نانوفناوری راه میان‌بر رسیدن به واکسن کرونا

به گزارش «فرهیختگان»، بحران کرونا در ماه‌‌های اخیر، فرصتی را برای حوزه‌‌های مختلف علم‌وفناوری در دنیا فراهم کرد تا توانمندی‌‌های خود را نشان داده و دانشمندان بتوانند به لطف استفاده از آنها، راه‏حل‌‌هایی موثر را برای مقابله با این ویروس ابداع کرده و به پیشگیری و درمان مبتلایان به این بیماری کمک کنند. ویروس کرونا شاید در مقایسه با دیگر بیماری‌‌های ویروسی سال‌‌های اخیر مانند سارس و مرس مرگ‌ومیر کمتری را به‌دنبال داشت اما نکته قابل‌تامل در این ویروس، شدت انتقال و سرایت آن است که گاهی تمام معادله‌‌های ذهنی محققان و دانشمندان را به هم می‌ریزد و عملکرد آن به‌سختی قابل پیش‌بینی است. به‌عنوان یکی از تازه‌‌های فناوری در یک دهه گذشته، فناوری نانو در دنیا این‌بار هم به‌خوبی توانسته از پس ویروس کرونا برآید و راه‌حل‌‌های نوآورانه را برای حل مسائل مرتبط با پیشگیری، تشخیص و درمان کووید-19 ارائه داده است که در آن بدون‌شک، متخصصان فناوری نانو نقشی کلیدی ایفا کرده و مسئولیت اجتماعی خود را در قبال مردم به‌خوبی انجام داده‌اند.

  بسیج همگانی در برابر کرونا

به گزارشNature، در همه‌گیری کرونا، فناوری نانو خوش درخشید و محققان این عرصه توانستند به‌خوبی از تجربه سال‌‌ها تلاش در زمینه تولید موادی در مقیاس نانو و تزریق دارو، هم از نظر علمی و هم از نظر ابزار‌های موردنیاز و کاربردی برای تولید و توسعه واکسن و درمان‌‌های موثر برای مقابله با ویروس کرونا استفاده کنند. آنها در این بازه زمانی تلاش کرده‌اند با تولید تجهیزات حفاظتی شخصی و موثر، استفاده از روش‌‌های تشخیصی سریع و دقیق و نیز درمان‌‌های موفقیت‌آمیز، تمرکز تحقیقات خود را روی مدیریت بحران سلامت مردم دنیا بگذارند. درحالی‌که بسیاری از شهر‌های دنیا و دانشگاه‌‌ها تحت‌تاثیر قرنطینه به تعطیلی کشیده شده‌اند، شمار زیادی از آزمایشگاه‌‌های تحقیقات فناوری نانو همچنان به فعالیت خود ادامه دادند تا از نتایج موثر تحقیقات خود درراستای توسعه هرچه بهتر درمان و واکسن کرونا با نانوساختار‌های درمانی استفاده کنند. متخصصان و محققان فعال در حوزه‌‌های اسیدنوکلئیک و تزریق دارو، نانوواکسن‌‌های سرطان، مهندسی ایمنی، حسگر‌هایی مبتنی‌بر فناوری نانو و فناوری‌‌های پلتفرم، این فناوری را در فضایی منحصربه‌فرد برای مقابله با موضوعات کلیدی و تحقیقی پیش‌بالینی و بالینی کووید-19 قرار می‌دهند. ویروس‌‌ها به‌طور طبیعی در ابعاد نانوذرات به وقوع می‌پیوندند و درواقع، جامعه فناوری نانو مدت‌هاست دنبال تمرکز روی ویژگی‌‌های ویروس‌‌ها و تقلید رفتار آنهاست؛ به‌عنوان مثال، آنها از فناوری نانو برای طراحی نانوذرات با هدف تزریق دارو و ویرایش ژن استفاده می‌کنند.

