در سال های اخیر، نانو ذرات فلزات پلاسمونی به علت برخورداری از خواص نوری منحصر بفرد به شدت مورد توجه محققین حوزه های علمی مختلف قرار گرفته اند. در کنار این موضوع، پیشرفت روز افزون تکنولوژی نانو نیز باعث شده است تا بتوان نانو مواد را به هر شکل و با هر خواص فیزیکوشیمیایی مهندسی کرده و توسعه داد. از این رو، محققین علم پزشکی به این نتیجه رسیدند که می توان نانو ذرات فلزات پلاسمونی با مورفولوژی شبیه به دارت سنتز کرده سپس آنها را توسط عناصر کاتالیستی دیگر تقویت نمود و به نانو ماده ای چند جزئی دست یافت که با قابلیت های چندگانه خود می تواند در درمان سرطان عملکرد بالایی داشته باشد. در این مقاله به معرفی و بررسی این دستاورد جدید در حوزه پزشکی می پردازیم.
ایده توسعه نانو دارت طلا و تقویت آن با دو عنصر نقره و پالادیوم
در مقاله ای که اخیرا منتشر کردیم در مورد نانو ذرات فلزات پلاسمونی و خواص نوری منحصر بفرد آنها توضیح داده شده است.
در سطح اتم های تشکیل دهنده فلزات الکترون های آزاد (Free Electrons) وجود دارند که می توانند حرکت آزادانه داشته باشند. نور خورشید دارای میدان الکترومغناطیس می باشد و زمانیکه نور با الکترون های آزاد قرار گرفته در سطح اتم های فلز برخورد می کند باعث ایجاد نوسان در این الکترون ها شده که نوسانات ایجاد شده تحت عنوان پلاسمون (Plasmon) یا پلاسمون های سطحی (Surface Plasmons) شناخته می شوند. با توجه به تعاریفی که انجام شد، مشخص است که هرچه تعداد الکترون های آزاد در فلزات بیشتر باشد قابلیت شکل گیری پلاسمون های سطحی در آنها نیز بیشتر است. در میان عناصر فلزی مختلف سه فلز طلا، نقره و مس قوی ترین فلزات پلاسمونی شناخته شده می باشند که می توان از قابلیت ویژه آنها در متمرکز کردن انرژی خورشیدی استفاده نمود. لازم به ذکر است که قابلیت تشکیل پلاسمون های سطحی یکی از خواص نوری منحصر بفرد فلزات می باشد.
با توجه به خواص نوری عالی نانو ذرات فلزات پلاسمونی، ایده ای مطرح شد مبنی بر سنتز نانو ذرات فلزات پلاسمونی با مورفولوژی شبیه به دارت بطوریکه ذرات تولید شده توسط عناصری با خواص کاتالیستی – فوتوکاتالیستی ویژه تقویت شده باشند (دستیابی به نانو ذراتی چند جزئی). بر اساس این ایده، استفاده همزمان از عناصر پلاسمونی و فوتوکاتالیستی باعث می شود خواص نوری فلز پلاسمونی رفتار فوتوکاتالیستی را به شدت تقویت کرده (چیزی شبیه به آنچه که در سوپر کریستال ها اتفاق می افتد و بدین ترتیب بازدهی تخریب سلول های سرطانی را به شکل چشمگیری افزایش داد.
لازم به ذکر است که دارت شکل بودن مورفولوژی نانو ذرات فلز پلاسمونی کمک می کند تا در حین درمان، تخریب سلول سرطانی بصورت فیزیکی نیز به راحتی انجام شود. از این رو، محقیقن برای دستیابی به چنین نانو ساختار چند جزئی ابتدا نانو ذرات طلا (عنصر پلاسمونی) را با مورفولوژی دو هرمی سنتز کرده و سپس آنها را توسط دو عنصر پالادیوم و نقره (عامل فوتوکاتالیستی) تقویت کردند.
