برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۱/۰۳ تا ۱۳۹۸/۰۱/۰۹

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳۴۵
  • بازدید این ماه ۱۰
  • بازدید امروز ۴
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۴۸
  • قبول شدگان ۳۶
  • شرکت کنندگان یکتا ۳۸
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۴
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 2

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

تأثیر خصوصیات سطحی نانوذرات بر سمیّت و زیست‌سازگاری

نانوذرات کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌های مختلف اعم از پزشکی، محیط‌زیست، پتروشیمی و .... دارند. اگرچه همه‌روزه شاهد گسترش وسعت کاربردها و نوآوری‌های جدید در این زمینه هستیم، به نظر می‌رسد ایمنی این ذرات، برای کاربردهای پزشکی و زیستی کمتر مورد توجه قرار گرفته است. علی‌رغم آزمون‌های زیست‌سازگاری و سمیّت سلولی که می‌تواند تاحدودی ایمنی نانوذرات را برای کاربردهای درون‌تنی تضمین کند، تغییر پارامترهای مؤثر هرچند به میزان اندک، برای به حداقل رساندن آسیب‌های احتمالی و خسارت‌های جبران‌ناپذیر به دنبال آن، اهمیت زیادی دارد. این آسیب‌ها می‌تواند محدوده گسترده‌ای از واکنش‌ها در سطح ریزمولکولی شامل آسیب به محتویات هسته از جمله غشاء، میتوکندری، هستک، لیزوزوم و DNA و به تبع آن واکنش‌های متوالی را در برگیرد که در نهایت ماهیت سلول را تغییر داده و عوارضی ناخواسته ایجاد می­‌کند. پارامترهای مؤثر در تعیین خصوصیات سطحی شامل شکل ذرات و مورفولوژی آن‌ها، اندازه ذرات، بار سطحی، آب‌دوستی و آب‌گریزی سطح است. این پارامترها هرکدام باتوجه‌ به ماهیت ذره مورد استفاده و نوع سلول در تماس با آن، واکنش‌های مختلفی را در سطح سلولی ایجاد می‌کنند. در ادامه به بررسی اثر این پارامترها، خصوصاً بار وگروه عاملی، روی سمیّت نانوذرات پرداخته می‌شود.

1- مقدمه

سمیّت سلولی نانوذرات، به عواملی نظیر مورفولوژی سطحی، نسبت منظر (aspect ratio)، شکل، اندازه، آب‌دوستی و آب‌گریزی، سطح ویژه، زبری، تخلخل و بار سطحی بستگی دارد. از بین این پارامترها، بار سطحی، نواحی اتصالی برای گیرنده‌ها (receptors) را تعیین می‌کند و بر پراکندگی ذرات و تشکیل انبوهه تأثیرگذار است (شکل 1).

 

شکل 1. نمایی از جذب به واسطه گیرنده که یک سازوکار زیستی اختصاصی برای ذراتی است که با سطح غشاء برهم‌کنش انجام می‌دهند و تحت جذب سلولی قرار می‌گیرند. خصوصیات ذاتی نانوذره مانند زبری، آب‌گریزی و بار کاتیونی، اتصال سطحی را تحریک می‌کنند و منجر به اتصال نیروهای غیراختصاصی (که با ستاره به نمایش در آمده‌اند) می‌شود و محرک جذب سلولی هستند [1].

 

آزمایش‌های برون‌‌تنی (in vitro) نشان می‌دهد که سمیّت سلولی نانوذرات سیلیکای مزومتخلخل، سیلیکای آمورف، دلمیت، اکسید روی و پلی استایرن در مقایسه با میکروذرات مرتبط بیشتر است. چنانچه آزمون سمیّت در مقیاس کمتر از 100 نانومتر بررسی شود، باز هم ذرات کوچک‌تر سمیّت بیشتری را نسبت به ذرات بزرگ‌تر به نمایش می‌گذارند (نظیر نقاط کوانتومی و اکسید تیتانیوم) [1].

اگرچه نمی‌توان از نقش ماهیت سلول و ذره مورد آزمایش، همین‌طور شرایط محیط آزمایش، شرایط کشت سلولی و مواجهه (تراکم سلولی، غلظت ذره، ترکیب محیط کشت، دما) در ایجاد سمیّت سلولی چشم‌پوشی کرد، به نظر می‌رسد بار سطحی حاصل از عامل‌دار شدن نانوذرات که بخش عمده‌ای از خصوصیات میکروساختاری را در برمی‌گیرد، در برهم‌کنش (interaction) نانوذره و محیط زیستی نقش به‌سزایی ایفا می‌کند؛ به‌عنوان مثال، نانوذرات فریت نیکل پوشش‌دهی‌شده با اولئیک اسید و نانوذرات اکسید تیتانیوم پوشش‌دهی‌شده با استئاریک اسید دارای سطوح آب‌گریز بوده و سمیّت بیشتری را نسبت به نانوذرات فاقد پوشش از خود نشان می‌دهند [1].

