أجسام صغيرة ستُحدث فارقًا كبيرًا: ماذا تعرف عن الجسيمات النانوية؟

Bioinformatics and ROS for Robot Arm Specialization Courses
| Phi Science
أنوار البكار
أنوار البكار
April 21, 2022

كان تطوير العقاقير اللازمة لإنقاذ البشر من الأوبئة والأمراض الهم الشاغل للإنسان في الألفي عامٍ الأخيرةِ، حيث الحاجة الملحة لعلاج كل ما جد من الأمراض المرتبطة بالعدوى البكتيرية والفايروسية والالتهابات وغيرها من الأمراض الفتاكة. [1]

ورغم التطور الواسع الذي جرى في مجال الصناعة الدوائية، إلا أنه لُوحظ بعض المعضلات التي سدت الطريق أمام تحصيل الصيغة الدوائية المناسبة، مثل: خطورة بعض الآثار الجانبية على الجسم، وعدم جدوى بعض الأدوية إلا مختبريًا. [1]

لذلك فقد ظهرت الجسيمات فائقة الصغر (Nanoparticles) أو الجسيمات النانوية؛ [2]وهي جسيمات في مقياس النانو، وبالتحديد أقل من 100 نانومتر،[4]، وتتنوع الجسيمات النانوية من جسيماتٍ قائمةٍ على الكربون أو قائمةٍ على المعادن وغيرها. [5]

تعطي الجسيمات فائقة الصغر أملًا جديدًا لتطوير جدوى بعض الأدوية، إذ تلعب دورًا في زيادة فعالية تقنية (إيصال الأدوية الموجه) واحدةً من التقنيات الواعدة لتوجيه إيصال الدواء إلى المنطقة المستهدفة بالعلاج. [2]

خصائص الجسيمات النانوية المستخدمة في تقنية إيصال الأدوية الموجه

إن ما يميز الجسيمات النانوية عن الأدوية التقليدية، هو محدودية الأدوية التقليدية فيما يخص التركيب، إذ أنها لا تكون بصيغتها المثالية وذلك للحفاظ على فاعلية المادة الفعالة ومنعها من التفكك، بينما تتمتع الجسيمات النانوية بكفاءةٍ عالية في إيصال الأدوية نظرًا لحجمها الصغير ومساحة سطحها الواسعة. [2]

إن المعضلة الأكبر في استخدام الأجسام النانوية هي تعرضها للترشيح من قبل الجهاز اللمفاوي، الذي يلتقط الأجسام الغريبة ويدفع الخلايا المبلمة لابتلاعها، أثناء محاولتها إيصال الأدوية، لذا وجب تصنيع جسيمات تقنيات النانو لتجنب ذلك وفقًا للمعايير التالية: [2]

حجم الجسيمات:

يلعب حجم الجسيمات النانوية دورًا مهمًا في تحديد قدرتها على إيصال الأدوية إلى الخلايا المستهدفة، كما ويعزز عبورها إلى أصعب المناطق التي تعجز بعض الأدوية التقليدية عن الوصول إليها كما في الدماغ، وتحديدًا الحاجز الدموي الدماغي. [2]

توصل بحثٌ نشر عام 1997 في مجلة Nature protocols إلى أن الجسيمات النانوية بحجم 100 نانومتر أفضل امتصاصًا بضعفين ونصف مقارنةً بالجسيمات بقطر 1 ميكروميتر، وأيضًا أفضل امتصاصًا بما نسبته ست مرات من الجسيمات بقطر 10 ميكروميتر. [2]

يجب مراعاة مساحة السطح إلى نسبة الحجم عند تصنيع الجسيمات النانوية، والتي تصبح أكبر عندما يصغر حجم الجسيم، وإعارة اهتمامٍ أكبر لأصغر حجمٍ من الممكن أن يلاحظه الجهاز اللمفاوي، وقت تبيّن بعد الأخذ بالعوامل المؤثرة أن الجسيمات النانوية بحجم 100 نانومتر هي الأمثل. [2]

blood nano robot with camera claws needle blood cell inside closeup vessel 3d rendering
أجسام صغيرة ستُحدث فارقًا كبيرًا: ماذا تعرف عن الجسيمات النانوية؟ خصائص الجسيمات النانوية المستخدمة في تقنية إيصال الأدوية الموجه

خصائص السطح:

لخصائص السطح دورٌ لا يقل أهمية عن حجم الجسيم، وتأتي أهمية هذا العامل في منع التكتلات على سطح الجسيم، وضمان استقرارها، وأيضًا في ربط الدواء. [2]

