نانوذرات و دارورسانی به مغز

مغز انسان حساس‏ترین و پیچیده‏ترین عضو در بدن است که توسط سدی بسیار کارآمد به نام سد خونی- مغزی (Blood Brain Barrier, BBB) محافظت می‏شود. این سد به خوبی قابلیت دفاع از سلول‏های مغزی را در برابر محتویات خون و ترکیبات سمی موجود در آن دارد. اما همین سد ورود داروها به مغز را نیز محدود می‏نماید. برای دسترسی داروها به بافت مغز می‏توان از تزریقات داخل نخاعی استفاده کرد که البته محدود به نواحی خاصی از مغز است و روشی تهاجمی محسوب می‏شود. روش‏های غیر تهاجمی دسترسی به مغز بهترین راه دارورسانی به آن هستند. با توجه به سطح تماس زیاد خون با مغز (حدود 20 متر مربع) انتظار می‏رود داروها از این راه قابلیت جذب داشته باشند. در این میان نانوداروها برای انتقال داروهایی که نفوذ کمی به سلول‏های مغزی دارند استفاده می‏شوند. با توجه به اندازه‏ی کوچک این ذرات، آنها آزادانه در عروق خونی حرکت می‏کنند و به بافت مغزی وارد می‏شوند.

  

1- سد خونی- مغزی طبیعی
سد خونی- مغزی در پوشش اندوتلیوم (endothelium) عروق مغزی و در تماس نزدیک با سلول‏های پریسایت (pericyte)، آستروسیت (actrocyte)، نورون‏ها و سلول‏های گلیال (glial cells) قرار دارد (شکل 1) [1].

شکل 1- ساختار سد خونی- مغزی [2]

این سد دارای ویژگی‏های زیر است:

1- اتصالات محکم (tight junctions) که سلول‏های پوششی را به هم متصل نموده و انتشار غیر فعال (passive diffusion) به مغز را محدود به ترکیبات ریز چربی‏دوست با وزن مولکولی بین 400 تا 500 دالتون و Log P بین 1 تا 3 کرده است [1]. Partition coefficien (ضریب توزیع) یا همان Log P، نسبت غلظت یک ماده در فاز آلی (معمولا اکتانول) نسبت به فاز آبی است که هر چه ترکیب چربی دوست تر، عدد ضریب توزیع بزرگتر است.

2- یک سیستم پیچیده از ناقل‏های پروتئینی که باعث ورود انتخابی ذرات محلول آبدوست و درشت‏مولکول‏های لازم برای هموستاز (hemostasis) سیستم عصبی مرکزی می‏شود. بعلاوه قابلیت بیرون راندن ترکیبات سمی و متابولیت‏ها را نیز دارد.

3- سدی متابولیسمی با قابلیت تغییر مولکول‏ها و سم‏زدایی از مغز

4- عمل پینوسیتوز (pinocytosis) محدود [1]
عمل اصلی سلول‏های پریسایت سنتز و آزادسازی ترکیبات مختلف در غشای پایه و کنترل جریان خون است. آستروسیت‏ها نیز مسئول هموستاز و تنظیم یونی مغز هستند [3].
مقاومت الکتریکی بالا در پوشش عروق مغز باعث محدود شدن نفوذ ترکیبات یونی می‏گردد. سد خونی- مغزی مسئول عدم عبور 98% از مولکول‏های کوچک و 100% مولکول‏های بزرگ به داخل مغز است. البته در حالت‏های آسیب به مغز مانند ضربه به سر، سکته، بیماری‏های میکروبی و متابولیسمی، میزان این نفوذپذیری افزایش می‏یابد [1].

2- مکانیسم‏های انتقال ترکیبات از سد خونی- مغزی
همان‏طور که در قسمت قبل بیان شد، سد خونی- مغزی به درصد محدودی از مواد اجازه‏ی عبور می‏دهد. این ترکیبات برای عبور از سلول‏های مغزی از روش‏های مختلفی استفاده می‏کنند که در شکل 2 به‏طور شماتیک به آنها اشاره شده است.

