کاربرد فناوری نانو در حوزه دامپزشکی

توانایی ساخت و دستکاری مواد در مقیاس نانو فرصت‌های جدیدی را به ارمغان آورده است که می‌تواند سلامت حیوانات و میزان تولیدات آن‌ها را متحول سازد. از کاربردهای بالقوّه فناوری نانو در زمینه دامپزشکی می‌توان به شناسایی و ردیابی عوامل بیماری‌زا با نمونه‌گیری از بزاق حیوان، چند روز و حتی چند هفته قبل از شروع علائم بیماری، مدیریت زمان جفت‌گیری دام‌ها، سامانه‌های دارورسانی، واکسن‌سازی، ابزارهای نوین تولیدمثل و تضمین کیفیت محصولات غذایی اشاره کرد. در این مقاله، عملی بودن موضوع معرفی پوسته‌های نانو (nanoshell) و نانولوله‌ها در جهت جستجو و نابود کردن سلول‌های هدف و برخی از زمینه‌های اصلی فناوری نانو که جهان پزشکی از آن‌ها بهره‌مند شده است، شرح داده می‌شود .هدف اصلی آن است که علاقه‌مندی حرفه دامپزشکی در زمینه فناوری نانو را افزایش داده و نگاهی کلی به اهداف مهم بالقوّه مربوط به کاربرد فناوری نانو در زمینه داروهای دامپزشکی داشته باشد.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- ترکیبات دارویی نانو
1-2- نانوامولسیون ها و سازوکار اثر آن‌ها
2-2- کاربرد دندریمرها در دارورسانی
3- واکسن‌ها
4- ابزارهای تشخیص
1-4- کاربرد نقاط کوانتومی در تشخیص
2-4- روش ایمنی‌سنجی با استفاده از فناوری نانو
5- نتیجه‌گیری

1- مقدمه

اصطلاح نانو از یک واژه یونانی نشأت می‌گیرد که به معنی آدم کوتوله است و معمولاً با یک اسم آورده می‌شود تا واژه‌ای مرکب را تشکیل دهد، مانند نانومتر، نانوربات و نانوفناوری. تعریف ساده‌ای که می‌توان برای فناوری نانو بیان کرد، عبارت است از مطالعات مربوط به کنترل ماده در مقیاس اتمی و مولکولی. این فناوری، با ساختارهایی سر‌و‌کار دارد که اندازه آن‌ها حداکثر 100 نانومتر است و ساخت مواد یا تجهیزاتی را در برمی‌گیرد که در مقیاس نانو باشند [1].

فناوری نانو یک فناوری نوین است که در حال توانمند شدن است و این پتانسیل را دارد که سیستم کشاورزی و غذایی ما را دگرگون سازد. امنیت سیستم‌های غذایی، سیستم‌های درمان بیماری‌ها، ابزارهای نوین برای زیست‌شناسی مولکولی و سلولی، مواد جدید برای تشخیص فوتوژن (Photogene) و حفاظت از محیط‌زیست، همگی نمونه‌هایی هستند از پیوندهای مهمی که بین فناوری نانو و علم مهندسی کشاورزی و سیستم‌های غذایی وجود دارد [2].

ساختار مواد نانو را می‌توان در سه گروه مواد خام، مواد دارای ساختار نانو و موادی که با نانولوله‌ها و فولرین‌ها ساخته می‌شوند، بررسی کرد. مواد خام، شامل ذرات نانو و کریستال‌های نانو است که به‌راحتی ساخته شده و جایگزین مواد خام می‌شوند که کارایی کمتری دارند. مواد دارای ساختار نانو، معمولاً اشکال فرآوری‌شده از موادی هستند که شکل و عملکرد ویژه‌ای دارند. نمونه‌هایی از این مواد عبارتند از مواد موسوم به ”نقاط کوانتومی“ و ”پلیمرهای دندریمر (dendrimer)“. نانولوله‌ها و فولرین‌ها می‌توانند موادی را تولید کنند که استحکام آن‌ها 100 برابر قدرت استیل باشد، رسانایی الکتریکی آن‌ها بیشتر باشد و به گونه‌ای ایمن بتوان آن‌ها را در برخی کاربردهای دارویی استفاده کرد [1].

