نوع مقاله : علمی - پژوهشی
نویسندگان
1 استادیار، گروه علوم دامی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران
2 استادیار، گروه علوم پایه و پاتوبیولوژی، دانشکده دامپزشکی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران
چکیده
نانوتکنولوژی از شاخههای نوظهور علم است که استفاده گستردهای در زمینههای مختلفی چون پزشکی دارد. نانوذرات توسط ترکیبات مختلف در اندازه، شکل و خواص شیمیایی مختلف تولید میشوند و در زمینههای مختلف بیولوژیکی و زیستپزشکی قابل استفاده هستند. نانوذرات فلزی در بسیاری از زمینه ها استفاده گستردهای دارند و دارای خواص مختلفی هستند که آنها را برای استفاده در پزشکی مناسب می کند. روی بهدلیل دارا بودن نقش مهم در فرآیندهای بیولوژیکی متنوع از جمله تکوین جنین، رشد طبیعی، بهبود زخم، متابولیسم، ایمنی، عملکردهای شناختی، تولید اسپرم، معدنی شدن استخوان، فرآیندهای عصبی و آنزیمی، یک عنصر کمیاب ضروری تقریبا برای همه موجودات زنده است. در دهههای اخیر، نانوذرات اکسید روی به دلیل زیست سازگاری و سمیت کم، یکی از محبوبترین نانوذرات هستند که کاربردهای بیولوژیکی متعدد داشته و در زمینههای تجاری وسیعی از جمله کاربرد در صنایع مختلف مانند داروسازی، نساجی، رنگ، لاستیک، مهندسی بافت، عوامل ضد باکتری و ضد سرطان استفاده میشوند. امروزه، توجه قابل توجهی به کاربرد نانومواد در تنظیم تکثیر و تمایز سلول های بنیادی جهت کاربرد بیشتر در پزشکی بازساختی شده است. روی یکی از فراوان ترین فلزات کمیاب در بدن انسان است و گزارش شده است که برای بازسازی استخوان ضروری است. نانوذرات اکسید روی خواص ضد باکتریایی جذابی از خود نشان میدهند. تاکید ویژهای بر مکانیسمهای باکتری کشی و توقف رشد باکتری با تمرکزبر تولید گونههای واکنش پذیر اکسیژن(ROS) آنها شده است. ROS سبب آسیب دیواره سلولی به دلیل برهمکنش موضعی اکسید روی، افزایش نفوذپذیری غشاء، درونیسازی نانوذارت به دلیل از دست دادن نیروی محرکه پروتون و جذب یونهای سمی روی محلول بوده است. نانوذرات اکسید روی برای سلولهای سرطانی سمی هستند و از طریق آپوپتوزیس باعث مرگ سلولهای سرطانی میشوند. القای اتوفاژی با انحلال آنها در لیزوزومها برای آزاد کردن یونهای روی همبستگی مثبت داشته و یونهای روی آزاد شده از نانوذرات روی توانستند به لیزوزومها آسیب برسانند و منجر به اختلال در اتوفاژی و میتوکندری شوند. نانوساختارهای اکسید روی با دارا بودن فعالیت ضد میکروبی، استخوانزایی و رگزایی با فناوریهای ساختار افزا نیز ترکیب شدهاند تا در نهایت داربستهای هیبریدی پیشرفته جدید برای مهندسی بافت را طراحی کنند. بین کمبود روی و دیابت ارتباط وجود دارد و ممکن است بر پیشرفت دیابت نوع 2 نیز تاثیر بگذارد. چندین کمپلکس روی سنتز شده و ثابت شده است که در مدلهای دیابت جوندگان مؤثر است. ROS توسط نانوذرات اکسید فلزی تولید می شود که به طور قابل توجهی به تکثیر فیبروبلاست کمک میکند. پیوند متقابل سلولهای فیبروبلاست و نانوذرات اکسید روی تحت تأثیر مساحت سطح و اندازه نانوذرات قرار میگیرد. پانسمان نانوذرات اکسید روی باعث افزایش آپوپتوزیس، پاکسازی باکتری، فعال شدن پلاکت، نکروز بافتی، اپیتلیال شدن مجدد، تشکیل اسکار بافتی، حذف دبریها ، رگزایی و فعال شدن سلول های بنیادی از طریق بهبود زخم می شود. سیستمهای دارورسانی مبتنی بر نانوذرات میتوانند با آزاد کردن داروها به صورت آهسته و پایدار و رساندن آنها به ناحیه مورد نظر از بدن، بر محدودیتهای ذکر شده غلبه کنند. این مقاله مروری بر برخی تحقیقات مربوط به کاربرد نانوذرات اکسید روی در علوم زیستی است.
تازه های تحقیق
-
کلیدواژهها
عنوان مقاله [English]
A review of the application of zinc oxide nanoparticles in the biological sciences
نویسندگان [English]
- L Soltani 1
- T Mohammadi 2
1 Assistant Professor, Department of Animal Sciences, College of Agriculture and Natural Resources, Razi University, Kermanshah, Iran
2 Assistant Professor, Basic Sciences and Pathobiology Department, Faculty of Veterinary Medicine, Razi University, Kermanshah, Iran
چکیده [English]
Nanotechnology is an emerging branch of science that is widely used in various fields including medicine. Nanoparticles (NPs) are produced by various compounds in size, shape, and different chemical properties, which can be used in a variety of biological and biomedical applications. Metal NPs are used widely in many fields and have various properties making them appropriate for use in medical applications.
Zinc is an essential trace element for almost all living organisms. Due to possessing a significant role in versatile biological processes, including fetal development, natural growth, wound healing, metabolism, immunity, cognitive functions, sperm generation, bone mineralization, neurological, and enzymatic processes.
In recent decades, zinc oxide NPs have been one of the most popular types of NPs with numerous biological applications due to their biocompatibility and low toxicity and are used in a wide range of commercial applications including applications in many different industries such as pharmaceuticals, textiles, dyes, rubber, tissue engineering, antibacterial agents, and anti-cancer. Nowadays, significant scientific interest has been directed toward the application of nanomaterials in the modulation of stem cell proliferation and differentiation for further application in regenerative medicine. Zinc is one of the most plentiful trace metals in the human body and was reported to be essential for the regeneration of bone. ZnO-NPs exhibit attractive antibacterial properties. Particular emphasis was given to bactericidal and bacteriostatic mechanisms with a focus on the generation of reactive oxygen species (ROS). ROS has been a major factor for several mechanisms including cell wall damage due to ZnO-localized interaction, enhanced membrane permeability, internalization of NPs due to loss of proton motive force, and uptake of toxic dissolved zinc ions. ZnO NPs present certain cytotoxicity in cancer cells and induce cancer cell death via the apoptosis signaling pathway. This autophagy induction was positively correlated with the dissolution of ZnO NPs in lysosomes to release zinc ions, and zinc ions released from ZnO NPs were able to damage lysosomes, leading to impaired autophagic flux and mitochondria.
ZnO nanostructures, featuring antimicrobial activity, osteogenesis, and angiogenesis, have been also combined with additive manufacturing technologies with the final aim of designing novel advanced hybrid scaffolds for tissue engineering.
