نورپویا درمانی و کاربرد‌های نانوفناوری در آن (2)

4- نانوذرات غیر فعال در نور پویا درمانی

4-1 حامل های نانوذره ای زیست تخریب پذیر

مکانیسم تخریب نانوذرات پلیمری آلیفاتیک مثل PLGA از طریق پروسه های هیدرولیتیک است. البته نتایج تخریب این نانوذرات در شرایط برون‌تن متفاوت از شرایط درون‌تن گزارش شده است[3-4]. مزیت های اصلی این نوع از نانوذرات بارگذاری (Loading) بالای دارو ، احتمال کنترل آزادسازی دارو و گوناگونی بالای ذرات و پروسه های سنتز آنها است . همان‌طوری که انتظار می رود تغییر شکل دادن سطح این نانوذرات با PEG باعث افزایش زمان در گردش خونی (Circulation) آنها میشود.

در یک مطالعه به منظور ایجاد یک سیستم دارورسانی قابل استریل برای وِرتوپورین (Vertoporin) که یک حساس‌کننده‌ی مناسب برای درمان چندین نوع سرطان از جمله پوست است از نانوذرات PLGA استفاده شد . به طور عمومی پذیرفته شده است که اندازه‌ی میانگین نانوذره می‌تواند نقش مهمی در فعالیت درمانی دارو داشته باشد (از طریق برداشت سلولی و بافتی که وابسته به سایز است) در این مطالعه از دو اندازه‌ی ذره‌ای حامل وِرتوپورین استفاده شد. (370 و 167 نانومتر) در این مطالعه مشخص شد که ذرات ریزتر اثر درمانی بیشتری دارند.

از جمله ترکیبات حساس به نور دیگر که برای نانوذرات PLGA بررسی شدند می توان به هایپرسین (Hypericin )و ایندوسیانین سبز (ICG= indomethacin green) اشاره کرد. ICG یک رنگ تصویب شده توسط FDA است که برای ایجاد کنتراست در روشهای تشخیصی سرطانهای سطحی از جمله پستان و پوست بکار گرفته می‌شود. البته این رنگ در محلول در طول موج nm800 جذب داشته و یک پیک نشری 820 نانومتری نیز دارد بنابراین پتانسیل بالایی برای درمانهای فتوداینامیک دارد. اخیراً زیست پراکنش ICG قرار داده شده در نانوذرات PLGA (با قطر 300 نانومتر و لودینگ 20 درصد) و ICG آزاد در موش C57BL/6 را بررسی کردند و نشان دادند که نانوذرات حاوی دارو رسوب دو الی هشت برابری نسبت به ICG آزاد را در یافت توموری داشته‌اند. بنابراین استفاده از نانوذرات باعث افزایش ماندگاری ترکیبات حساس به نور در بافت تومور شده است.

نانوذرات PLA حاوی هایپرسین برای درمان فتوداینامیکی سرطان تخمدان بکار گرفته شده‌اند و فعالیت نوری بیشتر هایپرسین بارگذاری شده در نانوذرات نسبت به هایپرسین آزاد نشان داده شد [9]. البته افزایش میزان بارگذاری دارو در این نانوذرات باعث کاهش سمیت نوری در غلظت‌های بالا می‌شود. بایستی توجه داشت که در نانوذرات پلیمری خود پلیمر می‌تواند به عنوان یک سد غیر قابل نفوذ برای اکسیژن مولکولی مطرح باشد و مانع از برهمکنش آن با ترکیب حساس به نور باشد

4-2- نانوذرات غیرتخریب پذیر

عملکرد این نانوذرات در PDT متفاوت است و معمولاً برای رسانش دارو (drug delivery) استفاده نمی‌شوند زیرا تخریب نمی‌شوند در نتیجه نمی‌توانند آزادسازی دارو داشته باشند. بنابراین خود Ps حمل شده در ذارت نمی‌تواند سمی باشد بلکه باعث ایجاد محصولات سمی از اکسیژن مولکولی غیرسمی محیطی می‌شوند و مانند یک کاتالیست عمل می‌کنند و به طور پیوسته با نور تحریک کننده می‌توانند بکار گرفته شوند. یک حفره ی (Pore) ریز در یک ذره سرامیکی که قطر 0.1 تا 0.5 نانومتری دارد برای خروج دارو بسیار کوچک است ولی برای ورود O₂ و خروج ¹O₂ بسیار مناسب است. به منظور موثر بودن، این نانوذرات بایستی کوچک باشند تا به‌توانند حجم توزیع موازی با دارو را داشته باشند و این نیازمند کنترل دقیق بر اندازه است به نحوی که اندازه کمتر از  100 نانومتر و ترجیحاً کمتر از 50 نانومتر باشد .

