آریاطب
نانوفناوری در خدمت سلولهای بنیادی
فناوری نانو و درمانهای پزشکی با استفاده از سلولهای بنیادی، از جدیدترین و پیشرفتهترین روشها در تحقیقات فناوری زیستی به شمار میآیند. اخیراً دانشمندان به دنبال راههایی برای ترکیب این دو رشته علمی بودهاند. ظهور فناوری نانو بهطور قابلتوجهی باعث تسهیل در درک و بهبود درمانهای سلولهای بنیادی در محیطهای زنده شده است. این فناوری نه تنها به درک بهتر فرآیندهای رشد و تمایز سلولهای بنیادی در محیطهای کشت باکتری کمک کرده، بلکه زمینه را برای استفاده از این سلولها در درمانهای پزشکی فراهم کرده است. به نظر میرسد این فناوری پتانسیل زیادی برای باز کردن چشماندازهای جدید در تحقیقات سلولهای بنیادی دارد. فناوری نانو میتواند شامل توسعه سیستمهای تحویل ژن بسیار پایدار و کارآمد، بررسی بیان ژن در سلولهای بنیادی با استفاده از سیستمهای نانومقیاس مانند میکروآرایهها، ایجاد محیطهای سهبعدی پویا برای نگهداری و تمایز سلولهای بنیادی در شرایط آزمایشگاهی و زنده، و طراحی سیستمهای حساس برای آشکارسازی فرآیندهای تمایز و آپوپتوسیس سلولهای بنیادی در مدلهای بیماری مختلف باشد.
جملات ریچارد شوارتز که بیان میکند «انتظار میرود تأثیر فناوری نانو حتی بیشتر از تأثیر انقلاب الکترونیک در زندگی ما باشد»، بهخوبی نشاندهنده تأثیر گسترده و غیرقابل انکار این فناوری در زندگی بشر است. فناوری نانو با هدف مهندسی و تولید سیستمها و مواد در مقیاس اتمی و مولکولی، بهویژه در محدوده ۱ تا ۱۰۰ نانومتر، فرصتی بینظیر برای تولید مواد و دستگاههایی با کاربردهای گسترده در پزشکی، الکترونیک، بیوتکنولوژی و انرژی فراهم کرده است. این فناوری ظرفیت بالقوهای برای انقلابی در تشخیص و درمان بیماریها از طریق نانوابزارهای هوشمند دارد. اولین جایزه نوبل در زمینه فناوری نانو در سال ۱۹۸۶ به دکتر گرد بینینگ و دکتر هاینریش روهر برای کشف میکروسکوپ پویش تونلی اعطا شد. از آن زمان تاکنون، فناوری نانو بهطور گستردهای در تمام زمینههای علوم زندگی از جمله پزشکی و سلولهای بنیادی مورد استفاده قرار گرفته است.
امروزه میکروسکوپهای پویشی با موفقیت برای مشاهده و شناسایی سلولهای بنیادی جنینی، بهویژه در میان مجموعهای از سلولهای مختلف، استفاده میشود. سلولهای بنیادی که سلولهای غیرویژه و کلونوژنیک هستند، توانایی تمایز به انواع مختلف سلولهای سهلایه اولیه (اکتودرم، مزودرم و آندودرم) را دارند. این ویژگی باعث میشود که سلولهای بنیادی برای ترمیم بافتها و درمانهای پزشکی احیایی کاربرد فراوانی پیدا کنند. با این حال، پیش از استفاده از پتانسیل درمانی سلولهای بنیادی در کلینیکها، نیاز به انجام آزمایشات پیشبالینی و استفاده از چندین فناوری بهطور همزمان وجود دارد. در این راستا، استفاده از فناوری نانو بهعنوان یک روش ترکیبی برای مطالعه و بهینهسازی سلولهای بنیادی در آزمایشگاهها و مدلهای پیشبالینی آغاز شده است. این ادغام میتواند منجر به دستاوردهای جدید و نوآورانهای در علم پزشکی شود و چالشهای پیچیدهای را در درمان و بیماریهای مختلف روشن کند.
فناوری نانو در جداسازی و ردیابی سلولهای بنیادی
جداسازی سلولهای بنیادی اولین گام در استفاده مؤثر از این سلولها برای درمان و تحقیقات بیماریها است. در دهه گذشته، استفاده از فناوری نانو در جداسازی سلولها و تحقیقات زیستتصویری پیشرفتهای زیادی کرده است. نانوذرات اکسید آهن ابرپارامغناطیسی (SPIO) بهعنوان یکی از نانوذرات مؤثر در جداسازی و ردیابی غیرتهاجمی سلولهای بنیادی شناخته شدهاند. این نانوذرات بهطور خاص برای برچسب زدن به سلولهای بنیادی و سپس جداسازی آنها با استفاده از میدان مغناطیسی مورد استفاده قرار میگیرند. بهعنوان مثال، نانوذرات SPIO با استفاده از آنتیبادی ضد CD34 برای جداسازی سلولهای خونی بنیادی از سلولهای خون انسان مورد استفاده قرار گرفته است. این فناوری بهویژه در پیگیری و نظارت بر نتایج پیوند سلولهای بنیادی در بدن، مانند پیوند سلولهای بنیادی عصبی به مغز موش، نتایج مثبتی به همراه داشته است.
