مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

كاربردنانوتكنولوژيدرپزشكي

يك باكتري مغناطيسي مي توانددرامتداد ميدان مغناطيسي زمين قرار گيردو مطابق با آن بالا يا پايين برود تا مقصد مورد نظرش را پيدا كند.

درسال 1966 فيلمي تخيلي با عنوان «سفردرياييشگفت انگيز» اهالي سينما را به ديدن نمايشي جسورانه ازكاربردنانوتكنولوژيدرپزشكيميهمان كرد. گروهياز پزشكان جسور و زيردريايي پيشرفته شان با شيوه اي اسرارآميز بهقدري كوچك شدند كه مي توانستنددرجريان خون بيمار سيركنند و لخته خوني رادرمغزش از بين ببرند كه زندگي او را تهديد ميكرد. با گذشت 36 سال از آن زمان، براي ساختن وسايل پيچيده حتيدرمقياس هاي كوچك تر گام هاي بلندي برداشته شده است. اين امر باعث شده برخي افرادباور كنند كه چنين دخالت هاييدرپزشكيامكان پذير است وروبات هاي بسيار ريز قادرخواهند بوددررگ هاي هر كسيسفر كنند.

همه جانداران از سلول هاي ريزي تشكيل شده اند كه خود آنها نيز ازواحدهاي ساختماني كوچك تردرحد نانومتر (يك ميلياردم متر) نظيرپروتئين ها، ليپيدها و اسيدهاي نوكلئيك تشكيل شده اند. از اين رو، شايد بتوان گفتكهنانوتكنولوژيبه نحويدرعرصه هاي مختلف زيست شناسيحضور دارد. اما اصطلاح قراردادي «نانوتكنولوژي» به طور معمول برايتركيبات مصنوعي استفاده مي شود كه از نيمه رساناها، فلزات، پلاستيك ها يا شيشهساخته شده اند. نانوتكنولوژياز ساختارهايي غيرآلي بهره مي گيرد كه ازبلورهاي بسيار ريزيدرحد نانومتر تشكيل شده اند وكاربردهاي وسيعيدرزمينه تحقيقاتپزشكي،رساندن داروها به سلول ها، تشخيص بيماري ها و شايد همدرمان آنها پيداكرده اند.

دربرخي محافل نگراني هاي شديديدرمورد جنبه منفي اين فناوري به وجود آمده است؛ آيا اين نانوماشين ها نمي توانند ازكنترل خارج شده و كل جهان زنده را نابود كنند؟

با وجود اين به نظر مي رسدفوايد اين فناوري بيش از آن چيزي باشد كه تصور مي رود. براي مثال، مي توان با بهرهگيري ازنانوتكنولوژيوسايل آزمايشگاهي جديدي ساخت و از آنهادركشف داروهاي جديد و تشخيص ژن هاي فعال تحت شرايط گوناگوندرسلول ها، استفاده كرد. به علاوه، نانوابزارها مي تواننددرتشخيص سريع بيماري ها و نقص هاي ژنتيكينقشايفاكنند.

طبيعت نمونه زيبايي از سودمندي بلورهاي غيرآلي رادردنياي جانداران ارائه مي كند. باكتري هاي مغناطيسي، جانداراني هستند كه تحت تاثيرميدان مغناطيسي زمين قرار مي گيرند. اين باكتري ها فقطدرعمق خاصي ازآب يا گل ولاي كف آن رشد مي كنند. اكسيژندربالاي اين عمق بيش از حدمورد نياز ودرپايين آن بيش از حد كم است. باكتري اي كه از اين سطحخارج مي شود بايد توانايي شنا كردن و برگشت به اين سطح را داشته باشد. از اين رو،اين باكتري ها مانند بسياري از خويشاوندان خود براي جابه جا شدن از يك دم شلاقمانند استفاده مي كنند. درون اين باكتري ها زنجيره اي با حدود 20 بلورمغناطيسي وجود دارد كه هر كدام بين 35 تا 120 نانومتر قطر دارند. اين بلورهادرمجموع يك قطب نماي كوچك را تشكيل مي دهند. يك باكتري مغناطيسي ميتوانددرامتداد ميدان مغناطيسي زمين قرار گيرد و مطابق با آن بالا ياپايين برود تا مقصد مورد نظرش را پيدا كند.