Zinc deficiency is positively correlated with diabetes and may also affect the progress of Type 2 diabetes. Several zinc complexes have been synthesized and proven to be effective in rodent models of diabetes.
ROS are generated by metal oxide nanoparticles which considerably help in fibroblast proliferation. The interlinkage of the fibroblast cells and zinc oxide nanoparticles was impacted by the surface area and particle size of the nanoparticles. Zinc oxide nanoparticles dressing increases apoptosis, bacteria clearance, platelet activation, tissue necrosis, re-epithelialization, tissue scar formation, debris removal, angiogenesis, and stem cell activation through wound healing. Nanoparticle-based drug delivery systems (DDS) can overcome the aforementioned limitations by releasing the drugs in a slow and sustained manner and delivering them to the desired area of the body system. This article provides an overview of some of the research relating to the use of zinc oxide nanoparticles in biological sciences.
کلیدواژهها [English]
- Zinc Oxide
- Nanotechnology
- Nanoparticles
- Biological sciences
- مقدمه
نانوتکنولوژی حوزهی نوآورانه و نوظهور است که با کنترل، اصلاح و ساخت مواد، ساختارها و دستگاهها با دقت نانومتری سروکار دارد. نانوتکنولوژی به درک مبانی فیزیک، شیمی، زیستشناسی و تکنولوژی اشیا در مقیاس نانو کمک میکند (1). نانوذرهی روی به اکسید روی در مقیاس نانو اطلاق میشود. نانومواد ویژگیهای نوری، مکانیکی، کاتالیستی و بیولوژیکی منحصربهفردی را نشان میدهند. این ویژگیها سبب شده است که پتانسیل کاربردی زیادی داشته باشند (2). بهمنظور تعریف نانومواد، حداقل در 50% موارد بایستی اندازهای بین 1 تا 100 نانومتر داشته باشند. نانوذرات حداقل در 3 بعد در مقیاس نانو هستند (3) و میتوانند با روشهای متفاوتی آماده شوند (شکل 1). روشهای شیمیایی تهیه نانومواد متفاوت عبارتاند از فرآیند مکانوشیمیایی، روش رسوب، رسوب در سورفکتانت، روش sol-gel، روش solve-thermal، هیدروترمال، امولسیون و میکروامولسیون (4). در روشهای فیزیکی، نیروی فیزیکی در جذب ذرات در مقیاس نانو و تشکیل نانوساختارهای پایدار مشارکت دارد. تکنیکهای پایه شامل رسوب بخار، تبلور آمورف، قطعهقطعه شدن فیزیکی و بسیاری موارد دیگر است (5). سنتز فیزیکی نیاز به تجهیزات گران، فشار و حرارت بالا، فضای بزرگ برای راهاندازی تجهیزات و دستگاهها دارد.
شکل 1: روشهای متفاوت سنتز نانوذرات اکسید روی
روش دیگر سنتز نانوذرات، سنتز سبز است که از میکروارگانیسمها و گیاهان برای سنتز نانوذرات استفاده میشود که این روش نسبت به دو روش قبلی کم هزینه، زیست سازگار، سالم و دوستدار محیطزیست است (6). در سنتز سبز از باکتریها، قارچها، جلبکها، بخشهای متفاوت گیاه و غیره استفاده میشود.
برای شناسایی نانوذرات سنتز شده از روشهای متفاوتی استفاده میشود (شکل 2). از جمله میتوان به اسپکتروفتومتری UV-Vis، آزمون پراش اشعه ایکس (XRD)، طیفسنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDAX)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، آنالیز طیفسنجی مادونقرمز تبدیل فوریه (FT-IR)، میکروسکوپ الکترونی نشر میدانی (FE-SEM)، میکروسکوپ پراب پویشی (AFM)، روش فوتولومینسانس (PI)، روش فوتوالکترونی پرتو ایکس (XPS)، طیفسنجی رامان، روش طیف بینی مادونقرمز بازتابی تضعیفشده (ATR) و پراکندگی نور دینامیکی (DLS) اشاره کرد (7).
روی، از ریزمغذیهای ضروری است که در فعالیت بیش از 300 نوع آنزیم در بدن مشارکت میکند (8)، روی در فرآیندهای بیولوژیکی متعددی از قبیل متابولیسم گلوکز نقش دارد. نانوذرهی روی بهخاطر خواص استثنایی فیزیکوشیمیایی استفادههای متعددی دارد که آن را بهعنوان گزینهی مناسبی برای استفاده در زمینههای پزشکی از قبیل سیستم انتقال دارو، عکسبرداری زیستی، تشخیص مولکولی و درمان سرطان معرفی میکند (11-9). امروزه استفاده از نانوذرهی روی در کشاورزی، تصفیه آب، صنعت و لوازم آرایشی افزایشیافته است (15-12).
شکل 2: روشهای متفاوت شناسایی نانوذرات روی
با توجه به گسترهی وسیع کاربردهای نانوذرهی روی در انسان (شکل 3)، مطالعات متعددی برای تایید سلامت نانوذرات ضروری بهنظر میرسد. نانوذرات قادر به عبور از پوست، ریهها و سد خونی مغزی هستند (16). مطالعات متعدد ثابت کردهاند که نانوذرات روی در شرایط برونتنی، یا مصرف خوراکی یا استنشاقی بهراحتی در بافتهای متعدد تجمع پیدا میکنند و میزان تجمع بسته به بافت متفاوت است. کبد، کلیه، ریه، مغز و طحال اندامهای حیاتی با میزان بالای تجمع نانوذرهی روی هستند (17) که علائمی از سمیت به نانوذرات روی را در پی مصرف و تجمع نشان میدهند (20-18). بعلاوه نانوذرات فلزی ظرفیت عبور از سد خونی بیضهای را بهواسطه اندازهی خود دارند که با ایجاد پاسخ التهابی، یکپارچگی سد خونی بیضهای را به مخاطره میاندازند (16). در این مطالعه به بررسی برخی از کاربردهای نانوذرات اکسید روی در حوزهی علوم زیستی پرداخته میشود.
شکل 3: برخی از کاربردهای نانوذرات روی
تأثیر نانوذرهی روی بر سلولهای بنیادی
سلولهای بنیادی دستهای از سلولها هستند که با دو ویژگی تکثیر زیاد و تمایز به انواعی از سلولها بسته به ماهیت این سلولها شناخته میشوند. این سلولها بر مبنای تمایز به سلولهای همهتوان (این دسته از سلولها انواع سلولهای بدنی و جفت را ایجاد میکنند مانند سلول تخم)، سلولهای پرتوان (این دسته از سلولها به انواع مختلف سلولهای بدنی و بخشهایی از جفت تبدیل میشوند مانند سلولهای بنیادی رویانی)، سلولهای چند توان (در این دسته از سلولها قدرت تمایزی کاسته شده و تنها به ردههایی از سلولهای بدنی تمایز پیدا میکنند مانند سلولهای بنیادی مزانشیمی) و سلولهای تک توان (این دسته از سلولها تنها به یک رده از سلولهای بدنی تمایز پیدا میکنند مانند سلولهای بنیادی اسپرماتوگونیال که نهایتا سلولهای اسپرم را ایجاد میکنند) (24-21). سلولهای بنیادی در اهداف مختلفی ازجمله طب ترمیمی بسیار پرکاربرد میباشند.
غلظت روی در بافتهایی همچون بیضه، پروستات و مایع سمینال بالا است و نشان از کاربرد عنصر روی در دستگاه تولیدمثل دارد که به تقویت فرآیند اسپرمسازی، بلوغ اسپرم و حفظ لایهی زایا منجر میشود (25، 26). علاوهبراین، روی خاصیت آنتیاکسیدانتی دارد و نقش مهمی در حفاظت سلولها در برابر رادیکالهای آزاد بازی میکند (27، 28). افزودن نانوذرهی روی به محیط کشت سلولهای بنیادی اسپرماتوگونیال موش در غلظت 10 میکروگرم در میلیلیتر سبب افزایش بیان مارکرهای مرتبط با خودنوزایی از قبیل Plzf، Gfr و Bcl6b و ژنهای مرتبط با تمایز در طول فرآیند اسپرماتوژنز از قبیل Vasa، Dazl، C-kit و Sycp3 شده بود. محققان در آن مطالعه پیشنهاد کردهاند که احتمالا نانوذرات روی میتواند بر عملکرد دستگاه تولیدمثلی موثر باشند و سبب افزایش اسپرماتوژنز از طریق افزایش بیان ژنهای مرتبط با خودنوزایی و تمایز سلولهای بنیادی اسپرماتوگونیال شوند (29). اضافه کردن غلظتهای مختلف نانوذرهی روی به محیط سلولهای ردهی GC-1 مشتق از ردهی سلولی اسپرماتوگونیال موشی، بهعنوان حد واسط سلولی بین اسپرماتوگونیهای نوع B و اسپرماتوسایتهای اولیه، برای مدتزمان 6 یا 12 ساعت نشان داد که غلظتهای بالای نانوذرهی روی اثرات سمی بر سلولهای GC-1 داشته که منجر به افزایش سطح تولید Reactive oxygen species ) ROS)، آسیب به DNA، اسکلت سلولی و تغییرات فعال اسکلت هستهای و در نهایت مرگ سلولی شده بود (30)
تیمار سلولهای بنیادی مزانشیمی مشتق از بافت مغز استخوان و چربی با نانوذرات روی با اندازههای 10 تا 30 و 35 تا 45 نانومتر نشان داد که غلظتهای 5 و 10 میکروگرم در میلیلیتر نانوذرهی روی به ترتیب با اندازهی 10 تا 30 و 35 تا 45 برای این سلولها مشکلی نداشتند. آنالیز سلولی نشان داد که اندازهی کوچک نانوذرهی روی در مقایسه با ذرات بزرگتر، اثرات منفیتری بر فرآیند ورود سلول به سنتز DNA در مقایسه با سایزهای بزرگتر داشت. فرآیند پیری در پی تیمار سلولها با اندازههای کوچک نانوذرات روی افزایش یافته بود. هر دو اندازه نانوذرات منجر به افزایش بیان ژنهای مرتبط با پیری مانند NF-kB و p53 و کاهش بیان ژن ضد پیری مانند nanog شده بودند (31).
روی عنصری ضروری در فرآیند استخوانسازی و ترمیم بافت استخوان آسیبدیده است. حضور نانوذرهی روی با غلظت 30 میکروگرم در میلیلیتر در محیط کشت تمایز به سلولهای استخوانی، سلولهای بنیادی مزانشیمی مشتق از مغز استخوان انسان سبب افزایش بیان مارکرهای استخوانساز از قبیل آلکالین فسفاتاز، استئوکلسین و استئوپویتین در مقایسه با سلولهای شاهد و گروهی که 60 میکروگرم در میلیلیتر نانوذره را دریافت کرده بود شد (32). نانوذرهی روی سبز سنتز شده سبب افزایش تکثیر، تمایز و مینراله شدن بدون تأثیر سمی بر سلولهای MG-63 شده است. درواقع، نانوذرهی روی سبب تحریک تشکیل استخوان میشود (33). همچنین تیمار سلولهای بنیادی آندومتر انسانی با نانوذرات اکسید روی در محیط سه بعدی باعث تمایز موثر این سلولها به سلولهای تولید کننده انسولین شده است که بیانگر پتانسیل نانوذره اکسید روی در زمینه درمان سلولی است (34).
تعداد مطالعاتی که به بررسی نقش نانوذرات روی بر روی تمایز یا حتی تکثیر سلولهای بنیادی مختلف پرداخته بسیار اندک است و درمجموع به نظر میرسد که نیاز به بررسیهای بیشتر در این رابطه ضروری باشد. در غالب موارد با توجه به نقش روی در فرآیند استخوانسازی به بررسی تمایز این مواد بر روی فرآیند تمایز به استخوان پرداختهشده که در این صورت نیز نیاز به مطالعات تکمیلی ضروری بهنظر میرسد.
خواص ضد میکروبی نانوذرات روی
اکسید روی نانو شده مورفولوژیهای متعدد را نشان میدهد و فعالیت ضد باکتریایی را بر روی طیف وسیعی از گونههای باکتریایی نشان میدهد (35). اکسید روی فرموله شده در هر دو مقیاس نانو و میکرو اثرات ضد باکتریایی از خود نشان میدهد. زمانی که اندازهی ذرات اکسید روی کاهش مییابد فعالیت ضد باکتریایی افزایش پیدا میکند، نانوذرات اکسید روی با سطح باکتری و یا با هستهی باکتری جاییکه وارد درون سلول میشود واکنش نشان میدهد و در نهایت مکانیسمهای باکتریکشی مشخصی را ارائه میدهد (36). واکنش بین این مواد منحصربهفرد و غالباً سمی است که این مواد در صنایع غذایی به خاطر کاربردهای ضد باکتریایی استفاده میشوند.
جالب است که در گزارشها متعدد نانوذرات روی برای سلولهای انسانی غیر سمی هستند (37)، اثرات ضد میکروبی نانوذرات روی علیه میکروارگانیسمهای سمی با زیست سازگاری مناسب با سلولهای انسانی بسیار مهم است (38). مکانیسمهای متعدد ضد باکتریایی نانوذرات غالبا به نسبت سطح به حجم ویژهی بالا و خواص فیزیکوشیمیایی منحصربهفرد آنها نسبت داده میشود. در حقیقت تماس مستقیم نانوذرهی اکسید روی با دیوارهی سلول، سبب تخریب یکپارچگی باکتری شده، آزادسازی یونهای ضدمیکروبی عمدتا Zn2+ و تشکیل ROS روی میدهد (39). بااینحال، مکانیسمهای دقیق اثرات ضد میکروبی نانوذرات روی هنوز موردتردید است، اگرچه که پیشنهادهای متعددی مطرح و موردقبول واقع شدهاند.
