1-مقدمه
گیاهان به عنوان منابعی مطمئن و فراوان، تجدید پذیر و ارزان در صنایع مختلف دارویی، پزشکی و غذایی پیوسته مورد توجه محققین بوده اند. نانوحامل های ساخته شده از برخی پروتئین های گیاهی توانایی کنترل رهایش محموله خود را در مدت زمان طولانی دارند. احتمال انتقال بیماری از منابع گیاهی به انسان نادر بوده و به همین دلیل استفاده از پروتئین های گیاهی جهت تولید نانو حامل عوامل برای درمانی در سال های اخیر مورد توجه و بررسی متخصصین قرار گرفته اند. از طرف دیگر، برخی از زیر واحد های پروتئینی مانند پروتئین های کپسید ویروس ها توانایی خودآرایی و ایجاد ساختارهای نانومتری تو خالی با اشکال هندسی کاملا مشخص و تکرار پذیر دارند. فضای خالی درون این نانوساختارها و یا سطح آن ها می تواند به عنوان مخزنی جهت حمل عوامل دارویی و تشخیصی استفاده شود. این نانوساختارها قفس های پروتئینی نامیده شده و پتانسیل های بسیار مناسبی در تهیه فرمولاسیون های دارویی دارند.

2- پروتئین های گیاهی
استفاده از نانوحامل های پروتئینی گیاهی رویکرد جدیدی در دارورسانی است. بر خلاف نانوحامل های پروتئینی حیوانی ، پروتئین های گیاهی مانند زئین و گلیادین به علت ماهیت هیدروفوب توانایی رهایش طولانی تری از دارو دارند. همچنین به واسطه آبگریزی بالا ممکن است نانوذرات پایدار پروتئین های گیاهی بدون نیاز به تیمار های شیمیایی و فیزیکی و استفاده از مولکول های لینکر شیمیایی که اغلب در ساخت نانوحامل های پروتئینی حیوانی استفاده می شود، تولید شوند. پروتئین های گیاهی به فراوانی در دسترس بوده و بسیار ارزان تر از پروتئین های حیوانی هستند. همچنین خطر انتقال بیماری های حیوانی به انسان مانند جنون گاوی را ندارند. وجود گروه های عاملی مختلف در این پروتئین ها امکان تغییر سطح نانوذرات حاصله جهت تنظیم خصوصیات فیزیکی و شیمیایی و اتصال عامل هدفمندسازی را فراهم می آورد.

2-1-زئین
زئین یک پروتئین غیر محلول در آب و محلول در الکل با وزن مولکولی حدود 40 کیلودالتون است که عمدتا دردانه غلات وجود دارد. 75 درصد اسیدهای آمینه آن آبگریز و 25 درصد آن آبدوست هستند. از آنجائیکه زئین یک پروتئین طبیعی بوده و زیست تخریب پذیری مناسبی دارد توسط سازمان های بین المللی جهت استفاده در صنایع غذایی و دارویی مورد تایید قرار گرفته است. همچنین به واسطه میزان کم جذب آب ، مقاومت دمایی بالا و ویژگی های مناسب مکانیکی امروزه به عنوان پوشش تخریب پذیر در غذا ها و داروها استفاده می شود.
این پروتئین در محلول الکلی- آبی نانوذراتی در محدوده 150 تا 550 نانومتر تشکیل می دهد (شکل 1) و به علت آبگریزی بالا به عنوان سیستم دارورسانی کنترل شده برای داروهای هیدروفوب مورد بررسی است. همچنین شکل مخصوص آجر مانند این پروتئین توانایی حمل ترکیبات آبدوست مانند هپارین، 5-فلولرویوراسیل، دوکسوروبیسین و کنترل رهایش و بهبود اثر آنها را امکان پذیر می سازد.