فرآیند سنتز
برای دستیابی به این نانو ساختار چند جزئی، ابتدا نانو ذرات طلا با مورفولوژی دو هرمی (Bipyramid – دو هرم را در نظر بگیرید که دو انتهایشان بهم متصل است) سنتز شدند. سپس نانو ذرات طلا در محلول حاوی نمک نقره (نیترات نقره – AgNO3) قرار گرفتند تا پوسته ای از اتم های نقره در سطح نانو ذرات تشکیل گردد. پس از تشکیل پوسته نقره، محلولی حاوی نمک پالادیوم (آمونیوم تتراکلروپالادات – H2PdCl4) به محلول حاوی نانو ذرات طلا پوشش دار شده با نقره اضافه گردید. با اضافه شدن محلول نمک پالادیوم و انجام فرآیند های شیمیایی درون محلولی، اتم های پالادیوم و نقره در یکی از دو انتهای نانو ذرات طلا پوسته ای بی متال (Bimetal – بی متال یا دو فلز به حالتی گفته می شود که در آن دو فلز بدون اینکه با یکدیگر ترکیب شوند در کنار هم قرار می گیرند) با مورفولوژی کروی تشکیل دادند. با تکمیل فرآیند های سنتز ذکر شده محصول نهایی نانو دارت طلا با پوسته بی متال نقره – پالادیوم در یک انتهای آن بدست آمد. در تصویر زیر شماتیک فرآیند سنتز همراه با تصاویر میکروسکوپ الکترونی مراحل آن نمایش داده شده است.
(شماتیک فرآیند سنتز نانو دارت طلای تقویت شده با بی متال نقره – پالادیوم همراه با تصاویر میکروسکوپ الکترونی مراحل آن)
مکانیزم سنتز نانو دارت با مورفولوژی مطلوب شامل سه فرآیند: جایگزینی گالوانی (Galvanic Replacement)، Ostwald Ripening و مهاجرت یونی (Ion Migration) می باشد. در مکانیزم معرفی شده، زمانی که نانو ذرات طلا درون محلول حاوی یون های نقره و پالادیوم قرار می گیرند ابتدا پوسته ای از اتم های نقره در اطراف نانو ذرات تشکیل می گردد. در ادامه، پوسته تشکیل شده از اتمهای نقره دچار اکسیداسیون گالوانی (Galvanic Oxidation) می گردد که الکترون های آزاد شده از اکسیداسیون به سمت دو انتهای نانو ذرات طلا مهاجرت کرده و در آنجا انباشته می شوند. در نتیجه این امر، یون های پالادیوم در محلول تحت فرآیند کاهش قرار گرفته و در دو انتهای نانو ذرات طلا در کنار اتمهای نقره انباشته می شوند (تشکیل پوسته کروی بی متال نقره – پالادیوم). در این حین، اتمهای نقره باقی مانده در اطراف نانو ذرات طلا نیز به تدریج مصرف شده و بدنه نانو ذرات از آنها عاری می گردد که در اثر آن موروفولوژی نانو ذرات طلا از دو هرمی به دمبل شکل (Dumbbell-like) تغییر می کند. در ادامه فرآیند سنتز، پدیده Ostwald Ripening اتفاق می افتد؛ به این معنی که نانو ذرات طلا از پوسته کروی بی متال با سایز کوچکتر الکترون دریافت کرده و الکترون های آزاد شده به سمت پوسته کروی بی متال در انتهای دیگر نانو ذرات (پوسته کروی بزرگ تر) حرکت می کنند و منجر به رشد آن می گردند. در نهایت، نانو ذراتی با مورفولوژی نا متقارن و شبیه به دارت شکل می گیرند که تحت عنوان نانو دارت معرفی می شوند. لازم به ذکر است که برای شناسایی مکانیزم سنتز نانو دارت ها پارامتر هایی نظیر غلظت نیترات نقره در محلول، میزان pH محلول و نوع سرفکتانت مورد بررسی قرار گرفته و با بهینه سازی این پارامتر ها امکان دستیابی به نانو دارت فراهم گردیده است. در تصویر زیر شماتیکی از مکانیزم تشکیل نانو دارت ها نشان داده شده است.
