تلاش فیزیکدان ها برای انجام آزمایشی غیرممکن تبدیل نور به ماده

از دیدگاه نظری، تبدیل کردن نور به ماده باید کاری امکان پذیر باشد. اما تحقق بخشیدن به آن در عمل، بسیار پیچیده تر از تصورات ما است. اکنون با گذشت 84 سال از ارائه ی این نظریه، برخی از محققان تصور می کنند که می توانند این کار را انجام دهند و تلاش برای انجام این آزمایش بزرگ به زودی آغاز خواهد شد. تبدیل نور (که شکلی از انرژی است) به ماده فرآیند بریت-ویلر نام دارد و با رابطه ی معروف انیشتین، یعنی E=mc^2 در ارتباط است. فرآیند نام برده شده نخستین بار در سال 1934 توسط دو فیزیکدان به نام های گرگوری بریت و جان ای. ویلر در ژورنال مطالعات فیزیکی توضیح داده شد. بریت و ویلر در مقاله ی خود پیشنهاد کردند که اگر شما بتوانید دو فوتون – که همان ذرات نور هستند– را با یکدیگر برخورد دهید، این برخورد موجب تشکیل یک پوزیترون و یک الکترون خواهد بود. با انجام این کار شما با استفاده از نور، ماده ساخته و تولید کرده اید. انجام این کار به هیچ وجه ساده نیست. در واقع بریت و ویلر فکر می کردند که انجام چنین آزمایشی غیر ممکن است و معتقد بودند که "تلاش برای اجرای عملی این آزمایش در آزمایشگاه، کاملا بیهوده است."

 

تلاش فیزیکدان ها برای انجام آزمایشی غیرممکن تبدیل نور به ماده

در سال های اخیر دانشمندان در مورد انجام این آزمایش تا حدی خوشبین تر بوده اند، اما ایجاد شرایط آزمایشگاهی و ذرات بسیار پر انرژی که برای انجام آن مورد نیاز است کار ساده ای نخواهد بود و تاکنون چنین کاری در آزمایشگاه و یا خارج از آن انجام نشده است. در سال 2014، محققانی از کالج سلطنتی لندن آزمایشی را طراحی کردند که نیاز به این ذرات بسیار پر انرژی را از میان برداشته است. و حالا این دانشمندان در تلاشند که این آزمایش را انجام دهند. استیون رز، پروفسور فیزیک و یکی از محققان ارشد این پروژه چنین توضیح می دهد:" آزمایش پیش رو، تلاشی برای تحقق بخشیدن و اثبات رابطه ی معروف انیشتین است که انرژی را با ماده مرتبط می سازد: رابطه ی E=mc2 مشخص می کند که هنگام تبدیل ماده به انرژی، چه مقدار انرژی تولید می شود. اما کاری که ما قصد انجام آن را داریم درست برعکس آن است. ما می خواهیم انرژی فوتون ها را به ماده تبدیل کنیم و بر این اساس ثابت کنیم که m=E/c2." تجهیزات این آزمایش که تیم تحقیقات آن را برخورد دهنده ی فوتون با فوتون می نامند، یک ابزار آزمایشگاهی کاملا جدید است که شامل دو دستگاه تابش لیزر بسیار قدرتمند خواهد بود. انرژی یکی از این پرتوها، حدود 1000 برابر انرژی فوتون هایی است که نور مرئی را تشکیل می دهند؛ و انرژی دیگری حدود 1000000 میلیون برابر انرژی فوتون های تشکیل دهنده ی نور خواهد بود. از این لیزرها برای تشکیل فوتون هایی استفاده می شود که قرار است با یکدیگر برخورد داده شوند. در روند آزمایش، الکترون ها در درون یک محفظه ی هدف به سمت قطعه ای طلا شلیک می شوند تا پرتویی از فوتون های پر انرژی تشکیل داده شود.

