسکلتال ایجاد می شود، در حالیکه حرکات مکانیکی از طریق کانالها، winch، ratchet ایجاد می شود کهب ه مراتب سریعتر و مستقیم تر عمل می کند.
3. استحکام مواد سازنده
مواد بیولوزیک تیپک در مقابل کشش چیزی تا حدود 7 10 – 6 10 (3 m/N) است و بالاترین رقم مربوط به استحکام استخوان متراکم است که تا حدود 8 10 (3 m/N) است. استحکام کششی فلزات، یاقوت و الماس به ترتیب 9 10،10 10،11 10 هستند. بنابراین سیستم های مکانیکی 3 10 – 5 10 برابر محکم تر از سیستم های بیولوژیکی هستند.
مواد غیربیولوژیکی، هستند و دقت حرکتی بیشتری دارند و در تغییرات حرارت های فشارهای، PH و محیط های نمکی، پایه ای تر ظاهر می شوند.
پروتئین ها به حرارت حساس بوده و به دلیل اینکه بیشتر اتصلات پروتئینی، غیرکووالانسی هستند. در سایر مواد غیر بیولوژیکی که بیشتر ساختار آنها بر اساس پیوندهای کووالانسی است، تحمل نسبت به حرارت بهتر است.
4. غیر قابل تجزیه بودن عوامل درمانی
عوامل تشخیصی و درمانی ساخته شده از مواد بیولوژیک، در سیستم بیولوژیک تجزیه می شوند، گرچه شاخته مهمی از فارماکولوژی به طراحی داروهایی اختصاص دارد که در بدن تجزیه نشوند (مثل آنالوگ های حنه DNA و پپته نوکلئیک اسیدها) در حالیکه عوامل نانو رباطی متشکل از مواد غیربیولوژیکی تجزیه نمی شوند. در واقع وقتی در سیستم بیولوژیکی قرار می گیرد تحت عواملی مثل رادیکالهای آزاد، اسید و انزیم قرار نمی گیرد و تجزیه نمی شوند.
5. قابل کنترل بودن درمانهای نانومدیکال
سیستم های بیوتکنولوژی فعلی را نمی توان برنامه ریزی کرد یا آنها را وادار به عملکرد نموده یا از عمل خارج کرد.
یک بیوکامپیوتر دیژیتالی، البته هنوز در حد تئوری، قابلیت این را دارد که در یک فیبروبلاست کار گذاشته شود یا مکانیزم های عاملی در یک سیستم بیولوژیک نصب شود و سرعت سیستم را کنترل کند.
این کنترل شامل کنترل محل عملکرد، زمان، قدرت، ساختار و ارتباطات با سایر سیستم ها بیولوژیکی می شود.
6. قابلیت هماهنگی بیشتر ابزار نانومتری (سیستم های مکانیکی) در مقایسه بیولوژیکی مصنوعی
سیستم های مکانیکی به راحتی با مواد بیولوژیکی وارد واکنش می شوند در حالیکه سیستم های بیولوژیکی مصنوعی به سختی با مواد غیربیولوژیک همکاری می کنند، مثل نانوتولولهای از جنس الماس در مقایسه با توبولهای کربنی. دلیل این مسأله این است که سیستم های بیولوژیکی مصنوعی یا مونتاژ شده، نمی توانند هماهنگی مناسبی با ساختارهای کد شده DNA و یا اتصالات شیمیایی موجود برقرار کنند. بازسازی قسمتهایی از بدن انسان با اجزای غیربیولوژیکی (استخوان از جنس فولرن در آسیبهای استخوانی از تصادفات) یا افزایش عملکرد بدن انسان در یک وضعیت خاص (کنترل پاراکرین اتوژن)، تنها با بکارگیری ابزار بیوتکنولوژی محض بسیار مشکل و حتی غیرممکن است.
