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

چشم انداز و کاربردهای نانومواد در توسعه ی واکسن های نوین

افراد مقاله : ‌ مترجم - سید محمد حسین بنی طباء بیدگلی

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : واکسن - دارو تاریخ مقاله : 1397/04/04 تعداد بازدید : 322

واکسن ها، قابلیت بسیار زیادی برای استفاده در پیشگیری و درمان بیماری های واگیردار، سرطان و سایر امراض از خود نشان داده اند. با توسعه ی سریع زیست فناوری و علم مواد، نانومواد نقشی اساسی در فرمولاسیون واکسن های جدید پیدا کرده اند و می توانند تأثیر آنتی ژن را از طریق عمل کردن به صورت یک سیستم رهایش و/یا به عنوان یک یاور تقویت کننده ی سیستم ایمنی به منظور القاء یا تقویت پاسخ ایمنی، افزایش دهند. بررسی اثرات نانوذرات در علم تولید واکسن نشان از بهبود پایداری آنتی ژن و ایمنی زایی و نیز رهایش هدفمند و آهسته با استفاده از آن‌ها دارد. با این وجود، همچنان موانعی ناشی از ناکافی بودن شناخت بنیادی در مورد شیوه ی عملکرد نانوذرات در مقیاس مولکولی و اثرات زیستی نانوذرات در داخل بدن موجود زنده وجود دارد. این مقاله ی مروری، نگاهی کلی به سیر توسعه ی فعلی نانوذرات در علم تولید واکسن دارد. واکسن های مبتنی بر نانوذرات بر مبنای عملکرد نانوذرات در آن‌ها به صورت سیستم رهایش یا تقویت کننده پاسخ ایمنی تقسیم بندی می شوند. نحوه ی برهمکنش نانوذرات با آنتی ژن ها و سیستم های ایمنی مورد بحث قرار گرفته است. واکسن های مبتنی بر نانوذرات که تأییدیه مصرف را دریافت کرده اند نیز فهرست شده اند. درک بنیادی از توزیع نانوذرات در داخل بدن و سرنوشتشان موجب تسریع در طراحی منطقی نانوذراتی جدید میشود که آینده ی واکسن ها را متحول می کند.

 

1         مقدمه

واکسن‌ها یکی از موفقیت‌های شاخص در تاریخ پزشکی مدرن به‌شمار می‌روند. واکسیناسیون عامل مهمی در افزایش میانگین طول عمر در قرن‌های گذشته بوده است. 400 سال پس از اولین کاربرد واکسیناسیون، روند رو به رشد ابزارها برای تسهیل طراحی منطقی واکسن صورت گرفته است. واکسیناسیون، همچنان به‌عنوان کارآمدترین راهکار بر علیه بیماری‌های واگیردار شناخته می‌شود و عمده‌ترین بخش از ارتباط حوزه‌ی ایمنی‌شناسی با سلامت انسان را تشکیل می‌دهد. با این وجود، در حال حاضر بیشتر واکسن‌های شاخص موجود، به‌صورت تجربی و با ایمنی‌زایی نسبتا ضعیف توسعه داده شده‌اند. امنیت واکسن‌های کشته یا غیرفعال شده به‌طور مداوم بهبود پیدا کرده است، در حالی‌که ظرفیت آن‌ها برای تحریک درازمدت و قدرتمند پاسخ‌های ایمنی محدود بوده است. نیازی روز افزون برای دستیابی به سیستم‌های رهایش و یاورهایی وجود دارد که ایمنی‌زایی امن و قدرتمند را حاصل کند.

استفاده از فناوری نانو در علم تولید واکسن به حوزه‌های مختلفی از روش‌های تشخیصی قدیمی تا درمان بیماری‌ها راه پیدا کرده است و افقی جدید برای حل دشواری‌های گذشته‌ی توسعه‌ی واکسن‌های کارآمد را فراهم کرده است. فناوری نانو فرصت طراحی نانوذرات مختلفی را از لحاظ ترکیب، اندازه، شکل و خواص سطحی، برای کاربردهای داروئی فراهم کرده است.

مواد طبیعی و سنتزی که می‌توانند ترکیبات درمانی بیرونی را در خود جا بدهند و به یکدیگر به شکل تجمع-خودآرا1 متصل شوند تا نانوذراتی (NPها) با قطرهای کمتر از میکرون در محلول آبی تشکیل دهند، به‌طور گسترده به‌عنوان حامل‌های رهایش دارو مورد استفاده قرار گرفته‌اند. نانوذرات می‌توانند در مقابل اجزای سلولی، عملکرد زیست‌فیزیکی و زیست‌درمانی مشابه با اجزای زیستی هم اندازه‌ی خود نشان بدهند. نانوحامل‌هایی که با پلی اتیلن گلیکول (PEG) طراحی می‌شوند قادر هستند پاکسازی دارو از بدن را به تأخیر بیندازند و در نتیجه گردش سیستماتیک دارو در بدن را نسبت به حالت داروی آزاد، برای مدت زمان بیشتری انجام دهند. این مسئله می‌تواند در نهایت برای تجمع بیشتر دارو در موضع مربوط به بیماری مفید باشد. علاوه‌بر این، سیستم‌های رهایش با استفاده از نانوذرات می‌توانند چندین خصوصیت بارز داشته باشند که شامل قابلیت بارگذاری بالای دارو، سرعت رهایش کنترل‌شده، و کاهش سمیت دارو در بدن است. در نتیجه، رویکردهای مبتنی بر نانوذرات به‌عنوان سیستم‌های رهایش یا یاور، فرصت‌های جدیدی برای تقویت فعال‌سازی ایمنی ذاتی و القاء پاسخ ایمنی شدید به کوچکترین سمیتی را فراهم می‌کند.

مهم‌ترین اجزاء و عوامل یک واکسن مؤثر شامل یک آنتی‌ژن برای فعال‌سازی سیستم ایمنی، یک عامل تشدیدکننده‌ی پاسخ سیستم ایمنی به‌منظور تحریک سیستم ایمنی ذاتی و یک سیستم رهایش برای اطمینان از انتقال و هدف‌گیری صحیح آنتی‌ژن و عامل تشدیدکننده‌ی پاسخ ایمنی به‌سمت سلول‌های بیان‌کننده‌ی آنتی‌ژن2 (APCها) هستند. برای دستیابی به این عوامل، در طراحی نانوذرات بر روی ترکیب شیمیایی، اندازه، بار سطحی و خصوصیات سطحی تمرکز می‌شود، زیرا این موارد برای کنترل توزیع این ذرات در محیط زیستی، رهایش آنتی‌ژن، میزان کارآمدی تحریک سیستم ایمنی و پاسخ نهایی سیستم ایمنی حائز اهمیت هستند.

ذرات شبه-ویروس (VLPها) سیستم‌های نانو-واکسن ایده‌آلی هستند که از پروتئین‌های ویروسی حاصل می‌شوند. - پلی گلوتامیک اسید ( -PGA) یکی از ذرات پلیمری با قابلیت بهبود رهایش آنتی‌ژن و یک یاور مؤثر در واکسن برای تقویت پاسخ ایمنی محسوب می‌شود. امولسیون‌ها، لیپوزوم‌ها و پلیمرهای سنتزی، نانوذراتی هستند که به‌عنوان یاور برای رهایش مناسب تشدیدکننده‌های پاسخ ایمنی به‌کار می‌‌روند.

بکارگیری نانوذرات در علم تولید واکسن در سال‌های اخیر توجهات زیادی را به خود معطوف کرده است. همزمان با پیشرفت روزافزون در خصوص شکل‌گیری دیدگاهی قاعده‌مند برای طراحی و توسعه‌ی واکسن‌های جدید، ما درکی عمیق‌تر از معیارهای مورد نیاز در طراحی ذرات سنتزی برای ایجاد خصوصیات زیست-فیزیکی و زیست-شیمیایی پاتوژن‌ها و القاء قوی‌تر پاسخ ایمنی بدون ایجاد سمیت این ذرات را کسب می‌کنیم.

در این مقاله‌ی مروری، یک بررسی کلی از انواع و کاربردهای نانوذرات در واکسن‌ها را ارائه می‌دهیم. بر همین اساس، سازوکار عملکرد متفاوت نانوذرات را تشریح خواهیم کرد. علاوه‌بر این، واکسن‌های منتخبی که برای استفاده‌ی درمانی مورد تأیید قرار گرفته‌اند را در این مقاله‌ی مروری ذکر کرده‌ایم.

