1-مقدمه

کربوهیدرات‌ها در سیستم‌های زنده ضروری هستند و مجموعاً بالاترین فراوانی را در میان تمام بیومولکولها در طبیعت دارند. آن‌ها همانند منبع انرژی و حد واسط‌های متابولیکی عمل میکنند. کربوهیدرات‌های کانژوگه با پروتئین‌ها و لیپیدها، تشخیص‌های مولکولی، انتقال سیگنال، ترافیک مولکولی، اتصال سلولی، تمایز سلولی، التهاب و پاسخ‌های ایمنی را وساطت می‌کنند. با این حال، برهمکنش‌های منفرد مبتنی بر کربوهیدرات‌های منفرد اغلب تمایل کمی دارند. برای غلبه بر این محدودیت، طبیعت از مزایای اثرات چندظرفیتی استفاده کرده است. در این حالت کربوهیدرات‌ها با تعامل یکدیگر به‌صورت خوشه‌ای با گیرنده‌ها برهمکنش می‌کنند. گلیکونانومواد که در آن‌ها از نانومواد بهعنوان داربست برای عرضۀ کربوهیدرات‌ها استفاده می‌شود، اخیراً بهعنوان ساختارهای مهمی شناخته شده‌اند و پتانسیل بالائی در کاربردهای مختلف از جمله سنسینگ و تشخیص نشان داده‌اند. نانومواد در مقایسه با سایر انواع داربستها، ویژگی‌های جالبی را بهعنوان حاملین کربوهیدرات‌ها ارائه می‌دهند؛ از جمله این ویژگیها میتوان به ناحیه سطحی ویژه برای انطباق تراکم بالایی از لیگاندها، اندازه و شکل قابل تنظیم برای تعدیل تراکم لیگاند و نمایش دادن آنها، ابعاد نانو برای جستجوی برهکنش با ارگانیسمها و ویژگی‌های نوری، الکترونیکی، فوتونی و مغناطیسی منحصر به‌فرد برای تغییر و تبدیل سیگنالهای تشخیصی مولکولی در جهت اهداف سنسینگ و تشخیص اشاره کرد.

ما در این مقاله مروری، مختصری از شیمی اتصال برای گلیکونانومواد که شامل یک روش کانژوگه شدن فوتونی توسعه یافته در آزمایشگاه خودمان است، ارائه شده است. سپس سنتز گلیکونانومواد بر پایه طلا، اکسید آهن، نقاط کوانتومی، سیلیکا، لیپوزوم، پلیمر و دندریمر و کاربردهای درون تنی و برون تنی آن‌ها را در سنسینگ و تصویربرداری از پروتئین ها، میکروب‌ها و سلول‌ها توضیح داده شده و در نهایت، محدودیتها و چشم اندازهای آینده در این زمینه را بیان شده است.

 

2-کانژوگه شدن کربوهیدرات‌ها با نانومواد

گلیکونانومواد معمولاً به‌دنبال دو راهبرد عمومی کانژوگه شدن شامل برهمکنش‌های غیر کوالانسی و باندهای کوالانسی تولید می‌شوند که هر دوی اینها با مزیت‌ها و محدودیت‌های مختلفی همراه هستند. روشهای کوالانسی در مقایسه با روشهای غیر کوالانسی به‌دلیل پایداری بیشتر محصولات افزایشی کوالان، به میزان بیشتری استفاده می‌شوند. راهبرد جفت شدن فوتونی در گروه ما ایجاد شد و از پرفلوروفنیل آزیدهای عامل دار شده برای تشخیص مولکولی استفاده شده است که یک روش مؤثر در این زمینه است.

2-1 کانژوگه شدن غیر کوالانسی

روش غیر کوالان وابسته به کانژوگه شدن ساختارهای کربوهیدرات‌ها با نانومواد از طریق برهمکنش‌های معمول غیر کوالانسی مانند برهمکنش‌های یونی، اتصالات هیدروژنی، نیروهای واندروالس یا اثرات سولوفوبیک است. از این روش معمولاً تحت شرایط نسبتاً ملایم استفاده میشود و اغلب یا به هیچ یک مشتقات شیمیایی لیگاندهای کربوهیدراتی یا سوبستراهای نانومواد نیاز ندارد یا به حداقل آن‌ها بسنده میکند. این برهمکنش‌ها می‌توانند گاهی بسیار قوی باشند، بهعنوان مثال براساس تشخیص بیوتین-استراپتاویدین. اما استحکام باندها همچنین ممکن است ضعیف‌ترباشد که می‌تواند منجر به جداشدن و در نتیجه افزایش برهمکنش‌های غیر اختصاصی با هدف مورد نظر گردد. این فرآیند همچنین می‌تواند غیر انتخابی بوده و در مقایسه با اتصالات کوالانسی کمتر قابل کنترل باشد. از آنجایی که این اثرات می‌توانند به‌صورت حساس و اختصاصی در کاربردهای سنسینگ اثر داشته باشند، باید مد نظر قرار گرفته شوند. با این وجود برای سیستم‌های خاصی این روش بسیار مفید است و به‌طور مؤثر برای ساختارهای کربوهیدراتی بزرگ مانند پلی ساکاریدها، گلیکوپروتئین‌ها و گلیکولیپیدها به کار می‌رود.

