وقتی نانوذرات جای پرستار را می‌گیرند؛ درمان خودکار دیابت و سرطان ممکن می‌شود

زهرا وجدانی: وقتی صحبت از فناوری‌های پزشکی آینده به میان می‌آید بسیاری از مردم به یاد ربات‌های جراح، هوش مصنوعی یا تجهیزات پیشرفته تصویربرداری می‌افتند؛ اما یکی از تحول‌آفرین‌ترین فناوری‌هایی که می‌تواند چهره درمان بیماری‌ها را در دهه‌های آینده دگرگون کند در مقیاسی بسیار کوچک‌تر از آنچه تصور می‌شود در حال توسعه است. این فناوری بر پایه نانوساختار‌های پلیمری پاسخ‌محرک بنا شده؛ ذراتی فوق‌العاده کوچک که قادرند وضعیت بدن را به‌طور مداوم پایش کرده و تنها در زمان مناسب و در محل مورد نیاز دارو را آزاد کنند.

در همین راستا، جکی‌ای رو یینگ از چهره‌های برجسته حوزه مهندسی زیستی و فناوری نانو، بنیان‌گذار موسسه مهندسی زیستی و نانوفناوری سنگاپور همچنین برگزیده سال ۲۰۱۵ جایزه مصطفی (ص) در گفت‌و‌گو با خبرنگار علمی و فناوری خبرگزاری برنا به تشریح تازه‌ترین دستاورد‌ها و چشم‌انداز‌های این فناوری پرداخت؛ فناوری‌ای که می‌تواند مفهوم دارورسانی را از یک فرآیند زمان‌بندی‌شده و عمومی به یک فرآیند هوشمند، شخصی‌سازی‌شده و خودکار تبدیل کند.

آغاز یک تحول از یک پرسش ساده

به گفته این پژوهشگر ایده اصلی دارورسانی هوشمند از یک پرسش بنیادی شکل گرفت: آیا می‌توان دارو را به گونه‌ای به بدن رساند که فقط در زمان نیاز در مکان مورد نظر و به میزان دقیق مورد نیاز آزاد شود؟

این پرسش ساده زمینه‌ساز شکل‌گیری یکی از مهم‌ترین شاخه‌های پژوهشی در پزشکی نوین شد. در روش‌های رایج درمان بیمار باید در زمان‌های مشخص دارو مصرف کند؛ بدون آنکه لزوما بدن در همان لحظه به آن دارو نیاز داشته باشد. این مسئله می‌تواند منجر به مصرف بیش از حد دارو کاهش اثربخشی درمان یا بروز عوارض جانبی شود.

در مقابل سامانه‌های دارورسانی پاسخ‌محرک به گونه‌ای طراحی شده‌اند که شرایط بدن را تشخیص داده و تنها در صورت نیاز فعال شوند. این ویژگی آنها را به ابزاری قدرتمند برای نسل آینده درمان‌های پزشکی تبدیل کرده است.

نانوذراتی که نقش پرستار را ایفا می‌کنند

برای درک بهتر عملکرد این فناوری کافی است بیماری دیابت را در نظر بگیریم. میلیون‌ها بیمار دیابتی در سراسر جهان ناچارند سطح قند خون خود را به‌طور مداوم کنترل کرده و در صورت نیاز انسولین تزریق کنند. با این حال نوسانات ناگهانی قند خون همیشه قابل پیش‌بینی نیست.

 یینگ به برنا توضیح می‌دهد که در سامانه‌های جدید نانوذراتی در بدن قرار می‌گیرند که به‌طور مداوم سطح گلوکز خون را رصد می‌کنند. هر زمان که میزان قند خون افزایش یابد، این ذرات به‌صورت خودکار فعال شده و انسولین ذخیره‌شده درون خود را آزاد می‌کنند. پس از بازگشت قند خون به محدوده طبیعی نیز فرایند آزادسازی متوقف می‌شود.

درواقع این نانوذرات همانند یک پرستار هوشمند و خستگی‌ناپذیر عمل می‌کنند که به‌صورت شبانه‌روزی وضعیت بیمار را زیر نظر دارد و در لحظه مناسب وارد عمل می‌شود.

نانوساختار‌های پلیمری چگونه کار می‌کنند؟

نانوساختار‌های پلیمری از زنجیره‌های مولکولی پلیمری ساخته می‌شوند که در مقیاس نانو مهندسی شده‌اند. اگرچه پلیمر‌ها در بسیاری از محصولات روزمره مانند پلاستیک‌ها، چسب‌ها و حتی مولکول‌های زیستی نظیر DNA وجود دارند، اما زمانی که در ابعاد نانومتری طراحی و کنترل شوند قابلیت‌های کاملا متفاوتی پیدا می‌کنند.

این ساختار‌ها می‌توانند دارو را درون خود ذخیره کرده و همانند کپسول‌های بسیار کوچک حمل کنند. تفاوت اصلی آنها با حامل‌های دارویی متداول در این است که تنها در پاسخ به یک محرک مشخص محتوای خود را آزاد می‌کنند.

این محرک می‌تواند افزایش غلظت گلوکز، تغییر دما، تغییر میزان اسیدیته بافت، حضور آنزیم‌های خاص یا حتی عوامل خارجی مانند نور، میدان مغناطیسی و امواج فراصوت باشد.

فناوری پاسخ‌محرک؛ کلیدی برای درمان هدفمند

یکی از مفاهیم کلیدی در این حوزه پاسخ‌محرک است. در این سامانه‌ها نانوذرات به گونه‌ای طراحی می‌شوند که نسبت به تغییرات محیطی حساس باشند. به عنوان مثال اگر محیط اطراف نانوذره اسیدی‌تر شود یا سطح گلوکز افزایش پیدا کند، ساختار فیزیکی یا شیمیایی آن تغییر می‌کند. این تغییر می‌تواند به شکل تورم، باز شدن شبکه پلیمری یا شکسته شدن پیوند‌های شیمیایی باشد که در نهایت منجر به آزادسازی دارو می‌شود.

یینگ توضیح می‌دهد: این فرآیند را می‌توان به قفلی تشبیه کرد که تنها با کلید مخصوص خود باز می‌شود. در واقع بدن سیگنال لازم را صادر می‌کند و نانوذره در پاسخ به آن دارو را آزاد می‌سازد.

درمان هوشمند دیابت؛ یکی از مهم‌ترین کاربرد‌ها

به گفته این پژوهشگر یکی از امیدبخش‌ترین کاربرد‌های این فناوری در درمان دیابت است. در این بیماری کنترل دقیق سطح قند خون اهمیت حیاتی دارد و کوچک‌ترین خطا در تنظیم دوز انسولین می‌تواند پیامد‌های جدی برای بیمار به همراه داشته باشد.

در نسل جدید سامانه‌های دارورسانی از نانوذراتی استفاده می‌شود که به مولکول گلوکز حساس هستند. این نانوذرات معمولا از پلیمر‌های زیست‌سازگاری مانند پلی‌اتیلن گلایکول و کیتوسان ساخته می‌شوند و با گروه‌های عملکردی خاصی نظیر فنیل‌بورونیک اسید ترکیب می‌شوند.

این گروه‌های شیمیایی توانایی شناسایی مولکول‌های گلوکز را دارند. زمانی که غلظت گلوکز افزایش پیدا می‌کند برهم‌کنش میان گلوکز و این گروه‌های شیمیایی باعث تغییر ساختار نانوذره شده و در نتیجه انسولین آزاد می‌شود.

با کاهش سطح گلوکز ساختار نانوذره مجددا به حالت اولیه بازمی‌گردد و آزادسازی دارو متوقف می‌شود. این چرخه می‌تواند بار‌ها تکرار شود و نوعی سامانه درمانی خودتنظیم‌شونده را ایجاد کند.

طراحی نانوذرات خودتنظیم‌شونده

در این فناوری ابتدا مولکول‌های انسولین درون نانوذره بارگذاری می‌شوند. سپس پوشش پلیمری اطراف آن به گونه‌ای طراحی می‌شود که تنها در شرایط خاص باز شود.

زمانی که سطح قند خون افزایش پیدا می‌کند، مولکول‌های گلوکز با گروه‌های بورونیک‌اسید موجود در ساختار نانوذره واکنش می‌دهند. این واکنش موجب تغییر آرایش مولکولی، افزایش نفوذپذیری یا تورم ساختار شده و در نهایت انسولین به شکل کنترل‌شده آزاد می‌شود.

این فرایند نه‌تنها دقت درمان را افزایش می‌دهد بلکه نیاز به تزریق‌های مکرر را نیز به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد و کیفیت زندگی بیماران را بهبود می‌بخشد.

این فناوری اکنون در چه مرحله‌ای قرار دارد؟

اگرچه دارورسانی هوشمند مبتنی بر نانوذرات پلیمری هنوز به‌طور گسترده وارد درمان‌های روزمره نشده است، اما طی سال‌های اخیر پیشرفت‌های قابل توجهی در این زمینه حاصل شده است.

به گفته یینگ بخش عمده تحقیقات تاکنون در مدل‌های حیوانی انجام شده و نتایج اولیه بسیار امیدوارکننده بوده‌اند. پژوهشگران در مراکز علمی برجسته جهان از جمله دانشگاه MIT، دانشگاه استنفورد و موسسات پژوهشی سنگاپور در حال توسعه نسل‌های جدیدی از نانوحامل‌های دارویی هستند که به انواع مختلف محرک‌های زیستی پاسخ می‌دهند.

مطالعات حیوانی نشان داده‌اند که این سامانه‌ها می‌توانند کنترل موثری بر سطح قند خون داشته باشند و در برخی موارد عملکردی نزدیک به یک سامانه پانکراس مصنوعی از خود نشان دهند. با این حال مسیر تجاری‌سازی و استفاده گسترده انسانی همچنان نیازمند آزمایش‌های بالینی، بررسی‌های ایمنی بلندمدت و دریافت مجوز‌های قانونی است.

مزایای دارورسانی هوشمند نسبت به روش‌های سنتی چیست؟

کارشناسان معتقدند مهم‌ترین مزیت این فناوری افزایش دقت در زمان و مکان رهایش دارو است. در روش‌های سنتی دارو طبق یک برنامه زمانی مشخص مصرف می‌شود اما در روش جدید بدن خود زمان مصرف را تعیین می‌کند.

این ویژگی موجب کاهش مصرف کلی دارو، افزایش اثربخشی درمان و کاهش عوارض جانبی می‌شود. همچنین دارو مستقیما به بافت هدف منتقل می‌شود و از آسیب به سایر بافت‌های بدن جلوگیری می‌کند. در نتیجه درمان نه‌تنها موثرتر بلکه ایمن‌تر نیز خواهد بود.

فراتر از دیابت؛ کاربرد در سرطان و بیماری‌های عصبی

یینگ تاکید می‌کند که کاربرد‌های این فناوری تنها به دیابت محدود نمی‌شود. یکی از مهم‌ترین حوزه‌های استفاده از نانوذرات پاسخ‌محرک درمان سرطان است.

در بسیاری از درمان‌های سرطان دارو‌های شیمی‌درمانی علاوه بر سلول‌های سرطانی به سلول‌های سالم نیز آسیب می‌رسانند، اما نانوذرات هوشمند می‌توانند دارو را مستقیما به تومور منتقل کرده و تنها در محیط ویژه سلول‌های سرطانی آن را آزاد کنند. علاوه بر این در بیماری‌های التهابی می‌توان از این سامانه‌ها برای شناسایی محل التهاب و آزادسازی هدفمند دارو استفاده کرد.

یکی دیگر از کاربرد‌های مهم درمان بیماری‌های مغزی و عصبی است. بسیاری از دارو‌ها قادر به عبور از سد خونی-مغزی نیستند اما نانوحامل‌های پیشرفته می‌توانند این مانع را پشت سر گذاشته و دارو را به بخش‌های مشخصی از مغز برسانند.

بنابر گفته یینگ با وجود تمام مزایا توسعه این فناوری همچنان با چالش‌هایی همراه است. مهم‌ترین چالش اطمینان از ایمنی بلندمدت نانوذرات در بدن انسان است.

اگرچه بسیاری از این مواد زیست‌سازگار و قابل تجزیه هستند اما پژوهشگران باید مطمئن شوند که تجمع احتمالی آنها در بافت‌ها یا محصولات تجزیه‌شان هیچ‌گونه اثر جانبی ناخواسته‌ای ایجاد نمی‌کند. همچنین تولید انبوه، کاهش هزینه‌ها و استانداردسازی فرایند‌های ساخت از دیگر موانع موجود در مسیر تجاری‌سازی این فناوری به شمار می‌رود.

آینده‌ای که در آن بدن خود درمان را مدیریت می‌کند

کارشناسان معتقدند نانوساختار‌های پلیمری پاسخ‌محرک می‌توانند یکی از ستون‌های اصلی پزشکی آینده باشند؛ پزشکی‌ای که در آن درمان‌ها به‌صورت خودکار، هوشمند و متناسب با شرایط هر فرد انجام می‌شوند.

در چنین آینده‌ای بیماران دیگر نیازی به یادآوری زمان مصرف دارو یا نگرانی درباره فراموش کردن دوز‌های درمانی نخواهند داشت. سامانه‌های هوشمند نانویی تغییرات بدن را تشخیص داده و دقیقا در زمان مناسب وارد عمل خواهند شد.

فناوری نانوذرات پاسخ‌محرک تنها یک ابزار جدید برای انتقال دارو نیست؛ بلکه گامی مهم در مسیر تحقق پزشکی شخصی‌سازی‌شده و هوشمند محسوب می‌شود. مسیری که می‌تواند درمان بیماری‌های مزمن، سرطان، اختلالات عصبی و بسیاری از بیماری‌های پیچیده دیگر را متحول کند.

اگر روند پیشرفت کنونی ادامه یابد آینده پزشکی نه در قرص‌ها و تزریق‌های سنتی بلکه در ذراتی بسیار کوچک نهفته خواهد بود؛ ذراتی که در سکوت وضعیت بدن را رصد می‌کنند، نیاز‌های آن را می‌فهمند و در لحظه مناسب درمان را آغاز می‌کنند.