1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Initiative Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

فناو‌ری‌های چندمنظوره برای درمان آسیب‌های قلبی (کاردیومیوپاتی) ایسکمی

افراد مقاله : ‌ مترجم - آیدین هادی فکور

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : نانوذرات - نانوبیومواد تاریخ مقاله : 1396/10/12 تعداد بازدید : 565

قلب پستانداران بالغ، توانایی بسیار محدودی در بازسازی داخلی دارد و نحوه‌ی پاسخ به آسیب‌های جدی به‌طور کلی وابسته به شکل بافت‌های زخمی است. پیوندهای قلبی و عروقی تنها روش‌های درمانی کنونی برای جایگزین کردن بافت‌های قلبی هستند، بنابراین بسیاری از بیماران با یک ناکارامدی روزافزون در توانایی پمپاژ قلب دست بگریبانند به‌طوری‌که این بیماران تا مرحله‌ی ایست قلبی پیش می‌روند. سامانه‌های نانوساختار، توانایی لازم برای به‌راه انداختن حرکتی انقلابی در جهت یافتن رهیافتی برای پیشگیری و همچنین درمان بیماری‌های قلبی را دارند. در این پژوهش پیشرفت‌های اخیر در فناوری نانو که می‌تواند مشکلات درمان بیماری‌های قلبی را حل کند توضیح داده می‌شود‌. همچنین از روش‌های جدید و محبوب در فناوری نانو که با قلب مرتبط است و امید را به بیمارانی که از حملات قلبی حاد رنج میبرند بازمی‌گرداند، سخن خواهیم گفت.

 
نارسایی‌های قلبی عامل اصلی مرگ و میر در جهان است و روش‌های تشخیص این بیماری همچنان کمبودهای فراوانی دارد. آترواسکلروز شایع‌ترین علت آنفارکتوس میوکارد (MI، حمله قلبی) به‌شمار می‌آید و بسیاری از بیمارانی که از MI رنج می‌برند مقدار قابل توجهی از میوکارد (ماهیچه‌ی قلب) خود را از دست می‌دهند‌. تا سال 2030 انتظار می‌رود به علت پیچیدگی‌های خطرناک آترواسکلروز عروق کرونر، این بیماری دلیل سالانه نزدیک به 12 میلیون مرگ باشد. این بیماری شامل سندروم‌های کرونری حاد مانند آنفارکتوس میوکارد با صعود قطعه‌ی ST و آنفارکتوس میوکارد بدون صعود قطعه‌ی ST است. 
ایسکمی قلبی، اگر بلافاصله به حالت ابتدایی برگرداننده نشود آغازگر رشته‌ای از حوادث بازگشت ناپذیر می‌شود‌ که منجر به مرگ سلول‌ها، اختلالات انقباضی منطقه‌ای و جایگزینی بافت‌های عضلانی با بافت زخمی خواهد شد. روند بازسازی، بعد از آسیب‌های قلبی شامل تولید متوسط کاردیومیوت (cardiomyocyte) است که احتمالا با مداخله‌ی گسترده‌ی CM‌‌های تغییر شکل یافته‌ی موجود در بدن همراه است. در هر صورت، مقدار داخلی ‌CM‌ها بسیار پایین است، و این مقدار با افزایش سن کاهش پیدا می‌کند و احتمال بازسازی بافت‌های مرده را کاهش می‌دهد‌.
برخلاف پیشرفت‌های صورت گرفته در درک علمی و بالینی بیماری‌های قلبی، همچنان آهنگ مرگ و میر در میان بیمارانی با نارسایی قلبی، زیاد است به صورتی که 50% از کسانی که نارسایی شدید قلبی در آن‌ها تشخیص داده می‌شود‌ در طول 5 سال جان خود را از دست می‌دهند‌. پیوند قلب با وجود موثر بودن، محدود به تعداد اهدا کننده‌های قلب است (برای مثال تنها سالانه 2000 پیوند قلب در آمریکا انجام می‌شود‌ در حالی که در مدت مشابه 550000 مورد نارسایی قلبی تشخیص داده می‌شود‌). روش‌های کنونی برای درمان نارسایی قلبی سیستولیک شامل داروها، جراحی‌هایی برای پیکربندی دوباره‌ی قلب و استفاده از ابزارهای قابل کاشت است. هرچند این روش‌ها، زندگی بسیاری را بهبود بخشیده است اما همچنان نارسایی قلبی سیستولیک یک بیماری پیشرونده محسوب می‌شود‌. بنابراین، نیازی روز افزون مبنی بر یافتن رهیافت‌های جایگزین برای این بیماری‌ها احساس می‌شود‌.
با توجه به ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی منحصربه‌فرد سیستم‌های نانو ساختار، علم نانو و فناوری نانو قابلیت غلبه بر محدودیت‌های بسیاری که در ساخت داروهای قلبی و عروقی وجود دارد از خود نشان داده است. این قابلیت به علت گسترش داروهای جدید، معرف‌های تصویر‌برداری، کمک دهنده‌ها و ابزار بیودارویی به‌‌وجود آمده است. از آنجا که بیماری آترواسکلروزیس کرونری بیشترین عامل مرگ در جهان است، در این بررسی مدرنترین روش‌های بکارگیری سیستم‌های نانوذرات در جلوگیری و درمان آسیب‌های ایسکمیک قلبی که به‌وسیله‌ی تنگی شریان یا انسداد عروق کرونر به‌وجود آمده است تشریح می‌شود‌ (شکل 1). پیشرفت‌های اخیر در استفاده از نانوپلتفرم‌هایی که در تشخیص زود هنگام اولیه و درمان آترواسکلروزیس کرونری برای جلوگیری از MI موثر هستند در این پژوهش به صورت اجمالی بررسی شده‌اند. همچنین فرصت‌های درمانی جدید در زمینه‌ی باززایی/بازیابی میوکاردیوم با استفاده از نانوذرات و بیومواد نانوساختار که توانایی رساندن مولکول‌های درمانی یا/و سلول‌های بنیادی یه میوکاردیوم را دارند در این بررسی پوشش داده شده‌اند. از پیشرفت‌های اخیر در تصویربرداری (درون‌تنی in vivo) از سلول‌های پیوندی به‌وسیله‌ی نانوذرات کشت داده شده‌ی باکتریایی سخن گفته‌ایم و توضیح داده‌ایم که چگونه این یافته‌ها موضوعات مهم و اساسی در زمینه‌ی نگهداری درون‌تنی سلول‌ها موثر است و چگونه پیوند آزمایشگاهی سلول‌های درمانی را آسان میکند. در پایان، قدرت و محدودیت رهیافت‌های کنونی مورد بررسی قرار میگیرد و کاربردهای محتمل آینده‌ی فناوری نانو در تولید داروهای قلبی و عروقی بررسی می‌شود‌.