شکل 2- انواع روش‏های عبور مواد از سد خونی- مغزی [4]. P-گلیکوپروتئین‏ها دسته‏ای از پمپ‏ها هستند که با خروج داروها از سلول مورد نظر باعث عدم دسترسی دارو به هدف می‏شوند.

3- راه‏های پیشنهادی برای رساندن دارو به مغز
به‏طور کلی راه‏های دارورسانی به مغز را می‏توان به دو دسته‏ی تهاجمی (invasive) و غیر تهاجمی (noninvasive) تقسیم‏ بندی کرد [3].

1- راه‏های تهاجمی
• تخریب سد خونی- مغزی
         تخریب اسمتیک و باز کردن اتصالات محکم بین سلولی

2- راه‏های غیر تهاجمی

•  استفاده از پیش‏داروها (prodrugs)
•  حامل‏های کلوئیدی (مانند نانوذرات)

باز کردن اتصالات محکم با کمک فشار اسمزی می‏تواند علاوه بر ورود داروها، موجب ورود سموم و سایر مواد ناخواسته به مغز گردد. به‏همین علت تحقیقات بیشتر به سمت روش‏های غیر تهاجمی پیش رفته است.

به‏طور کلی، با افزایش خاصیت چربی‏دوستی مولکول‏های دارویی کوچک، امکان انتقال آنها به داخل مغز افزایش می‏یابد. پیش‏داروها نیز غالبا با همین ویژگی تولید می‏شوند. البته افزایش چربی‏دوستی همه‏ی داروها موثر و امکان‏پذیر نیست زیرا گاه با این تغییرات داروها اثر درمانی خود را از دست می‏دهند یا فعالیت پروتئین‏های بیرون‏کننده مانند P-گلیکوپروتئین بر آنها افزایش می‏یابد. با افزایش چربی‏دوستی، متابولیسم و میزان پراکندگی دارو در بدن نیز افزایش می‏یابد که این امر خود موجب افزایش دوز داروی مصرفی و در نتیجه افزایش عوارض جانبی می‏شود. به‏علاوه همه‏ی پیش‏داروها در مغز توانایی شکستن ندارند. در چنین مواردی می‏توان از نانوذرات برای دارورسانی استفاده نمود [1]. ویژگی‏های نانوذرات که موجب انتخاب آنها برای دارورسانی به مغز می‏شود، به‏طور خلاصه در جدول 1 بیان شده است.

همان‏طور که قبلا اشاره شد، مولکول‏های بزرگ مانند پپتیدها، پروتئین‏ها یا ژن‏ها، توانایی عبور از سد خونی- مغزی را ندارند. به‏ علاوه، این ترکیبات پایداری کمی در محیط زیستی داشته، سریعا متابولیزه شده و در داخل مغز انتشار نمی‏ یابند. در نتیجه برای مشاهده‏ ی اثر درمانی این مولکول‏ها نیز نیازمند حرکت به سمت نانوذرات هستیم [1].

جدول 1- ویژگی‏های ایده‏آل نانوذرات برای دارورسانی به مغز [1]

4- انواع نانوذرات برای دارورسانی به مغز
4-1- نانوذرات لیپیدی جامد (Solid Lipid Nanoparticles, SLNs)
این حامل‏های کلوئیدی از لیپیدهای زیست‏سازگار یا زیست تخریب‏پذیر ساخته شده‏اند که در دمای بدن جامد بوده و بین 100 تا 1000 نانومتر هستند. لیپیدها شامل تری‏گلیسیریدهای خالص شده یا مخلوط گلیسیریدها و موم‏ها می‏باشند [3].
یکی از مشکلات استفاده از این نوع نانوذرات، امکان پاک شدن سریع آنها از جریان خون توسط سیستم رتیکولواندوتلیال (reticuloendothelial system) و ماکروفاژها است [5]. برای غلبه بر این مشکل می‏توان از راه‏های زیر استفاده نمود:
اگر اندازه ‏ی نانوذرات لیپیدی جامد حدود 120 تا 200 نانومتر باشد، عمدتا قابلیت فرار از سیستم‏های پاک‏ کننده را دارند [3]. همچنین با اتصال ترکیبات آبدوست مانند پلیمر پلی اتیلن گلیکول (PEG) و یا اتصال آنتی ‏بادی‏ها بر روی این ساختارها می‏توان علاوه بر محافظت از نانوذرات در مقابل سیستم‏های پاک‏کننده‏ی خونی، آنها را برای هدف درمانی اختصاصی به سلول‏های مغزی آماده نمود [5].
تهیه‏ی نانوذرات لیپیدی جامد از نظر اقتصادی و صنعتی نیز مقرون به صرفه است. روش‏های تهیه‏ ی این نانوذرات در سایر مقالات ذکر شده است و در اینجا فقط به ‏طور شماتیک به سنتز آنها اشاره می‏شود.