يُهيئ سطح الجسيم النانوي عبر إزالة النظم النانوية؛ التي تجعله قابلاً للرصد من قبل الجهاز اللمفاوي، إضافةً إلى طلائه بالبوليمرات المشتركة مثل البولي إيثيلين جلايكول أو المواد الحافظة للتوتر السطحي؛ والتي تعمل على جعله محباً للماء، وذلك لأن فرصة إزالة الجسيمات شديدة الكراهية للماء عبر الجهاز اللمفاوي أكبر لارتباطها بمكونات الدم، وتُطلى أيضاً بالشحنات السطحية لمنع التكتلات على سطح الجسيم. [2]

تحميل الدواء وتحريره:

لحجم وخصائص الجسيمات النانوية أهميةٌ في فاعلية تقنية إيصال الدواء الموجه، ولكنها رهنٌ بتحرير الدواء من مصفوفة الجسيمات النانوية، يعتمد تحرير الدواء من الجسيمات على الكثير من العوامل يعد أبرزها: درجة الحموضة والحرارة، وقابلية الذوبان، وانتشار الدواء، وتآكل مصفوفة الجسيمات النانوية. [2]

تعتمد طريقة تحرير الدواء على نظام تحضير المصفوفة النانوية، فإما أن يتم تحضيرها عن طريق الكبسولات النانوية؛ وهي نظامٌ غير متجانس، يستخدم بوليمر كخزانٍ لنقل الدواء، أو عبر الكرات النانوية؛ وهو نظامٌ متجانسٌ، [2] عبارة عن مجموعةٍ من المصفوفات الكروية مضغوطةٌ في كتلةٍ صلبة، ويتوزع على سطحها الدواء. [3]

يتم تحرير الدواء من الكبسولات النانوية عن طريق الانتشار عبر البوليمر عند وصوله إلى الخلايا المستهدفة، لذلك يظهر إلزامية من التفاعلات بين البوليمر والمادة الدوائية لكي تحول دون تشكّل معقداتٍ تمنع انتشار الدواء، أما فيما يخص الكرات النانوية، فيتم إطلاقها عن طريق انفجار سريع بسبب تآكل المصفوفة. [2]

كيف تعمل الجسيمات النانوية على إيصال الأدوية الموجه؟

يعتمد العلاج على استهداف خلايا معينة، تخترق الجسيمات النانوية المحملة بالدواء الأنسجة، إما عبر الانتقال النشط أو السلبي، ويبقى أن تتعرف هذه الجسيمات على الخلايا المستهدفة وترتبط بها، لتقليل ضرر الأنسجة السليمة، ويتم طلاء الجسيمات بجزيئاتٍ صغيرة مثل الأجسام المضادة أو الببتيدات لتكوّن روابط مع الخلايا المستهدفة. [2]

nanobots
أجسام صغيرة ستُحدث فارقًا كبيرًا: ماذا تعرف عن الجسيمات النانوية؟ كيف تعمل الجسيمات النانوية على إيصال الأدوية الموجه؟

تطبيقات على استخدام الأجسام النانوية في إيصال الأدوية الموجه

استهداف الخلايا السرطانية

توصل الأجسام النانوية الأدوية إلى الخلايا المستهدفة عبر السعي لإنشاء روابط مع بعض البروتينات السكرية أو الفيتامينات التي تسجل ارتفاعًا ملحوظًا في حالات الإصابة بالسرطان، مثل استهداف الترانسفيرين؛ وهو بروتينٌ سكري يعمل على نقل الحديد في الدم، وتسجل مستقبلات الترانسفيرين ارتباطًا مفرطًا مع الترانسفيرين في معظم حالات السرطان، ولذلك تُستخدم الرابطة بين الترانسفيرين والجسيمات النانوية لإيصال الأدوية بشكلٍ دقيق إلى الخلايا المستهدفة. [6]

والأمر ينطبق تمامًا على حمض الفوليك؛ وهو نوعٌ من الفيتامينات التي تعد ضروريةً في تكوين النيوكليتيدات، ويتم استخدام الرابط بين حمض الفوليك والجسيمات النانوية لاستهداف الخلايا السرطانية، وذلك لأن 40% من السرطانات البشرية سجلت ارتباطًا أعلى من المعدل الطبيعي بين حمض الفوليك ومستقبلاته في الخلايا السرطانية. [6]