 

تلاش فیزیکدان ها برای انجام آزمایشی غیرممکن تبدیل نور به ماده

در مرحله ی بعد، یک لیزر پر انرژی دیگر به درون یک لوله ی کوچک از جنس طلا شلیک می شود تا یک میدان حرارتی تابشی ایجاد شود. این لوله هولورام نام دارد. پرتوی تشکیل شده از فوتون ها طوری هدایت می شود که از درون هولورام عبور کند و فوتون های پرتاب شده از دو منبع با یکدیگر برخورد کنند. اگر این اتفاق بدون هیچ مشکلی رخ دهد، تیم تحقیقات قادر خواهند بود تا پوزیترون های باردار ایجاد شده در اثر برخورد را تشخیص دهند. اما آن ها باید داده ها را با دقت و جامعیت هرچه بیشتر کنترل کنند تا مطمئن شوند که پوزیترون های شناسایی شده حاصل فرآیندهای جانبی این آزمایش نباشند. اما اگر دانشمندان موفق به انجام این آزمایش شوند، تنها موفقیت این تیم انجام یک آزمایش غیر ممکن نخواهد بود- بلکه با انجام این کار آن ها خواهند توانست درک بهتر و بیشتر از دنیای اطراف را به دست آورند. استورات مانگلز یکی از محققان این پروژه می گوید:"هنگامی که گرگوری بریت و جان ویلر برای نخستین بار این مکانیزم را در سال 1934 پیشنهاد کردند، از نظریه ی جدید تعامل بین نور و ماده بهره بردند که نظریه ی الکترودینامیک کوانتومی نام دارد."

 

تلاش فیزیکدان ها برای انجام آزمایشی غیرممکن تبدیل نور به ماده

او هم چنین می افزاید:" در حالی که تمام پیش بینی های مبتنی بر نظریه ی الکترودینامیک کوانتومی از آن زمان تاکنون به طور عملی اثبات و نشان داده شده اند، فرآیند بریت-ویلر برای برخورد دو فوتون تاکنون محقق نشده است." "اگر ما موفق شویم این آزمایش را در عمل تحقق ببخشیم، فرآیندی را بازسازی کرده ایم که در 100 ثانیه ی نخست پیدایش جهان بسیار مهم و موثر بوده است و در شکافت پرتوهای گاما، که بزرگترین انفجارهای جهان و یکی از معماهای حل نشده ی فیزیک به شمار می روند نیز مشاهده شده است." البته هنوز هم این احتمال وجود دارد که در روند آزمایش مشکلاتی پیش آمده و آن را متوقف کند. اما این موضوع یکی از زیبایی ها و شگفتی های دنیای علم است. گاهی تمام تدارکات و تحقیقات انجام شده برای یک آزمایش منجر به شکست می شود، اما این شکست مشخص خواهد کرد که روش طراحی شده قابل اجرا نیست و در آینده باید از روش ها و گام های جدیدی استفاده شود.

تلاش فیزیکدان ها برای انجام آزمایشی غیرممکن تبدیل نور به ماده

نانوذرات مغناطیسی که از خونریزی داخلی جلوگیری می کنند

محققان دانشگاه ITMO روشی را یافتند که بطور موثری، با استفاده از نانوذرات مغناطیسی حاوی ترومبین مانع از خونریزی داخلی می شود. یک دارو مبتنی بر این نانوذرات می تواند بصورت داخل وریدی تزریق شود و مستقیم به محل آسیب عروقی منتقل شود. این مسئله می تواند تشکیل لخته موضعی را تسریع بخشد و خونریزی کلی را 15 برابر کاهش دهد. نانوذرات برای انسان ها سمی نیستند و بطور بالقوه می توانند برای یک درمان ایمن استفاده شوند. این نانوذرات شامل دو جزء کلیدی است. اولین جزء، ترومبین است آنزیمی که مسئول انعقاد خون است. این ماده با پروتئینی، به نام فیبرینوژن برهمکنش می دهد و تشکیل لخته را راه می اندازد تا رگ آسیب دیده را مسدود کند. ترومبین درون یک ماتریس متخلخل خاص ساخته شده از مگنتیت، پیچیده شده است. این ماده معدنی دومین جزء کلیدی است و اجازه می دهد تا کنترل دقیق حرکت ذرات درون بدن، با استفاده از میدان مغناطیسی خارجی، صورت گیرد.

