نانوذرات و دارورسانی به ریه

بیماری‏های ریه در بین شایع ترین و کشنده ترین بیماری‏هایی هستند که با آنها روبرو می‏شویم. سیستم تنفسی به محیط خارج راه دارد در نتیجه باید علیه عوامل عفونی خارجی محافظت شود. ذرات با عبور از راه‏های هوایی به سمت پایین بامخاط تنفسی، مژک ها و شاخه ‏های ریه روبرو می‏شوند که ذرات بزرگتر از 5 میکرومتر را در خود نگه می‏دارند و اجازه‏ ی عبور به سمت پایین تر و حبابچه ها را، که محل اصلی تبادل مواد با خون است، به آنها نمی دهند. به‏ علاوه ریه سرشار از ماکروفاژ است که هر جسم خارجی وارد شده به ریه را خنثی می‏کند.
  
به همین دلیل استفاده از نانوذرات می ‏تواند یک مزیت محسوب شود چون با کاهش اندازه‏ ی ذرات میزان دسترسی ماکروفاژها به آنها کمتر می‏ شود. ضمناً مدت زمان اقامت ذرات در بدن نیز افزایش می یابد. از این رو حرکت به سوی استفاده از فناوری نانو برای دارورسانی به ریه در حال پیشرفت است.

1- مقدمه
ابتدایی ترین عملکرد ریه تبادل گاز بین خون و محیط خارجی و نگهداری pH هموستاتیک است. در فرآیند تنفس، ریه‏ ها در تماس با مواد مختلفی با اندازه‏ های گوناگون از باکتری‏ها گرفته تا دود و آلاینده ‏های موجود در هوا قرار می‏گیرند [1]. این ذرات درقسمت‏های مختلف هوایی مانند حلق، نای، نایژه و نایژک‏ها و حبابچه‏ های تنفسی به دام می‏افتند (شکل 1).تقریبا 300 میلیون حبابچه در ریه‏ ها وجود دارد که سطحی حدود 100 مترمربع ایجاد می‏کنند. ضخامت دیواره ‏ی این حبابچه ‏ها حدود 0.1 میکرومتر است. در نتیجه ریه محلی مناسب برای تبادل ترکیبات می‏باشد [1]. ذرات بزرگ‏تر از 5 میکرومتر در دهان و راه‏های بالاتر تنفسی به دام می‏ افتند. اگر اندازه ‏ی ذرات بین 1 تا 5 میکرومتر باشد،آنها می‏توانند به راه‏های انتهایی تنفسی و حبابچه ها برسند. اما ذرات کوچکتر از 1 میکرومتر اغلب معلق مانده و با بازدم از بدن خارج می‏شوند.

شکل 1- راه های هوایی در انسان [2]

ریه هدفی جالب برای دارورسانی است زیرا برای دارورسانی به آن روش ‏های غیرتهاجمی وجود دارد. به ‏علاوه ریه فراهمی زیستی بالا و سطح تماس زیادی برای جذب ترکیبات ایجاد می‏ کند [3]. سیستم‏های نانو برای دارورسانی به ریه مزایای زیر را دارند:

• با کاهش اندازه نسبت سطح به حجم ذرات افزایش می‏یابد در نتیجه سطح تبادل مواد با ریه بیشتر می‏شود.
• با کاهش اندازه‏ ی ذرات سرعت انحلال آنها بیشتر می‏شودکه خود باعث افزایش سرعت انتقال آنها در محیط اطراف می گردد.
• امکان توزیع دوز نسبتا یکسان به تمام حبابچه های ریه فراهم می شود.
• نانوذرات آزادسازی کنترل شده از دارو دارند.
• برای انتقال مولکول‏های بزرگ (مثل پروتئین‏ها) مناسب هستند.
• احتمال ورود دارو به سلول‏ها با توجه به اندازه ‏ی ذرات افزایش می‏یابد [4و1].

