سیلیکا، پاشنه آشیل ژن تراپی

درمان ژنتیکی ( ژن تراپی ) به‌عنوان یک استراتژی جدید و امیدوارکننده برای درمان مؤثر بیماری‌های ناشی از نقص‌های ژنتیکی، با تصحیح مشکلات در سطح بیان ژن، به‌عنوان پتانسیل تغییر در الگوی درمان‌های پزشکی کنونی مطرح شده است. بنابراین، جستجوی حامل‌های ایده‌آل برای تحویل ژن، به‌عنوان یکی از عوامل کلیدی موفقیت درمان ژنتیکی، توجه زیادی را در جامعه پژوهشی جلب کرده است. با وجود محبوبیت وکتورهای ویروسی، این وکتورها دارای معایب اساسی هستند که می‌توانند توسط وکتورهای غیر ویروسی برطرف شوند و در دهه‌های اخیر، به‌ویژه به‌دلیل ایمنی بالاتر آن‌ها، توجه بیشتری را به خود جلب کرده‌اند.

پیشرفت‌های ژن‌درمانی نویدبخش پتانسیل بالایی برای درمان طیف وسیعی از بیماری‌های ناشی از نقص‌های ژنتیکی بوده است. با این حال، کارایی درمانی و موفقیت نهایی آن به شدت به توسعه سیستم ایده‌آل انتقال ژن وابسته است. در این زمینه، ناقل‌های مبتنی بر سیلیکا توجه را از ناقل‌های ویروسی و دیگر انواع ناقل‌های غیر ویروسی به خود جلب کرده‌اند، به دلیل ایمنی بیشتر، ساختار و سطح قابل اصلاح آسان، پایداری بالا و مقرون‌به‌صرفه بودن آن‌ها، انعطاف‌پذیری و ترکیب سیلیکا با مواد دیگر مانند پلیمرها، لیپیدها یا ذرات غیرآلی منجر به توسعه حامل‌هایی با ظرفیت بارگذاری بالا، توانایی محافظت و اتصال مؤثر به مواد ژنتیکی، انتقال هدفمند و آزادسازی پاسخ‌دهنده به محرک شده است.

نتایج امیدوارکننده‌ای هم در آزمایش‌های  (in vitro) و (in vivo) با استفاده از این نانوسیستم‌ها به عنوان پلتفرم‌های چندکاره در زمینه‌های درمانی مختلف، مانند درمان سرطان یا بیماری‌های مغزی، گاهی همراه با عملکردهای تصویربرداری، به دست آمده است.

نانو لوله‌های سیلیکایی (SNTs)

نانو لوله‌های سیلیکایی (SNTs) به دلیل خواص منحصر به فردشان به عنوان حامل‌های امیدوارکننده برای کاربردهای بیومدیکال مطرح شده‌اند. بر خلاف نانوذرات یا نانو میله‌ها، SNTها ساختارهای استوانه‌ای با قطرهای یکنواخت و ساختار توخالی هستند که به آن‌ها دو دامنه فیزیکی متفاوت می‌دهد: فضای داخلی و سطح خارجی

فضای داخلی می‌تواند با بیومولکول‌های خاص پر شود که به راحتی توسط ساختار لوله‌ای محافظت می‌شوند. علاوه بر این، قابلیت عملکرد متفاوت سطح داخلی و خارجی می‌تواند امکان توسعه یک سیستم چندمنظوره را فراهم کند.

قالب‌های مورد استفاده در این سنتز می‌توانند شامل آلومینیوم اکسید آنودیک  و غشاء کلاژن باشند که بر روی آن‌ها لایه‌ای از سیلیکا از طریق واکنش‌های سل-ژل رسوب می‌شود. اندازه نانو لوله‌ها ویژگی حیاتی است که تأثیر زیادی بر عملکرد  آن‌ها دارد. چندین مطالعه با استفاده از نانو لوله‌های کربنی نشان داده‌اند که جذب سلولی مؤثر با نانو لوله‌هایی که کوچک‌تر از 1 میکرومتر هستند، به دست می‌آید.  چن و همکاران نانو لوله‌های سیلیکایی (SNTs) با طول کنترل شده از کمتر از 500 نانومتر تا تقریباً 2 میکرومتر توسعه دادند و نتایج آن‌ها ثابت کرد که جذب سلولی SNTها وابسته به طول است و با کاهش اندازه افزایش می‌یابد

ورق های سیلیکایی

تحویل ژن معمولاً با استفاده از روش‌های ترنسفکسیون مستقیم انجام می‌شود، یعنی روش‌هایی که در آن‌ها ابتدا سلول‌ها کاشته می‌شوند و سپس ماده ژنتیکی با استفاده از انواع مختلف وکتورها اضافه می‌شود. با این حال، روش‌های ترنسفکسیون معکوس نیز طراحی شده‌اند که در آن‌ها مواد واکنش‌زا و DNA پلاسمید روی زیرلایه‌های کشت جذب می‌شود قبل از اینکه سلول‌ها به آن‌ها اضافه شوند. برای اینکار از ورق های سیلیکایی استفاده می شود.

ورق‌های سیلیکایی زیرلایه‌هایی هستند که دارای مساحت سطح بزرگ و بسترهای مفیدی برای جذب بیومولکول‌ها هستند.

پیشرفت‌های جدید در استفاده از نانو ذرات سیلیکای غیرمنفذ دار و متخلخل برای تحویل ژن

توسعه نانوذرات سیلیکای (NPs) به دو گروه اصلی تقسیم می‌شود: نانوذرات سیلیکای غیرمنفذ دار و نانوذرات سیلیکای متخلخل. در میان نانوذرات سیلیکای متخلخل، نانوذرات سیلیکای میکروپروس (MSNs) به عنوان پرکاربردترین نوع شناخته می‌شوند. این روزها، پیشرفت‌های چشمگیری در استفاده از نانوذرات سیلیکای غیرمنفذدار و MSNs به عنوان ناقل‌های ژن در میان ساختارهای گزارش‌شده، نانوذرات سیلیکای میکروپروس بدون شک برجسته‌ترین نانو سیستم‌ها هستند

به‌دلیل ویژگی‌های متعدد و جذاب آن‌ها به‌عنوان حامل‌ها، مانند سطح بالا و نسبت سطح به حجم بزرگ، که ظرفیت بارگذاری بالایی را به آن‌ها می‌دهد. نانوذرات میکروپروس با پوشش‌های لیپیدی و بیشتر به‌طور معمول با پلیمرهای کاتیونی و لیگاندهای هدف‌گیری خاص ترکیب شده‌اند، که منجر به نانو سیستم‌هایی با عملکرد بالاتر از نظر بستن DNA، حفاظت و کارایی انتقال در مقایسه با نانوذرات سیلیکای بدون تغییر یا آمینه شده شده است.

قابل توجه است که ترکیب نانوذرات میکروپروس با این مواد همچنین بهبودی نسبت به استفاده از پلیمرها یا لیپیدها به‌تنهایی را به همراه دارد، که منجر به کاهش سمیت پلیمرهای کاتیونی و افزایش ظرفیت بارگذاری، پایداری و کاربرد بیولوژیکی لیپوزوم‌های سنتی شده است. علاوه بر این، ترکیبات جالب با نانوذرات مغناطیسی یا حتی نقره و نقاط کوانتومی، امکان توسعه نانوذرات میکروپروس چندمنظوره را فراهم کرده است، که می‌تواند نتایج درمان ژنتیکی را با ترکیب آن با عملکردهای تصویربرداری، تحویل هدایت‌شده مغناطیسی و هر دو درمان‌های فوتوترمال و شیمی درمانی بهبود بخشد.

نانو ذرات سیلیکای غیرمنفذ دار

در تولید نانوذرات سیلیکای غیرمنفذ دار، دو روش سنتزی برجسته وجود دارد: میکروامولسیون معکوس و روش استوبر. روش میکروامولسیون معکوس که شامل مخلوطی از آب، روغن و سورفکتانت‌هاست، به ایجاد میسل‌های معکوس و در نتیجه نانوذرات سیلیکای همگن کمک می‌کند. از سوی دیگر، روش استوبر که در سال 1968 معرفی شد، شامل هیدرولیز و متراکم شدن پیش‌ساز سیلوکسانی به نام تترااتیل ارتوسیلیکات (TEOS) است و همچنان به‌عنوان یکی از روش‌های پرکاربرد برای تولید نانوذرات سیلیکای همگن باقی مانده است.

در سال‌های اخیر، توجه زیادی به نانوذرات سیلیکای دارای تغییرات سطحی جلب شده است. گروه لیر اولین کسانی بودند که از نانوذرات سیلیکای تغییرشده برای تحویل ژن استفاده کردند. آن‌ها با اضافه کردن گروه‌های آمینه به سطح نانوذرات سیلیکای تجاری، توانستند DNA پلاسمیدی را به‌طور موفقیت‌آمیز در آزمایشات in vitro انتقال دهند. نتایج نشان داد که این نانوذرات می‌توانند کارایی انتقال ژن را به میزان 30 درصد از پلی‌پلکس‌های PEI-DNA افزایش دهند، در حالی که سمیت سیتوتوکسیک در این نانوذرات مشاهده نشد.

همچنین، نانوذرات سیلیکای تغییر داده شده در آزمایش‌های in vivo در موش‌های DBA/2 نشان‌دهنده افزایش دو برابری در بیان GFP نسبت به پلاسمید GFP تقویت‌شده بودند و میزان سمیت سیتوتوکسیک در آن‌ها تقریباً صفر بود، که نشان‌دهنده پتانسیل بالای این نانوذرات به‌عنوان ناقل‌های ژن است.

در نتیجه به طور خلاصه کاربردهای درمانی امیدوارکننده سیستم‌های تحویل ژن مبتنی بر سیلیکا به‌طور گسترده‌ای نه تنها در آزمایشات in vitro بلکه در مدل‌های مختلف سرطان در آزمایشات in vivo مطالعه شده است. به‌عنوان مثال، نانوذرات میکروپروس پوشش‌دار با PLL یا دوپامین پلیمری برای حمل ژن‌های درمانی استفاده شدند و نتایج جالبی در تحویل ترانس‌درمال برای درمان SCC پوست و در درمان سرطان روده بزرگ ارائه دادند. علاوه بر این، نانوذرات میکروپروس پوشش‌دار با CD-PGEA و مبتنی بر دی‌سولفاید با موفقیت برای هم‌رسانی داروهای درمانی و ژن‌ها در درمان گلیوم استفاده شدند.

نانوذرات مغناطیسی پوشش‌دار با PEI و PEG، که با پپتید فوزوژنیک تغییر یافته‌اند، برای تحویل siRNA برای درمان ضدآنژیوژنتیک در مدل‌های سرطان ریه و تخمدان به‌کار رفته و هیچ سمیت سیستمیک و تجمع خاص مؤثر در تومور اولیه و نقاط متاستاتیک را نشان داده‌اند. نانوذرات میکروپروس پوشش‌دار با لیپید PEGylated همچنین به‌تازگی برای درمان ترکیبی ژن و شیمی درمانی به HCC و سرطان سینه ارتوپیک توصیف شده‌اند و اثرات ضدتوموری و ضدمتاستاتیک سینرژیک و سرکوب قابل توجهی از رشد تومور اولیه را نشان داده‌اند.

از طرف دیگر، کاربردهای درمانی دیگر، مانند درمان‌های مغز یا نخاع، با استفاده از وکتورهای مبتنی بر سیلیکا توصیف شده‌اند. نانوذرات میکروپروس اصلاح‌شده با آمین برای هم‌رسانی مواد ژنتیکی برای درمان مغز گزارش شده‌اند، در حالی که نانوذرات میکروپروس پوشش‌دار با لیپید (پروتوسل‌ها) به‌عنوان حامل‌ها برای یک ژن درمانی ضدالتهابی و دردکاه به نخاع استفاده شده‌اند.

در نتیجه، ایمنی ذاتی و سازگاری زیستی سیلیکا، همراه با پتانسیل وسیع نانو سیستم‌های مبتنی بر سیلیکا، نتایج بسیار امیدوارکننده‌ای برای کاربردهای بالینی آینده به نمایش گذاشته است، که این نانو سیستم‌ها به‌عنوان جایگزین‌های مفید برای وکتورهای ویروسی و حتی سایر وکتورهای پلیمری یا لیپیدی معمول به حساب می‌آیند.