کاربرد نانوذرات سیلیکای غیرمتخلخل در پزشکی

1. مقدمه
نانوپزشکی درواقع استفاده از فناوری نانو برای کاربردهای پزشکی است که در چند دهه اخیر گسترش و توسعه قابل‌توجهی یافته است. یکی از اهداف نانوپزشکی، طراحی و سنتز حامل دارو است. ویژگی‌های این حامل دارو عبارت است از: امکان بارگذاری مقادیر مناسب دارو، قابلیت عبور از موانع فیزیولوژیک برای رسیدن به مکان‌های هدف و درمان‌کننده‌ای آسان و پایدار. نانوداروهای آلی متعددی، ازجمله لیپوزوم‌ها، ترکیبات دارو- پلیمر، درخت‌سان‌ها (دندریمرها) ، میسل‌های پلیمری و نانوذرات (NP ها) به‌طور گسترده به‌عنوان سیستم‌های دارورسانی مطالعه شده است (شکل 1). هر یک از روش‌های دارورسانی ذکرشده مزایا و معایب خاص خود را دارند. به‌عنوان‌مثال، امکان بارگذاری مقادیر بالایی از دارو در لیپوزوم وجود دارد اما ثبات ساختاری ذاتی لیپوزوم به‌خصوص تحت تنش برشی اعمالی از مایعات داخل بدن، به طرز نامطلوبی کم است. سیستم‌های دارورسانی معدنی مانند نانوذرات طلا، نقاط کوانتومی (QD‌ها) ، نانوذرات سیلیکا، نانوذرات اکسید آهن، نانولوله‌های کربنی و دیگر نانوذرات غیر آلی با ساختارهای توخالی یا متخلخل، به‌عنوان جایگزین سیستم‌های آلی بوده و طیف گسترده‌ای از کاربردهای زیست پزشکی را دارا هستند (شکل 2). در میان این نانوذرات، نانوذرات سیلیکا به دلیل خواص منحصربه‌فرد توجه بسیاری را به خود جلب کرده است که پاسخگوی برنامه‌های کاربردی درون تن است. این خواص منحصربه‌فرد عبارتند از: سطح آب‌دوست (که امکان گردش طولانی‌مدت در بدن را فراهم می‌کند) ، امکان عامل دار کردن سطح با گروه شیمیایی سیلان، زیست سازگاری بسیار عالی، سهولت سنتز در مقیاس بالا و تولید با هزینه پایین. در سال 2011 یک تحقیق کاربردی نوین برای بررسی امکان استفاده از نانوذرات سیلیکای غیر متخلخل بسیار کوچک در تصویربرداری مولکولی هدفمند سرطان آغاز شد که تأییدیه سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA) را اخذ نمود و در ادامه برای اولین بار مورد آزمایش بالینی در انسان قرار گرفت که برجسته‌ترین و جدیدترین کاربرد نانوذرات سیلیکا در دارورسانی به شمار می‌رود.
نانوذرات سیلیکای مورد استفاده در حوزه زیست پزشکی به دو دسته طبقه‌بندی می‌شوند: نانوذرات مزومتخلخل (دارای تخلخل‌های برابر) و غیر متخلخل و هر دو دسته دارای ساختار آمورف هستند. نانوذرات مزومتخلخل سیلیکا (با اندازه قطر تخلخل50-2 نانومتر، ) به‌طور گسترده‌ای برای تحویل محموله‌های فعال بر اساس جذب فیزیکی یا شیمیایی استفاده می‌شوند (شکل a3). در مقابل، نانوذرات سیلیکای غیر متخلخل محموله‌های دارویی را از طریق کپسوله کردن یا کنژوگه انتقال می‌دهند (شکل b3 و c3). رهایش محموله از نانوذرات مزومتخلخل سیلیکا را می‌توان با استفاده از راهبرد ''‌دروازه‌بان'' ‌ یا اصلاح سطح داخلی تخلخل‌ها برای کنترل تمایل اتصال با داروها کنترل نمود (شکل a3) ؛ درحالی‌که مشخصات انتشار محموله به‌وسیله‌ی نانوذرات سیلیکای غیر متخلخل با استفاده از اتصال‌دهنده‌های شیمیایی و یا تخریب ماتریس سیلیکا (شکل b3 و c3) کنترل می‌شود. اندازه و شکل نانوذرات سیلیکای غیرمتخلخل را می‌توان به‌خوبی کنترل کرد. اندازه منافذ و ساختار نانوذرات مزومتخلخل سیلیکا با تنظیم ترکیب و غلظت سورفکتانت در طول فرایند سنتز کنترل می‌گردد. کاربردهای نانوپزشکی نانوذرات مزومتخلخل سیلیکا به‌طور گسترده در جای دیگر بررسی‌شده است و در اینجا مورد بحث نیست. همچنین، استفاده از سیلیکا به‌عنوان یک ماده میزبان برای دیگر انواع نانوذرات کاربردی (به‌عنوان‌مثال نانوذرات طلا، نقاط کوانتومی و نانوذرات اکسید آهن) به شکل نانوذرات هیبریدی مورد بحث نیست. در اینجا، ما بر روی نانوذرات غیر متخلخل سیلیکا و کاربردهای زیست پزشکی آن برای تشخیص و درمان بیماری تمرکز می‌کنیم. ما ابتدا به روش‌های مختلف سنتز نانوذرات غیر متخلخل سیلیکا، ازجمله روش‌های توسعه‌یافته برای کنترل اندازه، شکل و خواص سطحی نانوذرات سیلیکا می‌پردازیم. در ادامه کاربردهای زیست پزشکی آن را برای درمان و تشخیص بررسی می‌کنیم. این کاربردها بر اساس نوع محموله‌های فعال مختلف که به‌وسیله‌ی نانوذرات سیلیکا منتقل می‌شوند، طبقه‌بندی می‌شوند. این محموله‌ها عبارتند از: انتقال داروهای ریزمولکول، پروتئین‌ها، فتوسنتز کننده، انتقال ژن و تصویربرداری مولکولی با ترکیب عوامل کنتراست متفاوت. درنهایت، ایمنی و سمیت نانوذرات سیلیکا در هر دو شرایط برون تن و درون تن خواهد شد که برای کاربردهای بالینی بالقوه خود بسیار مهم است.

2. سنتز و کنترل خواص نانوذرات سیلیکا
تلاش‌های بسیاری برای آماده‌سازی نانوذرات سیلیکا با کنترل دقیق خواص فیزیکی و شیمیایی شده است. کنترل عالی فرایند سنتز، پیش‌نیازی برای کاربردهای پزشکی نانوذرات سیلیکا است.
1.2. کنترل اندازه
سنتز نانوذرات سیلیکا با اندازه کنترل شده برای اولین بار به‌وسیله‌ی استابر و همکارانش در سال 1968 گزارش‌شده است. در این روش، سیلیکا کروی با پراکندگی یکنواخت و قطر 50 نانومتر تا 2 میکرومتر با موفقیت به‌وسیله واکنش مخلوطی از آب، حلال‌های الکلی، آمونیاک و تترا الکوکسی سیلان (TEOS) تهیه‌شده است (روش استابر ؛ شکل 4). اثرات حلال‌های الکلی و TEOS و همچنین غلظت هر یک از آن‌ها بر روی نرخ واکنش و اندازه ذرات به‌صورت سیستمیک مورد مطالعه قرارگرفته و مشخص شده است که رشد ذرات از طریق تراکم محدود شده سطح واکنش مونومر هیدرولیز شده و یا الیگومر‌های کوچک پیشرفت می‌یابد.
تشکیل ذرات (یا هسته زنی ذرات) حاصل از یک فرآیند تجمعی زیر ساختارهای سیلوکسانی است که به‌شدت تحت تأثیر پتانسیل سطح ذرات سیلیکا و قدرت یونی محیط واکنش است. بنابراین، پایداری نانوذرات سیلیکا در الکل، آب و مخلوط آمونیاک و وابستگی ثابت نرخ هیدرولیز و تراکم به‌عنوان تابعی از مخلوط واکنش، مهم‌ترین نقش را در تعیین اندازه نهایی نانوذرات سیلیکا بازی می‌کنند.
راهبرد رشد مجدد برای بهبود کنترل اندازه و دستیابی به نانوذرات با اندازه بزرگ‌تر نیز مورد بررسی قرار گرفته است. کوچک‌ترین نانوذراتی که می‌توان با استفاده از روش استابر بدون انبوهه تهیه کرد دارای قطر 15-20 نانومتر هستند و پراکندگی بیشتری (انحراف استاندارد به‌طورمعمول ٪20-10) نسبت به نانوذرات بزرگ‌تر (٪3 > انحراف استاندارد برای نانوذرات بزرگ‌تر از 200 نانومتر) دارند. در اصلاح دیگری از روش استابر ، نانوذرات سیلیکا در میکرو امولسیون آبی با اضافه کردن سورفکتانت ساخته ‌شده‌اند. که از آن جمله می توان به تولید نانوذرات بر پایه سیلیکا که به صورت ارگانیکی اصلاح‌شده و دارای قطر 30 نانومتر در یک سیستم امولسیون با سورفکتانت Aerosol OT و تهیه نانوذرات سیلیکا با اندازه 300-20 نانومتر در امولسیون مبتنی بر آب با سولفونات سدیم دودسیل بنزن به‌عنوان سورفکتانت اشاره کرد.
یک روش جایگزین برای تولید سیلیکا کروی یکنواخت با قطرهای مختلف ده‌ها تا چند صد نانومتر، استفاده از میکرو امولسیون معکوس است که در آن ذرات تشکیل شده در میسل‌های معکوس به‌وسیله‌ی یک سورفکتانت مناسب در یک حلال آلی غیر قطبی به چند جز تقسیم می‌گردند. این رویکرد، مخصوصا برای نانوذرات یکنواخت با قطر کوچک‌تر از 100 نانومتر مناسب است و به‌آسانی به مولکول‌های فعال اجازه می‌دهد در حین شکل‌گیری نانوذرات در میسل معکوس کپسوله شوند. این روش نیز به‌طور گسترده‌ای برای پوشش دیگر نانوذرات کاربردی سیلیکا برای تولید ساختارهای هسته-پوسته استفاده می‌شود.
2.2. کنترل شکل
شکل نانوذرات به‌طور چشمگیری بر روی زمان گردش آن‌ها در خون و رفتار نفوذی آن‌ها به داخل تومور اثر می‌گذارد. گزارش‌شده است که میسل رشته‌ای، زمان گردش بیشتری نسبت به میسل کروی دارد که احتمالا به دلیل دوری از افزایش فاگوسیتوز است. این نیز قابل‌توجه است که نانومیله‌ها نسبت به نانوکره‌ها با سرعت بیشتری به بافت تومور نفوذ می‌کنند که احتمالا به علت بهبود جابه‌جایی از طریق منافذ عروق تومور است. این نتایج اهمیت کنترل شکل نانوذرات را در بهبود عملکرد آن‌ها در گردش خون و نفوذ به بافت موردنظر نشان می‌دهد. اگرچه روش‌های مختلفی برای کنترل اندازه نانوکره‌های سیلیکا وجود دارد اما تنها تعداد انگشت‌شماری از این روش‌ها برای تولید نانومیله/نانولوله سیلیکای یک‌بعدی و دیگر نانوساختارها گزارش‌شده است. روش‌های کنترل شکل نانوذرات سیلیکا به‌طور عمده با استفاده از قالب و یا از طریق جذب پلیمر است. به‌عنوان‌مثال، نانولوله‌های سیلیکا را می‌توان با قالب‌های مختلف آماده کرد، ازجمله غشاهای آندی اکسید آلومینیوم، برس استوانه‌ای پلیمری، و نیکل-هیدرازین نانومیله‌های پیچیده. کویجک و همکارانش سنتز نانومیله‌های سیلیکا با پراکندگی یکنواخت و نسبت ابعاد قابل تنظیم را با‌واسطه پلی وینیل پیرولیدون در یک سیستم امولسیون گزارش داده‌اند (شکل 4). جالب‌توجه است که نانوکره‌های توخالی سیلیکا و نانورتل‌های سیلیکا با ساختار معین و خوبی آماده ‌شده‌اند و کاربردهای مناسبی برای تحویل داروهای ضد سرطان، پروتئین‌ها و DNA دارند.