در این مقاله به نقش عواملی نظیر نحوه ورود نانوذرات به داخل سلول، واکنش‌های فیزیکی و شیمیایی و به‌خصوص بار سطحی، برهم‌کنش‌های حد واسط و سمیّت نانوذرات پرداخته می‌شود. در ادامه نتیجه بررسی نانوذرات مختلف و نقش عوامل سطحی آن‌ها در ایجاد سمیّت سلولی مرور می‌شود.

 

2- بررسی اثر نحوه ورود نانوذرات به داخل سلول در ایجاد سمیّت سلولی

سازوکار سمیّت سلولی در انواع مختلف نانوذرات، تا حد زیادی به نحوه ورود نانوذرات به داخل سلول (internalization) وابسته است که ارتباط کاملاً دقیقی بین آن و بار سطحی مشاهده نشده است. اگرچه نابشی و همکارانش مدعی وجود چنین ارتباطی بین بار سطحی و نحوه ورود نانوذرات به داخل سلول هستند.

زمانی که نانوذرات کیتوسان و پلی لاکتیک اسید با بار مثبت و منفی از نظر جذب سلولی بررسی شدند، هر دو با سازوکار اندوسیتوز وارد سلول شدند؛ مسیر اندوسیتوز اغلب به لیزوزوم منتهی می‌شود و ماکرومولکول‌های مختلفی به این ترتیب تخریب می‌شوند. چنانچه جذب به‌واسطه حفره غشائی (caneolae) صورت گیرد، می‌تواند به دستگاه گلژی یا رتیکولوم اندوپلاسمی وارد شود و درنتیجه از تخریب در لیزوزوم جلوگیری کند. هدف‌های سلولی نانوذرات شامل: میتوکندری، لیزوزوم، هسته و پروتئین‌های داخل‌سلولی هستند؛ با این وجود، نانوذرات زیست‌تخریب‌پذیر پلیمری نظیر PLGA در حالت اصلاح‌شده، حتی در غلظت‌های زیاد، فارغ از شیمی سطحی و بار، سمیّت سلولی اندکی را نشان می‌دهند [2].

 

3- تأثیر بار بر جذب سلولی

مطالعاتی که بر روی نانوذرات اصلاح‌شده با گروه آمین یا کربوکسیلیک اسید صورت گرفته است، نشان می‌دهد که نانوذرات اصلاح‌شده آمینی با بار مثبت، یکپارچگی غشائی را در سلول‌های غیرفاگوسیتی، به میزان بیشتری برهم می‌زنند. همچنین جذب نانوذرات اصلاح‌شده با کربوکسیلیک اسید آنیونی توسط ماکروفاژها بهتر صورت می‌گیرد. دلیل این امر آن است که ماکروفاژها بر روی نانوذرات اصلاح سطحی شده با کربوکسیلیک اسید، اختصاصی‌تر عمل می‌کنند، به این معنا که جذب (Cellular uptake) این ذرات با بار منفی توسط ماکروفاژ بیشتر صورت می‌گیرد. چنین به نظر می‌رسد که اثر بار نسبت به آب‌گریزی اولویت داشته باشد. در بحث سرنوشت سلولی، ذرات آنیونی منجر به نکروز می‌شوند، در حالی‌که ذرات کاتیونی آپوپتوز ایجاد می‌کنند [3]؛ همان‌طور که سازوکار آپوپتوز در فعال‌سازی سیستم کمپلمان و همولیز، در نمونه‌های خونی در تماس با نانوذرات کاتیونی پلی استایرنی مشاهده شده است [2].

 

4- نقش عوامل فیزیکی و شیمیایی در وقایع زیستی

درک سازوکارهای القاکننده سمیّت، نیازمند مطالعه گسترده در سطح مولکولی و اتکا به شیمی کلوئید و حدفاصل‌ها است، زیرا ذرات در تماس با سلول‌های خونی یا محیط‌زیستی، متحمل تغییرات کانفورماسیونی (Conformation) شده یا در اثر پدیده‌های دینامیکی و توالی‌های واکنشی در حدفاصل بیوفیزیکوشیمیایی می‌توانند منجر به ایجاد سمیّت شوند [1].