2- انواع تجهیزات استنشاقی
ابزارهای نوین استنشاقی به سه گروه نبولایزر(nebulizer)، افشانه های تنفسی با دوز معین (Metered dose inhalers=MDIs)و افشانه های تنفسی با پودر جامد (Dry powder inhalers) (DPIs) تقسیم می‏شوند (شکل 2) [4و1]. حامل‏های نانو به شکل پراکندگی کلوییدی در نبولایزر یا به شکل جامد در MDI و DPI وجود دارند. در نبولایزر هوا با سرعت بالا و فشار به محلول یا سوسپانسیون ذخیره شده در محفظه برخورد کرده و آنرا به ذرات ریز تبدیل می‏ کند. در MDI، پودر در تماس با یک پیش برنده یا همان پروپلانت(propellant) قرار می‏ گیرد. با کمک فشار ایجاد شده بر دستگاه، پیشران دارو را با فشار و به صورت پودر ریز از دستگاه خارج می‏ کند. در این نوع دستگاه‏ها در هربار مصرف مقدار معینی از دارو خارج می ‏شود و باید بین زمان خروج دارو از دستگاه و زمان تنفس فرد هماهنگی وجود داشته باشد تا دارو مستقیم وارد ریه شود. در DPI بسته به قدرت تنفس فرد پودر از دستگاه خارج می‏ شود و هرچه قدرت تنفس بیشتر باشد پودر داخل دستگاه نیز راحت تر و بیشتر خارج می‏ گردد. مزیتی که این دستگاه نسبت به MDI دارد عدم حضور پیشران وعدم نیاز به هماهنگی بین زمان تنفس و استفاده از دستگاه است [1].

شکل 2- الف) نبولایزر، ب) DPI و ج)MDI و [2]

به دلیل تداخلات بین ذرات در پراکندگی‏ های مایی کلوییدی در نبولایزرها، احتمال کلوخه شدن وجود دارد. به ‏علاوه در این نوع از فرمولاسیون ها احتمال تخریب شیمیایی مانند هیدرولیز نیز بیشتر است. به همین دلیل استفاده از پودر خشک رایج ‏تر می‏باشد.

همانگونه که قبلا ذکر شد، احتمال خروج ذرات با ابعاد نانو از طریق بازدم زیاد است در نتیجه بهتر است که برای تهیه ‏ی فرمولاسیون ‏های نهایی استنشاقی، پودرهایی در مقیاس میکرومترکه در داخل آنها داروهای دارای ابعاد نانو محصور شده اند، تولید شوند [4].

3- داروهای قابل استفاده برای استنشاق
داروهای متعددی برای دارورسانی موضعی یا سیستمی از راه ریه وجود دارند که شامل مولکول‏های کوچک و بزرگ هستند. مولکول‏های کوچک بیشتر برای دارورسانی موضعی و برای درمان بیماری‏ های مزمن مانند آسم یا ( chronic obstructive pulmonary disease =COPD) استفاده می‏ شوند اما مولکول‏های بزرگ مثل پروتئین‏ها و پپتیدها هم برای دارورسانی موضعی به ریه و هم برای هدف ‏درمانی بیماری‏هایی نظیر دیابت و ترومبوز مورد استفاده قرار می‏ گیرند [4].

4- حامل‏های نانو برای دارورسانی به ریه
4-1- نانوذرات پلیمری
هدف از استفاده از پلیمرها در دارورسانی، حمل مولکول دارویی، محافظت آن از تخریب و کنترل رهاسازی دارو است. چنین پلیمرهایی ترکیباتی زیست ‏سازگار و زیست تخریب‏ پذیر هستند که در جدول زیر به برخی از آنها اشاره شده است. زیست‏ سازگاری و سمیت پلیمرها در طول زمان باید به دقت مورد آزمایش‏های دورن‏تن(in vivo) و برون‏تن(in vitro) قرار گیرد تا در هنگام استنشاق مشکلی برای بیمار ایجاد نشود [4].