شکل 3- روش‏های مختلف سنتز نانوذرات لیپیدی جامد [3]

با توجه به روش‏های ساخت، نانوذرات لیپیدی جامد اشکال مختلفی مانند مدل دارو در مرکز، دارو در پوشش و محلول جامد که دارو و لیپید به صورت یکدست و پراکنده در نانوذره قرار می‏گیرند، خواهند داشت (شکل 4).

شکل 4- انواع اشکال قرارگیری دارو در داخل نانوذرات لیپیدی جامد [3]

جدول 2 برخی از تحقیقاتی را که تاکنون پیرامون دارورسانی نانوذرات لیپیدی جامد به مغز صورت گرفته است، نشان می دهد:

جدول 2- داروهای استفاده شده در تحقیقات برای دارورسانی به مغز با کمک نانوذرات لیپیدی جامد [3]

4-2- نانوذرات پلیمری
این نانوذرات در مقایسه با سایر نانوذرات کلوئیدی در مواجهه با مایعات بدن پایداری بیشتری دارند. به‏ علاوه پلیمر آنها می‏تواند با تغییراتی، خاصیت آزادسازی کنترل شده نیز داشته باشد. نانوذرات می‏توانند از پلیمرهای آماده یا از پلیمریزه کردن مونومرها تشکیل شوند و نانوکپسول یا نانوسفر ایجاد نمایند [4]. یک نمونه‏ موفق نانوذرات استفاده شده در فاز درون‏تن برای دارورسانی به مغز پلیمر سریع تخریب‏ شونده‏ ی پلی بوتیل سیانوآکریلات است. بر سطح این نانوذرات می‏توان تغییراتی ایجاد کرد و با اتصال لیگاند یا پلیمر پلی اتیلن گلیکول موجب بهبود دارورسانی به سلول‏ها و هدفمندسازی آن شد [5].

1-2-4-تهیه‏ نانوذرات پلیمری
روش‏های متعددی برای تهیه ‏ی نانوذرات وجود دارد که در ادامه به‏ طور خلاصه به آنها اشاره خواهد شد.
• پلیمریزه کردن امولسیون (Emulsion polymerization)
این روش یکی از سریع‏ترین و رایج‏ ترین روش‏های تولید نانوذرات پلیمری است. برای این کار مونومر به فاز پیوسته افزوده شده و با سرعت ثابتی به هم زده می‏شود. پلیمریزه کردن می‏تواند با استفاده از رادیکال‏های آزاد یا تشکیل یون آغاز گردد. ابتدا مونومر با آغازکننده (initiator) واکنش می‏دهد. انرژی شروع واکنش نیز می‏تواند از نور فرابنفش، یون‏های هیدروکسیل یا تابش با انرژی زیاد تامین شود. سپس این سیستم مونومر- آغازگر با سایر مونومرها واکنش داده و تشکیل زنجیره پیش می‏رود. در پایان هم از راه سانترفیوژ، مونومرهای واکنش نداده را جدا می‏کنند. این پلیمرها میسل و قطره‏ هایی ایجاد می‏کنند که از حدود 100 تا 107 مولکول پلیمری تشکیل شده‏اند. پلیمرهای ایجاد شده توسط این فرآیند، قابلیت بارگیری دارو را چه بر سطح و چه در درون خود دارند [5و4].
این فرآیند دارای مزیت‏های زیر است: سریع بودن، عدم نیاز به پایدارکننده و قابلیت صنعتی شدن. در ضمن این روش در فاز آلی هم قابل انجام است که برای تهیه نانوذرات از پلیمر پلی آلکیل سیانوآکریلات استفاده می‏شود. در مقابل به علت نیاز به کاربرد نور فرابنفش، تابش یا آغازکننده، استفاده از پروتئین‏ها و پپتیدها در این روش امکان‏پذیر نیست [5].

