جایگاه نانوذرات طلا در تشخیص و درمان

سیمین جانی تبار¹، فاطمه اسدی¹ و حجیه بسطامی^2*

¹ تهران، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای، پژوهشکده مواد و سوخت هسته ای

² تهران، دانشگاه فنی و حرفه ای، دانشکده فنی شریعتی

* نویسنده مسئول، پست الکترونیکی: Hbastami@tvu.ac.ir

چکیده

نانوذرات طلای کلوییدی از قرون پیش در برخی کاربردهای پزشکی مورد استفاده قرار گرفته‌ است و استفاده از علوم متنوع در سنتز و ارزیابی نانوذرات طلا بسیار سودمند واقع شده است. امروزه ارسال دارو و نوکلئیک اسید و ... به بافت هدف در بدن، یکی از چشم‌اندازهای روشن استفاده از نانوذرات طلاست. همچنین نانوذرات طلا با دارا بودن ویژگی­های جذب نور، علاوه بر درمان مؤثر بافت‌های سرطانی به شیوه فوتوداینامیک‌تراپی، فوتوترمال‌تراپی و درمان رادیوفرکانس، در تشخیص بسیاری از بیماری­ها نیز سودمند واقع شده‌اند. با توجه به این­که نانوذرات طلا یکی از کاندیدهای نوید­بخش در ارسال هدفمند دارو، نوکلئیک اسید و تعدیل‌کننده فرآیند رگ‌زایی است، روش سنتز، شکل و اندازه آن و همچنین عامل­دار کردن آن می تواند نقش کلیدی در چگونگی هدفمندی و فرآیند اثر آن داشته ‌باشد. ویژگی­های توزیع زیستی و سمیت نانوذرات طلا در بدن و همچنین کارایی آن و پیامدهای ایمونولوژیک ترکیبات حاوی آن به شرایط افزودن عوامل بسیار وابسته است و این مهم مستلزم انجام پژوهش بیشتر و کارآمدتر است. در این مقاله به خلاصه‌ای از پژوهش­های انجام شده بر روی نانوذرات طلا در ارتباط با دانش پزشکی پرداخته می‌شود.

کلیدواژگان: نانوذرات طلا، عامل­دار سازی، درمان‌های سرطان، ایمونوژنسیته نانوذرات طلا

مقدمه

طلا یکی از اولین فلزهای کشف شده در طول تاریخ است که تاکنون مطالعات زیادی بر روی ساختار و کاربردهای آن صورت گرفته است. اولین اطلاعات در رابطه با طلای کلوییدی  در متون چینی، عربی و هندی یافت شده است که به دنبال ارزش دارویی این ماده و استفاده از آن در علوم پزشکی بوده‌اند. همچنین در قرون وسطی در بسیاری از آزمایشگاه­های شیمی در اروپا از طلای کلوییدی  استفاده می‌شده است. پاراسلوس[1] در رابطه با ویژگی‌های تشخیصی و درمانی ماده طلا (gold quintessence, quinta essentia auri) گزارشی را تهیه کرد که بر اساس آن طلا به فرم کلرید را به وسیله عصاره سبزیجات در الکل و یا نفت احیا کرد. او برای درمان تعدادی از بیماری‌های روانی و همچنین سیفلیس از طلای آشامیدنی[2] استفاده کرد. همچنین ژیووانی آندره[3] محقق معاصر پاراسلسوس، از طلای آشامیدنی برای درمان بیماران جذامی، طاعون، بیماری صرع و اسهال استفاده کرد (1). با وجود این پژوهش­ها که بر اساس ویژگی­های اعجاب انگیز درمانی طلا انجام شده است، نقش نانوذرات طلا در نابودی سلول‌های سرطانی، یکی از گسترده‌ترین حوزه‌ها در مبحث درمان به شمار می‌آید. سرطان یک نام عمومی است که به مجموعه بیماری‌های ژنتیکی اطلاق می‌شود که مشخصه آن تقسیم نامحدود و غیر قابل کنترل سلولی و تهاجم است. سرطان اغلب با جهش‌ها و یا دگرگونی در ژن‌های پروتوانکوژن (ژن‌های تنظیم‌کننده چرخه سلولی)، سرکوبگرهای تومور و همچنین ژن‌های ترمیم کننده‌های DNA در طی همانند سازی گسترش می‌یابد. قطع شدن سیگنال‌های پیش برنده آپوپتوز سلولی و بیان بیش از حد پروتئین‌های متعدد تسهیل کننده رشد سلول، مانع فرآیند نابودی سلول‌های سرطانی می‌شود. یکی از عمده‌ترین دلایل تشدید سرطان، اثرات ناشی از عوامل محیطی مانند قرار گرفتن در معرض تشعشعات و آلاینده‌ها می‌باشد اما مهمترین شان سبک زندگی ناسالم مانند نداشتن فعالیت بدنی، رژیم غذایی غیر متعادل، کشیدن سیگار و استرس است. تنها 5 الی 10 درصد سرطان‌ها علت ژنتیکی دارند. براساس گزارش جهانی سازمان سرطان (NCI) 14 میلیون مورد سرطان جدید در سال 2012 اتفاق افتاده است که 2/8 میلیون مورد به مرگ منجر شده است. پیشگویی می‌شود که که تا دو دهه آینده موارد سرطان به 24  میلیون برسد و تقریبا 40 درصد از مردم در طول زندگی خود ممکن است دچار سرطان شوند (2). با در نظر گرفتن همه این عوامل و خطرات، توسعه استراتژی‌های مؤثر پیشگیری و تشخیص به موقع و درمان سرطان به شدت احساس می‌شود. در طی سالهای اخیر، رشد استثنایی در تحقیقات و کاربردهای نانو تکنولوژی و علوم نانو مشاهده شده است که به وسیله آن می‌توان معایب درمانهای قدیمی و کلاسیک سرطان را پشت سر گذاشت. به طور کلی، نانو تکنولوژی به عنوان سیستم‌های مهندسی شده در قالب مولکولی توصیف می‌شود. در حال حاضر دانشمندان می‌توانند با بهره گیری از بسیاری از علوم مانند شیمی، فیزیک و زیست شناسی، ذراتی در اندازه‌های 1 الی 100 نانومتر با ویژگی‌های مشخص طراحی کنند. با داشتن روش های بهینه در سنتز، نانوذرات با ویژگی‌هایی از جمله سمیت کمتر، الگوهای توزیع قابل کنترل و ساز و کار‌های اختصاصی در تعامل با لیگاند مطلوب خود قابل تولیدند.

