از فناوری نانو برای نانو دارو : برنامه های کاربردی برای تحقیقات سرطانی From Nanotechnology to Nano medicine: Applications to Cancer Research

مقدمه

فناوری نانو  توسط فیزیکدان و برنده جایزه نوبل، ریچارد فاینمن در سخنرانی نیمه نهایی خود در سال 1959پیش بینی شد "مقدار زیادی اتاق در انتها وجود دارد  ". که  دانشمندان  را با ابزار جدید برای تحقیق و تفحص از اشیاء در محدوده معمول، اما نه منحصرا-1 نانومتر تا 100 نانومتر مجهز ساخت : به عنوان مثال مقیاس معمولی از مولکول های مرتبط بیولوژیکی مانند پروتئین ها، آنزیم ها، گیرنده ها، هموگلوبین و آنتی بادی ها میباشد  . فناوری نانو، که در سال 1974 ابداع شده، اشاره به مدیریت و  یا مهندسی نانو اشیاء در مقیاس مولکویل دارد ، و حداقل 2 ویژگی جالب را برای  روش موجود به ارمغان می آورد. مواد مصنوعی در مقیاس نانو ذاتا کوچک، با حداقل یک بعد در 1 محدوده 100nm هستند به طوری که می توانند موانع بیولوژیکی از جمله سد خونی مغزی، انتقال خارج از دیواره های رگ های خون و یا غشای سلولی توسط مکانیسم های مختلف جذب عبور کنند . بنابراین می توانند با پنل گسترده ای از نهادهای بیولوژیکی (به عنوان مثال از پروتئین به سلول) تداخل کنند. همچنین، نانو اشیاء خواص قابل تنظیم فیزیکی (برای مثال: الکتریکی، مغناطیسی، نوری، مکانیکی)، شیمیایی (به عنوان مثال: واکنش، نقطه ذوب) و یا خواص بیولوژیکی را نشان میدهند  که به طرز چشمگیری متفاوت از مواد مشابه در اشکال با مقیاس بزرگتر با توجه به اصلاح مکانیک کوانتومی خواص هستند: بسته به نوع کاربردها ، نانو اشیاء می تواند اشکال مختلف (کره های نانو ، نانو سیم ها، نانو تیوپ، سیم نانو به عنوان مثال) و مواد (به عنوان مثال: سیلیس، طلا، نیمه هادی ها، اکسید آهن، چربی یا پلیمری) باشد که می تواند توخالی، متخلخل و یا جامد باشد . این ویژگی ها  باعث میشوند نانو اشیاء دارای  تعامل بالا و قابلیت انتقال هستند ، و آنها را ابزاری جذاب برای طراحی بیوسنسورها ، عوامل کنتراست تصویربرداری و یا حامل های درمانی ساخت . برای سرعت بخشیدن به جنگ  بر علیه سرطان که در سال 1971 توسط رئیس جمهور ریچارد نیکسون اعلام شد ، موسسه ملی سرطان (اتحاد تکنولوژی نانو در سرطان )(http://nano.cancer.gov) در سال 2004 راه اندازی شد. یافته های عظیمی به توسعه و بهبود فن آوری های نوین نانو به منظور کاهش مرگ و میر ناشی از سرطان پس از آن اختصاص داده شده است. همگرایی نانو تکنولوژی و پزشکی به تازگی به یک رشته میان رشته ای منجر شده است :.نانو پزشکی، که مهندسان، فیزیکدانان، زیست شناسان، شیمیدانان، ریاضیدانان، و پزشکان را در تلاش برای بهبود تشخیص، تصویربرداری و خدمات ارسال دارو گرد هم آورده که  این بررسی با برخی از تحولات اخیر مهم مربوط به تشخیص و درمان سرطان سروکار دارد که  توسط میکرو و نانو فن آوری فعال میشود .