کنترل آسان شکل نانوذرات سیلیکا برای انجام مطالعات بنیادی درک تأثیر شکل نانوذرات در سیستم‌های بیولوژیکی و برای بهینه‌سازی شکل ذرات در تشخیص و درمان لازم است.
3.2. کنترل ویژگی سطح
خواص سطح نانوذرات نقش مهمی در تعیین تعامل بین نانوذرات و سیستم بیولوژیکی دارد (به‌عنوان‌مثال، ورود و خروج درون‌سلولی، توزیع زیستی و نفوذ نانوذرات به تومور). بنابراین، جهت انتقال هدفمند و موثر دارو و بهبود درمان، تعدیل کردن خواص سطح هر نانودارویی مهم است. اصلاح سطح نانوذرات سیلیکا به‌آسانی از طریق جذب فیزیکی یا ایجاد پیوند کووالانسی با استفاده از ترکیب شیمیایی سیلان صورت می‌گیرد. بسته به کاربرد خاص، ویژگی سطح نانوذرات سیلیکا می‌تواند به‌راحتی تنظیم شود. به‌عنوان‌مثال، بار سطحی نانوذرات سیلیکا می‌تواند به‌راحتی با اضافه کردن 3- آمینو پروپیل تری اتوکسی سیلان، 3- (تری هیدروکسیل سیلیل) - پروپیل متیل فسفونات یا کربوکسی اتیل سیلان تریول، یا سیلان زویترین کنترل ‌شود. درنتیجه، می‌توان نانوذرات سیلیکا با بار سطحی مثبت، منفی و یا زیتریونیک تهیه کرد (شکل 4). درواقع، بسیاری از گروه‌های مختلف فعال دیگر می‌تواند به سطح نانوذرات سیلیکا با استفاده از روش مشابه پیوند زده شوند. زیرا تعداد زیادی از این ترکیبات سیلان به‌صورت تجاری در دسترس وجود دارند. علاوه‌بر این، سطح نانوذرات سیلیکا را می‌توان با پلیمر هم به‌صورت شیمیایی (از طریق پیوند کووالانسی) و هم فیزیکی (با جذب فیزیکی) عامل دار کرد (شکل 4). این نوع عامل دار کردن به دلیل تشکیل پیوند کووالانسی پایدار بین پلیمر و نانوذرات مورد توجه قرار گرفت. به‌عنوان‌مثال، پلی‌اتیلن‌گلیکول (PEG) را می‌توان به سطح نانوذرات سیلیکا از طریق روش «پیوند به» متصل کرد. از سوی دیگر، روش «پیوند از» نیز برای اصلاح سطح نانوذرات سیلیکا استفاده‌ شده است. جیا و همکارانش سطح نانوذرات سیلیکا را با ماده زیست سازگار و فعال‌پذیر زیتریونیک پلی [[3- (اکرولیل آمینه) پروپیل] (2- کربوکسی اتیل) دی متیل آمونیوم] از طریق پلیمریزاسیون رادیکالی انتقالی اتمی پیوند زدند که در آن فرایند پلیمریزاسیون از سطح آغاز می‌شود. تعدادی از تکنیک‌های پلیمریزاسیون آغاز شده از سطح که برای نانوذرات سیلیکا مورد استفاده قرار گرفته است، به‌وسیله‌ی رادهکریشنان و همکارانش در یک مقاله مروری گردآوری‌شده است. همچنین می‌توان سطح نانوذرات سیلیکا را با لیگاندهای هدف مختلفی مانند آنتی‌بادی و یا آپتامرها عامل دار نمود (شکل 4). به‌طور خلاصه، با توجه به شیمی متنوع گروه‌های سیلان، بسیاری از بخش‌های فعال را می‌توان به سطح نانوذرات سیلیکا کنژوگه کرد.
بنابراین، بسیاری از خواص سطحی موردنظر برای کاربردهای زیست پزشکی را می‌توان به‌راحتی با استفاده از نانوذرات سیلیکا به دست آورد که برای توسعه نانوپزشکی هدفمند برای بیماری‌های مختلف بسیار مهم است.

3. نانوذرات سیلیکا در دارورسانی
استفاده از مواد سیلیکا برای تحویل و رهایش کنترل‌شده دارو از اوایل سال 1983 گزارش‌شده است. از آن زمان، با توجه به سازگاری و فرموله کردن آسان این نانوذرات با داروها، نانوذرات سیلیکا به‌صورت گسترده به‌عنوان حامل دارو استفاده می‌شوند. در ابتدا، سیلیکا به‌طور عمده در قالب‌های زروژل حاوی ترکیبات فعال زیستی استفاده می‌شد؛ به‌عنوان‌مثال، زروژل سیلیکا به‌عنوان حامل کاشت برای کنترل آزادسازی دارو استفاده‌ شده است. نانوذرات سیلیکا حدود 10 سال بعد به‌عنوان یک سیستم دارورسانی محبوب مطرح شدند. طیف گسترده‌ای از انواع مختلف محموله، ازجمله داروهای ریزمولکول، داروهای حساس به نور برای درمان فتودینامیک (PDT) ، پروتئین‌ها، پپتیدها، DNA‌ها و RNA‌‌ها به‌منظور هدف قرار دادن بیماری‌هایی مانند سرطان، بیماری‌های قلبی و بیماری پارکینسون در نانوذرات سیلیکا بارگذاری ‌شده‌اند. مزایای استفاده از نانوذرات سیلیکا جهت انتقال مولکول‌های بیواکتیو به شرح زیر است‌:
• محافظت محموله‌ها از تخریب فیزیولوژیکی
• انتشار کنترل‌شده داروها
• حضور برای مدت زمان طولانی‌تردر مسیر گردش خون
• بهبود انتقال هدفمند دارو‌ها
• کاهش عوارض جانبی به بافت‌های سالم
با توجه به خواص محموله برای رهایش و انتقال، راهبردهای مختلفی برای آماده‌سازی نانوذرات سیلیکا استفاده ‌شده است.
1.3. دارورسانی ریزمولکول‌ها
دو راهبرد کلی برای ترکیب داروهای ریزمولکول به نانوذرات سیلیکا وجود دارد: کپسوله و کنژوگه کردن (شکل b3 و c۳). راهبرد پیشین شامل آماده‌سازی نانوذرات سیلیکا با ساختارهای توخالی بوده است، که داروها پس از تشکیل نانوذرات بارگذاری می‌شوند (شکل b3) که به روش کپسوله کردن معروف است. این فرایند منجر به اتصال غیر کووالانسی دارو به ماتریس سیلیسی می‌شود که شبیه به جذب دارو در تخلخل‌های یکسان نانوذرات مزومتخلخل سیلیکا است. مولکول‌های فعال نیز می‌توانند در طول شکل‌گیری نانوذرات در ماتریس سیلیکا کپسوله شوند. در مقابل، در راهبرد کنژوگه کردن داروها و نانوذرات سیلیکا از طریق پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل می‌شوند (شکل c3).
نانوذرات سیلیکا به‌وسیله‌ی یک فرآیند سل-ژل تشکیل می‌شوند که شامل واکنش غیر آلی دو مرحله‌ای هیدرولیز و تراکم است. اضافه کردن مولکول‌های زیست فعال در طول تشکیل اکسید باعث تسهیل کپسوله کردن درون ماتریس اکسیدشده می‌شود که منجر به تولید یک کامپوزیت با مواد تشکیل‌دهنده فعال به دام افتاده در داخل مواد سیلیکا می‌گردد. این راهبرد اغلب برای کپسوله‌سازی طیف وسیعی از مولکول‌های زیست فعال حین آماده‌سازی زروژل سیلیکا استفاده‌شده است. ایجاد خواص نانو ساختار مناسب (برای مثال، چگالی و اندازه تخلخل‌ها) به‌وسیله‌ی کنترل سینتیک واکنش سل-ژل امکان‌پذیر است که در ادامه باعث رهاسازی کنترل‌شده مولکول‌های کپسوله شده می‌گردد. به‌عنوان‌مثال، معرفی یک اسید یا باز در طول هیدرولیز و تراکم تغییر قابل‌توجهی در ساختار زروژل ایجاد می‌کند که سبب دگرگونی روند انتشار می‌شود. رهاسازی به دلیل رخداد ترکیبی از پدیده‌های نفوذ مولکول‌های کپسوله شده و انحلال ماتریس سیلیکا صورت می‌گیرد. ایمپلنت سیلیکا در طول زمان تحت شرایط فیزیولوژیکی حل می‌گردد که در ادامه در بخش بعد (ایمنی و سمیت نانوذرات سیلیکا) بحث خواهد شد. این راهبرد برای درمان سرطان به‌وسیله‌ی کپسوله‌سازی دارو با نانوذرات سیلیکا بررسی ‌شده است. برای مثال، هه و همکارانش داروی ضد سرطان دوکسوروبیسین را در نانوذرات سیلیکا به روش میکرو‌امولسیون معکوس کپسوله‌کردند. بارگذاری دارو و بازدهی به دام انداختن به ترتیب ٪0.3 ± 4.2 و ٪3.6 ± 22.0 است.
داروهای گوناگونی به داخل نانوذرات سیلیکا با ساختارهای توخالی، ازجمله نانوکره‌ها و نانولوله‌ها بارگذاری شده‌اند. گروه تانگ نانورتل‌ها سیلیکایی را با ساختار منحصربه‌فرد توپ-در-توپ سنتز کردند که می‌توان در این نانوذرات داروهای ضد تومور مانند دوستاکسل و دوکسوروبیسین را بارگذاری کرد. در مقایسه با تاکستر‌، فرمول دوستاکسل تقریبا 15 درصد کارایی بیشتری در مهار تومور کبدی 22 مدل تومور زیر جلدی موش نشان می‌دهد. دنگ و همکارانش نانوذرات ترکیبی توخالی سیلیکا-کیتوسان را برای تحویل فاکتور نکروز تومور آلفا (α-TNF) برای درمان سرطان توسعه دادند. این نانوذرات سیلیکا با پوشش سطح حساس به PH کاتیونی پلی ساکارید کیتوسانی خود، اجازه انتشار دارو به‌صورت کنترل‌شده در محیط سلولی و بینابینی اطراف برای جلوگیری از رشد سلول‌های سرطانی را می‌دهد. یان و همکارانش داروی دوکسوروبیسین را در نانوکره توخالی سیلیکا-کیتوسان بارگذاری کردند و اثرات ضد توموری آن را در داخل بدن نشان دادند. نانولوله‌های سیلیکا به‌دست‌آمده از نانومیله‌ها Gd را می‌توان با بارگذاری کمپوتوتکین برای رهایش داروهای ضد سرطان به‌صورت خوراکی استفاده کرد زیرا تخریب پذیری این ساختار، وابسته به pH است.
میسل‌های شبکه‌ای سیلیکا یا میکروکپسول‌ها یکی دیگر از سیستم‌های جالب تحویل دارو هستند که در آن ناپایداری میسل معمولی با اضافه کردن یک پوسته سیلیسی بر روی سطح میسل رفع می‌گردد. این میسل‌ها یا میکروکپسول‌ها معمولا ترکیبی از سیلیکا و پلیمر یا چربی هستند. به‌عنوان‌مثال، هوا و همکارانش دسته جدیدی از نانوذرات بسیار ریز سیلیکا را تولید کردند که دارای ساختار هسته-پوسته است. این ساختار با ایجاد پیوندهای عرضی بین سیلیکا با میسل‌های کوپلیمر بلوکی به‌دست‌آمده است. این میسل‌های هیبریدی در مقایسه با میسل‌های فاقد پیوند عرضی، پایداری بهتری از خود نشان می‌دهند و آزادسازی محموله از آن‌ها به‌طور آهسته صورت می‌گیرد. تان و همکارانش یک سیستم هیبریدی میکروکپسول سیلیکا - چربی را برای انتقال دهانی داروی با حلالیت پایین در آب مانند سلکوکسیب گزارش داده‌اند. این ساختار سبب افزایش انحلال در تست برون تن و جذب این دارو در آزمون درون تن می‌شود.