1- معرفی نانوذرات طلا

طلا (Au) با عدد اتمی 79 یکی از اولین فلزهایی است که هزاران سال پیش کشف شد و جزء عناصر با کم­ترین واکنش‌پذیری به شمار می‌آید. این ماده در خالص‌ترین شکل به صورت درخشان، زرد، متراکم، نرم و رسانا است و در شرایط استاندارد، یک ماده جامد است. از ابتدا، ماده طلا به علت نادر بودن، شکل پذیری آسان، مقاومت در برابر زنگ زدگی و رنگ و جلای منحصر به فردش از ارزش زیادی برخوردار بوده است تا جایی که به سرعت، سمبلی از قدرت و ثروت شد و در صنعت سکه و جواهرات مورد استفاده قرار گرفت (3). کاربردهای طلا و مشتقاتش در پزشکی تاریخچه‌ای طولانی دارد. اولین مقاله در رابطه با نانوذرات طلا در سال 1857 توسط فارادی [4]ارائه شد که در آن رنگ قرمز به ماهیت کلوییدی نانوذرات طلا نسبت داده شده و توضیحاتی در رابطه با تفرق نور آنها بیان شده بود. پنجاه سال بعد ویژگی‌های نانو ذر ات طلا در جذب نور مرئی توسط معادلات الکترومغناطیسی ماکسول[5] بررسی شد (4). در سال 1971 فالک[6] و  تیلور[7] محققان بریتانیایی از روش انقلابی اتصال طلای کلوییدی - آنتی‌بادی برای مشاهده مستقیم آنتی‌ژن‌های سطح سالمونلا با میکروسکوپ الکترونی پرده برداشتند (5). این کشف سرآغاز مطالعات دیگر تا 40 سال بعد شد و در کاربردهای زیست‌پزشکی نانوذرات طلا و شناسایی اختصاصی بیوماکرومولکول‌های متنوع در سطوح عامل‌دار مفید واقع شد. بعدها تحقیقات اغلب بر روی کنترل روش‌های سنتز متمرکز شد که به وسیله آن نانوذرات طلا با شکل و اندازه مشخص حاصل می‌گشت (شکل 1). نانوذرات طلا با داشتن ویژگی‌هایی همچون اثر اندازه کوانتومی، خواص الکتریکی وابسته به اندازه، خواص مغناطیسی و دارا بودن کاربردهایی همچون کاتالیز کردن واکنش‌های شیمیایی، به عنوان یکی از پایدارترین نانوذرات موجود نام برده می‌شوند که در علوم پزشکی و بیولوژی بسیار حائز اهمیت‌اند.

شکل 1- فرآیند تشکیل شکل‌های متفاوت نانوذرات طلا (6).

2- توزیع زیستی، سمیت و عامل­دارسازی نانوذرات طلا

با توجه به کاربردهای بالقوه نانوذرات طلا در تشخیص و درمان سرطان، آنالیز و فهم الگوهای توزیع زیستی و سمیت آنها در بدن، بسیار مهم است تا جایی که این دو پارامتر معیار درستی استفاده از نانوذرات طلا را در این حوزه تعیین می‌کند. با اینکه در رابطه با پاسخ‌های التهابی ناشی از تجمع فلزات در ارگانیسم زنده نگرانی‌هایی وجود دارد اما هنوز بررسی‌‌های کامل در این باره به صورت درون تنی (in-vivo) انجام نشده است و با توجه به اهمیت بالای این آزمایش‌ها، نیاز است که محققان با دقت بررسی‌های لازم را انجام دهند. علاوه بر این، به علت متفاوت بودن دوزهای مورد استفاده نانوذرات در حیوانات و یا در محیط سلولی، مسأله امکان تجمع این نانوذرات در شرایط فیزیولوژیکی دارای داده‌هایی متناقض است (7).

بسیاری از ویژگی‌های نانوذرات طلا متأثر از شکل و اندازه آنها است. یکی از مهمترین پارامترهای مورد استفاده در نانوذرات طلا توزیع زیستی آنهاست که از این قاعده مستثنی نیست و به شدت تحت تأثیر دو عامل شکل و اندازه ذرات قرار دارد. اولین مطالعات بر روی توزیع زیستی طلای کلوییدی  در سال‌های 1970 و 1980 نشان داد که پس از تزریق، غلظت نانوذرات طلا به سرعت در کبد افزایش پیدا می‌کند و سپس با ترشح از صفرا توسط مدفوع خارج می‌شود. بعدها این پدیده توسط فعالیت مهم سلول‌های کوپفر در حذف نانوذرات طلا در کبد توجیه شد. به طور کلی ارگان‌های مربوط به سیستم‌های رتیکولواندوتلیال بیشترین میزان نانوذرات طلا با اندازه 10 الی 100 نانومتر را به سوی خود جذب می‌کنند (7). با کوچکتر شدن اندازه نانوذرات، توزیع یکنواخت آن­ها نیز کمتر می‌شود. هر چه سیستم کبدی- صفراوی عملکرد بهتر و کارآمدتری داشته باشد، از غلظت نانوذرات در خون و مدت زمان حضور آنها در بدن سریع­تر کاسته می‌شود (3). پس از ورود نانوذرات طلا به بدن چه به صورت دهانی و یا تزریق داخل وریدی، آنها به سمت کبد، کلیه‌ها، طحال و ریه‌ها جهت‌گیری می‌کنند و این مسأله به اندازه و شکل ذرات بستگی دارد. همچنانکه ذرات با اندازه کوچکتر در اندام‌های مختلف دارای غلظت بیشتری هستند (7).

