تصميم الجسيمات النانوية المتعددة الوظائف للاستخدامات العلاجية والتشخيصية المشتركة

مقدمة: وعد نانوثروستيك

وتشغل الجسيمات الناعمة التي تعرف بأنها جزيئات ذات بعد واحد على الأقل دون 100 نانوتر، تقاطعاً فريداً بين علوم المواد وعلم الأحياء، ويمنحها حجم الناموسيات نسبة غير عادية من المناطق السطحية إلى الحجم، والقدرة على تخطي الحواجز البيولوجية التي لا يمكن أن تُحدثها الجسيمات الأكبر، وفي الطب، يجعلها مناسبة بشكل استثنائي للتفاعل مع أجهزة الخلايا.

ما هي الجزيئات النانوبية المتعددة الوظائف؟

(أ) تُعدّل الجسيمات النانوية المتعددة الوظائف وتُدمج قدراتين متميزتين على الأقل - على نحو ثابت - وظيفة علاجية (التوصيل الحراري الضوئي، والنسيج الجيني) ووظيفة تشخيص (التصوير المغنطيسي، والفلور، والتصوير المركب بواسطة الفمبيوتر) خلافاً لحاملي المخدرات النانوبية التقليديين الذين يقدمون فقط حمولة بصرية

ويكتسي حجم هذه الجسيمات - التي تتراوح بين 1 و200 نانو - أهمية حاسمة: إذ يتم بسرعة إزالة الجسيمات التي تقل عن 10 نانو متر من خلال النسيج الكلوي، بينما يرجح أن تُعزل الجسيمات التي تزيد على 200 نانو متر بواسطة الكبد والطحال، ويقع الحجم الأمثل لمعظم التطبيقات السطحية بين 10 و100 نانو متر، ويُتوازن التداول المطول مع تراكم فعال للأنسجة المُرضية عن طريق التأثير المُعزَّزَّزَّزَّز.

وتشمل البنى المشتركة هياكل القصف الأساسي، حيث يوفر النواة المغناطيسية أو الفلزية تناقضاً في التصوير، كما أن قذيفة متعددة الألياف أو شفاهية تحمل عوامل علاجية؛ وجسيمات صليبية متماثلة تحمل مواد محملة بالمخدرات وصور مستهدفة مطروحة سطحيا؛ وأشياء متعددة الوظائف من الليونات التي تحشد وكلاء التصوير والمخدرات داخل صلبها أو شفتها.

مبادئ تصميم الجسيمات النانوبية القارئة

ويتطلب تصميم الجسيمات النانوية الفعّالة عملاً دقيقاً للموازنة، ويُستدل من ذلك مبادئ التصميم الأساسية التي تسترشد بها في تطوير هذه النظم المعقدة.

التكافؤ البيولوجي والتحلل البيولوجي

ويجب أن تتجنب أي مواد تُدخل إلى الجسم إطلاق سمية حادة أو استجابات مزمنة، ومن الناحية المثالية، ينبغي إزالة الجسيمات النانوية نفسها أو منتجات التحلل من خلال الممرات الأيضية الطبيعية، والبوليمرات القابلة للتحلل الأحيائي مثل حامض البوليكوليكلوري المتعدد الأشكال (التكتيكي - غليلي) والناقلات التي تعتمد على الدهون من أجل ملام المثبتة للأكسدة.

استهداف القدرة على العمل

ويعتمد الاستهداف السلبي على الأثر المعزز للقابلية للاستمرارية والاحتفاظ، حيث تُستنزف الجسيمات النانوية عن طريق نسيج الورم المسرب، غير أن الاستهداف النشط يولد قدراً أكبر بكثير من التحديد، وتُعاد تحديد أنواع الخيول - المشابهة، والثدييات، والأبتام، والجزيئات الصغيرة - التي تُنقل إلى سطح ناوئيات المُضَعَة على أهداف نقل الأمراض.

