نانوبیوتکنولوژی چیست

مقدمه:

نانوتکنولوژی یک رویکرد علمی نوین است که شامل مواد و تجهیزاتی می‌شود که قادر به دستکاری ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مواد در سطح مولکولی هستند. از سوی دیگر، زیست‌فناوری با بهره‌گیری از دانش و تکنیک‌های زیست‌شناسی، فرآیندهای مولکولی، ژنتیکی و سلولی را جهت توسعه محصولات و خدمات در زمینه‌های متنوع از پزشکی تا کشاورزی دستکاری می‌کند. نانوبیوتکنولوژی به عنوان ادغام منحصربه‌فرد نانوتکنولوژی و زیست‌فناوری در نظر گرفته می‌شود که در آن می‌توان فناوری میکرومقیاس کلاسیک را با رویکرد زیست‌مولکولی در واقعیت ادغام نمود. از طریق این روش، ماشین‌های در مقیاس اتمی یا مولکولی با الگوبرداری یا ترکیب با سیستم‌های زیستی، ساخته شده یا ابزارهای کوچکی برای مطالعه و تنظیم ویژگی‌های مختلف یک سیستم زیستی در سطح مولکولی ایجاد می‌شوند. بنابراین نانوبیوتکنولوژی می‌تواند با ادغام کاربردهای پیشرفته فناوری اطلاعات و نانوتکنولوژی در مسائل زیستی معاصر، مسیرهای بسیاری از علوم زیستی را تسهیل کند. این فناوری پتانسیل از بین بردن مرزهای آشکار بین زیست‌شناسی، فیزیک و شیمی را تا حدی داشته و می‌تواند ایده‌ها و درک فعلی ما را شکل دهد. به همین دلیل، استفاده گسترده از نانوبیوتکنولوژی در گذر زمان، چالش‌ها و مسیرهای جدیدی را در آموزش، پژوهش و تشخیص به‌طور همزمان ایجاد خواهد کرد.

نانوبیوتکنولوژی در یک نگاه:

زیست‌فناوری و نانوتکنولوژی دو مورد از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌های قرن ۲۱ هستند. نانوتکنولوژی (که گاهی نانوتک نامیده می‌شود) به معنای طراحی، توسعه و کاربرد مواد و دستگاه‌هایی است که کوچک‌ترین ساختار عملکردی آن‌ها در مقیاس نانومتر است. به طور کلی، نانوتکنولوژی شامل توسعه مواد، دستگاه‌ها یا ساختارهایی است که حداقل یکی از ابعاد آن‌ها در محدوده ۱ تا ۱۰۰ نانومتر قرار دارد. در مقابل، زیست‌فناوری با فرآیندهای متابولیکی و سایر فرآیندهای فیزیولوژیکی موجودات زنده از جمله میکروارگانیسم‌ها سروکار دارد. ادغام این دو فناوری یعنی نانوبیوتکنولوژی می‌تواند نقش مهمی در توسعه و پیاده‌سازی ابزارهای کاربردی در مطالعه حیات ایفا کند. نانوتکنولوژی بسیار متنوع است و از توسعه فیزیک دستگاه‌های مرسوم تا رویکردهای کاملاً جدید مبتنی بر خودآرایی مولکولی، از توسعه مواد جدید در مقیاس نانو تا بررسی امکان کنترل مستقیم مواد در مقیاس اتمی را شامل می‌شود. این ایده شامل کاربرد رشته‌های علمی متنوعی از جمله علم سطح، شیمی آلی، زیست‌شناسی مولکولی، فیزیک نیمه‌رسانا و میکروساخت است.

مزایای نانوبیوتکنولوژی:

شرایط پاتوفیزیولوژیکی و تغییرات آناتومیکی بافت‌های بیمار یا ملتهب می‌تواند فرصت‌های زیادی برای توسعه محصولات نانوتکنولوژی هدفمند فراهم کند. این توسعه دارای مزایای زیر است:

۱. هدف‌گیری دارویی با استفاده از ویژگی‌های خاص پاتوفیزیولوژیکی بافت‌های بیمار قابل انجام است؛

۲. نانو محصولات می‌توانند در غلظت‌های بالاتری نسبت به داروهای معمولی تجمع پیدا کنند؛

۳. افزایش نفوذپذیری عروقی همراه با تخلیه ضعیف لنفاوی در تومورها باعث بهبود اثر نانوسیستم‌ها در تومورها یا بافت‌های ملتهب از طریق انتقال و نگهداری بهتر می‌شود؛

۴. نانوسیستم‌ها ظرفیت مکان‌یابی انتخابی در بافت‌های ملتهب را دارند؛

۵. نانوذرات می‌توانند برای انتقال مؤثر دارو به مغز و عبور از سد خونی-مغزی استفاده شوند؛

۶. بارگذاری دارو بر روی نانوذرات باعث تغییر در توزیع سلولی و بافتی شده و منجر به تحویل انتخابی ترکیبات زیستی فعال برای افزایش کارایی و کاهش سمیت دارو می‌شود.