همچنین نانوذرات با اندازه کوچکتر به لایه‌های عمقی‌تر پوست نفوذ می‌کنند در حالی‌که نانوذرات با اندازه 100 الی 200 نانومتر بر سطح پوست باقی می‌مانند که کارایی نانوذرات با قطر کوچکتر را اثبات می‌کند. جدا از نانوذرات کروی طلا، چندین مورد گزارش از توزیع و سمیت نانوذرات طلا با شکل‌های مختلف دیگر به خصوص نانومیله‌ها و نانوصدف‌ها وجود دارد. نانوذرات میله‌ای طلا اغلب با استفاده از سورفاکتانت‌های کاتیونی تثبیت‌کننده و شکل دهنده نانوذرات مانند ستریمونیوم بروماید (CTAB) سنتز می‌شوند. این ترکیبات در غلظت‌های بالاتر از 1 میکرو مولار در محیط کشت سلولی موجب سمیت شده‌اند. اما در فرایند سنتز، با شست و شوی زیاد، نانوذرات طلا از مولکول‌های تثبیت‌کننده CTAB قابل پاک سازی هستند و کاهش سمیت مشاهده شده، حاکی از این است که سمیت این سیستم‌ها ناشی از وجود CTAB های آزاد است و خود نانو میله‌ها فاقد اثرات سمی‌اند. هر چند ارزیابی اینکه آیا سمیت نانوذرات طلا از پایداری کم و تجمع آنها به آزاد سازی CTAB ها ناشی می‌شود مشکل به نظر می‌رسد. به همین دلیل برای اصلاح نانومیله‌های طلا پس از سنتز آنها با استفاده از CTAB، از برخی گروه‌های شیمیایی به منظور تبادلات شیمیایی و عامل‌دار کردن سطوح استفاده شد تا ذراتی با پوشش جدید و سمیت کمتر تولید شوند (8). چندین مطالعه که بر روی نانوذرات تثبیت شده با CTAB ها انجام شد، نشان داد که بیشتر آنها در سلول‌های کوپفر کبد تجمع می‌کنند و غلظت‌شان هم با گذشت زمان تغییری نمی‌کند. همچنین در پی تجمع این نانوذرات در ارگان‌های دیگر سرعت پاکسازی بسیار آهسته است. علاوه بر این، نانوذرات میله‌ای طلا در مغز هم می‌توانند دیده شوند که بدان معنی است که نانوذرات میله‌ای با اندازه‌ای نزدیک 20 نانومتر مشابه با نانوذرات کروی طلا می‌توانند بر سد خونی- مغزی غالب شوند. اطلاعات نسبتا کم و متناقضی در رابطه با سمیت نانوصدف‌های (AuNSs) اصلاح نشده وجود دارد. طبق گزارش‌های رسیده برای این نانوذرات در سلول‌های پروستات انسان و سلول‌های سرطانی کبد سمیتی دیده نشده است. اما سمیت وابسته به مقدار دوز برای نانو صدف‌های طلا- مس در غلظت‌های پایین در حین انجام آزمایش روی سلول‌های کلیه میمون آفریقایی دیده شده است. دانش ما هنوز در رابطه با توزیع زیستی نانوذرات طلای صدفی بدون پوشش کامل نیست. برای اشکال دیگر نانوذرات طلا، مانند نانوذرات منشوری و ذرات مکعبی تحقیقاتی محدود به منظور کاربرد آنها در پزشکی در حال انجام است (7). البته برای مقابله با اثرات سمیت ناخواسته نانوذرات طلا فرضیات و تحقیقات جالبی نیز انجام شده است. برای مثال در یکی از این پژوهش­های بسیار جالب، از ساخت ماشین از بین برنده اثرات سمی طلا[8]  در بدن در حین درمان سرطان، مطالبی نقل شده است. روش کار این­گونه بود که پس از گذشتن زمان مناسب برای حضور نانوذره طلا- آنتی‌بادی در خون، خون بیمار سرطانی تحت درمان از دستگاه NDM - دستگاهی شبیه دستگاه دیالیز بیماران کلیوی - گذارنده می‌شود. این دستگاه در هر دو طرف با یک لایه نفوذناپذیر از نانولوله‌ها پوشش داده شده است که نه تنها سطح وسیعی را برای تماس مستقیم با اجزای خون داراست بلکه آنتی‌ژن‌های اختصاصی سلول‌های سرطانی که به اجزای خون متصل هستند را نیز جذب می‌کند (شکل 2) (9). در نهایت هدف این دستگاه گرفتن نانو ذارت طلای آزاد از خون بیمار و جلوگیری از اثرات سمی نا خواسته آن در اندام‌های سالم است.

شکل 2-  طرح ساده‌ای از دستگاه NDM برای حذف نانوذرات آزاد  طلا از جریان خون بیماران سرطانی تحت درمان. (a) بازوی بیمار (b) جریان خون شریانی بیمار که وارد دستگاه می‌شود c. فشارسنج شریانی (d) تزریق هپارین به خون بیمار (e) پمپ خون (f) فشارسنج داخلی دستگاه (g) ستون بی‌حرکت‌کننده (تثبیت کننده) نانو ذارت طلا (h) فشارسنج سیاهرگی (i) شکاف هواگیر از جریان خون (برای از بین بردن جریان هوا در خون) (j) خون فاقد نانو ذارت طلا به بدن بیمار بازمی‌گردد (9).