نقل المخدرات والتحكم فيها

وتحمّل العوامل العلاجية - العلاج الكيميائي، والأحماض النواة، والبروتين، وأجهزة استشعار الصور - المكشوفة بكفاءة عالية، وتحمي من التدهور السابق لأوانه، ويمكن تصميم ملامح الإصدار بحيث تكون مستجيبة للنباتات: تُطلق بواسطة حمض نووي (العمل في بيئات التكليل الحرارية الحمضية)، ودرجة الحرارة (عن طريق التهاب الكبد الفوقي)، وأجهزة الاصطناعية للأشعة فوق السطحية.

Imaging Capability

ويتحقق التشخيص عن طريق إدماج عوامل متناقضة أو مراسلين، أما بالنسبة للتصوير المغناطيسي للتردد، فإن أكسيد الحديد الفموي الفوقغنطيزي يُحدث تناقضاً بين المادة 2؛ فالخلايا المضغوطة التي تستخدم في الأشعة المغنطية، والتصوير المغناطيسي، والتصوير المغناطيسي، أو النسيج المغناطيسي، أو الفلوري، يستغل الأشعة المضية المغناطيسية المغناطيسية الفوقية السائلة.

أداء السطح وحيازته

وللتهرب من سرعة اختراق النظام الحرفي النووي الواحد، كثيرا ما تُكَنَّف الجسيمات النانوية بواسطة خلية البوليثيلين أو غيرها من البوليميرات الكهرمائية، ويمتد هذا التصفيق " البقايا " فترة التداول ويحسن فرص بلوغ الهدف، غير أن الإفراط في PEGylation يمكن أن يعوق الاستيعاب الخلوي وهروب الخلايا الفوقية.

المواد المستخدمة في تصميم الجسيمات النانوية

وتتوفر مجموعة واسعة من المواد لبناء الجسيمات النانوية المسببة للضبابات، وتمنح كل فئة مزايا ومفاضلات متميزة.

الجسيمات النانوبية المكدسة

(ب) المبيدات هي أكثر منابر ثابتة سريرياً، وتتألف من واحد أو أكثر من بائعات الفوسفوري التي تحيط بقاع مائي، ويمكن تحميل العقاقير الوبائية وعوامل التصوير في النواة، بينما يمكن إيواء العوامل الهيدروفوبية داخل المبيد، كما أن عوامل الازدحام السائلة (دوكسيل) وكمائن النسيج المشابه لليد (Leposomal amphotericin B) قد تمت مواءها؛

الجسيمات النانوبية المتعددة

وتستخدم على نطاق واسع البوليمرات الاصطناعية القابلة للتحلل الأحيائي مثل PLGA و PLA و PEG-based copolymers، ويمكن أن تُستخدم معدلات تدهورها، وقوامها الميكانيكي، والكيمياء السطحية من خلال تركيبات البوليميريكات المتعددة الصنع، ويمكن أن تُجمع الجرعات العالية من المخدرات ووكلاء التصوير، وكثيرا ما تُستخدم في تحديد درجات الحرارة القصوى " .

الجسيمات النانوية غير العضوية

وتمنح الجسيمات النانوية الذهبية لترددها على البلازما السطحية، مما يتيح معالجة الحرارة الضوئية والتصوير الفوتوغرافي، كما أن الشواغل النانوية الذهبية والثدييات النانوية تستوعب الضوء في النافذة القريبة من الأشعة تحت الحمراء، حيث تكون الأنسجة شفافة نسبيا، ويسهل تشغيلها بأكياس مائلة.

جزيئات النانوب المشبع بالكربونات والمهجورة

وتعطي نانووب الكربون وأكسيد الجاين والماس النانوديا خصائص بصرية وميكانيكية فريدة، حيث تتيح مساحة سطحها المرتفعة التشغيل الكثيف، ولكن بيانات السمية الطويلة الأجل لا تزال متراكمة، وتجمع الجسيمات النانوية المهجورة بين المكونات العضوية وغير العضوية لتعزيز مواطن قوة كلا العنصرين، مثل تركيبة النانوبات الذهبية التي تحتوي على مصممات مصممة خصيصا.