2-2 کانژوگه شدن کوالانسی

مونو و الیگوساکاریدها معمولاً با نانومواد به‌صورت کوالان، به‌صورت مستقیم یا از طریق واکنش‌های جفت شدن پس از تغییر و اصلاح کانژوگه می‌شوند. این روش دارای مزیت ایجاد اتصالات قوی و ساختارهای سطحی مستحکم است. مثالهای معمول شامل جاذب‌های شیمیایی تیول/دی سولفیدی برروی طلا و نقاط کوانتومی، فسفات‌ها بر روی اکسید آهن و سیلانها بر روی سیلیکا است. از میان سیستم‌های کوالان مختلفی که ارزیابی شده اند، تیول/طلا بیشتر از همه مطالعه و استفاده شده است. این سیستم، به خوبی اثبات شده است و نسبتاً پایدار و تکرارپذیر است. جفت شدن به‌دنبال تغییرات پسین بر پایه کانژوگه شدن معمول عامل‌های شیمیایی است که در اینجا گروه‌های عاملی مکمل با یکدیگر برهمکنش می‌کنند تا اتصالات کوالانسی ایجاد کنند؛ مانند آمیدها و ترایزول؛ها. با این حال، این روش معمولاً به مشتقات شیمیایی کربوهیدرات‌ها نیاز دارد که سنتز آن‌ها بهویژه برای ساختارهای الیگوساکاریدی ممکن است با چالش‌های قابل ملاحظه‌ای مواجه باشد. به منظور دستیابی به کنترل بالای فضایی و زمانی فرآیندهای کانژوگه شدن، ما یک شیمی جفت شدن فوتونی، بر پایه فلورینه شدن آزیدهای آریلی توسعه دادیم. پس از تابش نور و خروج نیتروژن از گروه آریل آزید، واحدهای نیترینی منفرد تشکیل می‌شود که می‌تواند بهداخل باندهای کربن-هیدروژن وارد شده یا به باندهای c=c اضافه گردد. این روش به‌طورموفق برای کانژوگه شدن کربوهیدرات‌ها، مولکول‌های کوچک، پلیمرها، مواد کربنی و نانوذرات گسسته برای نانومواد مختلف به کار گرفته شده است.

 

3-سنتز گلیکونانومواد

در این بخش، ما بر چند نوع کلیدی از گلیکونانومواد از جمله گلیکونانومواد طلا، اکسید آهن، کربنی، نقاط کوانتومی، سیلیکا، لیپوزوم، پلیمر و دندریمر تمرکز کرده‌ایم. روش‌های سنتزی خاص برای گلیکونانومواد به‌صورت خلاصه آورده شده‌اند.

3-1 گلیکونانومواد طلا

نانوذرات طلا، اساساً به‌دلیل شیمی سطح و آماده‌سازی راحت و ساده، پایداری بالا، و ویژگی‌های اپتوالکترونیکی جالب توجه، پرکاربردترین و شناخته شده‌ترین نانومواد هستند. این ذرات تحت تابش نور منجر به متمرکز شدن رزونانس پلاسمون سطحی (LSPR) می‌گردند؛ LSPR اثری است که به میزان زیادی به محیط دی الکتریک نزدیک به سطح نانوذرات حساس است. این پدیده ساختارهای مفیدی را برای تغییر و تبدیل وقایع تشخیصی در سطح فلز ایجاد می‌کند. یک تکنیک سنسینگ رنگ سنجی بر اساس تغییر LSPR توسعه یافته است. زمانی که برهمکنش‌های رسپتور-کربوهیدرات باعث تجمعات اضافی از نانومواد طلا گردد، تغییرات بزرگتر LSPR رخ خواهد داد که منجر به تغییرات شدید رنگی می‌شود. این تغییرات اغلب به‌وسیله‌ی چشم غیر مسلح دیده میشوند. این ویژگی نوری منحصر به‌فرد باعث سنسینگ و تشخیص بسیار حساس می‌شود. بهعلاوه، اثر LSPR منوط به پدیده چشمک زدن است؛ این پدیده اثری است که با نقاط کوانتومی یا رنگ بری نوری فلوروفور ساختارهای آلی همراه است.

چندین روش برای سنتز گلیکونانومواد طلا به کار گرفته شده است. یکی از این روشهای ساده از قندهای احیا‌کننده هم بهعنوان عوامل احیا‌کننده و هم بهعنوان لیگاندهای کلاهکی در طول تشکیل نانومواد طلا استفاده می‌کند. زمانی که پیش سازهای طلا به‌وسیله‌ی کربوهیدرات‌ها احیا می‌شوند تا نانومواد طلا تولید شود، برهمکنش‌های هیدروکسیل/طلا منجر به ایجاد یک لایه کربوهیدراتی محافظی بر روی نانومواد طلا می‌شود. یکی دیگر از روش‌های درجا شامل افزودن کربوهیدرات‌های تیولی به پیش سازهای طلا است. کربوهیدرات‌های تیولی هنگامی که نانومواد طلا تشکیل می‌شوند، بهعنوان لیگاند کلاهکی برای نانومواد طلا عمل می‌کنند. یکی از محدودیتهای این روش، آن است که اندازه ذرات بسته به ساختار لیگاند و همچنین شرایط آزمایش به میزان زیادی متغیر است که پیش بینی و کنترل آن مشکل است. در روش تبادل لیگاند، ابتدا نانوذرات طلا ساخته می‌شوند و سپس لیگاند اصلی به‌وسیله‌ی کربوهیدرات‌هایی جایگزین می‌گردند که در انتهای آن‌ها تیول قرار دارد. این پروتکل به‌طور تکرارپذیر نانوذراتی با اندازه قابل پیش بینی تولید می‌کند. به‌طور مشابه، در پروتکل جفت شدن فتونی، در ابتدا نانوذرات طلا در معرض آزیدهای پرفلوروآریل خاتمه یافته با تیول/دی سولفید و سپس در حضور کربوهیدرات‌ها در معرض نور فعال‌کننده قرار می‌گیرند. با این پروتکل طیف وسیعی از مونو، الیگو یا پلی ساکاریدها با نانومواد مختلف کانژوگه شده‌اند.