3- نقش نانوذرات طلا در تشخیص

نانوذرات طلا در شناسایی و تشخیص عوامل زیستی و شیمیایی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. میکروسکوپ‌های الکترونی (عمدتا میکروسکوپ الکترونی انتقالی، TEM[9]) با سابقه‌ای طولانی و با استفاده از ذرات کلوییدی  طلا (به علت چگالی بالای الکترون) برای شناسایی برهمکنش های اختصاصی در سلول‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند. استفاده از ابزارهای با قابلیت تفکیک بالا (میکروسکوپ الکترونی انتقالی با قدرت تفکیک‌پذیری بالا[10]) و سیستم‌های دیجیتالی ثبت‌کننده و پردازش‌کننده تصاویر فقط نمونه‌هایی از کاربردهای پیشرفته تجهیزات میکروسکوپ الکترونی هستند. امروزه طیف‌سنجی الکترونی ایمنی[11] در مطالعات پیشرفته پزشکی- زیستی برای شناسایی عوامل ایجاد کننده بیماری‌های عفونی و آنتی‌ژن‌های سطحی آنها بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد (شکل 3-a). میکروسکوپ کاوشی پویشی (شکل 3-b) ،میکروسکوپ الکترونی پویشی، میکروسکوپ فلوئورسانس نیز بدین منظور بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند (3).

4- نقش نانوذرات طلا در درمان

4-1- فتوداینامیک تراپی با استفاده از نانوذرات طلا

فتوداینامیک‌تراپی (10) روشی است که برای درمان سرطان و یک‌سری بیماری‌های پوستی و عفونی معین به کار برده می‌شود و اساس آن استفاده از نور مرئی با طول موج مشخص و به­کارگیری حسگرهای نوری مانند رنگ‌ها و پورفیرین‌ها است. یک دسته مجزا از داروهای ضد سرطان شامل حسگرهای نوری[12] است که در درمان فتوداینامیک‌تراپی[13]  استفاده می‌شود. این روش درمانی بر مبنای ترکیبات حساس به نور بنا شده است که به منظور ایجاد سمیت برای سلول‌های سرطانی، از نور با طول موج مشخصی استفاده می‌شود.

شکل 3- تصویر TEM از سلول مونوسیتوژن باکتری لیستریا (a). و تصویر AFM از ویروس موزائیک تنباکو نشاندار با نانوذرات طلا کلوییدی  متصل به آنتی‌بادی‌های مربوطه (b).

ایی قبیل عوامل تشخیصی- درمانی[14] مانند رز بنگال یا فتالوسیانین که دارای بخش کروموفور (مولکول‌های حلقوی تتراپیرولیک) هستند به واسطه پرتوافکنی، انرژی آنها به O₂ سلولی منتقل شده و اکسیژن تک ظرفیتی[15] و گونه‌های رادیکال اکسیژن[16] تولید می‌شود که برای ساختارهای سلولی بسیار سمی هستند (11). حسگر نوری به طور عمومی به صورت داخل وریدی به بدن ارگانیسم زنده وارد می‌شود؛ البته به صورت خوراکی نیز می‌توان از آن استفاده کرد. این عوامل فتودینامیک‌تراپی پس از تزریق و یا وارد شدن به بدن، به صورت انتخابی در تومور و یا بافت‌های هدف تجمع می‌کنند. سپس بافت‌های مورد نظر تحت تابش نور لیزر با طول موجی که حسگر نوری جذب ماکزیمم دارد، قرار می‌گیرند. علاوه بر گرمای آزاد شده ناشی از جذب نور که اولین سازوکار فتو داینامیک‌تراپی است، دومین سازوکار نیز از اهمیت زیادی برخوردار است. دومین سازوکار مربوط به تولید اکسیژن تک ظرفیتی و تشکیل رادیکال‌های فعال به مقدار زیاد است که نکروز و آپوپتوز سلول‌های توموری را القا می‌کنند. PDT با بر هم زدن چرخه غذا رسانی به تومور و آسیب زدن به رگ‌های کوچک اطراف تومور، موجب مرگ آنها می‌شود. تنها نقطه تاریک و زیان‌آور در PDT این است که حسگر نوری به مدت طولانی در بدن موجود باقی می‌ماند و در نتیجه بافت‌های بیمار در این مدت همچنان به نور حساس هستند. نانوذرات فلزی، عوامل مؤثر خاموش‌کننده فلوئورسانس هستند (12). هرچند اخیراً نشان داده شده که شدت فلوئورسانس با ذرات پلاسمونی تقویت می‌شود در صورتی که مولکول‌ها در مطلوب‌ترین فاصله از ذرات فلزی قرار داشته باشند و این مسأله از لحاظ نظری برای افزایش کارایی PDT مطرح می‌شود. شماری از کارهای علمی به منظور ارسال دارو از کپسول‌های پلی الکترولیت بر روی نانو ذارت طلا استفاده کرده اند که این کپسول‌ها با تابش نور لیزر متلاشی می‌شوند تا عوامل تشخیصی درمانی به بافت‌های هدف خود ارسال شوند و نانوذرات طلا در نهایت مورد استفاده قرار گیرند. طبق داده‌های به دست آمده، نانوذرات متصل به رنگ‌های فتو داینامیک دارای اثرات ضد میکروبی سینرژتیک[17] می‌باشند. همچنین نانوساختارهای طلا با رزونانس پلاسمونی[18] کاندیدای نوید بخش  برای درمان بیماری‌های سرطانی و ... به شمار می‌آیند (شکل 4). یکی از اولین جنبه‌های القای مرگ سلول با واسطه تشعشعات، رادیولیز در محیط آبی است که موجب تولید رادیکال‌های آزاد و واکنشگرهای اکسیژن (ROS) است که با ترکیبات مختلف سلولی واکنش می‌دهند (3). ROS ها شامل رادیکال‌های سوپر اکسید (O^-₂^•)، هیدروژن پراکسید و رادیکال‌های هیدروکسی ( OH^•) هستند که می‌توانند به طور مستقیم توسط واکنش با مولکول‌های بیولوژیک داخل بدن همچون پروتئین‌ها و نوکلئیک‌اسیدها و یا به طور غیر مستقیم با اعمال استرس اکسیداتیو، مرگ سلول را توسط آپوپتوز سلولی و نکروز القا کنند.