لا ينحصر استخدام الجسيمات النانوية على إيصال الأدوية للقضاء على الخلايا السرطانية، بل تقوم بتعزيز فاعلية العلاج بمنع انتشار الخلايا السرطانية، باستهداف الخلايا الوعائية في بطانة الورم، وتلعب الجسيمات النانوية أيضًا دورًا في العلاج المناعي للسرطان، عبر تنشيط الاستجابة المناعية ضد الأورام. [6]

الفحوصات التشخيصية

لم يُطبق هذا الخيار سريريًا بعد، ولكنه اكتشافٌ مستقبليٌّ واعد، إذ أن الخيارات التقليدية مثل استخدام العلامات المشعة للفحوصات التشخيصية تحمل الكثير من المعوقات، مثل: تضاؤل العلامة المشعة بعد الاستخدام الفردي، وخطورة التعرض للنزف عند استخدام الصبغة المشعة بكثرة. [2]

يتم الاستعاضة عن الصبغات المشعة التقليدية بالجسيمات النانوية المشعة، حيث يتم استخدامها للفحص التشخيصي أو مراقبة الاستجابة المناعية، وتتميز هذه التقنية بما يسمى النقطة النانوية؛ إذ ترتبط بجزيئاتٍ معينة وبصبغةٍ مميزة لفتراتٍ طويلة تكفي لرصد العديد من الأحداث البيولوجية. [2]

علاج الإيدز

تستخدم الجسيمات النانوية لإيصال الأدوية الموجه في مقاومة تدهور حالة المصابين بنقص المناعة المكتسب (الإيدز)، وذلك من خلال إيصال الأدوية المحدد والمستدام، وهي قادرةٌ أيضاً على الوصول إلى الغشاء الطلائي المخاطي كجزءٍ من منظومة إيصال الأدوية المضادة للفيروسات القهقرية. [2]

الخاتمة

فُتح أمامنا بابٌ واسعٌ من الخيارات العلاجية بقيادة الجسيمات النانوية، ينبئ بعصرٍ جديد خالٍ من المضاعفات الدوائية، وأكثر دقة وفعالية علاجية، يسمح هذا المجال الجديد لنا بإطلاق العنان لتوقعاتنا الإيجابية، فهل ستكون جزءًا من هذا المجال؟

أنوار البكار

فنية مختبر طبي وكاتبة في عدة مجالات.

أجسام صغيرة ستُحدث فارقًا كبيرًا: ماذا تعرف عن الجسيمات النانوية؟

My story with Phi
Bioinformatics and ROS for Robot Arm Specialization Courses
| Phi Science
أنوار البكار
21 أبريل 2022

كان تطوير العقاقير اللازمة لإنقاذ البشر من الأوبئة والأمراض الهم الشاغل للإنسان في الألفي عامٍ الأخيرةِ، حيث الحاجة الملحة لعلاج كل ما جد من الأمراض المرتبطة بالعدوى البكتيرية والفايروسية والالتهابات وغيرها من الأمراض الفتاكة. [1]

ورغم التطور الواسع الذي جرى في مجال الصناعة الدوائية، إلا أنه لُوحظ بعض المعضلات التي سدت الطريق أمام تحصيل الصيغة الدوائية المناسبة، مثل: خطورة بعض الآثار الجانبية على الجسم، وعدم جدوى بعض الأدوية إلا مختبريًا. [1]

لذلك فقد ظهرت الجسيمات فائقة الصغر (Nanoparticles) أو الجسيمات النانوية؛ [2]وهي جسيمات في مقياس النانو، وبالتحديد أقل من 100 نانومتر،[4]، وتتنوع الجسيمات النانوية من جسيماتٍ قائمةٍ على الكربون أو قائمةٍ على المعادن وغيرها. [5]

تعطي الجسيمات فائقة الصغر أملًا جديدًا لتطوير جدوى بعض الأدوية، إذ تلعب دورًا في زيادة فعالية تقنية (إيصال الأدوية الموجه) واحدةً من التقنيات الواعدة لتوجيه إيصال الدواء إلى المنطقة المستهدفة بالعلاج. [2]

خصائص الجسيمات النانوية المستخدمة في تقنية إيصال الأدوية الموجه

إن ما يميز الجسيمات النانوية عن الأدوية التقليدية، هو محدودية الأدوية التقليدية فيما يخص التركيب، إذ أنها لا تكون بصيغتها المثالية وذلك للحفاظ على فاعلية المادة الفعالة ومنعها من التفكك، بينما تتمتع الجسيمات النانوية بكفاءةٍ عالية في إيصال الأدوية نظرًا لحجمها الصغير ومساحة سطحها الواسعة. [2]