جدول 1- پلیمرهای بکار رفته در ساخت نانوذرات و نوع داروی بارگیری شده برای دارورسانی به ریه [3]

4-2- لیپوزوم ها
این ساختارها برای دارورسانی به ریه بسیار مورد توجه هستند زیرا می توان آنها را از ترکیبات طبیعی خود ریه مثل سورفاکتانت ریه تهیه نمود. اولین داروی لیپوزومی وارد بازار شده که از سورفاکتانت های ریوی تهیه شده است، Alveofact نام دارد. اغلب فرمولاسیون های لیپوزومی در حالت مایی و با کمک نبولایزرها استفاده می‏ شوند. هرچند همان‏طور که قبلا نیز ذکر شد، در مورد پایداری این فرمولاسیون ها مشکلاتی وجود دارد. به همین دلیل استفاده از فرم خشک شده ‏ی لیپوزوم ها رو به افزایش است[4و1].

4-3- نانوذرات لیپیدی جامد
مزیت این ساختارها که از لیپید، سورفاکتانت و آب تشکیل می‏شوند، کنترل آزادسازی دارو، آزادسازی طولانی مدت و تخریب سریعتر در فاز درون تن نسبت به نانوذرات پلیمری است. به‏ علاوه این ساختارها سازگاری بیشتری را نسبت به برخی پلیمرها در داخل ریه نشان می دهند. در تحقیقی از این ساختارها برای انتقال انسولین استفاده شده که نتیجه ‏ی آن انتقال موفق انسولین به داخل بدن از راه ریه بوده است [4].

4-4- درختسان‏ها
درختسان ‏ها، پلیمرهایی هستند که ساختار شاخه دار دارند. این ساختارها بیشتر برای انتقال ژن به داخل سلول استفاده می‏ شوند که برای این کار نیاز به قرارگیری لیگاندهای خاص بر سطح درختسان برای اتصال به گیرنده‏ های سلولی است.
در یک مطالعه، از مولکول هپارین به عنوان یک درشت ‏مولکول برای درمان بیماری‏های آمبولی ریوی با کمک درختسان‏ ها استفاده شده است. نتایج این کار به صورت افزایش نیمه عمر و جذب دارو در مقایسه با حالتی که از درختسان استفاده نشود، گزارش شده است [4].
در جدول زیر انواع داروهای مورد استفاده در درمان بیماری‏ها و نوع سیستم نانوذره ه‏ایی که برای بارگیری دارو مورد استفاده قرار گرفته، نشان داده شده است:

جدول 2- نمونه هایی از داروهای بکار رفته در انواع ساختارهای نانو برای دارورسانی ریوی [4]

5- تولید نانوذرات استنشاقی
فناوری‏های ساخت نانوذرات برای استنشاق مختلف هستند اما در کل در تمام آنها نانوذرات در داخل میکروذرات محصور می شوند تا به اندازه‏ی مناسب برای استنشاق برسند. این پوشش های افزایش دهنده ی اندازه اغلب از جنس مانیتول یا لاکتوز هستند که با کمک تکنیک اسپری شدن اطراف نانوذرات قرار می گیرند.

5-1-خشک کردن افشانه ای (Spray-drying)
خشک کردن افشانه ای فرآیندی است که در آن ذرات قابل استنشاق به صورت جامد ایجاد می‏ شوند. در این فرآیند، محلول در دمای اتاق توسط نازل و با کمک گاز نازل به ذرات ریز تبدیل می شود. سپس این ذرات ریز شده توسط گاز گرم خشک می‏ گردند و ذرات جامد را باقی می‏ گذارند. مراحل انجام کار به صورت شماتیک در شکل 3 نشان داده شده است. این روش برای ترکیبات حساس به حرارت مثل پروتئین‏ها و پپتیدها مناسب است چرا که در آن انرژی زیادی که باعث تخریب ساختار گردد، مورد نیاز نیست [4]. در ادامه‏ برای ایجاد اندازه‏ی مناسب میکرو برای ورود به ریه، نانوذرات را توسط مانیتول یا لاکتوز و مجددا با روش خشک کردن افشانه ای به اندازه‏ ی مناسب می‏رسانند به این صورت که نانوذرات ایجاد شده را همراه با محلول مانیتول یا لاکتوز وارد دستگاه نموده و در نهایت نانوذراتی که توسط یک پوشش به اندازه ‏ی میکرو رسیده‏اند به صورت جامد استخراج می‏ شوند. اندازه‏ ی این ذرات به حدود 2 میکرومتر می رسد که برای رسیدن به حبابچه ‏ها مناسب می‏ باشد.