  واکسن‌‌های امیدبخش نانویی

واکسن‌‌ها جزء امیدبخش‌ترین راه‌حل‌‌های مقابله با ویروس کرونا هستند که محققان در ماه‌‌های گذشته با جدیت تمام مشغول تولید آن بوده‌اند. نانومواد نقش مهمی در تمام جنبه‌‌های طراحی، تولید و تزریق این نوع واکسن ایفا می‌کند. نانوذرات، ارائه آنتی‌ژن چندعاملی و تثبیت آنتی‌ژن‌‌ها را در زمان تزریق امکان‌پذیر کرده و از آنها می‌توان به‏عنوان عامل کمکی برای تقویت واکنش سیستم ایمنی بدن استفاده کرد. این نانوذرات همچنین به‌عنوان حامل‌‌هایی برای آنتی‏ژن‌‌های هدفمند به‏کار می‌رود. درواقع، واکسن mRNA که از طریق نانوذرات لیپوزومی تولید می‌شود، جزء واکسن‌‌هایی است که محققان حوزه نانو درحال انجام تست‌‌های بالینی آن برای مقابله با ویروس SARS-CoV-2 هستند. درحالی‏که محققان بر این باورند هیچ واکسن mRNA یا DNA تاکنون برای درمان هیچ بیماری‌ای به اثبات نرسیده، عرضه اسید‌های نوکلئیک مستلزم تغییر یا استفاده از دستگاه نانو است تا از تخریب در داخل بدن جلوگیری کند؛ همچنین دستگاه‌‌های لیپوزومی هم که برای ارائه RNA مورد تایید قرار گرفته بود، برای واکسن‌‌ها تایید نشده‌اند. جامعه محققان حوزه فناوری نانو در سال‌‌های گذشته مطالعات گسترد‌ه‌ای را برای تولید نانوواکسن‌‌های سرطان انجام داده بودند تا از این طریق ایمنی بدن را در برابر مواجهه با انواع سرطان بالا ببرند. به‌طور قطع، این تحقیقات پیش‌مقدمه جامعی برای فعالیت‌‌های تحقیقاتی آنها درمورد مقابله با ویروس SARS-CoV-2 به حساب می‌آید.

به‌طور قطع، فناوری‌‌های پلتفرمی بر پایه نانومواد نقش کلیدی در توزیع و مدیریت واکسن‌‌هایی در کشور‌های پرجمعیت و ضعیف از نظر منابع تحقیقاتی دارند. به‌عنوان مثال، محققان از قابلیت‌‌های فناوری نانو در عرضه و تزریق این واکسن‌‌ها استفاده می‌کنند که ازجمله آنها می‌توان به استفاده از چسب‌‌های مجهز به ریزسوزن‌‌ها برای تزریق دارو، ایمپلنت‌‌های تک‏دوز با رهاسازی آهسته دارو، واکسن‌‌هایی برپایه غشا یا با استفاده از نانوذرات ویروسی گیاهی برای تزریق آنتی‌ژن اشاره کرد که به زنجیره‌‌های سرد نیاز ندارند. در همه‌گیری جهانی که سیستم‌‌های خدمات درمانی با محدودیت‌‌های زیادی روبه‌رو می‌شوند، استفاده از چنین فناوری‌‌های خودمدیریت‌شوند‌ه‌ای ارزش بسیار زیادی دارند و فرآیند انجام کار‌ها را چندبرابر می‌کنند. لزوم استفاده از زنجیره سرد را می‌توان با به‌کارگیری از پلتفرم‌‌های تولید جایگزین مانند کشت مولکولی در گیاهان، از بین برد. بنابراین، واکسن‌‌ها برای واکسیناسیون انسان‌‌ها و دام، در بافت برگ خوراکی تولید شده‌اند.