تشخیص و درمان آترواسکلروزیس کرونری
نانوذرات قابلیت تشخیص و از میان برداشتن پلاک‌های آترواسکلروزیس را دارند. مرحله ی اول تشکیل پلاک‌ها، فعال شدن سلول‌های لایه‌ی درون رگی دیواره‌های سرخرگ است (به علت اختلال ژنتیکی و فاکتورهای محیطی شامل محرک‌های بیوشیمیایی و التهاب) که این امر باعث جذب مونوسیت‌ها می‌شود‌ و مهاجرت آن‌ها به انتیما را آسان میکند. مونوسیت‌ها به واسطه ی مارکروفاژها (درشت خوارها) به بلوغ میرسند و با جذب لیپیدها، فوم‌های سلولی تشکیل می‌دهند‌. در مرحله ی پیشروی، مارکروفاژهای ماتریکس خارج سلولی (ECM) با تکثیر چندین سلول، از جمله سلول‌های عضلانی صاف، تولید می‌شوند‌. این ماتریکس گسترش داده شده، محیطی بارور برای لیپیدها، کریستال‌های کلسترول و عروق کوچک فراهم میکند تا یک ناحیه‌ی مرکزی نکروز و یک کلاهک فیبروزی روی پلاک تشکیل شود; کاهش ضخامت کلاهک فیبروزی و افزایش ضخامت هسته‌ی مرکزی ناحیه‌ی نکروزی میتواند خطر ترومبوژنیک (لخته زا) را افزایش دهد، که میتواند به MI منجر شود. بنابراین پلاک آترواسکلروزیس محیطی پیچیده متشکل از لیپیدها، کریستال‌های کلسترولی و سلول‌های التهابی مانند مونوسیت‌ها، مارکروفاژها، سلول‌های فومی و سیتوکین‌های مخفی است. گونه‌های مختلف نانوذرات (به عنوان مثال، غیرارگانیک، ارگانیک و پلیمرها) برای هدف قرار دادن این سلول‌ها طراحی شده‌اند و نمایندگانی قدرتمند برای تصویر‌برداری و همچنین درمان پلاک آترواسکلروزیس از راه افزایش ضخامت کلاهک فیبروزی و کاهش هسته‌ی نکروزی بشمار میروند. در مورد تصویر‌برداری، این نانوذرات دارای کمک کننده‌های ذاتی تصویر‌برداری هستند (مانند نانوذرات اکسید آهن سوپرپارامغناطیس که کنتراست تصویرسازی شدت مغناطیسی (MRI) را بهبود می‌بخشند) یا برچسب‌ها/مولکول‌های تصویری (به عنوان مثال، نشان‌دهنده‌های ایزوتوپ). این نانوذرات به‌وسیله‌ی ماکروفاژها و مونوسیتها وارد سیستم شده و پلاک‌ها را قابل روئیت میکنند. در هر صورت، زمانی که از ماکروفاژها در پلاک‌ها تصویر‌برداری می‌شود‌ باید مراقب بود; زیرا به‌تازگی مشخص شده است که ذرات سوپرپارامغناطیسی نانو اکسید آهن کارکرد ماکروفاژها را از نرمال (M2) به التهاب-گرا (M1) تغییر می‌دهند‌. از آنجا که آترواسکلروزیس به عنوان یک بیماری مزمن التهابی شناخته می‌شود‌، نانوذرات میتوانند باعث بدتر شدن التهاب شوند و در نتیجه به رگ‌ها آسیب زده و خطر حمله‌ی قلبی را افزایش دهند. مطالعات بیشتری برای تأیید قابلیت اثرات التهابی نانوذرات سوپرمغناطیس اکسید آهن مورد نیاز است. 
علاوه‌بر تشخیص، نانوذرات توانایی رساندن بیومولکول‌های درمانی به محل آترواسکلروزیس کرونری و همچنین کاهش پلاک‌ها با کم کردن التهاب‌ را دارا هستند (برای مثال، با فعال کردن راه‌های pro-resolving) ، و همچنین از آن‌ها برای از بین بردن لیپیدها و کریستالهای کلسترول نیز میتوان بهره برد. مواد پلیمری از قبیل پلی (d-لاکتیک اسید) poly (d-lactic acid) ) ) ، پلی اتیلن گلیکول (PEG) و پلی (لاکتیک-کو-گلیکولیک اسید) (Poly Lactic-co-glycolic acid=PLGA) به‌عنوان طبقه‌ی اصلی سیستم‌های کنترل- آزادساز و قابل تجزیه زیستی برای رساندن بیومولکول/ پروتئین به محل پلاک شناخته می‌شوند‌. برای حل التهاب‌، نانوذرات میتوانند مناطقی را هدف قرار داده و بیومولکول‌های ضد-التهابی را آزاد کنند (به عنوان مثال، Ac2-26 پپتاید و اینترلوکین ۱۰ سیتوکین و داروهایی مثل استاتین). همان‌طور که التهاب و آسیب عروقی می‌تواند کلاژن IV 21، 26 را آشکار سازد، لیگاندهای ضد کلاژن IV می‌تواند برای هدف قرار دادن بخش‌هایی از نانوذرات استفاده شوند. به عنوان مثال، تحویل درون‌تنی (in vivo) اینترلوکین-10 به پلاک‌های آترواسکلروزیس به وسیله‌ی آنتی‌کلاژن IV نانوذرات PLGA-PEG به میزان قابل توجهی باعث بهبود (افزایش) ضخامت کلاهک فیبروزی شده و در عین حال ناحیه‌ی هسته ی نکروز را در موش‌های دارای آترواسکلروزیس افزایش می‌دهد‌. همچنین می‌توان بر روی سطح نانوذرات برای هدف قرار دادن پلاک‌ها از ماکرومولکول‌های لیپوپروتئین با چگالی بالا و ماکرومولکول‌های آمفیفیلیک amphiphilic) ) مبتنی بر قند استفاده کرد. برای مثال، از آنجا که بار الکتریکی و آب گریزی ماکرومولکول‌های آمفیفیلیک بر پایه‌ی شکر مانند لیپوپروتئین‌های اکسیدی است میتوان از آن‌ها برای تولید نانوذراتی به منظور هدف‌گیری دریافت کننده‌های اسکاونجر (scavenger) بر روی سطح ماکرومولکول‌ها استفاده کرد. متوقف کردن دریافت کننده‌های اسکاونجر (به عنوان، MSR1 و CD36) بر روی سطح ماکروفاژها در منطقه‌ی پلاک میتواند لیپیدهای اکسید شده‌ی آن‌ها را پس بزند و با جلوگیری از تشکیل سلول‌های فومی، التهاب‌ را کم کند. محدودیت اصلی در طراحی و ساخت نانوذرات ایمن و کارا برای تشخیص و درمان آترواسکلروزیس کرونری، عدم درک کافی از هویت بیولوژیکی نانوذرات است. به طور ویژه نانوذراتی که با محلول‌ها در تماسند به سرعت به‌وسیله‌ی لایه‌ای از پروتئین‌ها که کُرُنا (corona) نامیده می‌شوند‌ پوشیده می‌شوند‌ که این موضوع تاکنون به‌خوبی در فناوری نانوی مرتبط با قلب و عروق بررسی نشده است. هویت بیولوژیکی نانوذرات به‌وسیله‌ی گونه، مقدار و پیکربندی پروتئین‌های کرنا تعریف می‌شود‌. به واسطه‌ی تقابل نانوذرات با سیستم‌های بیولوژیکی، مانند سلول‌ها، سرنوشت بیولوژیکی آن‌ها (برای مثال، توزیع بیولوژیک، کارایی هدف‌گیری و کارایی درمان) به طور قابل ملاحظه‌ای از ترکیب کرنا تأثیر میگیرد. به عنوان مثال، پروتئین کرنا می‌تواند به عنوان سپری برای گونه‌های هدف‌گیری شده بر روی نانوذرات عمل کند و به طور قابل ملاحظه‌ای کارایی درمان آترواسکلروزیس را کاهش دهد. به علاوه، پروتئین کرنا با تغییر دادن کارکرد دارو رسانی نانورساننده‌ها، باعث کاهش کارایی درمانی آن‌ها می‌شود‌. بنابراین برای سرعت بخشیدن به روند بالینی استفاده از نانوذرات و نانوساختارها در بیماریهای قلبی و عروقی، هویت بیولوژیکی آن‌ها باید به دقت بررسی شده و گزارش شود. علاوه‌بر این، راهبردهای جدید (برای مثال، استفاده از پوشش‌های zwitterionic 36 و کنترل کرنا ساختار 37) باید گسترش پیدا کند تا هرگونه اثر مخرب پروتئین کرنا در هدف‌گیری و آزادسازی دارو را کاهش دهد. آخرین مورد ولی نه کم اهمیت‌ترین موضوع، توجه ویژه نسبت به نقش نانوذرات در تغییر پیکربندی بعضی از پروتئین‌ها که در التهاب‌ نقش بازی میکنند است، مانند فیبرینوژن ( (fibrinogen، که قادر به فعال کردن گیرنده اینتگرین و افزایش فعالیت مسیر سیگنالینگ هسته عامل (NF) -KB است، که منجر به انتشار سیتوکین‌های التهابی 38 می‌شود‌. چنین پدیده‌ای ممکن است منجر به پیچیدگی سیستم دفاعی پلاک‌ها آترواسکلروزیس شود که به طور قابل ملاحظه‌ای خطر پاره شدن پلاک و در نتیجه حمله‌ی قلبی را افزایش می‌دهد‌. 

