Nanobiotechnology and medical sciences

NanoMicrobiol NanoBiotechnol, 2022 (1), 202212

DOI: 10.52547/nanomicrob.2022.1.2 

Review

Applications of nanobiotechnology in medical sciences

Seyedeh-Masoumeh Taghizadeh¹

¹Biotechnology Research Center, Shiraz University of Medical Sciences, Shiraz, Iran

Correspondence: taghizm@sums.ac.ir

Abstract

Nanobiotechnology is the result of integration between nanotechnology and biotechnology. This branch of technology is trying to design, develop, and fabricate nanoscale materials and devices with applications in biological sciences. Application of nanomaterial in biomedical sciences is one of the most developed fields. Nanobiotechnology was dissolved some complicated medical problems that human being had no other solution for them. A new era of antimicrobial material can be considered by developments in the synthesis and fabrication of antimicrobial nanoparticles. Cheap and sensitive diagnostic systems would be available with devices that developed based on nanotechnology. Specific and efficient drug and gene delivery systems are now available against life treating diseases. Repair of damaged tissue and fabrication of functional organs are another aspect of the application of nanotechnology in biomedical sciences. Current short review is dealing with nanobiotechnology as a novel technology in biomedical sciences and provide brief data about different applications of nanotechnology in medicine and pharmaceutical sciences.

Key words:  Antimicrobial nanoparticles; Diagnosis; Drug delivery; Gene therapy; Tissue engineering

1 مقدمه

علم نانو و فناوری نانو بسته به دامنه و زمینه‌ی کاری به صورت متفاوتی تعریف می‌شوند. انجمن سلطنتی انگلستان میان علم نانو و فناوری نانو تمایز قائل شده و علم نانو را علم مطالعه و دستکاری ذرات و سیستم‌های در مقیاس نانو تعریف می‌نماید. در صورتی که فناوری نانو را طراحی، توصیف و تولید ساختارها، دستگاه‌ها و سیستم‌ها در مقیاس نانو می‌پندارد. به طور کلی علم و فناوری نانو شامل تحقیق و توسعه فناوری در سطح اتمی، مولکولی و یا ماکرومولکولی است که در مقیاس تقریبی یک تا صد نانومتر انجام می‌پذیرد. فناوری نانو توانسته تحولات شگرفی را در رشته‌های علمی همچون الکترونیک و رباتیک ایجاد نماید. از آنجایی که به صورت ذاتی اغلب تحقیقات زیست شناسی مولکولی در مقیاس نانو انجام می‌شود در سال‌های اخیر مفهوم تازه ای از علم نانوفناوری با عنوان نانو زیست فناوری تبیین گردید. این شاخه از علم حاصل ادغام فناوری نانو با زیست فناوری می‌باشد. محققان در این حوزه تلاش می‌نمایند تا از اصول و تکنیک‌های مقیاس نانو جهت درک و تغییر سیستم‌های زیستی زنده یا غیر زنده بهره گیرند. همچنین از اصول و مواد بیولوژیکی در راستای ایجاد دستگاه‌ها و سیستم‌های جدید ادغام شده در مقیاس نانو استفاده نمایند (1, 2). لذا ظهور فناوری نانو افق وسیعی را در زمینه تحقیقات زیستی گشوده است. پیدایش نانو زیست فناوری به عنوان حوزه علمی و فناوری نوین نشان دهنده اهمیت روزافزون علم نانو و ابزارهای نانو مقیاس در ایجاد انواع جدید مواد زیستی به منظور استفاده در حوزه‌های مختلف علوم می‌باشد. امروزه از نانو زیست فناوری در مهندسی بافت، حسگرهای مورد استفاده در تشخیص، تعیین توالی DNA، تصویربرداری از مولکول‌ها یا سلول‌های منفرد استفاده می‌شود. همچنین این فناوری در حوزه‌ی سلامت جهت تشخیص و درمان بیماری‌ها به کار گرفته شده است. مراقبت‌های بهداشتی شامل تشخیص اعتیاد، تشخیص بارداری و تصویربرداری، فرآیندهای سنتز داروهای جدید و تحویل هدفمند آنها از جمله کاربردهای نانو زیست فناوری در این حوزه می‌باشد (2, 3). با توجه به اهمیت موضوع و کاربرد گسترده این علم در جنبه‌های مختلف زندگی بشری به ویژه در حوزه سلامت در این مطالعه‌ی مروری سعی شده است تا به بررسی کاربردهای نانو زیست فناوری در علوم پزشکی پرداخته شود.  

