لن تغطي مواد التضميد الجديدة الجروح فحسب، بل ستلفت انتباه الأطباء أيضًا إلى المشاكل وتوصيل الأدوية
الجنود الأمريكيون الذين أصيبوا في أفغانستان تمت معاملتهم بشكل جيد بعد عودتهم من الحرب. قام الجراحون في مركز سان أنطونيو الطبي العسكري في تكساس بتطعيم أنسجة الجلد السليمة بعناية على الحروق والجروح واستخدموا الجراحة المجهرية لربط الأوعية الدموية بالجلد الجديد. ومع ذلك، لا تزال هناك حالة من عدم اليقين بشأن تعافيهم. لا توفر الأوعية الدموية المتصلة دائمًا ما يكفي من الأكسجين لنجاح عملية الزرع.
عندما زار كونور إيفانز سان أنطونيو عام 2010 وشاهد الجنود، أدرك أن الطرق المعتادة لمراقبة مستويات الأكسجين لا تعمل بشكل صحيح وغالباً لا تنبه عند فشل عملية الزرع. يقول إيفانز، الكيميائي في كلية الطب بجامعة هارفارد ومركز ويلمان للطب الضوئي في مستشفى ماساتشوستس العام: "لقد قام الأطباء بأشياء مذهلة، لكن أجهزة الاستشعار التي كانت لديهم لم تكن جيدة بما فيه الكفاية".
لذلك صنع إيفانز ضمادة أفضل. بدأ هو وزملاؤه بالأصباغ التي تتفاعل مع مستويات مختلفة من الأكسجين، وأضافوا جزيئات نانوية لتنظيم نشاط الأصباغ واستخدموها لإنشاء ضمادة سائلة تشير إلى حالة الجرح الذي تغطيه. ويقول إيفانز: "إن الضمادة تغير ألوانها، مثل إشارة المرور، من الأخضر والأصفر والبرتقالي إلى الأحمر"، وفقا لكمية الأكسجين. وبعد نجاح التجارب على حيوانات المختبر عام 2014، تبدأ التجارب السريرية على البشر هذا العام.
إن القدرات الجديدة للتحكم في جزيئات المواد التي يبلغ حجمها عدة أجزاء من المليارات من المتر تسمح للعلماء مثل إيفانز ليس فقط بتحسين القدرة على تقييم الحالة الصحية بسرعة، ولكن أيضًا لتحويل الضمادات إلى أنظمة دقيقة لتوصيل الأدوية. تقول باولا هاموند، الكيميائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: «تلعب تقنية النانو دورًا مهمًا في القدرة على التحكم في كمية الأدوية المنطلقة ومعرفة مقدار الجرعة المخططة التي وصلت فعليًا إلى مناطق الإصابة التي كان من المفترض أن تصل إليها». معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا). وهذه الدقة أفضل بكثير من إغراق أجزاء الجسم السليمة بالأدوية التي يصل جزء منها فقط إلى الهدف.
صرخ في الهواء
ويعاني أكثر من ستة ملايين شخص في الولايات المتحدة من ضعف التئام الجروح بسبب نقص الأكسجين كل عام، وتقدر النفقات الطبية المرتبطة بذلك بنحو 25 مليار دولار. عادةً ما يقوم الأطباء بإدخال أقطاب كهربائية رفيعة في الأنسجة المصابة لقياس مستوى الأوكسجين. لكن الثقوب مؤلمة والقياس يوفر معلومات عن نقطة واحدة فقط في الجرح الكبير. من ناحية أخرى، يمكن لضمادة إيفانز أن توفر على الفور خريطة لمستويات الأكسجين في جميع أنحاء الجرح.
تعتمد الطريقة على مادتين ملونتين يتم خلطهما معًا في ضمادة سائلة يتم تطبيقها على الجرح وتجف بسرعة. وميض قصير من الضوء الأزرق يثير كلتا المادتين ويؤدي إلى توهجهما: إحداهما حمراء زاهية والأخرى خضراء. تعمل جزيئات الأكسجين على إيقاف توهج الفوسفور الأحمر، لذلك عندما يتم شطف الجرح بالأكسجين وصحته، ستتوهج الضمادة باللون الأخضر. ولكن إذا كان هناك نقص في الأكسجين في مناطق معينة من الجرح، فسوف تظهر بقع من اللون الأصفر والبرتقالي وأخيرا اللون الأحمر.
مفتاح التحذير هو إضافة النانو إلى جزيئات الصبغة الحمراء. قام إيفانز بربط كل من جزيئات الصبغة بجزيء يسمى dendrimer، وهو ذو بنية متفرعة تشبه الشجرة يصل قطرها إلى 2 نانومتر. يقوم التشابك الجزيئي بإبعاد جزيئات الصبغة المجاورة عن بعضها البعض ويخفف الضوء الذي تنبعث منه. كما يمنع هذا التشابك جزئيًا الوصول المادي لجزيئات الأكسجين ويقلل تركيزها. وفي التركيزات الصغيرة يكون أي تغيير أكثر وضوحًا.
أثناء الإقامة في المستشفى، ستلتقط الممرضات صورة للضمادة التي سيتم تلوينها باللون الأحمر التحذيري، وسيحاول الأطباء تحسين الدورة الدموية والأكسجين في النقاط التي بها مشكلة. من حيث المبدأ، يمكن أن تعمل الضمادة أيضًا في المنزل. يقول إيفانز إن المرضى سيكونون قادرين على التقاط صور للضمادة وإرسالها إلى الطبيب لتقييمها.
لقد أنتج فريق إيفانز بالفعل أصباغًا بديلة أكثر كفاءة في تحويل الضوء الأزرق إلى أحمر متوهج. يقول إيفانز: "إن ضمادتنا الجديدة مضيئة جدًا، ويمكنك رؤيتها مع كمية أقل من الطلاء حتى في وضح النهار". ويضيف أنه في المستقبل سيتم تصميم الضمادة لتوزيع الأدوية داخل الجرح.
الطب في ضمادة
لقد قام الباحثون في مختبر هاموند بالفعل بتحميل الضمادات بمواد علاجية باستخدام أساليب الهندسة النانوية. لقد طوروا طبقات تفرز ببطء الحمض النووي الريبوزي (RNA) أو جزيئات البروتين، القادرة على تعطيل الأنشطة الخلوية التي يمكن أن تعطل عملية التئام الجروح. على سبيل المثال، يمكن لجزيئات نوع معين من الحمض النووي الريبي (RNA)، تسمى "الحمض النووي الريبوزي المتداخل القصير" (siRNA)، أن تمنع الجينات التي ترمز للبروتينات التي يمكن أن تسبب مشاكل.
قام الفريق في المختبر بتغليف جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) هذه في أغلفة فوسفات الكالسيوم التي يبلغ قطرها حوالي 200 نانومتر ووضعها بين طبقتين من البوليمر موجب الشحنة المصنوع من جزيئات بيولوجية، ثم قام بتلطيخ جانب واحد من الساندويتش بالطين سالب الشحنة. (الشحنات المعاكسة تلصق طبقات الساندويتش ببعضها البعض). إن حزمة مكونة من 25 ساندويتشًا من هذا النوع تخلق طبقة يبلغ سمكها حوالي نصف ميكرون. قام هاموند بربطه بضمادة نايلون عادية.
عندما تقوم إنزيمات الجسم الطبيعية بتفكيك الطبقات، يطلق الغمد جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) في الجرح لمدة أسبوع. يمكن أن يؤدي الإطلاق البطيء والمستدام إلى تقليل الآثار الجانبية الناجمة عن حقنة واحدة لكمية كبيرة من دواء روتيني. تضمن طريقة التحرير هذه أيضًا معالجة الجرح بانتظام.
استخدم هاموند أيضًا هذا الطلاء متعدد الطبقات لتوصيل بروتين طبي يساعد على التئام الجروح لدى الفئران المصابة بداء السكري. البروتين متوفر بالفعل في مرهم، لكن هاموند يقول إنه غير فعال لأنه بعد الإطلاق الأولي السريع لكمية كبيرة من البروتين، فإنه يختفي خلال 24 ساعة. من ناحية أخرى، تحافظ ضمادة هاموند على معدل إطلاق ثابت ومستقر للبروتين بجرعة مثالية لمدة خمسة إلى سبعة أيام.
يمكن أن يؤدي النهج متعدد الطبقات أيضًا إلى تحسين علاجات أمراض أخرى، مثل مرض الشريان التاجي، والذي يحدث بسبب انسداد الشرايين التي تتدفق الدم عبر عضلة القلب. يتضمن العلاج عادة توسيع الشريان عن طريق نفخ بالون وإدخال أسطوانة شبكية من الفولاذ المقاوم للصدأ، تسمى الدعامة، والتي تحافظ على الشريان مفتوحًا. تحتوي بعض الدعامات على أدوية لمنع إعادة تضيق الشريان، لكن استخدامها يتطلب من المرضى استخدام أدوية إضافية لتقليل خطر تجلط الدم من منطقة الدعامة.
يقدم ديفيد لين، الكيميائي في جامعة ويسكونسن ماديسون، حلاً أفضل: معالجة الشريان بجرعات من الحمض النووي التي سيتم إطلاقها من الأجهزة المغلفة بالنانومتر. داخل الجسم، يمكن أن يتسبب الحمض النووي في قيام الخلايا بإنتاج بروتين يساعد على استقرار جدران الأوعية الدموية واستعادتها. لإطلاق مثل هذه العلاجات الجينية في المكان المناسب وفي الوقت المناسب، توقع لين أن يتم دعمها بطبقات متناوبة من الحمض النووي والبوليمرات القابلة للتحلل الحيوي، يبلغ سمك كل طبقة بضعة نانومترات. إن تغيير عدد الطبقات يسمح للباحثين بالتحكم في كمية الحمض النووي المنطلق إلى جدران الأوعية الدموية. أظهرت التجارب على الخنازير أن الحمض النووي يخترق الأنسجة المحيطة بالدعامة تدريجيًا لعدة أيام بعد زرعها. وقد أظهرت دراسات أخرى أن الضبط الدقيق لتصميم الطلاء يمكن أن يغير معدل إطلاق الحمض النووي. يقول لين: "لدينا الآن تحكم معقول، مما يسمح لنا بجدولة الإطلاق، من بضع ثوانٍ إلى بضعة أشهر، عن طريق تغيير بنية البوليمر أو تغيير طريقة بناء الطلاء".
ويمكن اعتماد أساليب الهندسة النانوية الكامنة وراء هذه الاختراعات في مجموعة واسعة من التطبيقات الأخرى. يستخدم لين طبقة بوليمر لإفراز الببتيدات - وهي جزيئات بيولوجية تعطل المحادثة الكيميائية بين البكتيريا. عندما يتم فصل البكتيريا عن بعضها البعض، لا يمكنها الانضمام معًا وتشكيل غشاء بيولوجي صلب مقاوم للمضادات الحيوية. ويستخدم إيفانز بدوره أصباغه المضيئة على عينات الأنسجة من الخلايا السرطانية منخفضة الأكسجين، والتي تميل إلى أن تكون مقاومة بشكل خاص للعلاج الكيميائي، ويخطط لاختبار هذه الطريقة على الحيوانات في وقت لاحق من هذا العام. يمكن أيضًا استخدام طريقة اللون للكشف عن العدوى البكتيرية في الأنسجة المصابة أو للكشف عن أنواع أخرى من الجزيئات. يقول إيفانز: "في الواقع، السماء هي الحد الأقصى".
- مارك بيبلو صحفي علمي من كامبريدج، إنجلترا.
- باختصار
يمكن أن تكون الضمادات بمثابة نظام دقيق لإطلاق الدواء باستخدام مواد نانوية. - تسمح تقنية النانو للباحثين بربط الأدوية بين طبقات الضمادة والتحكم في الكمية المتحررة.
- يمكن استخدام الضمادات ككاشف لحالة الجروح الخطيرة. يمكنهم أيضًا إطلاق جزيئات تمنع البروتينات المسببة للمشاكل.
- ومن الممكن وضع أجهزة صغيرة في شرايين القلب وإطلاق الحمض النووي الذي من شأنه تحفيز إنتاج البروتينات التي تساعد على ترميم الأوعية الدموية التالفة.
زرع الكمبيوتر – بلطف على القلب / جوشوا أ. كيرش
الدوائر الكهربائية التي لا تمزق اللحم تلتف حول الأعضاء المهمة وتراقب نشاطها
الأجهزة الإلكترونية لا تتطابق تمامًا مع البرامج البيولوجية. لا تنحني الدوائر الصلبة في منحنيات الأعضاء المرنة، وتمزق حوافها الصلبة الأنسجة الرخوة. لقد حدت هذه المشكلة بشدة من محاولات دمج التحكم بالكمبيوتر لتحسين الأجهزة مثل القسطرة لتنظيف الشرايين. قد يكون السيليكون قادرًا على حمل صناعة الكمبيوتر بأكملها، لكنه هش للغاية.
لكن يمكنك ثني أصعب المواد إذا جعلتها رقيقة بدرجة كافية، كما يقول جون روجرز، عالم المواد في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين. قام ببناء صفائح إلكترونية قابلة للتمدد بسمك عشرة نانومترات للأجهزة التي يمكن وضعها داخل أو حول أعضاء مثل القلب وتشغيلها حسب الحاجة دون التسبب في أي ضرر. يسميها روجرز "الإلكترونيات الناعمة".
وفي الدوائر التي يبنيها روجرز، يجب عليه استخدام موصلات دقيقة، مثل السيليكون ونيتروجين الغاليوم، لأنها يجب أن تنقل إشارات الكمبيوتر دون انقطاع. وللتغلب على ميل السيليكون إلى الانكسار عند ثنيه، استخدم تكنولوجيا النانو لصنع طبقات رقيقة قدر الإمكان من المادة التي لا تزال تحتفظ بالتوصيل الكهربائي. بسمك يبلغ حوالي عشرة نانومترات، يتصرف السيليكون مثل شريط مطاطي مرن وأقل مثل الزجاج.
وفي تجربة على الحيوانات، تمكن روجرز من تشغيل غشاء مرن يشتمل على أجهزة إلكترونية يمكنها الالتفاف حول القلب النابض وتتبع عدم انتظام ضربات القلب. وإذا استمرت التجارب في النجاح، فإنه يتصور إضافة أجهزة استشعار إلى أجهزة توسيع الأوعية الدموية، مثل القسطرة البالونية، التي من شأنها اكتشاف تضيق الأوعية الدموية. يقول روجرز: "ستكون الأدوات الجراحية المتطورة قادرة على استبدال الأجهزة الميكانيكية "الغبية"".
المزيد عن هذا الموضوع
تعمل الطبقات المتعددة الإلكتروليت على تعزيز توصيل الحمض النووي إلى الأنسجة الوعائية عن طريق الدعامات. اريك م. سورير وآخرون. في الجزيئات الحيوية، المجلد. 14، لا. 5، الصفحات 1696-1704، 13 مايو 2013.
تلبيس سيرنا ذو الطبقات النانوية من أجل ضربة قاضية موضعية مستدامة. ستيفن كاسلبيري في ACS Nano، المجلد 7، رقم. 6، الصفحات 5251-5261، 25 يونيو 2013.
طلاء السطح الذي يعزز الإطلاق السريع لمثبطات AgrC القائمة على الببتيد لتخفيف استشعار النصاب في المكورات العنقودية الذهبية. آدم ه. برودريك وآخرون. في مواد الرعاية الصحية المتقدمة، المجلد. 3، لا. 1، الصفحات 97-105، يناير 2014.
اتحادات نانوية مجمعة ومستشعرة للأكسجين للتصوير بدقة العمق وبالأشعة تحت الحمراء القريبة في نموذج ثلاثي الأبعاد للسرطان. ألكسندر ج. نيكولز في Angewandte Chemie International Edition، المجلد 3، العدد. 53، الصفحات 14-3671، 3674 أبريل 1.
رسم خرائط ثنائية الأبعاد للأكسجين عبر الجلد بطريقة غير جراحية باستخدام ضمادة سائلة سريعة الجفاف. Zongxi Li في البصريات الطبية الحيوية السريعة. المجلد. 5، لا. 11، الصفحات 3748-3764، 1 نوفمبر 2014.