از بیوسنسورهای برای  تشخیص سرطان

در راهکارهای کلینیکی رایج ، تشخیص سرطان به طور عمده متکی بر شناسایی غیر مستقیم پروتئین و یا شناسایی توده تومور چند میلی متر مکعبی است که بتازگی حاوی 108-109 از سلول های سرطانی است. یک بیوسنسور مناسب نیاز به تحقق بسیاری از نیازها از جمله : تجدید پذیری، حساس، خاص، برچسب رایگان ، سریع (ایده آل از نظر  زمان واقعی)، استفاده از حجم کوچکی از معرف ها و نمونه ها، عامل محیط آبی، همه کاره، (به شدت) موازی، کم هزینه و همچنین امکان کوچک سازی را ارائه میکند . در واقع، تنگناها بطور عمده ای در تشخیص سرطان از 4 محدودیت های بنیادی برخوردارند :

1. نیاز به تشخیص مستقیم از نشانگرها با فراوانی کمی در تنوع گسترده ای از دیگر مولکولهای زیستی از یک روش غیر تهاجمی دارند روش نمونه برداری  دارای نسبت کم و مثبتی از خطا همراه  است.

2. انتخاب محدود بسیاری از  نشانگرها  . حتی اگر هیچ ترکیب قطعی از نشانگرهای زیستی وجود نداشته باشد .

3. نیاز به تشخیص سلول های سرطانی تنها، به جای اندازه گیری توده معمولی

 

گزارشات حاکی از آن است که  به طور متوسط ​​مجموعه ای از چند هزار سلول به شدت ناهمگن است.

4. نیاز برای  یکپارچه سازی ، حساس، توان بالا و تشخیص کم هزینه بستر . بیوسنسور می توانند متشکل از  4 مرحله باشند :  (1) نشانگر بیولوژیکی (در کوتاه مدت: نشانگرهای زیستی) است که نیاز به شناسایی دارند ، (2) رابط ، یک داربست به طور معمول با استفاده از لیگاندهای میل بالا است که ویژگی را فراهم میکند  (3) مبدل - سنجش از دستگاه که  حساس به حضور مولکول های زیستی می شود (4) محیط زیست تشخیص داده است.  بررسی های سیگنال آنالوگ نیاز به دیجیتالی شدن و پیش پردازش و تجزیه و تحلیل دارند .