3-2 گلیکونانومواد مگنتیکی

نانومواد مگنتیکی نوع مهمی از نانومواد هستند که در زمان قرار گرفتن در معرض میدان‌های مغناطیسی خارجی خواص مگنتیکی نشان می‌دهند. نانوذرات مگنتیکی (Fe3O4) رایج‌ترین نوع مورد استفاده در کاربردهای سنسینگ هستند. ویژگی‌های اصلی نانوذرات Fe3O4 شامل: 1) روشهای آماده‌سازی ساده برای تولید ذراتی با اندازه nm 5-30 2) زیست سازگاری بسیار عالی همانند فرمولاسیون‌های Feridex تأیید شده به‌وسیله‌ی FDA برای تصویربرداری از کبد و Feraheme برای کم خونی فقر آهن 3) نسبیت‌های مغناطیسی بالا که باعث می‌شود این مواد به خوبی بهعنوان عوامل کنتراست برای تصویربرداری رزونانس مغناطیسی درون تنی/ برون تنی مناسب باشند 4) سهولت در عامل دار کردن سطح آنها. 

راحت‌ترین روش برای اتصال کربوهیدرات‌ها به نانوذرات اکسید آهن بهره‌گیری از مزیت ویژگی‌های پایداری آن‌ها در طول سنتز نانوذرات است. با این وجود، معمولاً در این روش کربوهیدرات‌های بیشتری مورد نیاز هستند؛ بنابراین این روش برای پلی ساکاریدهایی استفاده می‌شود که در دسترس باشند. یک راهبرد دیگر اعمال تغییرات برروی نانوذرات از پیش ساخته شده به‌وسیله‌ی کانژوگه شدن کوالانسی است؛ بهعنوان مثال کانژوگه شدن کربوهیدرات‌های کربوکسیله به نانوذرات اکسید آهن آمین دار. کربوهیدرات‌ها به‌وسیله‌ی واکنش CuAAC نیز کانژوگه شده‌اند. در این واکنش مشتقات آلکینی کربوهیدرات‌ها می‌توانند با نانوذرات آزیدی واکنش دهند. همچنین گزارش شده است که این نوع از جفت شدن نسبت به جفت شدن مشتقات آزیدی کربوهیدرات‌ها به نانوذرات آلکیله کارایی بهتری نشان می‌دهد. علاوه‌براین، کربوهیدرات‌های بیوتینه سنتز شده‌اند و به نانوذرات مگنتیکی با پوشش استرپتاویدین کانژوگه شده‌اند. شیمی جفت شدن فوتونی ما نیز می‌تواند برای ساختن گلیکونانومواد مگنتیکی به کار رود. در این مورد، نانوذرات اکسید آهن با مشتقات فسفات PFPA‌ تیمار شدند که قبلاً به‌وسیله‌ی فعال شدن نوری با کربوهیدرات‌ها کانژوگه شده بودند. 

3-3 گلیکونانومواد کربنی

نانومواد کربنی شامل طیفی از مواد مانند کربن بی‌شکل تا فولرینهای تازه کشف شده، کربن نانوتیوب‌ها (CNTs) و گرافن هستند. بسیاری از ویژگی‌های فیزیکی جالب توجه این مواد باعث شده است که برای زیست حسگری بسیار مفید باشند. با این وجود، این مواد از لحاظ شیمیایی نسبتاً غیر فعال، فاقد عملکرد فعال و حلالیت ضعیف در آب بوده و به‌طور بالقوه برای سلول سمی هستند. به هرحال می‌توان از طریق عامل دار کردن کربوهیدرات‌ها بر این مسئله غلبه کرد، به‌طوریکه حلالیت، زیست سازگارپذیری و قابلیت سنسینگ را بهبود بخشید.

بهدلیل اینکه مواد کربنی عموماً غیر قطبی و هیدروفوب هستند، روشهای کانژوگه شدن غیر کوالانسی اغلب وابسته به نیروهای واندوالس، پیوندهای پای و اثرات هیدروفوبیک هستند. بنابراین قبل از تیمار با سوبسترای کربنی معمولاً لازم است مشتق‌سازی کربوهیدرات‌ها با گروههای لیپوفیلیک از جمله لیپیدها، هیدروکربن‌های پلی آروماتیک یا پورفیرینها صورت گیرد. به‌دلیل اینکه در این موارد گلیکونانومواد از لحاظ شیمیایی عامل دار نیستند، ویژگی‌های فیزیکی آن‌ها می‌تواند حفظ شود.

تغییرات کوالان به نانومواد کربنی، کربوهیدرات‌ها یا به هردوی آن‌ها نیاز دارند تا از نظر شیمیایی عامل دار شوند. در میان نانومواد کربنی، هموژن‌ترین ساختارها با فولرینها به‌دست آمده‌اند. در رابطه با گرافن و نانوتیوب‌های کربنی، رایج‌ترین نوع مواد اکسیده شده هستند که به میزان بیشتری هم عامل دار می‌شوند؛ مانند ساختارهای کربوهیدراتی آمین دار. گرافن پریستین و نانوتیوب‌های کربنی نسبتاً غیرفعال بوده و لازم است برای فعال شدن شیمیایی از گونه‌های فعال استفاده کنند. نمونه‌های آن‌ها شامل رادیکالهای آریلی از نمک‌های دی آزونیوم آریل، افزودن سیکلیک دو قطبی 1و3 ترکیبات ylide آزومتین برای تشکیل پیرولیدین و افزودن سیکلیک نیترنها برای تشکیل آزیریدینها است. بهعنوان مثال مطالعات گروه ما نشان داد که به‌طور اخص نیترنهای پرفلوروفنیل یگانه مفید هستند و به میزان زیادی با نانومواد کربنی واکنش می‌دهند. هنگامی که این مواد فعال شدند، گروه‌های عاملی که می‌توانند به سهولت برای کانژوگه شدن با کربوهیدرات‌ها به کار گرفته شوند وارد عمل شوند.