راهبردهای گوناگونی در روش کنژوگه کردن نانوذرات سیلیکا برای رهایش داروهای بارگذاری شده ارائه شده است. به‌عنوان‌مثال، گروه اسکوانفیش رهایش نیتریک اکسید (NO) از نانوذرات سیلیکا را با اندازه ذرات کنترل شده و با بررسی سینتیک رهایش دارو گزارش دادند. این نانوذرات سبب تقویت مهار سلول‌های تومور تخمدان نسبت به نانوذرات کنترل و دهنده مولکول کوچک NO (پیرولیدین/NO) می‌شود. علاوه‌بر این، رهاسازی NO از نانوذرات باعث مهار بیشتر رشد مستقل تومور و تبدیل راس سلول‌های تخمدان می‌شود. علاوه‌بر این، بلئومایسین-A 5، یک داروی ضد سرطان بوده که شامل املاح فلزاتی مانند آهن (II) است و ساختار تک رشته یا دو رشته DNA در حضور اکسیژن را کاتالیز می‌کند؛ زمانی که آن را به سطح نانوذرات سیلیکا کنژوگه کردند سمیت سلولی مشاهده شد. راهبردهای نوینی برای ترکیب کردن داروهای ضد سرطان کوچک مولکول به نانوذرات سیلیکا با استفاده از مواد شیمیایی سیلان به وجود آمده است. گروه Lin توسعه نانوذرات پلی‌سیلسس‌کیو‌اکسین پل مانند را برای تحویل اگزالیپلاتین گزارش کرده‌اند. در این رویکرد، ابتدا مونومر بیس (trialkoxysilanes) حاوی کمپلکس (IV) Pt سنتز گردید و پس ‌از آن هیدرولیز و متراکم شده و سپس از طریق پلیمریزاسیون پایه-کاتالیز سل-ژل در یک سیستم میکرو امولسیون معکوس آنیونی به شکل نانوذرات پلی سیلسس کیواکسین درآمدند (شکل a5). این نانوذرات در مقایسه با سایر سیستم‌های انتقال دهنده (IV) Pt میزان ظرفیت بالاتری از دارو را با خود حمل می‌کند (47-35 درصد وزن). (IV) Pt به‌عنوان پیش‌دارو در نانوذرات پلی سیلسس کیواکسین می‌تواند به‌سرعت در شرایط فیزیولوژیکی به‌وسیله‌ی مولکول‌های زیستی درون‌زا، مانند گلوتاتیون و سیستئین کاهش یابند و باعث انتشار کمپلکس (II) Pt فعال و اتصال DNA شوند (شکل a5). میزان اثربخشی این روش در درمان سرطان در داخل بدن در مدل پانکراس AsPC-1 در موش توموری شده به‌صورت زنوگرافت و تزریق به روش زیر جلدی نشان داده ‌شده است. گروه ما یک سیستم کنژوگه شده در مقیاس نانو، دارو- سیلیکا ایجاد کرده است که به‌طور بالقوه‌ای می‌تواند کاربرد بالینی داشته باشد؛ این سیستم قابلیت کنترل بسیار مناسبی بر روی پارامترهایی مانند اندازه نانوذرات، بارگذاری دارو و مشخصات انتشار دارد. داروهای حاوی ‌تری آلکوکسی‌سیلان با عامل اتصال دهنده استری با قابلیت تخریب پذیری سنتز گردید. عامل استری باعث اتصال دارو به گروه تری‌آلکوکسی‌سیلان می‌شود و سپس با تراکم تترا ‌آلکوکسی‌سیلان مولکول‌های دارو در داخل نانوذرات سیلیکا جای می‌گیرند؛ داروها را می‌توان از طریق شکستن اتصال‌های استری منتشر کرد (شکل a6). با کنترل دقیق شرایط واکنش Stöber، امکان تهیه نانوذرات کنژوگه شده پیرن- سیلیکا وجود دارد (ضریب کمتر از 10 درصد از تنوع، نسبت انحراف استاندارد به میانگین اندازه ذرات) که می‌توان توزیع یکنواخت اندازه ذرات را از 20 تا 200 نانومتر کنترل کرد (شکل b6). داروهای ضد سرطان (به‌عنوان‌مثال، کمپوتتسین، پکلیتاکسل و دوستاکسل) و یا رنگ فلورسانس (به‌عنوان‌مثال، رودامین و IR783) را می‌توان با کنترل دقیق اندازه نانوذرات سیلیکا به‌طور مشابه کنژوگه کرد (شکل a6). نانوذرات کنژوگه شده دارو- سیلیکا، قابلیت بارگذاری دارویی بالایی را (٪20-10) از خود نشان داده‌اند و به‌راحتی می‌توان آن‌ها را در مقیاس گرم با کنترل کامل اندازه و توزیع اندازه ذره یکنواخت تهیه کرد.
کنترل مناسب اندازه نانودارو در دارورسانی به ما اجازه می‌دهد تا به‌طور سیستماتیک اثر اندازه نانودارو در داخل بدن، توزیع زیستی، نفوذ به بافت تومور و ورود به سلول را بررسی کنیم (شکل C6). همچنین به‌طورکلی می‌توان اثر ضد توموری را بررسی نمود که از این طریق ارتباط بین خواص فیزیکی و شیمیایی نانوذرات و تعامل آن با سیستم‌های بیولوژیکی برای کاربردهای بالقوه بالینی پزشکی به دست می‌آید.
2.3. انتقال پروتئین
پروتئین‌ها و پپتیدها معمولا به لحاظ فارماکوکینتیک و فارماکولوژی دارای مشکلاتی مانند نیمه‌عمر کوتاه در گردش خون، ایمنی، ناپایداری در برابر تخریب‌های پروتئولیتیک و حلالیت پایین هستند. بنابراین، بهبود اثربخشی داروهای پروتئینی مستلزم استفاده از یک سیستم رهایش دارو است. به دلیل مزایای بسیار نانوذرات سیلیکا به‌عنوان‌مثال آسانی تشکیل نانوذرات، تجزیه‌پذیری ماتریس، ثبات و خواص فیزیکی و شیمیایی قابل تنظیم، از آن جهت به دام‌اندازی آنزیم‌ها برای بیوکاتالیز استفاده می‌شود؛ گروه زینک پیشگام در کپسوله کردن پروتئین‌های مختلف بازجمله مس-روی سوپراکسید دیسموتاز ، سیتوکروم c و میوگلوبین در شیشه شفاف سیلیکایی بوده‌اند. این محققان نشان دادند که مولکول‌های زیستی کپسوله شده ویژگی‌های واکنش‌پذیری و خواص طیفی خود را حفظ می‌کنند. استفاده از نانوذرات سیلیکا جهت تثبیت آنزیمی برای بیوکاتالیز به‌طور جامع به‌وسیله‌ی بتانکور و همکارانش بررسی‌ شده است. در این بخش بر روی نانوذرات سیلیکا مبتنی بر سیستم‌های رهایش دارو پروتئینی تمرکز می‌گردد. پروتئین‌ها را می‌توان در داخل ماتریس نانوذرات سیلیکا کپسوله کرد و یا به سطح نانوذرات کنژوگه کرد. گروه مان امکان در برگرفتن تک مولکول مت-میوگلوبین را به‌وسیله‌ی نانوذرات سیلیکا با استفاده از روش میکرو امولسیون معکوس گزارش دادند. در این روش نانوذرات سیلیکا با اندازه یکنواخت می‌توانند پروتئین را بدون از دست دادن ساختار یا عملکرد پروتئین به‌آسانی به دام اندازند. علاوه‌بر این، پروتئین‌های به دام افتاده پایداری حرارتی بالاتری از خود نشان می‌دهند. کائو و همکارانش یک روش اصلاح‌شده برای کپسوله‌سازی یک پروتئین با برچسب هیس با روش میکروامولسیون معکوس را گزارش کردند که علاوه‌بر این مقدار کمی از در طول شکل‌گیری نانوذرات برای تقویت اتصال بین پروتئین و پوسته سیلیکا اضافه می‌گردد. هنگامی‌که سطح نانوذرات سیلیکا به‌گونه‌ای اصلاح شوند تا آب‌گریز باشند، آن‌ها می‌توانند پروتئین‌های مختلفی را جذب کنند تا در شرایط آزمایشگاهی عملکرد سلول‌ها را اصلاح کنند. گروه کین نشان دادند که نانوذرات سیلیکایی که به‌صورت آب‌گریز عامل دار شده‌اند؛ می‌توانند ریبونوکلئاز A و فسفر-AKT را به سلول‌های سرطانی پستان انسان (7 MCF-) و سلول‌های بنیادی عصبی موش منتقل کنند و در نتیجه باعث آغاز مرگ سلولی شوند. این نتایج فواید استفاده از نانوذرات سیلیکا را به‌عنوان حاملین انتقال پروتئین برای کنترل عملکرد سلول مطرح کرد. علاوه‌بر این، سیلیکای پوشش داده‌شده با لیپوزوم برای انتقال انسولین در داخل بدن به‌منظور کاهش سطح گلوکز در مدل رت Wistar مورد بررسی قرار گرفت؛ لیپوزوم پوشش داده‌شده باعث افزایش پایداری و حفظ عملکرد انسولین شد. کشف‌شده است که نانوذرات سیلیکا در ابعاد 50 نانومتر که با انسولین کنژوگه شده‌اند به‌طور مستقیم در تمایز آدیپوژنیک سلول‌های بنیادی مزانشیمی رت در شرایط برون تن تأثیر دارد، درحالی‌که نانوذرات کنژوگه نشده هیچ اثری در تمایز سلول‌های بنیادی مزانشیمی ندارند. این کشفیات ممکن است منجر به برنامه‌های کاربردی بیشتری برای نانوذرات سیلیکا به‌عنوان حامل در تحقیقات سلول‌های بنیادی گردد.