2 کاربردهای نانو زیست فناوری

یکی از امیدوار کننده ترین حوزه‌های فناوری نانو، به کارگیری این علم در بهبود وضعیت سلامت می‌باشد. فناوری نانو پیشرفت های بالقوه ای را در داروسازی، تصویربرداری و تشخیص پزشکی، درمان سرطان و مهندسی بافت دارد. لذا در ادامه به بررسی تفضیلی این موارد پرداخته شده است.

 2.1 تشخیص بیماری‌ها

روش‌های تشخیصی موجود جهت طیف وسیعی از بیماری‌ها به شناسایی علائم قابل مشاهده بستگی دارد. لذا در صورت تشخیص بیماری پیش از بروز علائم می‌توان با هزینه‌های کمتر و شانس بالاتر بیماری را درمان نمود. یکی از اهداف اصلی نانو زیست فناوری طراحی روش‌های نوین جهت تشخیص بیماری‌ها در مراحل اولیه با مواد ارزان قیمت تر و بهره وری بالاتر می‌باشد. در حال حاضر مطالعات بسیاری در این زمینه در حال انجام است. چندین نوع حسگر زیستی الکتروشیمیایی و آنزیمی به منظور تشخیص بیماری به ویژه در زیست پزشکی طراحی شده است (4, 5). از دیگر کاربردهای نانو زیست فناوری می‌توان به شناسایی میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا همچون اشرشیا کولی و لیستریا مونوسایتوژنز اشاره کرد. استفاده از نانوذرات فلزی و نیمه هادی در کاربردهای زیست پزشکی توسط بسیاری از گروه‌های تحقیقاتی نشان داده شده است. در مطالعه ای نشان داده شده است که نانوذره‌ی تولیدی حاصل از اتصال نانوذرات طلا به آنتی بادی‌های مونوکلونال گیرنده عامل ضد اپیدرمی می‌تواند جهت تصویربرداری از نشانگرهای سرطان، به ویژه گیرنده‌های فاکتور رشد اپیدرمی، مورد استفاده قرار گیرد. یکی دیگر از ابزارهای در حال توسعه در این راستا نانوذرات مبتنی بر RNA می‌باشد. اگرچه استفاده از نانوذرات مبتنی بر RNA به دلیل حساسیت نسبت به تجزیه توسط آنزیم RNAase و ناپایداری در سرم با مشکلاتی رو به رو است، اما برخی از محققان از این نوع نانوذرات جهت شناسایی سلول‌های سرطانی بهره گرفته اند. از دیگر کاربردها در این حوزه می‌توان به کاربرد نانوذرات نقاط کوانتومی (Quantum dots) جهت تصویربرداری فلورسانس از درون سلول و به صورت غیر تهاجمی نام برد. همچنین از آنجایی که نانوذرات امکان اتصال همزمان به چندین نوع لیگاند را دارا هستند می‌توان از آنها جهت تشخیص چندین نوع مختلف لیگاند به صورت همزمان استفاده نمود (4).