  تقویت اثربخشی دارو‌ها با فرمول نانویی

از نقطه‌نظر درمانی، محققان از ابتدای شیوع ویروس کرونا به‌دلیل در اختیار نداشتن درمان‌‌های دارویی جدید، هدف اصلی خود را به استفاده دوباره از قابلیت‌‌های درمانی دارو‌های موجود برای بیماری‌‌های دیگر گذاشتند تا زودتر بتوانند به درمانی برای این بیماری دست یابند. تاکنون تنها تعداد معدودی دارو آزمایش‌‌های بالینی را با موفقیت طی کرده‌اند. پیش از این داروی دگزامتازون به‌عنوان نوعی نانودارو برای درمان دیگر بیماری‌‌ها مورد استفاده قرار می‌گرفت. درمورد کووید-19، محققان نوعی ترکیب نانودارو ابداع کرده‌اند که ماکروفاژ‌های حباب‌‌ها را در تزریق ریوی یا بیگانه‌خوار‌ها را در نقاط التهابی بعد از تزریق وریدی هدف قرار می‌دهند. علاوه‌براین، اثرات آنتی‌فیبروتیک دگزامتازون را می‌توان با فرمول‌سازی دوباره آن به‌عنوان نانودارو تقویت کرد. چنین دارو‌هایی با استفاده از فرمول نانو نتایج بالینی بسیار موثری را نشان داده‌اند، به‌طوری‌که باعث می‌شود بیماران حاد کرونایی در مدت زمان کوتاه‌تری از ‌بخش مراقبت‌‌های ویژه به ‌بخش منتقل شده و روند بهبودی آنها تسریع شود. به‌طور قطع، استفاده از فناوری نانو در تولید دستگاه‌‌های نانو و فرمول‌‌های نانو برای ساخت انواع دارو‌ها و واکسن‌ها، در آینده انواع بیماری‌‌های مختلف در دنیا بسیار ارزشمند بوده و می‌تواند انقلابی را در حوزه سلامت ایجاد کند.

  واکسن جدید با قابلیت نانویی

محققان نوعی استراتژی جدید برای طراحی واکسن ابداع کرده‌اند که طبق گزارش منتشرشده در ماه جاری (آگوست)، نشان می‌دهد یک واکسن را می‌توان با استفاده از آرایه‌‌های پروتئینی یک سندروم حاد تنفسی ویروس SARS-CoV-2 روی پلتفرم نانوذرات تولید کرد. با توجه به ادامه روند همه‌گیری ویروس کرونا در جهان و تهدید روزافزون بهداشت عمومی و تحت‌تاثیر قرار گرفتن فعالیت‌‌های اجتماعی و اقتصادی، دانشمندان با جدیت روی تولید واکسنی موثر و بی‌خطر کار می‌کنند تا در کوتاه‌ترین زمان ممکن آن را به تولید انبوه برسانند. مانند دیگر ویروس‌‌های کرونا، ویروس SARS-CoV-2 هم با چسبیدن به گیرنده سلول میزبان موسوم به آنزیم ACE2 وارد سلول‌‌های آن می‌شود. فرآیند این اتصال از طریق پروتئین S غشایی حاضر روی سطح ویروس اتفاق می‌افتد. این پروتئین ویروس، بیشترین هدف آنتی‌بادی‌‌های خنثی‌کننده در مقابله با ویروس است. هرچه آنتی‌بادی‌‌ها بیشتر باشند، فرآیند خنثی‌سازی بهتر انجام می‌شود. درنتیجه، محققان در تولید واکسن روی این پروتئین S و به‌ویژه دامنه اتصال گیرنده تمرکز می‌کنند. بسیاری از تولیدکنندگان واکسن نانو، از پلتفرم‌‌ها برای طراحی آنتی‌ژن، اجرا و تزریق واکسن استفاده کرده‌اند. استفاده از چنین پلتفرم‌هایی، به‌ ایمنی و اثربخشی آن بستگی دارد. محققان به‌تازگی موفق به تولید واکسنی با استفاده از سیستم ایمنی پروتئین ذرات خودمونتاژ شده‌اند که فناوری بی‌خطر و موثری برای استفاده در انسان‌هاست. در واکسن‌‌های قبلی، از فناوری استفاده از ذراتی شبیه ویروس برای مقابله با ویروس پاپیلومای انسانی و ویروس هپاتیت B استفاده می‌شد که جزء موثرترین واکسن‌‌های شناخته‌شده محسوب می‌شود.