3.3. درمان فتودینامیک
درمان فتودینامیک (PDT) ، با حداقل تهاجم و با حداقل سمیت، جایگزینی برای شیمی‌درمانی و پرتودرمانی است که کاربردهای بالینی وسیعی برای درمان بیماری‌ها ازجمله سرطان‌های بدخیم دارد. اکثر کاربردهای مدرن PDT شامل سه مولفه کلیدی: یک عامل حساس به نور، یک منبع نور و بافت اکسیژن‌دار است. فرایند با تابش نوری که دارای یک طول‌موج معین است آغاز می‌گردد. در این فعال‌سازی، عامل حساس به نور انرژی خود را از حالت سه‌گانه برانگیخته به یک مولکول اکسیژن همسایه منتقل می‌کند که باعث تولید تک اکسیژن ( ) و دیگرگونه‌های اکسیژن فعال سیتوتوکسیک (ROS) می‌شود و در نهایت منجر به آغاز تخریب سلولی می‌گردد. برای تخریب انتخابی در منطقه هدف، عامل حساس به نور می‌تواند به‌صورت محلی به منطقه هدف منتقل شود و یا هدف‌های حساس به نور می‌توانند به‌صورت محلی به‌وسیله‌ی نور برانگیخته شوند. نانوذرات باعث افزایش حلالیت عامل حساس به نور آب‌گریز در آب می‌شوند که به نوبه خود منجر به تقویت اثر نفوذپذیری و ماندگاری (EPR) در گردش خون و انباشتگی انتخابی در بافت تومور می‌گردد. نانوذرات سیلیکا به‌عنوان حامل‌های قابل‌اعتمادی برای PDT مطرح ‌شده‌اند که دلایل زیر را می‌توان برای دستیابی به این هدف نام برد:
• زیست سازگاری بالا
• شکل و خواص فیزیکی و شیمیایی قابل‌کنترل
• امکان استفاده از آن‌ها برای هدف قرار دادن بافت‌های توموری از طریق اصلاح سطح آسان
استفاده از نانوذرات سیلیکا برای PDT به‌طور خاص به‌وسیله‌ی گروه دوراند بررسی شد. در این بخش، استفاده از نانوذرات سیلیکای غیر متخلخل برای انتقال عامل حساس به نور مورد توجه قرار می‌گیرد. اولین فعالیت‌ها در زمینه کپسوله کردن عامل حساس به نور در نانوذرات سیلیکا به‌وسیله‌ی گروه کوپلمن و گروه پراساد در سال 2003 انجام شد. گروه‌ کوپلمن عامل حساس به نور متا-تترا‌ (هیدروکسی‌فنیل) کلرین را در نانوذرات سیلیکا طی فرآیندسل-ژل Stöber اصلاح یافته جای‌گذاری کردند که در آن از (3-آمینوپروپیل) تریاتوکسی‌سیلان جهت تقویت اتصال عامل حساس به نور به ماتریس سیلیکا استفاده گردید. گروه پراساد داروی ضد سرطان حساس به نور نامحلول در آب 2-دوینیل-2- (1-هگزیل‌اوکسی‌اتیل) ‌پیروفئوفوربید را در نانوذرات سیلیکای 30 نانومتر به‌طور بسیار مناسبی به دام انداختند و رفتار ورود آن‌ها را به سلول‌های سرطانی و تخریب سلولی به دلیل اثر فتودینامیک را بررسی کردند (شکل a-c7). سایر گروه‌های تحقیقانی این روش را برای نانوذرات سیلیکا با ساختار و اندازه‌های گوناگون تعمیم دادند و از عامل‌های حساس به نور مختلفی مانند متیلن‌بلو، هیپوکرلین A، پروتوپرفیرین IX، 4PC و متا-‌تترا (هیدروکسی‌فنیل) کلرین استفاده کردند. شایان‌ذکر است که گروه پراساد نانوذرات سیلیکا با رنگ فلورسنت جاذب دو فوتونی را برای PDT دو فوتونی، دوپ کردند؛ این یک تکنیک امیدوارکننده برای افزایش نفوذ نور به بافت برای درمان برخی بیماری‌های داخلی است. لی و همکارانش نانوذرات سیلیکا پاسخگو به pH را برای کنترل نسل استفاده کردند. توانایی نسل در محیط اسیدی بسیار قوی‌تر از محیط بازی است. بنابراین، این نانوذرات یک راهبرد امیدوارکننده جدیدی برای هدف قرار دادن مایع میان بافتی اسیدی بسیاری از تومورها فراهم می‌کند. عامل‌های حساس به نور را می‌توان به‌صورت کووالانسی نیز به نانوذرات سیلیکا متصل‌ کرد تا خروج آن‌ها از حامل سیلیکا، قبل از رسیدن به هدف را به حداقل برسانند. در سال 2006، گروه داویدنکو را از طریق پیوندهای کووالانسی بر روی نانوذرات سیلیکا تثبیت نمودند تا از آن برای درمان سرطان به روش PDT استفاده نمایند. گروه پراساد 2-دوینیل-2- (1-هگزیل‌اوکسی‌اتیل اکسی اتیل) پیروفئوفربید را با یک گروه سیلان کنژوگه کردند تا عامل حساس به نور به‌صورت کووالانسی با ماتریس سیلیکا ارتباط برقرار کند (شکل e و d7). این راهبرد باعث افزایش بهره‌وری نسل به میزان حدود 7/1 برابر گردید.
ارزیابی درون تن یک مرحله مهم در بررسی میزان کارایی NP- سیلیکا در درمان سرطان به روش PDT است. هه و همکارانش نانوذرات سیلیکا پایانه-فسفونات را با متیلن‌بلو با استفاده از روش میکرو امولسیون آب در روغن کپسوله کردند. نتایج حاصل از استفاده از این نانوذرات در تصویربرداری و PDT به طور همزمان موثر بوده است. هنگامی که موش مبتلا به تومور HeLa با نانوذرات سیلیکا حاوی متیلن‌بلو و تابش نور تحت درمان قرار گرفت، اثر متوسطی مشاهده شد. سیمون و همکارانش نشان دادند که نانوذرات سیلیکا حاوی پروتوپورفیرین IX تجمع تومور داخل بدن را در HCT116، A549 و تومورهای گلیوبلاستوما در موش نسبت به نمونه‌های فاقد رنگ تقویت کرده‌اند. روش PDT بر مبنای استفاده از نانوذرات سیلیکا دارای قابلیت‌های منحصربه‌فردی در درمان سرطان است. بااین‌حال، قبل از تفاسیر بالینی، نیازمند ارزیابی‌های پیش بالینی جهت بررسی میزان اثربخشی آن‌ها و همچنین ایمنی آن‌ها در داخل بدن است.

4. نانوذرات سیلیکا جهت انتقال ژن
علاوه‌بر انتقال مولکول‌های کوچک و پروتئین‌ها، انتقال ژن جزء یکی از کاربردهای مهم نانوذرات سیلیکا است. استفاده از نانوذرات سیلیکا جهت انتقال ژن به‌طور گسترده مورد بررسی قرارگرفته است، زیرا سطوح آن‌ها میتواند به‌آسانی با مولکول‌های کاتیونی اصلاح شود. این نانوذرات اصلاح سطحی شده می‌توانند با نوکلئوتیدهایی که دارای بار منفی زیادی هستند، به صورت پایدار متراکم شوند که از آن‌ها در مقابل نوکلئاز‌شدن در شرایط فیزیولوژیکی حفاظت می‌کنند. علاوه‌بر این، سیلیکا زیست خنثی بوده و در مقایسه با پلیمرهای کاتیونی به‌کار رفته جهت انتقال ژن سمیت کمتری دارد. نانوذرات سیلیکا عموماً نسبت به لیپوزوم‌ها و نانو ساختارهای خود چینشی دیگر تحت شرایط فیزیولوژیکی پایدارتر هستند. در اوایل دهه ۲٠۰٠ گروه سالتزمن نانوذرات سیلیکا را با کمپلکس ترانسفکشن شده معرف-DNA جفت کردند. این جفت کردن بیان ژنِ بتاگالاکتوسیداز را با توجه به غلظت افزایش‌یافته‌ی کمپلکس در سطح سلول، تا %۷۵٠ افزایش می‌دهد. بااین‌حال گوا و همکارانش گزارش کردند که درصد سلول‌هایی که با DNA همراه می‌شوند به‌طور قابل‌توجهی با کمپلکس سه‌تایی تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد، که نشان می‌دهد نقش نانوذرات سیلیکا بیش از یک عامل رسوبی است؛ آن‌ها میتوانند به‌عنوان یک معرف انتقالی ثانویه نیز عمل کنند. این کشفیات، کاربردهای نانوذرات سیلیکا جهت انتقال ژن را افزایش داده است.
1.4. تراکم با نانوذرات اصلاح سطح شده سیلیکا
تا جایی که ما اطلاع داریم، گروه ﻟﺮ اولین گروهی بودند که نانوذرات سیلیکای اصلاح سطح شده را برای انتقال ژن استفاده کردند. آن‌ها سطح نانوذرات سیلیکا را با گروه‌های آمین اصلاح کردند و نشان دادند که ترکیب نانوذرات اصلاح سطح شده سیلیکا - DNA می‌تواند جهت ترانسفکشن در شرایط برون تن استفاده شود. هنگامی‌که μM۱۰۰ کلروکین اضافه می‌شود، بازده ترانسفکشن می‌تواند به %۳٠ از پلی‌اتیلن‌آمین برسد و هیچ سمیتی در غلظت خواسته‌شده نانوذرات بهبودیافته سیلیکا مشاهده نمی‌شود. سایر محققان، نانوذرات کاتیونی سیلیکا را با گروه‌هایی مانند گروههای آمین، ماکرومولکول‌های کاتیونی، یا کاتیون‌ها اصلاح سطح کردند. برای مثال، گروه سیسوگر برهم‌کنش‌های DNA با نانوذرات سیلیکای اصلاح‌شده با گروه‌های مختلف آمینو بر روی سطح را مطالعه کردند و دریافتند که نانوذره با کوچک‌ترین زنجیره آمین در بیشترین حد، DNA‌‌ها را متراکم می‌کند. قابلیت ترانسفکشن نانوذرات سیلیکای عامل دار شده با گروه آمین در شرایط برون تن به‌وسیله‌ی گروه پراساد گزارش شده است. این گروه از نانوذرات سیلیکای اصلاح‌شده ارگانیکی استفاده کردند که منجر به تراکم پروتئین فلورسنت سبز تقویت شده با کدکننده پلاسمید‌، شده است (GFP) (شکل b۸ و a۸). پنگ و همکارانش نیز از نانوذرات سیلیکا-اصلاح شده با آمین به‌ منظور انتقال الیگونوکلئوتید آنتی‌سنس به سلول‌های HeLa و A539 جهت مهار تکثیر سلولی، استفاده کردند. نانوذرات اصلاح شده با آمین مهار قوی‌تر و سمیت سلولی کمتری نسبت به لیپوزوم‌ها نشان می‌دهند. علاوه‌بر نانوکره‌ها، نانوتیوب‌های سیلیکا با گروه‌های آمین نیز می‌توانند ژن پروتئین فلورسنت سبز را به سلول‌های COS7 انتقال دهند. به دلیل ساختار توخالی نانوتیوب‌ها، می‌توان از آن‌ها جهت انتقال مولکول‌های دیگری مانند siRNA و پروتئین‌ها استفاده نمود.
پوشش سطح نانوذره سیلیکا با پلیمر کاتیونی راه دیگری برای تسهیل تراکم با DNA است. فعالیت‌های زو و همکارانش نشان می‌دهد که نانوذرات سیلیکای اصلاح‌شده با پلی (L-لیزین) قابلیت اتصال و محافظت از الیگونوکلئوتیدها آنتی‌سنس c-myc را دارند. آن‌ها متوجه یک کاهش در بازده جذب سلولی و اثرات آنتی‌سنس بر ژن‌های هدف در حضور محیط حاوی سرم، شدند. آزمایشات بیشتر نشان دادند که ترکیب الیگونوکلئوتید-‌نانوذرات سیلیکا به‌طور الکترواستاتیک با پروتئین‌های سرم جنین گوساله برهم‌کنش می‌کنند و این برهم‌کنش می‌تواند منجر به تشکیل توده‌های ترکیبی پروتئین شود و مانع از جذب سلولیِ ترکیب شود.
2.4. راهبردهای دیگر
بیشتر نانوذرات سیلیکای کاتیونی به‌وسیله تشکیلِ اولیه نانوذرات سیلیکا و بهبود سطحیِ آن‌ها با گونه‌هایی با بار مثبت، تهیه‌شده‌اند. یک روش جایگزین شامل متراکم شدن پلیمرهای کاتیونی (برای مثال، پلی‌اتیلن‌ایمین) با یک منبع سیلیکا برای تشکیل هیبریدهای نانوذره سیلیکای کاتیونی در یک واکنش یک مرحله‌ای است. علاوه‌بر گروه‌های آمینو و پلیمرهای کاتیونی، +Ca2، برای اصلاح نانوذرات سیلیکا استفاده‌شده است. نانوذرات اصلاح‌شده نه‌تنها می‌توانند به DNA متصل شوند بلکه می‌توانند سلول‌های استخوانی را مورد هدف قرار دهند. کلاژن‌های ویروسی نیز جهت اصلاح سطح کریستال‌های کلوئیدی برای انتقال DNA استفاده می‌شوند.
سیستم‌های رایج انتقال ژن با نانوذرات سیلیکا جفت شده‌اند تا بتوان از مزایای سیستم‌های چندگانه، بهره برد.