اين قطب نما اعجاز مهندسي طبيعتدرمقياس نانو است. اندازه بلورها نيز مهم است. هر چه ذره مغناطيسيبزرگ تر باشد، خاصيت مغناطيسي اش مدت بيشتري حفظ مي شود. اما اگر اين ذره بيش از حدبزرگ شود خود به خود به دو بخش مغناطيسي مجزا تقسيم مي شود كه خاصيت مغناطيسي آنهادرجهت عكس يكديگرند. چنين بلوري خاصيت مغناطيسي كمي دارد و نمي تواندعقربه كارآمدي براي قطب نما باشد. باكتري هاي مغناطيسي قطب نماهاي خود را فقط ازبلورهايي با اندازه مناسب مي سازند تا از آنها براي بقاي خود استفاده كنند. جالباست كه وقتي انسان براي ذخيره اطلاعات روي ديسك سخت محيط هايي را طراحي مي كنددقيقاً از اين راهكار باكتري ها پيروي مي كند و از بلورهاي مغناطيسيدرحد نانو و با اندازه اي مناسب استفاده مي كند تا هم پايدار باشند وهم كارآمد.

محققاندرتلاش هستند تا از ذرات مغناطيسيدرمقياس نانو براي تشخيص عوامل بيماري زا استفاده كنند. روش اينمحققان نيز مانند بسياري از مهارت هايي كه امروزه به كار مي رود به آنتي بادي هايمناسبي نياز دارد كه به اين عوامل متصل مي شوند. ذرات مغناطيسي مانند برچسب بهمولكول هاي آنتي بادي متصل مي شوند. اگردريك نمونه، عامل بيماري زايخاصي مانند ويروس مولد ايدز مد نظر باشد، آنتي بادي هاي ويژه اين ويروس كه خود بهذرات مغناطيسي متصل هستند به آنها مي چسبند. براي جدا كردن آنتي بادي هاي متصلنشده، نمونه را شست وشو مي دهند. اگر ويروس ايدزدرنمونه وجود داشتهباشد، ذرات مغناطيسي آنتي بادي هاي متصل شده به ويروس، ميدان هاي مغناطيسي توليد ميكنند كه توسط دستگاه حساسي تشخيص داده مي شود. حساسيت اين مهارت آزمايشگاهي از روشهاي استاندارد موجود بهتر است و به زودي اصلاحات پيش بيني شده، حساسيت را تا چند صدبرابر تقويت خواهد كرد.

دنياي پيشرفته الكترونيك پر از مواد پخش كننده نوراست. براي نمونه هر CDخوان، CD را با استفاده از نوري مي خواند كه از يك ديود ليزريمي آيد. اين ديود از يك نيمه رساناي غيرآلي ساخته شده است. هر تصوير، قسمت كوچكي ازيك CD به اندازه يك مولكول پروتئين (درحد نانومتر) را مي كند. درنتيجه اين عمل يك نانو بلور نيمه رسانا يا به اصطلاح تجاري يك «نقطه كوانتومي» ايجاد مي شود.

فيزيكداناني كه براي اولين باردردهه 1960 نقاط كوانتومي را مطالعه مي كردند معتقد بودند كه ايننقاطدرساخت وسايل الكترونيكي جديد و وسايل ديد استفاده خواهند شد. تعداد انگشت شماري از اين محققان ابراز مي كردند كه از اين يافته ها مي توان برايتشخيص بيماري يا كشف داروهاي جديد كمك گرفت و هيچ كدام از آنان حتيدرخواب هم نمي ديدند كه اولينكاربردهاي نقاط كوانتوميدرزيست شناسي وپزشكيباشد.

نقاط كوانتومي قابليت هاي زياديدارند ودرموارد مختلفي مورد استفاده قرار مي گيرند. يكي ازكاربردهاي اين نقاط نيمه رسانادرتشخيص تركيبات ژنتيكينمونه هاي زيستي است. اخيراً برخي محققان روش مبتكرانه اي را به كار بردند تا وجوديك توالي ژنتيكي خاص رادريك نمونه تشخيص دهند. آناندرطرح خود از ذرات طلاي 13 نانومتري استفاده كردند كه با DNA (ماده ژنتيكي) تزئين شدهبود. اين محققاندرروش ابتكاري خود از دو دسته ذره طلا استفادهكردند. يك دسته، حامل DNA بود كه به نصف توالي هدف متصل مي شد و DNA متصل به دستهديگر به نصف ديگر آن متصل مي شد. DNA هدفي كه توالي آن كامل باشد به راحتي به هر دونوع ذره متصل مي شود و به اين ترتيب دو ذره به يكديگر مربوط مي شوند. از آنجا كه بههر ذره چندين DNA متصل است، ذرات حامل DNA هدف مي توانند چندين ذره را به يكديگربچسبانند. وقتي اين ذرات طلا تجمع مي يابند خصوصياتي كه باعث تشخيص آنها مي شود بهمقدار چشم گيري تغيير مي كند و رنگ نمونه از قرمز به آبي تبديل مي شود. چون كهنتيجه اين آزمايش بدون هيچ وسيله اي قابل مشاهده است مي توان آن را براي آزمايش DNA درخانه نيز به كار برد.

هيچ بحثي ازنانوتكنولوژيبدون توجه به يكي از ظريف ترين وسايلدرعلوم امروزي يعني ميكروسكوپ اتمي كامل نمي شود. روش اين وسيله براي جست وجوي موادمانند گرامافون است. گرامافون، سوزن نوك تيزي دارد كه با كشيده شدن آن روي يك صفحه،شيارهاي روي آن خوانده مي شود. سوزن ميكروسكوپ اتمي بسيار ظريف تر از سوزن گرامافوناست به نحوي كه مي تواند ساختارهاي بسيار كوچك تر را حس كند. متاسفانه، ساختن سوزنهايي كه هم ظريف باشند و هم محكم، بسيار مشكل است. محققان با استفاده از نانو لولههاي باريك از جنس كربن كه به نوك ميكروسكوپ متصل مي شود اين مشكل را حل كردند. بااين كار امكان رديابي نمونه هايي با اندازه فقط چند نانومتر فراهم شد. به اينترتيب، براي كشف مولكول هاي زنده پيچيده و برهم كنش هايشان وسيله اي باقدرت تفكيك بسيار بالادراختيار محققان قرار گرفت.

اين مثال و مثال هاي قبل نشان مي دهند كه ارتباط بيننانوتكنولوژيوپزشكياغلب غيرمستقيم است به نحوي كهبسياري از كارهاي انجام شده،درزمينه ساخت يا بهبود ابزارهايتحقيقاتي يا كمك به كارهاي تشخيصي است. امادربرخي موارد،نانوتكنولوژيمي توانددردرمان بيماري هانيز مفيد باشد. براي مثال مي توان داروها رادرون بسته هاييدرحد نانومتر قرار داد و آزاد شدن آنها را با روش هاي پيچيده تحتكنترلدرآورد. يكي از نانوساختارهايي كه براي ارسال دارو يا مولكولهايي مانند DNA به بافت هاي هدف ساخته شده، «دندريمر»ها هستند. اينمولكول هاي آلي مصنوعي با ساختارهاي پيچيده براي اولين بار توسط «دونالد توماليا» ساخته شدند. اگر شاخه هايدرختي رادريك توپ اسفنجي فروببريد به نحوي كهدرجهت هاي مختلف قرار گيرند مي توان شكلي شبيه يكمولكول دندريمر را ايجاد كرد. دندريمرها مولكول هاييكروي و شاخه شاخه هستند كه اندازه ايدرحدود يك مولكول پروتئيندارند. دندريمرها ماننددرختان پرشاخه و برگ دارايفضاهاي خالي هستند، يعني تعداد زيادي حفرات سطحي دارند.