التطبيقات الرئيسية لجسيمات النانوب الزهرية

السرطان

ويظل السرطان هو التركيز الرئيسي للنانويات النانوية بسبب الحاجة الملحة إلى المعالجة المبكرة للكشف والفحص الدقيق، إذ أن الجسيمات النانوية للأوكسيد الحديدي التي تعمل بالأجسام المضادة للمركبات من نوع HER2 يمكن أن تلتقط في وقت واحد أورام الثدي بواسطة MRI، وتحفز على التعرض لمجال مغنطيمي متغير، مما يؤدي إلى قتل خلايا السرطان في الوقت الذي يقطع فيه الأنسجة الصحية.

تطبيقات القلب والأوعية الدموية

وقد يستفيد أيضاً من الجسيمات النانوية الارتجاعية، والارتطام بالقلب، والسكتة القلبية، والضربة، ويمكن أن تُستخدم الجسيمات النانوية المستهدفة في لوحات الشريان المشتعلة، وتُقدم العقاقير المضادة للتهاب، بينما تُصور في نفس الوقت تركيبة البلازما وقابلية التأثر بها، ويمكن استخدام الشذوذ الذهبي المزود بالبلازميدات المحلية للكشف عن الاصطناعي.

الانزعاج العصبي

ويشكل عبور حاجز الدم تحديا كبيرا، ولكن بعض تصميمات الجسيمات النانوية يمكن أن تحقق ذلك عن طريق نقل النسيج الوسيط بواسطة أجهزة الاستلام (مثلا استهداف أجهزة استرجاع السائل أو الانسولين) وقد تؤدي الجسيمات النانوية المحملة بوكلاء وقائيين مع التركيز على الجسيمات العصبية، والتي تحمل على تناقضات الرنين المغناطيسي إلى التشخيص المبكر لأورام الغدة وأمراض الكيمياء المتزامنة.

الأمراض المعدية

كما أن النابوليات النانوية تبشر بمكافحة الأمراض المعدية، بما فيها السل وفيروس نقص المناعة البشرية والأمراض الفيروسية الناشئة، ويمكن أن توفر المواد النانوية المتعددة الوظائف مضادات حيوية أو مضادات للفيروسات الرجعية للمستودعات المتقطعة مثل الكبريتات، مع توفير التغذية التغذوية للتحقق من أن موقع العدوى قد تم الوصول إليه، كما أن الجسيمات الفضية والذهبية نفسها تمتلك خصائص مضادة للأوبئة؛

التحديات والحدود

ورغم التقدم غير العادي، فإن عدة عقبات تعوق الترجمة السريرية للجسيمات النانوية المتعددة الوظائف.

السمية والقابلية للتطابق البيولوجي

وقد تتراكم المواد النانوية غير العضوية، على وجه الخصوص، في الأعضاء وتتسبب في سمية طويلة الأجل.() وتثير النقاط الكمية القائمة على الكدميوم ونوبات الكربون شواغل، بل إن البوليمرات القابلة للتحلل الأحيائي يمكن أن تحفز على استجابات إن كانت منتجات التحلل حمضية.()

Scale-Up and Manufacturing

إن ترجمة تركيبة المواد النانوية من بضعة ملليغرامات في المختبر إلى كيلوغرامات لإجراء التجارب السريرية يمثل تحديا هائلا، ويجب أن تكون إعادة إنتاج الباتش إلى الباتش عالية للغاية، ولا سيما بالنسبة للجسيمات ذات المجالات الوظيفية المتعددة، وأن تكون السمات الكيميائية - التوزيع، والزيتا، وكفاءة تحميل المخدرات، وازدياد كثافة المواد في الجسم، وازدياد كثافة المواد.

الحصبة التنظيمية والعيادية

ولا يزال الإطار التنظيمي للمنتجات المختلطة (الدراج + الجهاز) يتطور، ففي الولايات المتحدة، تتطلب هيئة التنمية الحرجية تقييما منفصلا لكل عنصر وتفاعله، وكثيرا ما تعني تعقيدات النانويات أنه لا توجد برمجيات تنظيمية واحدة على نحو مثالي، وتواجه الشركات تكاليف إنمائية أعلى وجداول زمنية أطول، ويجب أن ينظر تصميم المحاكمات السريرية في كل من نقاط الأشعة المعالجة والتصويرية، التي تزيد من تعقيدات.

هتربة الأمراض

ويصعب تصميم الجسيمات النانوية التي تعمل بشكل موحد، ويتفاوت التعبير عن المضبوطات على نطاق واسع؛ ويختلف الأثر المعزز للقابلية للذوبان والاحتفاظ بهم على نطاق عالمي في جميع الأورام، ويظل النانويات الشخصية - حيث تصمم الجسيمات النانوية على أساس الصورة الجزيئية للمسح الأحيائي - هو هدف ملهمي، ولكن يتطلب ذلك بسرعة

الاتجاهات المستقبلية

ويتقدم ميدان الجسيمات النانوية المسببة للضغوط بسرعة، ويقوده الابتكارات في علوم المواد، والمعلوماتية الحيوية، والهندسة.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

ويتزايد استخدام التعلم في مجال الطاقة والآلات للتنبؤ بخواص الجسيمات النانوية، والتقليل إلى الحد الأمثل من التركيبات، وتحفيز التفاعلات مع النظم البيولوجية، ويمكن للشبكات العصبية تحليل مجموعات بيانات واسعة النطاق من خصائص المواد النانوية والقياسات البيولوجية لتحديد قواعد التصميم التي تزيد إلى أقصى حد من الانتقائية وتخفض إلى أدنى حد من السمية، وهذا في نهج السيليكو يمكن أن يقلل بدرجة كبيرة من عدد التجارب اللازمة ويعجلة في تطوير الجسيمات الصارمة الفعية.

جزيئات النانوبات الحيوية والسيلية - الدرنة

وتكدس الجسيمات النانوية التي تحتوي على حمض من الخلايا الحمراء للدم أو لوحات أو خلايا مناورة تزوّد الخواص الأساسية الاصطناعية بالوصلات البيولوجية الطبيعية، وتهرب هذه الجسيمات النانوية المسببة للخداع ويمكن أن ترث القدرات الهوائية لخلايا المصدر، مثلاً، يمكن أن تستهدف مواقع النانوبات المحتوية على كميات كبيرة من الزئبق.

نظم الإصدار المستجيبة والمتتالية

وتبرز الجيل القادم من التصميمات وجود عدة عوامل مستجيبة للدموع، إذ يمكن أن تؤدي الجسيمات النانوية التي تتفاعل مع دواء داخلي (الإنزيم، الأنزيم) ووسيلة خارجية (الضوء، والأشعة فوق الصوتية، والمجال المغناطيسي) إلى تنشيط متعدد المراحل، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تؤدي الموجات فوق الصوتية إلى إطلاق العقاقير المحلية وتوليد الانحرافات التي تحسن من التناقضات العسيرية.

نحو الترجمة السريرية

وقد دخلت عدة جسيمات نانوبائية في أوروبا في اختبارات سريرية، حيث يجري اختبار المواد النانوية من أكسيد الحديد لإصابتها بصدمات شديدة وبغض في الغدد الصماء في أوروبا، وتتوقع التركيبات البلاستيكية المشتركة في التعبئة من الدوكوروبين والأشعة المقطعية تقييما لسرطان الكبد، ويحتاج المسار إلى تعاون وثيق بين الباحثين الأكاديميين والشركاء في الصناعة والهيئات التنظيمية.

خاتمة

إن تصميم الجسيمات المتعددة الوظائف من أجل الاستخدام العلاجي والتشخيصي معا يمثل نهجاً تحولياً في تناول الطب، إذ إن الاكتشاف والعلاج في منصة واحدة، وتوفر النانويات إمكانيات التشخيص المبكر، والعلاج الشخصي، والرصد في الوقت الحقيقي، في ظل إدارة واحدة، وفي حين أن التحديات في السمية والتصنيع والتنظيم لا تزال قائمة، فإن انتشار المواد واستراتيجيات التصميم المتاحة لا يزال يتسع.

For further reading, consider this comprehensive review on theranostic nanoparticles in cancer from Nature Reviews Materials, FDA guidance on combination products, and recent research on [Five-Hre:6]