برای مثال، گروه کاتاوکا گزارش دادند که پلی‌پلکس‌های پوشش داده‌شده با سیلیکا و بارگذاری شده با پلاسمید DNA نسبت به پلی‌پلکس‌های پوشش داده نشده، ترنسفکشن بیشتری را نشان میدهند؛ این افزایش ممکن است به دلیل فرار اندوزومی تسهیل شده باشد که احتمالا به خاطر پروتونه‌شدن سیلیکا در محفظه اسیدی اندوزومی رخ می‌دهد. علاوه‌بر این، پلی‌پلکس‌های پوشش داده‌شده سمیت سلولی کمتری را نیز نشان می‌دهند. نانوذرات سیلیکا پوشش یافته با لیپیدهای دو لایه برای انتقال ژن نیز استفاده‌شده‌اند. بازده ترنسفکشن به‌اندازه ذره و ترکیب لیپید بستگی دارد. به‌طور خاص، بازده ترنسفکشن به‌طور چشمگیری با افزایش اندازه ذره کاهش می‌یابد: یک هسته سیلیکای ۳۰ نانومتری بیشترین بازده را نشان می‌دهد، درحالی‌که بازده یک هسته سیلیکا ۱۳۰ نانومتری تقریباً صفر است. نانوذرات کوچک‌تر ممکن است درونی‌سازی سلولی را افزایش دهند و آزادسازی DNA در داخل سلول‌ها را سریع‌تر بخشند.
اخیرا، علاقه زیادی در توسعه نانوذرات سیلیکای چندمنظوره و یا ترانوستیک وجود دارد که می‌تواند برای هردو تصویربرداری تشخیصی و درمان ژنی استفاده شوند. برای مثال، هنگامی که‌ اکسید‌گادولینیم به سیستم نانوذرات سیلیکای اصلاح‌ سطحی شده افزوده گردد، می‌تواند به DNA متصل شده و به عنوان حاملی برای انتقال ژن‌ مورد استفاده قرار گیرد. از طرفی به‌طور هم‌زمان می‌توان آن را به‌عنوان عوامل کنتراست برای تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) به‌کار‌گرفت.
3.4. ارزیابی درون‌تن
مطالعات کمی درباره انتقال ژن بر پایه نانوذرات سیلیکا در داخل بدن صورت گرفته است. بهارلی و همکارانش اولین مطالعه را بر روی نانوذرات سیلیکای اصلاح‌شده ارگانیکی به‌عنوان یک ناقل غیر ویروسی برای انتقال ژن و بیان درون بدن انجام دادند و نتایج به دست آمده بسیار امیدوار‌کننده بود (شکل d۸ و c۸). بازده ترنسفکشن از طریق تزریق استریوتاکس از یک کمپلکس DNA-نانوذرات برابر یا بیشتر از بازده به‌دست‌آمده با یک ناقل ویروسی است. همچنین نشان داده شد که این ترنسفکشن باواسطه نانوذرات سیلیکای اصلاح‌شده ارگانیکی، می‌تواند برای دست‌کاری بیولوژی سلول‌های ساقه نورون یا سلول‌های پیش ساز در داخل بدن بدون آسیب رساندن به سلول‌ها استفاده شود. این نقطه عطف در ترنسفکشن ژنی غیر ویروسی نشان می‌دهد که نانوذرات سیلیکای اصلاح‌شده ارگانیکی، نه‌تنها برای اهداف انتقال ژن درون بدن، بلکه برای درمان بیماری مغزی بسیار امیدوارکننده هستند. چوی و همکارانش نیز گزارش کردند که کمپلکس بین فاکتور ژن شبیه ساز-کلونی ماکروفاژ- گرانولوسیت و نانوذرات سیلیکا می‌تواند لکوپنیا حاد در سگ‌ها را تصحیح کند.
مطالعات درون تن بیشتری جهت بررسی پتانسیل نانوذرات سیلیکا به‌عنوان وسایلِ انتقال ژنی هدفمند و غیر سمی با بازدهی بالا مورد نیاز است. سایر مسائل کلینیکی مانند پایداری و ماندگاری نیز باید پیش از استفاده کلینیکی از این سیستم، موردتوجه قرار گیرند. در این راستا، سامتی و همکارانش، نانوذرات سیلیکا کاتیونی خشک‌شده با انجماد سخت را جهت انتقال ژنی با اضافه کردنِ عامل‌های مقاوم در برابر خشک شدن با انجماد سخت، گزارش کرده‌اند. در مجموع، درمان ژنی مبتنی بر نانوذره سیلیکا برای کاربردهای کلینیکی بسیار امیدوارکننده است.

5. نانوذرات سیلیکا برای تصویربرداری و تشخیص
فناوری نانو فرصت‌های بی‌سابقه‌ای را برای حل چالش‌های فعلی در زمینه تشخیص سرطان ارائه می‌دهد. نانوذرات حامل پروب‌های تشخیصی می‌توانند اطلاعات متابولیکی و ساختاری از محل‌های بیماری ارائه دهند. تکنیک‌های تصویربرداری مبتنی بر نانوذره می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی تشخیص و مراحل پیشرفت سرطان‌ و متاستازهای آن‌ها را بهبود دهند. نانوذرات سیلیکا علاوه‌بر کاربرد برای انتقال عامل‌های درمانی، به‌عنوان مجموعه‌ای برای ترکیب با معرف‌های کنتراست برای تصویربرداری مولکولی به کار گرفته می‌شوند. با توجه به تنوع و شیمی قوی آن‌ها، نانوذرات سیلیکای پوشش داده‌شده با پروب تشخیصی می‌توانند به‌راحتی برای تکنیک‌های تصویربرداری مولکولی ازجمله تصویربرداری اپتیکی (فلورسانس و بیو-لومینسانس) ، MRI، تصویربرداری رادیونوکلوئیدی (توموگرافی گسیل پوزیترون (PET) و توموگرافی رایانه‌ای گسیل تک-فوتون (SPECT) ‌، توموگرافی رایانه‌ای (CT) ، اولتراسوند، تصویربرداری فوتو‌اکوستیک و تصویربرداری رامان مورد استفاده قرار گیرند. تکنیک‌های تصویربرداری تکی یا چندتایی کیفیتی مبتنی بر نانوذرات سیلیکا در طی دو دهه گذشته به‌طورجدی مورد بررسی قرارگرفته‌اند و بسیاری از انواع نانوذرات سیلیکا چندکاره با کاربردهایی برای تشخیص سرطان توسعه‌یافته‌اند.
1.5. تصویربرداری اپتیکی (نوری)
گروه‌های بلادرن و ﮐﻠﻰ اولین کسانی بودند که با استفاده از روش استوبر، رنگ‌های فلورسانت ارگانیک را در نانوذرات سیلیکا با توزیع یکنواخت داخل کردند. در ادامه، نانوذرات سیلیکای حاوی رنگ‌های فلورسانس، QDها یا نانوذرات فلورسانس خاکی کمیاب به‌صورت گسترده به‌عنوان پروب‌های تصویربرداری اپتیکی برای کاربردهای بیولوژیکی موردمطالعه قرار گرفتند. یکی از مهمترین کاربردها، تصویربرداری هدفمند سرطان در مطالعات برون تن و درون تن است. گروه سانترا نانوذرات سیلیکای ۷۰ نانومتری حاوی ایزوتیوسیانات‌فلورسئین را به‌وسیله‌ی میکرو امولسیون معکوس تهیه کردند و سپس سطح نانوذره را با پپتید فعال‌کننده رونویسی ترانس-فعال به‌منظور تقویت نفوذ غشاء سلولی و بافت‌ها اصلاح کردند. نانوذرات حاصل می‌توانند به‌طور مؤثر سلول‌های آدنوکارسینوم ریه انسان (۵۴۹A) را نشان‌دار کنند. از طرفی هنگامی‌که این نانوذرات در یک موش صحرایی اسپاروگو-داولی از طریق یک شریان کاروتید راست تزریق شوند، از سد مغزی - خونی (BBB) عبور می‌کنند. این نتیجه نشان می‌دهد که عامل‌های تشخیصی و درمانی می‌توانند با استفاده از نانوذرات سیلیکا بدون به خطر انداختنِ BBB به مغز انتقال داده شوند. چوی و همکارانش دسته جدید از نانوذرات سیلیکا هسته-پوسته فلورسانت بالا را با توزیع اندازه باریک سنتز کردند و پایداری نوری را افزایش دادند؛ این نانوذرات (که نقاط کورنل یا نقاط C نامیده می‌شوند) به‌طور گسترده برای بسیاری از تکنیک‌های تصویربرداری شامل تصویرسازی در زمانِ حیات مویرگ‌ها و ماکروفاژها، نقشه‌برداری غدد لنفاوی نگهبان، نشاندارسازی چندرنگی سلولی پپتید واسطه برای تصویربرداری زمان واقعی از متاستازهای تومور و ردیابی سلول‌های مغز استخوان تزریق‌شده در موش‌ها کاربردی هستند. این نتایج نشان می‌دهند که نانوذرات سیلیکا هسته-پوسته فلورسانت، یک ابزار تصویربرداری توانمند و جدیدی را ارائه می‌دهد. اخیراً گروه مانی تصویربرداری هدفمند از بافت‌های ایسکمی با استفاده از کنژوگه کردن نانوذرات سیلیکا با فاکتور رشد اندوتلیال عروقی آلاییده به رنگ از طریق اثر EPR در مدل ایسکمی اندام تحتانی موش را گزارش کردند. این روش تصویربرداری امکان درمان بافت‌های ایسکمی بزرگ یا چندگانه را با استفاده از نانوذرات سیلیکا فراهم می‌کند.
بسیاری از نانوذرات فلورسنت سیلیکا با روش کپسوله شدن فیزیکی رنگ‌ها آماده می‌شوند که ممکن است تحت شرایط فیزیولوژیکی از ماتریس سیلیکایی نشت کنند. برای از بین بردن این نشتی، روش‌های اتصال کووالانسی اتخاذ شده‌اند. برای مثال، ﻣﻴﺪﺭ و همکارانش رنگ‌ها را به نانوذرات اصلاح سطح شده سیلیکا به‌وسیله " کلیک کردن شیمی آزید-آلکین " متصل کردند. گروه‌های دیگر و گروه ما برای اتصال رنگ‌ها به نانوذرات سیلیکا به‌طور کووالانسی با پایداری بالا، از یک پیش ماده رنگ-سیلان، با یک پیوند شیمیایی پایدار بین رنگ و گروه سیلان استفاده کردند.
تصویربرداری فلورسانس دو-فوتونی مزایای زیادی نسبت به تصویربرداری فلورسانس تک-فوتونی مرسوم در کاربردهای بیولوژیکی دارد، ازجمله برانگیختگی مکانی سه-بعدی موضعی بالا، آسیب کمتر ناشی از فوتون، زمان مشاهده طولانی‌تر، تداخل کمتر با اتوفلوروسانس و نفوذ عمیق‌تر نور به بافت. رنگ‌های جاذب دو-فوتونی، مانند 4، '4-دی اتیل‌آمینواستایرل-2، '2-بی پیریدین‌ روی (II) ، افزودنی‌‌های خاکی کمیاب NaYbF4: R و فولوروفور 4-[2- (4-دی فنیل آمینو-فنیل) ‌وینیل]-1-متیل-پیریدینیوم یدید به منظور تصویربرداری دو-فوتونی با نانوذرات سیلیکا ترکیب‌شده‌اند. تصویربرداری فلورسانس دو-فوتونی خارج از بدنِ در سطح سلولی، از کل تومور با استفاده از نانوذرات سیلیکا آلاییده با ۲- (۲, ۶ -بیس ( (E) - 2- (7- (دی‌فنیل‌آمینو) ‌-9.9‌- دی‌اتیل-‌H9‌– فلورن‌–‌2‌– ایل) ‌وینیل) -‌ H4 -پایرن‌- 4-وایلیدین) مالونونیتریل به‌وسیله‌ی گروه بلفیلد نشان داده شد. نانوذرات NaYbF4: R فلورسانس غیرقابل‌تبدیل در پاسخ به تابش‌ نزدیک مادون‌قرمز، نور مرئی تنظیم‌پذیری را گسیل می‌کنند (برای مثال، نارنجی، زرد، سبز، فیروزه‌ای، آبی، یا صورتی) و به‌راحتی می‌توان با تغییر غلظتِ افزودنی‌ها یا استفاده از گونه‌های دیگر افزودنی‌، رنگ را تنظیم کرد. علاوه‌بر تصویربرداری فلورسانس دو-فوتونی به‌منظور افزایش انتقال استوک‌ها، اخیرا هی و همکارانش یک انتقال استوک‌های جدید فلورسانت نزدیک مادون‌قرمز نانوذرات سیلیکا مبتنی بر اصل انتقال انرژی رزونانس فلورسانس را ارائه کردند. جابه‌جایی استوک‌های کوچکِ بسیاری از رنگ‌های نزدیک مادون‌قرمز مرسوم، باعث تداخل بین نور در حالت برانگیخته و سیگنال گسیل‌شده می‌گردد که می‌تواند مسئله‌ای برای کاربردهای درون تن باشد. دو رنگ تریس (2.2-بی پیریدیل) -دی کلروروتنیوم (II) هگزاهیدرات (RuBpy) و متیلن‌بلو (MB) به‌صورت هم‌زمان در نانوذرات سیلیکا دوپ شدند که منجر به انتقال انرژی از RuBpy به MB در ماتریس سیلیکا و بنابراین گسیل فلورسانس نزدیک به مادون‌قرمز به همراه انتقال بزرگ استوک‌ها (nm ۲۰۰<) گردید.