اصطلاح پزشکی نانو (nanomedicine)، به کارگیری دانش نانو برای حفظ و بهبود سلامت در مقیاس مولکولی است و به‌عنوان یک زمینه تخصصی در فناوری نانو، برای ترمیم بدن به کار گرفته می‌شود. پزشکی نانو، مفاهیم شگفت‌انگیزی را برای حرفه دامپزشکی دربر خواهد داشت، چرا که تعریف بیماری را تغییر داده و روش تشخیص و درمان بیماری‌ها را دگرگون خواهد ساخت [2].

2- ترکیبات دارویی نانو

یکی از عرصه‌های دامپزشکی که بیش از همه از پژوهش‌های فناوری نانو بهره‌مند می‌شود، داروسازی است. ساختن مولکول‌های مصنوعی جدید و کنترل ماهرانه آن‌ها می‌تواند ترکیبات درمانی جدیدی را برای درمان بیماری‌های حیوانات خانگی فراهم سازد. به‌عنوان مثال، این ترکیبات جدید از حیوانات در برابر عفونت‌های ویروسی و عفونت‌های ناشی از باکتری محافظت می‌کنند و روند بهبود را شتاب می‌بخشند. همچنین این ترکیبات جدید می‌توانند داروها و ژن‌ها را به سلول‌ها برسانند و کارایی درمان بیماری‌ها را افزایش دهند [3].

سیستم‌های دارورسانی نانو، داروها را به بخش دریافت‌کننده مورد نظر می‌رسانند، بر سرعت جذب داروها یا سایر مواد در بدن، تأثیر می‌گذارند و نیز در توزیع، سوخت‌و‌ساز و دفع آن‌ها مؤثر هستند. البته این سیستم‌ها دچار محدودیت‌های شدیدی هستند چراکه باید با داروی مورد نظر سازگار بوده و قابل جذب در بدن باشند. همچنین در فرایند تولید باید شرایط دقیق مربوط به علم شیمی در نظر گرفته شود تا دارو تنزل درجه داده نشده و همچنان به‌عنوان یک محصول مقرون‌به‌صرفه باشد [3].

یکی از کلاس‌های عمده مربوط به سیستم‌های دارورسانی نانو، موادی هستند که به کمک آن‌ها داروها به صورت کپسول درمی‌آیند تا در خلال گذار در درون بدن، از آن‌ها محافظت شود. هنگامی که مواد کپسول‌گذاری شده به جای آن که از ذرات با  ابعاد میکرو (مولکول های دارویی فعلی) ساخته شوند، از ذرات نانو در اندازه 1 تا 100 نانومتر تولید می‌شوند، داروها با همان حجم، سطح بزرگ‌تری خواهند داشت، اندازه منافذ آن‌ها کوچک‌تر می‌شود، حلالیت آن‌ها بهبود می‌یابد و ویژگی‌های ساختاری متفاوتی خواهند یافت. این ویژگی‌ها هم می‌توانند انتشار دارو را بهبود دهند و هم ویژگی‌های مربوط به تنزل مرتبه را در مواد کپسول‌بندی شده، بهبود بخشند [3].

کلاس دیگری از سیستم‌های دارورسانی نانو، ساختارهای معینی هستند که می‌توان آن‌ها را به یک دارو، یک مولکول یا یک عامل مربوط به تصویربرداری مرتبط کرد و سپس آن‌ها را به درون بدن فرستاد تا توسط سلول‌های مشخصی جذب شده و در هنگام نیاز، مواد خودشان را آزاد کنند. ساختارهای نانو به علت اندازه‌ای که دارند، از این توانایی برخوردار هستند که به سلول‌ها داخل شوند، به گونه‌ای که سلول‌ها معمولاً مواد با اندازه 100 نانومتر را به درون خود راه می‌دهند [3].

