Nanoteknoloji, tıpta çok sayıda muhtemel uygulamalarıyla yeni ve heyecan verici bir alandır. Tıpta; hastalıkların tanısı, ilaç salınımı, görüntüleme gibi farklı alanlarda rolü vardır.
Nanoteknoloji nedir? Nanoteknoloji; tasarım, sentez, karakterizasyon, ve materyallerin ve cihazların nanometre (metrenin milyarda biri) ölçeğinde uygulanması ile ilgili bilim ve mühendislik olarak tanımlanabilir. Bu ölçekte, her bir molekülün ve moleküllerin etkileştiği grupların, daha büyük boyuttaki materyal ve cihaz ölçeğinde etkisinin değerlendirilmesi önemlidir. Çünkü yapıtaşı olan moleküllerin kontrolü, daha büyük ölçekte kimyasal ve fiziksel özelliklerin kontrolünü sağlar.
Bu cihazlar ve materyaller moleküler seviyede, tıp ve fizyoloji uygulamaları için hücre ve dokularla etkileşim halinde olacak şekilde tasarlanabilirler. Böylece nanoteknoloji, kimya, fizik, materyal bilimi ve biyoloji gibi farklı disiplinleri bir araya getirebilir.
İlaçların ve diğer materyallerin nanometre düzeyinde manipüle edilmesi, materyallerin temel özelliklerini ve biyoaktivitesini değiştirebilir. Örneğin; ilacın çözünebilirliği, kana karışma süresi, kısa ya da uzun sürelerde kontrollü salınımı değişebilir. Ayrıca, çevresel olarak salınımı tetiklenebilir ya da hedefe özel olarak salınım yapılabilir.
Nanoteknoloji sağlık bilimlerine ne gibi faydalar sağlar? Nanomateryallerin tıpta uygulamaları; floresan biyolojik etiketler, ilaç salınımı, gen aktarımı, patojenlerin saptanması, proteinlerin saptanması, DNA yapısının işaretlenmesi, doku mühendisliği, tümörün saptanması, biyolojik moleküllerin ve hücrelerin ayrılması ve saflaştırılması ve MRI çalışmalardır. Nanotıp araştırmalarının uzun dönemdeki hedefi; nanomakine olarak da bilinen moleküler ölçekteki bileşenlerin karakterizasyonudur. Hücrelerdeki nanomakinaların tam kontrolü ve manipülasyonu, canlı hücrelerdeki hücresel mekanizmaların daha iyi anlaşılmasına ve çeşitli hastalıkların erken tanı ve tedavisi için ileri teknolojilerin gelişmesine katkıda bulunacaktır. Ayrıca bu alan, yaşayan hücrelerdeki moleküler mekanizmaların işaretlenmesi için tasarlanan nano ölçekteki görüntüleme yaklaşımını da etkileyecektir. Moleküler görüntüleme, hastalıkların altında yatan moleküler olayları görüntülemek için güçlü bir araçtır. Nanoteknoloji ile moleküler görüntülemenin birleştirilmesi, insan hastalıklarında çeşitli biyomarkerların görüntülenmesinde duyarlılığı arttıracaktır.
Basit manyetik nanopartiküller MRI’da kullanılabilir. Ayrıca bu manyetik nanopartiküller; floresan işaretleyicilerin ve diğer moleküllerin eklenmesi ve gen aktarımı için de kullanılabilir. Örneğin; manyetik nanopartiküller ve adenovirüs hücreyi tespit edebilir ve yeşil floresan protein geninin aktarılması ve aktivitesi görüntülenebilir. Bu sayede, MRI görüntülemelerinde, dokuları görüntülemenin yanı sıra gen aktivitesi gibi hücrelerdeki faaliyetleri de görüntüleyebiliriz. Bu da bize, hastalıkların mekanizmasıyla ilgili daha ayrıntılı bir bakış açısı sunabilir.