إن المعضلة الأكبر في استخدام الأجسام النانوية هي تعرضها للترشيح من قبل الجهاز اللمفاوي، الذي يلتقط الأجسام الغريبة ويدفع الخلايا المبلمة لابتلاعها، أثناء محاولتها إيصال الأدوية، لذا وجب تصنيع جسيمات تقنيات النانو لتجنب ذلك وفقًا للمعايير التالية: [2]

حجم الجسيمات:

يلعب حجم الجسيمات النانوية دورًا مهمًا في تحديد قدرتها على إيصال الأدوية إلى الخلايا المستهدفة، كما ويعزز عبورها إلى أصعب المناطق التي تعجز بعض الأدوية التقليدية عن الوصول إليها كما في الدماغ، وتحديدًا الحاجز الدموي الدماغي. [2]

توصل بحثٌ نشر عام 1997 في مجلة Nature protocols إلى أن الجسيمات النانوية بحجم 100 نانومتر أفضل امتصاصًا بضعفين ونصف مقارنةً بالجسيمات بقطر 1 ميكروميتر، وأيضًا أفضل امتصاصًا بما نسبته ست مرات من الجسيمات بقطر 10 ميكروميتر. [2]

يجب مراعاة مساحة السطح إلى نسبة الحجم عند تصنيع الجسيمات النانوية، والتي تصبح أكبر عندما يصغر حجم الجسيم، وإعارة اهتمامٍ أكبر لأصغر حجمٍ من الممكن أن يلاحظه الجهاز اللمفاوي، وقت تبيّن بعد الأخذ بالعوامل المؤثرة أن الجسيمات النانوية بحجم 100 نانومتر هي الأمثل. [2]

blood nano robot with camera claws needle blood cell inside closeup vessel 3d rendering
أجسام صغيرة ستُحدث فارقًا كبيرًا: ماذا تعرف عن الجسيمات النانوية؟ خصائص الجسيمات النانوية المستخدمة في تقنية إيصال الأدوية الموجه

خصائص السطح:

لخصائص السطح دورٌ لا يقل أهمية عن حجم الجسيم، وتأتي أهمية هذا العامل في منع التكتلات على سطح الجسيم، وضمان استقرارها، وأيضًا في ربط الدواء. [2]

يُهيئ سطح الجسيم النانوي عبر إزالة النظم النانوية؛ التي تجعله قابلاً للرصد من قبل الجهاز اللمفاوي، إضافةً إلى طلائه بالبوليمرات المشتركة مثل البولي إيثيلين جلايكول أو المواد الحافظة للتوتر السطحي؛ والتي تعمل على جعله محباً للماء، وذلك لأن فرصة إزالة الجسيمات شديدة الكراهية للماء عبر الجهاز اللمفاوي أكبر لارتباطها بمكونات الدم، وتُطلى أيضاً بالشحنات السطحية لمنع التكتلات على سطح الجسيم. [2]

تحميل الدواء وتحريره:

لحجم وخصائص الجسيمات النانوية أهميةٌ في فاعلية تقنية إيصال الدواء الموجه، ولكنها رهنٌ بتحرير الدواء من مصفوفة الجسيمات النانوية، يعتمد تحرير الدواء من الجسيمات على الكثير من العوامل يعد أبرزها: درجة الحموضة والحرارة، وقابلية الذوبان، وانتشار الدواء، وتآكل مصفوفة الجسيمات النانوية. [2]

تعتمد طريقة تحرير الدواء على نظام تحضير المصفوفة النانوية، فإما أن يتم تحضيرها عن طريق الكبسولات النانوية؛ وهي نظامٌ غير متجانس، يستخدم بوليمر كخزانٍ لنقل الدواء، أو عبر الكرات النانوية؛ وهو نظامٌ متجانسٌ، [2] عبارة عن مجموعةٍ من المصفوفات الكروية مضغوطةٌ في كتلةٍ صلبة، ويتوزع على سطحها الدواء. [3]

يتم تحرير الدواء من الكبسولات النانوية عن طريق الانتشار عبر البوليمر عند وصوله إلى الخلايا المستهدفة، لذلك يظهر إلزامية من التفاعلات بين البوليمر والمادة الدوائية لكي تحول دون تشكّل معقداتٍ تمنع انتشار الدواء، أما فيما يخص الكرات النانوية، فيتم إطلاقها عن طريق انفجار سريع بسبب تآكل المصفوفة. [2]