1-2- نانوامولسیون ها و سازوکار اثر آن‌ها

یکی از ویژگی‌های بسیار مهم امولسیون نانو آن است که بر روی ساختارهای سلولی ارگانیسم‌های بزرگ‌تر تأثیر نمی‌گذارد. این ویژگی سبب می‌شود که امولسیون برای به‌کارگیری در جانوران و انسان‌ها ایده‌آل باشد. برای مثال روغن سویا به شکل استاندارد آن، کاربردهای پزشکی بسیار اندکی دارد، ولی هنگامی که به صورت امولسیونی با قطرات کمتر از 600 نانومتر در می‌آید، می‌تواند به‌عنوان یک نابود‌کننده بسیار قوی پاتوژن‌ها (ریزاندامگان‌های بیماری‌زا) عمل کند. حالت کُنشیِ این امولسیون نه به‌صورت شیمیایی، بلکه به‌صورت فیزیکی است. هنگامی که قطرات نانوی روغن با غشای باکتری‌ها یا ویروس‌ها تماس پیدا می‌کنند، کشش سطحی قطره‌ها، با غشای میکروب‌ها ادغام شده، آن را به اطراف پرتاب می‌کند و پاتوژن را از بین می‌برد. در‌ حالی‌که امولسیون نانو هنگامی که به‌صورت خارجی اعمال شود، کاملاً ایمن است، ولی متأسفانه دانشمندان کشف کرده‌اند که قطره‌های روغن می‌توانند اریتروسیت‌ها (نوعی گلبول قرمز) و یاخته‌های اسپرم را نیز نابود کنند. به نظر می‌رسد دلیل این موضوع آن باشد که این دو نوع سلول، دچار کمبودِ ساختارهای حمایتی هستند، ساختارهایی که سبب می‌شوند سایر سلول‌ها در برابر اثرات قطره‌های نانو، آسیب‌ناپذیر باشند. این بدان معنا است که امولسیون نانو را نمی‌توان به‌صورت وریدی به کار برد. اگر پژوهش‌های مربوط به امولسیون نانو همچنان نتایج امیدوارکننده‌ای را نشان دهند، ممکن است ما در آینده نزدیک شاهد محصولات ضد باکتری و ضد ویروسی باشیم که بتوان از آن‌ها برای حیوانات و انسان‌ها به‌صورت موضعی استفاده کرد [4].

2-2- کاربرد دندریمرها در دارورسانی

یکی از مهم‌ترین و امیدبخش‌ترین زمینه‌های مربوط به پژوهش‌های پزشکی، دندریمرها هستند. دندریمرها، پلیمرهای مصنوعی هستند که هزار مرتبه کوچک‌تر از سلول‌ها هستند. سه ویژگی بسیار مهم دندریمرها سبب می‌شوند که یک گزینه بسیار عالی برای استفاده به‌عنوان عامل دارورسانی باشند: نخست آن که می‌توانند مولکول‌های یک دارو را در ساختار خودشان نگه دارند و به‌عنوان یک وسیله دارورسانی عمل کنند؛ دوم آن که بسیار آسان می‌توانند وارد سلول‌ها شوند و داروها را درست در محل مورد نظر آزاد کنند؛ سوم و مهم‌تر از همه آن که دندریمرها واکنش سیستم ایمنی را به کار نمی‌اندازند [4].

دندریمرها راه درازی در پیش دارند تا بتوانند در زمینه داروهای دامپزشکی عرضه شوند. در آینده یکی از عمده‌ترین مشارکت‌های آن‌ها، تشخیص، درمان و از بین بردن تومورهای بدخیم خواهد بود که معمولاً بر روی جمعیت سال‌خورده جانوری اثر می‌گذارد؛ چرا که دندریمرها می‌توانند به‌عنوان وسیله‌ای عمل کنند که داروها یا ایزوتوپ‌های رادیواکتیو را مستقیماً به سیستم خون‌رسانی (Microvasculature) تحویل دهند. این ویژگی می‌تواند به‌عنوان یک جایگزین مناسب برای پرتورسانی مستقیم به تومورها، با عوارض جانبی بسیار اندک لحاظ شود [4].