 

2.       انواع نانوذرات

در دهه‌های گذشته، تعداد روز افزونی از پروتئین‌ها و پپتیدها به‌عنوان داروهای بالقوه‌ی جدید معرفی شده‌اند. هرچند این داروهای زیستی با ارائه‌ی فرصت‌های درمانی جدید، تحولی بزرگ در عرصه‌ی دارو ایجاد کرده‌اند، اما خصوصیات زیست-دارویی ضعیف و الگوهای نامناسب سرعت رهایش دارو، مرحله‌ی سخت توسعه‌ی آن‌ها به‌عنوان دارو به‌شمار می‌رود که کاربرد وسیع آن‌ها را به‌میزان قابل توجهی تحت تأثیر قرار داده است. جذابیت آن‌ها بر اساس مزایای مختلفی از جمله بهبود پایداری دارو، افزایش قابلیت هدف‌گیری و رهایش کنترل‌شده‌ی دارو است. نانوذرات حامل آنتی‌ژن‌ها قادرند نوع پاسخ ایمنی را تحت تأثیر قرار دهند و به‌میزان قابل توجهی پاسخ سمیت سلولی T-cell را بر علیه آنتی‌ژن تلفیق شده با نانوذره تقویت کنند. این امر به‌دلیل قابلیت تخصصی برخی سلول‌های بیان‌کننده‌ی آنتی‌ژن (APCها) است که می‌توانند به طور مؤثری ذرات خارجی مانند میکروذرات و باکتری‌ها را به خود جذب کنند. این فرآیند که سلول خواری3 نامیده می‌شود، به‌وسیله‌ی تشخیص ماده‌ی آنتی‌ژن و به‌منظور تحلیل و بیان آنتی‌ژن‌های خارجی برای سایر سلول‌های سیستم ایمنی انجام می‌شود. مواد نانومقیاس می‌توانند کارآیی واکسن‌ها را به دلیل مزایایی که در رابطه با داروهای زیستی دارند بهبود ‌دهند. این مزایا شامل موارد زیر است: اندازه‌ی کوچک که امکان نفوذ بهتر به داخل تومورها و باقی‌ماندن در تومور در سیستم‌های رهایش هدفمند را فراهم می‌کند. همچنین نانوذرات خاصیت زیادی به‌عنوان یاور برای کاربرد در واکسن دارند؛ با این وجود محدودیت‌هایی از قبیل جذب غیراختصاصی از طریق سیستم تورینه‌ی درون پوشه‌ای4 و ایجاد سمیت در سیستم ایمنی در رابطه با این ترکیبات وجود دارد.

 

2.1   ذرات شبه-ویروسی

بیماری‌های ویروسی آنفولانزا یکی از دغدغه‌های اصلی سلامت عمومی هستند و موجب بیماری و مرگ و میر قابل توجهی در سرتاسر جهان شده‌اند. واکسن‌های فعلی ویروس آنفولانزا مبارزه‌ی مؤثری بر علیه این بیماری هستند، اما تقریبا هر سال به‌دلیل تغییرات تدریجی آنتی‌ژن، نیاز به تجدید فرمولاسیون آن‌ها وجود دارد. علاوه‌بر این، این واکسن‌ها در مقابل سویه‌های فراگیر جدید حفاظت ایجاد نمی‌کنند، و تولید به موقع واکسن برای این بیماری‌های فراگیر به‌دلیل محدودیت‌ فن‌آوری‌های فعلی، همچنان به‌عنوان یک معضل باقی است. بهبود در فرمولاسیون واکسن‌ها با هدف حفاظت بهتر بر ضد سویه‌های ویروس آنفولانزای فصلی صورت گرفته است تا پاسخ ایمنی قوی‌تر، وسیع‌تر و پایدارتری را القاء نماید.

ذرات شبه-ویروسی (VLPها) نانوذرات خودآرایی هستند که حاوی پروتئین‌های نوترکیب زیست‌سازگار (مثل پوشش پروتئینی ویروس هپاتیت B) ، گاهی در ترکیب با اسیدهای نوکلئیک (مثل ویروس باکتری‌خوار) یا یک لایه‌ی پوشش پروتئینی-لیپیدی ویروسی علاوه‌بر پوشش پروتئینی ویروس (مثل ویروزوم) هستند. VLPها به‌دلیل دارا بودن ویژگی‌های بهینه‌ی ذاتی، به‌عنوان مؤثرترین نانوذرات در علم تولید واکسن استفاده می‌شوند. VLPها قادر هستند به واسطه‌ی اندازه ذرات بهینه و ساختارهای آنتی‌ژنی متوالی، پاسخ‌های ایمنی بدون تغییری حتی در غیاب یاور ایجاد نمایند. آن‌ها حاوی هیچ‌گونه ماده‌ی ژنتیکی لازم برای ایجاد بیماری ویروسی نیستند، که در نتیجه امکان ایجاد بیماری و تکثیر را از آن‌ها سلب می‌کند. امکان تولید VLPهای سنتزی خود-آرا (SVLPها) با استفاده از ذرات مصنوعی سنتزشده که اندازه و ترکیبی مشابه با ذرات طبیعی دارند، وجود دارد. این SVLPهای خود-آرا می‌توانند ایمنی را بدون نیاز به یاور فعال کنند و علاوه‌بر این، می‌توانند بهینه شوند و به‌وسیله‌ی روش‌های سنتز شیمیایی مختلف تولید شوند. اخیرا، واکسن‌های VLPزیادی در مراحل آزمایش بالینی و پیش بالینی قرار دارند، اما تعداد کمی از آن‌ها برای استفاده مورد تأیید قرار گرفته‌اند. اولین واکسن مبتنی بر VLPها برای بیماری هپاتیت B در سال 1986 به مرحله‌ی تجاری رسید و از آن زمان مورد استفاده قرار گرفته است. VLPها به‌صورت یک سیستم رهایش برای واکسن‌های ویروسی پاپیلومای انسانی (HPV) شامل گارداسیل و سرواریکس عمل می‌کنند. این واکسن‌ها قابلیت حفاظت در برابر دسته‌ی وسیعی از سویه‌های HPV را فراهم می‌کنند.

دو مشکل اساسی در ارتباط با واکسن‌های آنفولانزا وجود دارد که باید مورد توجه قرار بگیرد. اول، تأخیر زمانی برای تشخیص ویروس است که باعث می‌شود توسعه، آزمایش، توزیع و مصرف واکسن جدید چندماه طول بکشد. علاوه‌بر این، پس از آنکه واکسیناسیون یک شخص انجام شد، 2 تا 3 هفته طول می‌کشد تا پاسخ ایمنی در او ایجاد شود. دومین مشکل، ایمنی‌زایی کم است. برای مثال، واکسن‌های مناسب برای عوامل H5N1 و H7N9 پاسخ‌های ایمنی نسبتا ضعیفی ایجاد می‌کنند. علت این ایمنی‌زایی ضعیف، در حال حاضر مشخص شده است و الگوها و فرمولاسیون‌ها برای غلبه بر این مشکل توسعه پیدا کرده‌اند.