كيف تعمل الجسيمات النانوية على إيصال الأدوية الموجه؟

يعتمد العلاج على استهداف خلايا معينة، تخترق الجسيمات النانوية المحملة بالدواء الأنسجة، إما عبر الانتقال النشط أو السلبي، ويبقى أن تتعرف هذه الجسيمات على الخلايا المستهدفة وترتبط بها، لتقليل ضرر الأنسجة السليمة، ويتم طلاء الجسيمات بجزيئاتٍ صغيرة مثل الأجسام المضادة أو الببتيدات لتكوّن روابط مع الخلايا المستهدفة. [2]

nanobots
أجسام صغيرة ستُحدث فارقًا كبيرًا: ماذا تعرف عن الجسيمات النانوية؟ كيف تعمل الجسيمات النانوية على إيصال الأدوية الموجه؟

تطبيقات على استخدام الأجسام النانوية في إيصال الأدوية الموجه

استهداف الخلايا السرطانية

توصل الأجسام النانوية الأدوية إلى الخلايا المستهدفة عبر السعي لإنشاء روابط مع بعض البروتينات السكرية أو الفيتامينات التي تسجل ارتفاعًا ملحوظًا في حالات الإصابة بالسرطان، مثل استهداف الترانسفيرين؛ وهو بروتينٌ سكري يعمل على نقل الحديد في الدم، وتسجل مستقبلات الترانسفيرين ارتباطًا مفرطًا مع الترانسفيرين في معظم حالات السرطان، ولذلك تُستخدم الرابطة بين الترانسفيرين والجسيمات النانوية لإيصال الأدوية بشكلٍ دقيق إلى الخلايا المستهدفة. [6]

والأمر ينطبق تمامًا على حمض الفوليك؛ وهو نوعٌ من الفيتامينات التي تعد ضروريةً في تكوين النيوكليتيدات، ويتم استخدام الرابط بين حمض الفوليك والجسيمات النانوية لاستهداف الخلايا السرطانية، وذلك لأن 40% من السرطانات البشرية سجلت ارتباطًا أعلى من المعدل الطبيعي بين حمض الفوليك ومستقبلاته في الخلايا السرطانية. [6]

لا ينحصر استخدام الجسيمات النانوية على إيصال الأدوية للقضاء على الخلايا السرطانية، بل تقوم بتعزيز فاعلية العلاج بمنع انتشار الخلايا السرطانية، باستهداف الخلايا الوعائية في بطانة الورم، وتلعب الجسيمات النانوية أيضًا دورًا في العلاج المناعي للسرطان، عبر تنشيط الاستجابة المناعية ضد الأورام. [6]

الفحوصات التشخيصية

لم يُطبق هذا الخيار سريريًا بعد، ولكنه اكتشافٌ مستقبليٌّ واعد، إذ أن الخيارات التقليدية مثل استخدام العلامات المشعة للفحوصات التشخيصية تحمل الكثير من المعوقات، مثل: تضاؤل العلامة المشعة بعد الاستخدام الفردي، وخطورة التعرض للنزف عند استخدام الصبغة المشعة بكثرة. [2]

يتم الاستعاضة عن الصبغات المشعة التقليدية بالجسيمات النانوية المشعة، حيث يتم استخدامها للفحص التشخيصي أو مراقبة الاستجابة المناعية، وتتميز هذه التقنية بما يسمى النقطة النانوية؛ إذ ترتبط بجزيئاتٍ معينة وبصبغةٍ مميزة لفتراتٍ طويلة تكفي لرصد العديد من الأحداث البيولوجية. [2]

علاج الإيدز

تستخدم الجسيمات النانوية لإيصال الأدوية الموجه في مقاومة تدهور حالة المصابين بنقص المناعة المكتسب (الإيدز)، وذلك من خلال إيصال الأدوية المحدد والمستدام، وهي قادرةٌ أيضاً على الوصول إلى الغشاء الطلائي المخاطي كجزءٍ من منظومة إيصال الأدوية المضادة للفيروسات القهقرية. [2]

الخاتمة

فُتح أمامنا بابٌ واسعٌ من الخيارات العلاجية بقيادة الجسيمات النانوية، ينبئ بعصرٍ جديد خالٍ من المضاعفات الدوائية، وأكثر دقة وفعالية علاجية، يسمح هذا المجال الجديد لنا بإطلاق العنان لتوقعاتنا الإيجابية، فهل ستكون جزءًا من هذا المجال؟

Bana-img

أنوار البكار

فنية مختبر طبي وكاتبة في عدة مجالات.