نانوالیاف چگونه با بدن تعامل میکنند؟

به گزارش مجله خبری نگار/سیناپرس، این مطالعه افق‌های تازه‌ای را برای طراحی هوشمندانه مواد با حداقل اثرات نامطلوب و کاهش وابستگی به آزمون‌های حیوانی پیش‌روی علم قرار داده است.

در دورانی که فناوری نانو به‌سرعت مرز‌های دانش را در حوزه‌های مختلف جابه‌جا می‌کند، شناخت دقیق رفتار این ذرات در مواجهه با سیستم‌های زیستی به یکی از ضرورت‌های اصلی پژوهشی تبدیل شده است.

پژوهشی که به‌تازگی در نشریه معتبر Nano Today منتشر شده، نگاهی متفاوت به معیار‌های ارزیابی زیستی این ذرات ارائه می‌دهد؛ نگاهی که در آن «مورفولوژی» یا همان ویژگی‌های هندسی الیاف، نقشی بنیادی‌تر از ماهیت شیمیایی ماده در تعیین اثرات آن بر عهده دارد.

یافته‌های این مطالعه نشان می‌دهد که ویژگی‌های فیزیکی نظیر طول، قطر و میزان سختی نانوالیاف، چگونگی واکنش سلول‌های ایمنی را به‌طور مستقیم جهت‌دهی می‌کنند. در واقع، این نسبت‌های هندسی هستند که مشخص می‌کنند آیا سلول‌های دفاعی بدن قادرند با این ذرات به‌طور مؤثر تعامل کنند یا خیر.

محققان برای واکاوی این موضوع از روش‌های پیشرفته «پروتئومیکس» استفاده کردند تا واکنش ماکروفاژ‌های آلوئولی ریه را در برابر نمونه‌های متنوعی از نانوالیاف، از جمله سیلیسیم‌کاربید (SiC) و دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) تحلیل کنند.

هدف اصلی، درک این نکته بود که تغییر در شکل‌وشمایل این الیاف چگونه رفتار سلول‌های ایمنی را دگرگون می‌سازد و کدام پروتئین‌ها می‌توانند به‌عنوان شاخص‌های زیستی برای پیش‌بینی دقیق اثرات این مواد عمل کنند.

نانوالیاف به دلیل سطح ویژه بسیار بالا و خواص فیزیکی کارآمد، در صنایعی، چون ذخیره‌سازی انرژی، زیست‌پزشکی، تصفیه آب و مهندسی مواد نقش بی‌بدیلی ایفا می‌کنند. با این حال، ساختار کشیده و باریک آنها هنگام ورود به دستگاه تنفسی، تعاملات پیچیده‌ای را با سلول‌های ریوی ایجاد می‌کند. مطابق با استاندارد‌های علمی، الیافی که طول آنها بیش از پنج میکرون، قطرشان کمتر از سه میکرون و نسبت طول به قطرشان بالاتر از سه باشد، در گروه «الیاف بحرانی» قرار می‌گیرند که می‌توانند اثرات بلندمدتی بر سلامت بافت‌های ریوی داشته باشند.

بر اساس «الگوی پاتوژنز الیافی»، سفت‌وسخت بودن الیاف عامل کلیدی در بروز واکنش‌های سلولی است. زمانی که ماکروفاژ‌ها با ذرات بلند و صلب روبه‌رو می‌شوند، فرآیند بلعیدن آنها به‌صورت کامل انجام نمی‌شود.

این پدیده که به «فاگوسیتوز ناکام» شناخته می‌شود، شرایطی را فراهم می‌کند که طی آن التهاب‌های طولانی‌مدت، ترشح عوامل اکسیداتیو و تغییر در ساختار سلول‌ها رخ می‌دهد. مطالعه حاضر با تمرکز بر این سازوکار، سعی داشته تا ریشه‌های این واکنش‌ها را صرفاً با تمرکز بر مورفولوژی واکاوی کند.

پژوهشگران برای تفکیک اثر شکل از ماهیت شیمیایی، الیاف سیلیسیم‌کاربید و دی‌اکسید تیتانیوم را در دو حالت «دست‌نخورده» و «خردشده» آزمایش کردند. خرد کردن، با کاهش طول و تغییر نسبت‌های هندسی، امکان ارزیابی تأثیر خالص شکل را فراهم کرد.

تصاویر میکروسکوپی نشان داد الیاف دست‌نخورده سیلیسیم‌کاربید با میانگین طول ۹.۵ میکرون و قطر ۱۵۶ نانومتر، بسیار بلندتر از الیاف دی‌اکسید تیتانیوم هستند. پس از فرآیند خردسازی و کاهش ابعاد، این الیاف به‌طور کامل توسط سلول‌ها جذب شدند که منجر به کاهش چشمگیر اثرات سلولی گردید.

تحلیل‌های پروتئومیکس با ابزار طیف‌سنجی LC-MS/MS نشان داد الیاف دست‌نخورده بیشترین تغییرات را در بیان پروتئین‌های سلول‌های ریه ایجاد می‌کنند. به‌طور مشخص، مواجهه با سیلیسیم‌کاربید دست‌نخورده تغییر بیان بیش از ۱۰۰۰ پروتئین را به همراه داشت، در حالی‌که نوع خردشده تنها ۱۰ پروتئین را تحت تأثیر قرار داد. این اختلاف فاحش، نشان‌دهنده اولویت مورفولوژی نسبت به ترکیب شیمیایی در بروز واکنش‌های سلولی است.

پروتئین‌هایی نظیر Arginase‑۱ و IL‑۱ Ra که پیوند مستقیمی با التهاب دارند، در مواجهه با الیاف دست‌نخورده به‌طور معناداری افزایش یافتند. همچنین، بروز نشانگر‌های استرس اکسیداتیو و نشت پروتئین‌های لیزوزومی، بیانگر آسیب‌دیدگی ساختار‌های داخلی سلول بود. در نهایت، محققان مجموعه‌ای از ۵۸ پروتئین کلیدی را به عنوان «اثر انگشت پروتئینی ناشی از مورفولوژی» معرفی کردند.

این مجموعه پروتئینی می‌تواند در مراحل ابتدایی توسعه محصولات بر پایه فناوری نانو، به‌عنوان ابزاری قدرتمند برای پیش‌بینی اثرات زیستی و کاهش اتکا به آزمون‌های حیوانی مورد استفاده قرار گیرد.

این دستاورد در راستای اهداف جهانی برای بهینه‌سازی روش‌های ارزیابی علمی و توسعه چارچوب‌های ایمنی‌محور قرار دارد. با تداوم کاربرد نانوالیاف در کالا‌های مصرفی و صنایع استراتژیک، تمرکز بر سطح مولکولی و درک دقیق سازوکار‌های زیستی، فرصتی استثنایی برای طراحی نسل جدیدی از مواد فراهم می‌آورد که در عین کارایی بالا، با استاندارد‌های دقیق‌تر زیستی کاملاً سازگار باشند.