  روند تولید واکسن‌‌های پیشگیرانه نانویی

به‌طورکلی، واکسن‌‌های تولیدشده بر پایه نانو برای مقابله با ویروس کرونا، به سه شکل واکسن‌‌هایی برپایهRNA، واکسن‌‌هایی بر پایه حامل ویروسی، واکسن‌‌هایی بر پایه زیرواحد پروتئینی، واکسن‌‌هایی بر پایه DNA و واکسن‌‌هایی بر پایه ذراتی شبیه ویروس تولید می‌شوند. به‌عنوان مثال، شرکت «مدرنا»، نخستین شرکتی بود که در ماه‌‌های نخست شیوع کرونا اقدام به تولید واکسن کرونا کرد. این واکسن برپایه RNA و با استفاده از نانوذرات ساخته شد که نام آن را واکسن mRNA-1273 گذاشتند. واکسن دیگری هم با نام STARR  ساخت شرکت Arcturus با این فناوری تولید شد که از سیستم تزریق غیرویروسی نانوذرات برای تولید پروتئین‌‌ها درون بدن انسان استفاده می‌شد.

از انواع واکسن‌‌های بر پایه حامل ویروسی می‌توان واکسن Ad5-nCoV را نام برد که در آن یک حامل ویروسی با مقیاس نانو طراحی شده تا عامل واکسن از طریق آن آزاد شود. این واکسن تولید شرکت زیست‌شناسی CanSino است و فاز دوم آزمایش‌‌های خود را پشت‌سر می‌گذارد. علاوه‌براین، واکسن دیگری موسوم به Janssen از سوی شرکت داروسازی Janssen طراحی و ساخته شده که فناوری نانو در آن برای طراحی حامل ویروسی در مقیاس نانو برای آزادسازی عامل واکسن به‌کار می‌رود. همچنین واکسن دیگری به نام TNX-1800 هم توسط شرکت هولدینگ داروسازی Tonix ساخته شده که عملکردی مانند دو واکسن قبلی دارد. پلتفرم این واکسن، پروتئین S ویروس کووید-19 را تحت‏تاثیر قرار می‌دهد. در سری واکسن‌‌های کرونا که بر پایه پروتئین هستند، ابتدا می‌توان از واکسن NVX-CoV2373 نام برد که از نانوذرات در تولید آن استفاده شده است. محققان شرکت Novavax در تولید این واکسن، پروتئین‌‌های نوترکیب F را طراحی کرده‌اند که به‌طور خودکار در ساختار‌های نانوذرات قرار می‌گیرند. واکسن دیگر هم c-SApNP1 است که شرکت Ufovax LLC در تولید آن از داربست نانوذرات پروتئینی استفاده می‌کند.

در ساخت واکسن دیگری از این نوع، از پلتفرم گیره مولکولی استفاده شده است. محققان دانشگاه کوئینزلند در تولید این واکسن از فناوری نانو استفاده کرده‌اند، به‌طوری‌که پلی‌پپتید خودمونتاژ را برای تشکیل مجموعه پروتئین هوشمند تزریقی ویروسی به‌کار برده‌اند. واکسن Fusogenix DNA نوع دیگری از واکسن‌‌های تولید شرکت Entos برای مقابله با کرونا هستند که در فناوری نانو، از فرمول لیپید خنثی با اثربخشی بالا به‌عنوان فناوری آزادسازی تزریق واکسن استفاده می‌شود. واکسن VLP (ذرات شبیه ویروس) نوع دیگری از واکسن‌‌های نانو برای مقابله با ویروس کرونا و ساخت شرکت Medicago است. محققان از فناوری نانو و در قالب ذرات شبیه ویروس برای تقلید ساختار اصلی ویروس‌‌ها استفاده می‌کنند که این امکان را می‌دهد سیستم ایمنی راحت آنها را شناسایی کند.

  ماسک‌‌های تنفسی نانویی

یکی از گسترده‌ترین کاربرد‌های فناوری نانو در دوران کرونا، استفاده از آن در تولید انواع ماسک‌‌های تنفسی است. در تولید ماسک‌‌های تنفسی، از فناوری‌‌های مختلفی چون غشای نانوفایبر، غشا‌های نانوکامپوزیت، نانوذرات و گرافن استفاده می‌شود. به‌عنوان مثال، غشا‌های نانوفایبر از شبکه‌‌های نانوفایبر حجیم مانند تار عنکبوت ساخته شده که مساحت سطحی بالایی دارند. این غشا‌ها وقتی در ماسک‌‌های تنفسی به‌کار می‌روند علاوه‌بر اینکه پوشش تنفس‌پذیری را ایجاد می‌کنند، اثربخشی بالایی هم در فیلتر کردن هوای تنفسی داشته و ساختار محکم و بادوامی هم دارند. این ماسک‌‌ها تا 95 درصد آلودگی هوا را تصفیه می‌کنند. n95 از نمونه همین ماسک‌هاست. محققان دانشگاه کوئینزلند ماسک‌‌هایی با این فناوری تولید کرده‌اند که ویروس‌‌هایی به اندازه نانوذرات را از بین می‌برند. این ماسک‌‌ها برای افرادی که ساعت‌‌های طولانی باید از ماسک استفاده کنند گزینه مناسبی است. شرکت‌‌های مختلف نانو در دنیا اقدام به تولید ماسک‌‌های تنفسی با این فناوری کرده‌اند.

در ماسک‌‌های نانوکامپوزیت ساخت شرکتCopper3D، از نوعی سیستم تصفیه جدید استفاده شده که از سه لایه پلی‌پروپیلن غیربافته آغشته به نانوذرات اکسید مس 5درصد تولید شده که خاصیت آنتی‌باکتریال، آنتی‌میکروب و آنتی‌ویروس قوی دارند. انواع مختلفی از این‌دست ماسک‌‌ها توسط شرکت‌‌های مختلف تولید شده‌اند که در دوران کرونا بسیار کاربردی بوده‌اند. به‌عنوان مثال، ماسک‌‌های n95 ویروس‌‌ها را به دام می‌اندازند اما قادر به کشتن آنها نیستند. اما شرکت ZEN ماسکی تولید کرده که در آن از سنتز نانوذرات نقره با جوهر اکسیدگرافن استفاده شده که انواعی از ویروس‌‌ها مانند کروناویروس را از بین می‌برد. فناوری نانوذرات هم قابلیت دیگری در تولید ماسک‌‌های تنفسی هستند که به‌عنوان مثال در آن از نانوذرات مس با خاصیت ضدویروس استفاده می‌شود. با ادغام نانوذرات مس در الیاف پلیمر مانند مایلون، اثرات ضدمیکروبی ماسک تا مدت زمان بیشتری باقی می‌ماند. گاهی هم از نانوذرات اکسید مس در ماتریکس نانوفایبر‌ها استفاده می‌شود. رنگ این نانوذرات شبیه رنگ پوست است و نسبت به ماسک‌‌های دیگر رنگ طبیعی‌تری دارند. فناوری گرافن هم از دیگر قابلیت‌‌های نانویی به‌کار رفته در تولید ماسک‌‌های تنفسی به‌کار می‌رود. محققان دانشگاه پلی‌تکنیک هنگ‌کنگ به‌تازگی نوع جدیدی از ماسک‌‌های تنفسی با پوشش گرافنی تولید کرده‌اند که مقاومت بالایی در برابر ویروس‌‌هایی چون کرونا دارند. ضدعفونی و استریل کردن ماسک‌‌هایی که پوشش گرافنی دارند، در مقایسه با ماسک‌‌های جراحی دیگر ساده‌تر است. محققان از نوعی فرآیند تولید لیزری برای قرار دادن لایه‌‌های ورقه کربنی در ماسک‌‌های غیربافته تجاری استفاده می‌کنند.

  سیستم‌‌های تصفیه هوای نانویی

فناوری نانو در حوزه‌‌های دیگر هم به کمک محققان در بحران کرونا آمده است. تولید سیستم‌‌های تصفیه هوای نانو ازجمله این قابلیت‌هاست. این سیستم‌‌های نانو غالبا مجهز به فیلتر‌های نانو با تابش نور UV هستند که داخل مجاری هوا کار گذاشته می‌شوند. این سیستم‌‌های تصفیه هوا برای مبتلایان به آلرژی، آسم و برونشیت بسیار کاربردی است. چنین سیستم‌‌هایی تا 5/99 درصد ذرات ویروس و باکتری موجود در هوا را تا 003/0 میکرون جذب می‌کنند. در مرکز این سیستم هم شبکه‌ای از نانوفایبر‌های حجیم تعبیه شده که ذرات ویروس و باکتری در همه ابعاد را به دام می‌اندازند و هوای عبوری را تصفیه می‌کنند.