شکل 4- تصویری شماتیک از پلاسمون فتوترمال‌تراپی با ارسال هدفمند نانوذرات طلا به سلول‌های سرطانی، اقتباس شده از (3).

4-2- فتوترمال‌تراپی با استفاده از نانوذرات طلا

به علت ویژگی‌های منحصر به فرد نانوذرات طلا مانند جذب و نشر پرتوهای الکترومغناطیسی، آنها در کاربردهای فتوترمال‌تراپی (PTT) از محبوبیت ویژه‌ای برخوردارند. این استراتژی درمانی از پرتوهای الکترومغناطسی برای تولید گرما به منظور تخریب حرارتی سلول‌های سرطانی استفاده می‌کند. این فرآیند حرارتی، هم به صورت گرمایش موضعی و هم هیپرترمی کل بدن، از قرن 18 برای درمان تومور مورد استفاده قرار گرفته است. این هیپرترمی موضعی و عمومی، موجب نابودی غشای سلولی و دناتوره شدن پروتئین‌ها و در نهایت مرگ سلول می‌شود. متأسفانه در طول این فرآیند سلول‌های سالم هم در معرض آسیب قرار می‌گیرند که اصلی‌ترین اشکال فتوترمال تراپی و مانع بزرگی در کاربردهای بالینی آن است. این مشکل تا حدودی توسط اشعه لیزر که موجب تخریب دقیق و کنترل‌شده بافت‌های سرطانی می‌شود بر طرف شده است (13). اثرگذاری PTT به وسیله به کارگیری ترکیبات در مقیاس نانو که سبب می‌شود مقدار بیشتری از نور به گرما تبدیل شود، چشمگیرتر خواهد بود. بدین منظور عوامل تشخیصی درمانی با استفاده ازمواد نانو مقیاس مختلف همچون نانو کربن‌ها، فلزات واسطه، ترکیبات سولفیدی و اکسیدی و ترکیبات آلی به وفور مورد آزمایش قرار گرفتند. نانوذرات طلا با شکل‌های متنوع دارای جذب بالا در گستره وسیعی از طیف‌های ناحیه UV تا مادون قرمز نزدیک (NIR) هستند. همچنین نانوذرات طلا نسبت به رنگ‌های مرسوم مقاطع جذبی بالایی دارند که موجب می‌شود زمان‌ و شدت کمتری از اشعه لیزر در طول درمان استفاده شود. ناحیه NIR برخلاف ناحیه مرئی به علت داشتن طول موج‌های بلند نور که توانایی نفوذ به درون بافت‌های زنده را دارند بسیار حائز اهمیت است. کاربرد نانوذرات طلا در فوتوترمال تراپی با توجه به اندازه، شکل و ساختار آنها تعیین می‌شود که به شدت جنبه‌های مختلف فوتوترمال‌تراپی را تحت تأثیر خود قرار می‌دهد. به همین جهت نانومیله‌های طلا برای استفاده پیشرفته در فوتوترمال تراپی مناسب به نظر می‌رسند زیرا امکان تغییر طول و پهنای آنها وجود دارد بنابراین؛ امکان تغییر در باندهای جذب و نشر از ناحیه مرئی به مادون قرمز وجود دارد. مسأله‌ای که مهم است گرمای سریع نانوذرات طلا است که موجب تشکیل حباب‌های بخار می‌شود که علاوه بر سوراخ کردن سلول با تابش نور مرئی و یا مادون قرمز نزدیک به سلول موجب آسیب و یا مرگ سلول می‌شود. ظرفیت تشکیل حباب‌های بخار با تجمع نانوذرات افزایش می‌یابد (7). اولین مطالعه که در آن از نانوذرات طلا برای اهداف فتوترمال‌تراپی استفاده شده بود توسط هیرش[19] و همکاران در سال 2003 انجام شد. آنها از نانوصدف‌های طلای کامپوزیت شده با سیلیکای اصلاح شده با PEG که در محدوده 820 نانومتر دارای یک پیک جذبی بود استفاده کردند. با انکوباسیون سلول‌های اپیتلیالی سرطان پستان انسانی (BR-3) با ترکیبات سنتزی ذکر شده و سپس پرتو افکنی به آنها، تخریب سلول‌های سرطانی افزایش پیدا کرد. در مقابل، سلول‌های تیمار نشده با این ترکیبات نیز در همین شرایط قرار گرفتند، اما از نظر زیستی تغییری در آنها دیده نشد. علاوه بر آن، مطالعات in vivo نشان داد که تومورهای جامدی که در معرض نانوذرات صدفی طلا و دوزهای پایین پرتو مادون قرمز نزدیک قرار گرفتند، دمای قابل ملاحظه‌ای را تولید کردند که به موجب آن قابلیت آسیب به بافت تومور، به طور برگشت‌ناپذیری بالا رفت (14). در همین گونه مطالعات و در سرطان کولون مدل‌های زنوگرافت موشی، حذف کامل تومور در اثر تیمار با نانو صدف‌های طلا/ سیلیکای پوشیده شده با PEG و سپس تابش دهی به آن، حاصل گشت (7). شکل 5 نمونه‌ای از درمان فوتوترمال تراپی برای موش سرطانی را نشان می‌دهد که توسط نانو لوله‌های طلا و اشعه لیزر اعمال شده است.

شکل 5- فتوترمال‌تراپی در موش دارای تومور، 2-3 هفته پس از تزریق سلول‌های سرطانی MDA-MB-435 انسانی به پهلوهای موش (a) تصویر شماتیک (b) تاباندن اشعه لیزر به مدت 5 دقیقه، 72 ساعت بعد از تیمار موش با نانوذرات طلای اصلاح شده با پلی اتیلن گلیکول (c) تاباندن اشعه لیزر به موش تیمار شده با بافر سالین (d) موش تیمار شده با نانوذرات طلا اصلاح شده با PEG بدون تاباندن اشعه لیزر (e) موش تیمار شده با بافر سالین بدون تاباندن اشعه لیزر (3).

