نانودارورسانی به مغز با اسب تروا

مقدمه

مغز دارای یکی از بهترین سیستم‌های امنیتی در بدن است، به‌طوریکه از طرف خارج به‌وسیله‌ی جمجمه و از داخل، به‌وسیله‌ی سد خونی- مغزی (BBB) محافظت می‌شود.  

وظیفه BBB بقای هموستاز مغز، و ایجاد محیطی بی‌همتا برای مایع خارج سلولی سیستم اعصاب مرکزی (CNS) است، و قادر است تا ترکیبات آن را به‌طور بسیار دقیقی کنترل نماید. مناطقی ازCNS که حاوی مایع خارج سلولی است، عبارتند از: مغز، آب میان بافتی موجود در سلول‌های پارانشیمال طناب نخاعی، مایع مغزی نخاعی بطن‌های مغز و همچنین فضای تحت عنکبوتیه مغزی و نخاعی.

ساختمان BBB از سلول‌های اندوتلیال مویرگ‌های مغز و نخاع تشکیل شده است. مشخصه این سلول ها، وجود اتصالات فشرده‌ای است که در پیرامون آنها به‌طور پیوسته قرار گرفته و آنها را محکم به یکدیگر متصل کرده است، و در نتیجه، مانع از ایجاد هر نوع مسیر آب گذری، بین این سلول‌ها می‌شود. وجود اتصالات فشرده و نبود گذرگاه‌های آبی بین سلولی، به شدت حرکت مواد قطبی محلول در آب را از طریق سلول‌های اندوتلیال مغز محدود می‌کند.  

البته مواد معینی وجود دارند که می‌توانند به‌صورت غیر فعال از طریق سلول‌های اندوتلیال مغز انتشار یابند. این انتشار بستگی به میزان چربی دوستی و وزن مولکولی آنها دارد. داروهایی که دارای وزن مولکولی بالای 500 دالتون هستند به‌طور طبیعی قادر به انتشار غیر فعال از طریق BBB نیستند. 

 گر چه تعداد زیادی از داروها، که دارای وزن مولکولی و خاصیت چربی دوستی مناسبی هستند، به‌طور طبیعی و به آسانی از BBB عبور می‌کنند، اما، به سرعت به‌وسیله‌ی پمپ‌های رو به خارج بسیار قوی به جریان خون برمی گردند. 

 از میان این سیستم‌های تلمبه‌ای می‌توان از پلی گلیکوپروتئین (Pgp) ، پروتئین مقاوم چند دارویی (MDR) ، و نیز MOAT (حامل آنیون‌های آلی چندگانه) نام برد. از آنجائیکه مغز برای انتقال مواد و همچنین دفع زائدات حاصل از سوخت و ساز خود، به خون وابسته است، سلول‌های اندوتلیال باید قادر باشند تا به منظور تبادلات محیط داخلی و خارجی، و دفع مقادیر متنوعی از ترکیبات درونساز مانند مواد آب دوست (قندهای شش کربنی4، آمینو اسیدها، ترکیبات پورین، و مواد مونوکربنی)‏، و لیپوپروتئین‌ها (LDL) به‌عنوان واسطه‌های حمل مواد عمل کنند. 

 برخی از این حامل‌ها مواد را به‌طور یک‌طرفه و برخی دوطرفه از غشاء سلول منتقل می‌کنند. پس بعضی از مواد محلول به‌طور دو قطبی عمل می‌کنند، یعنی دارای این امتیاز هستند که می‌توانند هم به مغز وارد وهم از آن خارج شوند. نتیجه می‌گیریم که،BBB مانع بزرگی برای رساندن مقادیر موثر دارو به مغز و درمان آن است و بنابراین، تلاش زیادی می‌طلبد تا بتوان براین حصار غلبه کرد. 

 به‌عنوان مثال می‌توان، از طریق فشار تراوشی این اتصالات فشرده را گشود، و یا با استفاده از پیش‌داروها یا سیستم‌های حامل مانند آنتی بادی‌ها، لیپوزوم‌ها و نانوذرات بر این امر فائق آمد. در هر صورت، گشودن این اتصالات فشرده از طریق فشار تراوشی یک روش بسیار تهاجمی است که باعث ورود مواد ناخواسته به داخل مغز می‌شود.  