 

2.2   پروتئین‌های خودآرا

با شناخت قابلیت VLPها، ساختارهای سوپرا مولکولی5 متنوعی با پروتئین‌های خودآرا ساخته شده‌اند. با این وجود، پروتئین‌های خودآرا نمی‌توانند از اجزای ویروس حاصل شوند. مثال‌ها شامل ساختارهایی مانند ویروس‌ها، برخی میکرو-کمپارتمان‌های باکتریایی6 و والت‌های یوکاریوتی7 هستند. پروتئین‌های خودآرا می‌توانند به‌وسیله‌ی تغییرات در طول لیپید و موقعیت در مولکول‌های لیپوپروتئینی که با اصلاح قابل توجه در مورفولوژی و ساختارهای ثانویه همراه است، ایجاد شوند. نانوذرات خودآرای پپتیدی (SAPNها) می‌توانند به‌عنوان سیستم‌های رهایش دارو بدون خطر شوک آنافیلاتیک مورد استفاده قرار بگیرند. این نانوذرات که از دو ناحیه‌ی مارپیچ coiled-coil تشکیل شده‌اند به‌وسیله‌ی اتصالی کوتاه به یک زنجیره‌ی پپتیدی مجزا متصل هستند. واکسن‌های چندظرفیتی سنتزی به‌وسیله‌ی اتصال پپتیدهای OVA CD4 LPs و OVA CD8 با استفاده از واکنش حلقه‌زایی آزید-آلکین هویسن8 ساخته می‌شوند. در محیط آبی، به‌دلیل خصوصیات شیمی-فیزیکی این واکسن‌ها، تمایل به ایجاد خودآرایی وجود دارد. چونگ و همکارانش نشان دادند که پپتیدهای آمفی‌فیل (که دارای یک سر آبدوست و یک سر آبگزیر هستند) نشانه‌ای از سمیت در کبد، طحال، کلیه، مثانه، روده‌ها، شش و قلب ایجاد نمی‌کنند. در مقایسه با آنتی‌ژن‌های آزاد، APNPها (آنتی‌ژن‌ها به‌صورت نانوذرات) می‌توانند به‌شکل مؤثرتری وارد APCها شوند و اپیتوپ‌های آنتی‌ژن را بیان کنند. یک آزمایش در داخل بدن موجود زنده مشخص کرد که APNPها اپیتوپ‌های 4E10 و 2F5 ویروس HIV را در سطح خود نشان می‌دهند (دو هدف مهم برای القاء آنتی‌بادی‌های خنثی‌کننده) و پاسخ‌های آنتی‌بادی قوی را بر علیه اپیتوپ‌های خنثی‌کننده‌ی آنتی‌بادی القاء می‌کنند که برای پیشگیری از بیماری HIV حیاتی هستند.

 

2.3  نانوذرات معدنی

استفاده از نانوذرات معدنی در علم واکسن‌سازی به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است که در بسیاری از گزارش‌های منتشر شده‌‌ی اخیر قابل مشاهده است. نانوذرات معدنی شامل یک هسته‌ی معدنی در ابعاد نانو است که آنتی‌ژن بر روی آن متصل شده است که در علم تولید واکسن برای ایجاد خاصیت یاور یا رهایش دارو مورد استفاده قرار می‌گیرد. نقش عمده‌ی این نانوذرات معدنی به ساختار غیرقابل انعطاف و قابلیت کنترل این ذرات در مرحله‌ی سنتز مربوط است، هر چند این نانوذرات اکثرا قابلیت زیست تخریب‌پذیری ندارند.

 

2.3.1         نانوذرات کربن

گزارش‌های روز افزونی در مورد استفاده از نانوذرات کربن به‌عنوان یاور یا حامل برای انواع مختلفی از واکسن‌ها منتشر شده است. اثرات ایمنی‌زایی آن‌ها به‌میزان قابل توجهی به‌وسیله‌ی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن‌ها، خصوصا اصلاح شیمیایی سطح آن‌ها تحت تأثیر قرار می‌گیرد.

نانوذرات کربنی به‌طور گسترده به‌عنوان یاور و حامل در واکسن‌های مختلف مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این نانوذرات برای رهایش اپیتوپ‌های آنتی‌ژنی به APCها مورد استفاده قرار گرفته‌اند زیرا آن‌ها تمایل به ورود به دسته‌ی وسیعی از انواع سلول‌ها و عمل کردن به چندین شیوه‌ی مختلف دارند. اثر نانوذرات کربن به وسیله‌ی خصوصیات زیست‌سازگاری و فیزیکی و شیمیایی، شامل خصوصیات شیمیایی سطح آن‌ها تحت تأثیر قرار می‌گیرد. خصوصیات شیمیایی سطح، بیشترین تأثیر را در ویژگی یاور بودن نانوذرات کربنی ایفا می‌کند.

نانولوله‌های کربنی (CNTها) دارای طول 100 تا nm 1000 و قطر 8/0 تا nm 0/2 هستند که می‌توانند ایمنی‌زایی آنتی‌ژن‌های همراه با خود را تحت تأثیر قرار دهند. نانولوله‌های کربنی تک دیواره (SWNTs) به‌عنوان حامل‌های آنتی‌ژن به‌منظور رهایش آنتی‌ژن‌ها به APCها، پاسخ ایمنی هومورال9 را از طریق اتصال و ارائه‌ی آنتی‌ژن‌های پپتیدی به‌وسیله‌ی مولکول‌های MHC مربوط به APCها فعال می‌کنند. چندین شکل از نانوذرات کربنی شامل، فولرین‌ها، CNTها و گرافن به دلیل زیست‌سازگاری نیز به‌عنوان گزینه‌هایی در نقش یاور مورد بررسی قرار گرفته‌اند. مطالعات گذشته نشان داد که CNTهای اصلاح‌شده‌ی محلول در آب زیست‌سازگاری بسیار خوبی دارند. آن‌ها می‌توانند به سرعت به‌وسیله‌ی لمفوسیت‌های B، T و ماکروفاژها به داخل سلول راه پیدا کنند و اثر ناچیزی بر روی زیست‌پذیری10 و عملکرد ایمنی سلول دارند (جدول 1). اتصال مشتق سنتز شده و خالص‌سازی شده‌ی پروتئین توبرکولین با SWCNTهای کربوکسیل‌دار، یک پاسخ سلولی ترجیحی در غیاب اثرات بالقوه‌ی سمیت سلول در موش ایجاد کرد.

 

2.3.2        نانوذرات سیلیکا

نانوذرات سیلیکا (SiNPها) نانوحامل‌های بسیار خوبی برای کاربردهای وسیعی شامل رهایش واکسن، هدف‌گیری اختصاصی تومور و تصویربرداری زنده چندحالته هستند. این نانوذرات برای رهایش آنتی‌ژن در بدن موجودات زنده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. SiNPها با شیوه‌های مختلفی ممکن است با سلول‌ها برهم‌کنش داشته باشند که این تنوع به‌وسیله‌ی کنترل کردن شیمی فرآیندهای سل-ژل به منظور تنظیم پارامترهای ساختاری قابل تنظیم شامل اندازه و شکل ذرات فراهم می‌شود. اصلاح بیشتر در این نانوذرات می‌تواند از طریق اصلاح گروه‌های سیلانول موجود در سطح حاصل شود که این امکان می‌تواند منجر به قابلیت تشخیص سلول‌ها، بهبود برهم‌کنش با سلول‌ها، بهبود جذب سلولی و جذب زیست‌مولکول‌های اختصاصی شود.

اتصال آنتی‌ژنی این ذرات برای انتقال اثرات تحریک ایمنی لازم نیست، که این مسئله SiNPها را به‌عنوان یک سیستم رهایش خوب در می‌آورد. با این وجود، بحرانی‌ترین مسئله در استفاده از نانوذرات در کاربردهای زیست داروئی و زیست‌فناوری به سمیت ناشی از عوامل کاهنده و پایدارکننده‌های مورد استفاده در سنتز نانوذرات بر می‌گردد (جدول 1).

این امکان وجود دارد که یک رهایش کنترل شده و نانوحامل کارآمد با اندازه‌ی 50 تا 200 نانومتر که نانوذرات سیلیکای مزومتخلخل (MSNها) نامیده می‌شود ساخته شود که می‌تواند به‌عنوان یاور و نانوحامل برای رهایش مؤثر آنتی‌ژن‌ها مورد استفاده قرار بگیرد. کیسه‌های جدید سیلیکایی (SV) به‌عنوان نسل جدید یاورها و حامل‌های آنتی‌ژن برای ویروس Bovine Viral Diarrhoe (BVDV) تهیه شده است و به‌صورت گسترده در صنعت گاوداری مورد استفاده قرار گرفته است. این نانوذرات با اندازه nm 50 ظرفیت بارگذاری بالا و رهایش کنترل شده‌ی بالای پروتئین codon-optimized E2 (oE2) که عمده‌ترین مشخصه‌ی ایمنی BVDV است، را دارا هستند.