2-2-گلیادین
گلوتن گندم یک کمپلکس حاوی پروتئین و کربوهیدرات است که پروتئین ها اجزای اصلی تشکیل دهنده آن هستند. این پروتئین ها شامل گلوتنین و گلیادین می باشند. جداسازی و تشخیص این پروتئین ها به وسیله الکل 70 درصد انجام می شود. گلوتنین یک پروتنین نامحلول در الکل با وزن مولکولی 106 کیلو دالتون است. گلیادین به مجموعه پروتئین هایی گفته می شود که توسط الکل 70 درصد از گلوتن جدا می شوند و وزن مولکولی آنها در محدوده 25 تا 100 کیلو دالتون است. در ساختار این پروتئین ها مقادیر فراوانی اسید آمینه گلوتامین(حدود 40 درصد ) نیز وجود دارد.
گلیادین در محلول های آبی حلالیت کمی دارد. از آنجائیکه مشابه کراتین این پروتین ها غنی از پرولین هستند توانایی برهمکنش با کراتین اپیدرم پوست را داشته و پتانسیل مناسبی جهت تولید فرمولاسیون های پوستی دارد. مطالعات مختلف توانایی نانوذرات گلیادین به عنوان سیستم های کنترل رهایش دارو برای ترکیبات با خاصیت آبگریز و ترکیبات آمفی فیل مانند ویتامین A ، ویتامین E ، آموکسی سیلین را نشان داده است.
از خصوصیات مفید گلیادین توانایی بالای اتصال آن به مخاط بدن است. به واسطه حضور فراوان گلوتامین و اسید های آمینه هیدروفوب در ساختار آن، گلیادین از طرفی با لایه موکوس مخاط پیوندهای هیدروژنی فراوان داده و از طرف دیگر به وسیله بر همکنش های هیدروفوب می تواند با غشای سلول بر همکنش ایجاد کند. به همین دلیل نانوذرات گلیادین پتانسیل های مناسبی در تهیه فرمولاسیون های خوراکی به ویژه در جهت درمان بیماری های معده مانند زخم معده نشان داده اند. به واسطه برهمکنش با موکوس معده این نانوذرات باعث افزایش فراهمی زیستی (Bioavailibility) و افزایش مدت زمان رهایش دارو شده و در نتیجه حذف موثر هلیکو باکتر پیلیوری (عامل ایجاد کننده زخم معده) از مخاط این اندام می شوند.

2-3- لکتین ها
لکتین ها گروه متنوعی از گیلوپروتئین ها یا پروتئین های با توانایی اتصال به کربوهیدرات ها هستند. آگلوتینین جوانه گندم (WGA= Wheat germ aglutinin) از جمله معروف ترین لکتین های گیاهی است که مورد توجه زیادی است. این پروتئین پایداری زیاد، سمیت و ایمنی زایی کم ، مقاومت به تجزیه پروتئولیتیک و همچنین جایگاه شناسایی و اتصال خاص به اجزای گلیکوزیله غشای مخاط روده دارد و بنابراین می تواند باعث بهبود جذب فرمولاسیون های دارویی خوراکی شود.
در دو دهه اخیر لکتین ها در دو حوزه اصلی مورد توجه صنعت داروسازی قرار گرفته است. اول بهبود جذب داروهای موجود با فراهمی زیستی کم و دوم تهیه فرمولاسیون های دارویی هدفند در درمان سرطان ها. علاوه بر این، چندین نوع از لکتین ها از جمله WGA با القای آپوپتوز در سلول های سرطانی اثر قابل توجه ضد توموری نشان داده اند.
پروتئین ها و فسفو لیپید های متعددی در غشای سلولی متصل به ریشه های الیگو ساکاریدی مختلف بوده و توانایی اتصال اختصاصی لکتین ها به این ریشه های قندی در سطح سلول ها اساس دارو رسانی هدفمند به وسیله لکتین ها است (شکل2).

از آنجایی که سلول های مختلف انواع مختلفی از زنجیر های الیگو ساکاریدی را تولید ودر سطح خود نمایش می دهند، همچنین سلول های سرطانی غالبا الگوهای الیگوساکاریدی متفاوتی نسبت به سلول های نرمال هم نوع خود نشان می دهند، بنابراین لکتین های مختلف می توانند به عنوان حامل برای انتقال دارو به بافت ها و سلول های مختلف استفاده شوند (شکل 3). بر همین اساس مطالعات بسیاری در این زمینه جهت پوشش دهی انواع مختلف نانوذرات با لکتین ها و تولید سیستم های دارو رسانی هدفمند صورت گرفته است.