استفاده از پیش‌داروها می‌تواند باعث افزایش چربی دوستی و نفوذ و ترابری بهتر مواد از حصار سلول‌های آندوتلیال چربی‌دوست، شود، همچنین این پیش‌داروها می‌توانند از سیستم‌های حامل وابسته به غشاء استفاده نمایند. به هر حال در بسیاری از موارد، یا نمی‌توان یک پیش‌داروی مناسب تولید کرد و یا اینکه مولکول ساخته شده بسیار بزرگ است.  

حامل‌های کلوئیدی، در مقایسه با سایر سیستم‌های حامل در  BBB، از مزایای بیشتری برخوردار هستند. برای مثال گیرنده‌های لیپوپروتئینی و سیستم‌های ترانس سیتوز ترانسفرین از این گروه هستند که می‌توانند به‌عنوان سیستم‌های دارورسانی سریشمی (کلوئیدی) ذره‌ای مورد استفاده قرار بگیرند.  

نانوذرات

نانوذرات از منظر داروسازى، طبق تعریف دانشنامه فناورى داروسازى عبارتند از ذرات سریشمى جامد که از ماکرومولکول‏ها ساخته شده‏اند و داراى ابعاد 1 تا 1000 نانومتر( 1 میکرون)، هستند.  

 قسمت اصلى و فعال آنها (دارو یا مواد فعال بیوزیستى)، نا محلول، طعمه گونه و کپسول دار هستند و یا اینکه این قسمت ها، به‏طور جداگانه به آنها متصل شده است.  در سال 1980 ، پروفسور اسپیسر  براى اولین بار استفاده از نانوذرات را براى عبور داروها از BBB در انستیتو فناورى فدراتیو سوئیس در زوریخ مطرح کرد. او اولین کسى است که از سال 1960 تا 1970 ، به‏طور اصولى و قاعده‏مند، روى این موضوع کار کرد و باعث پیشرفت آن شد. 

در ابتدا براى نشان دادن امکان انتقال داروها به‏وسیله‏ى نانوذرات BBB ، از هگزا پپتید دالارگین (Tyr-D-Ala-Gly-Phe-Leu-Arg)  استفاده شد، که به نانوذره‏اى در ابعاد 250 نانومتر، تحت عنوان پلى بوتیل سیانوآکریلات، که از تجزیه پذیرترین مواد زیستى است، متصل شده بود. نانوذرات را براى مدت 4 ساعت با این دارو پرورده کردند.  

نتیجه کار، اتصال 40 درصد از دالارگین اولیه بود. سپس این ذرات را با سورفاکتانت  پلى  براى مدت 30 دقیقه پروراندند به‏طوریکه بین قسمت اتصالى پلى سوربات با قسمت محلول آن تعادل بر قرار شد.  ماده حاصل را از طریق ورید به موش تزریق کردند و اثر ضد درد وابسته به دوز آن را به دو روش تست ضربه – دم  و تست صفحه داغ بررسى کردند. 

ده دقیقه قبل از تزریق این ترکیب، از آنتاگونیست گیرنده افیونى ? نالوکسان به‏صورت  داخل وریدى استفاده شد، و در نتیجه از اثر ضد درد نالوکسان به‏طور کامل جلوگیرى شد.  هر دو آزمایش، نشان داد که دالارگین توانسته‏ است به‏طور مرکزى و نه محیطى ،بر CNS اثر بگذارد و ثابت  کرد که دالارگین توانسته‏ است  از BBB عبور کند. 

 در مقایسه با نانوذرات پوشیده شده با پلى سوربات 80 ، هیچکدام از گروه کنترل نتوانستند اثر ضد درد خود را اعمال کنند.  