به نظر می‌رسد در بررسی سازوکارهای سمیّت نانوذراتی همانند نقره، برهم‌کنش فیزیکی عامل محدودکننده است. زمانی‌که مانع الکتروستاتیک برطرف شود، ذرات نقره می‌توانند با غشاء سلولی برهم‌کنش انجام دهند. این برهم‌کنش می‌تواند منجر به آسیب فیزیکی (مانند ایجاد حفره) شود که در نهایت موجب مرگ سلول می‌شود. همچنین، نانوذره نقره می‌تواند از سطح غشاء عبور کند و برای مثال به‌صورت شیمیایی تولید گونه فعّال اکسیژن (Reactive Oxygen Species (ROS)) کند؛ بنابراین عامل بار به‌عنوان عامل اولیه و اصلی در ایجاد سمیّت نانوذرات اصلاح‌شده نانونقره در مقایسه با اثر شیمیایی که به‌تنهایی توسط ذرات نقره ایجاد می‌شود، در نظر گرفته می‌شود [4].

 

4-1- حد فاصل بایو-نانو

 عوامل مؤثر برای ایجاد برهم‌کنش در فصل مشترک بین محیط زیستی و ذره نانو (بایو - نانو) شامل اجزای دینامیکی زیر است:

1) سطح نانوذره و خصوصیات ترکیب شیمیایی؛

2) حد فاصل بین محیط زیستی و نانوذره (مایع – جامد) و تغییراتی که در نانوذره در نتیجه برهم‌کنش با محیط اطراف ایجاد می‌شود.

مهم‌ترین ویژگی‌های تعیین‌کننده خصوصیات سطحی یک نانوذره شامل ترکیب شیمیایی ماده، گروه‌های عاملی سطح (functionality)، شکل، تخلخل و بلورینگی سطح، غیریکنواختی، زبری، آب‌دوستی و آب‌گریزی است [1]. خصوصیت قابل‌اندازه‌گیری دیگر نظیر بار سطحی مؤثر، پتانسیل زتا، تشکیل انبوهه، خصوصیت انحلالی، هیدراسیون، والانس لایه سطحی به وسیله خصوصیات مایع شامل قدرت یونی، دما و حضور مولکول‌های بزرگ‌تر آلی مثل پروتئین‌ها تعیین می‌شود [1].

 

شکل 2 - شماتیک حد واسط میان نانوذره و دولایه لیپیدی. اثرات اصلی به خصوصیات ماده، اصلاح خصوصیات سطحی آن مواد از طریق برهم‌کنش‌های دینامیکی بین حد واسط مایع – جامد با مولکول‌های زیستی و اجزای سلولی بستگی دارد [1].

 

خصوصیت ذره به‌طور فعال مربوط به برهم‌کنش با محیط است که ممکن است شامل موارد زیر باشد: 1) تحریک جذب یون‌ها، پروتئین‌ها، مواد آلی طبیعی و دترجنت‌ها؛ 2) شکل‌گیری دولایه (دولایه یا به عبارت دیگر دولایه الکتریکی، ساختاری است که در اثر تماس ماده با مایع ایجاد می‌شود. ماده می‌تواند حباب گازی، قطره مایع یا جسم متخلخل باشد. منظور از دولایه، دولایه موازی است که چیزی را احاطه می‌کند. لایه اول یا بار سطحی (مثبت یا منفی) شامل یون‌هایی می‌شود که بر روی سطح به علت برهم‌کنش‌های شیمیایی شکل می‌گیرد. لایه دوم، شامل یون‌هایی می‌شود که از طریق نیروی کولمبی به شکل الکتریکی روی سطح به نمایش درمی‌آید)؛ 3) انحلال؛ 4) به حداقل رساندن انرژی آزاد که با سازمان‌دهی سطح برهم‌کنش محیط ایجاد می‌شود و شامل برهم‌کنش پروتئینی است که می‌تواند تغییراتی را نظیر انحلال ذرات، نشت یونی، تغییر فاز و آگلومراسیون در مقیاس بالا ایجاد کند [1].

مواد مترشحه از سلول می‌تواند خصوصیات محیط احاطه‌کننده را تغییر دهد و نانوذره می‌تواند در سوسپانسیون یا روی غشاء سلولی به این مولکول‌ها متصل شود؛ به‌طور مشابه، اجزای زیستی واکنش‌دهنده هم می‌توانند تحت تأثیر نانوذره قرار بگیرد؛ برای مثال، با اتصال لیگاندها، تماس نواحی آب‌گریز یا باردار در سطح، انرژی آزاد تغییراتی ایجاد می‌کند که منجر به القای تغییرات کانفورماسیونی و آسیب در اثر عامل اکسیدکننده می‌شود. در نهایت پوشش ذره (Particle wrapping) با سطح غشاء سطحی، منجر به ورود ذرات به حد فاصل جدید می‌شود [1].