نانوذرات سرامیکی که به صورت غیرکووالان Psها را نگه می‌دارند دارای چندین مزیت نسبت به ذرات پلیمری ارگانیک‌ هستن از جمله، این ذرات در مقابل تغییرات PH ـ دما ـ حملات میکروبی و آنزیمی مقاوم اند. سایز ذره ـ شکل ـ پروزیته و شاخص توزیع اندازه ذره‌ای (PDI= Poly dispersity index) آنها براحتی در حین ساخت قابل کنترل است . در شرایط دمایی محیط تولید می شوند. سطح آنها برای هدفگیری انتخابی (Targeting) به سادگی قابل تغییراست ضمناً این ذرات Ps را از محیط اطراف به خوبی محافظت می‌کنند.

بایستی توجه داشت که اگرچه نانوذرات پلیمری زیست‌تخریب پذیر براحتی دارو را آزاد می‌کنند ولی کارایی PDT به تولید ¹O₂ بستگی دارد بنابراین آزادسازی دارو غیر‌ضروری است نیمه‌عمر ¹O₂ در محیط آبی در حد میکروثانیه است زیرا ¹O₂ به سرعت واکنش می‌دهد .

احتمالاً اولین مقاله ای که برای نانوذرات سرامیکی جهت کپسوله کردن Ps در PDT منتشر شد مربوط به استفاده نانوذرات سیلیکا حاوی داروی (HPPH(2-devinyl-2-(1-hexyloxyethyl) pyropheophorbide است، این مطالعه بیان کننده پتانسیل بالای نانوذرات سرامیکی در PDT است. [16]. داروی HPPH هم اکنون در فاز یک و دو کلینیکی برای سرطان مری قرار دارد .

در سال 2002 گروهی نشان دادند که سیلیکا پگیله شده(اتصال پلیمر پلی اتیلن گلیکول(PEG) به سطح نانوذرات ) (که باعث افزایش زیست سازگاری حامل می شود) با اندازه‌های کوچک کاربردهای گسترده ای در بیولوژی دارد این تیم مقایسه خواص اسپکتروسکوپی بین سیلیکا حاوی (mTHPC(meta-tetrahydroxyphenylchlorin تهیه شده از طریق روش سل ـ ژل و mTHPC آزاد را بررسی کردند.

از جمله مباحث قابل توجه در حال حاضر ترکیب روش PDT با روشهای دیگر درمانی و تشخیصی است از جمله این مطالعات می توان به سیستم مایسلی پلیمری برای کپسوله کردن همزمانHPPH و نانوذرات Fe₃O₄اشاره کرد. در این مقاله از هسته ی مغناطیسی برای هدایت حامل به سمت سلولهای هدف استفاده شده است.

Wieder اخیراً سیستمهای دارورسانی بر اساس نانوذرات طلا را گسترش داده است که Ps بر سطح نانوذرات طلا متصل شده است. مشتقات فتالوسیانین متصل شده به نانوذرات (نانوذرات فتالوسیانین) با قطر 2 الی 4 نانومتر ایجاد شدند. فتالوسیانین مونومری به صورت کووالان بر روی سطح نانوذرات طلا با جذب یک طول موج نوری 685 نانومتری به صورت کاتالیکتیک تولید ROS با کارایی بالا می‌کند. انکوباسیون نانوذرات با سلولهای Hela برداشت سلولی خوبو مرگ سلولی 0.43 بیشتر نسبت به فتالوسیانین آزاد را نشان داده است (که احتمالاً به علت افزایش تولید ROS به میزان 50 دصد در نانوذرات فتالوسیانین نسبت به فتالوسیانین آزاد باشد).

Wieder و همکارانش مقایسه ای بین نانوذرات طلا و سیلیکا را نیز انجام دادند او انتظار داشت که فتوسنتتایزر بر روی سطح نانوذرات طلا نسبت به فتوسنتتایزر داخل ذرات سیلیکا کاراتر باشد (صرف نظر از انتشار 1O2از داخل ذرات) نانوذرات فلزی با اندازه‌های کوچکتری نسبت به ذرات سیلیکا می توان تولید کرد در نتیجه به علت سطح فعال بالا فتوسنتتایزر بالایی می‌تواند به آنها متصل شود و سمیت سلولی بالاتری را ایجاد می‌کنند.