Nanotıptaki araştırmalar; biyosensörler, görüntüleme araçları, hedefe özel moleküler salınım araçları ve diğer faydalı biyolojik araçlar için fonksiyonel nanomateryallerin kullanımına odaklaklanır. Altın nanoparçacıklar, quantum dots, karbon nanotüpler/nanofiberler, kitosan, dendrimer, liposom, polimer nanokapsüller medikal uygulamalar için araştırılmaktadır. Bu uygulamalar, moleküler görüntülemenin yanı sıra erken kanser tanısı ve tedavisi için de umut verici araçlar olabilir. Farmasötik endüstrisindeki muhtemel ticari yeni uygulamalar; ileri ilaç salınımı sistemlerini, yeni terapileri ve in vivo görüntülemeyi içerebilir.
İnorganik nanopartiküller ve nanotüpler, eşşiz optik, fiziksel ve elektriksel özelliklerinden dolayı caziptir. Mezogözenekli silika nanomateryaller, fazla miktarda biyomedikal molekül yükleme ve salma konusunda eşsiz avantaja sahiptir. Yapılan son çalışmalar mezogözenekli silika nanomateryallerin hücre çoğalmasına ve farklılaşmasına zarar vermeden insan mezenkimal kök hücrelerin içerisine girebilme özelliğinden dolayı ideal bir kök hücre işaretleme aracı olduğunu gösterdi. Yapılan başka bir çalışmada da karbon nanoyapılarının, maya ve bakteri gibi mikroorganizmalar için antimikrobiyal özellik gösterdiği gözlemlenmiştir.
Nanopartiküllerle Kontrollü İlaç Salınımı
İlaç salınımındaki nanomedikal yaklaşımlar, ilacın stabilitesini sağlamak için nanoölçekte partiküller ya da moleküller geliştirmeye odaklanır. Nanoteknoloji temelli ilaç salınımı; ilacın geçirgenliğini, kontrollü salınımını ve ilacın hedefe yönelik olması özelliklerini arttırmayı hedefler.
Nanokapsülleri ya da nanopartikülleri kullanan geleneksel ilaç salınım sistemi hedefe yönelik olmadığı için, vücuttaki normal ve hassas hücreler üzerinde yan etki ve toksik etki oluşturabilir. Damara enjeksiyondan sonra nanopartiküller, hızlı bir şekilde RES hücreleri tarafından alınır ve karaciğere ve dalağa ulaştırılır. Son zamalarda geliştirilen hedefli terapilerle nanopartiküllerin hedef bölgeye ulaşma şansı artmıştır ve toksik etkileri ve ilaç dozu azalmıştır. Bu durum özellikle tümör kemoterapisinde, sadece çevresindeki normal hücrelere dokunulmadan seçici şekilde tümör hücrelerine ilaç verilmesi açısından önemlidir.
Nanopartiküller, normal hücrelerde toksik etki yaratmaktan kaçınarak, tümör hücrelerindeki ilaç konsantrasyonunu arttırmak için pasif ve aktif hedefleme stratejilerini kullanır. Pasif hedefleme stratejisi, modifiye edilmemiş nanopartikül yüzeyleri için kullanılır ve bir dezavantajı partiküllerin RES hücreleri tarafından alınmasıdır. Pasif hedefleme, tümörün artmış geçirgenliğinden yararlanır ve böylece hedef bölgede ilaç birikimi olur. Biyobozunabilir kitosan, PEG, lipozomlar, dekstran, silika jelatin ve PMMA, poliakrilamit, poly styrene, polycyanoacrylate, polyphosphazene türevleri gibi biyobozunur olmayan polimerleri gibi çeşitli sistemler ilaç salınımı ve gen aktarımı için kullanılır. Polimerik nanofiberler yoluyla ilaç salınımı konusuna artan bir ilgi vardır.