در یک نگاه کلی برهم‌کنش بین ذره و محیط زیستی، نیازمند تجسم قواعدی است که بین ذرات کلوئیدی اتفاق می‌افتد (شکل 3). در این میان، علاوه بر نیروهای واندروالس، الکتروستاتیک، انحلالی و دافعه، در نظر گرفتن ضروریت‌هایی در مقیاس نانومتری ضروری است؛ برای مثال چون نانوذرات، از اتم‌های نسبتاً کمی تشکیل شده‌اند، نیروهای واندروالس آن‌ها، به موقعیت اتم‌های سطحی آن‌ها و عملکرد استاندارد نفوذپذیری الکتریکی در حالت بالک بستگی دارد که پیچیدگی این نیروها با در نظر گرفتن برهم‌کنش بین بایو-نانو بیشتر می‌شود [1].

 

شکل 3- برهم‌کنش بین نانوذرات a) نیروی معمولی برای بر هم‌کنش کلوئیدی (برای مثال الکتروستاتیک، واندروالس و کووالانس) و برهم‌کنش‌های مهم دیگر. دافعه زمانی اتفاق می‌افتد که ذرات در محیط زیستی معلق هستند و با سلول‌ها برهم‌کنش انجام می‌دهند؛ (b نیروهای واندروالس جاذبه ایجاد می‌کنند؛ درحالی که نیروهای الکتروستاتیک در مقیاس طولی مشخص، دافعه ایجاد می‌کنند. تئوریDLVO در شیمی کلوئیدها مجموع این نیروها را در نظر می‌گیرد [1].

 

دو برهم‌کنش را در نظر بگیرید:1) برهم‌کنش ذرات SiO2 و 2) برهم‌کنش بین ذرات SiO2 و سلول‌های فیبروبلاست. در حالت اول میان ذرات SiO2 و آب نیروهای واندروالس، الکتروستاتیک و انحلالی ایجاد می‌شوند. نیروهای واندروالس در نتیجه حرکت کوانتوم مکانیکی الکترون‌ها در هر لحظه به دست می‌آیند و نوسان آن‌ها، یک دوقطبی کوچک ولی پراهمیت ایجاد می‌کند و بنابراین ممان دو قطبی را در اتم‌های SiO2 همسایه ایجاد می‌کند و منجر به ایجاد نیروی جاذبه می‌شود. نیروی الکتروستاتیک در سیستم از بارهای سطحی ایجاد می‌شود که بی‌درنگ در ذرات SiO2 وجود دارد. در تماس با آب، گروه‌های SiOH ایجاد می‌شوند و بارهای سطحی منفی روی سطح آن‌ها ایجاد می‌شود که حداقل به‌صورت گذرا، نیروی الکترواستاتیک دافعه ایجاد می‌کند. تحت شرایط با پتانسیل سطحی ثابت، چنین دافعه‌ای را می‌توان با ایجاد نظم سطح تا حدودی کاهش داد. برای نانوذرات SiO2 مجموع نیروی جاذبه واندروالس و نیروهای الکتروستاتیک دافعه، تئوری Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek را در علم کلوئیدها ثابت می‌کند (این تئوری، تجمع دیسپرسیون آبی را به صورت کمیتی به نمایش می‌گذارد و نیروهایی را که بین ذرات باردار در محیط آبی اعمال می‌شوند، به صورت تلفیقی از جاذبه واندروالس و دافعه الکتروستاتیک، به علت حضور دو لایه یون‌های متقابل بیان می‌کند) [1].

حال نمونه‌ای از ذره را که با سلول‌های فیبروبلاست برهم‌کنش انجام می‌دهند، در نظر بگیرید. اگر چه نیروهایی که پیش‌تر اشاره شد، در اینجا نیز حضور دارند امّا تفاوت‌های مهمی در هنگام نزدیک شدن یک ذره به سطح غشاء رخ می‌دهد. اول این‌که سلول دارای یک غشاء منعطف غیرصلب است که در نتیجه ترمودینامیک و سیالیت، تغییرشکل پیدا می‌کند. این امر یک سری برهم‌کنش‌های پیچیده را به دنبال دارد. مسأله بعدی ناهمگونی‌های (Patchiness) سطح سلول است که منجر به غیریکنواختی بار در سطح می‌شود که به نوبه خود انرژی برهم‌کنشی بین ذرات، حتی بین دو ذره ایده‌آل را تا حد زیادی تغییر می‌دهد. به علت حضور پروتئین‌های سطحی و سایر ساختارها، سلول‌ها دارای ناهمگونی‌هایی در مقیاس 10 تا 50 نانومتر هستند. پس زمانی‌که یک ذره با اندازه میکرومتری با آن برهم‌کنش انجام می‌دهد، میزان انرژی متوسطی را تجربه می‌کند که خیلی از این بخش‌های غیریکنواخت را پوشش می‌دهد. حالا چنانچه ذره‌ای با اندازه 10 تا 50 نانومتر بخواهد با سطح برهم‌کنش انجام دهد، توجه به این نکته حائز اهمیت است که انرژی برهم‌کنش باتوجه‌به موقعیت دقیق ذره و ظرفیت آن برای نورد سلول متفاوت است؛ به‌علاوه، ذرات ممکن است شکل گستره‌ای (Raft) ایجاد کنند که خصوصیات متفاوتی نسبت به ذره مستقل خواهد داشت [1].