2.2 ژن درمانی

ژن درمانی روشی است که به منظور درمان یا پیشگیری از اختلالات ژنتیکی از اصلاح ژن‌های معیوب ایجادکننده‌ی بیماری با تحویل ژن‌های اصلاح شده و یا جایگزینی ژن‌های معیوب استفاده می‌نماید. رایج ترین روش برای اصلاح ژن‌های معیوب، قرار دادن یک ژن طبیعی در مکانی غیر اختصاصی در ژنوم می‌باشد. به طور معمول تلاش می‌شود تا ژن جدید جایگزین یک ژن غیر عملکردی شود. همچنین می‌توان یک ژن غیرطبیعی را با یک ژن طبیعی از طریق جهش معکوس انتخابی جایگزین نمود تا ژن معیوب را به عملکرد طبیعی خود باز گرداند. استفاده از نانوساختارها می‌تواند موجب تسهیل ورود ژن به سلول‌ها شده و منجر به تعامل موثرتری میان سلول و اسیدهای نوکلئیک گردد. استفاده از نانوساختارها علاوه بر محافظت از اسیدهای نوکلئیک در برابر تخریب توسط نوکلئازها، می‌تواند موجب هدایت اسید نوکلئیک به محل مورد نظر و کاهش عوارض جانبی گردد. همچنین استفاده از نانوساختارها در مقایسه با روش‌های موجود می‌تواند به مدت طولانی‌تری موجب آزادسازی ژن شود (4, 6). در این راستا تاکنون نانولیپوزوم‌ها، نانوذرات ژلاتین، نانوذرات فسفات کلسیم، دندریمرها و کامپوزیت‌های مختلف مورد مطالعه قرار گرفته اند. همچنین نانوذرات زیست سازگار معدنی کربنات آپاتیت به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود جهت تحویل ژن به سلول‌های پستانداران با استقبال زیادی رو به رو شده است (6).

2.3 دارو رسانی و انتقال واکسن‌ها

دارورسانی یکی از حوزه‌هایی است که به میزان قابل توجهی از فناوری نانو تاثیر پذیرفته است به طوری که بسیاری از رویکردهای فناوری نانو جهت انتقال هدفمند داروها به کار برده شده است. روش‌های مرسوم دارو رسانی دارای محدودیت‌هایی در توزیع زیستی سیستمیک می‌باشند. از این میان می‌توان به سمیت در بافت‌های غیر هدف، مشکل در حفظ غلظت داروها در پنجره‌های درمانی، متابولیسم و ​​دفع داروها و در نهایت کاهش اثر داروها اشاره نمود. محلولیت دارو و مشکلات نفوذپذیری سلولی نیز در مولکول‌های دارویی کوچک و مواد بیولوژیکی رایج است. سیستم‌های دارو رسانی مبتنی بر فناوری نانو می‌توانند با انتقال هدفمند داروها این مشکلات را مرتفع نمایند. از سوی دیگر استفاده از سیستم‌های نانوساختاری چند منظوره می‌تواند علاوه بر دارو رسانی هدفمند موجبات اقدامات تشخیصی و درمانی همزمان را نیز فراهم نماید. نانوذرات، لیپوزوم‌ها، میسل‌ها و دندریمرها برخی از پرکاربرد ترین نانوساختارهای مورد استفاده جهت طراحی و ساخت سیستم‌های دارو رسانی می‌باشند. جهت تولید این سیستم‌ها، داروی مورد نظر در نانوساختار به دام افتاده و یا به صورت اختصاصی به آن متصل می‌گردد. این امر موجب بهبود محلولیت، پایداری و جذب دارو شده و همچنین از به دام افتادن دارو در سیستم رتیکولوم اندوتلیال (Reticulum endothelial system) جلوگیری می‌نماید. با این روش همچنین از غیر فعال شدن زودهنگام دارو در حین حمل و نقل محافظت می‌گردد. بارگیری داروها در حامل‌های نانو می‌تواند این امکان را فراهم نماید که با گنجاندن دارو در سیستم‌های تجزیه پذیر زمان و مکان آزادسازی دارو مدیریت شود (5, 6).