گرو ههاى کنترل عبارت بودند از: 1- محلول دالارگین؛ 2- محلول پلى سوربات -3 سوسپانسیون نانوذرات پلى بوتیل سیانو‏ آکریلات؛ 4- مخلوط دالارگین و پلى سوربات 80؛ 5 -دالارگین به همراه نانوذرات؛ 6- مخلوط ؛ دالارگین، پلى سوربات 80 و نانوذرات که قبل از تزریق به‏خوبى با هم آمیخته شدند؛ 7- دالارگین.  متصل به نانوذرات بدون حضور پلى سوربات 80. 

توزیع زیستى

نقش سورفاکتانت در توزیع نانوذرات در محیط هاى زیستمند.

مطالعات مهمى که تروستر و همکارانش در خصوص نحوه توزیع ذرات[نانو پلى متیل متاکریلات]‏ C انجام دادند، ثابت کرد که روکش کردن نانوذرات با سورفاکتانت‏هایى معین، باعث می‏شود تا بعد از تزریق وریدى، نانوذرات در مغز موش (صحرایى) تجمع پیدا کنند. 

نانوذرات با روکش پلى سوربات 80 تا 3 برابر بیشتر از محلول دالارگین در فضاى همگون مغز تجمع پیدا کردند. نانوذرات روکش شده با پلى سوربات 80 بیشترین غلظت داکسوروبایسین را g/g?) 6 بافت مغز) ظرف مدت 2 تا 4 ساعت درمغز، ایجاد کردند. 

 این غلظت حتى 8 ساعت بعد از تزریق در حد g/g? 1 باقى ماند، در صورتیکه سه ترکیب دیگر در سرتاسر زمان آزمایش حتى غلظتشان به حد قابل تشخیص 0/1 g/g?) ) هم نرسید. این 4 محصول اختلاف غلظت ناچیزى را در خون نشان دادند. نکته بسیار جالبى هم در مطالعه کوریر و همکارانش به‏دست آمد که ثابت می‏کرد غلظت دو فراورده حاوى نانوذرات در قلب به مقدار قابل توجهى کاهش می‏یابد، اما هم زمان غلظت دو فراورده فاقد نانوذرات در قلب 17 برابر بوده است.  

 از آنجائیکه استفاده از داکسوروبایسین در قلب به جهت تجمع و اثر سمى بالایى که دارد با محدودیت مواجه است این مشاهده بسیار حائز اهمیت است.

نانوذرات جامد لیپید (SLN)  هم می‏توانند، بعد از مصرف از طریق داخل وریدى و حتى از طریق دئودنوم(دوازدهه) غلظت قابل توجهى در مغز ایجاد کنند. 

غلظت داکسوروبایسین متصل به SLN  در مغز mg/kg  6 بعد از 180 دقیقه به ?g/g 2در بافت مغز می‏رسد این در شرایطى است که بعد از مصرف محلول داکسوروبایسین به تنهایى که از طریق ورید جوگولار به موش تزرق شد هیچ اثرى از داکسوروبین در مغز پیدا نشد. 

انواع مختلفى از نانوذرات جامد لیپید با اندازه‏اى حدود 100 نانومتر به وسیله‏ى لاکمن و کوزیار و همکارانشان ساخته و در جریان خون مغز موش تزریق شد و سپس میزان جذب آنها به‏وسیله‏ی ساکروز و با استفاده از روش‏هاى آمارى با هم مقایسه شد و مشاهده گردید که این ذرات توانسته‏اند به‏وسیله‏ی سیستم اعصاب مرکزى دریافت شوند. در عین حال، تزریق نانوذرات هیچ تغییرى در یکپارچگى سد مغزى– خونى و نفوذپذیرى غشاء و یا حتى در انتقال تسهیل شده کولین، ایجاد نکرد. 

تومورهاى مغزى

تومورهاى مغزى، مخصوصاً گلیوماى بدخیم از تهاجم ىترین سرطان‏هایى است که انسان با آن مواجه است.  علیرغم پیشرفت‏هایى که در فناورى جراحى اعصاب، درمان‏هاى حمایتى با شیمى درمانى و پرتودرمانى به‏دست آمده، اما سیر بهبودى در این بیماران هنوز بسیار ناخوشایند است.  