3-4 گلیکونانومواد نقاط کوانتومی

نقاط کوانتومی غیرآلی نانومواد نیمه‌هادی لومینسانس با ویژگی‌های فیزیکی جالب توجه برای زیست حسگری هستند. نقاط برای نمونه کوانتومی می‌توانند برانگیختگی نوری وسیع و انتشاری محدود با بازده کوانتومی خوب نشان دهند و کمتر مستعد رنگ رفتگی نوری هستند. این ویژگی‌ها همراه با امکان حضور لیگاندهای چند ظرفیتی برای کاربردهای سنسینگ و تصویربرداری قابل توجه هستند. گلیکونانومواد نقاط کوانتومی می‌توانند از طریق سرپوش‌گذاری نقاط کوانتومی با کربوهیدرات‌ها از طریق برهمکنش‌های غیر کوالان از جمله برهمکنش‌های آبگریز و الکتروستاتیک با مخلوط کردن نقاط کوانتومی پوسته-هسته CdSe/ZnS منفی پوشش دار شده با کربوکسی متیل دکستران و گروه‌های سولفانیل سوکسینات با پلی لیزین‌های مثبت تهیه شوند. روش‌های کووالان شامل پروتکل‌های درجا هستند؛ بهعنوان مثال می‌توانند براساس افزودن گلیکوکانژوگه‌های جدید تیول دار به محلولهای پیش ساز نقاط کوانتومی باشند. پروتکل تبادل لیگاند مشابه با سنتز گلیکونانومواد طلا است که در آن عوامل پوشش اولیه می‌توانند به‌وسیله‌ی مشتقات تیولی گلیکوکانژوگه‌ها جایگزین شوند. گلیکونانومواد نقاط کوانتومی نیز همانند نانوذرات طلا به‌وسیله‌ی پروتکل‌های تغییرات پسین تهیه شده‌اند.

3-5 گلیکونانومواد سیلیکا

نانومواد سیلیکا بسیار انعطاف‌پذیر بوده، پایداری مکانیکی و گرمایی زیادی نشان می‌دهند، پراکندگی خوبی در آب دارند و به راحتی فعال می‌شوند. در میان اشکال مختلف سیلیکا، به‌طور ویژه نانومواد مزوپور سیلیکا قابل توجه هستند که دارای اندازه منافذ بزرگتر، حجم داخلی زیاد و نواحی سطحی وسیعی هستند. اگرچه نانومواد سیلیکا ذاتاً دارای ویژگی‌های مگنتیکی یا نوری نیستند، این ویژگی‌ها می‌توانند به راحتی از طریق به دام انداختن رنگ‌های فلورسانت یا انکپسوله کردن نانوذرات مگنتیک/کوانتوم دات/ طلا ایجاد شوند که استفاده از این مواد را در سنسینگ یا تصویربرداری امکانپذیر می‌کنند.

کربوهیدرات‌ها معمولاً از طریق راهبرد‌های تغییرات پسین از جمله تشکیل آمید/تری آزول و جفت شدن فوتونی با نانومواد سیلیکا کانژوگه می‌شوند. مثالهایی از روش محبوب CuAAC شامل کانژوگه شدن مشتقات کربوهیدراتی آزیدی یا آلکینی است. استفاده از مورد دومی منجر به تولید نانوذرات سیلیکای نمایش دهنده گالاکتوز برای سنسینگ سلولهای سرطانی کبد شده است. به‌طور مشابه، تومورهای جامد با نانوذرات مزوپور سیلیکای مانوز دار مورد هدف قرار گرفتند. علاوه‌براین، روش جفت شدن فوتونی ما برای نانوذرات سیلیکای آریل آزیدی به کار گرفته شد که منجر به تشکیل گلیکونانوموادی گردید که به‌طور موفقیت آمیز برای تشخیص پروتئینها، باکتری‌ها و سلولهای سرطانی به‌کار گرفته شد.

3-6 گلیکونانومواد لیپوزوم/میسل

مولکولهای آمفی فیلیک شامل گروه‌های رأسی کربوهیدارتهای هیدروفیلیک هستند. بخش‌های زنجیره هیدروکربنی لیپوفیلیک به‌طور کلی در محلول‌های آبی قادر به تجمع هستند. برخی از آن‌ها ساختارهایی را تشکیل می‌دهند که می‌توانند در نهایت بسته به طول نسبی، اندازه و ساختارهای بخش‌های درگیر منجر به تشکیل گلیکونانومواد لیپوزومی یا میسلی شوند. یک دسته بزرگی از این ساختارهای آمفی فیلیک به‌طور طبیعی در غشاهای زیستی وجود دارند (گلیکولیپیدها) و نقش‌های مختلفی را در سیستم‌های زنده ایفا می‌کنند. این ساختارها و سایر ساختارها می‌توانند از ماهیت‌های لیپوفیلیک مناسبی مانند الکل‌های چرب، فسفولیپیدها و کلسترول تهیه شوند. گلیکونانومواد لیپوزومی یا میسلی حاصل از خود مونتاژی می‌توانند شامل چندین ویژگی جالب مانند سازگارپذیری و ظرفیت بارگذاری بالا باشند. علاوه‌براین، این ساختارها این توانایی را دارند که در اثر برهمکنش با غشاهای سلولی، بهعنوان مثال به‌دلیل فیوژ شدن با دولایه‌های لیپیدی غشاهای سلولی، به‌طور مؤثر به‌وسیله‌ی سلول‌ها جذب شوند. از نظر تشابه با گلیکولیپیدهای سطح سلولی، این ساختارهای خودمونتاژ برای کاربردهای متعددی از جمله برای توسعه مهارکننده‌ها و بیوسنسورها پتانسیل زیادی دارند.

راهبردهای بسیاری برای تهیه گلیکونانومواد میسلی یا لیپوزومی از طریق خودمونتاژی ساختارهای آمفی فیلیک به‌وجود آمده‌است. روشهای سنتزی اصلی برای تجمعات چند ظرفیتی عبارتند از: 1) خودمونتاژی مستقیم مولکولهای آمفی فیلیک گلیکوزیله مناسب؛ بهعنوان مثال براساس پلی اتیلن گلیکول، پپتیدها و یا لینکرهای آلکیلی با زنجیره‌های کربنی بلند 2) الحاق مولکولهای آمفی فیلیک گلیکوزیله با ماتریس‌های لیپیدی مناسب در نسبت‌های مولی بهینه (معمولاً 5 تا 10%) 3) عاملدار کردن لیپوزوم‌ها یا میسل‌های از پیش ساخته شده با ساختارهای کربوهیدراتی خاص.