 

2.3.3       نانوذرات طلا

نانوذرات طلا می‌توانند در ابعاد 1 تا 150 نانومتر به‌راحتی به اشکال مختلف (مثل میله‌ای، کروی و مکعبی و غیره) و با سطوحی اصلاح‌شده با کربوهیدارت‌ها در آورده شوند. هر دو عامل اندازه و شکل بر پاسخ‌های ایمنی حاصل از نانوذرات طلا تأثیر دارد، به‌طوری که می‌تواند منجر به افزایش پاسخ ایمنی از طریق مسیرهای سیتوکین11 مختلف شود. پاسخ‌های ایمنی آنتی‌ژن‌های مورد نظر می‌تواند به‌وسیله‌ی اصلاح منطقی سطح نانوساختارهای Au تقویت شود. علاوه‌بر این، نانوذرات طلا می‌توانند به‌عنوان حامل‌هایی برای آنتی‌ژن‌های حاصل از ویروس‌هایی مانند آنفولانزا، یا به‌عنوان یاور واکسن‌های DNA برای HIV مورد استفاده قرار بگیرد. اکسایش AuNPها به‌وسیله‌ی گروه‌های سولفوری موجود در اپیتوپ پروتئین‌ها، اتصال آنتی‌ژن و توسعه‌ی واکسن‌های جدید بر مبنای نانوذرات را بسیار آسان کرده است.

استفاده از نانوذرات به‌عنوان یاور واکسن در انواع مختلفی از واکسن، شامل واکسن‌های درمان سرطان و امراض عفونی نشان داده شده است. ذرات طلای کلوئیدی که به‌صورت جزئی یا کامل به آنتی‌ژن‌ها متصل شده‌اند می‌توانند موجب القاء پاسخ ایمنی برای تولید آنتی‌بادی‌های بسیار اختصاصی شوند. نانوذرات طلا (AuNPها) و نانو میله‌های طلا (AuNRها) که به مولکول‌های دیگری متصل شده‌اند می‌توانند به‌عنوان یاور و به‌منظور القاء پاسخ ایمنی فعال‌تر نسبت به واکسن‌های عادی مورد استفاده قرار بگیرند. مطالعه‌ای از قبل نشان داده است که آنتی‌ژن-F1 پوشش داده شده بر روی سطح نانوذرات طلا با اندازه‌ی nm 15 در مقایسه با آنتی‌ژن-F1 تنها، پاسخ آنتی‌بادی IgG بیشتری در موش ایجاد می‌کند. اثرات ایمنی‌زایی نانوساختارهای طلا تا حد زیادی به‌وسیله‌ی اندازه و شکل آن‌ها تحت تأثیر قرار می‌گیرد. Niikura و همکارانش اثر شکل و اندازه‌ی AuNPها بر روی پاسخ ایمنی در داخل بدن موجود زنده را مورد مطالعه قرار داده‌اند.

 

2.3.4        نانوذرات کلسیم

نانوذرات فسفات کلسیم (CaP-NPها) به‌وسیله‌ی مخلوط کردن سدیم سیترات، کلسیم کلراید و سدیم هیدروژن فسفات تحت شرایط کنترل‌شده ایجاد می‌شوند. مشخص شده است که CaP-NPها به‌عنوان موقعیت اتصال مرکزی برای پروتئین‌های آنتی‌ژنی عمل می‌کنند. CaP-NPهای درون‌یاخته، هنگامی‌که pH محیط سلولی در طی فرآیندهای جذب سلولی از خنثی به اسیدی تغییر می‌کند، مواد محبوس شده در داخل خود را آزاد می‌کنند و به سیتوپلاسم منتقل می‌کنند. بنابراین، CaP-NPها می‌توانند به‌طور طبیعی و بدون هرگونه محرک خارجی، محتوای همراه با خود را در محیط رها کنند، که این خصوصیت، آن‌ها را به حامل‌های ایده‌آل برای آنتی‌ژن تبدیل می‌کند. همچنین، نانوذرات چند لایه‌ای پیچیده‌ی متصل به یاورهای آنتی‌ژنی و بخش‌های فعال آنتی‌ژنی با استفاده از شیمی ساده و آسان این نانوذرات سنتز شده‌اند که موجب تقویت پاسخ ایمنی بالقوه شده‌اند. علاوه‌بر این، نانوذرات فسفات کلسیم (CaP-NPs) در شرایط فیزیولوژیک پایدار هستند و به‌طور گسترده به‌عنوان وکتور DNAهای غیر ویروسی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این نانوذرات زیست‌سازگاری فوق‌العاده و زیست‌تخریب‌پذیری آسانی دارند، غیر سمی هستند و برای ساخت واکسن‌های DNA و ایمنی مخاطی12 مناسب هستند. مطالعات قبلی گزارش کرده‌اند که CaP-NPهای اصلاح سطحی شده با اندازه‌ی nm 80 می‌توانند ژن‌های کبد را هدف‌گیری کنند، از DNA داخلی در برابر DNase در حالت‌های داخل بدن و خارج از بدن موجود زنده محافظت کنند، و تراآلودگی مؤثرتری را نسبت به سلول پستانداران نشان دهند.

CaP-NPها می‌توانند در بدن موجودات زنده تخریب شده و به ترکیباتی غیرسمی و زیست‌تخریب‌پذیر تبدیل شوند، بنابراین آن‌ها تحت شرایط فیزیولوژیک ایمن هستند و در نتیجه در حال به‌دست آوردن کاربردهای بالینی متنوعی هستند. همچنین CaP-NPها امکان اصلاح سطح قابل توجهی را به‌وسیله‌ی شیمی سطح ساده برای اتصال آنتی‌ژن‌های متنوع، در محدوده‌ی اندازه ذرات 50-100 نانومتر فراهم می‌کنند. مطالعات قبلی مشخص کرده است که CaP-NPها یاورهای مناسبی برای واکسن‌های DNA و ایمنی مخاطی هستند.

همچنین نانومواد کلسیم به‌عنوان یاور جایگزین برای بسیاری از واکسن‌ها مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته‌اند. برای مثال، CaP-NP تورم کمی در محل تزریق به وجود می‌آورد و پاسخ IgE کمی در مطالعات حیوانی ایجاد می‌کند که به‌وضوح مزیت آن نسبت به تزریق ترکیبات آلوم تجاری را نشان می‌دهد. علاوه‌بر این، آزمایشات گذشته بر روی بدن موجود زنده مشخص کرده است که تجمع CaPها در ابعاد میکرومتر می‌تواند خصلت یاور قوی‌تری از آلومینیوم ایجاد کند و میزان تیتر آنتی‌بادی خنثی‌کننده بالایی را ایجاد کند و در برابر بیماری‌های ویروسی ایمنی بالایی ایجاد کند.

 

2.4 لیپوزوم ها

لیپوزوم‌ها نانوذرات کروی‌شکلی هستند که از یک یا چند دو-لایه‌ی لیپیدی تشکیل شده‌اند شبیه حفره‌های داخل سلولی هستند. لیپیدها یک سر آبدوست و یک دم آب‌گریز دارند که تحت شرایط صحیح در آب خود تجمعی پیدا می‌کنند تا تشکیل لیپوزوم بدهند. مرکز لیپوزوم آبدوست است در حالی‌که داخل بخش دو-لایه آب‌گریز است. لیپوزوم‌ها می‌توانند با قرار دادن پروتئین‌های ویروسی (مثل هماگلوتنین و نورامیدینیداز ویروس آنفولانزا) به طور فعال به سلول‌های هدف می‌چسبند. لیپوزوم‌ها می‌توانند به‌عنوان یاور و حامل‌های رهایش دارو مورد استفاده قرار بگیرند، که عملکرد اصلی آن پایدارسازی آنتی‌ژن با حفاظت از آن‌ها از شرایط زیستی، کاهش زدوده شدن آنتی‌ژن و افزایش سلول‌های بیان‌کننده‌ی رهایش (APCها) است. لیپوزوم‌ها قابلیت زیادی در کاربردهای بالینی دارند زیرا آن‌ها زیست‌سازگار و پایدار در بدن هستند. همچنین ساخت آن‌ها و قابلیت تولید انبوه آن‌ها بالاتر است. قابلیت سیستم‌های لیپوزومی برای رهایش آنتی‌ژن و تقویت پاسخ ایمنی حائز اهمیت است.