 

نانوذرات مغناطیسی که از خونریزی داخلی جلوگیری می کنند

نمونه ای از خونریزی داخلی

نانوذرات مغناطیسی همراه با ترومبین فعالیت پایینی دارند و باعث انعقاد خون نمی شوند اگر بطور مساوی در همه رگ های خونی پخش شوند. بنابراین می توان محلول نانوذرات را بصورت درون وردیدی تزریق کرد و آن ها را با استفاده از آهنربا به محل موردنظر هدایت کرد. وقتی که بیمار مقداری اضافی از فیبرینوژن را دریافت می کند، ذرات ترومبین در اطراف محل آسیب با آن واکنش می دهد و خونریزی سریعتر متوقف می شود. دکتر دروزدوو گفت: «ما کارایی نانوذرات را، روی نمونه های پلاسمای خون انسان و یک مدل خاص از رگ، تست کردیم. بعد از اولین آزمایش با پلاسما، ما دریافتیم که ترومبین درون نانوذرات ما در مقایسه با گونه آزاد آن، فعالیت کمتری دارد. با این حال ما به آزمایش ادامه دادیم و آزمایش های اضافی را روی یک مدل از جریان خون انجام دادیم. ما قادر بودیم مشاهده کنیم که نانوذرات وقتی که رگ آسیب دیده است چگونه رفتار می کند. سپس مشخص شد که محلی سازی مغناطیسی، فعالیت کمتر را جبران می کند. نانوذرات زمان انعقاد را 6.5 برابر و خونریزی کلی را 15 برابر کاهش می دهند.» دکتر وینوگرادوو افزود: «سنتز این نانوذرات آسان نیست. این مسئله که اندازه آن ها را زیر 200 نانومتر نگه داریم از اهمیت برخوردار است، در غیر این صورت برای تزریق مناسب نخواهند بود. علاوه بر آن، شرایط سنتز ملایم نیاز است تا مولکول ترومبین شکسته نشده و فعالیتش را بطور کامل از دست ندهد. در نهایت، ما فقط می توانیم از اجزای زیست سازگار استفاده کنیم. ما سمیت ذراتمان را با سلول های انسانی بررسی کردیم و اطمینان یافتیم که آن ها حتی در مواجهه طولانی مدت، کاملا ایمن هستند.» این کار بخشی از یک پروژه بزرگتر است که درنظر دارد داروهای هیبرید هموستاتیک برپایه نانومواد را بسازد. محققان اخیرا در حال برنامه ریزی برای آزمایش داروها، برپایه مواد بدست آمده، روی مدل های حیوانی هستند و، در صورت موفقیت، آزمایشات بالینی را آغاز می کنند. محققان امیدوارند که یک سیستم هموستاز برپایه نانوذرات بسازند تا بتوان بطور سریع و موثر سبب توقف خونریزی داخلی شد.

 

نانوذرات مغناطیسی که از خونریزی داخلی جلوگیری می کنند

نحوه رسیدن نانوذرات به محل خونریزی توسط میدان مغناطیسی خارجی

نانوذرات مغناطیسی که از خونریزی داخلی جلوگیری می کنند

نانوذرات مغناطیسی

نانوذرات GPSدار، نانودکننده سلول های بنیادی سرطان

محققان دانشگاه Illinois نانوذراتی را تولید کرده اند که بطور اختصاصی به یک پروتئین متصل می شود، که این پروتئین سطح سلول های بنیادی سرطان سینه را مارکدار می کند. درون این ذرات، داروی نیکلوزآمید کپسوله می شود. این دارو عمدتا در سراسر جهان برای درمان عفونت های ناشی از کرم نواری تجویز می شود، اما در سلول های بنیادی سرطان، این دارو سبب خاموش شدن یکی از مسیرهای ژنی کلیدی می شود که به این سلول ها، ویژگی های سلول بنیادی را می دهد که آن ها را قادر می سازد رشد کنند و گسترش یابند. دکتر پان گفت: «اداره کردن درمان ها برای تومورهایی که در حال حاضر توسعه یافته اند از اهمیت برخوردار است. اگرچه، بقای طولانی مدت و عدم اجازه برای عود مجدد، به همان اندازه مهم هستند. ما میخواهیم که سلول هایی را نابود کنیم که در بافت مخفی شده اند و عامل عود مجدد سرطان یا متاستاز هستند. سلول های بنیادی سرطان به عنوان بخش کوچکی از سلول ها در تومور حضور دارند، اما فقط 1-2 عدد از آن ها برای رشد یک تومور جدید کافی است.»