همانطور که در شکل 5-b مشاهده می‌شود تزریق نانولوله‌های طلای اصلاح شده با PEG و تاباندن اشعه لیزر به مدت 5 دقیقه پس از گذشت 72 ساعت از تزریق، موجب از بین رفتن تومور شده است (3).

چرخه سلولی، یکی از مهم­ترین جنبه‌های تعیین‌کننده حساسیت سلول‌ها به پرتو است. در حالی که سلول‌ها در اواخر فاز G₂ و میتوز به پرتو خیلی حساس هستند در اواخر فاز S در برابر پرتوها مقاومت زیادی نشان می‌دهند. با فعال شدن چک پوینت‌های چرخه سلولی، سلول‌ها با تأخیر بیشتری فازهای G₁، S و G₂ را می‌گذرانند که این موجب فعال شدن پاسخ سلول‌ها در برابر آسیب به DNA ناشی از پرتو IR است که با ممانعت و یا آهسته‌تر کردن پیشروی چرخه سلول، محتوای ژنگانی (genomic) خود را در آسیب‌های ناشی از پرتو با موفقیت حفظ می‌کنند و یا در صورت تعمیر ناموفق DNA فرآیند مرگ سلول فعال می‌شود. نانوذرات طلا با دارا بودن خصوصیات فیزیکوشیمیایی متنوع، موجب نابودی چرخه سلولی می‌شوند (15).

همچنین نابودی سلول‌های سرطانی، توسط فرکانس رادیویی از دیگر روش‌های از بین بردن تومور با کمترین ریسک و تهاجم برای بیمار می‌باشد. به دلیل قابلیت نانوذرات طلا در جذب اشعه X با قرار گرفتن در سلول‌های توموری، وقتی در میدان رادیو فرکانس خارجی قرار می‌گیرند، به عنوان مولکول‌های هدف برای افزایش تولید گرما به کار می‌روند که به این ترتیب نابودی سلول‌های سرطانی را موجب می‌شوند.

4-3- نقش نانوذرات طلا در درمان رادیو فرکانس[20]

ریشه‌کنی رادیو فرکانس (RFA) یکی از روش­های درمان سرطان با کمترین تهاجم است که از طریق تولید گرما با تغییرات ملایم جریان فرکانس موجب تخریب بافت‌های توموری می‌شود. در طول فرآیند RFA پروب‌های شبه سوزنی به داخل بافت توموری الحاق می‌شوند و با افزایش دما در نهایت موجب تخریب بافت توموری می‌شوند (شکل 6). RFA به­ویژه برای درمان تومورهای اولیه و همچنین متاستاتیک با اندازه کوچک در ریه‌ها، کبد و کلیه‌ها سودمند است. برای درمان سرطان پانکراس و مجرای صفراوی نیز از این روش درمانی استفاده می‌شود.

شکل 6- (a) موبیلیزاسیون کوچر و درمان RFA برای تومور ابتدای پانکراس. (b) RFA با الکترودهای دسته‌ای برای تومور پانکراس (7).

درمان رادیو فرکانس با حداقل تهاجم، بدون برش پوست و اجرای آسانتر در مقایسه با عمل جراحی به عنوان یک روش سودمند مطرح است. این روش نسبتا امن است و برای بیماران در سراسر طول درمان، کمترین ریسک را دارد زیرا به طور مستقیم ماهیچه های قلبی و اعصاب را تحریک نمی‌کند و بنابراین بدون داروی بیهوشی انجام می‌شود. امکان انجام این روش چند باره، (برای درمان سرطان‌های بازگشت پذیر و یا تومورهایی که حذف شان مشکل است و یا انجام عمل جراحی برای آن ممکن نیست) وجود دارد. از محدودیت کاربرد RFA به الزام و اهمیت تعیین سوزن صحیح و اندازه تومور و محل آن، ناکافی بودن تخریب بافت‌های توموری (40% - 5%) و اختصاصی بودن[21] ناکافی می‌توان اشاره کرد. بنابراین روشهای غیر مهاجم و دقیق برای گرمایش موضعی القایی رادیو فرکانس مورد نیاز است. به دلیل قابلیت نانوذرات طلا در جذب اشعه X، با قرار گرفتن در سلول‌های توموری، وقتی در میدان رادیو فرکانس خارجی قرار می‌گیرند، به عنوان مولکول‌های هدف برای افزایش تولید گرما به کار می‌روند. نور مرئی و مادون قرمز نزدیک دارای قابلیت القای رزونانس پلاسمونی سطحی در نانوذرات طلا می‌باشند که تحریک‌کننده گرمایش فتو ترمال با مکانیسم‌های ذکر شده می‌باشد. اگر چه در مورد تابش دهی رادیو فرکانس، مکانیسم گرمایش افزایش یافته به وسیله نانوذرات به درستی مشخص نشده است، تا کنون سه حالت برای آن در نظر گرفته شده است: گرمایش استنتاجی، گرمایش مغناطیسی و گرمایش الکتروفورتیک. هر مکانیسم به شدت به فرکانس پرتو مورد استفاده بستگی دارد، همچنانکه اندازه و شکل نانوذرات طلا در آن بسیار مهم است (7). در درمان‌های سرطان بر مبنای رادیو فرکانسی، نانوذرات کروی بیشتر مطالعه شده‌اند. این نانوذرات برای چندین محیط کشت سلول‌های انسانی مورد آزمایش قرار گرفته‌اند. پس از قرارگیری در میدان رادیو فرکانس، میزان مرگ سلول‌ها افزایش یافت که ناشی از تخریب ساختارهای داخل سلولی القا شده توسط گرما بود. علاوه برآن افزایش قابل توجه دما و آسیب ناشی از آن در مدل‌های رت تیمار شده با نانوذرات طلا و قرار گرفتن در معرض میدان RF با قدرت W 35 این نتایج را اثبات کرد (16). به منظور ارسال هدفمند نانوذرات طلا، آنها به ستوکسیمب[22] که یک آنتی‌بادی اختصاصی برای رسپتور EGF (EGFR) است متصل شده تا نابودی رادیو فرکانسی در هر دو محیط برون تنی و درون تنی ارزیابی گردد (شکل6). نتایج نشان داد که نانوذرات طلا به سرعت وارد سلول‌های سرطانی بیان‌کننده رسپتور فاکتور رشد اپیدرمی شده و پس از قرار گرفتن در معرض RF، در نهایت مرگ سلولی القا شده در اثر گرما به طور کامل مشاهده شد. در مقابل، سلول‌هایی که بیان‌کننده رسپتور فاکتور رشد نبودند، تخریبی در آنها مشاهده نشد (17). این نتایج توسط مدل‌های مورد آزمایش به صورت درون تنی نیز اثبات شد. تومور زنوگرافت پانکراس در موش های مبتلایی که با نانوذرات متصل به آنتی‌بادی ستوکسیمب تیمار شده بودند، در معرض میدان رادیو فرکانس قرار گرفتند و سپس اندازه تومور، میزان نکروز در آنها و سطح کاسپاز3 تقسیم‌شده، ارزیابی گردید. بافت‌های توموری زنوگرافت به طور قابل ملاحظه‌ای پس از قرار گرفتن درمعرض میدان رادیو فرکانس، تخریب شده بودند بدون اینکه به بافت‌های سالم آسیبی برسد. همچنین افزایش سطح کاسپاز 3 تقسیم شده و نکروز در موش‌های تیمار شده مشاهده شد (18).