 

4-2- نقش مورفولوژی و شیمی سطح ذرات در اندوسیتوز نانوذره

در مورد فاگوسیتوز ذره، تلفیق برهم‌کنش رسپتور- لیگاندی و نیروهای الکترواستاتیک، فضایی، جاذبه، دافعه، واندروالس بین سطح ذره و غشاء فاگوسیت‌کننده سلول نقش مهمی را ایفا می‌کند. عوامل مؤثر در این زمینه به شرح زیر است:

1) شکل خارجی نانوذرات مانند کروی، مکعبی، مثلثی، توبولی، چند شاخه‌ای، سوزنی؛

2) بلورینگی داخلی که منجر به بهبود خصوصیات فوتونیکی، الکترونیکی، نیمه‌رسانایی، انتقالی، جذبی و خصوصیات کاتالیتیکی می‌شود؛

3) شیمی سطح خارجی که منجر به واکنش‌های انتخابی در اتصال می‌شود. دما یا رفتار آمفوتری و آمفی‌فیلیک وابسته به pH و عملکرد آنتی‌میکروبی [5].

 

5- نقش عامل‌دار کردن سطح در میزان سمیّت نانوذرات مختلف

5-1- اثر عامل سطحی در برهم‌کنش نانوذرات نقره با محیط زیستی

برهم‌کنش نانوذره باردار نقره را با با کتری باسیلوس گرم مثبت دارای گروه‌های کربوکسیل، فسفات و آمینو بر روی سطح در نظر بگیرید. میزان پتانسیل زتای این باکتری حدود mV -37 در نظر گرفته می‌شود که تقریباً به پتانسیل زتای نانوذرات اصلاح‌شده با سیترات با بار منفی (Ag-NP-citrate) نزدیک است. به نظر می‌رسد به علت بار یکسان و تقریباً برابر، نیروی دافعه مانع از برهم‌کنش و ایجاد سمیّت می‌شود. از طرفی با افزایش پتانسیل زتا، برای مثال در نانوذرات نقره فاقد پوشش H2-Ag-NP (mV 22-)، نانوذرات نقره اصلاح‌شده با پلی وینیل پیرولیدین PVP-Ag-NP (mV 10-) و نانوذرات نقره اصلاح‌شده با پلی اتیلن ایمین شاخه‌ای Ag-NP-BPEI (branched polyethyleneimine) (mV 40+)، میزان سمیّت افزایش می‌یابد، به‌طوری که در نمونه آخر نیروی جاذبه مشاهده شده است [4].

 

5-2- اثر عامل‌دار شدن بر سمیّت نانوذرات هیدروکسی آپاتیت (hydroxyapatite (HAP))

به‌منظور انجام تحقیقات نظام‌مند اثر بارهای سطحی بر سمیّت نانوذرات HAP، اصلاح سطح به 3 مدل مختلف (شکل 4)، صورت گرفت. در واکنش کلاس 1، گروه‌های هیدروکسیل سطحی روی HAP با گروه‌های کربوکسیلی در 12 آمینودکانوئیک اسید و آمین در سمت دیگر واکنش داده شد. در واکنش کلاس 2، گروه کربوکسیلیک اسید در 2 دکانوئیک اسید با گروه‌های هیدروکسیلی به‌منظور شکل‌گیری نانوذرات HAP با عامل‌های هیدروکسیلی روی سطح، واکنش داده شد. در مورد واکنش شماره 3 گروه‌های هیدروکسیلی با کربوکسیلیک اسید در دودکانئیک اسید به منظور شکل‌گیری نانوذرات HAP با گروه‌های CH3 در انتها واکنش داده شد.

نتایج تست سمیّت نشان می‌دهد که سلول‌ها، نانوذرات با بار مثبت را در مقایسه با ذرات با بار منفی بیشتر جذب می‌کنند که احتمالاً به برهم‌کنش دافعه و جاذبه بین غشاء با بار منفی و نانوذرات با بار مثبت/منفی مرتبط می‌شود. نانوذرات خنثی HAP به علت اندازه بزرگ‌ترشان به داخل غشاء سلولی وارد نمی‌شوند [6].

 

شکل 4- روند واکنشی برای اصلاح سطح نانوذرات HAP از [6].