(شماتیک مکانیزم سنتز نانو دارت طلا تقویت شده با بی متال نقره – پالادیوم)
عملکرد نانو دارت ها در درمان سرطان
برای بررسی عملکرد نانو دارت های سنتز شده در درمان سلول های سرطانی، ابتدا چندین آزمون مختلف روی آنها صورت گرفت تا خواص نوری، کاتالیستی و فوتوکاتالیستی آنها مشخص گردد. برای این منظور، نانو دارت ها تحت تابش لیزر قرار گرفتند و نتایج به دست آمده نشان دادند که دمای نانو دارت ها بسته به غلظت آنها در محلول تا 8/90 درجه سانتی گراد افزایش می یابد. این نتیجه همچنین مشخص می کند که نرخ تبدیل انرژی نوری به انرژی حرارتی نانو دارت ها برابر با 7/86% است. جهت بررسی عملکرد کاتالیستی نانو دارت ها، میزان رهایش گونه های اکسیژنی واکنش پذیر (ROS – Reactive Oxygen Species) توسط آنها در محلول هیدروژن پراکسید (H2O2) و تحت pH برابر با 4/7 (شرایط مشابه با بدن) اندازه گیری شد. نتایج به دست آمده مشخص کردند که نانو دارت ها قابلیت آزاد سازی رادیکال های هیدروکسیل (lOH) را در محیط دارا می باشند بطوریکه این رادیکال ها تاثیر مستقیم بر تخریب سلول های سرطانی دارند.
با توجه به خواص نوری و کاتالیستی منحصر بفرد نانو دارت های تولید شده، عملکرد آنها در تخریب و از بین بردن سلول های سرطانی بررسی گردید. بدین منظور، نانو دارت ها وارد محیطی حاوی سلول های سرطانی و هیدروژن پراکسید شده و تحت تابش لیزر قرار گرفتند. در ابتدا تابش لیزر قطع گردید تا اثر کاتالیستی نانو دارت ها بر میزان تخریب سلول های سرطانی بررسی شود. بر اساس نتایج بدست آمده مشخص گردید که بقای سلول ها سرطانی 62% کاهش یافته است که ناشی از رهایش رادیکال های هیدروکسیل در محیط در اثر حضور نانو دارت ها می باشد. سپس، آزمایش همراه با تابش لیزر انجام گردید و نتایج حاصله نشان دادند که این بار بقای سلول های سرطانی حدود 82% کاهش یافته است. افزایش میزان تخریب سلول های سرطانی در این آزمایش ناشی از تاثیر همزمان حرارت آزاد شده و رهایش رادیکال های هیدروکسیل توسط نانو دارت ها گزارش شده است. نکته مهم دیگری که باید به آن اشاره کرد این است که نوک تیز نانو دارت باعث افزایش نفوذ آنها به درون سلول های سرطانی شده که این موضوع کمک شایانی به کاهش بقای سلول های سرطانی می نماید. نانو دارت های سنتز شده می توانند با تکیه بر قابلیت های نوری – حرارتی، کاتالیستی، فوتوکاتالیستی و شرایط فیزیکی (مورفولوژی) خود از چندین جهت بر سلول سرطانی تاثیر گذاشته و منجر به تخریب و از بین رفتن آن شوند.
با توجه به نتایج منحصر بفردی که از عملکرد نانو دارت های طلا تقویت شده با بی متال نقره – پالادیوم به دست آمد مشخص می شود که این نانو ماده جدید گزینه مناسبی برای بهبود سرطان می باشد. بدیهی است که این دستاورد نو نیازمند مطالعات بیشتر و بهینه سازی می باشد تا بتوان در آینده از آن برای درمان سرطان استفاده نمود.
منابع:
