فناوری نانو مانند هر فناوری دیگری به راحت تر زیستن انسان و همچنین راهکارهایی برای حفظ سلامت او بیش از پیش می پردازد. از همین رو تحقیقات جدید بر روی نانو ذرات در حوزه پزشکی و درمانی موجب به کشف نانو واکسن ها شده است. اما نانو واکسن چیست؟ چه تفاوتی با دیگر واکسن ها دارد؟ نحوه عملکرد و برهمکنش آن با سلول های انسانی چگونه است؟ اینها برخی از سوالاتی است که در این مقاله به آن می پردازیم. اگر شما هم علاقه مند به دنیای مدرن پزشکی و علم نانو هستید پیشنهاد می کنیم تا پایان این نوشته همراه آیدانانو باشید.
پیش از هر چیز ابتدا باید پیشینه و عملکرد واکسن ها را بررسی کنیم.
پیشینه و عملکرد واکسن ها
بدون شک واکسیناسیون یکی از قدرتمند ترین راه ها برای مقابله در برابر بیماری هاست. اولین بار در قرن هجدهم میلادی بود که واکسن ها وارد حوزه پزشکی شدند و تا به الان تحولات بسیاری کرده اند. در قرن هجدهم، بیماری آبله در اروپا عامل مرگ 400,000 نفر در سال بود. با اینکه تحقیقات مختلفی در علم میکروب شناسی انجام شده بود اما همچنان کسی از ویروس واریولا که عامل آبله انسانی بود اطلاع نداشت.
در این میان پزشک انگلیسی به نام ادوارد جنر بر روی درمان این بیماری کار می کرد. در تحقیقات خود طی مدت 16 سال به این نتیجه رسید که با تزریق مایع داخل تاول های گاو به بدن انسان، می توان نوعی مقاومت در برابر بیماری آبله در انسان ایجاد کرد. این تاول ها حاوی عاملی به نام Variolae vaccinae بودند که با تزریق آن به بدن انسان این مقاومت ایجاد میشد.
انواع واکسن و اهمیت نیاز به نانو واکسن ها
در دسته بندی کلی می توان انواع واکسن ها را به 2 بخش تقسیم کرد :
- اولین واکسن ها که شامل تمامی پیکر عامل بیماری زا هستند
- واکسن های جدید که فقط شامل قسمت های مشخصی از عامل بیماری زا هستند
تغییرات در واکسن های جدید باعث شد تا بخش قابل توجهی از خطرات واکسن های قدیمی از بین برود، که این امر موجب به کاهش عوارض جانبی واکسن و واکنش های ناخواسته می شد. اما همچنان برای افزایش عملکرد واکسن های قدیمی محققان ناچار بودند تا مواد کمکی به محتویات واکسن اضافه کنند، که متاسفانه پس از مدتی مشخص شد این مواد کمکی تاثیرات نامطلوبی بر بدن انسان مخصوصا کودکان دارد. این موضوع نیاز به تحقیقات روی واکسن ها را بیش از پیش پدیدار کرد.
در این میان فناوری نانو و نانو واکسن ها راه حل های نوآورانه ای را برای بسیاری از چالش ها مطرح کردند. در ادامه بیشتر به معرفی این فناوری می پردازیم.
نانو واکسن چیست؟
نانو واکسن ها واکسن های نسل جدیدی هستند که مواد نانو ساختار در ترکیب آنها وجود دارد. این نانو ساختارها می توانند از جنس های مختلف باشند و نقش های متفاوتی در ایجاد پاسخ ایمنی مناسب داشته باشند. هدف نهایی نانو واکسن ها عبارتند از :
◀ ایجاد پاسخ ایمنی هومورال و سلولی به مقدار قابل قبول
◀ افزایش برداشت پادگن توسط سلول های ایمنی
◀ کاهش دوز مورد نیاز از واکسن
◀ کاهش عوارض جانبی واکسن ها
انواع نانوساختارهای استفاده شده در نانو واکسن ها
حال که با نانوواکسن ها آشنا شدیم وقت آن است تا ترکیبات استفاده شده در آن را نیز بشناسیم. همانطور که اشاره کردیم هر کدام از این نانوذرات می توانند اثرات مختلفی در پاسخ سیستم ایمنی بدن ما داشته باشند.
1. نانوذرات بسپاری
نانوذرات بسپاری از جمله پرکاربردترین نانو ساختارها در نانوفناوری و به ویژه نانو واکسن ها هستند. بسپارها می توانند نانوساختارهای مختلفی چون نانوذرات و نانوژل ها را شکل دهند که ویژگی های لازم برای استفاده در بدن را دارند. نانو ذرات بسپاری مختلفی در ساخت Nano vaccine به کار می رود از جمله نانوذرات PLG و PLGA که به دلیل زیست سازگاری بودن و زیست تخریب پذیری بالا بیشتر مورد توجه پژوهشگران بوده اند.
از دیگر نانوذرات می توان به PGA-g اشاره کرد که دارای سر آبدوست و دم آبگریز هستند و می توانند میسل های خودآرای نانومتری تشکیل دهند. فضای درون این میسل ها آبگریز است و بنابراین برای انتقال پادگن های آبگریز مناسب اند.
بسپارهای طبیعی پلی ساکاریدی مانند کیتوسان، اینولین و آلژینات گروه دیگری از نانو ذرات هستند که در ساخت نانو واکسنها استفاده می شوند. مواد کمکی مشتق شده از نانوذرات اینولین نتایج امیدبخشی در واکسن های بیماری های ویروسی چون هپاتیت ب و آنفلوآنزا داشته اند.
2. نانوساختارهای غیرآلی
یکی از مهم ترین اهداف در ساخت نانو واکسن ها رسانش پادگن ها به سلول های ایمنی است. نانو ساختارهای غیرآلی به خوبی این وظیفه را انجام می دهند. به عنوان مثال نانوذرات طلا از جمله نانوذراتی هستند که در این حوزه کاربرد فراوانی دارند آن هم به دلیل مزایایی مانند امکان سنتز کنترل شده و توانایی عامل دار شدن آنها با کربوهیدرات ها.
نانو ساختارهای کربنی علاوه بر زیست سازگار بودن، دارای فضاهای خالی هستند که محلی مناسب برای بارگذاری مولکول های مختلف است. همچنین سطح آنها توانایی ویژه ای برای عامل دار شدن با مولکول های مختلف دارد.
از دیگر نانو ساختار های غیر آلی که در ساخت نانو واکسن مورد استفاده قرار می گیرد می توان به نانوذرات سیلیکا اشاره کرد. آنها نانوساختارهایی زیست سازگارند که با کنترل شرایط فیزیکی و شیمیایی فرایند سنتزشان می توان آنها را به شکل و اندازه موردنظر سنتز کرد، به طوری که برهم کنششان با سلول ها اختصاصی تر شود. از طرفی گروه های سیلان (ترکیبی از سیلیکون و هیدروژن) باقی مانده در سطح آن باعث می شود تا بتوان نانوذرات سیلیکا را عامل دار کرد. این امر موجب به ایجاد ویژگی هایی مانند جذب مولکول های زیستی، شناسایی سلولی، برهمکنش بهتر با سلول و افزایش ورود به سلول در نانوواکسن می شود.
3. لیپوزوم ها
لیپوزوم ها می توانند پادگن ها را در فضای خالی مرکزی خود قرار دهند و منتقل کنند. تاکنون چند سامانه لیپوزومی برای استفاده در انسان تاییدیه های لازم را دریافت کرده اند. برای مثال، واکسن Inflexal®V از لیپوزوم هایی با قطر 150 نانومتر ساخته شده که پادگن های ویروس آنفلوآنزا بر سطح آنها قرار گرفته اند.
4. نانوذرات شبه ویروس
ویروزوم ها یا نانوذرات شبه ویروس از خودآرایی پروتئین های کپسیدی ساخته شده اند که اسید نوکلئیک عامل بیماری زایی را درون خود ندارند. از مزایای این نانوذرات می توان به موارد زیر اشاره کرد:
✔ تحریک پاسخ ایمنی بدون آثار بیماری زایی
✔ بدون نیاز به ماده کمکی
امروزه چندین نانو واکسن مبتنی بر نانوذرات شبه ویروسی تولید و وارد بازار شده اند. تعداد زیادی نیز در حال گذراندن مراحل لازم برای گذر از آزمایشگاه ها و استفاده در بالین بیماران هستند. واکسن Cervarix نمونه ای از این واکسن هاست که ضد ویروس پاپیلوم انسانی (عامل سرطان دهانه رحم) است.
5. امولسیون های نانومتری
امولسیون ها از دیگر نانوساختارهایى هستند که به عنوان ماده کمکى در نانو واکسن ها کاربرد دارند. امولسیون ها می توانند به دو صورت آب در چربی یا چربی در آب باشند که هر کدام براى شرایط ویژه اى کاربرد دارد. این نانوساختارها در ابتدا فقط به عنوان ماده کمکى مورد توجه قرار گرفتند اما امروزه از آنها در سامانه هاى رسانش پادگن ها نیز استفاده می شود. امولسیون های نانومتری می توانند پادگنها را درون خود حمل کنند یا اینکه به سادگى با آنها مخلوط شوند.
نانوذرات مختلفی که در نانو واکسن ها مورد استفاده قرار می گیرند، محدوده ای از اندازه های مختلف را دارند و همین اندازه های مختلف، یکی از عوامل مهم استفاده اختصاصی از نانوذرات برای پادگن های مختلف است.
برهمکنش نانوذرات و پادگن در نانو واکسن
به طور کلی از نانوذرات در واکسن ها به دو حالت استفاده می شود:
حالت اول ⬅ به عنوان یک سامانه رسانش پادگن به دستگاه ایمنی
حلت دوم ⬅ فعال سازی مسیر هایی از دستگاه ایمنی برای بهبود پاسخ ایمنی به پادگن
نانوذرات به عنوان سامانه های رسانش می توانند به عنوان حامل موقت و عاملی برای محافظت از پادگن عمل کنند، آن را در محیط مناسب رها سازند یا اینکه پادگن را تا آخرین مراحل درون خود نگه دارند، به طوری که سلول ایمنی مجموعه نانوذره و پادگن را با هم ببلعد.
طراحی نانو واکسن و حالت های مختلف آن
در طراحی نانو واکسنها، چهار حالت اصلی برای نحوه تعامل نانوذره با پادگن (آنتیژن) وجود دارد که هر کدام تأثیر متفاوتی بر عملکرد واکسن و پاسخ ایمنی بدن دارند.
1. جذب فیزیکی پادگن روی سطح نانوذره
در این حالت، پادگن بهطور فیزیکی روی سطح نانوذره قرار میگیرد. این فرایند از طریق نیروهای ضعیفی مانند:
🔹 جاذبه بین بارهای الکتریکی
🔹 برهمکنشهای آبدوستی یا آبگریزی
✅ ویژگی این روش: پادگن سریعتر در بدن آزاد میشود، زیرا اتصال آن به نانوذره ضعیف است.
2. اتصال پادگن از طریق پیوند شیمیایی به نانوذره
در این روش، پادگن با یک پیوند شیمیایی قوی به سطح نانوذره متصل میشود.
✅ ویژگی این روش:
🔹 پادگن دیرتر از نانوذره جدا میشود.
🔹 سیستم ایمنی زمانی آن را پردازش میکند که سلولهای ایمنی کل مجموعه را بلعیده و تجزیه کنند.
3. کپسوله کردن پادگن درون نانوذره
منظور از کپسوله کردن (Encapsulation) قرار گرفتن مقدار کمی از پادگن درون پوششی از نانوذره است که با حذف نانوذره پادگن محبوس شده آزاد می شود. در این روش، نانوذره مانند یک کپسول، پادگن را درون خود قرار میدهد و از آن محافظت میکند.
✅ ویژگی این روش:
🔹 رهایش کنترلشده و تأخیری پادگن، که میتواند پاسخ ایمنی را طولانیتر و مؤثرتر کند.
🔹 مانند روش قبلی، سیستم ایمنی زمانی پادگن را آزاد میکند که کل نانوذره را هضم کند.
4. مخلوط سازی پادگن و نانوذره بدون ارتباط مستقیم
در این روش، نانوذره و پادگن بدون هیچگونه اتصال فیزیکی یا شیمیایی، بهصورت جداگانه در بدن تزریق میشوند.
✅ ویژگی این روش:
🔹 حتی تزریق جداگانه اجزای نانو واکسن میتواند واکنش ایمنی مناسب را ایجاد کند.
🔹 تحقیقات نشان داده است که برای تحریک سیستم ایمنی، لزوماً نیازی به اتصال مستقیم نانوذره و پادگن نیست.
سخن پایانی
حوزه کاربردهای فناوری نانو در علم مدرن پزشکی روز به روز گسترده تر می شود. پژوهشگران در تلاش اند که سطح فعالیت دستگاه ایمنی را به کمک نانو ساختار ها تنظیم کنند. دستیابی به این دانش، توانایی بشر را برای درمان بیماری هایی چون سرطان، بیماری های خودایمنی و التهاب ها افزایش می دهد.