 از مشخصه‏هاى این تومورها رشد سریع، انتشار و تهاجم به نقاط دورتر مغز است، علاوه‏بر این ورم وسیع مغزى و مقادیر زیادى از روند رگ سازى نیز مشاهده می‏شود. با وجود اینکه سد مغزى- خونى (BBB)  در قسمت هسته و مرده (نکروز) تومور، به‏طور واضحى شکسته می‏شود ولى این اتفاق در حاشیه رو به رشد تومور انجام نمی‏پذیرد. 

  به همین دلیل داروهاى ضد سرطان از قبیل داکسوروبایسین فقط می‏توانند به قسمت مرده تومور نفوذ کنند و دارو به قسمت‏هاى محیطی‏ تریا اصلاً نمی‏رسد و یا دسترسى بسیار ناچیزى دارد. 

همان‏طور که در بالا گفته شد، این دارو در شرایطى که به نانوذرات پلى بوتیل سیانو آکریلات متصل باشد می‏تواند به سرعت به غلظتى حدود 6  میکروگرم به ازاء هر گرم در بافت مغز برسد. این نانوذرات در موش‏هایى که در داخل جمجمه آنها تومور گلیوبلاستوما 101 پیوند زده شده بود، 101آزمایش شد. 

در روزهاى دوم، پنجم و هشتم بعد از پیوند تومور، ترکیب [داکسوروبایسین - نانوذرات پلى بوتیل سیانوآکریلات - پلى سوربات 80 ] با دوز1/5mg/kg  به موش تزریق شد، در نتیجه متوسط عمر 85 درصد افزایش یافت و با تکرار آن، 20 تا 40  درصد از حیوانات تا 180 روز عمر کردند.  سپس حیوانات کشته شدند و در بررس ىهاى بافت‏شناسى عدم وجود تومورها در این حیوانات به اثبات رسید. 

 در مقایسه با گروه‏هاى کنترل یعنی [نانوذرات پلى بوتیل سیانوآکریلات - پلى سوربات80 ]، محلول [داکسوروبایسین - نانوذرات پلى بوتیل سیانوآکریلات]، افزایشى در طول عمر و تعداد موش‏هاى زنده مانده مشاهده نشد و یا بسیار ناچیز بود.  هیچ سمیتى از نانوذرات در بافت‏شناسى دیده نشد. همچنین‏ اثر سمى محلول داکسوروبایسین که معمولاً در سایر دستگاه‏هاى بدن مشاهده می‏شود در اتصال با نانوذرات کاهش پیدا کرد. 

سازوکار دارورسانى به‏وسیله‏ى نانوذرات از طریق سد خونى-  مغزى

در حال حاضر سازوکار دارورسانى به‏وسیله‏ى نانوذرات از طریق BBB به‏طور کامل روشن نشده است.  اما فرضیه‏هاى متعددى مطرح است که در ذیل به آنها اشاره می‏شود: 

1. افزایش نانوذرات در مویر گهاى مغز متعاقباً باعث افزایش جذب آنها به‏وسیله‏ى دیواره‏هاى مویرگ می‏شود.  این عمل یک شیب غلظتى ایجاد می‏کند و باعث می‏شود این ذرات از جدار سلول‏هاى آندوتلیال عبور کرده و در نهایت به مغز برسد. 

2. پلى سوربات 80 در نقشى که به‏عنوان یک روکش براى نانوذرات دارد، می‏تواند از سیستم انتشار برگشت، مخصوصاً از عمل پلی گلیکوپروتئین. (Pgp)  جلوگیرى کند. 

 3. با اعمال اثر سمى بر روى عروق مغز، باعث افزایش نفوذپذیرى سلول‏هاى اندوتلیال می‏شود. 

4. یک اثر عمومى مشابه اثر سورفاکتانت، باعث حل شدن لیپیدهاى موجود در غشاء سلولى می‏شود و در نتیجه غشاء به‏صورت مایع در آمده و باعث افزایش نفوذپذیرى دارو از طریق سد مغزى- خونى می‏شود. 

5. ذرات نانو می‏توانند یک شکاف در اتصالات فشرده بین سلول‏هاى اندوتلیال ایجاد نمایند. سپس داروها به تنهایى یا به‏صورت متصل به ذرات نانو، از آن شکاف عبور می‏کنند. 