 

5-3- سازوکار ایجاد سمیّت در نانوذرات طلا

در ارزیابی اثر بار سطحی بر سمیّت نانوذرات طلا، از لیگاندهای محلول در آب مرکاپتو اتوکسی اتیل اتانول (MEEE) با بار خنثی، تری متیل آمونیوم اتان تیول (TMAT) با بار مثبت و مرکاپتواتان‌سولفونات (MES) با بار منفی مطابق شکل 5، جهت عامل‌دار کردن سطح نانوذرات استفاده شد.

نتایج ارزیابی اثر نانوذرات طلای اصلاح سطح شده بر پتانسیل غشاء میتوکندری و Ca+2 داخل‌سلولی، نشان می‌دهد که علی‌رغم تولید ROS در هر سه نوع نانوذره طلا، در تماس با نوع خنثی (MEEE)، هیچ تغییری در پتانسیل غشائی میتوکندری Mitochondrial membrane potential (MMP) یا Ca+2 داخل‌سلولی در مقایسه با نمونه‌های کنترلی مشاهده نشده است، در حالی‌که در نانوذرات با بار مثبت (TMAT) و بار منفی (MES) میزان این دو پارامتر دچار تغییر شده است. تفاوت‌ها در میزان MMP نشان می‌دهد که سازوکار مرگ سلولی با توجه به نوع بار سطحی متفاوت است. ذرات طلای اصلاح شده با TMAT مثبت، دارای نیتروژن آزاد با 3 سایت فعال است. این نیتروژن می‌تواند نیتریک اکساید تولید کند. در ادامه نیتریک اکساید با سوپراکساید واکنش داده و تولید پراکسی نیتریت می‌کند که یک اکسنده بالقوه است و برای سلول‌ها سمیّت ایجاد می‌کند. به نظر می‌رسد قسمت عمده‌ای از اثرات مخرب بر میتوکندری، از اثر پراکسی نیترات نسبت به OH ایجاد شود. ذرات MES با بار منفی، شامل یک اکسیژن آزاد و یون سدیم هستند. سدیم می‌تواند با یک کلرید آزاد جایگزین شود که اکسیژن را به منظور شکل‌گیری سوپراکسید آزاد می‌گذارد. این مقادیر زیاد سوپر اکسید در نهایت محصولات جانبی دیگری تولید می‌کنند که برای سلول مخرب است [7].

 

شکل 5- نانوذرات طلا که با بارهای سطحی مختلف اصلاح شده است؛ (a) نمایی از لیگاندهای محلول در آب که برای عامل‌دار کردن نانوذرات طلا با بارهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ (b-d) تصاویر Bright field transmission electron microscopy (BFTEM) از نانوذرات طلا که در 120 کیلوولت اندازه‌گیری شده و مورفولوژی کروی شکل را در اندازه 1/5 نانومتر به نمایش می‌گذارد؛ (b) همراه با گروه عاملی MEEE ، (c) همراه با گروه عاملی  TMAT(+)، (d) همراه با گروه عاملی  MES(-)، (e) هیستوگرامی از توزیع اندازه ذره 1/5 نانومتر (MEEE) [7].

 

5-4- اثر گروه‌های عاملی بر سمیّت سلولی نانوذرات گرافن اکساید (GrapheneOxide (GO))

ذرات گرافن اکساید با سه عامل مختلف PolyEthyleneGlycol (PEG)،PEI وLactic-PolyEthyleneGlycol (LA-PEG) عامل‌دار شده‌اند. همان‌طور که در شکل 6 نشان داده شده است، GO اصلاح‌شده با PEG اثرات سمیّت سلولی بر سلول‌های فیبروبلاست انسانی (Human lung fibroblast (HLF)) را کاهش می‌دهد، در حالی‌که GO اصلاح‌شده با  PEI بیشترین میزان سمیّت سلولی را نشان می‌دهد. میزان تأثیر LA-PEG بر زنده‌مانی سلول‌های HLF، مابین دو نمونه دیگر است. به نظر می‌رسد ذرات با بارمثبت ممکن است تعادل غشاء را بر هم بزنند و در ادامه منجر به آسیب سلولی شوند؛ در حالی‌که تجمع ذرات با بار منفی ممکن است باعث شود تا سلول‌ها از یکدیگر جدا شوند و در نهایت منجر به تخریب در مراحل بعدی شود. لازم به ذکر است که اثر مشتقات GO بر زنده‌مانی سلولی تابع غلظت است. از نظر بداوی (Badaway) و همکارانش، PEG می‌تواند سمیّت GO را کاهش بدهد. با اصلاح GO توسط PEG و LA-PEG می‌توان به سمیّت ژنی حداقلی رسید [8].

