تأثیر نوع پوشش نانوذرات دیاکسید تیتانیوم در میزان اثرگذاری آنها: برهمکنش با DNA
آزاده حکمت*،1، کوثر محسن پور1، سید محمد اطیابی2، هاله بخشنده3
1- گروه زیست شناسی، دانشکده علوم پایه، واحد علوم و تحقیقات تهران، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2- گروه بیوتکنولوژی، انستیتو پاستور، تهران، ایران
3- گروه نانوبیوتکنولوی، گروه فناوریهای نوین، انستیتو پاستور، تهران، ایران
چکیده
سابقه و هدف: در میان نانوذرات نیمههادی، نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (NPS TiO2) بهطور گسترده در صنایع نانوتکنولوژی و پزشکی مورد استفاده قرار گرفتهاند. NPS TiO2 از راههای مختلف سنتز میشوند. هدف از این مطالعه بررسی نقش نوع پوشش مورد استفاده در سنتز NPS TiO2 بر ایجاد تغییرهای ساختاری DNA است.
مواد و روشها: از طیفسنجیهای جذبی ماوراء بنفش (UV)، فلورسانس و دورنگ نمایی دورانی (CD) بههمراه آنالیز پتانسیل زتا جهت بررسی تغییرهای ایجاد شده در ساختار DNA در هنگام افزودن NPS TiO2 حل شده در ماتریکس پراکنده اتیلن گلیکول، حاوی پایدارکننده HNO3 و بدون پوشش استفاده گردید.
نتایج: مطالعات طیفسنجی UV، خاموشی فلورسانس و ثابتهای اتصال نشان داد نانوذرات حل شده در ماتریکس پراکنده اتیلن گلیکول (M-1 105×2/2) در مقایسه با دو نانوذره دیگر (M-1 104×3/2 برای NPS TiO2 بدون پوشش ویژه و M-1 105×1/1 برای NPS TiO2 حاوی پایدارکننده HNO3)، میتوانند برهمکنش قویتر با DNA داشته باشند و موجب تغییر ساختار DNA شوند. طیفسنجی CD نشان داد در حضور NPS TiO2 استکینگ بازهای DNA کاهش مییابد و مقدار پتانسیل زتا DNA در حضور NPS TiO2 حل شده در ماتریکس پراکنده اتیلن گلیکول کمتر شده است (mV 60/24-).
نتیجهگیری: نتایج این مطالعه نشان داد NPS TiO2 حل شده در ماتریکس پراکنده اتیلن گلیکول نسبتبه دو نوع نانوذره دیگر برهمکنش قویتری با DNA دارد. بنابراین نوع پوشش انتخابی در هنگام سنتز NPS TiO2 در میزان برهمکنش نانوذرات با DNA حیاتی است و توجه به این نکته در طراحی نانوداروها و درمان سرطان بسیار مهم است.
واژههای کلیدی: نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (TiO2NPs)، DNA، طیفسنجی، پتانسیل زتا، سنتز، IAU science
مقدمه
گسترش فناوری نانو در دهه اخیر موجب پیشرفت شگرفی در صنایع مختلف شده است. نانوذرات بهدلیل ویژگیهای منحصر به فردشان از جمله افزایش نسبت سطح به حجم، زیستسازگاری، پایداری شیمیایی و زیستی بالا در صنایع دارویی، پزشکی و محیط زیست استفاده میشوند. از میان نانوذرات نیمهرسانا، نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (TiO2) بهعلت پایداری بالا، دارا بودن خاصیت فعال نوری و تمایل به واکنش بالا در گستره وسیعی از صنایع مرتبط با فناوری نانو کاربرد دارند. عنصر تیتانیوم یک فلز واسطه با دانسیته کم، استحکام و درخشندگی بالا است. این عنصر در سال 1791 کشف گردید و توسط مارتین کلاپروت تیتان (خدای خورشید، برگرفته از اساطیر یونانی) نامگذاری شد (3-1). بیش از 90 درصد تیتانیوم استخراج شده بهصورت تیتانیوم دی اکسید است. تیتانیوم دی اکسید که با نامهای اکسید تیتانیوم IV یا تیتانیا نیز شناخته میشود هنگامیکه بهعنوان رنگدانه مورد استفاده قرار گیرد نامهای تیتانیوم سفید یا رنگدانه سفید را به خود میگیرد (3). دی اکسید تیتانیوم در سه فاز اصلی بلورین روتیل (Rutile)، آناتاز (Anatase) و بروکیت (Brookite) وجود دارد. شبکه بلورین روتیل بهصورت تتراگونال است و دارای ثابت انکسار و قدرت تفرق بالایی در میان دیگر فلزات است و نام خود را از واژه رتیلوس به معنای قرمز تیره برگرفته است. شبکه بلورین آناتاز نیز بهصورت تتراگونال بوده و بهعلت کشیدگی شبکه بلورین آن به آناتاز یا کشیده معروف است. بر خلاف دو فاز قبلی، فاز بروکیت بهصورت ارتومبیک بوده و فعالیت نوری ندارد و کمیابترین فاز بلورین TiO2 بهشماره میرود. این فاز، به احترام جیمز بروک معدن شناسی که این فاز را برای اولین بار کشف نمود، بروکیت نامگذاری شد. از بین این سه فاز، فاز آناتاز زیست سازگاری بیشتری نسبت به فاز رتیل دارد (3). همه خصوصیتهای دی اکسید تیتانیوم در نانو TiO2 وجود دارد با این تفاوت که اندازه آن بسیار کوچکتر است و بهواسطه سطح تماس بیشتر قابلیت اثرکنندگی بیشتری دارد. با توجهبه مطالعههای انجام پذیرفته بهنظر میرسد نانوذرات دی اکسید تیتانیوم از طریق تولید رادیکالهای آزاد اکسیژن (ROS)، تخریب فعالیت میتوکندری سلول، برهمکنش با غشای سلول و پراکسید نمودن لیپیدهای غشایی، آزادسازی سیتوکروم C از میتوکندری و تأثیر بر تنظیمکنندههای چرخه سلولی موجب مرگ سلولی (آپاپتوز) میگردند (4،1). نانوذرات دی اکسید تیتانیوم در پزشکی، دارورسانی (Drug Delivery)، فوتودینامیک تراپی (PDT) و تصویربرداری کامپیوتری از تومورها (CT) بسیار کاربرد دارند (5).
تاکنون روشهای متعددی برای سنتز نانوذرات TiO2مورد استفاده قرار گرفته است که از آن جمله میتوان بهروش هیدرولیز، روش سل-ژل در حضور یک ماده فعال کننده سـطحی، روش هیدروترمال تحت حرارت و فشار، روش سل-ژل بر روی یک بستر از جنس کربن فعال شده، روش مایکروویو هیدروترمال، روش هیدروترمال بـه کمک امواج فراصوتی، روش مکانوشیمیایی، رسوبدهی شیمیایی و الکتروشیمیایی و روش پلاسمای حرارتی با فرکانس رادیویی اشاره نمود (6). پلی اتیلن گلیکول (PEG) یک پلیمر پیچ خورده از تکرار واحدهای اتیلن اتر با کنفورماسیون پویا است. علاوهبر این، PEG غیرسمی و غیرایمنیزا است و دارای فارماکوکنتیک مناسب و توزیع مناسب بافتی است (7). پلی اتیلن گلیکول دارای تعدادی از خواص مهم فیزیکوشیمیایی و بیولوژیکی از جمله آبدوستی و عدم سمیت است (8). اصلاح سطح نانوذرات با PEG نه تنها مانع از تجمع نانوذرات میشود، بلکه نانوذرات را به جذب پروتئین مقاوم میسازد و زیست سازگاری آنها را بهبود میبخشد (9). پوشش نانومواد باPEG همچنین زمان گردش نانومواد در درون بدن را افزایش میدهد، در نتیجه احتمال کاهش کلیرانس (پاکسازی از خون) از طریق سیستم رتیکولواندوتلیال را موجب میشود. یافتهها نشان میدهد که پوشش نانوذرات TiO2 با PEG سمیت سلولی آنها را کاهش میدهد و القاء ژنهای مرتبط با استرس را کاهش میدهد. نتایج همچنین نشان میدهد که اثراهای ناشی از TiO2 بر روی سمیت سلولی و بیان ژن بسته به نوع سلول و تغییر سطح آن وابسته است (10). پگیله شدن یکی از موفقترین روشها جهت افزایش زمان گردش نانوذرات در خون است که منجر به هدفگیری بهتر دارو و در عین حال افزایش نفوذپذیری در تومورها میگردد (11). اسید نیتریک (HNO3) بهطور معمول جهت اصلاح سطح و پایدار کننده در سنتز نانوذرات بهکار میرود. تیمار با HNO3 موجب افزایش سطح و اصلاح سطح نانوذرات دی اکسید تیتانیوم میشود (12).
عملکرد حیاتی اسیدهای نوکلئیک به ویژه DNA در فرآیندهای زیستی شناخته شده است. برهمکنش DNA با نانوذرات با توجهبه اثرهای احتمالی نانوذرات بر سنتز، همانندسازی و ساختار DNA در صنایع داروسازی و پزشکی بسیار حائز اهمیت است (13). نوع پوشش، پایدار کننده و یا حلال نانوذرات میتواند در میزان برهمکنش نانوذرات با ماکرومولکولها مؤثر باشد، لذا انجام مطالعههایی که تأثیر نوع پوشش نانوذرات را بر میزان برهمکنش با DNA بررسی کند لازم و ضروری است. در این مطالعه به مقایسه تاثیر سه نوع نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (در فاز آناتاز) با ابعاد کمتر از 10 نانومتر و سنتز شده بهروش شیمیایی بر روی ساختار DNA با استفاده از تکنیکهای طیفسنجی پرداخته شد. این مطالعه میتواند اطلاعات مهم و کاربردی در طراحی نانوداروها در اختیار متخصصین قرار دهد و پژوهشگران را در انتخاب نانوذرات مناسب با توجهبه هدف کاربردی آنان یاری دهد.
مواد و روشها
مواد
ct-DNA (استخراج شده از تیموس گاو)، از شرکت سیگما آلدریچ (آمریکا) خریداری شد. نانوذرات دی اکسید تیتانیوم فاز آناتاز (پودر سفید رنگ، سنتز شده بهروش شیمیایی، با اندازه 8-4 نانومتر، دارای پایدارکننده HNO3، سطح ویژه m2/g 140، قابل حل در آب بهصورت محلول کلوئیدی شفاف، غیر قابل حل در محلولهای غیرقطبی و شماره کاتالوگ PL-TiO-NO) (شکل 1a و d) از شرکت PlasmaChem GmbH (آلمان) تهیه شد. نانوذرات دی اکسید تیتانیوم فاز آناتاز (پودر، اندازه کمتر از 10 نانومتر، 99% خلوص، سطح ویژه m2/g 150 و سنتز شده بهروش شیمیایی) (شکل 1b و e) از شرکت نانو پارس لیما (ایران) خریدار شد. این نوع از نانوذرات پس از حل شدن در بافر تریس به مدت 10 دقیقه سونیکه شدند. نانوذرات دی اکسید تیتانیوم فاز آناتاز (محلول شفاف، اندازه کمتر از 10 نانومتر، 99 % خلوص، سطح ویژه m2/g 150، کروی شکل، حل شده در ماتریکس پراکنده اتیلن گلیکول، سنتز شده بهروش شیمیایی و شماره تولید US7832) (شکل 1 c و f) از شرکت US Research Nanomaterials (آمریکا) خریداری شد. Tris hydroxymethyl aminomethane (Tris-base) و ™DNA Green Viewer به ترتیب از شرکت سیناژن (ایران) و شرکت پارس توس (ایران) خریداری شدند. تأیید اندازه نانوذرات با استفاده از دستگاه اندازهگیری پراکندگی نور پویا (DLS) Brookhaven Instruments Corporation (ساخت آمریکا) انجام شد. تمام آزمایشها در بافر Tris-base 1/0 مولار با 4/7 pH انجام شد. آزمایشها سه بار تکرار شدند.
مطالعه های طیف جذبی ماوراء بنفش
اندازهگیری جذب نور ماوراء بنفش توسط ماکرومولکول DNA، بهمنظور مطالعه تأثیر نوع پوشش انتخابی در هنگام سنتز نانوذرات دی اکسید تیتانیوم در غلظتهای مختلف بر ساختار DNA مورد بررسی قرار گرفت. جذب نور ماوراء بنفش با استفاده از اسپکتروفتومتر مرئی-فرابنفش مدل پرکین EZ301 (ساخت آمریکا) بررسی شد. در ابتدا DNA با غلظت 32/8 میکرومولار آماده شد. با روبش طول موج در محدوده طول موج 290-230 نانومتر، مشخص گردید که DNA در محدوده 260 نانومتر دارای جذب مشخص است. در مرحله بعد پس از افزودن غلظتهای مختلف هر سه نوع نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (19-3 میکرومولار) تغییرهایی در طیف جذبی DNA مطالعه شد. دمای انجام آزمایشها 37 درجه سانتیگراد تنظیم شد. در هنگام هر تیتراسیون محلول بهخوبی هم زده شده و طیف جذبی هر تیتراسیون اندازهگیری میگردید.
مطالعههای طیفسنجی نشر فلورسانس
اندازهگیری شدت نشر فلورسانس DNA، بهمنظور مطالعه تأثیر نوع پوشش انتخابی در هنگام سنتز نانوذرات دی اکسید تیتانیوم در غلظتهای مختلف بر ساختار DNA مورد بررسی قرار گرفت. از آنجا که ماکرومولکول DNA دارای نشر فلورسانس ذاتی قابل ملاحظهای نیست، از یک ماده فلوروفور (رنگ فلوروسنت) موسوم به DNA Green Viewer™ جهت اندازهگیری تغییرها در نشر فلورسانس DNA استفاده گردید. نشر فلورسانس با استفاده از اسپکتروفومتر فلورسانس مدل هیتاچی MPF-7 (ساخت آمریکا) بررسی شد. جهت کنترل دما در طی هر آزمایش، از حمام مدل Protherms NTB-211 استفاده شد. طول موج تحریک در تمام طول آزمایشها 490 نانومتر تنظیم گردید. غلظت نمونه DNA مورد مطالعه 32/8 میکرومولار بود. ابتدا طیف فلورسانس نمونه DNA مورد بررسی قرار گرفت و سپس نشر فلورسانس نمونه DNA پس از افزودن غلظتهای مختلف هر سه نوع نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (19-3 میکرومولار) در دمای 37 درجه سانتیگراد ثبت گردید. ضخامت کووتهای کوارتز در آزمایشها 1 سانتیمتر و پهنای شکاف در تهیج و نشر بهترتیب 10 و 10 نانومتر تنظیم گردید. از آنجا که جذب اشعه توسط خاموش کننده موجب کاهش سیگنال تهیج و نشر (فیلتراسیون داخلی) میشود. جهت تصحیح اثر فیلتراسیون داخلی از معادله (1) استفاده شد:
(1)