• پلیمریزه کردن بین سطحی (Interfacial polymerization)
برای این کار مونومرها باید در سطح مشترک بین دو فاز غیر قابل امتزاج (یک فاز آلی و یک فاز آبی که در حال هموژن شدن یا به هم خوردن شدید هستند) قرار گیرند. اولین عیب این روش استفاده از نیروهای برشی شدید است. در نتیجه از پروتئین‏ها یا پپتیدها نمی‏توان استفاده نمود. در حین کار، مونومر خودبخود به پلیمر تبدیل شده و نانوکپسولی را که داخل آن فاز آلی و پوشش آن پلیمر است تشکیل می‏دهد. مزیت این روش آن است که دارو در داخل کپسول و نه در سطح قرار می‏گیرد. در نتیجه از اثر آنزیم‏ها بر دارو که ممکن است باعث تخریب آن پیش از رسیدن به سد خونی- مغزی شوند، جلوگیری به عمل می‏آید [5و4].

• تبخیر حلال (Solvent evaporation)
این روش برای ساخت ذرات کوچکتر از 1 میکرومتر و بزرگتر از آن مورد استفاده قرار می‏گیرد. در این روش پلیمر از پیش ساخته و دارو در یک حلال آلی قابل تبخیر اما غیر قابل امتزاج با آب حل می‏شوند. سپس این فاز آلی به فاز مایی در حال چرخیدن افزوده می‏ گردد. فاز آلی با کمک حرارت یا کاهش فشار خارج شده و نانوذراتی که شامل داروی پخش شده در ماتریکس پلیمری هستند، رسوب می‏کنند. سپس ذرات با کمک فیلتراسیون یا سانتریفیوژ خالص‏سازی می‏شوند [6].

• ته نشینی حلال (Solvent deposition)
در این فرآیند پلیمر و لیپید در حلال آلی قابل تبخیر حل شده و سپس محلول حاصل به فاز آبی که در حال چرخش با سرعت متوسط است افزوده می‏شود. در نهایت، نانوکپسول‏هایی با مرکزی روغنی و پوششی پلیمری بدست می‏آیند. با کاهش فشار می‏توان حلال آلی را نیز خارج نمود [6].

• دناتوره کردن (Denaturation)
نانوذرات می‏توانند با دناتوره کردن درشت‏مولکول‏های طبیعی مثل آلبومین و ژلاتین در یک امولسیون روغنی بدست آیند. برای این کار درشت ‏مولکول در یک فاز آلی توسط هموژنایز کردن محصور می‏گردد و سپس به آرامی به فاز مایی افزوده می‏شود. در نهایت ذرات با استفاده از آلدهید، تخریب از طریق گرما یا سرد کردن زیر نقطه‏ تشکیل ژل، به شکل جامد در می‏آیند. بسته به سرعت چرخش، قدرت هموژنایزر و قدرت برش آن اندازه‏ ذرات متفاوت خواهد بود [5].

جدول 3 برخی از تحقیقات انجام گرفته روی نانوذرات پلیمری برای دارورسانی به مغز را نشان می‏دهد.

جدول 3- انواع داروها و پلیمرهای به‏کار رفته برای دارورسانی به مغز توسط نانوذرات پلیمری و نتایج آنها [5]

5- روش‏های غالب عبور نانوذرات از سد خونی- مغزی
روش‏های مختلفی که مواد می‏توانند از طریق آن از سد خونی- مغزی عبور کرده و به سلول‏های مغز برسند، در شکل 2 توضیح داده شده است. اما در این میان به نظر می‏رسد دارورسانی نانوداروها از روش‏‏های زیر باشد:

• انتقال با کمک جذب (Absorptive-mediated endocytosis, AME)
این انتقال با ایجاد برهمکنش الکترواستاتیک بین ذره با بار مثبت و غشاهای پلاسمایی با بار منفی آغاز می‏شود. این مسیر مختص مغز نیست و در کبد، کلیه و یا ریه هم وجود دارد. در یک تحقیق با استفاده از پلیمر پلی لاکتاید که به پلیمر PEG اتصال یافته بود، نانوذرات تهیه شدند و نتایج، انتقال نانوذرات ایجادی با کمک جذب را نشان داد (هدف از حضور PEG، بهبود عملکرد فرمولاسیون ایجادی و افزایش ماندگاری نانوذرات است) [1].