در مطالعه ای که توسط آقایOo‌ صورت گرفت از اتصال الکترواستاتیک 5-ALA بر روی سطح نانوذرات طلا (با قطر  30 نانومتر) استفاده شد و افزایش مرگ سلولی 50% نسبت به 5-ALA آزاد را مشاهده کرد افزایش تولید ROS به وسیله این محقق نیز دیده شد و بیان گردید که این امر به علت انتقال انرژی میدان نزدیک از نانوذرات طلا به پروتوپورفیرین سطح نانوذرات به علت اثر SPR است. همچنین در مطالعه ای که توسط گروه ما انجام شدعلاوه بر مشاهده‌ی نقش کاتالیزوری نانوذرات طلا در تولید ROS شرایط بهینه استفاده از نانوذرات طلا در فرایند ALA-PDT تعیین و مشخصه‌یابی شد.

5-جذب دو فوتونی ( Two Photon Absorbtion (TPA) :

در این روش (TPA) دو فوتون کم انرژی با همدیگر نقش یک فوتون پرانرژی را ایفا می کنند (شکل3). جا دادن فتوسنتتایزرهای دو فوتونی در نانوذرات ممکن است باعث کاهش سمیت آنها شود که عامل نویدبخشی برای این رنگ‌ها می‌باشد. رنگ‌های دو فوتونی اخیراً بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند، زیرا با جذب انرژی‌های پایین و تبدیل به تابش‌های پرانرزی امکان استفاده از طول موج‌های بالاتر در نتیجه افزایش میزان نفوذ نور و دسترسی به تومورهای عمقی را فراهم آورده‌اند ولی مشکل اصلی این مواد سمیت تاریکی آنها می باشد.

در یک مکانیسم دیگر از رنگ دوفوتونی به عنوان یک حد واسط برای فعال کردن فتوسنتتایزر دیگری که همراه با رنگ دوفوتونیدر داخل نانو ذره بارگذاری شده استفاده شده است .

6- نانوذرات فعال در فتوداینامیک تراپی

همان‌طوری که در مقدمه ی بحث بیان شد منظور از نانوذرات فعال بنابه مکانیسم فعال سازی از نانوذرات غیر‌فعال جدا می‌شوند.

6-1- نانوذرات فتوسینتسایزر

نقاط کوانتومی به عنوان یک پروب نوری نانوذره ای با بازده کوانتومی بالا ـ پایداری نوری بالا و خواص فلورسانس وابسته به اندازه‌، مدتها است که مورد توجه قرار گرفته‌اند این نانوذرات را می توان در آب قابل حل کرد و یا برای نواحی و بدخیمی‌های خاص اختصاصی کرد. نقاط کوانتومی نیز می‌توانند انرژی را به اکسیژن مولکولی محیطی منتقل کنند و منجر به مرگ سلولی شوند و اخیراً هم مقالاتی در مورد پتانسیل Ps بودن آنها چاپ شده است. در یک بررسی انتقال انرژی دو مرحله‌ای نقاط کوانتومی از جنس CdSe به Ps متصل شده بر این ذرات بیان شده است[22]. این گروه بر‌همکنش نقاط کوانتومی (محلول در آب) پوشیده شده با فسفولیپید را نیز پیش‌بینی کرده‌اند(شکل1). آنها فرض کرده‌اند که حالت سه‌گانه(triplet) پایین ترین سطح انرژی نقاط کوانتومی CdSe است و انتقال انرژیبه تریپلت (Triplet Energey Transfer [TET]) مسئول تولید ¹O₂از ³O₂ است ولی به هر صورت کارایی تولید ¹O₂ در حدود 5% (با 65% بازده کوانتومی نشر فلورسانس) باعث محدود کردن استفاده آنها شده است [22]. تلاشهای بسیاری جهت بهبود کارایی تولید 1O2 توسط نقاط کوانتومی صورت گرفته است. از آن جمله می توان به اتصال کووالان Psها به نقاط کوانتومی CdSe و ZnS از طریق یک پل ارگانیک اشاره کرد. این تلاشها مشکلات معمول را داشتند از جمله حلالیت کم سیستم طراحی شده در آب، ضمناً توانایی نقاط کوانتومی برای تولید اکسیژن سمی در این موارد بکار گرفته نشده است.

شکل1- مکانیسم‌های احتمالی ایجادسمیت نوری درپروسه فتوداینامیک به وسیله نقاط کوانتومی [1].

