بحران کووید-19 علاوه بر این که مسئول مرگ صدها هزار نفر است، جامعه علمی را به گونه‌ای بسیج کرده‌است که پیش از این بی‌سابقه بوده است. در حال حاضر چندین رشته در حال تحقیق درباره این ویروس از جمله توسعه روش‌های تشخیص و درمان و یا روشی برای کاهش انتشار آن هستند.
فناوری نانو برای مبارزه با کووید-19 در گستره وسیعی از حوزه‌ها آماده شده‌است. مقاله جدید منتشر شده در مجله ACS Nano روش‌های مختلف استفاده از فناوری نانو را مورد بررسی قرار می‌دهد. نویسندگان، استفاده از فناوری نانو در زمینه‌های مختلف مانند ویروس‌شناسی، زیست‌شناسی، پزشکی، مهندسی، شیمی، علوم مواد و علوم محاسباتی را شرح می‌دهند.
پیشرفت‌های فناوری نانو در ماه‌ها و سالهای آینده نه تنها باید مقاومت در برابر کووید-19 را تقویت نماید، بلکه باید در مبارزه با دیگر ویروس‌ها، باکتری‌ها و عوامل بیماری‌زا نیز پیشگام و کمک‌کننده باشد.
نویسندگان این پژوهش چهار گام کلیدی را که فناوری نانو در آن می‌تواند برای کمک به مبارزه علیه کووید-19 موثر باشد شناسایی کرده‌اند؛
- به عنوان جایگزینی برای ضد عفونی‌کننده‌ها که از شیوع ویروس جلوگیری می‌کند.
- در روش‌های تشخیصی
- دارورسانی به افرادی که قبلا آلوده شده‌اند.
- سرکوب پاسخ ایمنی بیماران مبتلا به کووید-19
آنچه در ادامه می‌آید، خلاصه‌ای از روش‌هایی است که می‌تواند در پاندمی و اپیدمی‌های آینده به کار گرفته شود و احتمالا از رسیدن آنها به وضعیت بحران جهانی جلوگیری نماید.
کاهش سرعت شیوع
بحران در حال پیشرفت کووید-19، اولین باری نیست که نانومواد را به علت توانایی آنها در محدود کردن شیوع ویروس مورد توجه قرار می‌دهد. سطوح پوشش داده‌شده با پلیمرهای حاوی نانوذرات فلزی از جمله مس می‌تواند یون‌های فلزی را آزاد کند، که به دلیل فعالیت ضد ویروسی معروف هستند و قبلا برای استفاده در حوزه‌های خاصی پیشنهاد شده‌است. ماهیت فراگیر بحران کووید-19 نیازمند استفاده گسترده از چنین اقداماتی است.
فناوری نانو جایگزین ایمنی برای استفاده از مواد شیمیایی سمی مانند ضد عفونی‌کننده‌ها در محیط‌های پزشکی ارائه می‌دهد. چنین پوشش‌هایی بسیار راحت‌تر از سایر مواد ضد عفونی‌کننده غیر سمی مانند پرتوافکنی با نور ماوراء بنفش (UV) است. این پوشش‌ها و آلیاژهای نانومواد از طریق آزادسازی یون‌ها باعث ایجاد خواص ضد ویروسی و ضد باکتریایی می‌شوند که عملکرد سلول‌های زنده را مختل می‌کنند.
یکی از مشکلات اساسی در مقابله با کووید-19، مقاومت و توانایی آن برای زنده ماندن در انواع سطوح برای مدت طولانی است. زیبایی پوشش نانومواد در این است که تنها پس از یک بار عمل‌آوری (treatment)، می‌تواند به طور مداوم از سطوح محافظت کند. این کار به ویژه در صورتی موثرتر است که بتوان مواد را به گونه‌ای ساختار داد که آزادسازی یون‌ها به تدریج انجام شود. «سطوح خود ضد عفونی‌شونده» حتی پس از اتمام بحران کووید-19 بسیار مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
نقره، مس و روی همه خاصیت ضد میکروبی ذاتی دارند و پیش از این در تجهیزات پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. همزمان با درک روزافزون ما از باکتری‌ها و ویروس‌ها، کارآیی ضد ویروسی نانوذرات نقره در برابر انواع ویروس‌ها از جمله HIV-1 نشان‌داده شده‌است و نانوذرات نقره به محصولات تجاری مانند زئولیت‌های نقره در رنگ‌ها و سینی‌های غذا به عنوان زیست‌کش راه پیدا کرده‌اند.
در اواخر دهه ۱۹۷۰ نشان‌داده شد مس در برابر فلج‌اطفال موثر است و اخیرا نیز در مبارزه با کروناویروس انسانی ۲۲۹ئی (HuCoV-229E)، بسیار مفید بود. این ویروس که به طور معمول حدود شش روز در سطح زندگی می‌کند، تقریباً در مدت ۶۰ دقیقه روی سطوح پوشش داده‌شده با آلیاژهای مس غیرفعال شد. شباهت بین HuCoV-229E با SARS-CoV-2 نشان می‌دهد که نانوذرات مس و پوشش‌های آلیاژی یکی از عوامل اصلی است که اگر گسترش ویروس را متوقف نکند قطعا سرعت آن کاهش می‌دهد.
نویسندگان پیشنهاد می‌کنند که آلیاژهای مس به علت خواص ضد میکروبی و غیر سمی بودن می‌توانند خود را جایگزین سطوح و وسایل ساخته‌شده از جنس فولاد ضد زنگ (stainless steel) مرسوم در محیط‌های پزشکی نمایند.
نانومواد همچنین در تولید تجهیزات حفاظت شخصی (PPE) ضروری، برای کمک به کاهش شیوع کووید-19برای کارکنان پزشکی خط مقدم به کار گرفته می‌شوند. به طور خاص، نانومواد می‌توانند در ماسک صورت و دیگر تجهیزات حفاظت شخصی به منظور ربایش و غیر فعال کردن سلول‌های ویروسی استفاده شوند. این وظیفه به احتمال زیاد بر عهده نانوذرات نقره خواهد بود که در این رابطه موثر نشان‌داده شده‌اند و فعالیت ویروسی را هنگام قرار گرفتن در فیلترها به شدت محدود می‌کنند.
با این حال، حتی اگر بتوان با استفاده از چنین پوشش‌ها و جایگزینی دیگر آلیاژها با آلیاژهای مس، شیوع کووید-19 را کاهش داد، گام حیاتی دیگر در مبارزه با کووید-19، آزمایش و تشخیص کارآمد است. خوشبختانه، نانومواد در این زمینه نیز موثر و کمک‌کننده هستند.
استفاده از نانوذرات در آزمایش کووید-19
ویروس SARS-CoV-2 را نمی‌توان از همه سطوح حذف کرد و همه سطوح را نیز نمی‌توان با لایه‌ای از نانومواد پوشش داد. این بدان معنی است که حتی با چنین اقداماتی، به احتمال زیاد انتقال ادامه خواهد یافت. بنابراین گام بعدی در کاهش سرعت شیوع، تشخیص سریع و موثر مبتلایان به این بیماری است.
در حال حاضر روش آزمایش کووید-19 شامل استفاده از یک سواب (swab) برای برداشتن ترشحات گلو و مجاری بینی بیمار است. سپس این سواب با استفاده از واکنش زنجیره‌ای پلیمراز رونویسی معکوس (RT-PCR) مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد، روشی که در ویروس‌شناسی برای آزمایش وجود RNA های خاص استفاده می‌شود. با این حال استفاده از نانوذرات می‌تواند نتیجه آزمایش فوری «در محل» را بدون نیاز به ارسال نمونه برای تجزیه آزمایشگاهی و یا نیاز به تجهیزات گران‌قیمت فراهم نماید.
در این روش از اتصال نانوذرات طلا به آنتی‌بادی استفاده می‌شود و در حال حاضر در مراحل اولیه برنامه‌ریزی قرار دارد. در حضور آنتی‌بادی‌های بیشتر جمع‌آوری‌شده از بیمار، نانوذرات خوشه‌ای می‌شوند و رنگ سواب آزمایش را از آبی به قرمز تغییر می‌دهند. این کار به صورت فوری نشانه‌ای از وجود عفونت را ارائه می‌دهد. آزمایشی از این دست می‌تواند به ویژه در کشورهای در حال توسعه و مناطقی از جهان که زیرساخت‌های پزشکی اندکی دارند مورد استفاده قرار گیرد.
یک جایگزین دیگر برای تست RT-PCR، ترانزیستورهای اثر میدان (FET) مبتنی بر گرافن هستند، که در آن دستگاه‌های زیست‌سنجش با یک آنتی‌بادی خاص در برابر پروتیین سنبله SARS-CoV-2، جفت شده‌اند. این روش نیز روش دیگری برای تشخیص کووید-19 در محل است که مقرون‌به‌صرفه بوده و به سرعت نتیجه را ارائه می‌دهد.
نانوذرات طلا نیز می‌توانند در حسگرهای زیستی نانو مورد استفاده قرار گیرند. این ترکیبات، خواص الکتریکی و نوری عالی نانومواد را با مولکول‌های زیستی یا سنتزی که به عنوان گیرنده برای تشخیص سلول‌های ویروسی خاص به طور انتخابی استفاده می‌شوند، ترکیب می‌کنند. این دستگاه سنجش سلولی (cell-sensing) مبتنی بر واکنش پروتئین‌های سطح سلول با آنتی‌بادی‌های خاص متصل به نانوذرات طلا با استفاده از آنتی‌ژن‌های شناخته‌شده و آنتی‌بادی‌های موجود است.
لازم به ذکر است که این فعالیت‌ها در مراحل ابتدایی قرار دارند، اما هر تحول پیشگامی در پاسخ به بحران کووید-19 می‌تواند در پاندمی و اپیدمی‌های آینده تاثیرگذار باشد.
غیرفعال کردن SARS-CoV-2 در بیماران
گسترش سریع کووید-19 و عدم موفقیت نسبی در مقابله با آن، نقطه‌ضعف پزشکی را آشکار کرده‌است؛ فقدان یک داروی ضد ویروسی با طیف گسترده. این بدان معنی است که وقتی ویروس جدیدی پدیدار می‌شود، در زمینه مداخله پزشکی اقدامات کمی وجود دارد که می‌تواند برای کاهش شیوع آن انجام شود. بنابراین، داروهایی که می‌توانند با کووید-19 و ویروس‌های آینده مقابله کنند از اهمیت بسیاری برخوردار هستند.
اگر چه ممکن است اندام‌های دیگر هم تحت‌تاثیر قرار بگیرند، اما هدف اصلی کووید-19 هنگامی که در بدن یک فرد مبتلا قرار دارد، سیستم تنفسی است. به طور خاص ویروس، دستگاه تنفسی فوقانی و ریه‌ها را هدف قرار می‌دهد در حالی که دومی ناحیه‌ای است که بیشترین آسیب را می‌بیند. بنابراین، این مقاله مروری بر روش‌هایی متمرکز است که ویروس را در ا‌عماق ریه غیرفعال می‌کند.
نانومواد هوابرد می‌توانند به داخل ریه نفوذ کنند و دارو را مستقیما به سلول‌هایی که SARS-CoV-2 از آن برای گسترش بیشتر بیماری در بدن استفاده می‌کند، برسانند. در حال حاضر نانوپزشکی به شدت از نظر تامین دارو و استفاده از پروتئین‌های مفید از طریق دستگاه‌های-نانو آئروسل مورد تحقیق و پژوهش قرار گرفته است.
یک مداخله عمومی با نانومواد ضد ویروسی می‌تواند با جلوگیری از تعامل و اتصال ویروس به غشاهای سلولی موثر باشد. تحقیقات قبلی نشان داده‌است که این امر احتمالا می‌تواند توسط انبوهی از نانومواد مانند پلیمرها، لیپوزوم‌ها و مولکول‌های کوچک محقق شود.
با این حال، استفاده از این روش‌ها از طریق آئروسل به دلیل رقت لازم این نانومواد (که تاثیر منفی بر اثربخشی آنها می‌گذارد) با مشکل روبرو شده‌است. این کاهش کارایی باعث می‌شود سلول‌های ویروس مجدداً شروع به همانندسازی نمایند.
این مانع را می‌توان با نانوذراتی که پس از ورود به ریه‌ها و یا سایر اندام‌های بیمار، به ویریون (شکل عفونی ویروس در خارج از سلول میزبان) حمله می‌کنند و به آن آسیب دائمی می‌زنند و همانندسازی متوقف را می‌کنند، برطرف کرد.
یک داروی ویژه کووید-19، مشابه روش درمان عمومی ضد ویروسی که در بالا مورد بحث قرار گرفت، می‌تواند با مهندسی ایجاد شود تا از برهمکنش پروتئین سنبله S با گیرنده ACE2 جلوگیری نماید.