4-4- نقش نانوذرات طلا در ارسال دارو

به طور کلی داروهای ضد سرطانی، بر اساس مرحله‌ای خاص از چرخه‌ی سلولی (نابودی سلول‌های در حال تکثیر، اغلب در طول مرحله‌ای خاص از چرخه سلولی) و یا غیر اختصاصی برای چرخه سلولی (با داشتن اثر برابر بر روی سلول‌های سرطانی و نرمال صرف نظر از مرحله رشد یا میزان تقسیم) طبقه‌بندی می‌شوند. این داروها شامل عوامل آلکیله‌کننده، فلزات سنگین (موجب ایجاد کراس-لینک در پایه DNA که مانع همانندسازی DNA و القای آپوپتوز می‌شود)، آنتی‌متابولیت‌ها، آنتی‌بیوتیک‌های سایتوتوکسیک و مهارکننده‌های آنزیم توپوایزومراز می‌باشند (19).

5- ویژگی‌های ایمونولوژیک نانوذرات طلا

از سال 1920 محققان برای پی بردن به ویژگی‌های ایمونولوژیک فلزات کلوییدی  (به خصوص طلا) علاقه زیادی نشان دادند. خصوصیات ایمونولوژیک طلا احتمالا مربوط به ایمونوژنسیته ناشی از خصوصیات فیزیکوشیمیایی (غیر اختصاصی) بود که توسط آقای بودت[23] مطرح شد که ادعا داشت خصوصیت ایمونوژنیک و آنتی‌ژنیک عمدتا بر اساس خصوصیات فیزیکوشیمیایی ترکیبات و در درجه نخست به حالت کلوئیدی  آنها وابسته است. زیلبر[24] هم پس از تلاش فراوان موفق به آگلوتینه کردن (هم‌چسبی، اتصال آنتی‌بادی به آنتی‌ژن نامحلول و تشکیل رسوب و یا لخته) سرم با استفاده از طلای کلوئیدی شد (20). علاوه بر آن تعدادی از تحقیقات نشان داده‌اند که آنتی‌ژن‌های سخت به همراه فلزات کلوئیدی  تولید آنتی‌بادی در بدن را تحریک می‌کنند. همچنین تعدادی از هاپتن‌ها با اتصال به ذرات کلوییدی  قادر به تحریک تولید آنتی‌بادی هستند. در یکی از بهترین مطالعات انجام شده، اطلاعات مفیدی از اثر طلای کلوییدی  بر پاسخ ایمنی غیر اختصاصی به دست آمده است. به خصوص که 2 ساعت پس از تزریق 5 میلی‌لیتر از طلای کلوئیدی به صورت داخل سیاهرگی به خرگوش، محتوای لوکوسیتی در 1 میلی‌لیتر خون به میزان قابل توجهی افزایش یافت (از 9900 به 19800). در مقابل فرم‌های تک‌هسته‌ای دارای کاهش ناچیز (از 5200 به 4900) و فرم‌های چند هسته‌ای دارای افزایش قابل توجهی (از 4700 به 14900) بودند. باید توجه داشت که این نتایج پس از تزریق فلزات کلوئیدی  دیگر مشاهده نشدند. به ‌هرحال با توسعه ایمونولوژی و نفی برخی از ابعاد تئوری بوردت، علایق محققان به ویژگی‌های ایمونولوژیک کلوئیدها، کاهش خواهد یافت. هرچند تحقیقات در مورد تقویت پاسخ ایمنی به وسیله آنتی‌ژن‌های جذب شده به ذرات کلوییدی  با طراحی ادجوانت‌های[25] مختلف (ترکیبات مؤثر در افزایش ایمونوژنسیته ایمونوژن‌های ضعیف) ادامه دارد. امروزه اثبات شده است که ساخت آنتی‌بادی توسط عواملی مانند پروتئین‌ها، پلی‌ساکاریدها و پلیمرهای سنتزی معین با ساختارهای گسترده و ایمونوژنسیته بالا، افزایش می‌یابد. در مقابل بخش بزرگی از ترکیبات فعال بیولوژیک (ویتامین‌ها، هورمون‌ها، آنتی‌بیوتیک‌ها، مسکن‌ها و ...) با وزن مولکولی پایین، فقط قادر به تحریک ضعیف پاسخ ایمنی هستند. برای غلبه بر این محدودیت با روش‌های استانداردی که برای تولید آنتی‌بادی در محیط in-vivo استفاده می‌شود، عواملی مانند هاپتن‌ها به طور شیمیایی به حامل‌هایی با وزن مولکولی بالا (غالبا پروتئین‌ها) متصل می‌شوند که امکان تولید آنتی‌سرم‌های اختصاصی را فراهم می‌کنند. هرچند چنین آنتی‌سرم‌هایی غالبا دارای آنتی‌بادی‌هایی در برابر ساختارهای آنتی‌ژنیک حامل‌ها هستند (3). در سال 1986 مطالعه‌ای توسط محققان ژاپنی (21) انجام شد که داده‌های موفقیت‌آمیزی از تولید آنتی‌بادی در برابر گلوتامیک اسید با استفاده از ذرات کلوییدی  طلا به عنوان حامل منتشر شد. تحقیقات دیگری با همین روش متعاقبا انجام شد که برای تولید آنتی‌بادی برای هاپتن‌ها و آنتی‌ژن‌های سخت: مانند آمینواسیدها، فاکتور فعال‌کننده پلاکت، کواینولینیک اسید، بیوتین، پپتیدهای نوترکیب، لیزوفسفاتید اسید، اندواستاتین، پپتیدهای کپسید ویروس‌های هپاتیت B و C، آنفلونزا، پپتیدهای a- آمینه، اکتین، آنتی‌بیوتیک‌ها، آزوبنزن، پپتیدهای- AB، آنتی‌ژن‌های سطحی یرسینیا، ویروس‌های مسری گوارشی (اسهال و استفراغ) و توبرکولین این روش به کار گرفته شد (23,22).

