پژوهشگران دانشگاه صنعتی امیرکبیر با طراحی و شبیه‌سازی یک نانوحامل مبتنی بر گرافن اکساید عامل‌دار شده با پلیمرهای کاتیونی، سازوکار برهمکنش مواد ژنتیکی و نانوحامل را در مقیاس اتمی بررسی کردند که به گفته آنها این دستاورد می‌تواند به توسعه نسل جدید سامانه‌های غیرویروسی ژن‌درمانی با کارایی بیشتر، سمیت کمتر و هزینه طراحی پایین‌تر منجر شود.
به گزارش روابط عمومی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، سمیرا داودی نیا با راهنمایی و هدایت دکتر رعنا ایمانی و دکتر محمد تفضلی از اعضای هیات علمی دانشگاه و مشاوره دکتر حسام مکی و دکتر نجمه فانی طرح پژوهشی با عنوان "بررسی بر همکنش بین ژن DNA و گرافن اکساید عامل دار شده توسط پلیمرهای کاتیونی با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی" را اجرایی کردند.
داودی نیا دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر، در دهه‌های اخیر، ژن‌درمانی را یکی از رویکردهای نوید بخش در درمان بیماری‌های ژنتیکی، سرطان‌ها و اختلالات صعب‌العلاج معرفی کرد و گفت: اساس این راهبرد، انتقال هدفمند و کارآمد مواد ژنتیکی نظیر DNA یا RNA به درون سلول‌های هدف و هدایت آنها در مسیرهای درون‌سلولی به‌منظور بیان ژن مطلوب یا خاموش‌سازی ژن معیوب است.
وی افزود: با وجود موفقیت‌های اولیه در استفاده از حامل‌های ویروسی، مشکلاتی نظیر پاسخ‌های ایمنی، خطرات سرطان‌زایی احتمالی و پیچیدگی‌های تولید، توجه پژوهشگران را به توسعه سامانه‌های غیر ویروسی معطوف کرده است. با این حال، چالش‌هایی مانند تخریب اسیدهای نوکلئیک، سمیت حامل‌ها و کارایی محدود در رهاسازی درون‌سلولی همچنان موجب کاهش اثربخشی این سامانه‌ها می‌شود.
داودی نیا با بیان اینکه انتخاب و طراحی حامل‌های مناسب برای حفاظت از مواد ژنتیکی و انتقال مؤثر آنها به سلول‌های هدف، یکی از چالش‌های اصلی در حوزه ژن‌درمانی محسوب می‌شود، خاطر نشان کرد: در این راستا، مهندسی پزشکی با بهره‌گیری از طراحی نانوحامل‌ها نقش مهمی در بهبود کارایی این سامانه‌های درمانی ایفا می‌کند.
این دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر هدف از اجرای این پژوهش را بررسی و درک عمیق‌تر برهم‌کنش‌های مولکولی بین مواد ژنتیکی و نانوحامل‌های نوین دانست که نقش مهمی در تبیین سازوکارهای انتقال ژن ایفا می‌کند و ادامه داد: در این راستا، یک نانوحامل بر پایه گرافن اکساید عامل‌دار شده با پلیمرهای کاتیونی طراحی و مدل‌سازی شد تا بتواند به عنوان یک سامانه غیر ویروسی کارآمد برای انتقال ژن مورد استفاده قرار گیرد.
وی اضافه کرد: نتایج این مطالعه امکان بررسی دقیق تعاملات بین DNA و سطح نانوحامل را در سطح اتمی فراهم کرد و موجب شناسایی مکانیزم‌های کلیدی در فرآیند جذب، پایداری و رهایش مواد ژنتیکی شد. این بینش مولکولی به درک بهتر نقش نوع و میزان عاملی‌سازی سطح در تعیین کارایی نانوحامل کمک می‌کند.