زیست نشانگر ها: در جهت گردش سلول های تومور

بیومارکرها مولکولهای زیستی (آنالیتها) هستند که بخاطر حساس بودنشان به یک حالت خاص و یا تکامل شان  مانند: مستعد در  بیماری، تشخیص، پیش بینی، اثربخشی درمان و پیگیری آن مورد توجه قرار میگیرند . ما موجودات چند سلولی  هستیم که متشکل از تنوع زیادی از عناصر در سطوح مختلف: 2900 اندوژن و یا متابولیت های مشترک (http://www.metabolomics CA /)، 10⁵ -10⁶ پروتئین، 000/22 ژن، 300 نوع سلول، 4 بافت و 12 سیستم های ارگان که پانل بزرگ نشانگرهای زیستی بالقوه را ارائه میدهد هستیم . در آنکولوژی ، نشانگرهای زیستی میتوانند  تومور DNA ، رونوشت های mRNA ، پلیسوم ها، miRNA متابولیت های پروتئین، اتو آنتی بادی ها و غیره باشند . منابع نشانگرهای زیستی در دهه گذشته به دنبال پیشرفت های تکنولوژیکی در دستگاه های تشخیص افزایش یافته است: (به عنوان مثال حد پایین تر از شناسایی، اتصال با میکروفلوئیدیک ها ) که در رشد شدید بیوفلوئیدها نقش دارند . پیشرفت چنین پیشرفتی دسترسی را به بیومارکرهای بیان شده  در مقادیر کم در یک جمعیت ناهمگن نه تنها در پلاسما ارائه میدهد  (که منبع بالینی اولیه نشانگرهای زیستی است )، بلکه  در سرم، بزاق، و اشک در میان سایرین، همانطور که  حاوی آنالیتهای بالقوه مربوطه هستند ، در حالی که دارای هزینه های کم و با حداقل تهاجم برای جمع آوری هستند . متاستازهای دلهره آور، نه تومورهای اولیه، مسئول بسیاری از مرگ و میرهای ناشی از سرطان هستند . با این حال، شواهد افزاینده ای وجود دارد که حداقل در برخی از انواع سرطان (از جمله سرطان پستان )، متاستازها ممکن است به طولانی یک  رویداد که قبلا تصور میشود ، نباشند . گسترش اولیه تومور توسط سلول های سرطانی کلونوژنیک (دانه ها ) اجرا شد که با موفقیت از طریق راه های مختلفی از جمله غدد لنفاوی و haematogenous ها انتشار یافت. آنها در نهایت به ارگانهای دوردستی مانند مغز استخوان (یک قسمت مشترک برای محل سکونت آنها و بقای خود به طور مستقل از محل تومور اولیه ) کبد، و ریه ها جایی که به رشد خود در آشکارسازی متاستاز ادامه میدهند  .این  دانه ها شامل سلولهای تومور سرطانی  منتشر شده  در مغز استخوان (DTCS) و گردش سلول های تومور (CTCs) هستند . در مقابل DTCS، بر CTCs متمرکز خواهیم بود  که با حداقل تهاجم برای جمع آوری (که در نتیجه مجموعه ای از سری های زمانی را فعال می سازد) از گردش خون ، یک بافت از اهمیت تشخیصی زیادی  در تماس با تمام اندام ها قرار میگیرد . استراتژی عمده برای تشخیص گردش سلول های تومور در سرطان بر روی چسبندگی مولکولی سلول های اپیتلیال یا EpCAM (CD326) میباشد ، اولین آنتی ژن وابسته به تومور انسانی با یک آنتی بادی مونوکلونال در اواخر دهه 70 اسشناخته شده میشود. این گلیکوپروتئین  kDalton    40، حاوی 2 فاکتور رشد اپیدرمی (EGF) مانند حوزه هایی در حوزه خارج آن، غالبا در بسیاری از سرطان ها بیان شده از جمله :  پستان، روده بزرگ، معده، ریه، تخمدان، پروستات و سرطان کلیه میباشد . که این مورد  مطابق با افزایش شواهد مبنی بر نقش EpCAM در رشد و پیشرفت تومور است. علاوه بر این، EpCAM (که قبلا به عنوان آنتی ژن خاص اپیتلیال (ESA)، یکی از شناخته شده ترین مترادف هایش شناخته شده است) به عنوان یک نشانگر مفید برای پوشش زیر مجموعه های غنی سلول های تومور پیشنهاد شده است که ممکن است سلولهای بنیادی سرطان را ارائه کند. برای یک سلول پستاندار معمولی ، با شعاع حدود 10 متر (http://www.nanomedicine.com/)، حداکثر تعداد گیرنده های سطح شعاع متوسط ​​5nm (پوشش 25٪ از سطح سلول) تا 4.106 در داده های آزمایشی تخمین زده می شود. انواع گیرنده های سطح سلول بیان کننده ممکن است در محدوده  10-40 (در مقدار زیادی 105) به بسیاری از انواع گیرنده 2000-30000(در مقدار کم 102) با توجه به نوع سلول، تمایز حالت و محیط زیست باشد. داده خط سلول کارسینوم نشان می دهد که حساسیت روش ایمونوهیستوشیمی در مورد نشانگر EpCAM ممکن است محدود باشد. در واقع، خط  سلول پروستات PC3-9 به سختی شناسایی میشود  (51000 آنتی ژن) و حضور EpCAM بر روی سلول های سرطان مثانه انسان( T24 (2000 آنتی ژن از دست رفته است. با تکیه بر فلوسیتومتری با EpCAM به منظور  شناسایی CTCs، برای اولین بار از روش های جایگزین استفاده میکنیم : سیستم CellSearch ® متشکل از مرحله غنی سازی مغناطیسی سیستم ایمنی خودکار به دنبال تفسیر نمونه های رنگ آمیزی و با میکروسکوپ  فلورسانس نیمه خودکار است. با استفاده از این روش، نشان داده شده که تعداد مولکولهای EpCAM / CTC ~ 50،000 مربوط به کاهش توسط یک عامل 10 بین بافتهای اولیه و  بافتهای متاستاتیک است که به تنظیم ضروری پایین EpCAM نسبت داده میشود که اجازه جدا شدن  از سلولهای تومور، از تومور اولیه و در نهایت ورود گردش خون و تشکیل متاستاز را میدهد . سیستم  CellSearch ® توسط FDA برای سرطان متاستاتیک پستان در سال 2004 ، و سپس برای سرطان  کولورکتال متاستاتیک  در سال 2007 شفاف سازی شد .