از نانوساختارها جهت انتقال هدفمند واکسن‌ها نیز استفاده شده است. از آنجایی که واکسن‌های مبتنی بر پروتئین و اسیدهای نوکلئیک به تجزیه شدن پس از تجویز بسیار حساس می‌باشند استفاده از نانوساختارها می‌تواند به میزان قابل توجهی از تجزیه‌ی واکسن‌ها جلوگیری نموده و همزمان موجب تحریک موثر سیستم ایمنی و ایمنی زایی گردد. این سیستم‌های نوین قادر هستند تا علاوه بر برانگیختن سیستم ایمنی همورال و ایمنی سلولی موجب انتقال هدفمند واکسن‌ها به سلول‌های ارائه دهنده‌ی آنتی ژن (Antigen presenting cells) گردند. با تغییر ویژگی‌های سطحی نانوذرات این امکان فراهم می‌شود تا نانو ساختار حاوی واکسن توسط سلول‌های هدف جذب گردند. این رویکرد می‌تواند نوید بخش تولید و توسعه‌ی واکسن‌های نوین علیه عفونت‌های ویروسی و انگلی مختلف از جمله هپاتیت، ایدز و مالاریا گردد (2, 5, 6). در حال حاضر واکسن‌های کرونای مبتنی بر DNA شناخته شده ترین واکسن‌هایی هستند که از نانو ساختار جهت انتقال اسیدهای نوکلئیک بهره گرفته اند. در این نوع واکسن‌ها از نانوذرات لیپیدی استفاده گردیده است که توانسته موجب بهبود انتقال mRNA به سلول‌های ارائه دهنده‌ی آنتی ژن گردد (7-9).

2.4 مهندسی بافت

مهندسی بافت یکی از حوزه‌های نوظهور نانوزیست فناوری می‌باشد که جنبه‌های مختلف پزشکی، زیست شناسی سلولی و مولکولی، علم مواد و مهندسی را به منظور بازسازی، ترمیم و یا جایگزینی بافت‌های بیمار ترکیب می‌نماید. نارسایی بافت و اندام که در نتیجه جراحت یا نوع دیگری از آسیب ایجاد می‌شود، یکی از مخرب ترین و پرهزینه ترین مشکلات سیستم سلامت می‌باشد. دریافت کنندگان پیوند از رژیم‌های مادام العمر سرکوب کننده سیستم ایمنی استفاده می‌نمایند که خود موجب افزایش خطر عفونت، ایجاد تومور و عوارض جانبی بسیاری می‌گردد. از سوی دیگر، جایگزینی بافت آسیب دیده با دستگاه‌های مکانیکی و یا اندام‌های مصنوعی نیز با افزایش خطر عفونت، ترومبوامولسیون و ماندگاری محدود همراه است. مهندسی بافت به عنوان یک راه حل جایگزین یا مکمل در جهت حل این مشکلات توسعه یافته است که در آن نارسایی بافت‌ها و اندام‌ها با کاشت بافت‌های طبیعی، مصنوعی یا نیمه سنتزی و ارگان‌هایی که کاملاً کاربردی هستند برطرف می‌گردد. در این راستا، سلول‌های زنده جمع آوری شده، در آزمایشگاه روی داربست مناسب رشد می‌کنند و در نهایت با تحریک توسط فاکتورهای متمایز کننده، بافت مورد نظر را شکل می‌دهند. این بافت‌ها می‌توانند ساختارهای پیچیده یک بافت طبیعی را ایجاد نموده و رفتار فیزیولوژیکی آن را تقلید نمایند (4, 6).

