نورپویا درمانی و کاربرد‌های نانوفناوری در آن (1)

 1- مقدمه  1-1- مقدمه ای بر فتو داینامیک تراپی نورپویادرمانی به عنوان یک روش درمانی غیر تهاجمی، مؤثر و نوین حدود دو دهه ای است که در درمان برخی بیماریهای سرطانی و غیر سرطانی جایگاه خود را بازکرده است[2].این روش بر تأثیر متقابل دو فاکتور استوار است،فاکتور اول ماده حساسی به نور(Ps) که دارای دو ویژگی اساسی می باشد. ویژگی اول ـ توانایی جذب انتخابی در سلولهای آتیپیک سرطانی ‌(بافت تومورال) است در حالیکه در سلولهای سالم مجاور، جذب تقریباً صورت نمی گیرد ( و یا آنقدر کم است که به حساب نمی¬آید) و ویژگی دوم ایجاد تعاملات فتوبیوشیمیایی در اثر تابش طول موج معینی ( بسته به نوع ماده Ps) از اشعه ( عمدتاً لیزر) است که اساس کار درمانی را تشکیل می دهد. بدین شکل که با تابش نوربا طول موج مناسب (به عنوان فاکتور دوم) بهPs مولکول نور را جذب کرده و برانگیخته شودو در ادامه با برگشت به حالت پایه یک تابش نشری داشته باشد ولی اکثرPs هافلورسانس ضعیفی دارندبنابراین با یک تبدیل الکترون اسپین به حالت سه‌گانه (triple) می روند و این امر باعث انتقال انرژی به اکسیژن و یا مولکولهای اطراف که بعدا با اکسیژن واکنش می‌دهند می‌شود. این واکنش‌ها منجر به ایجاد رادیکال آزاد و یا یونهای رادیکالی می‌شوند این مواد در ادامه با اکسیژن مولکولی در حالت پایه واکنش داده و تولید رادیکال‌های آنیون سوپراکسید هیدروژن پراکسید و هیدروکسیل می‌کنند.بنابراین می¬توان از عنصر اکسیژن به عنوان فاکتور سوم و یا شرط انجام چنین تعاملاتی نام برد که این عنصر در شرایط بافتهای بدن بطور طبیعی وجود دارد(شکل 1). 

شکل1- فرآیند فتوداینامیک

عدم سمیت،برداشت انتخابی ونگهداری توسط بافت تومور،تولیدکافی رادیکالهای آزاد اکسیژن باجذب طول موجهایی که به راحتی بتوانند ازبافت عبورکنند،ازمهمترین خواص فتوسنتتیازر ایده آل می باشد.گونه‌های اکسیژن فعال(ROS) دارای نیمه عمر3.5 میکرو ثانیه هستند و تنها 0.01 تا 0.02 میکرومتر توان حرکتی دارند بنابراین ایجاد آسیب بسته به مکان تولید ROS دارداین مکان ها معمولا میتوکندری غشاء، لیزوزوم اندوزوم و اجسام گلژی است. .هسته معمولا سالم می‌ماند و آسیب های DNA نادر است[5].انواع مختلفی از داروهای Ps وجود دارد که دارای کلاس ها و نسل های مختلفی هستند (جدول 1).

جدول 1- انواع داروهایفتوسینتتایزر [6]

فتوسنتتایزرHemotopophyrin derivative – HPD با نام داروی امریکایی– کانادایی این ماده (PhotofrinPhotofrin (Pf در بدخیمی‌های مثانه، مری و ریه برای اولین بار استفاده شد.معادل این دارو امروزه توسط چند کشور جهان تولید می‌شود و ازجمله فتوسنتتایزرهایی که ازطرف سازمان غذاو دارو مجوز مصرف دارد.اینPs نسل اولی مخلوطی ازچندپورفیرین است که باتوجه به تجمع انتخابی محدود دربافت تومور،نسبت تجمع آن دربافت هدف به بافت سالم ناچیزاست[7]. اما مشکل و محدودیت اصلی داروهای نسل اول ( مشتقات پورفیرین ها ) اثر سمی آن در مقابل نورآفتاب در طول مدت نسبتاً طولانی ( یک‌ماه) بعد از درمان است که بیمار رامجبور می کند رژیم نوری معینی را تحمل کند. چیزی که در داروهای نسل دوم (کلرینها) با دفع ادراری 48 ساعته دارو، این معضل تا حد چشمگیری کاهش یافته است.