درمان سلولی برای نجات و بازسازی بافت‌های قلبی
در دهه‌ی گذشته بیشترین تلاش‌ها در جهت باززایی میوکاردیال، متمرکز بر بازسازی سلول محور قلب و عروق بوده است. گونه‌های مختلف سلولی شامل سلول‌های بنیادی تک هسته‌ای مغز استخوان، سلول‌های بنیادی مزانشیمی (MSCs) ، نیایاخته‌های لایه‌ی درون رگی (endothelial progenitors) ، سلول‌های بنیادی پرتوان (iPSCs) و CMPS‌های مشتق شده از iPSC برای ماهیچه‌سازی مجدد قلب مورد استفاده قرار گرفته‌اند. اما آزمایشهای بالینی از چهار محدودیت اساسی رنج میبرند: (1) قلمه زنی (engraftment) ضعیف و اتصال الکترومکانیکی سلول‌های درمانی در بافت‌های قلب; (2) نبود نظارت درون تنی قوی، صحیح و امن در سلول‌های درمانی; (3) عوارض بالقوه‌ی آریتمی و (4) نبود روشی برای تولید انبوه CMs‌های کاربردی، بالغ و مختص بیمار تا سلول‌های از بین رفته در حین انفارکتوس را با آن‌ها جایگزین کرد. نکته‌ی دیگر اینکه عدم کنترل سلول‌ها بعد از پیوند، یکی دیگر از مسائل مهم در این زمینه است و این موضوع به طور کامل به محیط بیولوژیکی بستگی دارد. یک نظریه این است که بیشتر سلول‌هایی که امروزه استفاده می‌شود‌ به سلول‌های جدید قلبی تبدیل نمی‌شوند‌ بلکه بجای آن اثرات پاراکرین را آشکار می‌کنند. اگر حتی سلول‌ها، CM‌های جدید تولید نکنند، قلمه زنی برای مدت زمانی مشخص، میتواند برای تراوش فاکتورهای پاراکرین مفید باشد. به علاوه، روش‌های دقیق برای بررسی قلمه زنی سلول‌های درمانی و کارایی درمان درون تنی و اثرات جانبی آن‌ها لازم به نظر میرسد (به عنوان مثال، ترکیب‌بندی تراتوم).
یکی از علت‌های قلمه‌زنی ضعیف سلول‌های درمانی در میوکاردیوم تا بخشی به علت واکنش سیستم دفاعی بدن به سلول‌های خارجی پیوند زده شده است. برای حل این مشکل استفاده از CM‌های مشتق شده از خود بیمار، توصیه شده است. سلول‌های بنیادی ویژه‌ی بیمار از راه رهیافت‌های شیمیایی شناخته شده میتواند بدست آید، که در آن سلول‌های بیمار بازبرنامه‌ریزی شده (به عنوان مثال، مونوسیت‌ها و فیبروبلست‌ها) و سلول‌های بنیادی پرتوان (iPSCs) تشکیل می‌شود‌ و در ادامه آن‌ها به CM تبدیل می‌شوند‌. اگرچه CM‌های ویژه‌‌ی بیمار میتواند کمک کند تا ناحیه‌های پیش- انفارکتوس نجات یابند اما تأثیرات درمانی آن‌ها به واسطه‌ی تماس نامطلوب آن‌ها با CMهای درونزاد که باعث می‌شود‌ تا ادغام الکترومکانیکی آن‌ها کم شود، محدود است. دلیل دیگر برای قلمه زنی ضعیف سلول‌های درمانی میتواند نبود فضای مناسب در بافت‌های میوکاردیال باشد، که فضای نسبتا سمی‌ای برای سلول‌های درمانی به حساب می‌آیند. در ادامه‌ی این بخش از روش‌های مختلفی که نانوذرات میتوانند بر این محدودیت‌های چهارگانه در پیوندهای بالینی غلبه کنند صحبت میکنیم. نانوذرات با هدف قرار دادن ناحیه‌ی آسیب دیده‌ی میوکاردیوم میتوانند به طور قابل ملاحظه‌ای بر محدودیت‌های مربوط به سلول‌های درمانی مختص بیمار غلبه پیدا کنند. به غیر از قلمه زنی و جفت شدن الکترومغناطیسی سلول‌های درمانی در بافت قلب‌ها، مشخص شده است که آزاد‌سازی فاکتورهای پاراکرین به‌وسیله‌ی سلول‌های درمانی، عاملی در بهبود فعالیت‌های بطنی، بعد از سلول درمانی است. بنابراین رساندن هدفمند سلول‌های درمانی پیوندی به CM‌های آسیب دیده می‌تواند به میزان قابل توجهی کارایی درمان آن‌ها را بهبود ببخشد; نانوذرات دوگانه-پادتنی-درهم آمیخته‌ی سوپرپارامغناطیسی اکسید آهن برای این کار پیشنهاد شده است. (شکل 2) 
هر نانوذره‌ی مغناطیسی در پادتنی (anti-CD45) مخصوص سلول‌های درمانی (سلول‌های بنیادی گرفته شده از مغز استخوآنکه CD45 را بیان میکنند) و در پادتن (anti-CD34) موجود در CM‌های آسیب دیده در می‌آمیزد. این فناوری درمانی ممکن است توانایی ردیابی سلول‌های درمانی برچسب خورده به‌وسیله‌ی نانوذرات در حال حرکت به CM‌های آسیب دیده در مناطق پیش- آنفارکتوس را داشته باشد و در نتیجه میتوان توانایی درمانی بالقوه‌ی CM‌ها را به وسیله‌ی این روش در یک MRI درون‌تنی مشخص کرد. این نانوپلتفرم نه تنها کارایی درمانی امیدوار کننده‌ای در رساندن سلول‌ها به مناطق مورد نظر در قلب دارد بلکه در بهبود کارکرد قلب به ویژه در تَرک خروجی بطن چپ کاربرد دارد (شکل 2). در هر صورت مشکل اصلی این روش این است که در کاربردهای بالینی ممکن است درصد بسیار کمی (حدود 1%) از سلول‌های تزریق شده به مکان‌های مورد نظر برسند.
یکی دیگر از روش‌هایی که در رساندن سلول‌های درمانی به مکان‌های خاص می‌توان از آن بهره برد استفاده از پلتفرم‌هایی برای ساخت سلول‌هایی با قابلیت درمانی بهبود یافته است. برای مثال، نشان داده شده است که نانوذرات مغناطیسی به بیان پروتئین‌های مهمّ اتصال بینابینی در کاردیومیبلست (cardiomyoblast) شتاب می‌بخشد (به عنوان مثال کنکسین 43). کشت ترکیبی این کاردیومیوبلاست‌ها (دارای پروتئین‌های اتصال بینابینی بیشتری از کاردیومیوبلاست‌های عادی هستند) به همراه MSC‌ها به طور قابل ملاحظه‌ای احتمال تداخل کردن آن‌ها را افزایش داده و این امر منجر به ایجاد سلول‌هایی با قابلیت درمانی بهبود یافته خواهد شد. این سلول‌های جدید سطح بالاتری از توانایی قلمه زنی و فاکتورهای دلخواه پاراکرین (برای نجات سلول‌های هایبرنیت شده (Hibernated) در مناطق پیش انفارکتوس میوکاردیوم) را در مقایسه با سلول‌های درمانی متداول دارند. تزریق سلول‌های درمانی بهبود یافته در ناحیه‌های پیش- آنفارکتوس در موش‌ها به طرز قابل ملاحظه‌ای کارکرد قلب و اندازه‌ی زخم را در مقایسه با موشی که سلول‌های درمانی متداول را دریافت کرد بهبود بخشید. علاوه‌بر رساندن هدفمند سلول‌ها با روش نانوذرات دوگانه-پادتنی، میتوان از روشی دیگر استفاده کرد که در آن سلول‌های درمانی به‌وسیله‌ی نانوذرات مغناطیسی برچسب خورده و آن‌ها با استفاده از نیروی مغناطیسی در مکانهای تزریق باقی می‌مانند. به عنوان مثال، سلول‌های بنیادی مشتق شده از قلب که با امنیت بالا با نانوذرات مغناطیسی برچسب زده شده‌اند (یعنی ferumoxytol) به ناحیه‌ی پیش-آنفارکتوس میوکاردیوم موش تزریق می‌شود‌، و تأثیرات ترمیمی و درمانی آن در حضور و غیاب میدان مغناطیسی خارجی بررسی می‌شود‌. میدان مغناطیسی به میزان قابل ملاحظه‌ای ابقاء قلب را افزایش می‌دهد‌ و قلمه زنی سلول‌های درمانی پیوند زده شده منجر به بهبود ترک بطن چپ شده و هیچ اثری از التهاب قلبی و یا اضافه بار آهن باقی نمی‌ماند. بنابراین به‌نظر می‌رسد روشی که در آن سلول‌های درمانی نانوذرات دوگانه-پادتن- در هم آمیخته‌ی اکسید آهن به CM‌های آسیب دیده رسانده می‌شوند‌ و ترمیم آن‌ها به کمک میدان مغناطیسی خارجی بهبود بخشیده می‌شود‌ ممکن است درمانی نهایی برای آسیبهای قلبی باشد.