7. اجتناب از اختصاص سازی بیش از حد
یکی از مهمترین اشکالات بکارگیری باکتریها و یا سایر سیستم های مولکولی طبیعی در مقایسه با سیستم های مهندسی شده، محدودیت طیف سوبسترهایی است که برای آنها قابلیت استفاده دارد. برای مثال، آنزیمهای باکتریایی بسیار اختصاصی و محدود عمل می کنند، هزاران آنزیم مختلف در یک ارگانیسم نیاز است تا سوبسترهای محدودی مثل قندها، آمینواسیدهای تشکیل دهنده پروتئین ها، چربیها و در آخر گلیسرول و اتانول را تجزیه کند، در حالیکه سیستم های مکانیکی طراحی شده محدود با سایز کوچک تر قادر به تجزیه طیف وسیعتری از ساختارهای مولکولی می باشند.
8. تشخیص دقیقتر و وسیعتر
آنالیز و بکارگیری یک روش تشخیصی، هماهنگی سریع مواد یا ابزار تزریق شده با پزشک انجام دهنده این را می طلبد. ابزار بیوتکنولوژی به دقایق و ساعات زیادی برای کامل کردن یک حلقه تشخیصی نیاز دارند در حالیکه نانوماشین ها به دلیل مجهز بودن به مکانیزم های ورود و خروج متنوع در عرض چند ثانیه پیام شیمیایی را انتقال می دهند. این ماشین قادرند در عرض چند ثانیه از یک مولکول و ارتباطاتش نقشه ارائه دهنده و آن را آنالیز کنند.
9. آستانه پاسخ حساستر در اعمال با سرعت بالا
برخلاف سیستم های طبیعی، گروه بزرگی از نانوبیولوژیک را می توان تنها با یک ردیابی موضعی آنتی ژن یا پاتوژن مورد هدف قرار داد. سیستم ایمنی طبیعی بالغ بر 5 10 ثانیه زمان می خواهد تا با پاتوژن مواجه شده و به آن اتصال یابد. ولی سیستم ایمنی پیشرفته بیولوژیک چیزی حدود 3 10 ثانیه زمان لازم دارد. این در حالیست که یک سیستم ایمنی نانوبیوتیک در عرض 2 10 ثانیه عمل خود را انجام می دهد.
10. عملکرد قابل اعتمادتر
بسیاری از پاتوزنها مثل یا مونوسیتوزن و تریپانوزوم کروزمی به عنوان پاتوزنهایی که از سیستم های فاگوسیتی سیتوپلاسم فرار می کند، معروف هستند. داروهای بیوتکنیکی جهت ممانعت از این موضوع ساخته شده اند ولی مکانیزم های به دام اندازندة نانو رباطی بسیار بهتر عمل می کنند. پروتئینهای ساخته شده از ریبوزومهای سلولهای طبیعی بدن به هنگام مونتاژ، در هر 4 10 اسید آمینه فقط 1اسید آمینه اشتباه دارند. ماشینهای سنتز پروتئینی بیوتکنیکی جدید نیز این فرایند را با میزان اشتباهی مشابه انجام می دهند. این در حالیست که فن آوری نانوتکنولوژی در این عرصه، میزان اشتباه را به 1 در 6 10 کاهش داده است.
11. اطمینان از پیشرفت و درمان
با استفاده از مدالیته های متنوع ارتباطی، نانورباطها در هر لحظه خلاصه ای از اتفاقات فرایند تشخیص یا درمان را به پزشک مخابره می کنند، که در مقایسه با روشهای بیولوژیکی بسیار دقیق تر، سریعتر و جزئی تر عمل می کند. لازم به ذکر است که سیستم های بیوتکنولوژی نیز قادر به مخابره عملکرد خود حین فعالیت نمی باشند.
12. حداقل عوارض جانبی
تقریباً همه داروها عوارض جانبی به دنبال دارند، مثلاً کمدتراپی در سرطانها موجب ریزش مو و استفراغ می شود. در حالیکه داروهای با طراحی کامپیوتری ویژگی بسیار بالا داشته و در نتیجه عوارض جانبی بسیار کمی به همراه دارند.
در دهه 1990 واکسن هایی ضدسرطان مطرح شدند که به ناچار بعضی سلولهای سالم را تحت تأثیر قرار می دادند. حتی داروهایی با هدف گیری بسیار ویژه نیز در بافتها و ارگانها حتی در غلظتهای پایین گسترش می یابند. ولی نانو رباط های مکانیکی با دقت 10% به ارگانهای ویژه، بافتها و حتی تک تک سلولها دسترسی پیدا می کنند.