نانوذرات سیلیکا حاوی QD دسته دیگری از نانوذرات سیلیکا فلورسانت هستند. گروه پریسد نقاط کوانتومی را به همراه نانوذرات مگنتیت در نانوذرات اصلاح‌شده سیلیکا به‌طور ارگانیک کپسوله کردند؛ سپس از آن برای تصویربرداری برون تن هدایت مغناطیسی دو-فوتونی استفاده کردند. در ادامه این گروه نانوذرات سیلیکا را با میله‌‌های کوانتومی کپسوله کردند و از آن برای تصویربرداری آزمایشگاهی برون تن و درون تن موش‌های حامل تومور، استفاده کردند. به‌علاوه لی گاول و همکارانش، یک نانوذره سیلیکا جدید آلاییده با نانوخوشه‌های طلای فلورسانس (nm ۲>) که یک گسیل در ناحیه نزدیک مادون‌قرمز نشان داده است، را گزارش کردند (۶۷۰ نانومتر).
2.5. تصویربرداری رزونانس مغناطیسی
ام‌آر‌آی یک تکنیک تشخیصی غیرتهاجمی با رزولوشن فضایی بالا (سطح μm ۱۰۰-۲۵) و کنتراست بافت عالی است که به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. نانوذرات سیلیکای کپسوله شده با عوامل کنتراست MRI شامل کمپلکس‌های پارامغناطیسی (کیلیت‌ های مبتنی بر +Ga3 یا Mn2+) و نانوذرات اکسید آهن سوپر پارامغناطیس به‌طور گسترده‌ای مورد مطالعه قرارگرفته‌اند. برای مثال، نانوذره سیلیکا حاوی Ga3+ (که به‌وسیله‌ی جی و همکارانش مطرح‌شده است) و نانوذرات سیلیکا حامل نانوذره اکسید آهن‌، (‌که به‌وسیله‌ی چو بیان گردیده‌اند) برای MRI درون بدن استفاده ‌شده‌اند. اخیرا گروه کیم سلول‌های بنیادی مزانشیمی انسانی را درون نانوذرات سیلیکا بارگذاری کردند و به‌طور همزمان با یک رنگ و نانوذرات مغناطیسی نشان‌دار نمودند. سلول‌های نشان‌دار به‌آسانی در موش‌های زنده NOD-SCID از طریق تصویربرداری اپتیکی یا MRI، برای تعیین مکان و سرنوشت سلول‌های بنیادی ردیابی شدند.
3.5. تصویربرداری مقطع‌نگاری گسیل پوزیترون
مقطع‌نگاری تابش پوزیترون (PET) یک تکنیک تصویربرداری پزشکی هسته‌ای است که جفت پرتوهای گاما گسیل‌شده به‌صورت غیرمستقیم به‌وسیله‌ی یک رادیونوکلوئید پوزیترون گسیل‌کننده (ردیاب) را‌شناسایی می‌کند. سپس تصاویر سه‌بعدی با توجه به میزان غلظت ردیاب در داخل بدن به‌وسیله‌ی آنالیز رایانه‌ای بازسازی می‌شوند. PET یک روش کمّی بوده و بسیار حساس است و در این روش هیچ محدودیتی برای نفوذ به بافت وجود ندارد. بااین‌حال، PET رزولوشن فضایی کمی دارد و دارای خطرات تابش اشعه بوده و همچنین هزینه بالایی در بردارد. رادیونوکلوئیدهایی مانند 64Cu، 18F، 68G، و 124I می‌توانند به‌عنوان رادیو ایزوتوپ در PET استفاده شوند. این رادیو ایزوتوپ‌ها با نانوذرات سیلیکا برای کاربرد PET ترکیب ‌شده‌اند. برای مثال، روش بولتن و هانتر در نشان دارسازی نانوذرات سیلیکا با 124I برای تصویربرداری PET مورد استفاده قرار می‌گیرد (شکل a۹).
روش‌های تصویربرداری ترکیبی در حوزه تصویربرداری مولکولی بسیار مورد توجه قرار گرفته است زیرا هیچ‌یک از روش‌های تصویربرداری به‌تنهایی نمی‌توانند همه ملزومات در تصویربرداری زیست-پزشکی شامل حساسیت بالا، رزولوشن بالا، تداخل کم، هزینه کم و غیره را برآورده کنند. روش‌های تصویربرداری ترکیبی قابلیت فراهم آوردن اطلاعات تشخیصی بیشتری نسبت به روش‌های تصویربرداری تکی دارند. شیمی منحصربه‌فرد سیلان و فرمولاسیون آسان نانوذرات سیلیکا آن‌ها را به نهادهای ایده‌الی برای ساخت پروب‌های تصویربرداری ترکیبی برای کاربردهای درون تن تبدیل کرده است. برای مثال، گروه پراساد نانوذرات سیلیکای اصلاح‌شده ارگانیکی را در ترکیب با فلوروفورهای نزدیک مادون‌قرمز سنتز نمودند و در ادامه آن را با 124I رادیو نشان‌دار کردند که در تصویربرداری اپتیکی و تصویربرداری PET درون تن کاربرد دارد. پاک‌سازی و توزیع زیستی این نانوذرات سیلیکای زیست‌سازگار جهت بررسی قابلیت استفاده از این نانوذرات به‌عنوان پروب‌هایی برای تصویربرداری درون تن، موردمطالعه قرار گرفته است. گروه ما اخیرا یک روش ساده و تک مرحله‌ای را برای سنتز پروب‌های نانوکنژوگه سیلیکا با اندازه کنترل‌شده و با پراکندگی یکنواخت ارائه داده است که برای تصویربرداری PET و فلورسانس نزدیک مادون‌قرمز غدد لنفاوی نگهبان قابل استفاده است. هنگامی‌که اندازه نانوترکیب‌های سیلیکا کمتر از ۲۰ نانومتر باشد، آن‌ها به‌سرعت و به‌طور مؤثر در غدد لنفاوی تجمع می‌کنند، بنابراین تصویربرداری درون تن از غدد لنفاوی را تسهیل می‌نمایند. در ادامه با عامل دار کردن سطح نانوترکیب سیلیکا با یک آپتامر DNA، دیوکسی ریبونوکلئیک‌اسید (1411AS) هدف‌گیری فعال متاستازهای لنفاوی امکان‌پذیر می‌گردد. این نانوترکیب‌های سیلیکای نشان دارشده دوتایی قابلیت استفاده به‌عنوان پروب برای تصویربرداری هدفمند غیرتهاجمی غدد لنفاوی متاستاز شده را دارند و از دقت بالایی برخوردارند.
پیشرفت‌های قابل‌توجهی به‌وسیله‌ی گروه‌های ویسنر و برادبوری در تفسیر نانوذرات تشخیصی هدفمند سیلیکا با نام نقاط C‌، صورت گرفته است و اخیرا به‌وسیله‌ی سازمان غذا و دارو امریکا برای اولین آزمایش کلینیکی در انسان پذیرفته شده است (شکل ۹). این نانوذرات سیلیکا با اندازه تقریبی ۷ نانومتر، رنگ Cy۵ را کپسوله می‌کنند و با لیگاندهای تناوبی پپتید اسپارتیک‌اسید-‌گلیسین- آرژنین و ید رادیواکتیو در سطح عامل‌دار می‌شوند. از ویژگی‌های این نانوذرات می‌توان به میل ترکیبی بالا، نسبت‌ تومور-به-خون مطلوب، پاک‌سازی موثر کلیوی و تجمع انتخابی تومور در زنوگرافت‌های ملانوم که بیان‌کننده اینتگرین ۳ αvβدر موش‌ها هستند، اشاره کرد.
4.5. سایر تکنیک‌های تصویربرداری
استفاده از نانوذرات سیلیکا در سایر تکنیک‌های تصویربرداری نیز مورد مطالعه قرار گرفته‌ است. برای مثال، از میکروکره‌های توخالی سیلیکا با قطر ۱۲۰ نانومتر اصلاح سطحی شده با پلی‌اتیلن‌گلایکل‌، به‌عنوان یک عامل کنتراست جدید در تصویربرداری اولتراسوند درون تن در رت‌های نر پس از تزریق داخل بیضه استفاده شده است. نانوذرات سیلیکا که با نانوذرات طلا و یا نانومیله‌ها کپسوله شده‌اند برای سایر کاربردهای تصویربرداری‌، مفید هستند. برای مثال، چن و همکارانش اخیرا گزارش کردند که نانومیله‌های طلا با پوشش سیلیکا سیگنال فوتواکوستیکی تولید می‌کنند که شدت این سیگنال‌ها سه برابر قوی‌تر از سیگنال‌های تولیدی از نانومیله‌های بدون پوشش است؛ همچنین با استفاده از پروب‌های با ساختار هسته-پوسته میزان کنتراست در تصویربرداری فوتواکوستیک تقویت می‌گردد. علاوه‌بر این، اخیرا گروه گمبییر استفاده از نانوذرات سیلیکا-طلای عامل دار شده با یک گیرنده فاکتور رشد اپیدرمال به‌عنوان عامل‌های کنتراست ترکیبی برای تصویربرداری مولکولی رامان را گزارش کردند؛ این اولین نمونه از تصویربرداری مولکولی رامان با نانوذرات هسته - پوسته است.

6. ایمنی و سمیت نانوذرات سیلیکا
کاربردهای نانوذرات سیلیکا برای درمان و تشخیص تاکنون در مطالعات پیش بالینی بسیاری نشان داده‌شده است. به‌منظور تسهیل تفسیر کاربردهای بالقوه کلینیکی نانوذرات سیلیکا، ارزیابی کامل ایمنی و پتانسیل سمیت این نانومواد، بسیار مهم است. سمیت و ایمنی شکل‌های مختلفی از سیلیکا به‌طور جامع به‌وسیله‌ی ناپییرسکا و همکارانش و فرویجتییر-پولوتس مورد بررسی قرار گرفته است. تا همین اواخر، تحقیقات سم‌شناسی درباره ذرات سیلیکا عمدتا بر روی ذرات کریستالی سیلیکای "طبیعی" با قطرهای 10-0.5 میکرومتر متمرکز بوده است که دارای خطر استنشاقی هستند. در اینجا سمیت سیلیکای کلوئیدی آمورف با اندازه نانو به دلیل کاربردهای زیست-پزشکیِ آن به‌عنوان وسیله انتقال دارو و پروب تشخیصی، مورد بررسی قرار می‌گیرد.