 

نانوذرات  GPSدار، نانودکننده سلول های بنیادی سرطان

نانوذرات پلیمری حامل دارو

این چالش برای پزشکان و محققان، فقط به منظور یافتن این سلول ها نیست بلکه برای درمان آن ها هم هست. گروه دکتر پان نانوذراتی را ساختند که یک پروتئین، به نام CD44، را هدف قرار می دهد که روی سطح سلول های بنیادی سرطان ظاهر می شود، که این نانوذرات روی تومورهای سرطان سینه در کشت سلولی و موش های زنده تست شد. دکتر پان افزود: «من آن ها را نانوذرات GPSدار می نامم، زیرا آن ها تنها سلول هایی را جستجو می کنند که ویژگی های سلول بنیادی سرطان را دارند. سپس آن ها به سلول ها اتصال یافته و دارو را تحویل می دهند. براساس بهترین یافته های ما، این اولین ظهور تحویل دارو با استفاده از نانوذرات هدف گیرنده سلول های بنیادی سرطان است.» محققان از نانوذرات استفاده کردند تا نیکلوزآمید را تحویل دهند ، که این دارو در لیست ایمن ترین و اثرگذارترین داروها قرار دارد. گروه دکتر پان، قبلا دریافته بودند که نیکلوزآمید روی یک مسیر مخصوص تنظیم ژن در سلول بنیادی سرطان اثر می گذارد. بعد از درمان، سلول های بنیادی سرطان ویژگی های سلول بنیادی بودنشان را، توسط نانوذرات هدفمند و حاوی نیکلوزآمید از دست می دهند، که باعث می شود آن ها کمتر قادر به متاستاز یا عود مجدد باشند. محققان همچنین یک کاهش چشمگیر را در رشد سلولی کلی سرطان، درون کشت های سلولی و هم در موش ها مشاهده کردند.

 

نانوذرات  GPSدار، نانودکننده سلول های بنیادی سرطان

شکل های زرد رنگ نانوذراتی هستند که سلول های بنیادی سرطان که آبی رنگ هستند را هدف قرار می دهند.

با استفاده از داروی قبلا تایید شده و نانوذراتی که به راحتی ساخته می شوند، دکتر پان امیدوار است که این سیستم بتواند تبدیل به یک درمان قابل دسترس و با قیمت مناسب شود تا از عود مجدد سرطان در بیماران به راحتی پیشگیری شود. او همچنین گفت: «ما تعمدا از یک داروی بسیار ارزان قیمت استفاده کردیم. این دارو عمومی است و ما می توانیم محصول را در مقیاس خیلی زیاد تولید کنیم. این نانوذرات هم پلیمرهایی هستند که ما می توانیم آن ها را در مقیاس بالا تولید کنیم. این فرآیند دقیقا تعریف شده و سازگار است، پس ما دقیقا می دانیم که می خواهیم چه چیزی را ارائه دهیم. بقیه فرآیند فقط یک خودآرایی است.» دکتر میسرا گفت: «این تحقیق، همچنین برای آینده محققانی که در زمینه سلول بنیادی سرطان کار می کنند، اهمیت دارد. ما پروتئین ها و ژن هایی، که مسئول فرآیندهای حیاتی در این سلول ها هستند، را توصیف و تایید کردیم ، و دریچه های جدیدی بسوی بهبود بخشیدن درمان ها باز کردیم.» محققان در تلاشند تا درمانی ترکیبی بسازند که قادر باشد داروها را به تومور اولیه برساند، همانند شیمی درمانی های معمول، همچنین عوامل هدفمندی وجود داشته باشند که بتوانند سلول های بنیادی سرطان را درمان کنند. آن ها همچنین این سیستم دارورسانی بوسیله نانوذرات را روی مدل های حیوانی بزرگ هم تست کردند تا یک قدم به مرحله بالینی نزدیک تر شوند.