پاک شدن سریع‌تراز محل تزریق و ماندن در محل خروج گره‌های لنفاوی (dLNها) می‌تواند با اتصال لیپوزوم‌های حاوی 1، 2- دی اولئوئیل-3-تری متیل آمونیوم پروپان (DOTAP) انجام شود که منجر به افزایش 10 تا 300 برابری پاسخ IgG2a و IgG2b در مقایسه با واکسیناسیون با آنتی‌ژن حل‌شده می‌شود. نشان داده شده است که همراه کردن لیپوزوم‌های R8 با پلی اینوسینیک: پلی سیتیدیلیک اسید (PolyI: C) ، که یک dsRNA سنتزی است، در مقایسه با آنتی‌ژن فرموله شده با polyI: C محلول یا یاور کامل فروند (CFA) پاسخ‌های CTL را به میزان قابل توجهی تقویت می‌کند و رشد تومور را کاهش می‌دهد.

علاوه‌بر این، ایمن‌سازی با لیپوزوم‌هایی با قطر بیشتر از nm 400 در مقایسه با لیپوزوم‌های 100 نانومتری، منجر به افزایش دو برابری در نسبت IgG2a/IgG1 شد. علاوه‌بر این، مطالعات گذشته نشان داده است که اندازه حداقل برای لیپوزوم کاتیونی CAF01 که از دی متیل- دی اکتادسیل- آمونیوم (DDA) و ترهالوز دی بهنات (TDB) تشکیل شده است، نقشی ایفا نمی‌کند. صرفنظر از اندازه‌ی لیپوزوم (که از nm 300 تا µm 4 متغیر است) ، لیپوزوم CAF01 هیچ‌گونه جذب یا پاسخ IgG1/2 وابسته به اندازه‌ای در مطالعات داخل بدن موجود زنده از خود نشان نداد، در حالی که افزایش وابسته به اندازه در تکثیر سلولی، در اندازه‌ی ذرات بزرگتر ذکر شده است که احتمالا به‌دلیل بازداری بیشتر آن‌ها در گره‌های لنفاوی است.

 

2.5  پلیمر

انواع مختلفی از پلیمرها به‌دلیل زیست‌سازگاری، شیمی متنوع و سرعت زیست‌تخریب‌پذیری کم برای تهیه‌ی نانوذراتی مورد استفاده قرار گرفته‌اند که به‌منظور گیراندازی آنتی‌ژن برای رهایش هدفمند به سلول‌های خاص یا رهایش آهسته‌ی آنتی‌ژن استفاده شده‌اند. در این مقاله‌ی مروری، چهار نوع از نانوذرات پلیمری مورد بررسی قرار گرفته‌اند و ما آن‌ها را به دو دسته‌ی پلیمرهای استحصال شده از طبیعت (مثل کیتوسان13 و ɤ-PGA) و پلیمرهای سنتزی (مثل PLGA و PLA) دسته‌بندی کرده‌ایم.

کیتوسان (CS) یک پلی آمینوساکارید مشتق شده از استیل‌زدایی از کیتین است که کوپلیمری متشکل از مونومرهای D-گلوکزآمین و N-استیل-d-گلوکزآمین است که به‌وسیله‌ی پیوندهای β- (1و4) به یکدیگر متصل شده‌اند. این پلی ساکارید عمدتا از اسکلت خارجی سخت پوستان و ماهیان مرکب و سایر منابع مانند قارچ‌ها به‌دست می‌آید. بنابراین، هزینه‌ی استخراج کیتوسان پایین است. نانوذرات کیتوسان خصوصیات منحصربه‌فردی مانند غیرسمی بودن و قابلیت اصلاح آسان به شکل و اندازه‌ی مورد نظر را دارند که در نتیجه آن را برای استفاده در واکسن‌ها و سیستم‌های رهایش داروی مختلف مانند واکسن‌های HBV، واکسن‌های بیماری نیوکاسل و واکسن‌های DNA مناسب می‌کند. نانوذرات کیتوسان متصل شده به rHBs-Ag خصوصیت تقویت پاسخ بالاتری از یاور آلوم پس از تزریق درون عضله‌ای به موش ایجاد می‌کند.

گاما پلی-گلوتامیک (PGA-ɤ) نانوذراتی محلول در آب هستند که به عنوان سیستم‌های رهایش آنتی‌ژن و یاور در واکسن مورد استفاده قرار گرفته‌اند تا پاسخ‌های ایمنی سلولی و هومورال را القاء نمایند. آنتی‌ژن‌هایی مانند HIV-1 p24، HIV-1 gp120 و پروتئین بیماری ورم مغز ژاپنی می‌توانند به‌وسیله‌ی PGA-ɤ پوشش داده شوند و از طریق آن رهایش پیدا کنند. نانوذرات PGA-ɤ خصوصیات ذاتی تحریک پاسخ ایمنی را به این دلیل بروز می‌دهند که مشخص شده است که آن‌ها پاسخ‌های ایمنی ذاتی و تطابقی را از طریق مسیرهای اعلام پیام TLR4 و MyD88 بدون نیاز به هر گونه مولکول یاور القاء می‌کنند. علاوه‌بر این، اندازه‌ی نانوذرات PGA-ɤ در جذب آنتی ژن به‌وسیله‌ی APCها و رشد و مهاجرت آن‌ها به گره‌های لنفاوی به اثبات رسیده است. استفاده از نانوذرات PGA-ɤ با قطر nm 40 فعال‌سازی بیشتر DCها و مهاجرت آن‌ها به گره‌های لنفاوی را نسبت به نانوذرات 100 یا 200 نانومتری در پی دارد. نانوذرات PGA-ɤ همچنین برای طراحی واکسن برای درمان سرطان مورد استفاده قرار گرفته است.

کوپلیمر پلی (لاکتیک-کو-گلیکولیک اسید) (PLGA) همچنین می‌تواند آنتی‌ژن را برای رهایش به سلول‌های خاص در خود نگه دارد یا انتشار آنتی‌ژن یا مولکول‌های یاور را برای چندین هفته تا چندین ماه به تأخیر بیندازد که مشخص شده است این کار موجب افزایش تحریک سیستم ایمنی می‌شود. ذرات PLGA برای رهایش آنتی‌ژن‌های ناشی از پاتوژن‌های مختلفی مانند ویروس هپاتیت B (HBV) ، پروتئین مالاریای VMP001، باسیلوس آنتراسیس، آنتی‌ژن‌های HIV و آنتی‌ژن‌های همراه با تومور مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

قابلیت تنظیم دقیق ترکیب مولکولی و وزن آن‌ها به‌‌راحتی می‌تواند موجب کنترل سرعت انتشار آنتی‌ژن‌ها و یاورها در چندین مرحله پس از یک نوبت واکسیناسیون شود. هنگامی که آنتی‌ژن اوالبومین (OVA) و یاور مونوفسفوریل لیپید A (MPLA) در نانوذرات PLGA بارگذاری شود، مصرف خوراکی آن به‌میزان قابل توجهی مقدار آنتی‌بادی IgG و IgA بیشتری نسبت به محلول OVA یا نانوذرات PLGA که تنها با OVA بارگذاری شده‌اند، ایجاد می‌کند. PLGA همانند سایر پلیمرها مانند پلی (L-لاکتیک اسید) (PLA) ، پلی (اتیلن گلیکول) (PEG) ، و پلیمرهای طبیعی مانند پلی ساکاریدها می‌تواند به شکل نانوذرات هیدروژلی سنتز شوند که نوعی از شبکه‌ی پلیمری سه‌بعدی آبدوست است.

پلی (L-لاکتیک اسید) (PLA) پلیمر سنتزی دیگری است که نانوذراتی با وزن 85000 تا 160000 دالتون حاصل می‌کند که به دلیل خصوصیات مشخص و در دسترس بودن از نظر تجاری برای سیستم‌های رهایش دارو دارای مزیت است. کامپوزیت‌های گرافن اکسید/PLA-PEG ظرفیت قابل قبولی برای بارگذاری پاکلی‌تاکسل14 و رهایش آرام دارو در مطالعات خارج از بدن موجود زنده نشان داده است.

به‌طور خلاصه، پلیمرهای طبیعی به‌دلیل فراوانی بالای آن‌ها در طبیعت، آب‌گریزی، زیست تخریب‌پذیری و برهم‌کنش‌های ویژه با بافت‌ها موادی جالب توجه برای کاربردهای رهایش واکسن هستند.