شکل3- خشک کردن افشانه ای [4]

5-2-خشک کردن افشانه ای-انجمادی (Spray-freeze-drying =SFD)
در این فرآیند خشک کردن افشانه ای و خشک کردن از طریق یخ زدن باهم انجام می‏ شود. محلول مورد نظر وارد محیطی که از نیتروژن مایع پر شده است می‏ گردد و همزمان که حلال خود را بر اثر تصعید از دست می دهد، به پودر جامد تبدیل می ‏شود. با این تکنیک پودر جامد ریز و نرم (fine powder)بدست می آید [4].

5-3- فناوری مایع فوق بحرانی(Supercritical fluid technology, SCF)
قاعده ‏ی اصلی این فرآیند کریستالی شدن کنترل شده‏ ی دارو در مایع فوق بحرانی (مانند دی اکسید کربن)می ‏باشد.

این فرآیند بر دو نوع است:
(supercritical antisolvent precipitation=SAS) و ( supercritical fluid extraction of emulsions=SFEE) (شکل 4). در SAS مکانیسم اصلی، رسوب سریع در هنگام تماس مایع با دی ‏اکسید کربن است اما در SFEE ابتدا حلال آلی از امولسیون روغن در آب یا امولسیون چندگانه توسط دی‏اکسید کربن جدا می‏شود و سپس ذرات به صورت جامد درمی آیند. از آنجا که اغلب داروها در CO₂ نامحلولند، در نتیجه فرآیندSAS روش بهتری برای ایجاد پودر دارویی قابل استنشاق است [4و1].

5-4- تکنیک امولسیون دوگانه/ تبخیر حلال(Double emulsion/solvent evaporation technique)
در این فرآیند امولسیون روغن در آب تهیه و در ادامه فاز آلی آن با تبخیر خارج می گردد [4]. این فرآیند بیشتر برای تهیه‏ی نانوذرات از پلیمرها استفاده می‏شود [1]. فاز آلی که حاوی دارو، پلیمر و حلال آلی است به فاز مایی افزوده شده و در فاز مایی پراکنده می شود. سپس با تبخیر آن نانوذرات حاوی پلیمر ایجاد می ‏گردند. در نهایت با قرارگیری نانوذرات در محلولی از مانیتول و لاکتوز و خشک کردن افشانه ای آنها می توان میکروذراتی با مرکزیت نانوذرات پلیمری برای دارورسانی به ریه ایجاد نمود [4].

شکل4-تکنیک های سیال فوق بحرانی الف)SAS، ب)SFEE و [4]

5-5- رسوب با کمک ضدحلال (Antisolvent precipitation)
ذرات جامد دارو با توزیع اندازه ی کوچک می‏ توانند توسط این روش ایجاد شوند. دارو که در یک حلال آلی قابل امتزاج با آب حل شده است با استفاده از حلالی که غیرقابل امتزاج با آب است، رسوب می‏ کند. ذرات نهایی ایجاد شده نرم و یک دست خواهند بود [4].