با این حال، یکی از چالشهای موجود در این فناوری، کارایی پایین برچسب زدن داخل سلولی است. در نتیجه، تلاشهایی برای توسعه استراتژیهای جدید برای برچسبزنی سلولها در مقیاس نانو صورت گرفته است. بهعنوان مثال، نانوذرات پرفلئوروکربن ۲۰۰ نانومتری برای برچسب زدن به سلولهای بنیادی اندوتلیال خون بند ناف انسان بهکار رفتهاند، که باعث امکانپذیر شدن ردیابی آنها با استفاده از تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) میشود. این روش، با حذف سیگنالهای پسزمینه، دقت و وضوح بالایی در اندازهگیری سلولهای نشاندار ارائه میدهد.
روش دیگری که اخیراً برای ردیابی سلولهای بنیادی در بدن استفاده شده است، استفاده از نقاط کوانتومی است. این نقاط که کریستالهای نانویی هستند و نور نشر میکنند، بهدلیل پایداری نوری و طول عمر طولانیشان، جایگزین مناسبی برای سایر تکنیکهای برچسبزنی سلولهای بنیادی در شرایط محیط زنده به شمار میروند. همچنین، نانولولههای کربنی مغناطیسی (mCNT) نیز برای ردیابی سلولهای بنیادی خونساز در بدن بهکار رفتهاند. این روشها باعث پیشرفتهای چشمگیری در درک رفتار و فرآیندهای سلولهای بنیادی در محیطهای زنده شدهاند.
فناوری نانو در سلولهای بنیادی و درمانهای پزشکی
فناوری نانو میتواند نانوذرات مغناطیسی (MNPs)، نقاط کوانتومی و نانوذرات طلا را که در ردیابی سلولهای بنیادی استفاده میشوند، با مولکولهای زیستی مختلف مانند لیپوزومها، پلیاتیلن گلیکول، پپتیدها و آنتیبادیها اصلاح کند. این اصلاحات موجب میشود که نانوذرات بهعنوان سیستمهای کارآمد برای تحویل ژنها، اولیگونوکلئوتیدها، پروتئینها و پپتیدها داخل سلولها عمل کنند. با این حال، قبل از اینکه نانوذرات بهطور کامل برای تحویل ژنها استفاده شوند، نگرانیهایی در مورد عوارض و سمیت این نانوذرات در بافتهای زنده وجود دارد که نیاز به بررسی بیشتر دارند. در برخی از مطالعات اخیر، اثرات سیتوتوکسیک و ژنوتوکسیک نانوذرات در سلولهای بنیادی انسان بهطور مشهودی مشاهده شده است.
کنترل تکثیر و تمایز سلولهای بنیادی با استفاده از فناوری نانو
سلولهای بنیادی بهدلیل توانایی شگفتانگیز خود در تبدیل شدن به هر نوع سلول در بدن موجود زنده، بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. تحت شرایط مناسب، این سلولها میتوانند به بافتهای مختلف مانند قلب، روده و پوست تمایز پیدا کنند. با این حال، مطالعات in vivo و آزمایشهای بالینی نشان دادهاند که توانایی سلولهای بنیادی در بازسازی بافتهای آسیبدیده محدود است، بهویژه بهدلیل نبود کنترل دقیق بر تکثیر و بقای آنها در مراحل قبل و بعد از پیوند. در این راستا، توسعه تکنیکهای نانو و میکرو برای بازسازی و نگهداری سلولهای بنیادی در محیطهای میکرومتری به محققان این امکان را میدهد که تکثیر، تفکیک و تمایز سلولهای بنیادی را بهطور مؤثری کنترل کنند. این تکنیکها بهویژه برای بازسازی بافتهای آسیبدیده بسیار حیاتی هستند. دستکاری داربستهای پلیمرهای زیستی در مقیاس نانو و میکرو، خواص مکانیکی و معماری سهبعدی آنها را تغییر میدهد و این تغییرات بر روی توانایی سلولهای بنیادی برای تمایز و رشد در مقیاس in vivo تأثیر میگذارد. فناوری نانو میتواند به ایجاد میکرو محیطهای in vivo برای شبیهسازی شرایط مناسب برای تمایز سلولهای بنیادی به انواع مختلف سلول کمک کند. بهویژه نانولولههای کربنی (CNTs) به دلیل داشتن ساختار نانومتری مشابه با ساختار پروتئینهای بافت خارج سلولی، توانایی تعامل با انواع مختلف سلولهای بنیادی را دارند و در مهندسی زیستی کاربرد دارند. نانولولههای کربنی میتوانند تکثیر و تمایز سلولهای بنیادی مزانشیمی (MSCs) و سلولهای بنیادی عصبی را تقویت کنند. بهطور خاص، نانولولههای کربنی کوچک چسبندگی سلولهای بنیادی را بدون القای تمایز افزایش میدهند، در حالی که نانولولههای بزرگتر میتوانند موجب طویل شدن سلولها و القای تمایز به سلولهای استئوبلاستمانند شوند. این ویژگیها میتواند به توسعه درمانهای مبتنی بر نانوفناوری برای بیماریهای استخوانی کمک کند.