کاربردهای نانوبیوتکنولوژی در حوزه پزشکی و بالینی:

تعداد زیادی از کاربردهای بالینی نانوبیوتکنولوژی از جمله تشخیص بیماری، انتقال داروی هدفمند و تصویربرداری مولکولی در حال بررسی دقیق هستند و برخی از محصولات امیدوارکننده در حال حاضر در مراحل کارآزمایی بالینی قرار دارند. این کاربردهای پیشرفته بدون شک در آینده پایه‌های تشخیص، درمان و پیشگیری از بیماری‌ها را متحول خواهند کرد.

(الف) کاربردهای تشخیصی: روش‌های تشخیصی کنونی برای بیشتر بیماری‌ها به بروز علائم ظاهری قبل از تشخیص توسط پزشک وابسته هستند. اما در زمانی که این علائم ظاهر می‌شوند، امکان موفقیت درمان کاهش می‌یابد. بنابراین، هر چه بیماری زودتر تشخیص داده شود، شانس درمان افزایش می‌یابد. بهینه‌ترین حالت آن است که بیماری‌ها قبل از بروز علائم، تشخیص و درمان شوند.

تشخیص اسید نوکلئیک در این روند نقش حیاتی ایفا خواهد کرد زیرا امکان شناسایی پاتوژن‌ها و سلول‌های بیمار را در مراحل اولیه بدون علائم بیماری فراهم می‌کند و امکان درمان مؤثرتر را فراهم می‌سازد. فناوری‌های فعلی مانند PCR به سمت این نوع تست‌ها و دستگاه‌ها حرکت کرده‌اند اما نانوتکنولوژی در حال گسترش گزینه‌های موجود است و این امر منجر به افزایش حساسیت و کارایی بهتر و اقتصادی‌تر خواهد شد.

۱. تشخیص: بسیاری از تست‌های کلینیکی فعلی برای شناسایی حضور یک مولکول یا عامل بیماری‌زا از طریق شناسایی اتصال یک آنتی‌بادی خاص به هدف مرتبط با بیماری انجام می‌شوند. به طور سنتی این تست‌ها با اتصال آنتی‌بادی‌ها به رنگ‌های آلی یا معدنی و مشاهده سیگنال‌ها از طریق میکروسکوپ فلورسنت یا الکترونی انجام می‌شوند. اما رنگ‌ها اغلب دقت و کاربردپذیری این روش‌های تشخیصی را محدود می‌کنند. نانوبیوتکنولوژی با استفاده از نانوکریستال‌های نیمه‌هادی (نقاط کوانتومی) این مشکل را حل کرده است. این پروب‌های کوچک می‌توانند چرخه‌های بیشتری از تحریک و انتشار نور را نسبت به مولکول‌های آلی معمولی که سریع‌تر تجزیه می‌شوند، تحمل کنند.

۲. پروب‌های هدف فردی: با وجود مزایای تشخیص‌های مغناطیسی، تشخیص‌های نوری و رنگ‌سنجی همچنان توسط جامعه پزشکی ترجیح داده می‌شود. شرکت Nanosphere از ایالت ایلینوی آمریکا، فناوری‌هایی توسعه داده است که به پزشکان امکان می‌دهد ترکیب ژنتیکی نمونه‌های زیستی را به صورت نوری شناسایی کنند. ذرات نانوطلای متصل به بخش‌های کوتاه DNA پایه تست‌هایی آسان برای خواندن جهت شناسایی هر توالی ژنتیکی خاص را فراهم می‌کند. اگر توالی مورد نظر در نمونه‌ها موجود باشد، به DNA مکمل  چندین نانوسفر متصل شده و شبکه‌ای متراکم از ذرات طلای قابل مشاهده تشکیل می‌دهد. این فناوری شناسایی ارگانیسم‌های بیماری‌زا را تسهیل کرده و نتایج امیدوارکننده‌ای در شناسایی سیاه‌زخم با حساسیت بسیار بالاتر از تست‌های کنونی نشان داده است.

۳. تراشه‌های پروتئینی: پروتئین‌ها نقش مرکزی در تعیین فنوتیپ زیستی ارگانیسم‌ها در حالت سالم و بیمار دارند و نشانگر عملکرد زیستی هستند. بنابراین، پروتئومیکس در تشخیص بیماری و داروسازی اهمیت دارد، جایی که می‌توان داروها را برای تغییر مسیرهای سیگنال‌دهی توسعه داد. تراشه‌های پروتئینی می‌توانند با گروه‌های شیمیایی یا اجزای پروتئینی کوچک تنظیم شوند تا به طور خاص به پروتئین‌های دارای ساختار یا موتیف بیوشیمیایی خاص متصل شوند. دو شرکت فعال در این حوزه Agilent و NanoInk هستند. Agilent از فناوری چاپگر جوهرافشان غیرتماسی برای تولید میکروآرایه‌ها با چاپ الیگوها و cDNAهای کامل روی اسلایدهای شیشه‌ای در مقیاس نانو استفاده می‌کند. NanoInk از فناوری نانولیتوگرافی قلم-غوطه‌ور (DPN) برای ساخت ساختارها در مقیاس نانو بهره می‌گیرد.

۴. شناسایی سلول‌های پراکنده: سلول‌های پراکنده، سلول‌هایی نادر و از نظر فیزیولوژیکی با سلول‌های اطراف خود متفاوت هستند (مانند سلول‌های سرطانی، لنفوسیت‌ها، سلول‌های جنینی و سلول‌های T آلوده به HIV). این سلول‌ها در شناسایی و تشخیص نقص‌های ژنتیکی مختلف اهمیت زیادی دارند، اما شناسایی و جداسازی آن‌ها دشوار است. نانوبیوتکنولوژی فرصت‌های جدیدی برای پیشرفت در این زمینه فراهم کرده است. دانشمندان نانوسیستم‌هایی توسعه داده‌اند که قادر به جداسازی مؤثر سلول‌های پراکنده از خون و سایر بافت‌ها هستند. این فناوری از ویژگی‌های منحصربه‌فرد سلول‌های پراکنده مانند تفاوت در تغییر شکل، بار سطحی و تمایل به گیرنده‌ها و لیگاندهای خاص استفاده می‌کند. به عنوان مثال با قرار دادن الکترودها در میکروکانال‌ها، سلول‌ها می‌توانند بر اساس بار سطحی به‌طور دقیق جداسازی شوند و با استفاده از سطوح زیست‌سازگار با نانوحفره‌های دقیق نیز این جداسازی انجام می‌شود. مرکز نانوبیوتکنولوژی دانشگاه کورنل (NBTC) در حال حاضر از این فناوری‌ها برای توسعه ابزارهای تشخیصی قدرتمند برای جداسازی و تشخیص بیماری‌های مختلف استفاده می‌کند.

۵. نانوتکنولوژی به عنوان ابزاری در تصویربرداری: تصویربرداری داخل سلولی از طریق برچسب‌گذاری مولکول‌های هدف با نقاط کوانتومی (QDs) یا کروموفورهای مصنوعی مانند پروتئین‌های فلورسنت امکان‌پذیر است که بررسی مستقیم مجموعه‌های سیگنال‌دهی داخل سلولی را از طریق تکنیک‌های اپتیکی مانند میکروسکوپ فلورسنت کانفوکال یا تصویربرداری همبستگی تسهیل می‌کند.

(ب) کاربردهای درمانی: نانوتکنولوژی می‌تواند فرموله‌سازی‌های جدید دارو با عوارض جانبی کمتر و مسیرهای انتقال دارو را فراهم کند.