بیشتر مقاله‌ی حاضر بر استفاده از فناوری نانو در بهبود بخشیدن به قلمه زنی سلول‌های درمانی در بافت‌های قلبی با استفاده از نانوذرات اکسید آهن سوپرمغناطیسی تمرکز دارد. این امر عمدتا به دلیل دوستدار محیط زیست بودن و ظرفیت تصویر‌برداری و هدف‌گیری همزمان است و این کار با استفاده از میدان مغناطیسی خارجی و هدف قرار دادن قطعات در سطح انجام می‌شود‌. اما از آنجا که طبق یک گزارش جدید، فعالیت‌های میکروفاژهای مرتبط با تومورها به علت استفاده از این نانوذرات افزایش یافته است، مطالعات جدیدی برای بررسی نقش نانوذرات در بدتر کردن التهابهای میوکاردیال مورد نیاز است که ممکن است خطر واپس زدن سلول‌های درمانی به‌وسیله‌ی سیستم دفاعی بدن را افزایش دهد. اگرچه نانوذرات مغناطیسی (و به ویژه نانوذرات سوپرمغناطیس اکسید آهن) امیدهای زیادی در رساندن سلول‌ها به نقاط دلخواه میوکاردیوم و همچنین تصویر‌برداری از سلول‌های درمانی زیست‌پذیر به‌وجود آورده است اما مطالعه‌های جدید نشان می‌دهد‌ که سیگنال‌های آن‌ها برای مدت‌های طولانی و هفته‌ها بعد از ناپدید شدن سلول‌های درمانی در میوکاردیوم می‌ماند و باعث بوجود آمدن خطا در ارزیابی فعالیت‌های درمانی می‌شود‌. برای مثال فروموکسید (نانوذرات سوپرمغناطیس اکسید آهن که به صورت تجاری در دسترس است) برای برچسب زدن سلول‌های بنیادی مورد استفاده قرار می‌گرفت اما تصویرهای بیو لومینوسنس نشان می‌دهد‌ که این ماده هفته‌ها بعد از ناپدید شدن سلول‌ها در بدن باقی می‌ماند. برای غلبه بر این مسئله مهم، استفاده از عامل‌های کنتراست زنده (مگنتو آندوسیمبیون (MEs) گرفته شده از باکتری‌های مغناطیسی) برای برچسب زدن و نظارت بر CMهای به‌دست آمده از روش شیمیایی، پیشنهاد شده است (شکل 3). برای ارزیابی احتمال سمی بودن MEها برای اعضای دیگر، بیشترین دُز ((5×〖10〗^9 از طریق مسیرهای درون عروقی و دیواره‌ی ماهیچه‌ی قلبی (intramyocardial) به مدل موش تزریق شد و غلظت نشانگرهای متعدد همراه با مطالعات مرتبط با بافت‌شناسی اندام‌های حیاتی (به عنوان مثال، کبد، کلیه، طحال، قلب و پانکراس) و شاخص‌های کلیدی عفونت و سمیت در خون (گلبول‌های سفید، گلبول‌های قرمز و تعداد پلاکت ها) با دقت مورد بررسی قرار گرفتند (نمونه‌ها در شکل 3d، e نشان داده شده است).
نتایج نشان دهنده‌ی غیر محتمل بودن پاسخ ایمنی درون تنی، به عامل‌های کنتراست زنده است. با استفاده از MRI و تصویربرداری بیولومینسنس برای در نظر گرفتن زیست پذیری بیولومینیسنس‌هایی که به صورت ژنتیکی بهبود پیدا کرده‌اند و ژن‌های گزارشگر لوسیفراز (FLuc) ، نتیجه این بود که MEها بعد از یک هفته از بین رفته‌اند در حالی که نانوذرات اکسید آهن سوپرپارامغناطیس برای بیش از دو هفته بعد از نابودی سلول باقی می‌مانند (شکل 3f-h). این نتایج نشان می‌دهد‌ MEها می‌توانند به عنوان عامل‌های کنتراست بیولوژیکی کارا و محکم در نظر گرفته شوند تا بتوان به‌وسیله‌ی آن‌ها سلول‌های درمانی زیست‌پذیر را در مدل درون‌تنی پیگیری کرده و به پیشرفت‌های MRI بالینی درون تنی شتاب بخشید.
یکی دیگر از چالش‌های مهم آزمایشگاهی سلول درمانی، حتی اگر سلول‌های درمانی با بافت میزبان یکی شوند، قابلیت مشکلات آریتمی است که در قلب‌های حیوانات این اثر دیده شده است. نانورساننده‌ها ممکن است اثرات سمی داروهای ضد آریتمی را کاهش دهند (برای مثال، آمیودارون، که نشان‌دهنده‌ی سمیت ریوی است). برای مثال، نشان داده شده است که لیپوزوم‌های حاوی آمیودارون می‌توانند اثرات مرگبار آریتمی در موش‌ها را از بین ببرند و تغییرات منفی همودینامیک (haemodynamic) بوجود آمده بوسیله‌ی آمیودارون را به شدت کاهش دهند. از آنجا که نقش داروهای آنتی‌آریتمی در غیرانسان‌ها بررسی نشده است، به پژوهش‌های بیشتری در این زمینه احتیاج است. تعداد زیادی از CMهای بالغ و مختص انسان برای جایگزینی سلول‌هایی که در آنفارکتوس از بین رفته‌اند و همچنین برای نظارت بر سمومیت قلبی داروها مورد نیاز است. اهمیت استفاده از CMهای مختص بیمار برای نظارت بر سمومیت قلبی این است که ثابت شده در داروهای شخصی یک سیتوتوکسیک ویژه می‌تواند در یک بیمار سبب سمیت قلبی شود ولی همین دارو در بیمار دیگر این سمیت را نداشته باشد. از آنجا که خارج کردن تعداد زیادی سلول قلبی از بافت قلبی بیمار معمولا ناممکن است، دانشمندان به‌دنبال روش‌هایی برای تولید CMهای بالغ و مختص بیمار هستند، و خیلی از آزمایشگاه‌ها به دنبال پیدا کردن روش‌های مختلف برای این کار هستند. کشت چنین CMهایی نه تنها به علت کاربردهای آن‌ها در درمان سلولی مورد علاقه است، بلکه به علت قابلیت بالای آن‌ها در مطالعات بیماری‌های قلبی مختص بیمار هم اهمیت دارد. IPSCهای انسان (hiPSCs) فرصت‌های منحصربه‌فردی در کاردیولوژی ایجاد کرده‌اند، به ویژه، CMهای مشتق شده از این سلول‌های بنیادی دارای پتانسیل بالایی در مطالعه‌ی بیماری‌های قلبی هستند و می‌توانند فیزیولوژی میوکاردیال مختص بیمار را مدل‌سازی درون‌تنی کنند. به‌هرحال، تفاوت‌های ساختاری و عملکردی اساسی میان hiPSC - CMهای مشتق شده از MSC (مشتق شده از روش‌های شیمیایی کنونی) و CMهای بالغ بزرگسالان، چالش بزرگی برای غربالگری دقیق دارو و کاربردهای درمانی با کارایی بالا بوجود آورده است.
برای چیره شدن بر این مشکل‌ها، دانشمندان از چندین تکنیک (به عنوان مثال، میکروساخت، کشت درازمدت، مهندسی بافت سه بعدی، بارگذاری مکانیکی، شبیه‌سازی الکتریکی، مدولاسیون سختی سطح و درمان با عوامل هورمون عصبی) برای مهندسی CMهای مشتق شده از hiPSC که ویژگی‌ها و عملکردشان با CMهایی که دارای ویژگی‌هایی مانند CMهای کاملا بالغ است، استفاده کرده‌اند. به‌علاوه، زیرلایه‌هایی با الگوی نانو به صورت گسترده برای بالغ کردن CMها مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما تاکنون روش‌های پیشنهاد شده توانایی تولید CMهای بسیار بالغ، مختص بیمار و در مقیاسی که نیازهای بالینی را برآورده کند، را نداشته‌اند. به‌علاوه، در مقایسه با سلول‌های نابالغ، CMهای بالغ عامل‌های پاراکرین درمانی بیشتری از خود آزاد میکنند، که گمان می‌رود سلول‌های گرفتار شده در مناطق پیش-آنفارکتوس میوکاردیوم را نجات دهند. پیشرفت‌های اخیر در این زمینه شامل رهیافت‌هایی جدید برای مشتق کردن فیزیکی سلول‌های بنیادی به گونه‌های متنوع از گونه‌های بسیار بالغ است.