6-2- نانوذرات خودتابشی (Self lighting nanoparticle)روش جدیدی برای درمان سرطان با ادغام رادیوتراپی و فتوداینامیک تراپی را مطرح شده است که تحت عنوان SLPDT= Self lighting photodinamic therapy نام‌گذاری شده است. در این روش از نانوذرات سنتیلاتور(Seintilation luminescent nanoparticle ) با Psهایی که به صورت کووالان بر روی سطح آنها متصل شده است (از قبیل پورفیرینها) جهت درمان فتوداینامیک در شرایط درون تن بکار گرفته شده است. با تابش پرتو یونیزان (از قبیل اشعه x) تابش لومینسانس از نانوذره ساطع می شود و Ps متصل شده به سطح ذره را فعال می‌کند در نتیجه تولید اکسیژن سمی تشدید می‌شود (به علت ترکیب فتوداینامیک تراپی با رادیوتراپی). باید توجه داشت که این سیستم با کاهش دوز اشعه یونیزان باعث کاهش آسیب این پرتو به بافتهای سالم اطراف بافت هدف می‌گردد. کاربردهای بیولوژیکی مستقیم از این روش هنوز بکار گرفته نشده است. از جمله‌ی این نانوذرات می توان به نانوذره با ترکیب ( ⁺BaFBr: Eu⁺, Mn) اشاره کرد.

6-3- نانوذراتUpconversion

به طور کلی مواد لومینسانس با حالت تحریکی سه‌گانه (که تحت عنوان فسفر نامیده می شوند) نور با انرژی بیشتر نسبت به نور تحریکی را با مکانیسم‌های متفاوت از جمله Upconversion و جذب دوفوتونی خودبه‌خودی (Spontanous two photonabsorbion ) از خود نشر می کنند. درجذب دوفوتونی انتقال از حالت پایه به حالت تحریک شده با جذب خود به خود دو فوتون صورت می‌گیرد از لحاظ مکانیک کوانتوم این امر نیازمند ایجاد یک تراز میانی فرضی (Virtiual intermadaltestate ) برای جذب فوتون اول است. Upconversion متکی بر جذب گسسته پی‌در‌پی و لومینسانس پله‌ای است در حالی که حداقل دو جزء ناپایدار (معمولاً یون) درگیر در فرآیند باشند اولین جزء به عنوان ذخیره تحریک و جزء دوم به عنوان حالت تابش بکار می‌رود(شکل 3). این پروسه کارایی بیشتری نسبت به جذب دو فوتونی دارد و نیازمند تابش همدوس نیست و حالت‌های میانی واقعی را درگیر می کند (Real Intermediate state)(شکل3). تابشهای آنتی استوکس برای پروسه   upconversion  ده الی صد مرتبه ی kT (دما(T) ضرب در ثابت بولتزمان (k)معیاری از انژی در مقیاس مولکولی است) بیشتر از انرژی‌های تحریکی است، هر دو مکانیسم upconversion و TPA از آنجایی که با طول موجهای تابشی بالا ایجاد می‌شوند در نتیجه پتانسیل دسترسی به تومورها و بافتهای عمقی تر را فراهم می‌آورند. نقش نانوذرات در این موارد تبدیل به نانومبدل می‌شود. این نوع از نانوذرات نمی‌توانند موجب ایجاد اثر ROS شوند بنابراین نیاز به اتصال یک Ps مناسب دارند.Up converting Nanoparticle)UCN) ترکیبی در اندازه های نانو است که با استفاده از جذب تابش NIR یا IR به وسیله یون فلزات واسطه لانتدانیدها (Lanthanides) و اکتینیدها (actinides ) که در داخل یک میزبان مناسب آلاییده (dope) شده‌اند تولید فوتون‌هایی با انرژی‌های بالاتر می‌کند[24]. بعضی اوقات تحت عنوان (UCP) Up converting phosphor نامیده می‌شوند و به عنوان ذرات سرامیکی زیر میکرون حاوی لانتانیدها که با جذب IR تابش مرئی دارند شناخته می‌شوند [25] برای کاربردهای بیولوژیکی، هستهی نانوکریستال بایستی خصوصیات مناسبی علاوه بر شکل و خصوصیات اپتیکی را برای اتصال مولکول‌های زیستی و مهندسی سطح را داشته باشد.مواد مختلفی به عنوان پوشاننده و یا دوپانت(dopant)در UCN‌ها شناخته شده‌اند که بعضی از آنها دارای کاربرد‌های واقعی یا بالقوه در بیولوژی‌اند. مواد یونی معمولاً از کریستال‌های نادر خاکی مثل لانتانیدها و اکتنیدها هستند که در یک ماتریکس کریستالی مناسب دوپ شده‌اند[26]. یکی از هسته‌های معمول برای کاربردهای بیولوژیکی NaFY4 است که اخیراً با  ⁺Er³⁺/Yb³ و یا  ⁺TM³⁺/Yb³ دوپ شده است و ذراتی با سایز میکرومتر را تشکیل داده است.