۱. انتقال دارو: نانوذرات به عنوان عوامل درمانی می‌توانند به محل‌های هدف منتقل شوند، از جمله، مکان‌هایی که داروهای معمولی به راحتی به آن‌ها نمی‌رسند. برای مثال اگر یک عامل درمانی به‌صورت شیمیایی به یک نانوذره متصل شود، می‌تواند از طریق سیگنال‌های رادیویی یا مغناطیسی به محل بیماری یا عفونت هدایت شود. این نانو داروها می‌توانند به‌گونه‌ای طراحی شوند که تنها در حضور مولکول‌های خاص یا هنگام اعمال محرک‌های خارجی (مانند گرمای مادون قرمز) آزاد شوند. به‌طور همزمان، با کاهش دوز مورد نیاز برای درمان، می‌توان از عوارض جانبی داروهای قوی جلوگیری کرد. با کپسوله کردن داروها در مواد در مقیاس نانو (مانند دندریمرهای آلی، کپسول‌های پلیمری توخالی و نانوپوسته‌ها)، فرآیند آزادسازی دارو با دقت بسیار بیشتری کنترل می‌شود. داروها به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که محموله درمانی (اشعه، شیمی‌درمانی یا ژن‌درمانی) را به همراه کاربردهای تصویربرداری حمل کنند. بسیاری از عوامل دارویی که  به‌صورت خوراکی قابل تجویز نیستند، با کمک نانوتکنولوژی قابل استفاده در درمان خواهند بود. فرمولاسیون‌های نانو، محافظت از عوامل حساس به تخریب یا دناتوره شدن در شرایط pH شدید را فراهم کرده و نیمه‌عمر دارو را از طریق افزایش چسبندگی زیستی و ماندگاری فرمول افزایش می‌دهند. یکی دیگر از کاربردهای گسترده نانوتکنولوژی، انتقال آنتی‌ژن‌ها برای واکسیناسیون است. پیشرفت‌های اخیر در کپسوله‌سازی و توسعه مدل‌های حیوانی مناسب نشان داده است که میکروذرات و نانوذرات می‌توانند ایمنی‌زایی را افزایش دهند.

۲. انتقال ژن: سیستم‌های کنونی ژن‌درمانی با مشکلات ذاتی در پردازش و توسعه دارویی و همچنین احتمال بازگشت موتانت مهندسی‌شده به نوع وحشی مواجه هستند. ایمنی‌زایی بالقوه ناقل‌های ویروسی مورد استفاده در انتقال ژن نیز یک مشکل است. برای حل این مسئله، ابزارهای نانوتکنولوژی در ژن‌درمانی انسانی مورد آزمایش قرار گرفته و از ناقل‌های غیر ویروسی مبتنی بر نانوذرات (معمولاً با اندازه ۵۰ تا ۵۰۰ نانومتر) برای انتقال DNA پلاسمیدی استفاده شده است. بنابراین، معرفی موفق حامل‌های ژنی نانومقیاس با ایمنی‌زایی کمتر به عنوان جایگزین ناقل‌های ویروسی، در ترمیم یا جایگزینی ژن‌های معیوب انسان مفید به نظر می‌رسد.

۳. لیپوزوم‌ها: لیپوزوم‌ها که از یک دولایه لیپیدی تشکیل شده‌اند به دلیل توانایی عبور از دولایه‌های لیپیدی و غشاهای سلولی هدف، در ژن‌درمانی قابل استفاده هستند. استفاده اخیر از چندین گروه لیپوزوم در تحویل موضعی بسیار مؤثر بوده است. لیپوزوم‌ها همچنین می‌توانند به دستیابی به درمان هدفمند کمک کنند. Zhang و همکاران بیان کردند که با اتصال لیپوزوم‌های تیمار شده با نانوذرات (مانند پلی‌اتیلن گلیکول) به آنتی‌بادی مونوکلونال برای گزارشگر انسولین انسانی، بیان گسترده گزارشگر در مغز میمون‌های رزوس مشاهده شده است. این آزمایش‌های موفق نشان‌دهنده آینده درمان هدفمند و اهمیت سازه‌های در مقیاس نانو برای پیشرفت پزشکی مولکولی است.

۴. سطوح: در طبیعت، مثال‌های زیادی از تعاملات پیچیده بین مولکول‌ها و سطوح وجود دارد. به عنوان مثال، تعامل بین سلول‌های خونی و مغز یا بین عوامل بیماری‌زای قارچی و محل‌های عفونت وابسته به تعاملات پیچیده بین سلول‌ها و ویژگی‌های سطحی است. نانوساخت، این پیچیدگی‌ها را با اصلاح ویژگی‌های سطحی با دقت در مقیاس نانو برطرف می‌کند که می‌تواند منجر به ایجاد سیستم‌های زیستی هیبریدی شود. این مواد هیبریدی می‌توانند برای غربالگری داروها، به عنوان حسگرها یا به عنوان تجهیزات پزشکی و ایمپلنت‌ها استفاده شوند. شرکت Nanosystems وابسته به شرکت داروسازی Elan در ایرلند، پوشش پلیمری توسعه داده است که قادر به تغییر سطح داروهایی با حلالیت کم در آب است.