گلیکونانومواد لیپوزومی یا میسلی به‌دلیل روش ساخت ساده، همواره برای کاربردهای زیست پزشکی و همچنین بهعنوان ابزاری برای زیست حسگری کاربرد داشته‌اند. با این وجود چالش‌هایی وجود دارد که باید برای افزایش کارایی در فناوری سنسینگ مورد توجه قرار بگیرند. بهعنوان مثال، به‌دلیل خطر بالای فروپاشی وزیکول‌ها در اثر غلظت بالای عناصر گلیکولیپیدی دستیابی به غلظت بالای کربوهیدرات‌های سطحی مشکل است. بهعلاوه، کنترل جهت و تحرک اجزای کربوهیدراتی مشکل است که منجر به کاهش دسترسی به کربوهیدرات‌های سطحی برای تشخیص بهینه میگردد. علاوه‌براین ممکن است این ساختارها پایداری نسبتاً پائینی داشته باشند و فرآیند‌شناسایی و تشخیص با چالش روبرو گردد.

3-7 گلیکونانومواد پلیمری

برخی از محدودیت‌های مربوط به لیپوزوم‌ها را می‌توان با گلیکونانومواد پلیمری یا دندریمری، یعنی ساختارهای سنتتیک پلیمری/دندریمری متشکل از یک هسته یا یک بخش الحاقی از گروه‌های کربوهیدراتی برطرف نمود. به این ترتیب در اصل می‌توان بدون ایجاد آشفتگی شدید در ساختار نانوذرات، تراکم سطحی کربوهیدرات‌ها را بهبود بخشید. علاوه‌براین، از آنجاییکه چند ظرفیتی بودن یک ویژگی جذاب برای کاربردهای سنسینگ و تشخیصی است، در زمینه پلیمرها و دندریمرها بهعنوان چارچوب‌هایی برای نمایش کربوهیدرات‌ها توجهات زیادی ایجاد شده است تا برهمکنش‌های بین بخش‌های اتصال دهنده را افزایش دهند. این ویژگی‌ها به همراه تحولات آن‌ها در کنترل ساختاری و زیست سازگارپذیری بالا پتانسیل زیادی را برای این مواد ارائه می‌دهند تا بتوانند در تشخیص و سنسینگ درون تنی و برون تنی به کار گرفته شوند. 

کد گلیکانی ارگانیسم‌های زنده بسیار وابسته به ساختار است؛ در نتیجه در جاییکه تفاوت‌های ساختاری کوچک ممکن است به میزان زیادی بر اتصال به هدف اثر داشته باشند، بایستی کربوهیدرات‌های سطح گلیکونانومواد پلیمری با دقت بالا طراحی شوند. آرایش صحیح کربوهیدرات‌ها به همراه اسکلت پلیمری برای انجام کامل تشخیص اختصاصی و اثرات ارتباطات سلولی ضروری و مهم است. در اصل، برای سنتز گلیکونانومواد پلیمری می‌توان از دو روش استفاده کرد: پلیمریزاسیون با مونومرهای عامل دار کربوهیدراتی و پیوند زدن اجزای کربوهیدراتی به یک ستون پلیمری. در ابتدا هر دو روش به یک شیوه تصادفی انجام شدند که منجر به کنترل نسبتاً پائین ساختار دقیق می‌شد. با این وجود، تحولات اخیر در پلیمریزاسیون کنترل شده (رادیکالی) و سنتز فاز جامد منجر به بهبود و تقویت ساختاری شده‌اند. این تلاشها، براساس شیمی پلیمر مدرن در ترکیب با علم گلیکومواد منجر به افزایش شناخت گلیکونانومواد پلیمری و دندریمری شده است و معماری‌های پیچیده‌ترتعریف شده از اشکال مختلف با سازگارپذیری و تمایل‌های بیشتر را امکان‌پذیر کرده است. گلیکونانومواد به‌دست آمده پتانسیل زیادی برای بسیاری از کاربردهای بیولوژیکی بویژه برای بیوسنسورها نشان می‌دهند. با این وجود، برخی از ویژگی‌های آن‌ها بویژه با توجه به همگن بودن ساختارهای حاصل از سنتز پلیمری، ممکن است منجر به ایجاد محدودیت‌هایی شوند. این اثرات ممکن است برای کاربردهای خاصی از جمله اتصال و تصویربرداری کیفی از اهمیت کمتری برخوردار باشند، اما به‌طور جزئیتر، آنالیز کیفی به میزان زیادی به اجزای همگن‌ترنیاز دارد.

3-8 گلیکونانومواد دندریمری 

در مقایسه با پلیمرهای معمول، دندریمرها در اصل ماکرومولکولهای تک تفرقی با معماری‌های معمولاً کروی و شناخته شده هستند. این ساختارها معمولاً تقارن زیادی دارند و از یک داربست هسته‌ای با انشعابات شاخه‌ای تشکیل شدهاند که با گروه‌های عاملی خارجی آرایش یافته‌اند.

علاوه‌براین دندریمرها، یعنی ساختارهای دندرتیکی غیر کروی برپایه نقاط کانونی منفرد، می‌توانند به جای هسته‌هایی با انشعابات نقطه‌ای در تمام جهات استفاد شوند. ساختارهای دندریمری معمولاً شامل حفره‌های داخلی برای عمل انکپسوله کردن هستند در حالی که گروه‌های خارجی عملکردهای حلالیت و شیمیایی را تعریف می‌کنند. بنابراین سنتز تجدیدپذیر ماهیت‌هایی با ساختارهای تعریف شده قابل دسترس است که این ساختارهای می‌توانند برای کاربردهای ویژه‌ای استفاده شوند. این ویژگی‌ها منجر به توسعه نانو ساختارهای پیچیده تعریف شده‌ای با عامل‌های کربوهیدراتی شده‌اند که این ساختارها نسبت به لیپوزوم‌ها قویتر بوده و به میزان بیشتری می‌توانند دچار تغییر و اصلاح شوند. با توجه به توسعه راهبرد‌های سنتزی مؤثر و کارا می‌توان تراکم لیگاندها را به خوبی کنترل کرد.