 

نانوذرات  GPSدار، نانودکننده سلول های بنیادی سرطان

نحوه عملکرد سلول بنیادی سرطان در تومور و در مقابل درمان ها

نانو روباتهای نابودگر تومورها

در یک پیشرفت عمده در نانومواد، محققان بطور موفقیت آمیزی نانو-روباتهایی را برنامه ریزی کرده اند که باعث کوچک شدن تومورها، از طریق قطع کردن جریان خونی تغذیه کننده آن ها، می شوند. دکتر یان گفت: «ما اولین سیستم روباتی DNA کاملا مستقل را، برای یک طراحی دارو و درمان هدفمند سرطان خیلی دقیق، طراحی کرده ایم. علاوه برآن، این تکنولوژی یک استراتژی است که می تواند برای انواع مختلفی از سرطان ها استفاده شود، از آنجاییکه رگ های تغذیه کننده تومورهای جامد عمدتا در همه یکسان است.»

 

نانو روباتهای نابودگر تومورها

نحوه تشکیل لخته خونی توسط ترومبین در حالت طبیعی

برای انجام مطالعه، محققان از مدل شناخته شده تومور موش استفاده کردند، جاییکه سلول های سرطانی انسان را به موش تزریق می کنند تا رشد تومور مهاجم را القا کنند. وقتی که تومور در حال رشد کردن بود، نانو-روباتها برای نجات آماده شدند. هر نانو-روبات از یک صفحه اریگامی مسطح و مستطیل شکل DNA تشکیل شده است که درکل کمتر از 100 نانومتر اندازه دارد. یک آنزیم کلیدی انعقاد خون، به نام ترومبین، به این سطح اتصال یافته است. ترومبین می تواند جریان خونی تومور را بوسیله انعقاد خون، درون رگ هایی که با غذارسانی باعث رشد تومور می شوند، بلوکه کند که باعث نوعی از حمله قلبی کوچک برای تومور می شود و منجر به مرگ بافت توموری می شود. ابتدا، بطور متوسط 4 مولکول ترومبین به داربست مسطح DNA اتصال می یابد. سپس، صفحه مسطح روی خود تا می خورد، همانند ورقه کاغذ که ایجاد یک لوله توخالی می کند. آن ها به درون موش تزریق می شوند، سپس درون جریان خون حرکت کرده و به تومورها می رسند. نکته کلیدی در برنامه ریزی نانو-روباتها که فقط به سلول سرطانی حمله کنند، قرار دادن یک ماده مخصوص روی سطح آن است که DNA-آپتامر نامیده می شود. این DNA-آپتامر بطور اختصاصی یک پروتئین، به نام نوکلئولین، را هدف قرار می دهد. نوکلئولین در مقادیر بالا فقط در سطح سلول های اندوتلیال تومور یافت می شود و روی سطح سلول های سالم وجود ندارد.

 

نانو روباتهای نابودگر تومورها

لخته خونی که رگ خونی را مسدود کرده است

وقتی که اتصال به سطح رگ های خونی تومور صورت گرفت، همانطور که نانو-روبات برنامه ریزی شده است، تا همانند اسب مشهور تروا، محموله غافلگیرانه دارو را به عمق تومور برساند، در معرض قرار دادن آنزیم ترومبین در کنار تومور کلید اصلی انعقاد خون است. نانو-روباتها سریع عمل کرده، در مقادیر زیاد تجمع می یابند تا سریعا طی چند ساعت پس از تزریق، تومور را احاطه کنند. اول و مهمتر از همه، تیم تحقیقاتی نشان داد که نانو-روباتها ایمن بوده و در کوچک کردن تومورها موثر هستند. دکتر ژائو گفت: «نانو-روبات ثابت کرده است که ایمن بوده و از لحاظ ایمنی برای استفاده در موش های نرمال، بی اثر است همچنین در خوک های مینیاتوری Bama هیچ تغییر قابل تشخیصی در انعقاد خون طبیعی یا شکل سلول مشاهده نشد.» مهمتر از همه، هیچ شواهدی وجود نداشت که نشان دهد نانو-روباتها درون مغز پخش شده اند، جاییکه می تواند سبب بروز عوارض جانبی ناخواسته نظیر سکته مغزی شود. این روش درمانی، منبع خونی تغذیه کننده تومور را بلوکه می کند و سبب آسیب بافت تومور در طی 24 ساعت می شود درحالیکه هیچ اثری روی بافت های سالم ندارد. بعد از حمله به تومورها، اکثر نانو-روباتها بعد از 24 ساعت از بدن تجزیه و خارج می شوند. در طی دو روز، شواهد حاکی از ترومبوز پیشرفته است و بعد از 3 روز، لخته خون در کل رگ های توموری مشاهده می شود. دکتر یان گفت: «DNA-نانو-روبات حمل کننده ترومبین، سبب ایجاد یک پیشرفت عظیم در نانوفناوری DNA برای درمان سرطان شده است. مدل موشی ملانوما، نانو-روبات نه تنها روی تومور اولیه تاثیر می گذارد بلکه مانع از تشکیل متاستاز می شود، که نشانگر پتانسیل نویدبخش این درمان است.» این تحقیق در مجله Nature Biotechnology به چاپ رسیده است. 

