Nanomalzemelerin Teşhis Uygulamalarında Kullanımı Nanoölçekte görüntüleme, nanoparçacık biyoetiketler, biyoçipler/mikrodiziler

(microarrays), nanoparçacık esaslı nükleik asit tanıları, nanoproteomik esaslı tanılama, biyobarkod testleri, DNA nanomakineler, nanoparçacık tabanlı bağışıklık testleri, nanobiyosensörler, vb. gibi nanoteşhis teknolojileri tıbbi teşhis alanında giderek popüler olmuştur (Bellah et al. 2012, Jackson. et al. 2017, Baetke et al. 2015, Rajasundari and Ilamurugu 2011). Genel olarak hücre bileşenleri nano ebatta oldukları için bu molekülleri izleyebilen ya da teşhis

~ 159 ~

edebilen teknolojik ekipmanların da nano ölçekteki boyutta olması beklenmek- beklenmektedir. Bu imkanı sağlayan biyoçiplere ve mikrodizi (Şekil 4.3.1) cihazlara örnek protein nanobiyoçipler ve nanoakışkan dizileri verilebilir. Bu çipler, yüksek özgüllükle hücresel bileşenlerle etkileşime geçmesi için tasarlanabilir. Hiç süphesiz, bu nanoakışkan dizilerin en önemli ve umut vericilerinden biri DNA gibi özel moleküllerin analizini ve izolasyonu yapan cihazlardır. Çiplerin bu yetenekleri, kanser için yeni algılama düzenlerinin oluşturulmasını sağlamıştır. Böyle bir cihaz nanotelleri içi boş nanotüplere dönüştüren kimyasal oksidasyon basamağının oluşmasını takip eden, standart fotolitografik ve aşındırma teknikleri kullanılarak yapılan bir substrat ya da çip üzerine yerleştirilen silikon nanotellerinin inşası ile mümkün olmuştur . Biyomolekül izolasyonu amacıyla kullanılan bu nanotüpler 50 nm çapa sahipken, nanotüplerin çapı 10 nm kadar küçük yapılabilmiştir (Bellah et al. 2012, Jackson et al. 2017, Baetke et al. 2015, Rajasundari and Ilamurugu 2011). DNA moleküllerinin tespiti için ise molekülün nanotüp içine girdiğinde elektrik akımının değişmesi prensibine göre tasarlanan cihaz 2 paralel mikroakışkan kanalı içeren silikon nanotüplerden yapılmıştır. Nanoakışkanların tıp alanında kullanımı, ileride geliştirilecek olan kişiye özel ilaç tasarımı, patojen tespiti, ilaç geliştirilmesi gibi pek çok klinik araştırmaya umut olmuştur (Bellah et al. 2012, Jackson et al. 2017, Baetke et al. 2015, Rajasundari and Ilamurugu 2011).

Şekil 4.3.1. Mikrodizi sistemi (http://slideplayer.com/slide/4973622/ sayfasında yayınlanan bu fotoğraf Google görsellerinden alınmıştır.)

Protein tanımlamasında uzun zamandan beri kullanılan elektroforez ve kütle spektroskopisi metotlarından sonra nanoteknolojiyle geliştirilen protein mikrodizi analizi ile küçük bir zaman diliminde binlerce protein molekülünün

~ 160 ~

taranmasını sağlayabilen cihaz geliştirilerek medikal alanda büyük başarı sağ- sağlanmıştır (Şekil 4.3.2). Yöntemin temelinde bir cam yüzey üzerine yerleştirilmiş antikorlar ve enzimler gibi çeşitli proteinler bir dizi halinde cam slayt üzerine immobilize edilmiştir (Bellah et al. 2012, Jackson et al. 2017, Baetke et al. 2015, Rajasundari and Ilamurugu 2011). Cam slaytın yüzeyindeki analizi yapılacak örnek, çip üzerindeki ilgili antikora bağlanır ve böylece analizi yapılmış olur. Nanoteknolojideki hızlı gelişmeler sayesinde mikrodizilerin daha küçük molekülleri tanıması sağlandığında kişiye özel tedavilerin de artacağı düşünülmektedir.

Şekil 4.3.2. Mikrodizi analiz sistemi

(https://en.wikipedia.org/wiki/DNA_microarray sayfasında yayınlanan bu fotoğraf Google görsellerinden alınmıştır.)

Biyosensörler biyokimyasal mekanizmalara göre çalışan cihazlardır (Bellah et al. 2012, Jackson et al. 2017, Baetke et al. 2015, Rajasundari and Ilamurugu

~ 161 ~

2011). Biri örneklemeden sorumlu biyolojik, diğeri aldığı sinyalleri dönüştüren ve örnekleme sonuçlarını ileten fiziksel iki temel parçadan oluşur. Nanosensörler olarak isimlendirilen nanomalzemeler hassas kimyasal ve biyolojik sensörlerdir. Vücut içindeki belli hücrelerin veya bölgenin hacmindeki, konsantrasyonundaki, yerleşimindeki, elektriksel ve manyetik kuvvetlerindeki, basınç veya sıcaklıklarındaki farklılıkları tespit etme kabiliyetleri onları tıbbi tanılamada çok önemli yerde tutmaktadır. Nanosensörlere kuantum noktaları (quantum dots) örnek gösterilebilir (Şekil 4.3.3). Vücuda enjekte edilen kadmiyum selenür kuantum noktalarının floresan özelliği yardımıyla doktor, hasta olan hücreyi (kanser hücresi gibi) vücut içinde rahatlıkla görebilmektedir. Ancak kadmiyum selenür gibi toksik özelliğe sahip diğer kuantum noktaları bu nanosensörlerin kullanımını kısıtlamaktadır. Bu nedenle ilim adamları floresan özelliği olan kuantum noktalarının geliştirilmesi konusunda çalışmalarını sürdürmektedir. Özellikle özel DNA hasarlarının tespiti için kuantum noktaları büyük umut vaad etmektedir.

~ 162 ~

Şekil 4.3.3. Kuantum noktalar (Quantum dots)

(https://www.indiamart.com/proddetail/inp-zns-quantum-dots- 17679035648.html,https://www.theguardian.com/science/small-

world/2013/aug/13/mother-nature-quantum-dots sayfasında yayınlanan bu fotoğraf Google görsellerinden alınmıştır.)

Kuatum noktaları gibi nanoparçacıklar da tıbbi tespit ve görüntülemede yaygın olarak kullanılmaktadır (Bellah et al. 2012, Jackson et al. 2017, Baetke et al. 2015, Rajasundari and Ilamurugu 2011). Bunlar arasında en fazla dikkat çeken ise altın ve manyetik nanoparçacıklardır. Manyetik nanoparçacıklar manyetik rezonans görüntülemede (MRI) (Şekil 4.3.4) kullanıldığı gibi hedefli ilaç salımında ilaç taşıyıcı olarak da yaygın bir biçimde kullanılmaktadır.

Hipertermi (Şekil 4.3.4), kanser tedavisinde hızla gelişen bir tekniktir. Bu tedavi, tümör dokusunun ısınmaya karşı daha yüksek duyarlılık göstermesinden yararlanır. Manyetik hipertermi, hastanın vücudunun derinliklerinde bulunan tümörler dahil olmak üzere organizmanın sadece istenen kısmını ısıtarak yan etkileri en aza indirebilir. Manyetik hipertermi, manyetik partikülleri organizmanın istenen kısmına sokmayı ve bunları alternatif bir manyetik alanla uzaktan ısıtma işlemini içerir. Mevcut manyetik parçacıklarla, tümör bölgesinde eşit olmayan ısınmanın kontrol edilmesi hala zor olmaktadır (Bellah et al. 2012, Jackson et al. 2017, Baetke et al. 2015, Rajasundari and Ilamurugu 2011). Bu durum, lokal aşırı ısınmaya ve nekroza neden olabilir. Curie sıcaklığı 42-43 °C olan manyetik malzemenin üretimi, bu teknolojinin tümörlerin tedavisinde radyasyon tedavisi ile birlikte güvenle kullanılmasını sağlayacaktır. Curie sıcaklığını 42-43 °C'ye çıkarabilen manyetik malzemeler birçok araştırmacı tarafından geliştirilmeye çalışılmaktadır.

Altın ve gümüş gibi metalik nanoparçacıklar (Şekil 4.3.5), çok sayıda biyodiyagnostik cihazda sinyal amplifikasyonu için kullanılmıştır.

~ 163 ~

Şekil 4.3.4. Manyetik nanoparçacıkların teşhis amacıyla kullanımı (http://braininbrief.tumblr.com/post/7302838178/burning-tumor-in-a-magnetic- field, https://phys.org/news/2009-08-nanoparticles-blood-brain-barrier-enable- brain.html sayfalarında yayınlanan bu fotoğraflar Google görsellerinden alınmıştır.)

Şekil 4.3.5. Altın nanoparçacıkların biyomedikal alanda kullanımı (http://braininbrief.tumblr.com/post/7302838178/burning-tumor-in-a-magnetic- field sayfasında yayınlanan bu fotoğraf Google görsellerinden alınmıştır.)

~ 164 ~

Altın nanopartiküller çeşitli optik ve elektrik deneylerinde kullanılmıştır. Örne- Örneğin; altın nanopartiküllerin (Şekil 4.3.6) elektriksel özellikleri, gıda kaynaklı bir patojenin gerçek zamanlı tespiti için bir piezoelektrik biyosensörün geliştirilmesi gibi.

Şekil 4.3.6. Altın nanoparçacıkların biyosensör amaçlı kullanımı

(https://www.cd-bioparticles.com/t/Properties-and-Applications-of-Gold-

Nanoparticles_59.html sayfasında yayınlanan bu fotoğraf Google görsellerinden alınmıştır.)

Elementel gümüş ve gümüş tuzları (Şekil 4.3.7), yüzyıllar boyunca iyileştirici ve koruyucu sağlık hizmetlerinde antimikrobiyal ajanlar olarak iyi bilinmektedir. Gümüş tuzları ve komplekslerinin (iyonik gümüş) antimikrobiyal aktivitesi genellikle çeşitli biyomakromoleküler bileşenlerde metalik iyonların bağlanmasına dayanır. Katyonik gümüş, proteinlerin ve nükleik asitlerin negatif yüklü bileşenlerini hedefler ve bağlar, böylece bakteri hücre duvarları, membranlar ve nükleik asitlerde yapısal değişiklikler ve deformasyonlara neden olur. Gümüş iyonları genellikle tiyoller, fosfatlar, hidroksiller, imidazoller, indoller ve aminler gibi bir dizi elektron verici fonksiyonel grup ile etkileşime girebilmektedir. Hücre yüzey bileşenlerine bağlananlar bakteriyel solunum ve adenosin trifosfat (ATP) sentezini kesintiye uğratabilirler. Ayrıca, gümüş iyonlarının, sitokrom oksidaz ve nikotinamid adenin dinükleotid (NADH) süksinat dehidrojenaz bölgesinde bulunan mikroorganizmaların solunum zincirini bloke ettiği belirtilmiştir. Gümüş nanoparçacıkların suda çözünür

~ 165 ~

biyopolimerlerle kombinasyonu yeni antimikrobiyaller üretecektir. Buna daya- dayanarak, zamk akasya, nişasta, jelatin, sodyum aljinat ve karboksi metil selüloz gibi çeşitli doğal polimerler, biyo-uyumlu polimerik gümüş nanokompozitler hazırlamak için kullanılmıştır. Kitosan, doğal bir polimerdir. Selülozdan sonra doğada bol miktarda bulunan yapısal polisakkaritlerden biridir. Kitosan bakteriyle çok kolay etkileşir ve DNA'ya, glikozaminoglikanlara ve proteinlerin çoğuna bağlanır, böylece gümüş nanopartiküllerin antimikrobiyal etkisini arttırır (Bellah et al. 2012, Jackson et al. 2017, Baetke et al. 2015, Rajasundari and Ilamurugu 2011).

Şekil 4.3.7. Gümüş nanoparçacıkların biyotıp uygulamalarında kullanımı (https://www.cell.com/trends/biotechnology/fulltext/S0167-7799(16)00040-8 sayfasında yayınlanan bu fotoğraf Google görsellerinden alınmıştır.)

Gıdalardaki nanobiyoteknolojik araştırmalar çoğunlukla antioksidanlar, antimikrobiyaller, biyosensörler ve ambalajlamayı içerir. Gıda ambalajında uygulamaları için biyonanokompozitlerin, yenilebilir ve biyobozunabilir nanokompozit filmler gibi biyobazlı materyaller yüksek potansiyele sahip

~ 166 ~

malzemelerdir. Tıbbi, farmasötik ve kozmetik endüstrileri, ürünlerinin özellikle- özelliklerini geliştirmek için gıdalardan yapılan nanopartiküllerden de faydalanmaktadır (Bellah et al. 2012, Jackson et al. 2017, Baetke et al. 2015, Rajasundari and Ilamurugu 2011).