نتایج استفاده از دندریمرها علاوه‌بر سیستم هدف‌گیری تومور و سیستم تحویل دارو، به‌عنوان ابزارهایی برای تصویربرداری MRI و به‌عنوان تکنیک‌هایی برای انتقال ژن نیز به اثبات رسیده است. همچنین نانوکامپوزیت‌هایی بر مبنای دندریمر، به‌عنوان عوامل احتمالی ضدمیکروبی در مقابله با Staphylococcus aureus، Pseudomonas aeruginosa و Escherichia coli مورد مطالعه قرار گرفته‌اند [4].

3- واکسن‌ها

عرصه دیگری که احتمالاً از پژوهش‌های مربوط به فناوری نانو بهره‌مند می‌شود، عرصه تولید واکسن‌ها است. جدیدترین مطالعاتی که انجام شده است، نشان می‌دهند که الیگودئوکسی نوکلئوتیدها و آنتی‌ژن‌ها در ذرات کروی نانوی قابلِ‌تجزیه در محیط‌زیست، می‌توانند به‌عنوان یک روش جایگزین برای ایمن‌سازی به کار روند چرا که نسبت به واکسن‌هایی که با روش‌های متداول تولید می‌شوند، واکنش بهتر سیستم ایمنی را سبب می‌شوند [5].

4- ابزارهای تشخیص

آزمون‌های متداولی برای تشخیص وجود دارد، این تست‌ها معمولاً ساعت‌ها تا روزها به درازا می‌کشند و ممکن است بسیار زودتر از آن که پیش‌بینی می‌شود، منسوخ شوند. فناوری نانو می‌تواند ابزارهای تشخیص ارزان‌تر، سریع‌تر و دقیق‌تری را به بیمارستان‌های دامپزشکی ما به ارمغان بیاورد [6].

1-4- کاربرد نقاط کوانتومی در تشخیص

نقاط کوانتومی (Quantum Dots)، کریستال‌های ظریفی در ابعاد نانو هستند. این ذرات، روش‌های نوینی را میسر می‌سازند که می‌توان از آن‌ها برای آنالیز ژنتیکی، کشف دارو و تشخیص بیماری‌ها بهره‌برداری کرد. امروزه نقاط کوانتومی سبب می‌شوند که شناخت ما از چگونگی عملکرد ژن‌ها، افزایش یابد. دانشمندان بر این باور هستند که در طی دو سه سال آینده، این نقاط، امکان رصد واکنش سلول‌ها را در برابر داروهای معین یا ویروس‌های خاص برای پژوهشگران فراهم خواهند ساخت. برخی از دانشمندان امکان تزریق نقاط کوانتومی به بدن حیوانات را مطرح می‌کنند. هنگامی که نقاط کوانتومی به بدن حیوان تزریق می‌شوند، می‌توانند سلول‌هایی را که به‌طور طبیعی کار نمی‌کنند، شناسایی کنند؛ از طرف دیگر این نقاط در برابر نور واکنش نشان می‌دهند، پس هنگامی که در درون سلول هستند، این موضوع ممکن است بر روی رفتار آن‌ها تأثیر بگذارد. مثلاً نقاط می‌توانند در برابر یک نور فلاش واکنش نشان دهند و آن قدر گرم شوند که سلول‌های سرطانی را نابود کنند [6].

نقاط کوانتومی در مقایسه با مواد رنگی فلوئورسانسی که معمولاً برای ردیابی و دنبال کردن مولکول‌های زیستی به کار می‌روند، مزایای فنی بسیاری دارند. نقاط کوانتومی نه‌تنها به‌مدتی طولانی‌تر باقی می‌مانند، بلکه نسبت به مواد رنگی ارگانیک، روشن‌تر هستند و دیدن آن‌ها آسان‌تر است. این نقاط می‌توانند برای درک ما از گذرگاه‌ها و چگونگی عملکرد داروهای خاص در بدن حیوان، سودمند باشند. نقاط کوانتومی علاوه‌بر آن که در شناسایی و دنبال کردن مولکول‌ها سودمند هستند، نویدبخش آزمون‌هایی با آنالیز سریع‌تر، انعطاف‌پذیرتر و کم‌هزینه‌تر هستند [6].

2-4- روش ایمنی‌سنجی با استفاده از فناوری نانو

فناوری ایمنی‌سنجی (immunoassay) روشی است که طی آن آنتی‌بادی‌ها، آنتی‌ژن‌ها را تشخیص می‌دهند؛ ما در طی یک تست ایمنی‌سنجی روتین آنتی‌ژن خاصی را تحت بررسی قرار می‌دهیم [6].