به گفته این پژوهشگر، در واقع، این پژوهش با ارائه یک دیدگاه مبتنی بر شبیه‌سازی‌های مولکولی، امکان تحلیل دقیق‌تر اثر ساختار پلیمر کاتیونی و گرافن اکساید بر رفتار ژن را فراهم کرده و زمینه را برای طراحی هدفمندتر و بهینه‌تر نانوحامل‌ها مهیا می‌سازد.
وی اضافه کرد: در نتیجه، دستاوردهای این تحقیق می‌تواند به‌عنوان یک راهنمای نظری برای توسعه سامانه‌های انتقال ژن با کارایی بالاتر و سمیت کمتر مورد استفاده قرار گیرد.
داودی نیا به بیان نحوه اجرای این طرح پرداخت و افزود: در این تحقیق از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی (Molecular Dynamics Simulation) برای بررسی برهمکنش بین ماده ژنتیکی و نانوحامل طراحی‌شده استفاده شد. هدف اصلی، تحلیل رفتار مولکولی سیستم و درک مکانیزم‌های حاکم بر جذب، پایداری و رهایش ژن در حضور نانوحامل مبتنی بر گرافن اکساید عامل‌دار شده با پلیمرهای کاتیونی بود.
وی اضافه کرد: در ادامه، با بررسی پارامترهای کلیدی مؤثر بر برهم‌کنش‌های بین‌مولکولی، از جمله برهم‌کنش‌های الکترواستاتیکی، ساختاری و دینامیکی، شرایط بهینه برای بارگذاری مؤثر ژن بر روی نانوحامل استخراج شد. این تحلیل‌ها امکان ارزیابی دقیق عملکرد نانوحامل و شناسایی عوامل تعیین‌کننده در کارایی سیستم‌های انتقال ژن را فراهم نمود.
داودی نیا ادامه داد: در نهایت، نتایج حاصل از شبیه‌سازی به منظور بهینه‌سازی ویژگی‌های ساختاری نانوحامل و پیشنهاد طراحی‌های کارآمدتر برای سامانه‌های غیرویروسی انتقال ژن مورد استفاده قرار گرفت.
وی یکی از مهمترین چالش‌های این تحقیق را مربوط به آماده‌سازی پارامترهای توپولوژی و ساختاردهی دقیق اجزای سیستم‌های شبیه‌سازی عنوان کرد و گفت: همچنین، ایجاد توپولوژی‌های پایدار و سازگار برای برهمکنش بین نانوحامل و DNA، به‌ویژه در شرایطی که گروه‌های عاملی متنوع بر سطح گرافن اکساید حضور دارند، از نظر محاسباتی و فیزیکی پیچیدگی قابل توجهی ایجاد می‌کرد. این مسئله در برخی موارد نیازمند بازبینی و اصلاح دستی پارامترها و ساختارها برای جلوگیری از ناپایداری در شبیه سازی بود.
داودی نیا کاربرد نتایج این تحقیق را در حوزه‌های مختلف علوم و فناوری، به‌ویژه در مهندسی پزشکی، نانو فناوری و دارورسانی ژنی دانست و اظهار کرد: این مطالعه با تمرکز بر طراحی و تحلیل نانوحامل‌های مبتنی بر گرافن اکساید عامل‌دار شده با پلیمرهای کاتیونی، بینش دقیقی از رفتار برهمکنش بین مواد ژنتیکی و سطوح نانوساختار ارائه می‌دهد که می‌تواند در توسعه سامانه‌های انتقال ژن با کارایی بالا مورد بهره‌برداری قرار گیرد.
وی اضافه کرد: در حوزه فناوری‌های زیست‌پزشکی، این نتایج به طراحی نسل جدید نانوحامل‌های غیرویروسی کمک می‌کند که قادر به انتقال مؤثر DNA و RNA با سمیت کمتر و پایداری بیشتر هستند. چنین سامانه‌هایی در درمان بیماری‌های ژنتیکی، سرطان و همچنین توسعه روش‌های نوین ژن‌درمانی کاربرد مستقیم دارند.
این دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر از کاربردهای صنعتی دستاوردهای این طرح پژوهشی خبر و در این باره توضیح داد: از منظر صنعتی، یافته‌های این پژوهش می‌تواند در توسعه پلتفرم‌های نانودارو، سامانه‌های رهایش کنترل‌شده دارو و طراحی مواد زیست‌سازگار برای کاربردهای بالینی مورد استفاده قرار گیرد. همچنین در صنایع مرتبط با مهندسی بافت و پزشکی بازساختی، این نتایج به بهینه‌سازی طراحی نانومواد برای تعامل هدفمند با سلول‌ها کمک می‌کند.
وی اضافه کرد: علاوه بر این، رویکرد شبیه‌سازی مولکولی به‌کاررفته در این تحقیق می‌تواند به‌عنوان یک ابزار پیش‌بینی‌کننده در طراحی محاسباتی نانوحامل‌ها قبل از سنتز آزمایشگاهی مورد استفاده قرار گیرد و هزینه و زمان توسعه فناوری‌های نوین دارورسانی را کاهش دهد.
داودی نیا انتشار مقاله‌ای در ژورنال Nanoscale را از دیگر دستاوردهای این طرح پژوهشی دانست که در بخش Hot Article Collection نیز قرار گرفته است و افزود: نوآوری اصلی این کار در تحلیل و بررسی سیستماتیک برهم‌کنش‌های مولکولی بین ماده ژنتیکی و نانوحامل، و همچنین ارزیابی و بهینه‌سازی پارامترهای ساختاری و شیمیایی مؤثر بر کارایی سامانه انتقال ژن است. این مطالعه برای نخستین بار نقش نوع و میزان عاملی‌سازی پلیمر بر سطح گرافن اکساید را در تعیین رفتار جذب و پایداری DNA در سطح اتمی به‌صورت دقیق و مبتنی بر شبیه‌سازی دینامیک مولکولی بررسی کرده است.
وی گفت: در نتیجه، این پژوهش علاوه بر ارائه یک مدل محاسباتی برای درک مکانیزم‌های برهمکنش، می‌تواند به‌عنوان یک چارچوب طراحی برای توسعه نانوحامل‌های بهینه در کاربردهای ژن‌درمانی مورد استفاده قرار گیرد.
داودی نیا اعتبارسنجی نتایج شبیه‌سازی از طریق مطالعات تجربی شامل آزمون‌های in vitro و در مدل‌های حیوانی و اجرای فاز in vivo را فازهای دیگر اجرای این مطالعات ذکر کرد و ادامه داد: این طرح مبتنی بر شبیه‌سازی دینامیک مولکولی در مقیاس اتمی بوده و امکان بررسی دقیق برهم‌کنش‌های بین نانوحامل و ماده ژنتیکی را فراهم می‌کند. همچنین، ترکیب گرافن اکساید عامل‌دار شده با پلیمرهای کاتیونی به‌عنوان یک پلتفرم چندمنظوره، قابلیت تنظیم‌پذیری بالایی در بارگذاری و رهایش ژن ایجاد می‌کند. استفاده از رویکرد محاسباتی امکان کاهش هزینه و زمان طراحی نسبت به روش‌های صرفاً تجربی را فراهم می‌سازد.
به گفته وی ارائه یک چارچوب محاسباتی دقیق برای پیش‌بینی رفتار نانوحامل پیش از سنتز آزمایشگاهی از مزایای این طرح است. این رویکرد باعث کاهش هزینه‌های تجربی، افزایش سرعت طراحی و امکان بهینه‌سازی هدفمند ساختار نانوحامل می‌شود. همچنین، قابلیت تحلیل اتمی برهم‌کنش‌ها نسبت به روش‌های تجربی یک مزیت کلیدی محسوب می‌شود.
.jpg)