• انتقال با کمک گیرنده (Receptor-mediated transcytosis)
برای این نوع انتقال، باید بر روی نانوذره لیگاند خاصی قرار داده شود تا با اتصال به یک گیرنده‏ی خاص امکان ورود به سلول‏های مغزی را داشته باشد [5و4].

• انتشار غیر فعال
با توجه به خاصیت لیپیدی نانوذرات لیپیدی جامد، احتمال عبور آنها از طریق انتشار غیر فعال وجود دارد. در چند تحقیق میزان دارو در سلول‏های مغزی نیز اندازه‏گیری شد که نشانگر افزایش ورود دارو به سلول در هنگام حضور لیپید در سطح نانوذره در مقایسه با حالتی که لیپید حضور نداشت، بود [5].

6- پایداری
در تعدادی از تحقیقات که بر روی پایداری نانوذرات ایجاد شده در محیط‏های مختلف مانند محیط اسیدی، سرم انسانی و آب صورت پذیرفته است، نانوذرات پایداری مناسبی داشته ‏اند. مثلا نانوذرات در محیط اسیدی تا چندین ماه بدون رسوب باقی می‏مانند یا سوسپانسیون آنها در سرم انسانی تا 8 روز پایدار است. در نتیجه این ساختارها توانایی ایجاد فرمولاسیون دارویی چه به صورت محلول و چه به صورت پودر لیوفیلیزه را دارند [6].

بحث و نتیجه‏ گیری
برای دارورسانی به مغز باید بر سد خونی- مغزی غلبه نمود. فناوری نانوذرات می‏تواند روشی ارزشمند برای انتقال داروها از این سد باشد زیرا نانوذرات اندازه‏ای کوچک در حدود 200 نانومتر دارند و قابل پخش شدن در محیط مایی هستند. بسته به روش ساخت می‏توان دارو را در داخل نانوذره یا در سطح آن قرار داد. به‏ علاوه نانوذرات پایداری کافی برای ایجاد فرمولاسیون‏های دارویی را دارند. در نتیجه مبحث دارورسانی به مغز از راه نانوذرات می‏تواند یکی از شاخه‏ های قابل پیشرفت برای درمان بیماری‏ها با کمک فناوری نانو باشد.

منابـــــع :

• [1] Thassu, D., Deleers, M., Pathak, Y. ‟Nanoparticulate Drug Delivery Systems”, USA: Informa Healthcare Inc, (2007).
• [2] Blasi, P., Giovagnoli, S., Schoubben, A., Ricci, M., Rossi, C. ‟Solid Lipid Nanoparticles for Targeted Brain Drug Delivery”, Advanced Drug Delivery Reviews, Vol. 59, pp. 454-477, (2007).
• [3] Humtsoe, L. C. ‟Brain Delivery by Solid Lipid Nanoparticles for CNS Drugs”, International Journal of Pharmaceutical Research and Development, Vol. 3, pp. 206-216, (2011).
• [4] Roney, C., Kulkarni, P., Arora, V., Antich, P., Bonte, F., Wu, A. ‟Targeted Nanoparticles for Drug Delivery through the Blood-Brain Barrier for Alzheimer’s Disease”, Journal of Controlled Release, Vol. 108, pp. 193-214, (2005).
• [5] Lockman, P. R., Mumper, R. J., Khan, M. A., Allen, D. D. ‟Nanoparticle Technology for Drug Delivery Across the Blood-Brain Barrier”, Drug Development and Industrial Pharmacy, Vol. 28, pp. 1-12, (2002).
• [6] Nalwa, H. S. ‟Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology”, Vol. 7, pp. 91-104, (2004).

منبع: [e-mail]