متأسفانه ما هنوز یک روش ایمنی‌سنجی خونی کامل که سریع و قابل اعتماد باشد، تولید نکرده‌ایم. یکی از دلایل این کاستی آن است که خون بسیار غلیظ‌‌تر و تیره‌تر از آن است که در واکنش‌های شیمیایی محلول مورد تست دخیل شود و این سبب می‌شود که به دست آوردن خوانش‌های دقیق دشوار گردد. در نتیجه، کلینیک‌ها باید خون را تصفیه کنند تا پیش از انجام تست ایمنی‌سنجی، این آلوده‌کننده‌ها برطرف شوند (یک مرحله زمان‌بر که معمولاً یک ساعت یا بیشتر به درازا می‌کشد). پژوهشگران فناوری نانو می‌توانند روشی برای چیرگی بر مشکلات مربوط به ایمنی‌سنجی‌های کامل خون بیابند. آن‌ها، روش جدیدی را برای تست کامل خون ایجاد کرده‌اند که با بهره‌گیری از ذرات شیشه‌ای فعالی است که روکش طلا دارند و معمولاً سلول‌های نانوی طلایی نامیده می‌شوند. چون این سلول‌ها با طلا روکش داده شده‌اند، واکنش سیستم ایمنی را برنمی‌انگیزند، در نتیجه می‌توانند به آنتی‌بادی‌های پوسته‌ای که به سلول‌های خاص تومور چفت می‌شوند، بچسبند. سپس پوسته‌های نانو به بدن جانور آزمایشگاهی تزریق شده و یک منبع نوری روشن می‌شود (مثلاً یک نور لیزر یا فروسرخ) و مشاهده می‌شود که آیا سلول‌های نانو جمع می‌شوند و اگر جمع می‌شوند، این تجمع در کجا است؛ سپس نور خاموش می‌شود. معلوم شده است که پوسته‌های نانو را می‌توان برای نابود کردن تومورها نیز به کار برد، چرا که این پوسته‌ها به‌مانند یک ذره‌بین می‌توانند نوری را که به آن‌ها تابیده می‌شود، متمرکز کنند و گرم شوند، در نتیجه سلول‌های تومور را بدون آن که به پوست یا بافت سالم مجاور آسیب بزنند، از بین ببرند [6].

در حالی‌که نیاز است تا در مورد این مواد نوری نوظهور، مطالعات بیشتری انجام شود، ولی امروزه می‌توانیم بگوییم که پوسته‌های نانو، نقش مهمی را در آینده مراقبت‌های دامپزشکی ایفا خواهند کرد [6].

5- نتیجه‌گیری

برای بهره‌برداری هر چه بهتر از مزایای فناوری نانو در حرفه دامپزشکی، نیاز به آن است که مفاهیم اصلی آن و مشارکت‌هایی که می‌تواند داشته باشد، درک شود. باید در نظر داشت که برخلاف موفقیت‌های اولیه، کاربردهای دامپزشکی فناوری نانو در دروان نخستین خود بوده و موانعی در سر راه بالینی شدن این درمان‌ها وجود دارد. تشویق سازمان‌های تجاری برای آن که محصولات خوب و سودمندی را بر اساس این فناوری‌ها بسازند، می‌تواند در منفعت نهایی حرفه دامپزشکی از این روش، نقشی اساسی داشته باشد. چالش واقعی در مورد داروهای دامپزشکی، درک کردن این فناوری‌ها و نیز به کار بستن آن‌ها در طی روشی است که بیشترین سود را برای سلامت حیوانات در برگیرد. فناوری نانو، قابلیت‌های فناورانه ما را تا میزان زیادی بالا خواهد برد، مراقبت‌های بهداشتی حیوانات خانگی و نیز کیفیت زندگی آن‌ها را بهبود خواهد بخشید، همچنین استاندارد زندگی ما را افزایش داده و توسعه اقتصادی بیشتری را در حرفه دامپزشکی پدید خواهد آورد.