مطالعات اخیر بر روی بهبود پایداری فیزیکی نانوذرات مبتنی بر پلیمرهای طبیعی، منجر به فرمولاسیون‌های جدید واکسن با کارآیی بهبود یافته برای رهایش آنتی‌ژن، خصوصا برای واکسیناسیون از مسیر مخاطی شده است. مطالعات آینده باید بر روی بکارگیری خصوصیات هدف‌گیری بافت به‌وسیله‌ی این زیست-پلیمرها و مشخص کردن جزئیات و پیچیدگی‌های سازوکار عملکرد، شامل خصوصیات ذاتی ایمنی‌زایی این زیست-پلیمرها متمرکز شود.

 

2.6  کمپلکس‌های محرک سیستم ایمنی

کمپلکس‌های محرک سیستم ایمنی (ISCOMها) ذراتی به شکل قفس با ساختارهای خود آرایش یافته هستند که از زیست مولکول‌هایی شامل یاور ساپونین، کلسترول، فسفولیپیدها، و آنتی‌ژن‌های پروتئینی تشکیل شده‌اند. ISCOMها در حدود nm 40 بزرگی دارند. عملکرد ISCOMها در تحریک سیستم ایمنی ناشی از توانایی آن‌ها برای به دام انداختن آنتی‌ژن به وسیله‌ی برهم‌کنش‌های غیرقطبی است. آنتی‌ژن‌های مختلفی به همراه ISCOMها مورد استفاده قرار گرفته‌اند که شامل آنتی‌ژن‌های حاصل از ویروس آنفولانزا، ویروس تبخال، HIV و بیماری نیوکاسل هستند که نشان می‌دهد این ذرات کروی کاملا برای تهیه‌ی واکسن مناسب هستند. ISCOMها تنها می‌توانند به‌عنوان یاور و نه برای رهایش دارو در ساخت واکسن مورد استفاده قرار بگیرند. در فرآیند منطقی و حساب‌شده‌ی واکسن‌های نوین، اکثر آنتی‌ژن‌ها (مثل آنتی‌ژن‌های نوترکیب قابل انحلال) با ISCOMها ارزیابی می‌شوند زیرا آنتی‌ژن دیگر در داخل این ذرات قرار نمی‌گیرد. در درجه‌ی اول، نیروهای جاذبه الکترواستاتیک هستند که باعث اتصال آنتی‌ژن می‌شوند و تا حدی عملکرد ISCOMها را تعیین می‌کنند. ISCOMATRIX می‌تواند با آنتی‌ژن ترکیب شود و باعث القای پاسخ‌های ایمنی ناشی از آنتی‌بادی و سمیت سلولی شود.

 

2.7  امولسیون‌ها

امولسیون‌ها در ابعاد نانو می‌توانند با اندازه‌ای در محدوده‌ی 50 تا nm 600، به‌عنوان یاور در واکسن‌ها مورد استفاده قرار بگیرند. این نانوذرات می‌توانند در شکل‌های روغن-در-آب یا آب-در-روغن وجود داشته باشند که نانو قطرات در آن‌ها به‌وسیله‌ی سورفکتانت کافی، پایدار شده است. امولسیون‌ها پلیمرها را در فاز آلی حل می‌کنند و سپس با فاز آبی تشکیل امولسیون می‌دهند. بر حسب میزان آبگریزی واکسن، می‌تواند در فاز آلی یا آبی امولسیون قرار بگیرد. امولسیون‌های پوشش داده شده با پلیمر از طریق تشکیل یک نانوساختار هسته-پوسته به‌صورت نانو کپسول عمل می‌کنند. امولسیون‌ها می‌توانند به‌وسیله‌ی مخلوط شدن با آنتی‌ژن یا به‌وسیله‌ی کشاندن آنتی‌ژن به داخل هسته‌ی خود حبس کنند تا رهایش کارآمد واکسن را حاصل کنند.

امولسیون‌ها قابلیت بسیار زیادی در علم تولید واکسن با کمک فناوری نانو دارند و ترکیب اسکوالن، جزء روغنی چندین یاور امولسیون o/w برای واکسن‌های آنفولانزا است. علاوه‌بر واکسن‌های آنفولانزا، یاورهای MF59 در مطالعات آزمایشگاهی برای استفاده در واکسن‌هایی نظیر HSV، HIV، HBV، HCV و CMV مورد ارزیابی قرار گرفته است.

سرنوشت نانوذرات از لحاظ زیستی یکی از عوامل مهم برای کاربرد بالقوه‌ی آن‌ها به‌عنوان وکتور و/یا تنظیم‌کننده‌ی پاسخ ایمنی در واکسن است. یک وکتور/تنظیم‌کننده‌ی پاسخ ایمنی باید زیست‌سازگار باشد، زیست‌تخریب‌پذیر باشد، تهیه‌ی آن ارزان باشد، خصلت آنتی‌ژنی نداشته باشد و قادر به تشدید پاسخ ایمنی مناسبی باشد. در میان چندین نوع از نانومواد معرفی‌شده در این مقاله‌ی مروری، بجز طلا، سایر مواد می‌توانند تخریب شده و از بدن پاک شوند.

به‌طور کلی، نانومواد می‌توانند منجر به تنش اکسایشی و التهاب سلول‌ها و بافت‌ها بشوند. به‌طور مشخص، آن‌ها می‌توانند تولید گونه‌های فعال حاوی اکسیژن (ROSها) که می‌توانند منجر به اثرات سمیت برای سلول‌ها شوند را القاء کنند. این اثرات سمیت، معمولا به‌وسیله‌ی خصوصیات ذاتی فیزیکی و شیمیایی نانومواد، شامل اندازه، شکل، بار سطحی، اصلاح سطح، ترکیب شیمیایی، تخریب و تشکیل یک تاج پروتئینی15 تحت تأثیر قرار می‌گیرد. با این وجود، تنظیم مناسب خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مانند اندازه و گروه‌های عاملی سطحی می‌تواند به‌طور مؤثری سمیت را کاهش دهد و راندمان حذف نانومواد از بدن را بهبود دهد. برای مثال، سمیت سلولی AuNRهای پوشش داده شده با CTAB را می‌توان با عامل‌دار کردن با پلی الکترولیت رفع کرد. این نتایج نشان می‌دهد که اصلاح منطقی شیمی سطح می‌تواند به‌طور معناداری سمیت نانوذرات فلزی را کاهش دهد. این مسئله نشان می‌دهد که چگونه می‌توان از اثرات جانبی جدی ناشی از نانومواد در موارد استفاده‌ی عملی از آن‌ها اجتناب کرد.

پس از خلاصه کردن برخی ترکیبات شیمیایی مختلف نانومواد، این مقاله‌ی مروری به اثرات زیستی مختلف این نانومواد برای تنظیم پاسخ ایمنی واکسن‌ها بر مبنای خصوصیات فیزیکی مختلف آن‌ها (شکل، اندازه، اصلاح شیمیایی و زیستی سطح) (جدول 1) می‌پردازد. بنابراین، در مقیاس نانو، ترکیب شیمیایی، خصوصیات فیزیکی و اصلاحات بیوشیمیایی ذرات، اثرات زیستی آن‌ها در بدن موجودات زنده را مشخص می‌کند.

 

3        برهم‌کنش‌های نانوذرات با آنتی‌ژن

اجزای مورد نیاز یک واکسن مؤثر شامل یک آنتی‌ژن برای القاء پاسخ ایمنی انطباقی، سیستم رهایش که می‌تواند هدفمندی رهایش آنتی‌ژن و فعال‌کننده‌ی پاسخ ایمنی برای رسیدن به APCها را تضمین کند و تقویت کننده‌ی پاسخ ایمنی که سیستم ایمنی ذاتی را تحریک می‌کند، هستند. سیستم‌های رهایش و تقویت‌کننده‌ی پاسخ ایمنی دارای انواع مختلفی از فرمولاسیون‌های واکسن مبتنی بر نانوذرات هستند (شکل 1).