1.6. سمیت برون‌تن
ارزیابی‌های بسیاری درباره سمیت برون تن نانوذره سیلیکا انجام‌شده است. سمیت نانوذرات سیلیکا به‌شدت تابع خواص فیزیکی- شیمیایی مانند اندازه ذره، شکل، تخلخل، خلوص شیمیایی، شیمی سطح و قابلیت انحلال است. محققان زیادی مشاهده کرده‌اند که سمیت سلولی نانوذرات سیلیکا به‌اندازه وابسته است. برای مثال، گوا و همکارانش جهت مطالعه جذب سلولی و سمیت سلولی نانوذرات یکنواخت سیلیکا با اندازه‌های ۸۰ و ۵۰۰ نانومتر، از فیبروبلاست پوست انسان استفاده کردند. این محققان دریافتند که زنده ماندن سلول و پتانسیل غشا میتوکندری به‌وسیله‌ی نانوذرات کوچک‌تر نسبت به نانوذرات بزرگ‌تر بیشتر تحت تأثیر قرار می‌گیرد، اما چسبندگی و توانایی مهاجرت فیبروبلاست‌ها به‌وسیله‌ی هر دو اندازه نانوذرات کاهش می‌یابد. پسانژ و همکارانش نیز گزارش دادند که نانوذرات سیلیکا ۲۰ نانومتری سمی‌تر از نانوذرات ۱۰۰ نانومتری هستند؛ سمیت سلولی با فشار اکسیداتیو به‌وسیله‌ی تولید بالای گونه‌های واکنش‌پذیر اکسیژن ROS و پراکسیداسیون لیپید مرتبط است. اوه و همکارانش سلول‌های ماکروفاژ آلوئل دارِ موش (۱A.۷۷۴ J) را با نانوذرات توخالی سیلیکا-تیتانیا با قطرهای یکنواخت ۲۵، ۵۰، ۷۰، ۱۰۰ و ۱۲۵ نانومتر مورد بررسی قرار دادند و دریافتند که قابلیت زنده ماندن سلول‌ها، تولید گونه‌های واکنش‌پذیر اکسیژن ROS، آپوپتوز و نکروز ناشی از نانوذرات به‌اندازه آن‌ها وابسته است. در میان نانوذرات مختلف بررسی‌شده، دریافتند که نانوذرات کاتیونی ۵۰ نانومتری مضرترین نمونه در برابر ماکروفاژها هستند.
شیمی سطح نانوذرات سیلیکا نیز نقش مهمی در سمیت سلولی آن‌ها دارد. موریشگ و همکارانش مقدار تولید اینترلوکین-b1 در سلول‌های شبه‌ماکروفاژ انسانی ۱THP- را به همراه نانوذرات سیلیکا ۱۰۰۰ نانومتری، با یا بدون گروه‌های عاملی سطحی (COOH-، NH2-، ‌-SO3 و -CHO) مقایسه کردند و دریافتند که اصلاح سطح به‌طور چشمگیری تولید اینترلوکین-b1 را به‌وسیله‌ی کاهش مقدار گونه‌های واکنش‌پذیر اکسیژن ROS، کاهش می‌دهد. براون و همکارانش نیز گزارش دادند که نانوذرات بدون پوشش سیلیکا منجر به تحریک و افزایش آزادسازی دهیدروژناز اسید لاکتیک و اینترلوکین-8 می‌شوند، درحالی‌که اصلاح سطح آن‌ها با پلی‌اتیلن گلیکول این اثر را کاهش می‌دهد.. چنگ و همکارانش نشان دادند که سمیت سلولی نانوذرات سیلیکا برای سلول‌های مختلف انسانی می‌تواند با پوشش‌دهی نانوذرات سیلیکا با کیتوسان (که گروه‌های آمینه را حمل می‌کند) ، به‌طور چشمگیری کاهش یابد. بااین‌حال، اوه و همکارانش دریافتند که نانوذرات سیلیکا عامل‌دار شده با گروه آمین با سطوح دارای بار مثبت برای سلول‌های ماکروفاژ J774A.1 مضرتر از نانوذرات سیلیکا اصلاح سطح شده‌ی خنثی یا آنیونی هستند. این نتایج متناقض ممکن است ناشی از این واقعیت باشد که تأثیر خواص فیزیکی-شیمیایی نانوذرات سیلیکا بر سمیت سلولی وابسته به نوع سلول است. نتایج تحقیقات نشان می‌دهد که سلول‌های فیبروبلاست هنگام قرارگیری در معرض سیلیکا، نسبت به سلول‌های توموری حساس‌تر هستند.
گروه قندهاری به‌طور کامل اثرات هندسه، تخلخل و بار سطحی نانوذرات سیلیکا را بر سمیت سلولی و فعالیت همولیتیک ارزیابی کردند (شکل a-c۱۰). لازم به ذکر است که یک حد آستانه برای غلظت نانوذرات سیلیکا به میزان μg/mL ۱۰۰∼ به‌منظور بررسی سمیت برون تن در نظر گرفته می‌شود؛ زیرا کمتر از این حد آستانه اثرات نانوذرات سیلیکا با در نظر گرفتن خواص فیزیکی-شیمیایی مختلف بر روی سلامت غشاء، عملکرد میتوکندری، سلول‌خواری و یا مرگ سلولی بسیار محدود است. آن‌ها مشاهده کردند که بار سطحی و تخلخل نانوذرات فاکتورهای اصلی هستند که تجمع سلولی و سمیت سلولی نانوذرات سیلیکا را تحت تأثیر قرار می‌دهند. نانوذرات باردار مثبت نسبت به نانوذرات باردار منفی سمی‌تر هستند. نانوذرات غیر متخلخل سیلیکا نسبت به نانوذرات متخلخل سیلیکا به‌طور قابل‌توجهی سمیت کمتری دارند. در این مطالعه که نانومیله‌های متخلخل سیلیکا با نسبت ابعادی ۲، ۴ و ۸ مقایسه می‌شوند، فاکتور هندسه نه بر میزان تجمع سلولی و نه بر سمیت سلولی تأثیر نمی‌گذارد. نوع سلول نیز نقش مهمی در تعیین سمیت برون تن دارد؛ سلول‌های اپیتلیال سرطانی در برابر نانوذرات سیلیکا بسیار مقاوم هستند، درحالی‌که اثرات سمیت بر ماکروفاژها عمدتا وابسته به فاکتورهای سطح و بار است. این گروه و همچنین گروه لین خون ‌سازگاری نانوذرات سیلیکا را نیز بررسی کردند و دریافتند که فعالیت همولیتیک نانوذرات سیلیکای بدون پوشش به هندسه و تخلخل و نانوذرات سیلیکای اصلاح‌شده با گروه آمین به بار سطح وابسته است.
در تحقیق اخیر دیگری، رابلی و همکارانش اثر اندازه، مساحت سطح و میکروتخلخل نانوذره سیلیکا را بر فعالیت سمیت سلولی برون تن در چهار نوع سلول (ماکروفاژها، فیبروبلاست‌ها، سلول‌های اندوتلیال و اریتروسیت‌ها) بررسی کردند. پارامترهای فیزیکی-شیمیایی موثر بر روی پاسخ سلولی به نانوذرات، بر اساس نوع سلول تغییر می‌کند: در ماکروفاژهای موش، پاسخ سمیت سلول با افزایش مساحت سطح خارجی افزایش می‌یابد و با حجم میکروتخلخل کاهش می‌یابد؛ در سلول‌های اندوتلیال انسان و فیبروبلاست‌های جنین موش، سمیت سلول با افزایشِ زبری سطح و کاهش قطر افزایش می‌یابد؛ در اریتروسیت‌های انسان، فعالیت همولیتیک با قطر ذره افزایش می‌یابد.
محققان همچنین تلاش کرده‌اند تا سازوکار‌های سمیت سلولی نانوذره سیلیکا را دریابند. لیو و همکارانش گزارش کردند که نانوذرات سیلیکا به‌طور قابل‌توجهی منجر به تولید گونه‌های واکنش‌پذیر اکسیژن ROS، غیرقطبی شدن میتوکندری و آپاپتوز در سلول‌های اندوتلیال وریدی ناف انسان می‌شوند. این محققان نشان دادند که نانوذرات سیلیکا باعث اختلال در عملکرد سلول‌های اندوتلیال از طریق فشار اکسیداتیو با استفاده از مسیرهای JNK، p53، و NF-kB می‌شوند. یه و همکارانش نتایج مشابهی با رده 02 L- از سلول‌های کبدی انسان گزارش دادند. گروه قندهاری همچنین اشاره کردند که سمیت سلولی ممکن است با فرآیندهای اتوفاژیک در سازوکار‌های بازدارنده سلولی برای نانوذرات سیلیکا مرتبط باشد.
اگرچه چندین مطالعه آزمایشگاهی برون تن درباره نانوذرات سیلیکا نشان می‌دهند که آن‌ها دارای سمیت سلولی هستند اما مطالعات دیگری نشان می‌دهد که آن‌ها در شرایط آزمایشگاهی هیچ سمیتی نشان نمی‌دهند یا سمیت کمی نشان می‌دهند. براننر و همکارانش از نانوذرات آمورف سیلیکا به‌عنوان یک کنترل غیر سمی در مطالعات خود استفاده کردند. با استفاده از آزمون کامت، بارنز و همکارانش هیچ سمیت ژنی قابل‌توجهی برای نانوذرات سیلیکا بر فیبروبلاستهای L1 3-3Tپس ‌از آنکوبه‌کردن به مدت ۳، ۶ و ۲۴ ساعت پیدا نکردند. نتایج به‌طور مستقل در دو لابراتوار جداگانه اعتبارسنجی شدند.
به نظر می‌رسد عوامل تأثیر گذار بر روی سمیت پیچیده بوده و با نوع نانوذرات سیلیکا و سلول‌ها تغییر می‌کنند. متاسفانه در بسیاری از مطالعات منتشرشده، نانوذرات سیلیکا به طور دقیق مشخصه‌یابی نشده‌اند تا بتوان بر مبنای نتایج سمیت به‌دست آمده در ارتباط با مخاطره آمیز بودن این نانوذرات اظهار نظر نمود. شفاف‌سازی بحث سمیت سلولی نانوذرات سیلیکا نیازمند مطالعات برون تن دقیق‌تر به همراه مشخصه‌یابی مناسب‌ترنانوذرات سیلیکا است. همچنین انجام مطالعات بیشتری بر روی مکانیزم‌های سمیت سلولی این نانوذرات نیز مطلوب است.
2.6. سمیت دورن‌تن
اگرچه بسیاری از مطالعات درون تن درباره سمیت ریوی نانوذرات سیلیکا استنشاق‌شده انجام‌شده ‌است، اما سمیت سیستمی نانوذرات سیلیکا تزریقی درون وریدی، به‌طور گسترده بررسی نشده است. تنگ و همکارانش اخیرا گزارش کردند که نانوذرات توخالی متخلخل هنگامی‌که به‌صورت درون وریدی در یک واحد دوز یا دوزهای مکرر تزریق شوند، سمیتِ کم و وابسته به دوز را نشان می‌دهند. برای یک واحد دوز، میانه دوز کشنده (LD50) برای نانوذرات ۱۱۰ نانومتری بیش از mg/kg ۱۰۰۰ است. برای دوزهای مکرر بعد از اینکه موش‌ها با تزریق درون وریدی مداوم به مدت ۱۴ روز، در معرض نانوذرات در ۲۰، ۴۰ و۸۰ mg/kg قرار گرفتند، هیچ مرگی مشاهده نشد.