در عین حال، گزارشهایی مبنی بر اثرات ژنوتوکسیک نانولولههای کربنی وجود دارد، که باید با احتیاط در نظر گرفته شوند. یکی دیگر از نوآوریها در این زمینه، استفاده از داربستهای نانوالیاف خودآرایه پپتیدهای سازگار زیستی (SAPNS) است که ساختار مشابه با ماتریکس خارج سلولی را فراهم میکنند و باعث مهاجرت و تمایز سلولهای بنیادی عصبی در محیط سهبعدی میشوند. این داربستها میتوانند بهطور مؤثری سلولهای بنیادی عصبی را به نورونهای بالغ تبدیل کنند.
استفاده از نانوذرات در انتقال ژن به سلولهای بنیادی
انتقال ژن به سلولهای بنیادی، بهویژه برای القای تمایز و گسترش سلولی، یکی از جنبههای مهم در درمان سلولهای بنیادی است. اخیراً از انواع مختلف نانوذرات برای طراحی سیستمهای انتقال ژن استفاده شده است که هم در شرایط آزمایشگاهی و هم در داخل بدن بهطور مؤثری عمل میکنند. بهعنوان مثال، نانوذرات فلزی برای انتقال ژنهای غیرویروسی به سلولهای بنیادی مزانشیمی (hMSCs) با موفقیت بهکار رفته است. این سیستمها مزایای زیادی دارند؛ از جمله ایمنی بالا، امکان تقویت انتقال مولکولهای زیستی درمانی مانند DNA و siRNA از طریق روشهای مغناطیسی، هدفگیری سلولی برای ردیابی سلولهای نشاندار با نانوذرات فلزی و تصویربرداری غیرتهاجمی.
همچنین نانوذرات زیستتخریبپذیر از پلیمرهای کوپلیمر مانند DL-لاکتیک گلیکولیک اسید (PLGA) بهعنوان حامل ژن و سیستم انتقال برای تحریک غضروفسازی در سلولهای بنیادی مزانشیمی بهکار رفتهاند. این سیستمها بهطور مؤثر ژن SOX9 را در سلولهای بنیادی مزانشیمی منتقل میکنند و باعث تحریک غضروفسازی در مدلهای آزمایشگاهی و داخل بدن میشوند. علاوه بر این، در استفاده از سیستمهای انتقال ژن مبتنی بر فناوری نانو برای تهیه سلولهای بنیادی القاشده (iPSCs) نیز پیشرفتهای زیادی صورت گرفته است. این سلولها از سلولهای بالغ با استفاده از ترانسفکشن ویروسی ژنهای خاص تولید میشوند و میتوانند بهعنوان منابع سلولی برای درمانهای مختلف بهکار روند. بهویژه نانوذرات مغناطیسی اصلاحشده با دندریمرها بهعنوان سیستمهای انتقال برای تولید و ردیابی این سلولها مورد استفاده قرار میگیرند.
در مجموع، فناوری نانو در انتقال ژن به سلولهای بنیادی بهعنوان یک ابزار مؤثر در تحقیقات و درمانهای پزشکی جدید شناخته میشود و پتانسیل بسیار زیادی برای پیشرفتهای پزشکی و بیوتکنولوژی دارد.