 

برای نانوذراتی که به‌عنوان سیستم رهایش عمل می‌کنند، پوشش‌دهی آنتی‌ژن و نانوذره عموما ضروری است (شکل 2). همراه کردن آنتی‌ژن‌ها با نانوذرات می‌تواند از تخریب آنتی‌ژن جلوگیری کند و پایداری آن‌ها را افزایش دهد، (یعنی آنتی‌ژن و نانوذره به‌صورت همزمان به‌وسیله‌ی سلول ایمنی جذب می‌شوند، یا به‌صورت یک سیستم رهایش آهسته عمل می‌کنند). نانوذرات مبتنی بر سیستم‌های رهایش واکسن که می‌توانند این معیارها را برآورده کنند، چندین مزیت نسبت به واکسن‌های سنتی دارند؛

1) کپسوله شدن همزمان آنتی‌ژن و عامل تحریک کننده‌‌ی پاسخ ایمنی در نانوذرات، ایمنی‌زایی و قدرت تأثیرگذاری واکسن را افزایش می‌دهد. 2) ذرات که برای رهایش سیتوزولی16 آنتی‌ژن‌ها طراحی شده‌اند بیان متقاطع و بیان MHC-I آنتی‌ژن را تقویت می‌کنند و در نتیجه پاسخ سیتوزولی سلول‌های T لمفوسیتی (CTL) را افزایش می‌دهند. 3) APCها به‌راحتی می‌توانند تحت فرآیند بیگانه‌خواری17 قرار بگیرند. 4) بیان چندظرفیتی آنتی‌ژن‌ها بر روی سطح ذرات امکان اتصال تقاطعی گیرنده‌های سلول‌های B به‌منظور تقویت پاسخ ایمنی هومورال را امکان‌پذیر می‌کند. و 5) اصلاح سطح ذرات با گروه‌های عاملی و لیگاندها امکان هدف‌گیری اختصاصی بافت و سلول را فراهم می‌کند.

 

یک سیستم رهایش کارآمد باید آنتی‌ژن را تغلیظ کند، از آنتی‌ژن در برابر تخریب شدن محافظت کند، جذب و بیان به‌وسیله‌ی سلول‌های دندریتیک18 (DCها) را افزایش دهد و تولید سیتوکین‌ها که عامل ایجاد پاسخ ایمنی قوی هستند را القاء کند (شکل 3). نانوذرات سخت مبتنی بر سیلیکا، طلا و کلسیم فسفات به‌طور گسترده‌ای برای کاربرد به‌عنوان سیستم رهایش مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند و برای اتصال آنتی‌ژن طراحی بر روی ساختار آن‌ها انجام شده است (شکل 4). اتصال آنتی‌ژن از طریق جذب‌سطحی فیزیکی یا روش‌های پیچیده‌ی دیگر مانند اتصال شیمیایی و کپسوله کردن انجام شده است. جذب سطحی آنتی‌ژن بر روی نانوذرات عموما بر اساس بار یا برهم‌کنش‌های آب‌گریز انجام می‌شود. بنابراین، برهم کنش میان نانوذره و آنتی‌ژن نسبتا ضعیف است که ممکن است منجر به تفکیک سریع آنتی‌ژن و نانوذره در بدن موجود زنده شود. کپسوله کردن و اتصال شیمیایی برهم کنش قوی‌تری میان نانوذره و آنتی‌ژن ایجاد می‌کند. در کپسوله کردن، آنتی‌ژن با مواد اولیه‌ی تولیدکننده‌ی نانوذرات در خلال سنتز نانوذره مخلوط می‌شود که منجر به بدام افتادن آنتی‌ژن به هنگام تشکیل نانوذرات از مواد اولیه‌اش می‌شود. آنتی‌ژن تنها هنگامی از نانوذره خارج می‌شود که آن نانوذره در داخل بدن موجود زنده و یا سلول تخریب شود. از سوی دیگر، در مورد اتصال شیمیایی، آنتی‌ژن به‌صورت شیمیایی به سطح نانوذره اتصال پیدا می‌کند. آنتی‌ژن به همراه نانوذره به داخل سلول جذب می‌شود و سپس در داخل سلول آزاد می‌شود. در سیستم رهایش با نانوذرات نرم، مانند نانوذرات مبتنی بر VLPها، ISCOM، ISCOMATRIXTM، یا لیپوزوم‌ها، اتصال BN-آنتی‌ژن از طریق اتصال شیمیایی، جذب‌سطحی و کپسوله شدن صورت می‌گیرد.

برای رویکردهای تقویت‌کننده‌ی ایمنی، نانوذرات می‌توانند بیان آنتی‌ژن را بهبود دهند و ایمنی‌زایی را به‌وسیله‌ی فعال کردن مسیرهای خاصی از ایمنی بهبود دهند. یاورهای مورد استفاده در واکسن می‌توانند موجب ایجاد پاسخ ایمنی به‌وسیله‌ی تقویت میزان و تحت تأثیر قرار دادن پاسخ اختصاصی نسبت به آنتی‌ژن شوند. برای اینکه نانوذرات به‌عنوان تقویت‌کننده‌ی سیستم ایمنی استفاده شوند، اتصال و برهم‌کنش میان نانوذره و آنتی‌ژن امری الزامی نیست و حتی در صورتی‌که موجب ایجاد تغییر در ساختار آنتی‌ژن در سطح نانوذرات شود، نامطلوب هم محسوب می‌شود. نشان داده شده است که نانوذرات نرم، مانند یاورهای مبتنی بر امولسیون‌ها، از جمله MF59 و AS03 برای یک آنتی‌ژن هدف، حتی هنگامی‌که به‌صورت مجزا و قبل از آنتی‌ژن تزریق شده‌اند هم نقش یاور را ایفا کرده‌اند. مولکول‌هایی که به‌عنوان تحریک‌کننده‌ی پاسخ ایمنی در فرمولاسیون واکسن مورد استفاده قرار گرفته‌اند شامل سموم باکتریایی (سم کولرا، سم E. coli حساس به حرارت و غیره) ، ساپونین (Quil-A یا QS-21) و سیتوکین‌ها هستند. به‌طور مشخص، معلوم شده است که سموم باکتریایی آنتی‌ژن را به سلول‌های M در روده می‌رساند که می‌تواند موجب تقویت پاسخ ایمنی بشود و در نتیجه یک پاسخ هومورال در سطح مخاطی ایجاد نماید. سم کولرا (زیرواحد نوترکیب B) مثالی از این سموم است که به‌عنوان یاور برای واکسن خوراکی تجاری‌سازی‌شده‌ی کولرا مورد استفاده قرار گرفته است. مولکول‌های کوچک شامل گیرنده‌های TLR هستند که می‌توانند یک گیرنده‌ی خاص موجود بر روی سطح سلول‌های ایمنی را هدف بگیرند و در ادامه پاسخ ایمنی قوی‌تری ایجاد کنند. آگونیست‌ها19، شامل اولیگونوکلئوتیدهای CpG (TLR 9) ، پلی (I: C) (TLR 3) یا ایمی کیمود (TLR 7/8) بیش از سایر TLRها مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته‌اند و خصوصیات آن‌ها به‌عنوان یاور در واکسن‌هایی بر علیه مالاریا، هپاتیت B، آنفولانزا و همچنین واکسن‌های درمانی مختلف بر ضدسرطان مورد ارزیابی قرار گرفته است. بیشتر یاورهای تحریک‌کننده‌ی پاسخ ایمنی لیگاندهایی برای گیرنده‌های‌شناسایی الگو (PRRها) هستند، هر چند برخی می‌توانند برای ایجاد یک جزء کلیدی برای پاسخ‌های ذاتی (سیتوکین‌ها) یا تحریک یک مسیر فعال‌سازی به صورت مستقیم مورد استفاده قرار بگیرند. آنتی‌ژن‌هایی که به بیش از یک یاور تحریک‌کننده‌ی ایمنی متصل هستند، که رویکرد متداول در سیستم یاورها محسوب می‌شود، قابلیت القاء مؤثر پاسخ‌های ایمنی منطبق بر هر دوی پاتوژن و جمعیت هدف را می‌توانند داشته باشند. برای توسعه‌ی موفق نانوذرات به‌عنوان یاورهای تقویت‌کننده‌ی پاسخ ایمنی، مطالعات بیشتری لازم است تا درک مناسب‌تری از شیوه‌ی برهم‌کنش میان نانوذرات و سیستم‌های ایمنی حاصل شود.