بخشی از کلید نجات زندگی بیماران مبتلا به کووید-19 ممکن است فقط به حمله به ویروس وابسته نباشد، بلکه پاسخ بدن به آن را محدود کند.
بدترین دشمن شما؛ سرکوب پاسخ سیستم ایمنی با نانوابزارها
در نتیجه بحران کووید-19، بسیاری از مردم با عبارت «طوفان سیتوکین» آشنا شدند. طوفان‌های سیتوکین با انواع مختلفی از بیماری‌های عفونی و غیر عفونی به ویژه آنفلوانزا H1N1 در ارتباط است. این واژه خود تصویری از یک واکنش شدید و وحشتناک درون بدن بیمار را نشان می‌دهد که ناشی از واکنش ایمنی بیش از حد آنها است.
اگر چه واکنش سیتوکین به خوبی تنظیم شده است تا به سرعت توسط ایمنی ذاتی میزبان ایجاد شود و در جلوگیری و مقابله با عفونت موثر باشد، اما پاسخ ایمنی بیش از حد، نامتعادل و طولانی‌مدت می‌تواند به بدن آسیب جدی برساند.
در بسیاری از موارد کووید-19، این طوفان التهابی مسئول سندرم دیسترس حاد تنفسی (ARDS) است که اغلب با نارسایی چند عضو و علت اصلی مرگ در بیماران بحرانی مرتبط است.
از نانومواد برای تنظیم پاسخ ایمنی استفاده می‌شود که آن را به سطحی بهینه می‌رساند و می‌توانند برای محدود کردن طوفان سیتوکین مورد استفاده قرار گیرد. این کار را می‌توان به چند روش انجام داد.
اولاً، فناوری نانو می‌تواند سرکوب‌کننده‌های سیستم ایمنی را به سلول‌ها و اندام‌های ایمنی هدف برساند، که منجر به کاهش دوز دارو، توزیع دارو به بافت‌ها و اندام‌های غیر هدف و به نوبه خود اثرات جانبی ناخواسته می‌شود.
ثانیا، نانوابزارها می‌توانند به صورت صریح برای فرار از سیستم ایمنی بدن و تنظیم دقیق سیستم بیمار برای دریافت میزان داروی بیشتر طراحی شوند که در غیر این صورت می‌تواند منجر به پاسخ ایمنی مضر شود.
با توجه به کووید-19 به طور خاص، نویسندگان این مقاله مروری به استفاده از نانوالماس‌ها برای کاهش نفوذ ماکروفاژها (فرآیندی مرتبط با التهاب) اشاره می‌کنند.
کووید-19 و فراتر از آن
کووید-19 جامعه علمی را با نوعی چالش مواجه کرده‌است که شاید هرگز پیش از این با آن روبرو نبوده‌اند، اما این بیماری همچنین آگاهی را ایجاد کرده‌است که این وضعیت ممکن است دوباره بوجود آید.
پیشرفت‌های فناوری نانو توصیف‌شده، اگرچه در پاسخ به این بحران فعلی مهندسی شده است، اما توسط دانشمندان با نگاه به آینده و پاندمی‌های احتمالی بعدی طراحی شده است. نویسندگان این مقاله مروری یک پیام به عموم مردم، سیاست‌گذاران، سیاستمداران و جامعه علمی دارند؛ ما باید از تفکر درباره سلامت انسان به عنوان یک «پدیده مجزا» صرف نظر کنیم. در عوض، ما باید مفهوم «سلامت واحد» را بپذیریم و درک کنیم سلامتی ما ذاتا و به صورت برگشت‌ناپذیر با اکوسیستم‌هایی که در آن زندگی می‌کنیم مرتبط است.
حوزه فناوری نانو به مزایای اتخاذ یک نگرش کلی و جامع اشاره دارد، که منجر به جنبه‌های علمی گسترش‌یافته و گرد هم آوردن دانشمندان از زمینه‌های مختلف می‌شود که همگی بر روی یک راه‌حل چند وجهی برای بحرانی که شیوه زندگی ما را تهدید می‌کند، همگرا هستند.
مطالعه فناوری نانو می‌تواند چنین ایده‌های بزرگی را با قابلیت تغییر جهان پدید آورد.
