کشف تازه پژوهشگران سوئیسی درباره رفتار نانوذرات در جریان خون

نورنیوز- گروه بین الملل: پژوهشگران سوئیسی با ساخت یک رگ مصنوعی و شبیه‌سازی جریان واقعی خون، برای اولین بار نشان دادند که تشکیل «کرونای پروتئینی» روی نانوذرات نرم و لیپیدی، بسیار پیچیده‌تر از تصورات پیشین است و جنس ماده در این ماجرا نقش کلیدی دارد.

نانوذراتی که برای رساندن دارو به نقاط مشخصی از بدن طراحی می‌شوند، به‌محض ورود به جریان خون دیگر دقیقاً همان ساختاری نیستند که در آزمایشگاه ساخته شده‌اند. پروتئین‌های خون به سطح این ذرات می‌چسبند و لایه‌ای موسوم به «کرونای پروتئینی» ایجاد می‌کنند؛ لایه‌ای که می‌تواند نحوه شناسایی، توزیع و جذب نانوذرات در بدن را تغییر دهد. اکنون پژوهشگران دانشگاه بازل با ساخت یک سامانه گردش خون مصنوعی و شبیه‌سازی شرایط واقعی جریان خون، نشان داده‌اند که این تغییرات برای نانوذرات نرم و انعطاف‌پذیر مانند لیپوزوم‌ها اهمیت ویژه‌ای دارد.

نانوذرات در سال‌های اخیر به یکی از امیدبخش‌ترین ابزارها برای توسعه نسل جدید دارورسانی تبدیل شده‌اند. این ذرات می‌توانند دارو را تا حدی از تخریب زودهنگام محافظت کنند، مدت حضور ماده فعال در بدن را افزایش دهند، امکان رساندن آن به بافت هدف را فراهم کنند و در برخی موارد عوارض ناخواسته درمان را کاهش دهند.

اما یک مشکل اساسی وجود دارد: نانوذره پس از ورود به بدن، دیگر در محیط کنترل‌شده آزمایشگاه قرار ندارد. اولین محیط پیچیده‌ای که با آن روبه‌رو می‌شود، خون است؛ سیالی مملو از پروتئین‌ها، سلول‌ها، لیپیدها و مولکول‌های زیستی مختلف.

به‌محض تماس نانوذرات با خون، تعدادی از پروتئین‌های موجود در پلاسما روی سطح آن‌ها جذب می‌شوند و لایه‌ای را تشکیل می‌دهند که به آن کرونای پروتئینی (Protein Corona) گفته می‌شود. این لایه عملاً یک پوشش زیستی جدید روی نانوذره ایجاد می‌کند و می‌تواند هویت زیستی آن را تغییر دهد.

پژوهشگران دانشگاه بازل (University of Basel) اکنون تلاش کرده‌اند این فرآیند را در شرایطی مطالعه کنند که شباهت بیشتری به جریان واقعی خون در بدن داشته باشد. این مطالعه با همکاری گروهی به سرپرستی اویا تاگیت (Oya Tagit)، استاد دانشکده علوم زیستی دانشگاه علوم کاربردی شمال‌غرب سوئیس (FHNW)، انجام شده است. نتایج پژوهش در مجله Advanced Materials Interfaces منتشر شده است.

بخش قابل‌توجهی از مطالعات پیشین درباره کرونای پروتئینی روی نانوذرات سخت، از جمله نانوذرات طلا، متمرکز بوده است. اما بسیاری از نانوذراتی که برای کاربردهای بالینی و دارورسانی توسعه داده می‌شوند، ساختار سخت و صلب ندارند.

لیپوزوم‌ها و نانوذرات پلیمری نمونه‌هایی از نانوذرات نرم و انعطاف‌پذیر هستند که می‌توانند در اثر برهم‌کنش با محیط اطراف تغییر شکل دهند. همین تفاوت ساختاری باعث می‌شود نحوه اتصال پروتئین‌ها به سطح آن‌ها و رفتار کرونای پروتئینی نیز با نانوذرات سخت متفاوت باشد.