 

شکل 6- سوپر اکساید دیس موتاز داخل‌سلولی (SOD)، سطح گونه فعّال اکسیژن (ROS) بعد از تماس سلول‌های HLF با GO به میزان 100،50،10،200 و 500 میکروگرم بر میلی‌لیتر GO برای مدت 24 ساعت؛ (B) سطوح SOD در سلول‌های HLF بعد از 4، 12 و 24 ساعت تماس با 200 و 500 میکروگرم بر میلی‌لیتر GO و نتایجی که به‌عنوان درصد unreated control به نمایش درآمده‌اند؛ (C) سطوح ROS داخل‌سلولی، در سلول‌های HLF بعد از تماس با 10 ، 50 ، 100 و 200 میکروگرم بر میلی‌لیتر GO برای 24 ساعت. اثر آنتی اکسیدان (Nacetyl cystein) بر سمیّت GO با متیل تیازول تترازولیوم (روش MTT) اندازه‌گیری شد [8].

 

5-5- اثر بار سطحی بر سمیّت سلولی نانوذرات سیلیکا

سمیّت سلولی سه نوع نانوذره سیلیکا از طریق پایش آمیختگی اچ-تیمیدین با سلول‌های RAW 264.7 (Murine Macrophage cell line) مورد ارزیابی قرار گرفته است. نانوذرات سیلیکا با قطر 70 نانومتر (nSP70) بالاترین سمیّت سلولی (EC50 value = 121.5 µg/ml) را نشان داده است؛ در حالی‌که همین نانوذرات هنگامی که با گروه‌های آمین با بار مثبت (nSP70-N) و گروه‌های کربوکسیلیک با بار منفی (nSP70-C) عامل‌دار شوند، در غلظت‌های کمتر از 1000 میکروگرم بر میلی‌لیتر سمیّت قابل مشاهده‌ای را از خود نشان ندادند؛ بنابراین سمیّت سلولی نانوذرات سیلیکا با اصلاح سطحی کاهش می‌یابد. برخی تحقیقات نشان داده‌اند که اثر سمیّتی نانوذرات سیلیکا منجر به تخریب غشائی، فعال‌سازی کاسپاز (caspase)، آپوپتوز و مرگ سلولی می‌شود و ظاهراً ناپایداری لیزوزومی اولین عامل است. مطالعات صورت گرفته حاکی از آن است که اگرچه احتمال ایفای نقش چندین عامل برای مثال تخریب غشائی، فعال‌سازی کاسپاز، ناپایداری لیزوزومی و تخریب غشاء میتوکندری در سمیّت nSP70 وجود دارد، تخریب غشاء میتوکندی یک اتفاق بحرانی است؛ بنابراین، تعیین یک سازوکار جامع برای تخریب غشاء میتوکندی بر پایه مطالعات صورت گرفته دشوار به نظر می‌رسد [9].

موقعیت‌یابی درون‌سلولی نانوذرات سیلیکا، بر نوع سمیّت آن‌ها تأثیرگذار است؛ برای مثال ورود نانوسیلیکا به داخل هسته، موجب اختلال عملکرد هسته و سمیّت ژنی از طریق تجمع پروتئین داخل‌سلولی یا محدودسازی همانندسازی DNA می‌شود [10]. موقعیت نانوذرات سیلیکای اصلاح سطح شده و فاقد اصلاح سطح در شکل 7 نشان داده شده است. نقاط فلوئورسنت در سلول‌های اصلاح‌شده nSP70، هم در سیتوپلاسم و هم در هسته مشاهده شده‌اند. به نظر می‌رسد که nSP70-N، جذب غشاء پلاسمایی می‌شود که گواه آن، حضور فلوئورسنت درخشان در خط خارجی سلول است؛ در حالی‌که در نمونه اصلاح‌شده nSP70-C، نقاط فلئورسنتی تنها در نقاط داخل‌سلولی مشاهده شده‌اند که نشان‌دهنده برهم‌کنش کارآمد این نانوذرات با سلول‌ها است [9].

 

شکل 7- موقعیت‌یابی نانوسیلیکاهای اصلاح‌شده و اصلاح‌نشده در سلول‌های RAW 264.7. این سلول‌ها به مدت 3 ساعت با 100 میکروگرم بر میلی‌لیتر از nSP70 نشان‌دارشده با فلوئورسنت (green-F) در نماس قرار گرفتند؛ (a,b) nSP70-N؛ (c)nSp70-c ؛ (d) (سبز). هسته با استفاده از DAPI به رنگ آبی درآمده است. بزرگنمایی اصلی این تصاویر 63 × (a) و 100 × (c,d) است. (b) تصویر بزرگ‌شده از بخش‌های نشان داده شده در تصویر (a) هستند [9].