۵. مهندسی بیومولکولی: هزینه و زمان لازم برای طراحی سنتی بیومولکول‌ها، دسترسی به مولکول‌های زیست‌فعال را محدود می‌کند. تکنیک‌های مونتاژ و سنتز در مقیاس نانو جایگزینی برای روش‌های سنتی فراهم می‌کنند. به دلیل امکان انجام واکنش‌های شیمیایی و زیستی روی بسترهای جامد به جای فرآیندهای محلولی، بهبودهایی حاصل می‌شود. استفاده از بسترهای جامد معمولاً به معنای کاهش ضایعات و امکان دستکاری دقیق‌تر بیومولکول است. شرکت EngeneOS در ماساچوست پیشرو در حوزه مهندسی بیومولکولی است. این شرکت سیستم‌های عامل ژنومی مهندسی‌شده‌ای توسعه داده است که ماشین‌های بیومولکولی برنامه‌پذیری با استفاده از اجزای طبیعی و مصنوعی ایجاد می‌کنند. این ماشین‌های بیومولکولی طیف گسترده‌ای از کاربردهای تجاری از جمله به عنوان بایوسنسورها، در سنتز و فرآوری شیمیایی، به عنوان دستگاه‌ها و مواد بیوالکترونیک، در نانوتکنولوژی، ژنومیک عملکردی و کشف دارو دارند.

۶. داروسازی زیستی: نانوبیوتکنولوژی می‌تواند داروهایی برای بیماری‌هایی توسعه دهد که داروهای متداول قادر به هدف‌گیری آن‌ها نیستند. صنعت داروسازی به‌طور سنتی بر توسعه داروهایی برای حدود ۵۰۰ هدف بیماری تأیید شده تمرکز دارد، اما تقریباً ۷۰ تا ۸۰ درصد از نامزدهای جدید توسعه دارو با شکست مواجه می‌شوند و این شکست‌ها اغلب در مراحل پایانی توسعه و پس از صرف میلیون‌ها دلار در تحقیق و توسعه مشخص می‌شود. تکنیک‌های نانومقیاس برای توسعه دارو یک فرصت برای شرکت‌های کوچک است که توانایی به‌کارگیری صدها شیمیدان آلی برای سنتز و آزمایش هزاران ترکیب را ندارند. نانوبیوتکنولوژی امکان دستکاری فیزیکی اهداف، مولکول‌ها و اتم‌ها روی بسترهای جامد را با اتصال آن‌ها به بیوممبران‌ها و کنترل زمان و مکان انجام واکنش‌های شیمیایی در یک فرآیند سریع با مصرف مواد کم (واکنشگر و محلول) فراهم می‌کند. این پیشرفت هزینه‌های کشف دارو را کاهش داده، تنوع زیادی از ترکیبات فراهم کرده و توسعه داروهای بسیار اختصاصی را تسهیل می‌کند. شرکت Potentia Pharmaceuticals در کنتاکی آمریکا از جمله شرکت‌هایی است که در مرحله اولیه سعی دارد فرآیند توسعه دارو را با استفاده از نانوتکنولوژی بهینه‌سازی کند.

۷. نانوتکنولوژی در درمان قلبی: نانوتکنولوژی در حال حاضر ابزارهای امیدوارکننده‌ای برای کاربرد در علوم قلب و عروق مدرن فراهم کرده است تا مرزهای موجود در سطح سلولی را بررسی کرده و بیماری‌های قلبی عروقی چالش‌برانگیز را مؤثرتر درمان کند. این ابزارها در تشخیص، تصویربرداری و مهندسی بافت کاربرد دارند. حسگرهای کوچک‌شده نانومقیاس مانند نقاط کوانتومی (QDs)، نانوکریستال‌ها و نانوبارکدها قادر به شناسایی و پایش سیگنال‌های ایمنی پیچیده در پاسخ به رویدادهای قلبی یا التهابی هستند. نانوتکنولوژی همچنین می‌تواند به شناسایی و توصیف مکانیزم‌های خاص و از نظر بالینی مهم در اختلالات قلبی کمک کند. علاوه بر این، در طراحی ماشین‌های در مقیاس اتمی که می‌توانند در سطح مولکولی در سیستم‌های زیستی وارد شوند مفید است. معرفی این نانوماشین‌های طراحی‌شده جدید می‌تواند بسیاری از ایده‌ها و فرضیات درمان بیماری‌های قلبی بحرانی را تغییر دهد. نانوتکنولوژی همچنین می‌تواند تأثیر زیادی در حل مشکلاتی مانند پلاک‌های ناپایدار و پاک‌سازی دریچه‌ها داشته باشد. بنابراین، این رویکرد می‌تواند گامی مهم در دستیابی به درمان دارویی موضعی و پایدار شریانی و قلبی برای مدیریت بیماری‌های قلبی عروقی باشد.