نانوحسگرهای زیستی و سلولهای بنیادی
حسگرهای زیستی از ابزارهای پیشرفتهای هستند که میتوانند تغییرات در محیط زیستی سلولها را به سیگنالهای قابلپردازش تبدیل کنند. این حسگرها دو ویژگی کلیدی دارند: اول، توانایی شناسایی و واکنش به آنالیتهای زیستی یا فعال زیستی بهطور انتخابی و طبیعی، و دوم، قابلیت پاسخدهی به این آنالیتها به شیوهای سازگار با فرآیندهای فیزیولوژیکی. با ترکیب سلولهای پستانداران در ساختار حسگرهای زیستی، میتوان بهطور مستقیم عملکرد فیزیولوژیکی سلولها را اندازهگیری کرد. این کار باعث میشود که حسگرها بتوانند پاسخهایی به طیف گستردهای از محرکهای زیستشیمیایی یا آنالیتها بدهند. بهعنوان مثال، بسیاری از روشهای کنونی برای بررسی تغییرات در محیط درونسلولی نیاز به پردازشهایی مانند ثابتسازی یا برچسبزنی سلولها دارند که این روشها برای کاربردهای با خروجی بالا مناسب نیستند. در پاسخ به این چالشها، نانوحسگرهایی برای سلولهای سوماتیک در حال توسعه هستند.
نانوحسگرهای زیستی معمولاً از مولکولهای زیستی تثبیتشده بر روی سطح نانوذرات تشکیل میشوند. یکی از پیشرفتهای اخیر، استفاده از نانوذرات پلیمری است که بستر پپتید کیناز را حمل میکنند و بهوسیله یک فلوئوروفور مادون قرمز بهطور شیمیایی به نانوذرات متصل میشوند. در حالت غیر فعال، این نانوذرات سطح پایینی از فلورسانس را نشان میدهند، اما پس از فسفوریلاسیون، تغییرات چشمگیری در فلورسانس ایجاد میشود که به این نانوذرات اجازه میدهد بهعنوان حسگرهای جاذب برای پروتئینهای کیناز در سلولهای تکسلولی عمل کنند. این نانوحسگرها میتوانند وضعیت فسفوریلاسیون سلولها را در پاسخ به انواع محرکها و شرایط محیطی شبیهسازی کنند.
نانوذرات طلا نیز بهطور گستردهای برای توسعه تکنیکهای سنجش پروتئاز با حساسیت بالا مورد استفاده قرار گرفتهاند. این نانوذرات میتوانند بهعنوان نانوحسگر برای سلولهای بنیادی نیز بهکار روند. نانوذراتی که قادر به اندازهگیری فعالیت کیناز و کاسپاز هستند، در اندازهگیری فعالیتهای سیگنالدهی و مسیرهای آپوپتوز در سلولهای بنیادی استفاده میشوند. بهعنوان مثال، حسگرهای پتانسیومتری سلولهای جنینی مبتنی بر نورفشانی (LAPS) برای نظارت بر ضربان سلولی توسعه یافتهاند. این حسگرها قادرند پتانسیل میدان خارج سلولی ضربانهای خودبهخودی سلولهای بنیادی جنینی موش را در شرایط آزمایشگاهی ثبت کنند. این فناوری امکان تجزیه و تحلیل داروها و تشخیص سموم را بهصورت غیرتهاجمی و طولانیمدت فراهم میآورد. سنجش مولکولهای زیستی درونسلولی، فعالیت آنزیمها و pH در زمان واقعی میتواند بهدرک بهتر فرایندهای بیولوژیکی در سلولهای بنیادی کمک کند و به توسعه استراتژیهای نوینی برای استفاده از این سلولها در درمانهای پزشکی منجر شود.
نتیجهگیری
استفاده از فناوری نانو در ردیابی، تحویل، حسگری و کنترل سلولهای بنیادی فرصتهای بینظیری برای درک بهتر مکانیسمهای بنیادی و توسعه روشهای نوین تشخیصی و درمانی بیماریها فراهم کرده است. نانومهندسی و فناوری نانو توانستهاند محیطهای کشت سلولی را در آزمایشگاههای با خروجی بالا و شرایط کنترلشده بهطور مؤثری بهبود بخشند، که بهویژه برای کشت سلولهای بنیادی و نمونههایی که رشد آنها دشوار است، بسیار مفید است. این فناوری همچنین امکان توسعه سیستمهای تشخیص بسیار حساس را برای ردیابی و شناسایی سلولهای بنیادی پیوندشده در بدن فراهم کرده است، که میتواند در درمان بیماریهای مختلف مفید واقع شود. در حال حاضر، برای انتقال این فناوری به سطح بالینی، نیاز است که نانوذرات جدیدی که دارای حساسیت بالا، پایداری، قابلیت تصویربرداری و بیخطر بودن هستند، توسعه یابند. برای دستیابی به این هدف، همکاری نزدیک میان دانشمندان در حوزههای مواد، فیزیک، شیمی، زیستشناسی و پزشکی ضروری است. همچنین، باید با دقت و احتیاط به این فناوریها پرداخته شود تا از بروز مشکلات احتمالی در استفاده بالینی آنها جلوگیری شود.
یوتیوب مصرفی