لکتین ها را می توان به عنوان نسل دوم مواد افزایش دهنده اتصال به مخاط بیولوژیک (Bioadhesive) معرفی کرد، زیرا علاوه بر انتشار نانوذره از لایه موکوسی مخاط با مکانیسم های مختلف مانند اندوسیتوز وابسته به کلاترین و اندوسیتوز به وسیله مسیر کاوئولا (Caveola) باعث افزایش برداشت سلولی فرمولاسیون دارویی می شوند. همچنین لکتین های با توانایی اتصال هدفمند به کربوهیدرات های سطح باکتری هلیکوباکتر پیلوری می توانند کارایی درمان بیماری را افزایش دهند. لکتین ها در ساخت واکسن های خوراکی نیز سودمند و مورد توجه هستند، نانوذرات حاوی آنتی ژن بیماری زا و دارای پوشش لکتین های هدفمند برای سطح سلول های پلاک های پیر(Peyer's patches) در روده باعث تشدید و تقویت پاسخ ایمنی واکسن خوراکی می شوند. سلول های پلاک های پیر از سلول های نمایشگر آنتی ژن و اجزای سیستم ایمنی مستقر در روده هستند.
توانایی اتصال لکتین ها به مخاط نه تنها برای مخاط دستگاه گوارش بلکه جهت بهبود دارورسانی از مسیر های غیر خوراکی مانند مخاط بینی، واژن، ریه ها، چشم و همچنین عبور از سد خونی مغزی استفاده می شود. ادورانا لکتین (Odorranalectin) کوچکترین عضو خانواده لکتین ها، ایمنی زایی کمتری نسبت به سایر لکتین ها داشته و توانایی شناسایی و اتصال اختصاصی به قند ال-فوکوز دارد. این قند به فراوانی در سطح سلول های بافت پوششی مخاط بینی وجود دارد. نانوذرات حاوی این لکتین باعث افزایش دارورسانی به مغز از مسیر بینی به مغز(nose-to-brain delivery) شده اند.

2-4-پروتئین های سویا
در حال حاضر دانه سویا یکی از فراوان ترین منابع پروتئین های گیاهی است. شکل غنی شده پروتئین سویا عصاره پروتئین سویا (SPI =Soy protein isolate) نامیده می شود. عصاره پروتئین سویا ترکیب متوازنی از اسید های آمینه قطبی، غیرقطبی و باردار است که اجازه استفاده از آن برای انواع داروها را می دهد. اجزای اصلی SPI گلایسینین (glycinin) با وزن مولکولی360 کیلودالتون و بتا –کان گلایسینین( (β-conglycinin با وزن مولکولی 180 کیلودالتون هستند. در محلول آبی پروتئین های SPI تشکیل یک ساختار کروی شامل یک پوسته هیدروفیل و یک هسته هیدروفوب می دهند. با افزودن عامل رسوب دهنده (ضدحلالdissolvent=) یا مولکول های لینکر به صورت ساختارهای مختلف مانند میکروسفر و هیدروژل تجمع می یابند. با تغییر میزان عوامل لینکر افزوده شده و در نتیجه درصد اتصال در ذرات حاصله می توان الگوی تجزیه ذرات را جهت دستیابی به الگوی مناسب رهایش دارو تغییر داد. نانوذرات پروتئینی سویا را می توان از SPI تازه با روش رسوب دهی(desolvation) و یا به روش coacervation تهیه کرد.

3- قفس های پروتئینی(Protein cages)