2.5 نانوذرات ضد میکروبی

عفونت‌های میکروبی یکی از عوامل اصلی بیماری‌های مزمن و مرگ و میر در جوامع بشری است. آنتی بیوتیک‌ها به دلیل قیمت نسبتا پایین و اثرات قوی بر سویه‌های میکروبی مهم ترین راه حل جهت درمان عفونت‌های میکروبی هستند. اما امروزه با توجه به استفاده‌ی بیش از حد از آنتی بیوتیک‌ها سویه‌های مقاوم به چندین آنتی بیوتیک در حال گسترش هستند. نانوذرات از جمله عوامل جایگزین آنتی بیوتیک‌ها هستند که با استقبال بسیاری طی سال‌های اخیر رو به رو شده اند (10, 11). خواص ضد باکتریایی وسیع الطیف نانوذرات علیه باکتری‌های گرم مثبت و گرم منفی در مطالعات بسیاری گزارش شده است. در این میان می‌توان به اثرات ضد میکروبی نانوذرات نقره، نانوذرات مس و اکسید مس، نانوذرات طلا، نانوذرات تیتانیوم و اکسید تیتانیوم، نانوذرات اکسید کلسیم، نانوذرات اکسید منیزیم و نانوذرات اکسید روی اشاره نمود. این نانوذرات سال‌های متمادی به عنوان نانوذرات ضد میکروبی شناخته شده و در پوشش‌های ضد باکتری جهت دستگاه‌های قابل کاشت (ایمپلنت)، پیشگیری از عفونت و بهبود زخم، دندانپزشکی، سیستم‌های رسانش آنتی بیوتیک، سیستم‌های تشخیص میکروبی و واکسن‌های ضد عفونت‌های باکتریایی به کار گرفته شده اند (10-12). همچنین از نانوذرات ضد میکروبی در بسته بندی مواد غذایی، تصفیه فاضلاب، صنایع پوشاک و رنگ نیز استفاده شده است (13, 14). مکانیسم اثر ضد میکروبی نانوذرات به طور کامل شناخته نشده است اما به نظر می‌رسد نانوذرات با القای استرس اکسیداتیو و آزادسازی یون فلزی موجب مهار عفونت می‌گردند. برخی مطالعات پیشنهاد نموده اند که نانوذرات نقره موجب خنثی‌سازی سریع بار الکتریکی سطحی غشای باکتری و تغییر نفوذپذیری آن می‌گردند که در نهایت به مرگ سلول باکتری منجر می‌‌شود. همچنین نانوذرات با ایجاد اختلال در غشای سلولی میکروب‌ها، تولید رادیکال‌های آزاد اکسیژن و اندرکنش با مولکول DNA و پروتئین‌ها موجبات مرگ سلول‌های میکروبی را فراهم می‌آورند (10, 11).

نتیجه گیری

نانو زیست فناوری از فناوری‌های نوین است و مراحل اولیه‌ی توسعه خود را پشت سر می‌گذارد با این حال به سرعت در حال پیشرفت است. این علم توانسته محصولات بسیاری را یک مدت کوتاه ارائه داده و در جهت بهبود زندگی بشری گام بردارد. نانو زیست فناوری در حوزه‌های مختلف علوم پزشکی فرصت‌های بی بدیلی را جهت توسعه مواد و روش‌های جدید فراهم می‌نماید. این مهم تا بدان جا است که امید می‌رود نانو زیست فناوری بتواند درمانی جهت برخی بیماری‌های مهلک و لاعلاج بیابد. اگرچه انتظارات ما از فناوری نانو بسیار بالا است و مزایای احتمالی نیز بسیار بالا خواهد بود اما تذکر این نکته ضروری می‌نماید که ایمنی نانو ساختارها هنوز به درستی تحلیل نشده است. کاربردهای نانو زیست فناوری در تشخیص و درمان پزشکی نیازمند ارزیابی کافی ایمنی و خطرات مربوط به این فناوری است. با پیشرفت بیشتر فناوری نانو، به زودی این علم بخشی اجتناب ناپذیر از زندگی روزمره بشر خواهد بود و می‌تواند در نجات جان بسیاری از بیماران موثر واقع شود.