شکل 2-طرح ساختارومکانیسم نانوذراتUpconverting . این نانوذرات، نور باطول موج بالاراجذب کرده وباتبدیل به نور باطول موج کوتاه ومناسب به Psموجود درسطح نانوذره انتقال می‌دهند[2].

اولین گزارش از استفاده PDT با UCNها مربوط به استفاده از ⁺NaYF4:Yb³⁺.Er³ پوشش داده شده با یک لایه نازک متخلخل سیلیکا حاوی PsMerocyanine-370 و عوامل اختصاصی تومور متصل شده به سطح آن است[28]. در مطالعات بعدی از نانوکرسیتال NaYF4آلاییده شده با عناصرEr و Ybکه آن را با پلیمرهای پلی‌وینیل پرولیدن (PVP= Poly vinylpyrrolidone) و پلی اتیلن ایمن (PEI= Poly ethyleneimine) پوشانده شدند، استفاده شد. ذرات حاصله اندازه‌ی  50 نانومتر و بار مثبت سطحی داشتند برای استفاده در فتوداینامیک تراپی ترکیب حساس به نور ZnPc(قلع فتالوسیانین ) بر روی سطح این نانوذرات قرار داده شد (شکل2) این سیستم نانوذره ای دارای سه عملکرد بسیار جالب توجه بود؛ حل کردن ZnPc غیر قطبیی ، کمک به تابشهای کم انرژی به سنتز پرانرژی مورد نیاز برای تحریک ZnPcو کمک به هدفمند کردن ZnPc به سلولهای توموری هدف.به طور کلی استفاده از UCN ها چندین مزیت دارد:1. امکان بررسی بافتهای عمقی تر با نور NIR2.  نور NIR نمی تواند موجب تخریب بافتی شود.3. نانوذرات به علت اثر EPR تمایل به رسوب در بافتهای توموری را دارند البته این خاصیت با اتصال عوامل هدف‌گیری بر سطح ذرات تشدید می شود.

شکل3- مقایسه مکانیسم فلورسانس معمول، فلوروسانس جذب دو فوتونیوفلورسانسupconversion،درمکانیسم فلورسانس نورتابشی طول موج بلندتری ازنورتحریکی دارد درمکانیسم جذب دوفوتونی ازدوفوتون همدوس جهت ایجاد حالت تحریکی استفاده شده و درمکانیسمupconversion

7- نتیجه‌گیری

 

به رغم سابقه نسبتا طولانی،نورپویا درمانی در فاز کلینیکی در مقایسه با سایر روشها به خوبی بکار گرفته نشده است ولی ظهور نانومواد و نانوساختار‌ها امیدهای فراوانی را در جهت افزایش این روش درمانی را ترسیم می‌کند.نورپویا درمانیهم‌اکنون با مشکلاتی از جمله عدم تایید Ps از طرف سازمان‌های مربوطه ، آبگریز بودن Ps و عدم تجمع انتخابی مقدار کافی ازPs در بافت های آسیب دیده روبرو است. نانوذرات به خوبی می‌توانند داروهای آبگریز را در خود جای دهند و با استفاده از اثر(Enhanced Permeability and Retention (EPR و یا اتصال آنتی بادی منوکلونالباعث افزایش تجمع Ps در بافت هدف شوند . نانوذرات همچنین به عنوان یک جایگاه مناسب برای ترکیب روش PDT با سایر روشهای درمانی و یا تشخیصیمانند MRIمی‌تواند بکار گرفته شوند.نانوذرات تخریب پذیر باعث رهایش مناسب Ps در بافتهای هدف می‌شوند در حالیکه نانوذرات غیر تخریب‌پذیر عمدتا از طریق رهایش گونه های اکسیژن فعال به سلولهای هدف عمل می‌کنند و خود Ps به صورت کاتالیست تا زمانی که از سلولهای خارج نشود قابل استفاده است.ظهور نانوذرات فعال در PDT می‌تواند باعث افزایش دسترسی به بافتهای عمقی‌تر در این روش شود این نانوذرات یا به صورت Ps هستند و یا اینکه تابش اشعه X وو مادون قرمز نزدیک (Near Infra Red) راتبدیل به طول موج مناسب برای Ps متصل شده به نانوذرات می‌کنند البته مطالعات کلینیکی کمی با این نانوذرات صورت گرفته و هنوز هم سوالاتی در مورد دوز مناسب دارو و اشعه عوارض جانبی و مزایای کلینیکی این نانوذرات مطرح است.