۸. نانوتکنولوژی در مراقبت‌های دندانپزشکی: نانوتکنولوژی در آینده در حوزه دندانپزشکی کاربردهای پزشکی خواهد داشت. نقش نانودندانپزشکی از طریق استفاده از نانومواد، زیست‌فناوری و نانورباتیک، سلامت دهان و دندان را بهبود می‌بخشد. میلیون‌ها فرد که هم‌اکنون از مراقبت‌های ضعیف دندانپزشکی برخوردارند از این پیشرفت چشمگیر در علم سلامت دهان و دندان بهره‌مند خواهند شد. علاوه بر این، تکنیک‌های نانودندانپزشکی در تعمیرات عمده دندان نیز می‌توانند توسعه یابند. نانوربات‌های بازسازی‌کننده دندان می‌توانند در انسداد انتخابی و دقیق لوله‌های خاص دندان در عرض چند دقیقه استفاده شوند که این امر به بازیابی سریع و دائمی کمک می‌کند. مزیت نانودندانپزشکی در نگهداری دندان‌های طبیعی نیز می‌تواند قابل توجه باشد. مواد مصنوعی با پیوند کووالانسی مانند یاقوت ممکن است جایگزین لایه مینای بالایی دندان شده و ظاهر و دوام دندان‌ها را بهبود بخشد.

۹. نانوتکنولوژی در کاربردهای ارتوپدی: نانوموادی با اندازه ۱ تا ۱۰۰ نانومتر می‌توانند به عنوان اجزای جدید و عملکردی استخوان‌ها که از فازهای آلی و معدنی نانومقیاس تشکیل شده‌اند، نقش ایفا کنند. نانومواد، نانوپلیمرها، نانوالیاف‌های کربنی، نانولوله‌ها و نانوکامپوزیت‌های سرامیکی می‌توانند به رسوب کارآمدتر مواد معدنی حاوی کلسیم بر روی ایمپلنت‌ها کمک کنند. بر اساس این شواهد، مواد نانوساختار یک حوزه منحصر به فرد در تحقیقات و توسعه هستند که می‌توانند اتصال ایمپلنت به بافت استخوان اطراف را از طریق بهبود تعاملات سلول‌های استخوانی بهبود بخشیده و در نتیجه اثربخشی ایمپلنت‌های ارتوپدی را افزایش داده و مشکلات مربوط به پذیرش توسط بیمار را به‌طور قابل توجهی کاهش دهند.

چشم‌اندازهای آینده نانوبیوتکنولوژی:

بحث‌های زیادی درباره پیامدهای آینده نانوبیوتکنولوژی وجود دارد. این فناوری می‌تواند توسعه و اجرای انواع مختلفی از مواد و دستگاه‌های جدید را که در حوزه پزشکی، الکترونیک، بیومواد و تولید انرژی مفید هستند، فراهم کند. با این حال، این رویکرد مسائل مشابه سایر فناوری‌های جدید از جمله مشکلات سمیت و تأثیرات زیست‌محیطی نانومواد و تأثیرات احتمالی آن‌ها بر اقتصاد جهانی و همچنین گمانه‌زنی‌هایی درباره سناریوهای فاجعه‌بار مختلف را مطرح می‌کند. این نگرانی‌ها باعث شده است که گروه‌های مدافع و دولت‌ها درباره لزوم تدوین مقررات ویژه برای نانوبیوتکنولوژی بحث کنند.