به‌عنوان مثال، زیرلایه‌های چاپ شده از سلول و الهام گرفته از فرایندهای زیستی موفقیت زیادی در کنترل فرایند مشتق شدن MSCها به کندورسیت‌ها (chondrocytes) و کراتینوسیت‌ها (keratinocytes) از خود نشان داده‌اند. همچنین نشان‌داده شده است که زیرلایه‌های دارای الگوی سلولی، مشتق کردن، باز-مشتق کردن و پسا- مشتق‌کردن را تعدیل می‌کنند. 
بنابراین، یکی از فرصت‌های هیجان‌انگیز در این زمینه، گسترش زیرلایه‌های دارای الگوی نانو (به‌عنوان مثال، زیرلایه‌های چاپ شده‌ی سلولی با شکل و توپوگرافی کاملا مشابه با CM‌های بالغ) برای دستکاری و بالغ‌کردن مستقیم CMهای مختص بیمار است. موفقیت چنین رهیافتی می‌تواند نشان‌دهنده‌ی وجود منبعی پایدار برای غربالگری دقیق سلول‌ها و همچنین کاربردهای سلول درمانی باشد. ما معتقدیم که زیرلایه‌های نانوالگو، شبه‌سهبعدی و ساخته شده از بافت‌های کشت داده شده که شکل سلولی دارند می‌توانند منجر به تولید کمیت‌های قابل اندازه‌گیری، مانند CMهای ویژه‌ی بیمار شوند که کاربردهای فراوانی من جمله در غربالگری سمیّت قلبی، باززایی/درمان میوکاردیال دارند. چالش اصلی بالینی برای تولید انبوه CMهای بالغ، امکان واپس‌زنی بالا است که به علت طبیعت آلوژنئیک این سلولها برای بیماران است. استفاده از سلول‌های مختص بیمار و سرکوب همیشگی و سازماندهی شده‌‌ی سیستم ایمنی، برای به تأخیر انداختن واپس‌زنی سلولهای درمانی پیشنهاد شده است. به‌علاوه، تقلید از تغییرات انقلابی در سلول‌های سرطانی برای حمله به سیستم‌های دفاعی (به‌عنوان مثال CTLA4 و PD-L1 و IDO) ، اخیرا برای غلبه بر مشکلات ایمنی‌زایی در باززایی میوکاردیال پیشنهاد شده است. برای مثال، نشان‌داده شده است که سلول‌های بنیادی جنینی با توانایی بیان CTLA4 و PD-L1 پیش و پس از مشتق شدن (به‌عنوان مثال، بهسوی CMها) در موش‌ها در برابر سیستم ایمنی محافظت شده هستند. IDO، نقطه‌ی دیگر بازرسی سیستم ایمنی، به سلول‌های سرطانی اجازه می‌دهد تا با تخلیهی L-تریپتوفان (L-tryptophan) در محیط میکروسلول‌ها از سیستم‌های ایمنی فرار کنند. دراین مورد، ترا آلودگی CMها برای تولید IDO بر روی سطح CMها می‌تواند به سلول‌های درمانی برای فرار از سیستم‌های ایمنی و در نهایت افزایش کارایی درمانی کمک کند. علاوه‌بر رهیافت ترا آلودگی، گسترش نانوپلتفرم‌های جدید که تخلیه‌ی L-تریپتوفان‌ها را در میکرومحیط‌های سلول‌های درمانی آسان می‌کنند، می‌تواند به‌طورقابل ملاحظه‌ای بقاء سلول‌ها را بهبود بخشد. روش پیشنهاد شده می‌تواند روند مراحل بالینی برای تولید انبوه سلول‌ها را بهبود بخشد و کارایی آن‌ها را افزایش دهد.

رساندن مولکول‌های درمانی به CMها
روش‌های کنونی برای بازسازی میوکاردیوم بعد از تنگی شریان کرونری (به‌عنوان مثال، آنژیوپلاستی) یا MI (برای مثال، عمل جراحی بای‌پس سرخرگ کرونر) می‌تواند مجموعه‌ای از آسیب‌های رپرفیوژن از جمله تولید گونه‌های اکسیژن واکنشی (ROS) ، تغییرات در رفت وآمد کلسیم‌های داخلی، تغییرات متابولیسم قلب و فعال‌سازی سیستم ایمنی بدن را به‌همراه داشته باشد. کاهش چنین آسیب‌هایی می‌تواند کارایی روش‌های کنونی را به میزان قابل توجه‌ای افزایش دهد. برای نجات بافت قلب بعد از آسیب رپرفیوژن، روش‌های درمانی بیومولکولی پیشنهاد شده است. تحویل دقیق و تقویت شده‌ی بیومولکول‌ها (به‌عنوان مثال، داروها، فاکتور رشد، RNA تداخل کوتاه، آنتی‌اکسیدانت‌ها و داروی سرکوب‌کننده سیستم ایمنی) به میوکاردیوم می‌تواند اثرات ویرانگر آسیب‌های رپرفیوژن را کاهش دهد. درهرصورت، تحویل موفق به قسمت‌های آسیب دیده‌ی میوکاردیوم گمراه‌کننده باقی می‌ماند. نانوذرات قابلیت زیادی در تحویل عامل‌های درمانی به مکان‌های آسیب‌ دیده‌ی ایسکمی قلب دارند هرچند معمولا آن‌ها بیش از آنکه در نواحی آسیب دیده قرار بگیرند در ناحیه‌های پیش-آنفارکتوس جمع می‌شوند. تشخیص گیرنده‌های ویژه بر روی سطح CMهای آسیب دیده (که در نواحی پیش-آنفارکتوس وجود دارند) اولین گام لازم در طراحی نانوذرات کارای بسیار فعال است. بیان بش از حد گیرنده‌های آنژیوتانسین II نوع 1 (AT1) بر روی سطح CMهای آسیب دیده تبدیل به یک هدف امیدوارکننده در طراحی نانوذرات شده است. به‌عنوان‌مثال، نانوذرات اکسید‌آهن سوپرپارامغناطیس آنتی-CD34-درهم آمیخته یا لیپوسومهای هدفمند (همراه با لینگاندهای ویژه‌ی AT1) توانایی زیادی برای هدف قرار دادن قسمت‌های آسیب دیده‌ی میوکاردیوم داخل بدن دارند. از آنجا که آسیب‌های ایسکمی منجر به اختلال در مرزهای اندوتلیال می‌شود، نانوذراتی با زمان گردش خون بالا می‌توانند راحت‌تر موانع اندوتلیال را رد کرده و در نواحی آنفارکتوس جمع شوند. این مکانیزم مشابه با نفوذ بهبود یافته و اثر مهاری 90-93 است که پایه‌ی تحویل نانوذرات به چندین گونه از بافت‌ها شامل تومورهای سرطانی سفت و مکان‌های التهابی است. بنابراین، برای تحویل غیرفعال بیومولکول‌ها، نانوذرات دارای خواص دارویی بسیار مفید (به‌عنوان‌مثال، نانوذرات پلیمری 95 و لیپوزوم96) غالبا به‌علت چرخش خون طولانی آن‌ها در قیاس با نانوذرات دیگر، دارای کارایی درمانی بالایی هستند. دو مورد مهم باید در مطالعه‌های آینده مورد توجه قرار بگیرد: (1) از آنجا که مقدار کمی از داروها می‌توانند از سرخرگ کرونری عبور کنند، توانایی‌های درمانی این ذرات برای بافت‌های قلب باید به دقت تعریف شود; و (2) تأثیر پروتئین کرنا بر کینتیک رهایی بارهای مفید درون‌تنی باید مشخص شود. حلّ این موارد بحرانی به دانشمندان کمک می‌کند تا دُزهای امن و کارای نانوذرات را برای کاربردهای تحویل بیومولکولی تجویز کنند.