6. ممکن است نانوذرات به روش اندوسیتوز به‏وسیله‏ى سلول‏هاى اندوتلیال بلعیده شوند و سپس داروها در داخل سلول‏ها رها شده و از این طریق به مغز برسند. 

7. ذرات نانو به همراه داروى متصل شده به روش ترانس سیتوز از لایه سلول‏هاى اندوتلیال عبور می‏کنند. 

8. تمام این سازوکارها می‏توانند با هم عمل کنند.  

سازوکارهاى 1 و 2 بعید به نظر می‏رسد زیرا:  اگر نانوذراتى که حامل دارو هستند از طریق چسبیدن به دیواره داخلى مویرگ و با ایجاد یک شیب غلظتى بالا عبور کرده باشند (سازوکار 1 )، انتشار دارو هنوز می‏تواند در سیطره حامل‏هاى خارج‏ کننده اى باشد که در غشاءهاى آندوتلیال سلول‏ها وجود دارند. از طرف دیگر، اگر پلى سوربات 80 بتواند این حامل‏ها را مهار کند (سازوکار 2 )، تزریق نانوذرات با روکش پلى سوربات 80 به تنهایى 5 یا 30 دقیقه قبل از تزریق دالارگین، باید باعث تسکین درد شود، که در این آزمایش مشاهده نشد.  این نظر که سازوکار 1 و 2 در عمل اتفاق نمی‏افتد، به‏وسیله‏ى مطالعاتى هم که کوزیارا بر روى مغز انجام داد، تأیید شد. 

فرضیه‏هاى 3 و 5 نیز رد مى شوند، زیرا هیچ اثر ضد دردى بعد از تزریق پلى سوربات 80  (فاقد نانوذرات) مشاهده نشد.  

علاوه‏ بر این، هیچ پاسخ ضد دردى بعد از تزریق نانوذرات – دالارگین با روکش سورفاکتانت‏هاى دیگر به‏دست نیامد (سازوکار شماره 4، مایع شدن عمومى غشاء). 

این عقیده که علت انتقال دارو به‏وسیله‏ى نانوذرات از BBB به جهت ایجاد اثر سمى بر غشاء نیست در مطالعات سان و کوزیرا ثابت شد . پوشاندن تنها قسمتى از نانوذرات به‏وسیله‏ى پلى سوربات 80 براى دارورسانى به مغز کافى است، مطالعات خونرسانى بافت‏هاى مغز نشان داد که نانوذرات نمی‏توانند هیچ تغییر واضحى در یکپارچگى BBB نفوذپذیرى غشاء و یا در سیستم ، انتقال تسهیل شده کولین ایجاد کنند.  

تئورى ایجاد شکاف در اتصالات فشرده که اساس سازوکار 5 را تشکیل می‏داد به‏وسیله‏ى یافته‏هایى که هیچ‏گونه افزایشى را در فضاهاى اینولین نشان نمی‏داد، رد شد، علاوه بر این، میکروسکوپ الکترونى هم هیچ شکاف واضحى را در اتصالات فشرده نشان نداد . 

بنابراین محتمل‏ترین سازوکار، به نظر می‏رسد که سازوکار 6 (دریافت نانوذرات حامل دارو به‏وسیله‏ى اندوسیتوز باشد.  این سازوکار قبلا در محیط آزمایشگاهى با بافت‏هاى کشت داده شده سلول‏هاى اندوتلیال مغز انسان، گاو، خوک، موش خانگى و موش صحرایى نشان داده شده بود در‏ دماى یکنواخت  C 37° ، مشاهده شد که نانوذراتى که با پلى سوربات 80 روکش شده‏اند با سرعت و به‏طور قابل ملاحظه‏اى به‏وسیله‏ى این سلول‏ها برداشت می‏شوند، در صورتیکه در نمونه بدون روکش بسیار ناچیز بود و در دماى 4°C (دمایى که در آن فاگوسیتوز انجام نمی‏شود) و یا بعد از مصرف سیتوکالازین B بازدارنده قوى فاگوسیتوز) متوقف شد. 