Raghupathi و همکاران فعالیت ضد باکتریایی نانوذرهی اکسید روی را به افزایش تولید ROS بهوسیلهی نانوذرات بعد از مواجه با لامپ UV نسبت دادهاند. بااینحال، برخی مطالعات نشان داده که ROS میتواند حتی بدون مواجه با لامپ UV نیز تولید گردد (35، 40). Hirota و همکاران (41) سرامیکهای اکسید روی با فعالیت ضد باکتریایی پایدار را سنتز کردند. آنالیزهای رزونانس اسپین الکترون و فوتولومینسانس شیمیایی نشان داد که فعالیت ضدمیکروبی اکسید روی میتواند به بار منفی مانند رادیکالهای هیدروکسیل و سوپراکسید نسبت دادهشده، بنابراین نمیتوانند به دیوارهی سلول نفوذ کنند اما تماس مستقیم میتواند سبب آسیب شود؛ بنابراین، این گروهها میتوانند تنها در خارج از باکتری یافت شوند. برعکس، پراکسید هیدروژن قادر به عبور از دیوارهی سلول بوده و میتواند وارد سلول شود و محرک مرگ سلولی شوند.
D’Água و همکاران (42) نشان دادهاند که باکتریهایی که به پراکسیدهیدروژن حساس هستند به نانوذرات روی بسیار حساستر هستند. Kadiyala و همکاران (43) اخیرا مکانیسم ضد باکتریایی نانواکسید روی علیه استافیلوکوکوس اورئوس مقاوم به متیسیلین بررسی کردهاند. برخلاف مطالعاتی که ثابت کردهاند که فعالیت ضدمیکروبی وابسته به ROS یا Zn بوده است، سمیت ROS واسطهی اصلی فعالیت ضدمیکروبی نبوده است. مرتبطترین پارامترها برای توضیح فعالیت نانوذرات اکسید روی مکانیسمهایی بود که پیریمیدین، متابولیسم قند و بیوسنتز اسیدآمینه را شامل میشد.
نانوذرهی روی سبب مهار رشد و القای استرس اکسیداتیو در باکتری S.pyogenes در غلظتهای 10 تا 100 میکروگرم در میلیلیتر برای مدت زمان 24 ساعت شده است. در آن مطالعه نتایج آزمون FT-IR نشان داد که نانوذرهی روی به پلیپپتیدها و گلیکوژن دیوارهی باکتری اتصال پیداکرده است. علاوه براین، اتصال نانوذرات روی به دیوارهی باکتری توسط میکروسکوپ SEM (Scanning electron microscope) نیز تائید شد که این اتصال سبب تخریب دیواره و آسیب به سلول شده بود (44). با وجود مطالعات متعدد مرتبط با اثرات ضد میکروبی نانوذرات اکسید روی بر روی سویههای متعدد باکتری همچنان مکانیسمهای دقیق فعالیتهای ضد باکتریایی ناشناخته است و بررسیهای مولکولی دقیق برای تعیین این مکانیسمها ضروری بهنظر میرسد.
اثرات ضد سرطانی نانوذره روی
سرطان، شرایط کنترل نشدهی تکثیر سلولی است، در دهههای گذشته برای درمان آن از شیمیدرمانی، پرتودرمانی و جراحی استفادهشده است (47-45). اینگونه درمانها مطمئنا در از بین بردن سلولهای سرطانی مؤثر هستند، اما در کنار آن، به دلیل تأثیرات غیرانتخابی که میتواند بر سلولهای سالم تحمیل گردد هزینههای مضاعف و پیامدهای نامطلوبی را در پی دارد (48). همچنین این درمانها در حال حاضر بهدلیل توسعهی نانوپزشکی، داروسازی هدفمند و مهارکنندههای چند منظوره در درمان سرطان در حال منسوخ شدن هستند (49). در عوض حوزهی نانودارویی شاخهای از بیوتکنولوژی کاربردی در پزشکی است که از نانوذرات مهندسی شده در درمان بیماریها استفاده میکند. نانوپزشکی با قابلیتهای تصویربرداری و درمانی پیشرفته، پتانسیل تشخیص زودهنگام سرطان و درمان سرطان را دارد (50). نانوذرات دارای مزایای دیگر از جمله هدفگیری فعال/ غیرفعال، حلالیت/دسترسی زیستی بالا، زیست سازگاری و چند کاربردی نسبت به درمانهای سنتی سرطان دارد.
محققین نشان دادهاند که استفاده از نانوذرهی روی بهعنوان حامل، میتواند علیه سلولهای متفاوت سرطانی دارای اثر باشد (51، 52). برای مثال Ahamed و همکاران (53) نشان دادهاند نانومیلههای اکسید روی فعالیت ضد سرطانی علیه سلولهای A549 بهروش وابسته به غلظت نشان میدهند. تولید داخل سلولی ROS، فعالیت p53 و پروتئینهای کاسپاز سلول به مکانیسمهای ضد سرطانی وابسته به فعالیت نانومیلههای اکسید روی نسبت داده میشود. همچنین، Berardis De همکاران (54) پتانسیل ضد سرطانی نانوذرات اکسید روی علیه سلولهای سرطان کولون انسانی (سلولهای LoVo) را شرح دادهاند. در آن مطالعه نویسندگان توضیح دادهاند که تولید داخل سلولی ROS نقش خاصی در فعالیت ضد سرطانی نانوذرات اکسید روی بازی میکند. Akthar و همکاران فعالیت سمی نانوذرات اکسید روی بر روی سه ردهی سلولی مختلف سرطانی (HepG2، A549، BEAS-2B) و سلولهای سالم موش صحرایی (سلولهای آستروسایت و سلولهای کبدی) بررسی کردند. نتایج آنها نشان داد که نانوذرات اکسید روی سبب القای سمیت در سلولهای سرطانی میشوند که توسط وقایع مولکولی متعدد از قبیل فعالسازی آنزیم کاسپاز، فرگمنت شدن DNA، تولید ROS و غیره به اثبات رسیده است. اثرات سمی نانوذرات اکسید روی علیه سلولهای سالم مشاهده نشده بود (55). همچنین، اثر ضد سرطانی نانواکسید روی علیه رده سلول سرطانی بدخیم سر و گردن (HN5) گزارششده است. طوریکه نانوذره اکسید روی با غلظت 300 میکروگرم در میلیلیتر بیشترین تأثیر در القای مرگ سلولی در این رده داشت (56). نتایج مطالعات متعدد نقش سمی وابسته به غلظت نانوذرات اکسید روی را علیه سلولهای سرطانی نشان میدهند که آن را کاندیدای مناسبی در زمینه شیمیدرمانی سرطان معرفی میکند.
خاصیت آنژیوژنیک نانوذرات روی
آنژیوژنز بهعنوان رشد عروق خونی جدید از عروق موجود تعریف میشود (57). عروقزایی دورهی بیولوژیکی حیاتی است که شامل فرآیندهای متفاوت فیزیولوژیکی (مانند رشد جنین، رشد مو، چرخهی قاعدگی، بهبود زخم و غیره) و فرآیندهای پاتولوژیکی (مانند رتینوپاتی دیابتی، آترواسکلروز، آرتریت روماتوئید، سرطان، بیماریهای ایسکمیک و قلبی عروقی و غیره) است (57). سایتوکاینهای متعددی در عروقزایی دخالت دارند که ازجمله میتوان به فاکتور رشد اندوتلیال عروقی (VEGF)، فاکتور رشد فیبروبلاستی (bFGF)، فاکتور رشد مشتق از پلاکت (PDGF)، فاکتور رشد هپاتوسیت (HGF) و غیره اشاره کرد که اغلب برای درمان ایسکمی و بیماریهای قلبی عروقی که با عوارض متعدد از قبیل فیبروز، ترومبوز، دسترسی زیستی پایین و هزینههای بالا استفاده میشوند که محققان را ملزم به یافتن مواد و داروهای عروقزای جدید برای حل این محدودیتها نموده است. در این زمینه گروههای تحقیقاتی متعدد از نانوذرات معدنی از قبیل نانولولههای En(OH)3 (58)، نانولولههای کربن (59)، نانوذرات نقرهی پوشش دهی شده با پلیونیل پیرولیدون (60)، نانوذرات پوشش دهی شده با پپتید (61) و گرافن اکسیدها (62) استفاده کردهاند که نقش عروقزایی آنها در مطالعات عروقزایی متعدد بررسی شده است. نانوذرهی روی سنتز شده به کمک ماکروویو فعالیت عروقزایی مناسبی را در شرایط آزمایشگاهی و دورن تنی نشان داده است (63). تکثیر و مهاجرت سلولهای اندوتلیال دو مرحلهی کلیدی عروقزایی هستند که حین ترمیم زخم با کمک نانوذرات اکسید روی مشاهده میشود. نانوذرهی اکسید روی سبب القای تکثیر و مهاجرت سلولهای اندوتلیال با الگوی وابسته به غلظت در مقایسه با گروه شاهد شد. در مطالعهای دیگر Augustine و همکاران نانو داربستهای الکتروریسی PCL همراه با نانوذرات اکسید روی را سنتز کردند و ثابت کردند که ویژگیهای عروقزایی داشته است (64).
طی آنالیز نانوذرهی روی در غشای کوریوآلانتویس مشخص شد که بهطور معنیداری تعداد و اندازهی عروق خونی و به همان اندازه، سایز و وزن رویانها را کاهش داده بود. ارزیابی ادم پنجه موش نشان داد که نانوذرات قادر به کاهش التهاب هستند. الگوی بیان ژنهای VEGF و گیرندهی آن در سلولهای سرطانی MCF-7 نشان داد که نانوذرات اثر مهاری بر بیان هر دو ژن دارند. بیان ژنهای IL-10 و Il-1B به ترتیب افزایش و کاهشیافته بود نانوذرات همچنین تکثیر سلولهای سرطان سینه را کاهش داده بود (65). در مطالعهای دیگر نیز نانوذرات روی سبب کاهش تعداد، طول عروق غشای کوریوآلانتویس و وزن رویان جوجهها در مقایسه با گروه شاهد شده بود (66). با این حال همچنان لزوم مطالعات بیشتر درونتنی در ارتباط با یافتن اثرات مثبت و منفی نانوذرات اکسید روی بر فرآیند عروقزایی ضروری بهنظر میرسد.
اثرات ضد دیابتی نانوذرات روی
دیابت به گروهی از بیماریهای متابولیکی که با سطح بالای قند خون در ارتباط است اطلاق میشود و یکی از پنج عامل اصلی مرگ و میر در دنیا است. در سال 2013 حدود 150 میلیون نفر در دنیا از بیماری دیابت رنج میبردند و تخمین زده میشد که تا 20 سال آینده این مقدار به حدود دو برابر برسد (67). چنین جمعیت عظیمی از بیماران و ماهیت ناهمگن خود بیماری مستلزم توسعه روش درمانی مقرونبهصرفه با اقدامات متعدد است. افزایش دانش مرتبط با نقش فلزات دخیل در متابولیسم گلوکز و ارتباط کمبود آنها با بیماری دیابت انگیزهی بزرگی برای تحقیق در این زمینه ایجاد کرده است. وانادیوم (68)، کروم (69)، منیزیم (70)، کبالت (71) و روی (72) نقش مهمی در هموستاز گلوکز بازی کرده و در درمان دیابت دخالت دارند.
روی در متابولیسم گلوکز مشارکت دارد. روی سبب افزایش گلیکوژنز کبدی از طریق اثر بر روی چرخههای سیگنالی انسولین شده و بنابراین سبب بهبود استفاده از گلوکز میشود (73). روی سبب مهار جذب رودهایی گلوکز (74) و افزایش مصرف گلوکز در ماهیچهی اسکلتی و بافت چربی میشود (73) همچنین در کاهش سطح گردش خونی گلوکز مشارکت دارد. علاوهبراین، روی سبب مهار ترشح گلوکاگون (75) شده که باعث کاهش گلوکونئوژنز و گلیکوژنولایسیس میگردد.
روی سبب افزایش یکپارچگی ساختار انسولین شده (76) و نقش مهمی در سنتز، ذخیرهسازی و ترشح آن بازی میکند (8). انتقالدهندههای وابسته به روی در سلولهای بتای پانکراس (77) شناساییشده است و نقش انتقالدهندهی 8 وابسته به روی در ترشح انسولین تحریکشده با گلوکز روشنشده است (78) که بر دخالت روی در اگزوسیتوز انسولین تأکید دارد. فعالیتهای تقلیدی روی از انسولین نیز مشخصشده است که سبب افزایش لیپوژنز و مهار آزادسازی اسید چرب غیر استریفیه (NEFA) از سلولهای چربی شده است (79). مهار فعالیت پروتئین-تیروزین فسفاتاز 1B بهوسیلهی روی گزارششده است، بنابراین سبب افزایش سیگنال انسولین میشود (80). همچنین روی سبب بهبود سیگنال انسولین با مکانیسمهای دیگر از قبیل افزایش فسفوریلاسیون تیروزین گیرندهی انسولین، افزایش فعالیت PI3K و مهار گلیکوژن سینتاز کیناز 3 میشود (73).
کمبود روی با بروز دیابت ارتباط دارد و ممکن است سبب پیشرفت دیابت نوع 2 شود (72). کاهش روی در پانکراس توانایی سلولهای بتا در تولید و ترشح انسولین را کاهش میدهد (81). علاوهبراین، روی اثرات آنتیاکسیدانتی داشته که مشکلات استرس اکسیداتیو دیابت را تشدید میکند. بنابراین، ارتباط داخلی پیچیده بین روی، دیابت و مشکلات دیابتی وجود دارد. توسعهی درمان مبتنی بر روی برای هر دو دیابت نوع 1 و 2 با عوارض مرتبط با آن در حقیقت پیشنهاد جالبی بوده است.
کمپلکسهای متعددی از روی سنتز شدهاند که اثرات سودمند آنها بر روی مدلهای جوندگان دیابتی به اثبات رسیده است (82، 83). مصرف خوراکی نانوذرهی روی سبب اثرات معنیدار ضد دیابتی شده که مقاومت به گلوکز را بهبود میبخشد، سطوح بالاتر انسولین سرم خون (70 درصد)، کاهش قند خون، کاهش اسیدهای چرب استریفیته و کاهش تریگلیسریدها را در پی داشته است. نانوذرات روی بهصورت سیستمیک جذبشده و سبب افزایش سطوح روی در کبد، بافت چربی و پانکراس میشوند. افزایش ترشح انسولین و فعالیت سوپراکسیداز دیسموتاز همچنین مشاهدهشده است (84). در مطالعهای دیگر نانوذرهی روی سبب کاهش سطح قند خون در موشهای دیابتی شده با استرپتوزتوسین شد و از کاهش تعداد فولیکولهای آغازین ناشی از دیابت جلوگیری کرد و تعداد جسمهای زرد را افزایش داد (85). بهنظر میرسد که نانوذرات اکسید روی عاملی امیدبخش در درمان دیابت به همان اندازه کاهش مشکلات ناشی از آن است.
انتقال ژن
از انتقال ژن عمدتا جهت درمان عوارض ژنتیکی به روش ژندرمانی استفاده میشود (86). با اینحال، بار منفی غشای پلاسمایی انتقال اسیدهای نوکلئیک را محدود میکند (87). در این رابطه، نانوتکنولوژی استراتژی جایگزین برای انتقال اسیدهای نوکلئیک به مکان مناسب در سیستم بدنی را فراهم آورده است. در برخی گزارشها ثابتشده است که نانوذرات اکسید روی میتوانند سیستمی کارآمد برای انتقال ژن باشند. برای مثال Zhang و Liu (88) سیستم انتقال DNA مبتنی بر پلی (2-(dimethylamino) ethyl methacrylate) (PDMAEMA) حاوی نقاط کوانتومی اکسید روی با نشر زرد لومینسانس را معرفی کردند. ترکیب این نانوذرات با پلاسمید DNA راندمان انتقال عالی ژن را در سلولهای COS-7 با سمیت پایین را نشان داد. محققین مدعی شدند که وجود لومینسانس زرد سیستم واقعی انتقال ژن را نشان داده است. در مطالعهای دیگر توسط Kumar و همکاران (89). نانو کپسولهای زیست سازگار اکسید روی-اکسید سیلیکا با ساختار مزوپروس برای انتقال دارو و اسید نوکلئیک طراحی کردند. ترکیب نانوذرات اکسید روی در ماتریکس اکسید سیلیکا قادر به بارگذاری اسیدهای نوکلئیک با بار منفی در کمپلکس اکسید روی-سیلیکا بود. مولفین آزادسازی DNA و دارو از کمپلکس اکسید-روی-سیلیکا را نشان دادند که میتواند برای انتقال ژن و دارو هر دو کاربرد داشته باشد
ترمیم زخم
پوست اندام مهمی در بدن است. پوست، بدن را از تهاجمات خارجی محافظت میکند. زخمها میتوانند با یا بدون ضایعهی بافتی ایجاد شوند. زخم میتواند بهصورت حاد یا مزمن باشد. فرآیند ترمیم زخم، پوست را پس از آسیب بازسازی میکند. ترمیم زخم شامل چهار مرحله فرآیندهای بیوشیمیایی و سلولی است که همپوشانی دارند. این فرآیندها شامل هموستاز، التهاب، تکثیر و بازسازی است. در این مراحل بسیاری از سلولها و فاکتورهای رشد دخالت دارند. پوست بهطور طبیعی با فرآیند ترمیم التیام پیدا میکند (92-90).
نخستین هدف در فرآیند ترمیم زخم تسریع ترمیم با حداقل تشکیل اسکار است (93). ترمیم زخم بهوسیلهی متغیرهای متعددی مانند تامین خون کافی، اندازهی زخم، عفونت، سن، جنس و بیماری دیابت تحت تأثیر قرار میگیرد (94). روی بهطور موضعی ترمیم زخمهای کوچک و حاد (95)، همچنین تشکیل مجدد اپیتلیوم، کاهش التهاب و رشد باکتری را تسریع میبخشد (96).
اکسید روی با ویژگیهای فوتوکاتالیستی و ظرفیت فوتو-اکسیده کردن علیه گونههای شیمیایی و بیولوژیکی شناخته میشود (97). نانوذرات اکسید روی ویژگیهای ضد قارچی و ضد باکتریایی هم دارند که علیه باکتریهای گرم مثبت و منفی مؤثر است (98). نانوذرات اکسید روی سبب بهبود ترمیم زخم و کاهش عفونتهای زخم در اسب شدهاند (99). در مطالعهای دیگر، تکثیر سلولهای فیبروبلاستی در حضور نانوذرات با اندازه بزرگتر بهتر صورت گرفت. این در حالی بود که فعالیت ضد باکتریایی نانوذرات اکسید روی در اندازههای کوچکتری از نانوذرات صورت گرفت (100). نانوذرهی سبز اکسید روی با شکل کروی و اندازهی 10 تا 20 نانومتر، نرخ انقباض زخم، اپیتلیالیزه شدن را بهبود بخشید بود. در آن مطالعه مارکرهای انقباضی، بیوشیمیایی مانند محتوی هیدروکسی پرولین بافت گرانوله شده و پروفایل آنزیمهای آنتیاکسیدانتی بهبود یافته بود (101). مواد کامپوزیتی حاوی نانوذرات اکسید روی سبب بهبود زخم، تنظیم اکسیژنرسانی، خونرسانی و کاهش هایپوکسی و استرس اکسیداتیو در زخمهای حاصل از سوختگی شدهاند (102).
با توجه به اینکه فرآیند ترمیم زخم بسیار پیچیده است و عوامل مختلفی در ترمیم و مهار عفونتهای زخم مؤثر هستند شناخت ترکیباتی با حداقل ضرر و مؤثر در این فرآیند بسیار ضروری است. با توجه به نتایج بهدست آمده از مطالعات مختلف به نظر میرسد پتانسیل نانوذرات خصوصا اکسید روی در ترمیم زخم و کاهش عفونتهای ایجاد شده در محل زخم نیاز به بررسی بیشتری دارد.
ایمنیدرمانی
در دهههای اخیر، ایمنیدرمانی با انتقال مولکولهای ایمنی (آنتیژنها، ادجوانتها و آنتیبادیها) به استراتژی پیشرفتهای برای مبارزه با بیماریهای مختلف تبدیلشده است. با اینحال، انتقال این مولکولها به شکل هدفمند، چالشی برای رسیدن به درمان مناسب است. در این زمینه، نانوتکنولوژی نقش مهمی برای انتقال انواع مولکولهای ایمنی جهت واکسیناسیون، ادجوانتتراپی و ایمنیدرمانی بازی میکند. اخیرا، نانوذرات روی در ایمنیدرمانی موردتوجه محققان بسیاری بودند. برای مثال، Roy و همکاران اثر ادجوانت نانوذرات اکسید روی زمانی که با آلبومین به درون صفاق تزریق میشوند را به اثبات رساندهاند. مؤلفین ثابت کردهاند که سطوح سرمی IgG1 و IgE در پی تیمار با نانوذرات اکسید روی بهطور معنیداری افزایش یافته بود (103).
انتقال دارو
استفاده از نانوذرات در انتقال هدفمند دارو فرصت مناسبی برای درمان مؤثر و سالمتر سرطان را فراهم میآورد. با هدف قرار دادن اختصاصی جایگاه سلولهای سرطانی، انتقال داروهایی مبتنی بر نانوذرات میتواند مقدار کل داروی استفاده شده را کاهش داده و بنابراین اثرات جانبی نامطلوب را به حداقل میزان خود برساند (52، 104). در مقایسه با دیگر نانوذرات، نانوذرات اکسید روی به خاطر ویژگیهای سمیت پایین و تجزیهپذیری موردتوجه هستند. نانوذرات اکسید روی برای انتقال داروی سرطان بسیار موردتوجه هستند. انواع مختلفی از داروها از قبیل دوکسوروبیسین، پاکلیتاکسل، کورکومین و بایکالین یا قطعات DNA میتوانند روی نانوذرات اکسید روی لود شوند تا حلالیت بهتر، سمیت کمتر در مقایسه با عوامل انفرادی و انتقال مؤثر به سلولهای سرطانی را نشان دهند (108-105).