علاوه‌بر بیماری‌های ایسکمیک قلبی، کریویموپاتی غیر ایسکمی علل مهم نارسایی قلبی است، مانند کسانی که از طریق شیمی درمانی دچار این بیماری می‌شوند. عامل‌های سمیَت قلب می‌تواند بر CMهای بالغ در روش‌های مختص بیمار تأثیر بگذارد. نانوذرات همچنین پتانسیل زیادی برای کم کردن توزیع بیویی داروها به بافت‌های قلبی و عروقی نشان داده‌اند و در نتیجه سیمَت قلبی را به کمک بسیاری از عامل‌های فعال از بین برده‌اند. داروهایی که به صورت فراوان استفاده شده است مانند عامل‌های استفاده شده در شیمی‌درمانی، (به عنوان مثال مهار کننده‌های سیکلوکسی اگنازا-2) ، و آنتی بادی‌های مونوکلونال، راغب به هدف قرار دادن گیرنده‌های تیروزین کیناز هستند و نشان داده شده است که مهار کننده‌های مولکول‌های کوچک تیروزین کیناز برای CMها سمی هستند. مطالعات انجام شده بر روی روش‌های بر پایه‌ی داروهای شخصی نشان می‌دهد که عامل‌های سمی خاص می‌توانند سمیت قلبی در یک بیمار ایجاد کنند در صورتی که همان دارو برای یک بیمار دیگر بی‌ضرر است. روش‌های درمانی جدید (برای مثال، درمان‌های ترکیبی، که احتمال مقاومت دارویی را کاهش می‌دهد) درحقیقت می‌تواند سمیت این داروها را در بعضی بیمارها بیشتر کند. با استفاده از نانورساننده‌ها برای تحویل هدفمند داروهای سمی به سلول‌های سرطانی، با در نظر گرفتن نفوذ پذیری قابل اغماض بافت‌های قلبی، سمیت قلبی می‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ای کاهش پیدا کند. از آنجا که گزارش‌های کمی برای پشتیبانی از این تئوری وجود دارد، مطالعاتی که سمیت قلبی ایجاد شده به‌وسیله‌ی شیمی درمانی و بیماران عادی را با یکدیگر مقایسه می‌کنند در این زمینه بسیار مورد توجه است.
با توجه به یافته‌های جدید، بعضی از نانوذرات (به عنوان مثال TiO2) می‌توانند عملکرد سلول‌های اندوتلیال پیوند پروتئین (یعنی VE-cadherin) را تحت تأثیر قرار دهند و موجب نشت سلولی شوند، نانوذرات دارای ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی ویژه که از صدمه زدن به رگهای سلول‌های اندوتلیال و سمیَت قلبی جلوگیری می‌کنند باید طراحی شوند تا بیماران سرطانی از آن بهره ببرند.

راهبردهای داربست‌های نانوساختار برای تعمیر میوکاردیال
به‌عنوان یک ECM بیومصنوعی، داربست‌های بافت‌های قلبی برای اندرکنش بهینه با سلول‌های قلبی و عروقی در هنگام تجزیه‌ی پله‌به‌پله و تشکیل نئوبافت مهندسی شده‌اند. گونه‌های مختلف نانوبیومواد برای بازپسگیری ویژگی‌های بومی ECM102 استفاده شده‌اند. در مقایسه با داربست‌های مهندسی بافت شده‌ی سنتی، بیوموادهای نانوساختار (برای مثال، نانوفیبرها، نانولوله‌ها و داربست‌های نانومتخلخل) دارای نشانه‌های ساختاری و فیزیومکانیکی بیشتری هستند که باعث افزایش پروتئین (مولکولی) و تعاملات سلولی می‌شود. چنین ECM مانندهایی، فرصت‌های باززایی بافت‌های بیشتری را فراهم می‌کنند. پژوهش‌های زیادی پیشرفت سیستم‌های نانو- داربستی سیتوسازگار را همراه و بدون سلول‌ها و/یا دیگر ماکرومولکول‌ها، به عنوان یک مدل کشت برای تقلید از پیچیدگی‌های بافتی بیرون‌تنی یا برای کاربردهای دارو رسانی و مهندسی بافتی درون‌تنی پوشش داده‌اند. در پزشکی قلب و عروق، سیستم‌های داربستی بیومهندسی شده به طور فزاینده‌ای به‌عنوان پلتفرم‌هایی برای رساندن هدفمند سلول‌های درمانی یا به‌عنوان پَچ‌های (patch) قلب برای بازسازی بافت‌های قلب به‌کار می‌روند. استفاده از بافت داربستی قلبی به‌علت زیست‌پذیری ضعیف سلول‌های کاردیال (به‌عنوان مثال، رسانندگی الکتریکی و انقباض) ، نبود سلول‌ها یا مولکول‌های مناسب در پَچ برای راهنمایی باززایی بافت‌ها، نفوذ/پرفیوژن ناکافی در ساختار سه بعدی و ساختارهای مکانیکی و فراساختاری ناکافی دچار مشکلات زیادی است. در کشت پویای داربست‌های سلولی در بیوراکتورهای درون‌تنی، یا با متصل کردن داربست به شبکه‌ی رگ‌های خونی اصلی در حیوانات، پژوهشگران ابزاری قدرتمند برای انتقال جرم و زیست پذیری سلول‌های قلبی پیدا کرده‌اند. برای بهبود معماری بافتی، سختی و ناهمسان‌گردی سلولی در داربست‌های قلب، تعدادی از اصلاحات فیزیکی شیمیایی (به عنوان مثال، فشرده‌سازی / تلفیق یا اتصال متقابل هیدروژل ها) و فرایندهای میکروسازه مورد استفاده قرار گرفته است. یکی کردن ویژگی‌های نانوساختاری در ماتریس قلبی 3بعدی بیومهندسی شده می‌تواند ویژگی‌های رسانندگی، مکانیکی و چسبندگی را بهبود بخشد و نیز همگونی و عملکرد سلول‌های قلبی را هدایت کند.
یک مشکل بزرگ در ساختارهای سلولی متخلخل، زمانی که اسکلت‌های میوکاردیال مهندسی می‌شوند، محدودیت رابطه‌های بین سلولی و نشر سیگنال الکتریکی به‌علت وجود دیوارهای متخلخل منفرد است. چنین اختلالات هدایتی‌ای می‌تواند منجر به آرتیمی قلبی پس از کاشت داربست بر روی بافت میوکاردیال شود. نانوساختارهای غیرارگانیک، مانند نانوسیم‌های طلا همراه با سیتوسمیت قابل اغماض، می‌تواند با CMها واکنش داده تا تداخلات الکترونیکی بوجود آورد و برانگیختگی سلولی را بهبود ببخشد. اخیرا نشان داده شده است که یکی کردن نانوسیم‌های طلا در اسکلت بیوپلیمر (alginate) سه بعدی، منجر به پل زدن دیوارهای متخلخل غیر-رسانا می‌شود، که این امر اجازه می‌دهد تا ماتریس‌های قلبی و عروقی نانوکامپوزیت همراه با ارتباطات الکتریکی بهبود یافته، یکدستی سلولی، یکپارچگی بافت‌ها و عملکرد انقباضی همزمان مهندسی و ساخته شوند. این نانو-ساختارهای سلولی می‌توانند به عنوان پَچ‌های قلبی و عروقی درون‌تنی برای درمان آسیب‌های قلبی ایسکمی با احتمال کمتر در دچار شدن به آرتیمی قلبی ناشی از پچ، استفاده شوند.
پچ‌های موجود قادر به احساس کردن یا تحریک کردن سلول‌های قلبی و عروقی ساکن در منطقه نیستند. نسل جدید اسکلت‌های قلبی و عروقی نانوکامپوزیت 3بعدی، به‌وسیله‌ی جمع کردن میکرو-الکترودها درون فیبرهای نانوکامپوزیت ماتریس پلی کاپرولاکتون-ژلاتین مهندسی شده است و اکنون این فناوری این اجازه را می‌دهد تا بتوان از راه دور و بدون تخریب از فعالیت‌های انقباضی سلول‌های قلبی و عروقی اطلاعات دریافت کرد. این نانو-پچ‌ها، محرک‌های الکتریکی انقباض همزمان سلول‌های قلبی و عروقی را مانند آزادسازی درمانگرها فعال می‌کنند. 
این فناوری می‌تواند به‌عنوان یک وسیله نانوبیومهندسی "خود- تنظیم‌شونده" برای کنترل از راه دور شرایط بافت‌های قلبی و عروقی و روند باززایی درون‌تنی و همچنین برای فعال کردن گزینشی یا متوقف کردن روند سلولی و یا مولکولی که مرتبط با بازسازی قلب و عروق هستند بکار برده شود.
گرچه روش‌های بر پایه‌ی سلول برای مهندسی بافت‌های قلبی و عروقی پیشرفت‌های زیادی داشته است اما تعداد زیادی چالش و محدودیت باقی‌مانده است که از آن میان می‌توان به منابع سلول‌های پیوندی، زیست‌پذیری و تعادل فنوتیپ (رُخ‌نمود) به علاوه‌ی چالش‌های تنظیمی اشاره کرد. بیومواد غیر‌سلولی در حال تبدیل شدن به عنوان یک جایگزین برای بازسازی آسیب‌های قلبی ایسکمی به‌وسیله‌ی دارورسانی و/یا تحریک سازوکار‌های بومی (درونی) احیا کننده، همراه با حمایت فیزیولوژیک پایه هستند. بر طبق گزارش‌های اخیر، استفاده از پچ‌های قلبی و عروقی کلاژن نوع-1 نانو- فیبریلار به‌عنوان رساننده‌ی اپیکاردیال باعث خواهد شد تا بافت‌های قلب پستانداران بعد از MI باززایی شود (شکل 4). با تقلید از سفتی اپیکاردیوم جنینی، پچ غیر سلولی مهندسی شده برای رسانندگی هدفمند پروتئین کاردیوژنیک فلوستیستین- مانند 1 (FSTL1) به بافت‌های قلب مورد استفاده قرار گرفت. استفاده از یک پچ نانوساختار مملو از FSTL1 باعث تحریک دوباره سلول و تکثیر CM‌های بومی می‌شود و ساختار و عملکرد بافت‌های آسیب دیده در مدل‌های موش و خوک بعد از MI را بازیابی می‌کند (شکل 4).
در حالی که مبحث مهندسی بافت در حال تکامل است، توجه بیشتری به گسترش راهبردهای بیوتولیدی جایگزین برای کنترل ساختار 3 بعدی نانو-اسکلت با روش‌های پربازده‌تر و مختص بیمار در حال شکل‌گیری است. به عنوان مثال می‌توان از فناوری‌های نانوچاپی و بیوچاپی نام برد که از کمک‌های رایانه‌ای برای لایه نشانی لایه به لایه استفاده می‌کنند (تولید افزاینده) تا بتواند ساختارهای 3 بعدی با وضوح زیر- میکرومتری بسازند. بیوچاپ 3 بعدی پچ‌های قلبی و عروقی با طراحی رایانه‌ای سه بعدی بافت‌ها/اعضا با کمک تصویربرداری‌هایی مانند MRI، اسکن توموگرافی رایانه‌ای، یا اکوکاردیوگرافی انجام می‌شود. بیوجوهر با دربرگرفتن سلول‌های قلبی و عروقی (به‌عنوان مثال، CMs، سلول‌های ماهیچه‌ای صاف و اندوتلیال، و سلول‌های بنیادی/نیایاخته) و/یا پیشتیبانی از مولکول‌ها (برای مثال، عامل رشد) در هیدروژل‌های بیومتریک آماده می‌شود. در گام بعدی، بیوچاپگر از طرح مدل رایانه‌ای دیجیتالی برای لایه‌نشانی بیوجوهر قلبی و عروقی بر روی ساختار سه‌بعدی دلخواه استفاده می‌کند. ساختارهای (پچ‌های) بیوچاپ‌شده برای رشد بیشتر و بالغ شدن بافت قلبی و عروقی به‌صورت بیرون‌تنی کشت می‌شوند و به‌صورت بیرون‌تنی (برای مثال، برای مدل‌سازی بیماری یا غربالگری داروها) یا به‌عنوان پیوند بافت درون‌تنی قلب امتحان می‌شوند. رساندن پچ‌های چاپ شده به بافت‌های قلبی آسیب‌دیده، از راه‌های توراکوتومی چپ و پیوند مستقیم پچ بر روی سطح اپیکاردیال قلب امتحان شده است. تلاش‌های کنونی برای <نوشتن> به‌وسیله‌ی نانوفیبرهای الکتروریسی‌شده، امیدواری‌های زیادی را برای ساخت مستقیم قالب‌های بافت سه‌بعدی همراه با ساختار بهینه شده‌ی سلسله مراتبی و سازمان سلولی بوجود آورده است. تحویل عامل‌های پاراکرین/محافظ قلب (برای مثال، RNAهای میکرو و کوچک دخیل) به‌علت تنظیم مکانیزم‌های سلولی و مولکولی مرتبط با آسیب‌های ایسکمی قلبی می‌تواند باززایی پچ‌های نانوساختار را بهبود بخشد. درهرصورت، ساخت سیستم‌های نانو-اسکلت بیومهندسی‌شده که رساندن هدفمند مواد بیوشیمیایی و فیزیومکانیکی به سلول‌های آسیب‌دیده‌ی قلب برای فعال کردن/قویتر کردن روند باززایی را ممکن می‌سازند همچنان یک چالش محسوب می‌شود. طراحی و گسترش سیستم‌های هیبریدی نانوبیومواد جدید که دارای ترکیب و ساختار بیومتریک برتر برای دستیابی به قلمه‌زنی اساسی در بافت‌های قلب هستند به‌عنوان هدف نهایی در این مبحث شناخته می‌شود. 

چالش‌های موجود در طراحی نانوذرات برای کاربردهای بالینی
برخلاف تجهیزات فراوان و به سرعت در حال گسترش فناوری نانو که تا به امروز به‌وجود آمده است، تنها تعداد کمی از آن‌ها به مرحله‌ی آزمایش‌های بالینی رسیده‌اند و تعداد کمتری از آن‌ها برای مصارف بالینی تأیید شده‌اند. بخشی از این مشکل به‌علت چالش‌های موجود برای سنتز قابل کنترل و قابل تکرار نانوذراتی است که لازم است تا به صورت بزرگ‌مقیاس تولید شده تا برای مصارف تجاری و بالینی به‌کار برده شوند. نانوذرات در مقایسه با داروهایی با مولکول‌های کوچک به‌علت گردش خون سیستمیک، دسترسی به بافت و رفت و آمد درون سلولی با محدودیت‌های فیزیولوژیکی ویژه‌ای روبرو هستند. ملزوماتی که باید در مورد نانوذرات در نظر گرفت بیشتر از ملزوماتی است که برای داروهای مولکولی وجود دارد. چیزی که بیش از پیش مشخص است این است که هویت فیزیوشیمیایی نانوذرات، ترکیبات پروتئین کرنا را در سطح مشترک نانوبیو تحت تأثیر قرار می‌دهد (هویت بیولوژیکی نانوذرات) ، این موضوع اهمیت سنتز قابل تکرار نانوذرات را برجسته می‌کند. ما و بقیه چندین عاملی که تاکنون بدون توجه باقی‌مانده است را گوشزد کرده‌ایم (برای مثال، تغییرات کوچک دما، تغییرات دمای محلی در نانوذرات هایپرترمیک، غلظت پلاسما و نوع بیماری) که می‌تواند ترکیب پروتئین کرنا را تغییر دهد و گسترش و تولید پروتئین کرنا را پیچیده‌تر از آنچه قبلا تصور میشد کند. ما معتقدیم که تغییرات داخلی و بیرونی در ترکیب پلاسمای خون بیمار و تغییرپذیری نتایج در هویت بیولوژیکی نانوذرات باید به دقت به عنوان بخشی از راهبرد گسترش که میتواند شخصی‌سازی درمان را در پی داشته باشد در نظر گرفته شود. تاکنون، تقریبا تمام مقالات در مبحث پروتئین کرنا تأثیر این عوامل (و به طور دقیقتر، تأثیر بیماری‌های انسان و مراحل آن) بر روی هویت بیولوژیکی نانوذرات را نادیده گرفته‌اند. این امر منجر به بعضی نتایج ناهمخوان شده است، که از این میان می‌توان به نتایج زیر اشاره کرد: (1) تغییرپذیری زیاد در پروتئین کرنای شکل گرفته بر روی نانوذرات یکسان; (2) اختلاف اساسی بین خوانش درون‌تنی و بیرون‌تنی; (3) اختلاف بین کارایی هدفمندی و کارایی درمانی یک نانوذره در مکان‌های مختلف; و (4) نتایج بالینی ناموفق نانوذره‌هایی که آزمایش‌های موفق درون‌تنی و بیرون‌تنی را پشت سر گذاشته‌اند. این شاید یکی از دلایل اصلی باشد که برخلاف پیشرفت‌های فراوان در نانوداروها، تعداد کمی از نانوذرات به مرحله‌ی آزمایش‌های بالینی رسیده‌اند و از آن میان تعداد کمتری در این مرحله تأیید شدند.
برای غلبه بر این مشکلات، تغییرپذیری هویت بیولوژیکی نانوذرات یکسان در مراحل مختلف بیماری باید روشن شود و همچنین برای مشخص شدن اینکه چگونه این تغییرات در هویت بیولوژیکی، ممکن است سرنوشت بیولوژیکی نانوذرات را در حین بیماری تغییر دهد کارهای زیادی باید انجام گیرد. مدل‌های جدید ریاضی (مانند مدل‌های وابستگی کمی کنش و ساختار) برای کمک به دانشمندان باید گسترش یابند تا آن‌ها بتوانند با بکارگیری این مدل‌ها بر روی پروتئین کرنا هویت بیولوژیکی نانوذرات در بیماری‌های مختلف و مراحل مختلف بیماری را پیش‌بینی کنند. ما اعتقاد داریم چنین تلاش‌هایی در هنگام طراحی امن‌تر و کاراتر نانوذرات (روش‌های مختص بیماری) به دانشمندان اجازه می‌دهد تا هویت بیولوژیکی نانوذرات را بهتر درک و کنترل کنند و در نتیجه به طی شدن مراحل بالینی شتاب ببخشند.
نانوذرات بیش از پیش در تشخیص و درمان بیماری‌های قلبی و عروقی بکار می‌روند، بنابراین احتمال سمیت قلبی آن‌ها باید به دقت بررسی شود. احتمال سمی بودن نانوذرات برای بافت‌ها و کارکرد قلب در امنیت استفاده از آنها بسیار اهمیت دارد. مطالعات بسیار زیادی سمیت شمار بسیار زیادی از نانوذرات را (آلی، غیرآلی و پلیمری) در گونه‌های مختلف سلول و اعضا مورد بررسی قرار داده است. درهرصورت، سمیت قلبی نانوذرات به خوبی بررسی نشده است، و اطلاعات محدود به گونه‌های محدودی از نانوذرات مانند اکسیدهای فلز، نقره و کربن است. یافته‌های جدید مبنی بر نقش حساس پروتئین کرنای مخصوص بیمار در سمیت نانوذرات، بر پیچیدگی‌های سمیت قلبی درون‌تنی افزوده است. بنابراین مطالعات زیادی باید انجام شود تا درک ما از احتمال سمیت قلبی نانوذرات درمانی در مقیاس مولکولی (به عنوان مثال، ژنتیک قلب مانند α-actinin، تروپونین قلب و زنجیره سبک میوزین) و فنوتیپ (برای مثال، نرخ ضربان و اندازه‌گیری‌های ناپایداری 〖Ca〗^(2+)) را افزایش دهد.

نتیجه‌گیری و چالش‌های بعدی
این مقاله‌ی مروری از هر دو منظر پزشک و متخصص فناوری نانو، نقشه‌ای از موضوع‌های اساسی و پیشرفت‌های اخیر در فناوری نانوی قلبی و عروقی را ترسیم می‌کند، و در مجموع به فرصت‌های فراوان موجود برای پیشرفت در این مبحث اشاره می‌کند. ما نشان دادیم که علم‌نانو و فناوری نانو دارای پتانسیل زیادی برای بهینه کردن روش‌های درمانی در خصوص بیماری‌های قلبی و عروقی است.
اگرچه این مبحث در حال گسترش است و خبرهای هیجان‌انگیزی از مطالعات بیرون‌تنی و حیوانات، پیوسته به‌چاپ می‌رسد، اما آزمایش‌های بالینی موفقیت‌آمیز در این خصوص در پرده‌ای از ابهام قرار دارد. نارسایی‌های زیاد و همیشگی داروها، اختلافات بین کشفیات و آزمایش‌های بالینی را برملا می‌کند. یکی از مسائل اساسی، نبود راهی برای سنتز در مقیاس بزرگ و قابل تکرار نانوذراتی که دارای ویژگی‌های فیزیوشیمیایی مشابه هستند است (برای مثال، اندازه‌، شکل و خواص سطح مشابه). تاکنون تنها تعداد محدودی روش امیدوارکننده (به عنوان مثال، خودساماندهی نانومواد عامل‌دار، اختلاط سریع میکروفلویدیک) برای سنتز نانوذرات با ویژگی‌های فیزیوشیمیایی مشخص، پیشنهاد شده است. علاوه‌ بر تولید انبوه نانوذرات مشابه، هویت بیولوژیکی شخصی شده‌ی نانوذرات (که همان پروتئین کرنا شخصی است) می‌تواند کارایی و امکان سمیت قلبی آن‌ها را تحت تأثیر قرار دهد. پیشرفت‌های اخیر در زمینه‌ی اندرکنش‌های نانوبیو، مشخص کرده است که انواع مختلف بیماری ممکن است هویت بیولوژیک و در نتیجه کارایی نانوذرات همانند را تغییر دهد. از آنجا که بیشتر افراد مبتلا به ایسکمی قلبی، با بیماری‌های دیگری نیز دست بگریبانند، بنابراین نانوذرات شخصی بیمار با هویت بیولوژیکی قابل پیش‌بینی باید طراحی شوند تا بیشینه‌ی کارایی و امنیت به‌دست آید.
روش‌های تولید CMهای درمانی و کنترل کننده‌ی بیمار به سرعت در حال تکامل است و امید می‌رود که امکان تولید انبوه CMهای بالغ و مختص بیمار فراهم گردد. توجه بیشتری باید برای گسترش پلیت‌های کشت ساده جهت مشتق کردن سلول‌های بنیادی به CMهای بالغ یا وادار کردن CMهای نابالغ به‌دست آمده از روش‌های شیمیایی به سمت بالغ شدن باید بکار گرفته شود. چنین پلیت‌هایی برای کاربردهای بالینی مانند پیوند سلول‌های خودی و کشف/نظارت دارویی در مرکز توجه است.
یک عامل اصلی که معمولا در حین طراحی روش‌های بیرون‌تنی برای ارزیابی درمانی و هدفمند اثرات فناوری‌های چندگانه بر روی CMها نادیده گرفته می‌شود این است که مایعات فیزیولوژیکی طبیعتا پویا هستند، در حالی که بیشتر مدل‌های درون‌تنی محیط ثابت ساده‌ای را فراهم می‌کنند. به‌عنوان مثال، در بدن انسان، خون با سرعت‌های متفاوتی حرکت می‌کند، از چند میکرومتر در ثانیه (در مویرگها) تا 60 سانتیمتر بر ثانیه (در آئورت صعودی). برای دستیابی به همبستگی دقیق بین مدل‌های درون‌تنی و مشاهدات بالینی، مطالعات آینده باید بیشتر متمرکز بر استفاده از روش‌های فلویدیک باشند تا محیط پویای درون‌تنی را در مدل‌های بیرون‌تنی شبیه‌سازی کنند.
ساخت اخیر بیواسکافولدهای دی‌سلورایزد (decellularized) با الگوی سلولی و مولکولی بافت‌های قلب نتایج بسیار امیدوار کننده‌ای در ساخت یک قلب تازه و کاربردی داشته است. بنابراین برای ساخت بافت‌های قلبی و یا حتی یک قلب به‌صورت کامل، باید توجه ویژه‌ای به روش‌های مهندسی بافت و فناوری بیوچاپی سه‌بعدی داشت.
یک چالش کلیدی در بیوچاپ پیوند بافت قلبی، تجمیع شبکه‌های عروقی در حال کار و از نظر مکانیکی یکپارچه در میوکاردیوم بیومهندسی شده‌ای است که پرفیوژن درون‌تنی می‌تواند در آن رخ دهد. دسترسی به انواع و تراکم سلول‌های فیزیولوژیک مرتبط، اندازه و معماری پچ‌های قلبی و عروقی بالینی، جوهر بیوفعال بیشتر برای نگهداری فینوتیپ و عملکرد و بالغ شدن سلول‌های قلبی از دیگر عوامل پیچیده هستند.
آخرین موضوع اما نه کم اهمیت‌ترین موضوع این است که برای شتاب بخشیدن به کشفیات در این حوزه، بودجه برای فناوری نانو در بیماری‌های قلبی و عروقی باید به طورقابل ملاحظه‌ای افزایش بیابد. در مقایسه با سایر کاربردهای فناوری نانو در بیومواد مانند فناوری نانو مرتبط با سرطان، فناوری نانو مرتبط با قلب از نظر<<کشش>> عقب مانده است و پیشرفت کند آن (حداقل بخشی از آن) نشان‌دهنده‌ی سرمایه‌گذاری کمتر بخش دولتی و خصوصی در آن است. در طول چند سال گذشته، به‌هرترتیب، مقدار سرمایه‌گذاری‌ها در این بخش روبه افزایش است، و پیشرفت‌های به‌دست آمده در بالا توصیف شد. ما اعتقاد داریم که نانوداروها، الگوی‌ روش‌های درمانی و پیش‌بینی‌کننده را در بیماری‌های قلبی در آینده‌ای نه چندان دور تغییر خواهند داد.

این مقاله در مجله ی نیچر نانوتکنولوژی (Nature Nanotechnology) چاپ شده است.


NATURE NANOTECHNOLOGY | VOL 12 | SEPTEMBER 2017 | www.nature.com/naturenanotechnology
مقالات آموزشی مرتبط