 

نانو روباتهای نابودگر تومورها

نمایی شماتیک از اندازه یک نانو-روبات

پلیمرهای در ابعاد نانو برای تشخیص و درمان همزمان سرطان سینه

یک مشکل عمده در درمان سرطان، شناسایی محل تومورهای کوچک و درمان آن ها قبل از متاستاز است. در یک تلاش برای غلبه بر این مشکل، محققان مرکز Wake Forest Baptist Medical Center نانوذرات فلورسنتی ساختند که قادر به یافتن تومورها است، بطوریکه بعد از ورود به تومور از خود نور تابش می کند و بوسیله نور، فعال می شود تا گرما تولید کند و سلول های سرطانی را از بین ببرد. مطالعه این نانوذرات – ذرات پلیمری هیبرید دهنده-گیرنده (H-DAPPs) – روی موش ها نشان داد که سرطان سینه در آن ها، بطور موفقیت آمیزی مکان یابی شده و از بین رفته است. این مطالعه در مجله ACS Applied Materials and Interfaces به چاپ رسیده است.

 

پلیمرهای در ابعاد نانو برای تشخیص و درمان همزمان سرطان سینه

نحوه ورود نانوذرات به درون تومور بدون نیاز به عامل هدف گیرنده

دکتر لوی-پلیاچنکو گفت: «نتیجه غیرمنتظره این بود که چگونه نانوذرات به طرز موثری، محل تومورها را مشخص کرده اند بدون اینکه هیچ عامل هدف گیرنده ای در این امر دخیل باشد. دستیابی به مقادیر بالا و کافی H-DAPPs درون تومور، اجازه می دهد که محل دقیق مکانی که قرار است نور به آنجا تابیده شود و گرما تولید کند مشخص شود و سلول های سرطانی به راحتی کشته شوند.» دیگر محققان، نانوذراتی را توسعه داده اند که تومور را شناسایی می کند یا داروها را حمل می کند، اما تیم تحقیقاتی دکتر لوی-پلیاچنکو پلیمرهایی ساخته است که بطور قوی، نور مادون قرمز را جذب و تولید گرما می کنند. با توجه به نانوذرات جدید، او گفت: «این اکتشاف هیجان آوری است که یک هیبرید، از پلیمر تولیدکننده گرما داریم که توسط پلیمر ساطع کننده نور عمل می کند، که اجازه می دهد که همزمان تشخیص و درمان گرمایی داشته باشیم.» H-DAPPs از پلیمرهای رسانای الکتریکی ساخته شده اند و قطرشان، کمتر از 100 نانومتر است. اندازه کوچک و ترکیب نرمشان باعث شده که آن ها بتوانند به آسانی در جریان خون حرکت کرده و به تومور برسند. دکتر لوی-پلیاچنکو افزود: «تحقیقات بیشتری نیاز است تا بتوان مطمئن شد که H-DAPPs برای استفاده در بدن انسان خطر ندارد. اما ما بسیار علاقه مندیم که در مورد استفاده H-DAPPs در دیگر انواع سرطان ها و درنهایت استفاده در بدن بیماران، تحقیق کنیم.»

 

پلیمرهای در ابعاد نانو برای تشخیص و درمان همزمان سرطان سینه

نحوه عملکرد گرمادرمانی

پلیمرهای در ابعاد نانو برای تشخیص و درمان همزمان سرطان سینه

نانوذرات پلیمری