Hariharan و همکاران (109) از تکنیک رسوب همزمان برای بهدست آوردن نانوذرات اکسید روی اصلاحشده با محلول PEG600، در پی آن لود کردن دوکسوروبیسین به شکل نانوکامپوزیت دوکسوروبیسین/نانوذرات اکسید روی/PEG استفاده کردند. نانوکامپوزیت دوکسوروبیسین/نانوذرات اکسید روی/PEG نهتنها سبب افزایش تجمع دوکسوروبیسین در داخل سلول شد بلکه مهار رشد وابسته به غلظت سلولهای سرطان سرویکس HeLa را نیز بههمراه داشت. Deng و Zhang(110) همچنین با روش رسوب نانومیلههای اکسید روی را ساختند که برای حمل دوکسوروبیسین به شکل نانوکمپلکس دوکسوروبیسین/نانوذرات اکسید روی استفاده شد. بعد از کشت سلولهای سرطان کبد SMMC-7721، نانوکمپلکس دوکسوروبیسین/نانوذرات اکسید روی بهعنوان سیستمی کارآمد برای انتقال دارو به سلولهای SMMC-7721 عمل کرده و جذب سلولی دوکسوروبیسین افزایشیافته بود. علاوهبراین، همراه با نور ماورابنفش، نانوکمپلکس دوکسوروبیسین/نانوذرات اکسید روی سبب مرگ بیشتر سلولها از طریق ویژگیهای فوتوکاتالیستی و همافزایی آپوپتوزیس وابسته به کاسپاز شد.
Puvvada و همکاران نانوحاملهای توخالی اکسید روی را ساختند که با سوبستراهای زیستسازگار، پس از ترکیب با عوامل هدفگیری اسیدفولیک و بارگذاری با پاکلیتاکسل بهعنوان نانوکمپلکس اکسید روی اسیدفولیک پاکلیتاکسل طراحی شدند (107). نانوکمپلکس اکسید روی اسیدفولیک پاکلیتاکسل تجمع زیستی ترجیحی را نشان داد و بیان گیرندهی فولات در سلولهای سرطانی سینه رده MDA-MB-23 افزایش داد که باعث جذب و تجمع آن در سلولهای سرطانی سینه شد. به دلیل اندوسیتوز باواسطه فولیک اسید و رهایش درونی در اندولیزوزوم اسیدی، نانوکمپلکسهای اکسید روی اسیدفولیک پاکلیتاکسل نهتنها باعث افزایش معنیدار سمیت سلولی در شرایط آزمایشگاهی علیه سلولهای MDA-MB-231 شده بودند بلکه زنوگرافت تومورهای MDA-MB-231 در موشها را کاهش دادند.
بهمنظور بهبود حلالیت و دسترسی زیستی کورکومین، Dhivya و همکاران دو کوپلمیر-انکپسوله شده با نانوذرات اکسید روی برای انتقال کورکومین، یعنی نانوکامپوزیتهای Cur/PMMA-PEG/ZnO NPs و Cur/PMMA-AA/ZnO NPs را سنتز کردند (112، 111). با استفاده از مطالعات تجربی، نانوکامپوزیت PMMA-PEG/ZnO NPs با متوسط اندازهی 80 نانومتر قادر به آزادسازی سریعتر کورکومین در شرایط اسیدی با pH حدود 8/5 بود. مقایسه ساختار نانومواد (نانوکورکومین، PMMA-PEG، نانوذرات روی و PMMA-PEG/ZnO)، نانوکامپوزیت Cur/PMMA-PEG/ZnO بیشترین مهار را علیه سلولهای سرطان معده AGS داشته است و سبب القای استراحت سلولی در فاز S شده بود. در ارتباط با دیگر نانوکامپوزیت، PMMA-AA/ZnO NPs با اندازهی 42 نانومتر مقدار زیادی کورکومین انتقال یافت و اثرات ضد سرطانی مشخصی بر سلولهای سرطان AGS داشت. گذشته از نقش نانوذرات اکسید روی در درمان هدفمند بیماریها با مشارکت در انتقال دارو به سلولهای سرطانی، به نظر میرسد که شناخت مسیرهای هدایتی و مکانیسمهای فعالیت آنها در شرایط آزمایشگاهی و درونتنی جهت شناخت فعالیت اینگونه داروها ضروری به نظر میرسد.
نقش نانوذرات اکسید روی در مهندسی بافت
مواد نانوسلولزی خواص مکانیکی و مسدودسازی نشان میدهد و نانوذرات اکسید روی خواص آنتی باکتریال عالی، ویژگیهای مسدودسازی ماورابنفش و خواص پایدار حرارتی فوقالعاده را نشان میدهند. بههمین خاطر، کامپوزیتهای نانوسلولزی و نانوذرات اکسید روی با ویژگیهای عالی چندگانه در تحقیقات و صنعت بسیار جذاب هستند. نانوکامپوزیت سلولز/نانوذرات اکسید روی در جاهای مختلفی مانند حسگرها و صفحات الکترونیکی (113)، در کاتالیزورها (114)، واکنشهای بیوشیمیایی (115) و انواع مختلفی از فیلمها (116) استفاده میشود.
در کاربرد برای پانسمان زخم، نفوذ اکسیژن عاملی است که در تهیه مواد کامپوزیتی در نظر گرفته میشود، برای همین دانشمندان کامپوزیت هیبریدی حاوی نانوذرات اکسید روی و هیدروژل کربوکسی متیل سلولز را سنتز کردند که خواص ضد باکتریایی فوقالعاده، تورم ظاهری 100 درصدی و نفوذپذیری گاز 500 درصدی را نشان میداد (117). نانوکامپوزیتهای نانوسلولز و نانوذرات اکسید روی استفادهی ترمیمی قوی 66 درصد زمانی که در حیوان آزمایششده و خواص ضد باکتریایی فوقالعاده علیه استافیلوکوکوس اورئوس 3/94 درصد، سودوموناس آئروژینوزا 4/87 درصد و اشریشیاکولی 90 درصد نشان دادند (118). در یک مطالعه، نانوکامپوزیتهای قابل تجزیه نانوهیبریدی با نانوذرات اکسید روی و هیدروکسیاتیل سلولز برای ارائهی برنامههای کاربردی درمان دیابت سنتز شدهاند (119).