 

6- نتیجه‌گیری

در این مقاله، نقش پارامترهای سطحی بر سمیّت سلولی مورد ارزیابی قرار گرفته است. به نظر می‌رسد که عامل بار سطحی تأثیر ویژه‌ای در برهم‌کنش‌های بیوفیزیکوشیمیایی حدفاصل بایو-نانو دارد. نانوذرات با پروتئین‌ها، غشاها، DNA، اندامک‌ها و سلول‌ها برهم‌کنش انجام می‌دهند که یک حدفاصل را در بین نانوذره و محیط بیولوژیکی ایجاد می‌کنند؛ این برهم‌کنش‌ها منجر به شکل‌گیری کورونای پروتئینی، پوشش‌دهی ذره، جذب داخل‌سلولی ذره و فرایندهای بیوکاتالیتیکی می‌شود که هم به نیروهای کلوئیدی و هم به برهم‌کنش‌های بیوفیزیکوشیمیایی دینامیک بستگی دارد. بیومولکول‌ها ممکن است تغییرشکل فضایی ایجاد کنند، انرژی خود را آزاد کنند و منجر به بازسازی شیمیایی سطح نانوذره و انحلال سطح شوند. بررسی این حدفاصل‌ها ما را به سمت ایجاد ارتباط بین ساختار و فعالیت که از طریق خصوصیات سطحی نظیر شکل، اندازه، شیمی سطح و زبری ایجاد می‌شود، سوق می‌دهد که در انتخاب یک ماده مناسب برای کاربرد بیولوژیکی اثرگذار است.

 

منابـــع و مراجــــع

Frohlich, E.; “The role of surface charge in cellular uptake and cytotoxicity of medical nanoparticles”, International Journal of Nanomedicine, Vol.7, p. 5577-5591, (2012)

Mura, S., H. Hillaireau, J. Nicolas, B. Le Droumaguet, C. Gueutin, S. Zanna, N. Tsapis, and E. Fattal; “Influence of surface charge on the potential toxicity of PLGA nanoparticles towards Calu-3 cells”, International Journal of Nanomedicine, Vol.6, p. 2591-2605, (2011)

Asati, A., S. Santra, C. Kaittanis, and J.M. Perez; “Surface-Charge-Dependent Cell Localization and Cytotoxicity of Cerium Oxide Nanoparticles”, ACS Nano, Vol.4, I.9, p. 5321-5331, (2010)

El Badawy, A.M., R.G. Silva, B. Morris, K.G. Scheckel, M.T. Suidan, and T.M. Tolaymat; “Surface Charge-Dependent Toxicity of Silver Nanoparticles”, Environmental Science & Technology, Vol.45, I.1, p. 283-287, (2011)

Nel, A.E., L. Mädler, D. Velegol, T. Xia, E.M.V. Hoek, P. Somasundaran, F. Klaessig, V. Castranova, and M. Thompson; “Understanding biophysicochemical interactions at the nano–bio interface”, Nature Materials, Vol.8, p. 543-557, (2009)

Chen, L., J.M. McCrate, J.C.M. Lee, and H. Li; “The role of surface charge on the uptake and biocompatibility of hydroxyapatite nanoparticles with osteoblast cells”, Nanotechnology, Vol.22, I.10, p. 105708-105708, (2011)

Schaeublin, N.M., L.K. Braydich-Stolle, A.M. Schrand, J.M. Miller, J. Hutchison, J.J. Schlager, and S.M. Hussain; “Surface charge of gold nanoparticles mediates mechanism of toxicity”, Nanoscale, Vol.3, I.2, p. 410-420, (2011)

Wang, A., K. Pu, B. Dong, Y. Liu, L. Zhang, Z. Zhang, W. Duan, and Y. Zhu; “Role of surface charge and oxidative stress in cytotoxicity and genotoxicity of graphene oxide towards human lung fibroblast cells”, Journal of Applied Toxicology, Vol.33, I.10, p. 1156-1164, (2013)

Chung, T.-H., S.-H. Wu, M. Yao, C.-W. Lu, Y.-S. Lin, Y. Hung, C.-Y. Mou, Y.-C. Chen, and D.-M. Huang; “The effect of surface charge on the uptake and biological function of mesoporous silica nanoparticles in 3T3-L1 cells and human mesenchymal stem cells”, Biomaterials, Vol.28, I.19, p. 2959-2966, (2007)

Nabeshi, H., T. Yoshikawa, A. Arimori, T. Yoshida, S. Tochigi, T. Hirai, T. Akase, K. Nagano, Y. Abe, H. Kamada, S.-i. Tsunoda, N. Itoh, Y. Yoshioka, and Y. Tsutsumi; “Effect of surface properties of silica nanoparticles on their cytotoxicity and cellular distribution in murine macrophages”, Nanoscale Research Letters, Vol.6, I.1, p. 93, (2011)