1-2- مکانیزم درمانمکانیسم درمان اساسا یک اثر فتوبیوشیمایی است.پس از اینکه ماده Psبه سلولهای بافت هدف (توموری) وارد شد، با تابش نور لیزری که دارای طول موج معینی می باشد، (برای خانواده داروهای پورفورین ها 630-628 نانومتر و برای خانواده داروهای کلرین 662-660 نانومتر) دو دسته تغییرات بوقوع می پیوندد.1 – در اثر تابش نور، اکسیژن موجود در بافت به حالت برانگیخته ای بنام اکسیژن یگانه (singlet O₂ ) در می‌آیدکه همراه با ایجاد رادیکالهای آزاد بر روی بافت سرطانی اثر کرده و آنرا از بین می¬برد.درحال حاضرمحققین همگی براین موضوع اتفاق نظر دارند که اثردرمانی PDT نتیجه تولیداکسیژن یگانه تحت شرایط فعالسازی حساس کننده نوری به وسیله نور می باشد[8]. اما بایستی مد نظر داشت که پروتکل های کلینیکی استاندارد برای PDTبه جای تکیه برمحاسبه یا اندازه گیری دوز اکسیژن یگانه،براساس مصرف مقدار ازپیش تعیین شده ای دارو و نور می باشند[8]. تحقیقات انجام شده برروی حیوانات نشان می دهدکه استفاده ازیک پروتکل کلینیکی معین که براساس دوز داروی مصرفی ودوز نورتابشی است، پاسخ درمانی بسیارگسترده میباشد؛ به طوری که هم شامل "پاسخ درمانی کامل" وهم "هیچ گونه پاسخ درمانی" است[9].

2 – مکانیسم دیگر یک اثر عروقی است، بطوریکه PDT باعث افزایش فاکتورهایی چون هیستامین و هیستامین وتومور نکروزیس فاکتور آلفا ((TNF(α) می شود. بصورت ماکروسکپی این پروسه با اریتم(قرمزی غیرطبیعی پوست) و ادم همراه است و از لحاظ میکروسکوپی تخریب سلولهای اندوتلیال، انعقاد پلاکتی، و خونریزی را شاهد هستیم. علاوه بر این‌ها تحقیقاتی در دست انجام است که بررسی ایمینونولوژیک PDT را مد نظر دارد[10].

1-3- برتریهای روش PDT:

1- بدلیل انتخابی بودن جذب ماده Ps ، تخریب ضایعه بدخیم نیز بطور انتخابی صورت گرفته و بافت سالم مجاور تومور مورد تابش قرار گرفته آسیب نمی بیند، علاوه بر آن با سود جستن از روش الحاقی تشخیص PDD که بر اساس اسپکتروفتومتری ( طیف سنجی) میزان جذب ماده ps در بافت مزبور انجام می پذیرد، می توان بطور عینی و دقیق مرز بافت سرطانی و سالم را بازشناسی کرد و تنها بر روی بخش سرطانی تابش داد ( مشابه کاری که جراحان به هنگام توده برداریهای این‌چنینی، با برداشتن حاشیه‌ای از بافت سالم انجام می دهند و روشی نسبی و غیر دقیق است)

شکل 2- اصول کلی و مراحل فتوداینامیک تراپی

 

2 – انجام مراحل درمانی بسیار ساده بوده و تقریباً غیر تهاجمی است.3 – در مقایسه با دیگر روشهای درمانی این دسته از بیماران یعنی جراحی، کموتراپی و رادیوتراپی از عوارض جانبی بسیار کمتری برخوردار می باشد.4 – به لحاظ اقتصادی چه برای سیستم درمان عمومی و چه برای بیمار مقرون به صرفه تر است. 2- نانوتکنولوژی و فتوداینامیک تراپیصرف نظر از جنبه های سخت افزاری کاربرد نانوتکنولوژی در ساخت دستگاههای لیزر و پروب های نوری در فتوداینامیک تراپی، استفاده از نانوذرات به عنوان حامل Ps به عنوان یک استراتژی بسیار خوب مطرح است، زیرا نانو مواد پتانسیل برطرف کردن همه ی نیازهای مورد نیاز جهت PDT را دارا هستند. از این لحاظ نانوذرات را بایستی از لحاظ کارایی در بارگذاری (loading) داروها(Ps)،زیست پراکندگی و کارایی درمانی، ویژه بودن برای بافتهای هدف و سایر جنبه ها بررسی کرد.2-1- چالش‌های فتوداینامیک تراپی:PDT در درجه ی اول برای تومورهای سطحی مد نظر قرار می گیرد (از جمله ملانوما، مثانه، مری ...) و معمولاً از نور غیرگرمایی (800-630 نانومتر) استفاده می گردد. بایستی توجه داشت که پروتئینهای و اجزای بافتهای بدن و از جمله خون جذب بالایی از نور مرئی را دارند به عنوان مثال هموگلوبین تا  600 نانومتر را جذب می کند. بنابراین نور مورد استفاده بایستی طول موج بالاتری داشته باشد تا بتواند نفوذ قابل توجهی در بافت داشته باشد. ولی در طول موجهای بالای 800 نانومتر انرژی کافی برای تولید اکسیژن یگانه در حساس کننده های نوری معمول وجود ندارد بنابراین ظهور سیستمهای حساس به نوری که در طول موج‌های بالا توان تولید گونه های فعال اکسیژن را داشته باشند از جمله امیدهایی است که ظهور نانوتکنولوژی می تواند به آنها جامه‌ی عمل بپوشاند.

نکته ی قابل ذکر دیگر آبگریز بودن بودن اکثر فتوسنتتایزرهای نوری و تجمع آنها در محیط آبی است بنابراین سیستم‌های حامل نانوذره‌ای در این حیطه بسیار امیدوار کننده‌اند. ضمناً تجمع انتخابی Ps در بافتهای هدف و در نتیجه کاهش اثرات جانبی نیز نقش حامل‌های نانوذره‌ای را بسیار پررنگ‌تر می‌کند.

  

شکل3-ضریب های جذبی کروموفورهای معمول بدن

 

2-2- مشخصات یک فتوسینتتایزر( PS) ایده آل

یک Ps ایده ال باید براحتی سنتز شود و قابل دسترسی باشد، تمایل به خود تجمعی (Self aggregation)حداقل را داشته باشد، ترکیب پایداری باشد، به شدت هیدروفوب نباشد و به راحتی در داخل حامل گذاشته شود، در عدم حضور نور سمی نباشد، جذب نور IR با ضریب مولی خاموشی بالایی داشته باشد، برای بافتهای هدف اختصاصی باشد (target specific) و به سرعت از بدن پاک شود (کلیرانس بالایی داشته باشد)

2-3- ویژگیهای نانوذرات برای رساندن (Delivery)حساس کننده نوری در درمان سرطان

نانوذرات مختلف از لحاظ نوع عملکرد هر کدام ویژگی‌های خاص خود را دارند ولی به طور کلی بایستی

1. توانایی عامل دار کردن (Functionalization )سطحی برای گروههای مختلف شیمیایی و بیوشیمیایی را داشته باشند مثلاً با پگیله شدن ( (به سطح نانوذره PEG(poly ethylene glycol اضافه کردن ) بتوانند از تخریب آنزیمی و حملات میکروبی به حساس کننده جلوگیری کنند.2. سطح نانو ذرات بایستی تخلخل (Porosity) خوبی داشته باشد3. اندازه مناسبی داشته باشد تا بتواند از اثر تقویت شده عبور و نگه داری ( Enhanced permeability and retention effect =EPR) بهره گیرد.4. غیر ایمنولوژیک باشد.5. از لحاظ نوری شفاف باشد.6. از لحاظ نوری از حساس کننده (PS) در شرایط درون تن پایدارتر باشد.7. توانایی ایجاد یک سیستم چند عملکردی مثل درمانهای چندگانه و یا تشخیص را داشته باشد.

از آنجایی که کارایی فتوداینامیک تراپی به مقدار اکسیژن یگانه ایجاد شده بستگی دارد بنابراین دو استراتژی برای نانوذرات در فتوداینامیک تراپی بیان می‌شود. (الف) نانوذرات تخریب پذیری که در بافت‌های هدف Ps را آزاد می‌کنند و سپس Ps تولید اکسیژن یگانه می‌کند. ب) نانوذرات غیرتخریب پذیری که اکسیژن یگانه در داخل آنها تولید شده و سپس از داخل آنها انتشار می‌یابد.

نانوذرات برای اولین بار توسط Birrenbach و Speiser به شکل نانوذرات و نانوکره هایی با قطر کمتر از 100 نانومتر تعریف شدند. علاقه به نانوذرات به عنوان حامل دارو در سالهای اخیر افزایش یافته زیرا می توانند داروهای آبگریز را براحتی در خون انتقال دهند و سطح موثر بالایشان برای افزودن عوامل شیمیایی می‌تواند بکار گرفته شود. این مواد حجم توزیع بالایی دارند و به طور موثری توسط سلول‌ها برداشت می‌شوند.بعلاوه آزاد سازی کنترل شده دارو را ممکن می‌سازند و استراتژی‌های سنتزی گوناگونی برای آنها وجود دارد.

نقص اصلی نانوذرات تمایل زیاد آنها برای برداشته شدن توسط ماکروفاژها و تجمع در کبد و طحال است البته پگیله کردن آنها باعث افزایش زمان گردش خون و در نتیجه تجمع بیشتر در تومور می شود. لوکالیزاسیون (Localization) خاص و مستقیم حساس‌کننده‌ها از طریق هدفمند کردن فعال نانوذرات (کانژوگه کردن رسپتور و سایر اجزا) حاوی Ps نیز قابل دسترس است. بنابراین مجموع این عوامل موجب کمتر شدن دوز موثر حساس‌کننده های نوری برای درمان PDT می شود.

3- نانوذرات مورد استفاده در PDT

ملاک‌های تقسیم بندی نانوذرات در PDT بسیار گوناگون است. در یک مقاله مروری که توسط Kumar نوشته شد، نانوذرات بسته به درگیر شدن در فرآیند PDT به دو نوع فعال و غیر فعال تقسیم می‌شود. حاملهای غیر فعال بنا به اجزای تشکیل دهنده به دو گروه

الف) نانوذرات پلیمری زیست‌تخریب‌پذیر

ب) نانوذرات غیرتخریب پذیر مثل نانوذرات سرامیکی و فلزی تقسیم می‌شوند.

نانوذرات فعال بنا به مکانیسم فعالسازی در پروسه فتوداینامیک تراپی به 3 گروه

الف) فتوسنتتایزرها: نانوذراتی که انرژی را از نور فرودی به اکسیژن محیطی انتقال می دهند مثل نانوذرات نیمه‌رسانا‌ی CdSe

ب)نانوذرات خود تابش شونده ( Self-illuminating nanoparticles): این نانوذرات با تابش اشعه x فعال شده و با فلورسانس نور حساس کننده های نوری متصل شده به خود را فعال می کنند. مثل نانوذرات ⁺BafBr:Er⁺, Mn

ج) Upconverting: این نانوذرات نور با انرژی کم را به نور با انرژی بالا برای تحریک حساس کنده ی نوری متصل به خود، تبدیل می کنند و از جمله ی این نانوذرات NaYF₄:Yb,Er/Tm

بحث و نتیجه گیری:در حدود دو دهه است که نورپویادرمانی به عنوان روش درمانی جدید، غیر تهاجمی و مفید برای برخی بیماریهای سرطانی و غیر سرطانی مورد استفاده قرار گرفته است. دو فاکتور بر نور پویا درمانی موثراند، ماده حساس به نور(Ps) و تابش نوربا طول موج مناسب. البته می توان فاکتور موثر دیگری نیز به این مجموعه افزود که آن عنصر اکسیژن است که از آن به عنوان فاکتور سوم و یا شرط انجام چنین تعاملاتی نام برده می شود. موارد تکمیلی این بحث در قسمت مقدمه ای بر فتودینامیک درمانی آورده شده است. علاوه بر این مواردی چون مکانیسم درمان با PDT ، برتری های این روش و همچنین چگونگی ارتباط نانوتکنولوژی بامبحث فوتودینامیک درمانی مخصوصا نانوذرات مورد استفاده در PDT و ویژگیهای آنها در رساندن ماده حساس به نور در بیماری سرطان، در این مقاله عنوان شده اند.