شبیه‌سازی جریان واقعی خون

برای بررسی این تفاوت‌ها، پژوهشگران یک سامانه گردش خون وریدی مصنوعی طراحی کردند که می‌تواند برخی از شرایط فیزیکی و زیستی حاکم بر جریان خون را بازسازی کند.

این سامانه تنها یک مخزن ساده برای مخلوط کردن نانوذرات و پروتئین‌ها نیست. پژوهشگران تلاش کردند عواملی مانند نیروهای برشی ناشی از جریان خون، حرکت مداوم نانوذرات و تبادل پیوسته پروتئین‌ها را نیز در آن بازسازی کنند.

این ویژگی اهمیت زیادی دارد، زیرا رفتار نانوذرات در یک محیط ثابت آزمایشگاهی ممکن است با رفتاری که در جریان دائماً در حال حرکت خون نشان می‌دهند، تفاوت داشته باشد. در بدن، نانوذره همواره در حال حرکت است و به‌طور مداوم با مولکول‌ها و ساختارهای مختلف برخورد می‌کند.

پژوهشگران با استفاده از این سامانه، چگونگی تشکیل کرونای پروتئینی را روی نانوذرات مختلف بررسی کردند تا مشخص شود این پوشش زیستی چگونه ویژگی‌های نانوذره را تغییر می‌دهد.

یکی از یافته‌های مهم مطالعه در آزمایش‌هایی با سلول‌های سرطان ریه به دست آمد. نتایج نشان داد که تشکیل کرونای پروتئینی می‌تواند میزان ورود نانوذرات به سلول‌ها را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد.

به بیان ساده، نانوذره‌ای که پژوهشگران در آزمایشگاه برای ورود به سلول طراحی کرده‌اند، پس از ورود به خون ممکن است با پوششی از پروتئین‌های بدن پوشانده شود و همین پوشش مسیر تعامل آن با سلول را تغییر دهد.

آناریاماریا نیکولتیچ (Anamarija Nikoletić)، نویسنده نخست مقاله و دانشجوی دکتری مدرسه دکتری مؤسسه نانوزیست‌شناسی سوئیس، توضیح می‌دهد که کرونای پروتئینی می‌تواند ویژگی‌های نانوذرات را تغییر دهد و شدت این تغییر نیز به جنس ماده تشکیل‌دهنده نانوذره وابسته است.

پژوهشگران دریافتند که اگرچه همه نانوذرات بررسی‌شده مجموعه‌ای مشترک از پروتئین‌ها را در کرونای خود داشتند، اما تفاوت‌های قابل‌توجهی نیز میان آن‌ها وجود داشت. به عبارت دیگر، کرونای پروتئینی یک پوشش کاملاً یکسان و ثابت نیست و جنس و ویژگی‌های خود نانوذره می‌تواند تعیین کند چه پروتئین‌هایی بیشتر روی سطح آن تجمع کنند.

این یافته از نظر طراحی نانوحامل‌های دارویی اهمیت زیادی دارد. اگر قرار است یک نانوذره در بدن عملکرد مشخصی داشته باشد، نمی‌توان تنها به ویژگی‌هایی که پیش از ورود به خون دارد تکیه کرد. آنچه در نهایت سلول‌های بدن می‌بینند، ممکن است نانوذره‌ای باشد که با مجموعه‌ای از پروتئین‌های بدن پوشیده شده است.

جذب چربی با یک چالش تازه

پژوهشگران در بررسی نانوذرات مبتنی بر لیپید نیز به یافته جالب دیگری دست یافتند. این ذرات فقط با پروتئین‌های محلول در خون برهم‌کنش نمی‌کردند، بلکه با پروتئین‌های مرتبط با غشای سلولی نیز تعامل داشتند.