3-1- قفس های پروتئینی ویروسی
قفس های پروتئینی ساختارهای مشتق شده از ویروس ها یا ذرات ویروس مانند هستند. این ذرات غالبا اندازه ای در حدود چند نانومتر تا چند ده نانومتر دارند. قفس های ویروسی در حقیقت پوسته ساختاری یا کپسید ویروس ها بدون محتوی اسید نوکلئیک آنهاست. شکل، اندازه و پایداری قفس های ویروسی وابسته به نوع ویروس است. این قفس ها متشکل از تعداد محدودی زیرواحد هستند که به صورت نانوسفرهای متخلخل تجمع می یابند. در این ساختار سه ناحیه مجزا قابل توجه است که عبارتند از سطح داخلی و خارجی قفس و حدفاصل بین زیرواحدها. هر سه ناحیه اشاره شده را می توان با روش های شیمیایی و یا روش های مهندسی ژنتیک (با تغییر توال نوکلئوتیدی زیرواحدها) بدون ایجاد تغییر در ساختار قفس، جهت استفاده در کاربردهای مورد نظر در تشخیص و درمان پزشکی تغییر داد. معمولا قفس های پروتئینی در محیط های شیمیایی مخلتف (جهت ایجاد تغییرات شیمیایی روی آنها) پایداری مناسبی دارند . به این ترتیب می توان قفس پروتئینی طراحی کرد که همزمان توانایی انجام چندین عمل مانند بارگیری دارو، عامل تصویربرداری و عامل هدفمند سازی قفس به سلول یا بافت خاص را داشته باشد (شکل 4). به عنوان مثال با افزودن اسیدهای آمینه سیستئین و لیزین با روشهای مهندسی ژنتیک به قفس امکان اتصال داروها، عوامل تصویر برداری و فلوروفورهای مختلف به قفس فراهم می شود (شکل 5).


یک ویژگی ممتاز دیگر قفس های پروتئینی نسبت به سایر ساختارهای پروتئینی اندازه یکسان و بی نظیر قفس است. این ویژگی امکان بارگیری مقادیر نسبتا مشخص و ثابت دارو درون این نانوذرات را فراهم می آورد که از ویژگی های مهم فارماکوکینتیکی یک فرمولاسیون دارویی است. قفس پروتئینی حاصل به طور طبیعی در بسیاری از محیط های فیزیولوژیک پایدار بوده و دارو و عوامل درمانی را در برابر تخریب شیمیایی و آنزیمی محافظت می کند.


شیمی درمانی سرطان از دیگر کاربردهای بالقوه قفس های پروتئینی است. قفس های نانومتری به علت اندازه شان (چند ده نانومتر) از لایه اندتلیال عروق نرمال عبور نمی کنند، بنابراین نیمه عمر بیشتری در گردش خون دارند، اما این قفس ها کوچکتر از منافذ عروق بافت توموری بوده (Fenestrate) و می توانند با ورود و چسبیدن به سطح سلوها و بافت توموری مقادیر قابل توجهی از داروی شیمی درمانی را به طور موثر وارد بافت توموری کنند. اندازه کوچک قفس ها به فرار این ذرات از سلول های ماکروفاژ بافت کبد نیز کمک می کند.

3-2-قفس های پروتئینی غیرویروسی
علاوه بر ویروس ها، قفس های پروتئینی فریتین/آپوفریتین و پروتئین شوک حرارتی کوچک (shsp= small heat shock protein) از جمله قفس های پروتئینی مورد توجه هستند. قفس های فریتین از 24 زیرواحد تشکیل شده اند که به صورت ساختارهای توخالی با قطر 12 نانومتر و فضای داخلی 8 نانومتر آرایش می یابند. در حالت طبیعی در بدن، این فضا جهت ذخیره حدود 4500 یون آهن استفاده می شود. در این ساختار 14 کانال برای تبادل مواد بین قفس با محیط خارجی وجود دارد. این نانوقفس ها جهت حمل مولکول ها و یون های مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند. لوتتیوم-177 ( (Lutetium-177 یک ماده رادیواکتیو است که به علت نیمه عمر مناسب (7/6 روز) و تابش امواج بتا و گاما جهت کاربردهای تصویربرداری و رادیوتراپی در پزشکی هسته ای بسیار مورد توجه است. این ترکیب پتانسل کاربرد در درمان انواع متعدد سرطان ها مانند تومورهای نورو اندوکرین، پانکراس، پروستات، ریه، مغز استخوان و لوسمی را دارد. نانوقفس های فریتین توانایی بارگیری مقادیر زیاد این ماده رادیو اکتیو درون خود و افزایش پایداری آن را دربدن را نشان داده اند. این یک مزیت مهم جهت تابش دوز بالاتر اشعه به بافت توموری در هنگام رادیوتراپی خواهد بود (شکل6).