آقای G.M.Fahy اشاره به این نکته کرده است که این امکانات در واقع داروها را به ماشین های برنامه ریزی شده ای با قابلیت تصمیم گیری تبدیل کرده که نهایتاً کمترین عوارض جانبی و واکنش های آلرژیک را بر بار خواهد آورد. این فراورده های دارویی با هوش می توانند خود را در زمان، مکان و در صورت لزوم فعال کنند. آنها حتی قادرند با مکان فعالیت خود و یا حتی از کل بدن بنا به تشخیص در صورت اتمام درمان خداحافظی کنند. این در حالیست که داروهای بیوتکنیکی پس از عملکرد خود در محل باید از طریق فرایندهای طبیعی بدن حذف شوند و طبعاً موجب التهاب و اسکار و مشکلات خواهند شد.
13. کاهش اشتباهات
رونویس های نانومکانیکی طراحی شده بر خلاف سیستم های زنده که به شکل امروزی خود متکامل شده اند، قابلیت شکل گیری، و تغییر و تبدیل داشته و اهداف ما را حتی در یک لحظه غیرزنده مرتفع می سازند. سیستم های طبیعی حتی بعضی جاها به ضرر بدن نیز عمل می کنند، فرضاً بعضی جاها ژنوم های ارگانیسم های حدودی را در خود جا می دهند. در حالیکه سیستم های نانوتکنیکی مصنوعی را می توان علیه این مسئله مقاوم کرد. آنها می توانند ورود DNA خارجی را پس بزنند، تایمرهای تلومرها را آهسته سازند، سیستم های خودکشی سلولی را غیرفعال کنند.
جمع بندی
با نگاهی اجمالی بر مبحث نانوتکنولوژی و Nanomedicine، تعارف آنها، کاربری و مقایسه های مختلف با بیوتکنولوژی، این فن آوری در عرصه های حرکتی بدن (مثلاً در ماهیچه ای، گیرنده های معمولی و ... ) در عرصه بازسازی (در نقل و انتقالات مولکولها، استخوانهای غیربیولوژیکی، رشد و ... ) در عرصه دفاع بدن (شناسایی مولکولهای بیگانه و نیز به عنوان سلولهای سفید نانوتکنولوژیک و ...) در روش های تشخیصی (با دقت و سرعت و قدرت مخابره لحظه به لحظه خود و ... ) در عرصه های دارو درمانی (با ویژگی بسیار عالی و کمترین عوارض جانبی ممکنه و ...) در عرصه جراحی (ریشه کنی میکروسکوپی سلولهای توموری و ظرافت فوق العاده برش حتی در سطح سلولها) نقش خود را ایفا می کند و با برنامه ریزی و کنترلی که می تواند روی این سیستم اعمال کرد، بر کاستی های سیستم طبیعی فائق آمده و سلامتی را در سطح بسیار بالا برای سیستم بیولوژیک به ارمغان می آورند. بکارگیری شگفت انگیز این سیستم در ترمیم بافتهای عصبی و چندین تئوری تخصصی دیگر در زمینه های پیوند اعضاء، حذف بافتهای اسکار مزاحم و مسائل پیچیده ای مثل بیواستاز که همان توقف فونکیون بافتی در یک سیستم بیولوژیک می باشد با نانوتکنولوژی میسر می شود.
در آخر لازم به ذکر است که با وجود همه فواید این فن آوری هنوز راه حل چند سؤال تحت بررسی درست است که این فن آوری تصور و تجسم یک سلامتی فوق العاده را برای انسان ممکن می سازد ولی پاسخگو و درمانگر وضعیت یک فرد میانسال مبتلا به عقب ماندگی ذهنی که با شعور فردی 2 ساله زندگی می کند یا فردی که تومور مغزی اش با عالی ترین دقت میکروسکوپی برداشته شده ولی عوارض خود را روی روان و شخصیت فرد کماکان برجا گذاشته و نیز کیفیت تلف شده عمر افرادیکه زمانی مبتلا بوده اند و هم اکنون فقط جسم آنها را به سلامت کامل برگردانید، نیست.
منابع و مآخذ
www.foresight.com
www.nanomedicine.com
www.nanotechnews.com
www.nanodot.org
www.nanoinvestornews.com
www.nano.org.edu
www.redmi.org