دندريمرها را مي توان طوري ساخت كه فضاهايي با اندازه هايمختلف داشته باشند. اين فضاها فقط براي نگه داشتن عواملدرماني هستند. دندريمرها بسيار انعطاف پذير و قابل تنظيم اند. همچنين آنها را ميتوان طوري ساخت كه فقطدرحضور مولكول هاي محرك مناسب، خود به خود بادكنند و محتويات خود را بيرون بريزند. اين قابليت اجازه مي دهد تادندريمرهاي اختصاصي بسازيم تا بار دارويي خود را فقطدربافت ها يا اندام هايي آزاد كنند كه نياز بهدرمان دارند. دندريمرها مي توانند براي انتقال DNA به سلول ها جهت ژندرماني نيز ساخته شوند. اين شيوه نسبت به روش اصلي ژندرماني يعني استفاده از ويروس هاي تغيير ژنتيكي يافته بسيار ايمن ترهستند.

همچنين محققان ذراتي به نام نانوپوسته ساخته اند كه از جنس شيشهپوشيده شده با طلا هستند. اين نانوپوسته ها مي توانند به صورتي ساخته شوند تا طولموج خاصي را جذب كنند. اما از آنجا كه طول موج هاي مادون قرمز به راحتي تا چندسانتي متر از بافت نفوذ مي كنند، نانوپوسته هايي كه انرژي نوراني رادرنزديكي اين طول موج جذب مي كنند بسيار مورد توجه قرار گرفته اند. بنابراين، نانوپوسته هايي كه به بدن تزريق مي شوند مي توانند از بيرون با استفادهاز منبع مادون قرمز قوي گرما داده شوند. چنين نانوپوسته هايي را مي توان به كپسولهايي از جنس پليمر حساس به گرما متصل كرد. اين كپسول ها محتويات خود را فقط زمانيآزاد مي كنند كه گرماي نانوپوسته متصل به آن باعث تغيير شكلش شود.

يكي ازكاربردهاي شگرف اين نانوپوسته هادردرمانسرطان است. مي توان نانوپوسته هاي پوشيده شده با طلا را به آنتي بادي هايي متصل كردكه به طور اختصاصي به سلول هاي سرطاني متصل مي شوند. از لحاظ نظري اگر نانوپوسته هابه مقدار كافي گرم شوند مي توانند فقط سلول هاي سرطاني را از بين ببرند و به بافتهاي سالم آسيب نرسانند. البته مشكل است بدانيم آيا نانوپوسته هادرنهايت به تعهد خود عمل مي كنند يا نه. اين موضوع براي هزاران وسيله ريز ديگري نيزمطرح است كه برايكاربرددرپزشكيساختهشده اند.

محققان ازنانوتكنولوژيدرساخت پايههاي مصنوعي براي ايجاد بافت ها و اندام هاي مختلف نيز استفاده كرده اند. محققي بهنام «ساموئل استوپ» روش نويني ابداع كرده است كهدرآن سلول هاياستخواني را روي يك پايه مصنوعي رشد مي دهد. اين محقق از مولكول هاي مصنوعي استفادهكرده است كه با رشته هايي تركيب مي شوند كه اين رشته ها براي چسباندن به سلول هاياستخواني تمايل بالايي دارند. اين پايه هاي مصنوعي مي توانند فعاليت سلول ها راهدايت كنند و حتي مي توانند رشد آنها را كنترل كنند. محققان اميدوارند سرانجامبتوانند روش هايي بيابند تا نه فقط استخوان، غضروف و پوست بلكه اندام هاي پيچيده تررا با استفاده از پايه هاي مصنوعي بازسازي كنند.

به نظر مي رسد برخي ازاهدافي كه امروزهدرحال تحقق هستنددرآينده اي نزديكتوسط پزشكان به كار گرفته شوند. جايگزيني قلب، كليه يا كبد با استفاده از پايه هايمصنوعي شايد با فناوري كهدرفيلم سفردريايي شگفت انگيزنشان داده شد، متناسب نباشد اما اين تصور كه چنيندرمان هاييدرآينده اي نه چندان دور به واقعيت بپيوندند بسيار هيجان انگيز است. حتي هيجان انگيزتر اينكه اميد است محققان بتوانند با تقليد از فرآيندهاي طبيعي زيستشناختي، واحدهاييدرمقياس نانو توليد كنند و از آنهادرساخت ساختارهاي بزرگ تر بهره گيرند. چنين ساختارهاييدرنهايت ميتوانند براي ترميم بافت هاي آسيب ديده ودرمان بسياري از بيماري ها بهكار روند.

منبع :www.hamshahri.org