این مشاهده می‌تواند تصویر پیچیده‌تری از سرنوشت نانوذرات در بدن ارائه کند. بر اساس نتایج مطالعه، احتمال دارد نانوذرات لیپیدی در جریان خون با وزیکول‌های خارج‌سلولی که از سلول‌ها ترشح می‌شوند نیز برهم‌کنش داشته باشند یا حتی با آن‌ها ادغام شوند.

وزیکول‌های خارج‌سلولی ذرات بسیار کوچکی هستند که به‌طور طبیعی از سلول‌ها آزاد می‌شوند و حامل انواع مولکول‌های زیستی‌اند. آن‌ها در ارتباط میان سلول‌ها نقش دارند و می‌توانند پروتئین‌ها، لیپیدها و سایر محموله‌های زیستی را منتقل کنند.

اگر یک نانوذره دارویی با چنین ساختارهایی برهم‌کنش کند، ممکن است هویت زیستی آن بار دیگر تغییر کند. در نتیجه، آنچه در نهایت به یک سلول یا بافت می‌رسد، ممکن است از نظر سطح و ویژگی‌های زیستی با نانوذره اولیه تفاوت قابل‌توجهی داشته باشد.

این مسئله برای طراحی دارورسانی هدفمند اهمیت ویژه‌ای دارد. یکی از اهداف اصلی در توسعه نانوحامل‌ها این است که ذره بتواند ماده درمانی را به بافت موردنظر برساند و از تجمع یا جذب ناخواسته در سایر بخش‌های بدن جلوگیری کند. اگر محیط خون بتواند ویژگی‌های سطحی نانوذره را تغییر دهد، طراحی چنین سامانه‌هایی به مراتب پیچیده‌تر می‌شود.

از همین رو، پژوهشگران تأکید دارند که ارزیابی نانوذرات در شرایط ساده و ایستا، به‌تنهایی برای پیش‌بینی رفتار آن‌ها در بدن کافی نیست. آزمایش‌های نزدیک‌تر به شرایط واقعی گردش خون می‌توانند اطلاعات مهمی درباره سرنوشت نانوذرات پیش از رسیدن آن‌ها به بافت هدف ارائه دهند.

اویا تاگیت، سرپرست این پژوهش، تأکید می‌کند که بررسی نانوذرات در شرایط واقع‌گرایانه برای درک بهتر رفتار آن‌ها در بدن ضروری است و این شناخت می‌تواند به توسعه سامانه‌های دارورسانی ایمن‌تر و مؤثرتر کمک کند.

اهمیت این مطالعه در واقع فراتر از کشف یک ویژگی جدید درباره نانوذرات است. پژوهش حاضر یادآوری می‌کند که در پزشکی نانومقیاس، نمی‌توان عملکرد یک ماده را صرفاً بر اساس ویژگی‌های آن در خارج از بدن قضاوت کرد. محیط زیستی که نانوذره وارد آن می‌شود، می‌تواند به‌سرعت سطح، هویت و حتی رفتار آن را تغییر دهد.

از این منظر، کرونای پروتئینی دیگر یک پدیده جانبی ساده نیست، بلکه بخشی از سرنوشت نانوذره در بدن است؛ پوششی پویا که می‌تواند تعیین کند نانوذره به کجا برود، چگونه توسط سلول‌ها شناسایی شود و چه میزان از محموله درمانی خود را به مقصد برساند.

نتایج این پژوهش می‌تواند برای طراحی نسل آینده نانوحامل‌های دارویی، به‌ویژه نانوذرات نرم و لیپیدی مانند لیپوزوم‌ها، اهمیت داشته باشد. هرچه مدل‌های آزمایشگاهی به شرایط واقعی بدن نزدیک‌تر شوند، امکان پیش‌بینی دقیق‌تر رفتار نانوذرات و کاهش فاصله میان طراحی آزمایشگاهی و کاربرد بالینی نیز افزایش خواهد یافت.