دیده شده گلیکونانومواد دندریمری حاصله کاربردهای مهمی در فن آوری و علم قندها دارند. نمونه‌های زیادی از این ساختارها در طول دو دهه اخیر با هدف اصلی افزایش کارایی اتصال از طریق اثر چندظرفیتی گزارش شده است. سه نوع از گلیکونانومواد دندریمری را می‌توان هم برپایه ساختار‌های هسته کربوهیدراتی، ماهیت‌های کربوهیدراتی اتصالی و هم برپایه دندریمرهای تماماً سنتز شده از کربوهیدرات‌ها به روش‌های مختلف واگرایی (از هسته و انشعابات) و همگرایی (سوار شدن دندرون ها) را به راحتی میتوان از یکدیگر تمایز داد. این دو روش سنتزی بر اساس توالی واکنش‌های تکراری هستند که هر یک از این تکرارها منجر به یک نسل جدید دندرتیکی می‌شود. روش واگرایی به شیمی ارتوگونال بسیار مؤثر به منظور اجتناب از واکنش‌های ناکامل و کاهش پیچیدگی‌های فضایی بالقوه نیاز دارد. از طرف دیگر، روش همگرا به طور معمول گلیکونانومواد دندریمری با خلوص زیاد ایجاد می‌کند، اما ممکن است باعث محدودیت‌های فضایی با هسته‌های ممانعتی گردد. گلیکونانومواد دندریمری زمانیکه در کاربردهای سنسینگ استفاده می‌شوند، مزایایی را بهعنوان ماهیت‌های نمایش دهنده کربوهیدرات‌ها نشان می‌دهند. آن‌ها معمولاً ساختارهای تعریف شده‌ای هستند که پایداری‌های شیمایی زیادی را نشان می‌دهند که منجر به سهولت‌شناسایی و ارزیابی می‌گردد. آن‌ها اجازه کنترل ژئومتریکی موقعیت و تراکم کربوهیدرات‌ها را می‌دهند و می‌توانند برای نمایش درجه بالایی از چند ظرفیتی ساخته شوند. با این وجود، این مزایا با یک محدودیت بالقوه از تلاشهای سنتزی نسبتاً زیاد و هزینه‌های تولیدی بالا همراه هستند. 

 

4-گلیکونانومواد برای سنسینگ و تصویربرداری

برای کاربردهای سنسینگ و تصویربرداری، لازم است که کربوهیدرات‌ها اثرات تشخیصی خود را به‌دنبال کانژوگه شدن با نانومواد حفظ کنند. در مقایسه با سایر اجزای تشخیصی بیولوژیکی مانند آنتی بادی‌ها و آنزیمها، این مسئله با چالش کمتری مواجه است زیرا کربوهیدرات‌ها اغلب پایداری بالایی دارند و می‌توانند طیف وسیعی از شرایط را به کار ببرند. با این وجود، این اثرات تشخیصی به طور کلی به نمایش سطحی از جمله تراکم لیگاندها، طول لینکر، شیمی سطحی و غیره حساس هستند. در این بخش پیشرفت‌های اخیر در سنسینگ و تصویربرداری درون تنی و برون تنی پروتئین‌ها و سلول‌ها را با استفاده از گلیکونانومواد متعدد را مرور می‌کنیم. 

4-1 سنسینگ پروتئینها

بسیاری از فرآیندهای فیزیولوژیکی و پاتوفیزیولوژیکی مانند ارتباطات بین سلولی، اتصال سلولی و عفونت سلولی، با‌شناسایی پروتئین‌های اتصالی به‌وسیله‌ی کربوهیدرات‌ها آغاز می‌شود. شناخت برهمکنش کربوهیدرات و پروتئین مهم است و می‌تواند منجر به راهبردهای جدید در توسعه ابزارهای تشخیصی و درمانی شود. گلیکونانومواد می‌توانند در این زمینه بهعنوان مقلدهای سلولی عمل کنند که در اینجا وقایع تشخیصی اساس و پایه‌ای برای سنسینگ تپروتئین‌ها تشکیل می‌دهند. مطالعات حاصل از آزمایش ما و دیگران نشان داده است که گلیکونانومواد می‌توانند تمایل اتصالی کربوهیدرات‌ها را به پروتئین‌ها حدود چند برابر تقویت کنند. 

این مسئله یک بنیان قوی برای گلیکونانومواد در سنسینگ پروتئین‌ها با حساسیت زیاد ایجاد می‌کند. در میان پروتئین‌های بررسی شده، کانکاوالین A (ConA) بهعنوان یک پروتئین فراوان بهویژه برای مطالعات پایه به منظور توسعه سیستم‌های سنسینگ جدید به کار گرفته شده است. در سال 2001، گروه شینوها از گلیکونانومواد طلا و کربنی برای مطالعه برهمکنش‌های کربوهیدرات و لکتین استفاده کردند. این مطالعات پیشگام امکان پذیری گلیکونانومواد چند ظرفیتی را در سنسینگ پروتئین‌ها تأیید می‌کنند. 