با وجود برخی اختلاف‌نظرها، این فناوری امیدهای فراوانی برای آینده ایجاد می‌کند. نانوبیوتکنولوژی می‌تواند با ایفای نقشی برجسته در کاربردهای مختلف زیست‌پزشکی از انتقال دارو و ژن‌درمانی گرفته تا تصویربرداری مولکولی، بیومارکرها و بایوسنسورها منجر به نوآوری شود. یکی از این کاربردها که هدف اصلی تحقیقات در زمان حاضر است، درمان دارویی هدفمند و روش‌های تشخیص و درمان زودهنگام بیماری‌ها است. دو نوع از کاربردهای پزشکی در حال حاضر در حال ظهور هستند، هم در تشخیص بالینی و هم در تحقیق و توسعه. کاربردهای تصویربرداری مانند فناوری نقاط کوانتومی در حال حاضر مجوز گرفته‌اند و کاربردهایی برای پایش فعالیت‌های سلولی در بافت‌ها به‌زودی ارائه خواهند شد. نوع دوم از کاربردهای اصلی شامل توسعه روش‌های بسیار خاص و حساس برای شناسایی اسیدهای نوکلئیک و پروتئین‌ها است. پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۱۵ تا ۲۰۲۰ محصولات در حال آزمایش در آزمایشگاه‌های دانشگاهی و دولتی وارد تجاری‌سازی شوند. کاربردهایی مانند جداسازی سلول‌های پراکنده و فیلتراسیون مولکولی باید تا آن زمان وارد بازار شوند. برخی از سیستم‌های انتقال دارو نیز باید تجاری‌سازی شده یا در مراحل پیشرفته کارآزمایی بالینی باشند. به عنوان مثال، سیستم‌های انتقال دارو توسط NanoSystems یا American Pharmaceutical Partners توسعه یافته‌اند که در حال آزمایش کپسوله‌سازی تاکسول، یک داروی ضد سرطان در یک نانوپلیمر به نام پاکلیتاکسل هستند. اکثر دستگاه‌ها و درمان‌های پزشکی حداقل یک دهه یا بیشتر تا رسیدن به بازار فاصله دارند. بنابراین، دستکاری هدف دارویی و همچنین کاشت دستگاه‌ها نیاز به زیرساخت‌های فنی پیچیده مانند نانوتکنولوژی و همچنین مدیریت پیچیده نظارتی دارد. پیشرفت‌های مداوم در نانوداروها فرصت‌های استفاده از آن در حوزه‌های مختلف پزشکی را فراهم کرده است. کاربرد آینده آن به عنوان پزشکی تشخیصی و ترمیمی در حال بررسی است. در تشخیص، شناسایی سلول‌های بیمار سریع‌تر خواهد بود و ممکن است در حد شناسایی یک سلول بیمار باشد، در حالی که امکان درمان فوری سلول‌های بیمار قبل از انتشار و آسیب به سایر قسمت‌های بدن فراهم می‌شود. همچنین، افرادی که از آسیب‌های شدید یا اختلالات عملکرد اندام‌ها رنج می‌برند می‌توانند از استفاده از نانوداروها بهره‌مند شوند.

چالش‌های نانوبیوتکنولوژی:

هیچ فرد یا گروهی به‌تنهایی نمی‌تواند پاسخگوی چالش‌های نانوتکنولوژی باشد. پنج چالش اصلی در این حوزه شامل:

1-توسعه ابزارهایی برای ارزیابی تماس با نانومواد مهندسی‌شده در هوا و آب،

2-توسعه روش‌های قابل‌اجرا برای شناسایی و تعیین سمیت نانومواد مهندسی‌شده در ۵ تا ۱۵ سال آینده،

3-ارائه مدل‌هایی برای پیش‌بینی اثرات این نانومواد بر سلامت انسان و محیط زیست،

4-توسعه سیستم‌هایی برای ارزیابی دقیق تأثیر نانومواد بر سلامت و محیط در طول چرخه عمر و

5-توسعه ابزارهایی برای ارزیابی صحیح خطرات برای سلامت و محیط زیست است.

چالش‌های تجاری‌سازی نانوبیوتکنولوژی شامل عدم قطعیت در اثربخشی نوآوری، مقیاس‌پذیری، تأمین مالی، منابع محدود و نیاز به صبر است. اکثر شرکت‌ها پتانسیل بالای نانوتکنولوژی برای توسعه محصولات جدید و بهبود محصولات موجود را به رسمیت می‌شناسند. نانوتکنولوژی به‌عنوان یک فناوری بالقوه مخرب، سوالات اساسی در مورد لزوم تدوین مقررات جدید ایجاد می‌کند. مقامات جهانی باید خطرات احتمالی و پاسخ نظارتی مناسب برای استفاده گسترده از این فناوری پیشرفته را بررسی کنند.

خطرات احتمالی نانوذرات:

نانوذرات به دلیل ابعاد بسیار کوچک خود، در عین داشتن مزایای خاص، خطراتی مشابه ذرات معلق دارند. این ذرات می‌توانند منجر به بیماری‌های مختلف دستگاه تنفسی، قلبی-عروقی و گوارشی شوند. آزمایش تزریق داخل نای نانولوله‌های کربنی در موش‌ها نشان داده است که این نانولوله‌ها می‌توانند باعث بیماری‌های مختلف ریوی از جمله گرانولوم اپی‌تلوئید، التهاب بینابینی، التهاب اطراف برونش و نکروز ریوی شوند و سمیت نانولوله‌های کربنی بیشتر از کربن بلک و کوارتز گزارش شده است. نشان داده شده است که نانومواد می‌توانند از طریق راه‌های مختلف وارد بدن شوند و تماس تصادفی یا ناخواسته در هنگام تولید یا استفاده از طریق ریه‌ها رخ داده و انتقال سریع به اندام‌های حیاتی از طریق جریان خون امکان‌پذیر است. در سطح سلولی، قابلیت عمل به‌عنوان ناقل ژن برای نانوذرات اثبات شده است. نانوذرات می‌توانند از طریق آکسون‌های مسیر بویایی یا از طریق گردش خون سیستمیک وارد سیستم عصبی مرکزی شوند. مطالعات انجام شده روی میمون‌ها و موش‌ها نشان داده است که نانوذرات کربن و منگنز از طریق مسیر بویایی در پیاز بویایی تجمع می‌یابند. این امر نشان می‌دهد که انتقال دارو از طریق نانوذرات در آینده می‌تواند به‌عنوان یک مسیر جایگزین برای عبور از سد خونی-مغزی استفاده شود، اگرچه این امر می‌تواند منجر به واکنش‌های التهابی در مغز شود که نیاز به ارزیابی دارد. مطالعات Radomski و همکاران نشان داده است که نانولوله‌ها اثرات تجمعی بر پلاکت‌ها در مطالعات آزمایشگاهی داشته و باعث تسریع ترومبوز عروقی در موش‌ها می‌شوند. همچنین مشاهده شده است که فولرن‌ها خاصیت القای تجمع پلاکتی ندارند، بنابراین در طراحی سیستم‌های انتقال دارو مبتنی بر نانوذرات، فولرن‌ها ممکن است رویکرد ایمن‌تری نسبت به نانولوله‌ها باشند. سمیت نانوذرات همچنین می‌تواند به سیستم گوارشی منتقل شده و منجر به بیماری‌های التهابی روده شود. سمیت نانوذرات ممکن است به توانایی آن‌ها در القای آزادسازی واسطه‌های پیش‌التهابی که منجر به پاسخ التهابی و آسیب ارگان‌ها می‌شوند مرتبط باشد. در صورت بلع، نانوذرات می‌توانند وارد گردش خون شده و به اندام‌ها و سیستم‌های مختلف برسند و ممکن است باعث سمیت شوند. این موارد در آزمایشگاه و مدل‌های حیوانی مورد مطالعه قرار گرفته و تعمیم نتایج آن به انسان دشوار است و استفاده از آن‌ها در انسان نیاز به تحقیقات بیشتر و احتیاط فراوان دارد.

نتیجه‌گیری:

نانوبیوتکنولوژی هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد. این حوزه میان‌رشته‌ای در حال نزدیک‌تر کردن علم دستگاه‌های فوق‌العاده کوچک به واقعیت است. اثرات این پیشرفت‌ها در مقطعی آن‌قدر گسترده خواهد شد که احتمالاً تمام زمینه‌های علم و فناوری را تحت تأثیر قرار خواهد داد. نانوبیوتکنولوژی کاربردهای گسترده‌ای در پزشکی ارائه می‌دهد و نوآوری‌هایی مانند سیستم‌های انتقال دارو تنها آغازگر یک تحول جدید هستند. بسیاری از بیماری‌هایی که امروزه درمانی برای آن‌ها وجود ندارد، ممکن است در آینده با استفاده از نانوتکنولوژی درمان شوند. اگرچه انتظارات از نانوبیوتکنولوژی در پزشکی بالا بوده و مزایای بالقوه آن بی‌شمار است، اما ایمنی نانوداروها هنوز به‌طور کامل تعریف نشده است. استفاده از نانوتکنولوژی در درمان‌های پزشکی نیاز به ارزیابی کافی از نظر خطرات و عوامل ایمنی دارد. دانشمندانی که با استفاده از نانوتکنولوژی مخالف هستند نیز معتقدند پیشرفت در این حوزه باید ادامه یابد، زیرا این حوزه مزایای زیادی به همراه دارد، اما باید آزمایش‌هایی انجام شود تا ایمنی مردم تضمین گردد. این امکان وجود دارد که نانوداروها در آینده نقش بسیار مهم و بی‌بدیلی در درمان بیماری‌های انسانی و همچنین بهبود فیزیولوژی طبیعی انسان ایفا کنند. اگر همه چیز به‌خوبی پیش برود، نانوبیوتکنولوژی روزی به بخشی اجتناب‌ناپذیر از زندگی روزمره ما تبدیل شده و به نجات جان بسیاری از انسان‌ها کمک خواهد کرد.

منبع:

Fakruddin, M., Hossain, Z. & Afroz, H. Prospects and applications of nanobiotechnology: a medical perspective. J Nanobiotechnol 10, 31 (2012).

https://doi.org/10.1186/1477-3155-10-31