Aktif hedefleme stratejisi ise, antikanser seçici hedeflemeyi arttırmak için nanopartiküllerin yüzeyinde ve boyutunda değişiklik yapmaktır. Örneğin; antikor ya da sinyal molekülü aracılığıyla hedefleme ve manyetik nanopartikül temelli hedefleme bunlar arasındadır. Antikor ya da sinyal molekülü aracılığıyla hedeflemedeki temel prensip, kanser hücreleri tarafından fazla miktarda üretilen antijene ya da reseptöre nanopartiküllerin bağlanmasıyla kanser hücrelerinin hedeflenmesidir. Manyetik nanopartiküllerin taşıdığı ilaçla kanser hücrelerinin hedeflenmesi umut verici bir yaklaşımdır ve yan etkisi yoktur. Genelikle partikülün manyetik bileşeni biyouyumlu bir polimer olan dekstran ile kaplanır. Manyetik özelliği olan tüp şeklindeki yapıların kullanılması, hem ilaç salınımı hem de MRI ile görüntüleme açısından avantajlıdır. Dendirimerler de oluşturdukları kafes yapıları ve hücrelerin yüzeyindeki moleküllerle etkileşime girebilmeleri nedeniyle ilaç salınımı için uygun bir adaydır. Büyüklük, şekil ve yüzey özelliklerinin kontrol edilebilir olması nedeniyle nanoyapılar ilaç salınımı için ideal aracılardır. Bir bilimsel çalışmada, hedeflenmiş dendrimer nanopartiküllerin yüksek oranda antitümör aktivite gösterdiği gözlemlenmiştir.
Nanoyapıdaki biyomateryaller, merkezi sinir sistemi hastalıklarının tanısı için de güçlü bir araçtır. Fakat ilaçların ağız yoluyla ya da kan dolaşımına enjeksiyonla alınması ile beyine tam olarak ulaşamadığı biliniyor. Nanopartikül temelli aktarım, ilaçların kan-beyin bariyerini (bu konuda daha fazla bilgi için https://www.bilgiustam.com/kan-beyin-bariyeri-ilac-salinimi/ ) aşıp beyne ulaşabilmesi için etkili bir alternatiftir. Yapılan bir çalışmada, beyin tümörünün nanopartiküllerin taşıdığı ilaçla tedavi edilebileceği gösterildi. Poli nanopartiküllerin beyine ilaç salınımı için faydalı bir aracı olduğu keşfedildi. Manyetik nanopartiküllere dayalı ilaç salınımının da kan-beyin bariyerini aşarak beyine ilacı ulaştırdığı gözlemlendi. Ayrıca, nanopartikül temelli ilaç salınımı anti-HIV ilaçları ve anti-enfeksiyon ajanları için de etkilidir. Etkili ve tedavi edici nanotıp için fonksiyonel karbon nanotüplerin ve nanofiberlerin geliştirilmesi için ileri düzey çalışmalara ihtiyaç vardır.
Nanoteknolojiyi Uygulama Koymada Zorluklar
Nanoteknoloji alanındaki heyecan verici gelişmelere rağmen, nano ölçekti materyallerin toksik etkilerinin ve sağlık açısından oluşturduğu riskin değerlendirilmesi gerekir. Nano ölçekteki materyallerin kullanım için faydalı özellikleri olsa da, potansiyel olarak toksik etkilere neden olabilir. Yüzeylerindeki fiziksel ve kimyasal aktiviteler, biyolojik aktiviteleri etkileyebilir. Bu açıdan, nanomateryallerin ne kadar güvenli olduğu ve ne derece toksik etkiye sahip oldukları henüz cevaplanmamış önemli sorulardır.
Karaciğer, dalak, böbrek, lenf nodları, kalp, akciğerler ve kemik iliğinde nanoparçacıkların toksik etkisinin olduğu rapor edilmiştir. Raporlarda nanoparçacıkların etkisi kısa dönem için gösterilmiştir ama uzun dönemdeki etkileri ile ilgili çalışmalara da ihtiyaç vardır.
Toksisite riskini azaltmak için de, biyouyumlu nanomateryallerin ve etkili yüzey modifikasyon stratejilerinin geliştirilmesine ihtiyaç vardır. Bu nedenle nanotıp alanındaki araştırma trendi, nano parçacıkların toksik özelliklerin daha iyi anlaşılması ve azaltılması üzerinedir. Mevcut gelişmeleri göz önünde bulundurarak, hedefe odaklı kanser ve diğer hastalıkların nanoparçacıklarla tedavi edilebilmesi için, nanomateryaller ve toksisite ile ilgili ileri düzeyde çalışmaların yapılmasına ihtiyaç duyulmaktadır.
Kaynakça:
1) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2890134/
2) Saji. Nanotechnology in biomedical applications: a review. Int. J. Nano and Biomaterials, Vol. 3, No. 2, 2010.
Yazar: Ayça Olcay