  فناوری نانو در مواد ضدعفونی‌کننده

مواد ضدعفونی‌کننده همواره برای رفع آلودگی از روی سطوح و دست‌‌ها و لباس‌‌های آلوده به‌کار می‌رود. اما در ماه‌‌های اخیر و بعد از همه‌گیری کرونا، استفاده از مواد ضدعفونی‌کننده به‌سرعت رواج پیدا کرد، به‌طوری‌که حتی می‌توان در دست بسیاری از افراد هنگام تردد در کوچه و خیابان هم آنها را مشاهده کرد. در تولید این مواد ضدعفونی‌کننده از فناوری‌‌هایی چون نانوپلیمر، نانوذرات و نانولیپوزوم استفاده می‌شود. در برخی آزمایشگاه‌‌ها و اتاق‌‌های قرنطینه از فناوری نانوپلیمر به‌عنوان مواد ضدعفونی‌کننده استفاده می‌شود که محل عبور افراد را با بخار نانوپلیمری، طی 20 دقیقه ضدعفونی می‌کند. نانوذرات هم طیف گسترد‌ه‌ای از فناوری‌‌ها را در تولید مواد ضدعفونی‌کننده تشکیل می‌دهند. به‌عنوان مثال، شرکت Nanoveu با استفاده از نانوذرات مس نوعی ضدعفونی‌کننده برای صفحه‌‌های نمایشگر تولید کرده که تا 99/99 درصد ویروس‌‌ها را از بین می‌برد. علاوه‌براین، محققان دانشگاه Guelph هم نوعی ماده ضدعفونی‌کننده سطوح تولید کرده‌اند که با پوشش غیرسمی نانویی، ویروس‌‌ها را روی لایه خارجی خود به دام انداخته و آنها را از بین می‌برند. این مواد هم 9/99 درصد ویروس‌‌ها را نابود می‌کنند.

در میان شرکت‌‌های نانو، بسیاری هم هستند که از فناوری نانولیپوزوم در شامپو استفاده می‌کنند.

  تجهیزات و کیت‌‌های تشخیص پزشکی

تجهیزات و کیت‌‌های تشخیص پزشکی با قابلیت نانو هم جزء حوزه دیگری از تولیدات شرکت‌‌های فناوری نانو در دنیا هستند. انواع دستکش‌ها، دستمال‌‌های مرطوب، پیش‌بند، بانداژ، پد‌های تخت و دستمال‌‌های توالت نانو نمونه‌‌هایی از تجهیزات پزشکی نانویی هستند که در اغلب آنها از نانوذرات نقره به‌عنوان مواد آنتی‌میکروب، آنتی‌بامتریال و ضدویروس عمل می‌کنند. کیت‌‌های تشخیصی در دوران کرونا جزء الزاماتی بود که به تشخیص هرچه سریع‌تر تست‌‌های کرونا کمک می‌کند و محققان از این طریق می‌توانند غربالگری سریع‌تری انجام دهند. تست تشخیصی بر پایه نانوذرات مغناطیسی یکی از مهم‌ترین کیت‌‌های تشخیصی کروناست که در آن از نانوذرات اکسیدآهن با پوشش سیلیس برای استخراج RNA استفاده می‌شود. این کیت‌‌ها برای تجزیه و تحلیل نمونه‌‌های گرفته‏ شده از بیماران مبتلا به کرونا مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نوع دیگری از این کیت‌‌های نانو، کیت‌‌های تست واکنش سریع هستند که در آنها از ترکیب فناوری نانومیله در پلتفرم جریان جانبی استفاده می‌شود. در این کیت‌‌های تست تشخیص سریع، محققان قادرند تنها در عرض 5 تا 15 دقیقه، نتیجه تست کرونای افراد را اعلام کنند. در تست‌‌های آنتی‌بادی که از این کیت‌‌ها استفاده می‌شود، از نانوذرات طلا در نوار تست استفاده می‌شود که شاخص‌‌های زیستی IgG و IgM را تشخیص می‌دهند.

 * مترجم: ندا اظهری