تشکر و قدردانی

نویسنده از تمامی محققانی که حاصل پژوهش‌ها و تلاش‌های ایشان در گردآوری این مطالعه‌ی مروری نقش داشته است کمال تشکر و امتنان را دارد. این مقاله با حمایت‌های صورت گرفته از طرف مرکز تحقیقات بیوتکنولوژی دانشگاه علوم پزشکی شیراز انجام شده است.

تعارض منافع

نویسنده این مقاله هیچ گونه تضاد منافع در نگارش مقاله نداشته است.

منابع

1. Abu-Salah KM, Ansari AA, Alrokayan SA. DNA-based applications in nanobiotechnology. J Biomed Biotechnol. 2010;2010:715295. DOI: 10.1155/2010/.

2. Mohanty C, Arya G, Verma RS, Sahoo SK. Nanobiotechnology: application of nanotechnology in therapeutics and diagnosis. Int J Green Nanotechnol Biomed. 2009;1(1):B24-B38.

3. Dash DK, Panik RK, Sahu AK, Tripathi V. Role of Nanobiotechnology in Drug Discovery, Development and Molecular Diagnostic. Applications of Nanobiotechnology: IntechOpen; 2020.

4. Morais MGd, Martins VG, Steffens D, Pranke P, da Costa JAV. Biological applications of nanobiotechnology. J Nanosci Nanotechnol. 2014;14(1):1007-17.

5. Qamar SA, Asgher M, Khalid N, Sadaf M. Nanobiotechnology in health sciences: Current applications and future perspectives. Biocat Agr Biotechnol. 2019;22:101388. DOI: 10.1016/j.bcab.2019.

6. Jain KK. Nanomedicine: application of nanobiotechnology in medical practice. Med Princ Pract Digest. 2008;17(2):89-101.

7. World Health Organization. Background paper on Covid-19 disease and vaccines: prepared by the Strategic Advisory Group of Experts (SAGE) on immunization working group on COVID-19 vaccines, 22 December 2020. Geneva: World Health Organization; 2020 2020. ContractNo.: WHO/2019-nCoV/vaccines/SAGE_background/2020.1.

8. World Health Organization. mRNA vaccines against COVID-19: Pfizer-BioNTech COVID-19 vaccine BNT162b2: prepared by the Strategic Advisory Group of Experts (SAGE) on immunization working group on COVID-19 vaccines, 22 December 2020. Geneva: World Health Organization; 2020 2020. Contract No.: WHO/2019-nCoV/vaccines/SAGE_evaluation/BNT162b2/2020.1.

9. World Health Organization. Interim recommendations for use of the inactivated COVID-19 vaccine BIBP developed by China National Biotec Group (CNBG), Sinopharm: interim guidance, 7 May 2021. Geneva: World Health Organization; 2021 2021. Contract No.: WHO/2019-nCoV/vaccines/SAGE_recommendation/BIBP/2021.1.

10. Wang L, Hu C, Shao L. The antimicrobial activity of nanoparticles: present situation and prospects for the future. Int J Nanomedicine. 2017;12:1227–49.

11. Fernando S, Gunasekara T, Holton J. Antimicrobial Nanoparticles: applications and mechanisms of action. Sri Lankan J Infect Dis. 2018;8(1):2-11.

12. Song W, Ge S. Application of antimicrobial nanoparticles in dentistry. Molecules. 2019;24(6):1033. DOI: 10.3390/molecules24061033.

13. Omerović N, Djisalov M, Živojević K, Mladenović M, Vunduk J, Milenković I, et al. Antimicrobial nanoparticles and biodegradable polymer composites for active food packaging applications. Compr Rev Food Sci. 2021;20(3):2428-54.

14. Anwar Y, Ullah I, Ul-Islam M, Alghamdi KM, Khalil A, Kamal T. Adopting a green method for the synthesis of gold nanoparticles on cotton cloth for antimicrobial and environmental applications. Arab J Chem. 2021;14(9):103327, DOI: 10.1016/j.arabjc.2021.