6- سمیت نانوذرات استنشاقی
نانوذرات می‏توانند از محل استنشاق به سمت سایر بافت ها و اعضا حرکت کنند و باعث پاسخ ناخواسته در آنها شوند. این پاسخ ها می‏تواند از یک التهاب ساده تا ترومبوز عروق باشد. به طور مثال در یک تحقیق از یک سورفاکتانت غیرزیستی در ساخت نانوذرات استفاده شد. بعد از عکسبرداری از سلول های ریه مشخص گردید که این سورفاکتانت در حبابچه ‏های ریه به صورت یک لایه فیلم باقی مانده است که این امر مانع عملکرد طبیعی حبابچه در انتقال اکسیژن می ‏شود.
در تحقیقی دیگر نشان داده شد که حدود 1% از نانوذرات کوچکتر از 35 نانومتر توانسته اند خود را به عروق کرونر قلب برسانند.
گاه اندازه ‏ی کوچک نانوذرات خود می تواند به عنوان یک عیب محسوب شود. ماندگاری برخی نانوذرات در ریه حتی تا 700 روز نیز گزارش شده است. این ذرات توانسته اند از سیستم های پاک‏ کننده مانند ماکروفاژها فرار کرده و در بدن باقی بمانند[4].

با این وجود، نتایج کلی بدست آمده از تحقیقات نشان می ‏دهد که اگر در فرمولاسیون نانوذرات به زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری توجه شود، خطری جدی برای فرد ایجاد نمی‏ گردد و در حقیقت فناوری نانو می‏ تواند به عنوان یک راه درمانی مناسب برای بهبود دارورسانی به ریه بدون ایجاد آسیبی جدی استفاده شود[4و3و1].

بحث و نتیجه‏ گیری
انتقال ریوی نانوذرات روشی غیرتهاجمی است که می ‏تواند برای هدف‏ درمانی به سلول‏های ریوی استفاده شود. با فرموله کردن دارو به صورت نانوذرات علاوه بر پایداری، امکان استفاده ‏ی آسان‏تر از دارو نیز برای بیمار فراهم می‏ شود. با استنشاق مستقیم دارو به داخل دستگاه تنفس از مصرف بیشتر دارو و عوارض جانبی ناشی از انتقال دارو به سایر بافت‏ها جلوگیری بعمل می‏ آید. ویژگی مهم استفاده از این تکنیک انتقال داروهایی نظیر انسولین و پروتئین‏ها به داخل بدن از راه استنشاق است که خود می‏ تواند نویدبخش حرکت به سوی درمان بیماری‏هایی مانند دیابت با کمک روش‏های جایگزین تزریق انسولین به بیمار باشد. تنها مشکل دارورسانی با فناوری نانو به ریه سرنوشت این ذرات و پاک شدن سریع آنها از دستگاه تنفس است که می‏ توان این مشکل را از راه محصور کردن نانوذرات در پوشش‏های قابل تخریب و بزرگتر شدن سطح ذرات تا حد مطلوب برای باقی ماندن در ریه برطرف نمود. سرطان‏ های ریه و سل هنوز هم از معضلات پزشکی در جهان محسوب می ‏شوند. با استفاده از فناوری نانو امید است که راه‏ های دارورسانی به این بافت بهبود یافته و گامی بزرگ در جهت درمان بیماری‏ های مرتبط برداشته شود.

منابـــــع :

• 1. Bailey, M. M., Berkland, C. J.‟Nanoparticle Formulations inPulmonary Drug Delivery”, Medicinal Research Reviews, Vol. 29, pp. 196-212, (2009).
• 2. Aulton, M. E.‟PharmaceuticsThe Science of Dosage Form Design”, UK: Elsevier Science Health Science Division, (2002).
• 3. Sung, J. C., Pulliam, B. L., Edwards, D. A.‟Nanoparticles for Drug Delivery to the Lungs”, TRENDS in Biotechnology, Vol. 25, pp. 563-570, (2007).
• 4. Mansour, H. M., Rhee, Y., Wu, X.‟Nanomedicine in Pulmonary Delivery”,International Journal of Nanomedicine, Vol. 4, pp. 299-319, (2009).

منبع: [e-mail]