4- معایب و محدودیت های پیش روی نانوذرات پروتئینی
علیرغم مزایای مختلف ذکر شده در مورد استفاده از نانوذرات پروتئینی در دارورسانی و مهندسی بافت برخی محدودیت ها پیش روی این پلیمرهای طبیعی در راه استفاده از آنها در صنایع دارویی و پزشکی وجود دارد که برخی از مهم ترین آنها عبارتند از:
1-پروتئین ها پلیمرهای طبیعی بوده و اکثر آنها مخلوط هتروژنی از اندازه ها ی مختلف با وزن های مولکولی متفاوت هستند. این خصوصیت در هنگام تولید انبوه و مصارف دارویی صنعتی باعث کاهش امکان تکرار پذیری و احتمال تفاوت ویژگی های محصول تولیدی در زمان های مختلف (Batch to batch variation) می شود. جهت غلبه بر این مشکل محققین به دنبال تولید پروتئین های نوترکیب به وسیله تکنیک های مهندسی ژنتیک هستند. پروتئین های تولید شده با این روشها تک اندازه و دارای وزن مولکولی ثابت و مشخص می باشند. می توان با طراحی ساختار آنها امکان اتصال گروه های مختلف به سطح آنها مانند عوامل هدفمند سازی را فراهم کرده و همچنین نرخ تجزیه و رهایش دارو توسط آنها را تنظیم کرد. در همین راستا انواع پروتئین های مختلف جهت کاربرد در دارورسانی تولید شده اند که از جمله آنها پروتئین های الاستین مانند (ELPs)، آلبومین سرم انسانی نوترکیب (rHSA) و ژلاتین نوترکیب هستند. باید توجه داشت که تولید پروتئین ها با روش های مهندسی ژنتیک منجر به افزایش قیمت تمام شده محصولات می شود.
2-ایمنی زایی: بدن انسان نسبت به پروتئین های غیر خودی واکنش ایمنی نشان داده و درجات مختلفی از ایمنی زایی از جمله محدودیت های پیش روی نانوذرات پروتئینی است. هرچند هنگام تزریق درون وریدی نانوذرات آلبومین، ژلاتین، کازئین و زئین واکنش ایمنی ناچیزی مشاهده شده است.
3- دستیابی به الگوی رهایش مناسب: از آنجائیکه غالبا پروتئین ها مولکول هایی آبدوست هستند اغلب آنها توانایی رهایش طولانی مدت دارو را ندارند و نانوذرات آنها هنگام ورود به بدن با جذب آب متورم شده و دارو به سرعت به خارج انتشار می یابد. به همین جهت معمولا هنگام تهیه نانوذرات پروتئینی از مولکول های لینکر شیمیایی مانند فرمالدهید و گلوتار آلدهید جهت تثبیت ساختار آنها استفاده می شود. این مولکول های رابط غالبا سمی هستند بر همین اساس از جمله حوزه های تحقیقاتی فعال در زمینه نانوذرات پروتئنی دستیابی به لینکر های مناسب و غیر سمی است. همچنین پروتئین های گیاهی با ماهیت هیدرو فوبی نتایج امید بخشی در زمینه تولید نانوحامل های پروتئینی با توان رهایش طولانی مدت نشان داده اند.
4- احتمال انتقال بیماری های حیوانی مانند جنون گاوی به انسان هنگام استفاده از منابع پروتئین های حیوانی جهت تولید نانوذرات.

5-نتیجه گیری
برخی پروتئین های گیاهی به علت ماهیت آبگریزی بالا توانایی تولید نانوحامل هایی دارند که بر خلاف پروتئین های حیوانی نیاز به لینکر های شیمیایی جهت تولید نانوذرات پایدار نداشته و همچنین می توانند محموله داروی خود را به مدت طولانی درون خود نگه دارند، بنابراین پتانسیل کاربرد در ساخت سیستم های دارورسانی با رهایش طولانی مدت را دارند. منابع فراوان و دسترسی آسان و ارزان از مزایای دیگر نانوحامل های پروتئینی گیاهی هستند. محققین در صنایع دارویی و پزشکی همواره به دنبال حامل هایی هستند که تکرارپذیری آنها در هنگام تولید انبوه صنعتی زیاد بوده و کنترل ویژگی های مختلف آنها مانند اتصال عوامل هدفمندسازی امکان پذیر باشد. خصوصیات نانوقفس های پروتئینی نوید تولید نانوحامل های ایده ال در آینده را می دهند.