 

4        نانوذرات برهم‌کنش‌کننده با سلول‌های بیان‌کننده‌ی آنتی‌ژن

وارد کردن ترکیبات آنتی‌ژنی به داخل نانوذرات توجه فراوانی را به خود جلب کرده است و تمرکز بر روی این موضوع است که چگونه آنتی‌ژن به‌صورتی کارآمدتر برای سلول‌های بیان‌کننده‌ی آنتی‌ژن (APCها) رهاسازی شوند و سپس موجب فعال‌سازی پاسخ ایمنی شوند. سلول‌های دندریتیک (DCها) و ماکروفاژها، APCهای خاصی هستند که اغلب در طراحی واکسن مورد هدف قرار می‌گیرند. DCها مؤثرترین APCها هستند، که به‌وسیله‌ی آن‌ها تولید پاسخ ایمنی عموما نیاز به بیان پپتید دارد. انتظار داریم که مطالعات آینده بر روی بررسی DCها و سازوکار‌های جذبی ماکروفاژ و برهم‌کنش‌های نانوذرات با APCها برای توسعه‌ی واکسن‌های مؤثری بر مبنای نانوذرات متمرکز شود. بیان متقاطع آنتی‌ژن برون‌زاد به‌وسیله‌ی آنتی‌ژن‌های APC برای تحریک سلول‌های سمی T برای واکسن‌ها لازم است (شکل 5). ارتباط تنگاتنگی میان سیستم اتصال آنتی‌ژن برای فعال‌سازی یاور و پاسخ سلول‌های سمی T با واکسن‌های مبتنی بر نانوذرات پروپیلن سولفید مشاهده شده است. مطالعات قبلی گزارش کرده‌اند که اندازه، بار و شکل نانوذرات نقشی اساسی در جذب آنتی‌ژن دارد.

به‌طور کلی، نانوذرات می‌توانند به‌وسیله‌ی APCها به‌سهولت‌شناسایی و به‌وسیله‌ی آن‌ها جذب شوند تا پاسخ‌های ایمنی مربوط به اجزای سلولی با اندازه‌ی مشابه را ایجاد نمایند. آن‌ها می‌توانند از طریق سازوکار درون‌بری و خصوصا قطره‌خواری21 به سلول‌های زنده وارد شوند. اثر اندازه‌ی ذره بر روی ایمنی‌زایی به جذب سلولی ذرات نانو در مقایسه با ذرات بزرگ‌تر مربوط می‌شود.

بار سطحی فاکتور مؤثر و دارای اهمیتی مشابه در برهم‌کنش میان نانوذرات و APCها است. ذرات با بار سطحی مثبت با اندازه ذره‌ی 1 میکرومتر هم جذب می‌شوند. برهم‌کنش الکترواستاتیک نانوذرات کاتیونی با غشاء آنیونی سلول منجر به جذب APC بالاتر نانوذرات کاتیونی و خون‌کافت و انعقاد پلاکت نسبت به ذرات خنثی و آنیونی می‌شود. با این وجود، بار سطحی ذرات، در خلال برهم‌کنش با DC، اثر متفاوتی بر روی ذرات با اندازه‌ی کمتر از 5/0 میکرومتر می‌گذارند.

علاوه‌بر اندازه و بار، شکل ذره نیز نقش قابل توجهی در فعال‌سازی پاسخ‌های ایمنی ایفا می‌کند. برای ذرات بزرگ (بزرگتر از 1 میکرومتر) ، جذب ذرات به‌وسیله‌ی APCها تا حد زیادی به شکل موضعی ناحیه‌ی تماس میان ذرات و APCها بستگی دارد. مشخص شده است که ذرات پلیمری سوزنی-شکل، حالت گذار (غیرسمی) نفوذپذیر کردن غشاء سلول‌ها را تقویت می‌کنند.

اصلاح سطح، عامل انتقال واکسن و اثر آب‌گریزی نیز تعداد دیگری از عوامل مؤثر بر روی برهم‌کنش نانوذرات با APCها هستند. پاسخ ایمنی بالایی به‌واسطه‌ی آب‌گریز بودن ذرات در مقایسه با ذرات آب‌دوست القاء شده است.

 

5        نتیجه‌گیری و دورنمای آینده

واکسن‌ها به میزان زیادی از فرمولاسیون‌های حاوی نانوذرات سود می‌برند. نانوذرات به‌دلیل کاربردشان به‌عنوان سیستم‌های رهایش یا محرک سیستم ایمنی، در سال‌های اخیر توجه فراوانی را به خود جلب کرده‌اند. آن‌ها نه‌تنها منجر به بهبود جذب آنتی‌ژن و رساندن هدفمند به APCها می‌شوند، بلکه ایمنی‌زایی و رهایش آهسته‌ی آنتی‌ژن‌ها را بهبود می‌دهند. در این مقاله‌ی مروری، انواع وسیعی از فرمولاسیون‌های مبتنی بر نانوذرات با اندازه، ترکیب و بار سطحی مختلف پوشش داده شد که تمامی آن‌ها عناصری کلیدی در تنظیم توزیع زیستی، تردد سلولی، و پاسخ ایمنی کل هستند. بیشتر الگوهای واکسن حاوی این ذرات که مورد بررسی قرار گرفتند، به دلیل زیست‌تخریب بودن، زیست‌سازگار بودن و سمیت حداقلی، می‌توانند جایگزین‌های ایمن و مؤثری برای فرمولاسیون‌های مرسوم واکسن‌ها باشند.

علاوه‌بر این، نشان داده شده است که نانوذرات نه تنها آنتی‌ژن مورد نظر، بلکه یاور همراه آن، شامل پلی (I: C) ، CpG و MPL را نیز حمل می‌کند. واکسن‌های مبتنی بر نانوذرات بهبود قابل توجهی نسبت به واکسن‌های مرسوم در خصوص توانایی بهبود بیان تقاطعی آنتی‌ژن‌ها و ایجاد ایمنی سلولی قوی فراهم می‌کنند. با این وجود، چالش‌ها به‌دلیل عدم درک نقش یاورها و سازوکار مولکولی آن‌ها در رابطه با توزیع زیستی و هدف‌گیری همچنان باقی است. زیرا درک این مسائل، جنبه‌های زیست-فیزیکی و زیست-داروئی ضروری برای نانوذرات را به منظور بهبود تحریک پاسخ ایمنی، مشخص می‌کند. علاوه‌بر این، نیازهای برآورده نشده‌ای در طراحی منطقی سیستم‌های واکسن جدید وجود دارد که شامل واکسن تک-دوز و تزریق بدون سرنگ هستند و در آینده‌ی نزدیک به‌همراه برخی خصوصیات جذاب دیگر، مانند رهایش آهسته، هدف‌گیری و روش‌های مصرف جایگزین و راه‌های رهایش عملیاتی می‌شوند. بنابراین، قابلیت تولید تجاری این سیستم‌ها باید مدنظر قرار بگیرد زیرا افزایش آسان مقیاس و اقتصادی بودن به‌همراه تکرارپذیری در تنظیمات صنعتی از محدودیت‌های جدی برای استفاده از آن‌ها در کاربردهای بالینی است.

به‌طور کلی، نانومواد پلیمری به‌عنوان حامل‌های واکسن یا کنترل‌کننده‌ی پاسخ ایمنی، به‌دلیل ایمنی زیستی خوب آن‌ها و کارآیی در بدن موجود زنده، نزدیک‌ترین گروه برای رسیدن به کاربردهای بالینی هستند. طراحی منطقی برای نانومواد همچنان برای توسعه‌ی ایمن و مؤثر وکتورها و/یا کنترل‌کننده‌های پاسخ ایمنی مفید است. طراحی منطقی به‌همراه تولید تکرارپذیر نانومواد با خصوصیات، عملکردها و کارآیی مطلوب، به‌طور روز افزون ضرورت پیدا می‌کند. انطباق پیدا کردن فن‌آوری‌های نوین مانند میکروفلوئیدیک و سنتز کنترل‌شده‌ی نانوذرات، توسعه‌ی نانوذرات مناسب برای کاربردهای داروسازی را شتاب خواهد داد.

 

منبع:

1.     Y. Shen, T. Hao, S. Ou, C. Hu, L. Chen, MedChemComm, 9 (2018) 226-238.