6- نتیجه‌گیری

نانوذرات طلا به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد، به عنوان یکی از محبوب‌ترین ترکیبات در کاربردهای پزشکی به خصوص در درمان‌های ضد سرطانی مطرح شده‌اند. بسیاری از روش‌های سنتز نانوذرات طلا به ما این امکان را می‌دهند که آنها را با معماری و مشخصات دلخواه به دست آوریم. علاوه بر آن قابلیت آنها در عامل‌دار شدن و اصلاح سطح، دسترس پذیری زیستی و خصوصیات ایمونولوژیک موجه آنها، از دیگر دلایل استفاده آنها در حوزه پزشکی است. با استفاده از حامل‌هایی مانند نانوذرات طلا می‌توان خصوصیت آنتی‌ژنیک آنتی‌ژن‌های ضعیف را افزایش داد تا با  تحریک سیستم ایمنی در بدن پاسخ ایمنی ایجاد شود. ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی فراوان و متنوع نانوذرات طلا، آنها را از نانوذرات دیگر مجزا کرده است و به خصوص در ارسال دارو، تعدیل و تنظیم فرآیند آنژیوژنز و به عنوان عوامل نابود کننده بافت توموری در شرایط القای گرما می‌توان به آنها امیدوار بود. نابودی تومور با استفاده از نانوذرات طلا فقط محدود به یک روش نیست و علاوه بر فوتوترمال‌تراپی، فوتوداینامیک‌تراپی و نابودی با فرکانس رادیویی روش‌های متنوعی برای بسط تحقیقات وجود دارد. هرچند هنوز گزارش‌های دقیقی از ساز و کار عمل نانوذرات طلا در این حوزه وجود ندارد و تحقیقات بیشتری باید انجام شود که ناشی از تفاوت در مدل‌های in-vivo و in-vitro، تفاوت در پروسه آزمایش و دوزهای اعمال شده و شیوه سنتز می‌باشد. تجمع احتمالی نانوذرات طلا و تشخیص مشکل آن بدون استفاده از نشاندارسازی، موانع متعددی را در تفسیر نتایج آزمایشگاهی ایجاد می‌کند. به خصوص ترکیباتی که برای پوشش‌دهی و عاملدار کردن نانوذرات طلا استفاده می‌شوند به دلیل اثرات جانبی احتمالی و یا ایجاد سمیت در ارگانیسم‌های زنده باید به طور کامل آزمایش شوند. ارزیابی سازگاری زیستی نانو  ذرات طلا نه فقط از لحاظ سمیت بلکه در فرآیندهای داخل سلولی بسیار حائز اهمیت است. در حال حاضر این مسأله پذیرفته شده است که ترکیبات متصل به نانوذرات طلا از عوامل نشاندار عالی برای حل مشکلات در تصویربرداری هستند که با استفاده از تکنولوژی‌های نوری متنوع شامل میکروسکوپ زمینه تاریک با تفرق رزونانسی، میکروسکوپ لیزری کانفوکال، توموگرافی نوری کوهرن و... می‌توانند اجرا شوند. ارسال هدفمند دارو، DNA، آنتی‌ژن‌ها و... چشم‌اندازهایی هستند که محققان بسیار به نقش نانوذرات طلا در آن امیداوارند.

[1] Giovanni Andrea

[2] potable gold

[3] Giovanni Andrea

[4] Giovanni Andrea

[5] Giovanni Andrea

[6] Faulk  

[7] Taylor

[8] NDM, Nanogold detoxifying machine

[9] Transmission electron microscopy

[10] HRTEM

[11] immune electron spectroscopy

[12] Photosensitizers

[13] PDT

[14] Therapeutics

[15] Singlet oxygen

[16] ROS

[17] synergic

[18] ,PPTT Plasmonicphotothermal therapy

[19] Hirch

[20] Radiofrequency ablation

[21]- Selectivity

[22]- Cetuximab

[23] Bordet

[24] Zilber

[25] Adjuvant