نانو سلولز زیستسازگار و قابلتجزیه و نانوذرات فلزی اکسید مبتنی بر کامپوزیت هیبرید استفادههای متعددی مثل حسگرهای فرابنفش، سلها و آشکارسازهای نوری دارند (120). ازآنجاکه نانوذرات اکسید روی ویژگیهای فوقالعادهای در سنجش ماورابنفش دارند، با اینحال، بسته به ابعاد و ساختار سطحی غشای نانوذرات اکسید روی، کامپوزیت حاوی پلیمرهای شبه سلولز و نانوذرات اکسید روی میتوانند بهطور قابلملاحظهای فعالیت خود را در برنامههای حسگرها بهبود بخشند (121). استفاده از بیوپلیمرهای نانوکامپوزیتی در حال رشد است و نانوذرات اکسید روی میتوانند با تنوع بالای ساختاری نانوکامپوزیتها برای اهداف مختلف ضد باکتریایی، آنتی اکسیدانتی و فوتوکاتالیستی به کار گرفته شوند. نانوذرات اکسید روی به دلیل خواص شگفتانگیز فراوانی که دارند، مانند گستره وسیعی از جذب اشعه ماوراء بنفش، پایداری نور بالا، زیست سازگاری و زیست تجزیهپذیری، مواد منحصربهفردی هستند؛ اما وقتی با داربستها ترکیب میشوند، اهمیت و کاربرد آن افزایش مییابد.
چالشها و عوارض جانبی نانوذره اکسید روی
محصولاتی که نوید بخش توسعه فنآوریهای جدید هستند خطرات ناشناختهای برای سلامتی انسان، حیوانات و محیط زیست نیز دارند. سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA)، نانواکسید روی را به عنوان یک ماده ایمن شناخته شده (GRAS) در نظر گرفته است که این مواد شامل مواد مختلف در مقیاس میکرون تا اندازههای بزرگتر است. بنابراین، تبدیل مواد در مقیاس ماکرو به مقیاس نانو باعث میشود این مواد خواص جدیدی از جمله سمیت پیدا کنند. ذرات اکسید روی وقتی در معرض محیطهای بیولوژیک قرار میگیرند تجزیه میشوند و باعث آزاد شدن یونها میشوند که منجر به تولید انواع اکسیژن فعال و القای استرس اکسیداتیو به سلولها میشود. فلز روی جزء ضروری آنزیمهایی مانند کربنیک آنیدراز، الکل دهیدروژناز، متالوپروتئیناز ماتریکس و فاکتورهای رونویسی مانند فاکتورهای رونویسی پروتئین زینک فینگراست. تغییر در هومئوستازی روی سلولی در شرایط آزمایشگاهی منجر به فقدان بقا، استرس اکسیداتیو و اختلال عملکرد میتوکندری میشود. نانوذرات ZnO در محیط اسیدی به سرعت حل می شوند و غلظت موضعی بالایی از یونهای روی را تولید میکنند.
روی نقشی ضروری در هومئوستازی سلولی دارد و در داخل سلولها به صورت متصل شده باقی میماند، زیرا روی آزاد بسیار واکنش پذیر و سیتوتوکسیک است. افزایش ناگهانی سطح روی آزاد ممکن است به لیزوزومها آسیب برساند و باعث شود محتویات آنها در سیتوپلاسم آزاد شود و در نهایت باعث مرگ سلولی شود. نانوذرات اکسید روی خاصیت جذب پروتئین را نشان میدهند که ممکن است علت سمیت سلولی آنها باشد. انتشار داخل سلولی روی در اثر محیط اسیدی مسئول اصلی سمیت نانوسیمهای اکسید روی است. تغییرات آسیبشناسی ناشی از نانوذرات اکسید روی عمدتا به اندازه و دوز آنها بستگی دارد. نانوذرات اکسید روی در غلظت بالای 15 پی پی ام برای تمام سلولهای انسان و جوندگان سمی هستند. در مطالعات متعددی که روی نانوذرات اکسید روی انجام شده است مشخص شده است که انواع مختلف سلول و حیوانات را تحت تاثیر قرار می دهند. مشخص شده است که با یک دفعه تجویز داخل صفاقی نانوذرات اکسید روی با اندازه 100 نانومتر (2.5 گرم بر کیلوگرم وزن بدن)، در کبد، طحال، ریه، کلیه و قلب تجمع یافت و غلظت آن از تجویز مقادیر مشابه ذرات اکسید روی با اندازه 1 میکرومتر بیشتر بود (122).
- نتیجهگیری
نانوذرات کاربردهای متعددی در حوزههای تحقیقاتی بهخاطر اندازهی کمتر از 100 نانومتر دارند. نانوذرات روی به روشهای مختلفی مانند روشهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیک سنتز شده که روش اخیر روشی ارزان، دوستدار محیطزیست و ارزان در مقایسه با سایر روشها است. پیشرفتهای اخیر در حوزهی نانوذرات در زمینههای متفاوت زیست پزشکی، بیوسنسورها و نانوبیوتکنولوژی مشاهدهشده است که بهخاطر ویژگیهای متفاوت آن در مقایسه با حجم مواد مشابه، بهدلیل اندازهی کوچک آن است. در میان فلزات متفاوت، نانوذرات اکسید روی بهعنوان پلتفرم بالقوهای برای تحقیقات زیست پزشکی بهخاطر ویژگیهای ضد سرطان، ضد التهابی، آنتی اکسیدانتی، ضد باکتریایی، ضد دیابتی، ضد میکروبی، فتوکاتالایزوری و ترمیم زخم در نظر گرفته میشوند. سمیت ذاتی نانوذرات اکسید روی باعث شده است که دارای اثرات مهاری قوی علیه سلولهای سرطانی و باکتریها باشند که به دلیل القای تولید ROS داخل سلولی و فعالسازی مسیرهای هدایتی آپوپتوزیس است و همین مسئله، نانوذرات اکسید روی را کاندیدای بالقوهای برای مبارزه علیه سلولهای سرطانی و عفونتهای باکتریایی ساخته است. علاوه براین، نانوذرات اکسید روی بهعنوان حامل دارویی با افزایش دسترسی زیستی داروها یا بیومولکولها، راندمان درمان را افزایش میدهند. بهعلاوه، نانوذرات اکسید روی با توجه به توانایی در کاهش قند خون و افزایش سطح انسولین، پتانسیل امیدبخشی در درمان دیابت و کاهش عوارض ناشی از آن خواهند داشت. نانوذرات اکسید روی جزو مواد سالم تائید شده بهوسیلهی FDA هستند. با اینحال، برخی مسائل مهم در رابطه با نانوذرات اکسید روی هنوز نیاز به بررسی بیشتر دارد: 1) فقدان آنالیز مقایسهای در رابطه با مزایای زیستی آن در مقایسه با سایر نانوذرات، 2) بحث برانگیز ماندن محدودیتهای سمیت نانوذرات اکسید روی نسبت به سیستمهای بیولوژیکی، 3) فقدان تحقیقات تصادفی مبتنی بر شواهد بهویژه نقشهای درمانی در بهبود اثرات ضد سرطانی، ضد باکتریایی، ضد التهابی و ضد دیابتی، 4) نبود دیدگاه کافی در رابطه با مطالعات حیوانی ضد سرطانی، ضدباکتریایی، ضد التهابی و فعالیتهای ضد دیابتی. پس از مطالعات متمرکز بر موضوعات ذکرشده در بالا، میتوان کاربرد بالقوه نانوذرات اکسید روی در زمینههای تشخیصی و درمانی زیست پزشکی را بیشتر توضیح داد و درک کرد.
-
URL: http://journal.muq.ac.ir/article-1-977-en.html
doi:10.1038/srep11760
Click to copy the URI to your clipboard.doi: 10.3390/genes8100281.