کریتر بعداً نشان داد که نانوذرات متصل به دالارگین حتى می‏توانند بعد از جذب آپولیپوپروتئینE  و B  اثرات ضد دردى خود را اعمال نمایند.  این اثر حتى بعد از پروراندن پلى سوربات 80 بسیار افزایش یافت.  بنابراین سناریوى زیر را می‏توان مطرح کرد:  نانوذرات به جهت داشتن روکش پلى سوربات بعد از تزریق در خون می‏توانند آپولیپوپروتئین E و یا B را جذب کنند. 

  پس این ذرات در نقش ذرات لیپوپروتئین ظاهر شده و به‏وسیله‏ى سلول‏هاى آندوتلیال مغز که داراى مقادیر بسیار زیادى از گیرنده‏هاى لیپوپروتئینى هستند به روش آندوسیتوز وابسته به گیرنده، جذب می‏شوند.  با توجه به اینکه حامل‏هاى انتشار دهنده عمدتاً بر روى غشاء لومینال (مجرایى) قرار دارند، دارو می‏تواند بعد از رها شدن از ذرات پلیمر (این ذرات بسیار تجزیه‏پذیر هستند)، به‏وسیله‏ى فرایند انتشار به داخل مغز منتقل شود .

 اگر چه هنوز هیچ مدرک محکمى در دست نیست ولى این احتمال هم وجود دارد که نانوذرات بتوانند به روش ترانس سیتوز(سازوکار 7 ) از سلول‏هاى اندوتلیال عبور کنند.  بنابراین به نظر می‏رسد که ذرات نانو، نقش « اسب تروا»  را در اینجا ایفاء می‏کنند. 

این فرضیه که دارو از طریق آندوسیتوز نانوذرات به این سلول‏ها ارائه می‏شود به‏وسیله‏ى سان، کوزیرا و گسنر  تأیید شده است. از آنجائیکه گیرنده‏هاى لیپوپروتئین به‏وضوح در تومورهاى مغزى وجود دارند ، سناریوى پیشنهادى بالا، عمل متقابل گیرنده‏هاى لیپوپروتئین و اثربخشى ترکیب [پلى سوربات 80 – داکسوروبایسین – ذرات نانو] را به خوبى نشان می‏دهد. 

نتیجه‏گیرى

نانوذرات پلى سیانوآکریلات یا نانوذرات جامد لیپید قادر هستند، بسیارى از داروهاى ضرورى را  که در شرایط معمولى نمی‏توانند از سد مغزى - خونى عبور کنند، از این مسیر منتقل نمایند.  

 از نانوذرات همچنین می‏توان براى رساندن ترکیبات بزرگتر و مولکول‏هاى پیچیده‏تراز قبیل پروتئین‏ها، اسیدهاى نوکلئیک و ژن‏ها براى گذشتن BBB  از استفاده کرد.  آنها حتى می‏توانند باعث بهبودى در درمان تومورهاى مغزى شوند چرا که با اتصال نانوذرات روکش شده با پلى سوربات 80 می‏توان  داروهاى ضد تومور را از سد نفوذ ناپذیر BBB ،عبور داد. در نتیجه م ىتوان به مکان‏هایى که براى اکثر داروهاى ضد سرطان دور از دسترس است، دست یافت. 

اگر چه سازوکار انتقال نانوذرات حامل دارو از BBB هنوز کاملاً روشن نشده است، اما به نظر می‏رسد که بعد از تزریق به جریان خون و اتصال با آپولیپوپروتئین‏ها، ابتدا به سلول‏هاى اندوتلیال مویرگ‏هاى مغز متصل می‏شوند و به‏ دنبال آن از طریق اندوسیتوز (با واسطه گیرنده ها) وارد سلول‏هاى اندوتلیال می‏شوند.  این محتمل‏ترین اسب » سازوکار مطرح است.  بنابراین نانوذرات مانند «اسب تروا» عمل  می‏کند که می‏تواند داروها را در داخل این سلول‏ها و یا بعد از ترانس سیتوز، به داخل مغز رها کند.

منبع: ماهنامه فناوری نانو