جدول 1 مثال‌هایی را نشان می‌دهد که از گلیکونانومواد دندریمری، پلیمری، کربنی و طلا برای سنسینگ لکتین استفاده شده‌اند. با در نظر گرفتن مزایای ویژگی‌های منحصربه‌فرد پروتئین‌ها و همچنین ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی خاص نانومواد تکنیک‌های سنسینگ و تصویربرداری ثابت شده به طور کلی انتخاب شده‌اند. شکل‌های 2 تا 4 مثال‌هایی را از کاربرد گلیکونانومواد برای سنسینگ لکتین‌ها نشان می‌دهند. رایج‌ترین تکنیک‌های انتقالی و تصویربرداری شامل: 1) اسپکتروسکوپی Uv-vis/میکروسکوپ نوری، که برپایه برهمکنش‌های گلیکونانومواد با پروتئین‌ها هستند و منجر به جذب یا انکسار نوری و در نتیجه باعث تغییرات جذبی می‌شوند. علاوه‌براین، اتصال الگوریتمی پروتئین‌ها به کربوهیدرات‌ها می‌تواند با نانوذرات چند ظرفیتی برهمکنش داده و تجمعات مولکولی را تشکیل دهند که می‌توانند تحت میکروسکوپ نوری مشاهده شوند یا در زمانی که این تجمعات به اندازه کافی بزرگ باشند به‌وسیله‌ی چشم غیر مسلح دیده شوند. زمانی که از گلیکونانومواد طلا استفاده می‌شود، برهمکنش‌ها یا تجمعات باعث القای یک تغییر در باند جذبی سیگنال LSPR همراه با کاهش در شدت جذب می‌گردند. 2) اسپکتروسکوپی یا میکروسکوپی فلورسانس، که معمولاً از مزایای پروتئین‌ها یا گلیکونانومواد فلورسانس در شکل‌ها مختلف بهره می‌گیرد. 3) رزونانس پلاسمون سطحی (SPR). سیگنال‌های SPR تحت برهمکنش گلیکونانومواد با چیپ‌های SPR با عامل‌های پروتئینی یا بالعکس تولید می‌شوند. 4) انکسار نوری دینامیک (DLS). اتصال گلیکونانومواد به پروتئین‌ها حجم هیدرودینامیک کمپلکس را افزایش می‌دهد که می‌تواند به‌وسیله‌ی DLS تشخیص داده شود. 5) تعادل میکرونی کریستالی کوارتز (QCM). ثابت شده است که QCM با توجه به وزن مولکولی زیاد آن‌ها و در نتیجه افزایش سیگنال‌ها به‌طور ویژه برای نانومواد مناسب هستند. علاوه‌براین، فناوری میکروآرایه‌ها می‌تواند برای تکنیک‌های مختلفی به کار رود. معمولاً لیگاندهای متعددی به سطوح جامد متصل می‌شوند و وقایع اتصالی موازی با گلیکونانومواد ردیابی می‌شوند. این فناوری اغلب هنگامی که نیاز به آنالیزهای اتصالات سریع و غربالگری کارایی بالا باشد، به کار می‌رود.

4-2 سنسینگ میکروب‌ها و سلولها

عفونت ایجاد شده به‌وسیله‌ پاتوژنها اغلب از طریق تشخیص کربوهیدرات‌ها در سطوح ذرات ویروس یا سلول وساطت می‌شود (شکل 1). برهمکنش‌های چند ظرفیتی لکتین-کربوهیدرات نیروهای اتصالی قوی تولید می‌کنند و در این زمینه می‌توانند بهعنوان یک ابزار قدرتمند از سنسینگ و تشخیص پاتوژنها استفاده شوند. بنابراین، گلیکونانومواد میتوانند تشخیص حساس و سریع پاتوژنها و توکسین‌ها را بدون روش‌های زمان بر از جمله انکوباسیون و شستشوی متوالی یا استفاده از تکثیر و تشخیص اسید نوکلئیک امکانپذیر سازند. اسپکتروسکوپی و میکروسکوپی نوری (UV-vis، فلورسانس) اغلب در ترکیب با روش‌های سیتومتری یا رنگ آمیزی، بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. SPR و MRI نیز به کار می‌روند. تحقیقات مربوط به سنسینگ و تشخیص میکروب‌ها و سلول‌ها با استفاده از گلیکونانومواد در جدول 2 فهرست شده‌است. شکل 5 یک مثال اولیه را نشان می‌دهد.

از آنجائیکه سطوح سلولی غنی از کربوهیدرات‌ها هستند، می‌توان تصور کرد که گلیکونانومواد می‌توانند بهعنوان مقلدان سلولی عمل کنند و با ماهیت‌های بیولوژیکی مختلف برهمکنش داشته باشند. در مقایسه با لیگاندهای تک ظرفیتی، گلیکونانومواد چند ظرفیتی با تمایل و اختصاصیت بیشتری به گیرنده‌های سلولی متصل می‌شوند و می‌توانند در ترکیب با تکنیک‌های تشخیص سلولی و تک ذره‌ای مدرن منجر به سنجش و سنسینگ دقیق گردند. در نتیجه وضعیت سلول با دقت و کارایی بیشتری بررسی شده و باعث ارائه درک و شناخت عمیق تری از برهمکنش‌های بین گلیکونانومواد و سلولهای میگردد. در میان سیستم‌های سنسینگ مختلف، UV-vis و میکروسکوپ یا اسپکتروسکوپی فلورسانس، SPR و QCM قادر به آنالیز کمی عملکرد اتصالی گلیکونانومواد به سطوح سلولی هستند. نانوپروب‌های مؤثر و کارا که قادر به تشخیص، تصویربرداری و تعیین مشخصات میکروب‌ها و سلول‌ها هستند نه تنها به شناخت نقش‌های کربوهیدرات‌های درگیر در فرآیند بیماری کمک می‌کنند، بلکه به توسعه ابزار جدید ترانوستیک در پیشگیری و درمان بیماری نیز کمک می‌کنند. 

4-3 سنسینگ و تصویربرداری درون تنی و بافتی

نمونه‌های اولیه تحقیقات گلیکونانومواد بر برهمکنش‌های برون تنی مبتنی بر کربوهیدرات‌ها با پروتئینها، ویروس‌ها و سلول‌ها متمرکز بوده‌اند. با این وجود در پیشرفت‌هایی که اخیراً به‌وجود آمده است، لیگاندهای کربوهیدراتی بهعنوان ماهیت‌های هدف‌گذاری‌کننده به منظور هدایت نانومواد به جایگاه‌های درون تنی رسپتوری برای تصویربرداری و ردیابی سلولها، بافتها و ارگانهای خاص براساس برهمکنش‌های انتخابی کربوهیدرات‌ها یا کربوهیدرات-پروتئین استفاده شده‌اند. مشابه با سنسینگ و تصویربرداری سلولها، تکنیک‌های اسپکتروسکوپی/میکروسکوپی فلورسانس معمولاً بیشتر انتخاب می‌شوند. علاوه‌براین، روشهای معمول تصویربرداری پزشکی مانند PET و MRI نیز به کار می‌روند که در اینجا گلیکونانومواد می‌توانند بهعنوان عوامل کنتراست استفاده شوند. 

در سال 2004، یک مطالعه درون تنی اولیه گزارش شد که نشان می‌دهد گلیکونانومواد می‌توانند بهعنوان عوامل ضد چسبندگی برعلیه پیشرفت متاستاز ریه در موش رفتار کنند (شکل6). جدول 3 مثالهایی از تشخیص و تصویربرداری از وضعیت‌های بیماری خاص را در حیوانات با استفاده از گلیکونانومواد طلا، مگنتیکی و نقاط کوانتومی به‌طور خلاصه ارائه کرده است. این نتایج پتانسیل گلیکونانومواد را برای تشخیص و در نهایت درمان بیماری‌ها به منظور مبارزه با عفونت و سرطان نشان می‌دهد. براین اساس، این مواد امیدواری ویژه‌ای در زمینه سنسینگ و تصویربرداری درون تنی ایجاد می‌کنند که نسبتاً به راحتی برای نمایش زیست سازگاری بالا قابل تغییر و اصلاح بوده و مانع از پاسخ‌های ایمنی و برهمکنش‌های غیراختصاصی می‌شوند. با این وجود، زمانیکه گلیکونانومواد بهعنوان سطوح ترانوستیک درون تنی طراحی می‌شوند، دفع این مواد قبل از رسیدن به اهداف درمانی و تخریب آنزیمی فاکتورهای مهمی هستند که لازم است در نظر گرفته شوند.

 

خلاصه و چشم اندازه‌های آینده

واضح است که ادغام فناوری نانو با علم قندها بهویژه در طول دهه گذشته منجر به طیف وسیعی از کاربردهای جدید و مهم شده است. گلیکونانومواد شاهد رشد سریعی بوده و در حال حاضر پتانسیل قوی در سنسینگ و تشخیص نشان داده‌اند. بنابراین تعداد وسیعی از گلیکونانومواد با در نظر گرفتن مزیت ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی مختلف و ساختارهای ویژه توسعه پیدا کرده‌اند. این مسئله اثر خاصی بر زمینه بیوسنسورها داشته است که در این زمینه این مواد بهعنوان سطوح سنسینگ مفید استفاده شده‌اند. ضرورت موجود در سنتز گلیکونانومواد، جفت شدن مواد شیمیایی است که می‌تواند باعث کانژوگه شدن مؤثر کربوهیدرات‌ها با نانومواد گردد. در این نانومواد هم روش‌های غیر کوالانسی و هم کوالانسی به کار گرفته شده‌ که منجر به عامل دار شدن نانوموادی شده‌اند که مزیت ویژگی‌های ذاتی و منحصر به‌فرد آن‌ها را به کار می‌گیرد. علاوه‌براین، این نانومواد منجر به نمایش چند ظرفیتی ماهیت‌های کربوهیدراتی در سطوح خود می‌شوند؛ در نتیجه در این حالت از سلول‌ها یا ویروسهای ویژه‌ای تقلید می‌کنند. این ویژگی اغلب منجر به افزایش قابل توجهی از تمایل بین این مواد و گیرنده‌های هدف می‌گردد؛ همراه با اثر زیادی بر عملکرد سنسینگ گلیکونانومواد. 

تا به امروز، توسعه نمایش کربوهیدرات‌ها، بهویژه در مقایسه با پوشش کربوهیدراتی پیچیده سلولهای مختلف (گاهاً بانام گلیکوکالیکس) نسبتاً ساده بوده است. در نتیجه راهبردهای جدیدی هنوز مورد نیاز است؛ بهویژه در مورد سنتز گلیکونانومواد با تنوع زیاد کربوهیدراتی و نمایش کربوهیدرات‌های پیچیده‌ترکه در این حالت تراکم لیگاند، آرایش فضایی و در دسترس بودن می‌تواند به دقت کنترل شود. این مسئله در نهایت منجر به تعدیل‌سازی دقیق تمایل و اختصاصیت گلیکونانومواد به منظور مجهز‌سازی الزامات مختلف زیست حسگری و ترانوستیک می‌گردد.

با این وجود، انبوهی از کاربردهای موفقیت آمیز سنسینگ با استفاده از گلیکونانومواد نشان داده شدهاند که به بسیاری از آن‌ها در این مطالعه مروری اشاره شد. بدین ترتیب ماهیت‌های بسیار مختلفی هم به‌صورت برون تنی و هم به‌صورت درون تنی مورد هدف قرار گرفتهاند، اعم از پروتئین‌های متصل شونده به کربوهیدرات‌ها مانند لکتین‌ها از طریق ویروسها، باکتری‌ها و سلولهای پستانداران تا سنسینگ بافت‌ها در ارگانیسم‌های زنده. این زمینه در حال پیشرفت سریع است و منجر به سنسینگ و تصویربرداری ماهیت‌های اتصالی ویژه شده است و در نهایت منجر به ردیابی نواحی و جایگاه‌های مختلف در بیماری‌های متعددی می‌گردد. اگرچه این کاربردهای زیست پزشکی پتانسیل بسیار زیادی دارند، اما لازم است زیست سازگارپذیری، کلیرانس و توزیع زیستی گلیکونانومواد برای سنسینگ درون تنی مورد ارزیابی قرار گیرد. این توسعه، همراه با پیشرفت در علم بیولوژی قندها منجر به‌شناسایی گلیکونانومواد ظریف و دقیق برای کاربردهای مؤثر و بهینه زیست حسگری، تشخیصی و درمانی خواهد شد. 

 

منبع