نانوذرات تزریق‌شده به‌صورت درون وریدی عمدتا در سلول‌های فاگوسیتیک در کبد و طحال تجمع پیدا می‌کنند و زمان پاک‌سازی کل ذرات بیش از ۴ هفته تخمین زده‌شده است. به‌علاوه، چو و همکارانش مشاهده کردند که توزیع بافت‌ وابسته به‌اندازه و دفع نانوذرات غیرمتخلخل سیلیکا ۵۰، ۱۰۰ و ۲۰۰ نانومتری در یک واحد تزریق درون وریدی تزریق‌شده است. پس از تزریق نانوذرات سیلیکا ۲۰۰ یا ۱۰۰ نانومتری در مدت ۱۲ ساعت بروز و شدت یک واکنش التهابی به‌صورت موقت افزایش می‌یابد، اما تزریق ذرات ۵۰ نانومتری موجب هیچ واکنش قابل‌توجهی نمی‌شوند. به‌طور مشابه، این محققان دریافتند که نانوذرات سیلیکا به‌وسیله‌ی ماکروفاژها در طحال و کبد به دام می‌افتند و پس از یک واحد تزریق تا ۴ هفته در آنجا باقی می‌‌مانند. نیشیموری و همکارانش نتایج متضادی را دریافتند که نانوذرات کوچک‌تر نسبت به نانوذرات بزرگ‌تر سمی‌تر هستند. مطالعات آن‌ها نشان داد که نانوذرات ۷۰ نانومتری در دوز mg/kg۳۰ آسیب کبدی ایجاد می‌کنند، درحالی‌که نانوذرات ۳۰۰ یا ۱۰۰۰ نانومتری حتی در mg/kg۱۰۰ هیچ اثری ندارند. با توجه به نتایج به‌دست‌آمده آمده تحقیقات بیشتری درباره اثر اندازه نانوذرات بر سمیت سیستمی نانوذرات موردنیاز است.
جالب‌توجه است که سوریس و همکارانش کشف کردند که بار سطحی نانوذرات سیلیکا نیز نقش مهمی در دفع کبدی دارند. نانوذرات سیلیکا با بار مثبت به‌سرعت از کبد به دستگاه گوارش دفع می‌شوند، درحالی‌که نانوذرات سیلیکا با بار منفی در کبد به‌طور مجزا شده باقی می‌مانند. این محققان اظهار کردند که وابستگی به جذب بار پروتئین‌های سرم به‌شدت دفع کبدی را تسهیل می‌بخشد.گروه قندهاری در موش‌های دارای سیستم ایمنی سالم سمیت درون تنی را هنگامی‌که نانوذرات سیلیکا به‌صورت درون وریدی تزریق شدند، ارزیابی کردند و دریافتند که عمدتا سمیت درون تن نانوذرات سیلیکا تحت تأثیر تخلخل و بار سطح بوده است (شکل ‌d۱0). نانوذرات غیر متخلخل سیلیکا ۱۲۰ نانومتری، سمیت سیستمی کمی را با حداکثر دوز قابل‌تحمل (MTD) mg/kg۴۵۰ نشان می‌دهند؛ نانوذرات متخلخل سیلیکا ۱۲۰ نانومتری با MTD‌هایی در محدوده‌ی ۳۰ تا mg/kg۶۵، سمیت سیستمی قابل‌ملاحظه‌ای دارند. بااین‌حال، زمانی که نانوذرات متخلخل سیلیکا با گروه‌های آمینه اولیه اصلاح شدند، سمیت ضعیف شد (mg/kg ۱۵۰-۱۰۰MTD=). علاوه‌بر این آن‌ها اشاره کردند که ویژگی‌های هندسی نانوذرات سیلیکا هیچ اثری بر سمیت درون تن ندارند. در مقابل، شکل نانوذرات سیلیکا به‌ طور قابل‌توجهی بر سمیت آن‌ها در ارتباط با رشد جنین مهره‌داران اثر می‌گذارد. این موضوع به‌وسیله‌ی نلسون و همکارانش گزارش‌شده است. آن‌ها از جنینی از گورخرماهی، به‌عنوان یک مدل سیستمی در مطالعات خود استفاده کردند و نشان دادند که نانومواد سیلیکا با نسبت ابعاد بزرگ‌تر از ۱ به‌شدت سمی هستند (pg/g ۱۱۰ LD50= جنین) و باعث ناهنجاری‌های جنینی می‌شوند، درحالی‌که نانومواد سیلیکا با نسبت بعد ۱ در همان غلظت، نه سمی و نه تراتوژنیک هستند.
نانوذرات سیلیکا ممکن است باعث سمیت اعصاب شوند. سان و همکارانش اخیرا گزارش کردند که نانوذرات سیلیکا در رت‌ها ممکن است علاوه‌بر یک عامل بالقوه‌ی خطر برای بیماری‌های عصبی، به‌طور منفی استریاتوم و نورون‌های دوپامینرژیک را تحت تأثیر قرار ‌دهند. نتایج نشان دادند که به محض ورود نانوذرات سیلیکا به مجرای تنفسی، آن‌ها وارد مغز می‌شوند و عمدتا در استریاتوم تجمع می‌یابند؛ قرار گرفتن در معرض نانوذرات سیلیکا باعث آسیب اکسیداتیو و افزایش پاسخ التهابی در استریاتوم می‌شود. در مقابل، برنده و همکارانش، نتایج متضادی را در مطالعه‌ی منتشرشده اخیرشان گزارش کردند که در آن دروزوفیلا با نانوذرات سیلیکا اصلاح‌شده ارگانیک در غلظت‌های مختلف به‌صورت محلول دهانی خورانده شدند. آن‌ها نشان دادند که نانوذرات سیلیکا نسبت به بافت‌های عصبی زنده و ارگانیسم‌های زنده، زیست‌سازگار هستند و حداقل تأثیر را بر عملکرد طبیعی سلول می‌گذارند. ورود نانوذرات سیلیکا به داخل سلولهای عصبی زنده مسیرهای مرگ نورونی نابه‌جا را فعال نمی‌کنند یا بر مسیر طولانی انتقال (انتقال آکسونی) که برای رشد، حفظ و بقای همه نورون‌ها ضروری است، اثر نمی‌گذارند. قابل‌توجه است که نانوذرات سیلیکا از طریق مسیرهای بسیار مختلفی تزریق می‌شوند و مدل‌های حیوانی در این دو مطالعه متفاوت هستند که می‌تواند دلیل نتایج بسیار متفاوتِ مشاهده‌شده باشد. تحقیقات بیشتر درباره نانوذرات سیلیکا با خواص متفاوت در جهت بررسی سمیت عصبی در مدل‌های حیوانی بیشتر، مورد نیاز است.
نانوذرات سیلیکا می‌توانند اثر برجسته‌تری بر حیوانات باردار داشته باشند. گروه تسوتسومی گزارش کردند هنگامی‌که نانوذرات سیلیکا ۷۰ و ۳۵ نانومتری به‌صورت درون وریدی به موش‌های باردار تزریق می‌شوند، می‌توانند باعث عوارض بارداری شوند؛ که نشان می‌دهد نانوذرات از سد جفت در موش باردار عبور می‌کنند. به‌علاوه، موش‌های درمان شده با این نانوذرات نسبت به گروه درمان‌نشده‌ی کنترل، رحم کوچک‌تر و جنین کوچک‌تری دارند. خیلی جالب است که نانوذرات سیلیکا بزرگ‌تر (۳۰۰ و ۱۰۰۰ نانومتری) باعث بروز این عوارض نمی‌شوند.
چندین گروه گزارش کرده‌اند که نانوذرات سیلیکا یا ایمپلنت‌ها می‌توانند درون بدن سریع تنزل پیدا کنند و نانوذرات سیلیکا می‌توانند در طول زمان از بدن حذف گردند و اشاره شد که سمیت درازمدت درون تن نانوذرات سیلیکا می‌تواند کم باشد. ازآنجا که سیلیکا عموما بی‌اثر در نظر گرفته می‌شود، معمولا برای پوشش دیگر نانوذرات، مانند نانوذرات طلا و نانوذرات اکسید آهن، استفاده می‌شود. سمیتِ نانوذراتِ هسته-پوسته پوشیده شده با سیلیکا به‌وسیله‌ی چندین محقق بررسی‌شده است. برای مثال، پس از تزریق درون وریدی نانوذرات طلای پوشیده شده با سیلیکا یک واکنش التهابی خفیف و یک افزایش در فشار اکسیداتیو در کبد مشاهده شد؛ هر دو اثر به مدت دو هفته پس از تزریق فروکش کردند. کیم و همکارانش نشان دادند که نانوذرات ۵۰ نانومتری مغناطیسی پوشیده شده با سیلیکا پس از تزریق صفاقی باعث هیچ سمیت واضحی نمی‌شوند. با این ‌وجود، ازآنجاکه نانوذرات سیلیکا نانوموادِ امیدوارکننده‌ای برای کاربردهای زیست پزشکی هستند، باید با دقت بیشتری در مطالعات پیش بالینی، زیست‌سازگاری و ایمنی درازمدت و پاک‌سازی نانوذرات سیلیکا مورد ارزیابی قرار گیرد پیش از آن‌که بتوانند جهت استفاده‌ی کلینیکی تولید شوند.

7. نتیجه‌گیری و چشم‌اندازهای آینده
نانوذرات سیلیکا جایگزین نویددهنده‌ای برای سیستم‌های دارورسانی آلی ارائه می‌دهند و خواص منحصر به‌فرد بی‌شماری، از قبیل قابلیت بالای کنترل اندازه و شکل را نشان می‌دهند. نانوذرات غیر متخلخل سیلیکا کاربردهای زیست-پزشکی متعددی در انتقال داروها، پروتئین‌ها، و ژن‌ها برای تصویربرداری مولکولی پیدا کرده‌اند. بااین‌حال، پیش از اینکه نانوذرات سیلیکا بتوانند به‌صورت رایج در کلینیک استفاده شوند، باید بر برخی چالش‌های عمده غلبه شود. این چالش‌ عبارتند از نیاز به توسعه بارگذاری (loading) دارو (بارگذاری بالای داروی و بازده تلفیق بالا) ، کنترل مکانی و زمانی آزادسازی دارو، هدف‌گیری کارآمدِ مکان‌های بیماری، تولید با مقیاس‌های مختلف، پایداری بلند-مدت و شناخت کافی از زیست‌سازگاری و پتانسیل سمیت. نانوذرات هیبریدی آلی-سیلیکا، دارای هر دو خواص منحصربه‌فرد نانوذرات سیلیکا و عملکردهایی مانند، پاسخگویی به نور هستند که به‌وسیله‌ی گروه‌های عاملی آلی وجود در ترکیب به ساختار هیبریدی معرفی می‌شود. این نانوذرات هیبریدی به عنوان یک نانوداروی پیشرفته با قابلیت کنترل بارگذاری دارو و رهایش دارویی می‌تواند مورد استفاد قرار گیرد. جهت دستیابی به هدف‌گیری اختصاصی بیماری، ارتباط بین خواص فیزیکی-شیمیایی نانوذرات سیلیکا و رفتار آن‌ها در سیستم بیولوژیکی باید به‌طور کامل روشن شود. علاوه‌بر این، امکان هدایت نانوذرات سیلیکا به‌طور ویژه به محل‌های بیماری به‌وسیله لیگاندهای هدف‌گیری، مانند آنتی‌بادی و آپتامرها نیز مورد نیاز است که باید بیشتر مورد کاوش قرار گیرند. درک کامل مشخصات و پروفیل سمیت و اثرات زیست‌محیطی نانوذرات سیلیکا، نیازمند تلاش فوق‌العاده‌ای در بخش سمیت‌شناسان، آسیب‌شناسان، زیست‌شناسان، متخصصان محیط‌زیست و دانشمندان مواد است. به دلیل اینکه که نانوداروها معمولاً در مقایسه با داروهای کوچک مولکول ناهمگن‌تر هستند؛ این کار شاید کوچک به نظر رسد اما بسیار با‌اهمیت است. بااین‌حال، دستیابی به دانش کامل از مشخصات سمیت نه‌تنها ازنظر علمی بسیار جالب و مهم است، بلکه چشم‌اندازی برای کاربرد کلینیکی نانوذرات سیلیکا به شمار می‌رود. بااین‌وجود، ما انتظار داریم که با روش‌های سنتز جدید و طراحی‌های هوشمندانه مبتنی بر نانوذرات سیلیکا، راه‌حل‌هایی برای همه مسائل ذکرشده در بالا ارائه شود و درنهایت منجر به توسعه نانوپزشکی‌های توانمند برای تشخیص زودهنگام و درمانِ اختصاصی فردی، بسیاری از بیماری‌ها گردد.

منبع: