إنها SNaP: تقنية جديدة تمهد الطريق لتصنيع الجسيمات النانوية العلاجية القابلة للتطوير

تم تقديم هذه المقالة الدعائية إليك من قبل كلية الهندسة بجامعة نيويورك تاندون.

في تقدم كبير في مجال توصيل الأدوية، طور الباحثون تقنية جديدة تعالج تحديًا مستمرًا: التصنيع القابل للتطوير للجسيمات النانوية والجسيمات الدقيقة. يعد هذا الابتكار، بقيادة ناتالي إم بينكرتون، الأستاذ المساعد في الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية في كلية تاندون للهندسة بجامعة نيويورك، بسد الفجوة بين أبحاث توصيل الأدوية على نطاق المختبر وتصنيع الأدوية على نطاق واسع.

يعتمد هذا الإنجاز، المعروف باسم الترسيب النانوي المتسلسل (SNaP)، على تقنيات الترسيب النانوي الحالية لتوفير تحكم محسّن وقابلية للتوسع، وهي عوامل أساسية لضمان وصول تقنيات توصيل الأدوية إلى المرضى بكفاءة وفعالية. هذه التقنية تمكن العلماء من
تصنيع جزيئات تحمل الدواء والتي تحافظ على سلامتها الهيكلية والكيميائية بدءًا من إعدادات المختبر وحتى الإنتاج الضخم– خطوة أساسية نحو جلب علاجات جديدة إلى السوق.

استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد للتغلب على التحدي في توصيل الأدوية

تحمل الجسيمات النانوية والجسيمات الدقيقة وعدًا هائلاً لتوصيل الأدوية المستهدفة، مما يسمح بنقل الأدوية بدقة مباشرة إلى مواقع المرض مع تقليل الآثار الجانبية. ومع ذلك، فإن إنتاج هذه الجسيمات باستمرار على نطاق واسع كان بمثابة عائق كبير أمام ترجمة الأبحاث الواعدة إلى علاجات قابلة للتطبيق. وكما يوضح بينكرتون، “إن أحد أكبر العوائق التي تحول دون ترجمة العديد من هذه الأدوية الدقيقة هو التصنيع. ومع SNaP، فإننا نتعامل مع هذا التحدي بشكل مباشر.

بينكرتون هو أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية في جامعة نيويورك تاندون.كلية الهندسة بجامعة نيويورك تاندون

لقد نجحت الطرق التقليدية مثل الترسيب الوميض النانوي (FNP) في إنشاء بعض أنواع الجسيمات النانوية، لكنها غالبًا ما تكافح لإنتاج جزيئات أكبر، والتي تعتبر ضرورية لبعض طرق التسليم مثل التسليم عن طريق الاستنشاق. يقوم FNP بإنشاء جسيمات نانوية بوليمرية ذات قشرة أساسية (NPs) يتراوح حجمها بين 50 إلى 400 نانومتر. تتضمن العملية خلط جزيئات الدواء والبوليمرات المشتركة (جزيئات خاصة تساعد في تكوين الجزيئات) في مذيب، والذي يتم بعد ذلك مزجه بسرعة مع الماء باستخدام خلاطات خاصة. تعمل هذه الخلاطات على إنشاء بيئات صغيرة يمكن التحكم فيها حيث يمكن أن تتشكل الجزيئات بسرعة وبشكل متساوٍ.

على الرغم من نجاحه، فإن FNP لديه بعض القيود: فهو لا يمكنه إنشاء جسيمات مستقرة أكبر من 400 نانومتر، ويبلغ الحد الأقصى لمحتوى الدواء حوالي 70 بالمائة، والإنتاج منخفض، ويمكنه العمل فقط مع جزيئات كارهة للماء (طاردة للماء). تنشأ هذه المشكلات لأن تكوين قلب الجسيمات وتثبيت الجسيمات يحدث في وقت واحد في FNP. تتغلب عملية SNaP الجديدة على هذه القيود عن طريق فصل خطوات التكوين الأساسي والتثبيت.

في عملية SNaP، هناك خطوتان للخلط. أولاً، يتم خلط المكونات الأساسية مع الماء لبدء تشكيل قلب الجسيمات. ثم تتم إضافة عامل تثبيت لوقف نمو النواة وتثبيت الجزيئات. يجب أن تتم هذه الخطوة الثانية بسرعة، أقل من بضعة أجزاء من الثانية بعد الخطوة الأولى، للتحكم في حجم الجسيمات ومنع التجميع. تعمل إعدادات SNaP الحالية على توصيل خلاطين متخصصين على التوالي، للتحكم في وقت التأخير بين الخطوات. ومع ذلك، تواجه هذه الأجهزة تحديات، بما في ذلك التكاليف المرتفعة والصعوبات في تحقيق أوقات التأخير القصيرة اللازمة لتكوين الجسيمات الصغيرة.

وقد أدى النهج الجديد الذي يستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى حل العديد من هذه التحديات. يتيح التقدم في تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد الآن إنشاء قنوات دقيقة وضيقة مطلوبة لهذه الخلاطات. يلغي التصميم الجديد الحاجة إلى أنابيب خارجية بين الخطوات، مما يسمح بأوقات تأخير أقصر ويمنع التسربات. يجمع تصميم الخلاط المبتكر بين خلاطين في إعداد واحد، مما يجعل العملية أكثر كفاءة وسهولة في الاستخدام.

“إن أحد أكبر العوائق التي تحول دون ترجمة العديد من هذه الأدوية الدقيقة هو التصنيع. ومع SNaP، فإننا نتعامل مع هذا التحدي بشكل مباشر.
—ناتالي إم بينكرتون، جامعة نيويورك تاندون

باستخدام هذا التصميم الجديد لخلاط SNaP، نجح الباحثون في إنشاء مجموعة واسعة من الجسيمات النانوية والجسيمات الدقيقة المحملة بالروبرين (صبغة الفلورسنت) والسيناريزين (دواء ضعيف الكارهة للماء يستخدم لعلاج الغثيان والقيء). هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تصنيع جسيمات نانوية صغيرة أقل من 200 نانومتر وجسيمات دقيقة باستخدام SNaP. أظهر الإعداد الجديد أيضًا الأهمية الحاسمة لوقت التأخير بين خطوتين الخلط في التحكم في حجم الجسيمات. يتيح هذا التحكم في وقت التأخير للباحثين الوصول إلى نطاق أكبر من أحجام الجسيمات. بالإضافة إلى ذلك، تم تحقيق التغليف الناجح لكل من الأدوية الكارهة للماء والضعيفة في الجسيمات النانوية والجسيمات الدقيقة باستخدام SNaP لأول مرة بواسطة فريق بينكرتون.

إضفاء الطابع الديمقراطي على الوصول إلى التقنيات المتطورة

إن عملية SNaP ليست مبتكرة فحسب، بل توفر أيضًا تطبيقًا عمليًا فريدًا يضفي طابعًا ديمقراطيًا على الوصول إلى هذه التكنولوجيا. يقول بينكرتون: “إننا نشارك تصميم خلاطاتنا، ونثبت أنه يمكن تصنيعها باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد”. “يسمح هذا النهج للمختبرات الأكاديمية وحتى اللاعبين الصناعيين على نطاق صغير بتجربة هذه التقنيات دون الاستثمار في معدات باهظة الثمن.”

مخطط خلاط مكدس، مع مرحلة إدخال لتوصيلات الحقنة (أعلى)، والتي تتصل مباشرة بمرحلة الخلط الأولى (الوسطى). تكون مرحلة الخلط الأولى قابلة للتبديل، إما مع خيار خلاط بمدخلين أو بأربعة مداخل اعتمادًا على نظام حجم الجسيمات المرغوب فيه (تيارات مضادة للإذابة منقطة موجودة فقط في الخلاط ذي 4 مداخل). تحتوي هذه المرحلة أيضًا على تمرير للتدفقات المستخدمة في خطوة الخلط الثانية. تمتزج جميع التدفقات في مرحلة الخلط الثانية (أسفل) وتخرج من الجهاز.

يمكن أن تؤدي إمكانية الوصول إلى تقنية SNaP إلى تسريع التقدم في مجال توصيل الأدوية، وتمكين المزيد من الباحثين والشركات من استخدام الجسيمات النانوية والجسيمات الدقيقة في تطوير علاجات جديدة.

يمثل مشروع SNaP جهدًا ناجحًا متعدد التخصصات. وسلط بينكرتون الضوء على تنوع الفريق الذي يضم خبراء في الهندسة الميكانيكية وهندسة العمليات بالإضافة إلى الهندسة الكيميائية. وأشارت إلى أنه “كان حقًا مشروعًا متعدد التخصصات”، مشيرة إلى أن مساهمات جميع أعضاء الفريق – بدءًا من طلاب المرحلة الجامعية وحتى باحثي ما بعد الدكتوراه – كان لها دور فعال في جلب التكنولوجيا إلى الحياة.

أبعد من هذا الإنجاز، تتصور بينكرتون أن SNaP هو جزء من مهمتها الأوسع لتطوير أنظمة عالمية لتوصيل الأدوية، والتي يمكن أن تؤدي في نهاية المطاف إلى تحويل الرعاية الصحية من خلال السماح بحلول توصيل الأدوية المتنوعة والقابلة للتطوير والتخصيص.

من الصناعة إلى الأوساط الأكاديمية: شغف الابتكار

قبل وصولها إلى جامعة نيويورك تاندون، أمضت بينكرتون ثلاث سنوات في وحدة أبحاث الأورام التابعة لشركة فايزر، حيث طورت أدوية نانوية جديدة لعلاج الأورام الصلبة. وتقول إن التجربة كانت لا تقدر بثمن. وتشير إلى أن “العمل في الصناعة يمنحك منظورًا واقعيًا حول ما هو ممكن”. “الهدف هو إجراء بحث ترجمي، مما يعني أنه “يترجم” من طاولة المختبر إلى سرير المريض.”

بينكرتون – الذي حصل على درجة البكالوريوس في الهندسة الكيميائية من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (2008) ودرجة الدكتوراه في الهندسة الكيميائية والبيولوجية من جامعة برينستون – انجذب إلى جامعة نيويورك تاندون، جزئيًا بسبب فرصة التعاون مع الباحثين في جميع أنحاء العالم. النظام البيئي لجامعة نيويورك، والذي تأمل معه في تطوير مواد نانوية جديدة يمكن استخدامها لتوصيل الأدوية الخاضعة للرقابة والتطبيقات الحيوية الأخرى.

لقد جاءت أيضًا إلى الأوساط الأكاديمية بسبب حب التدريس. وفي شركة فايزر، أدركت رغبتها في توجيه الطلاب ومتابعة الأبحاث المبتكرة ومتعددة التخصصات. “الطلاب هنا يريدون أن يصبحوا مهندسين؛ وقالت: “إنهم يريدون إحداث تغيير في العالم”.

يركز فريقها في Pinkerton Research Group على تطوير مواد لينة سريعة الاستجابة للتطبيقات الحيوية بدءًا من توصيل الأدوية الخاضعة للرقابة إلى اللقاحات والتصوير الطبي. باتباع نهج متعدد التخصصات، يستخدمون أدوات من الهندسة الكيميائية وهندسة المواد وتكنولوجيا النانو والكيمياء والبيولوجيا لإنشاء مواد لينة عبر عمليات اصطناعية قابلة للتطوير. إنهم يركزون على فهم كيفية تحكم معلمات العملية في خصائص المادة النهائية، وبالتالي كيفية سلوك المادة في الأنظمة البيولوجية – والهدف النهائي هو إنشاء منصة عالمية لتوصيل الأدوية تعمل على تحسين النتائج الصحية عبر الأمراض والاضطرابات.

تمثل تقنية SNaP الخاصة بها اتجاهًا جديدًا واعدًا في السعي لتوسيع نطاق حلول توصيل الأدوية بشكل فعال. ومن خلال التحكم في عمليات التجميع بدقة ميلي ثانية واحدة، تفتح هذه الطريقة الباب أمام إنشاء بنيات جزيئية متزايدة التعقيد، مما يوفر نهجًا قابلاً للتطوير للتقدم الطبي المستقبلي.

بالنسبة لمجال توصيل الأدوية، فإن المستقبل مشرق حيث يمهد SNaP الطريق نحو عصر حلول أكثر سهولة وقابلية للتكيف وقابلة للتطوير.