میکرو سی‌تی مولکولی چگونه می‌تواند در اکتشاف دارو انقلاب به وجود بیاورد؟

مقدمه

پروسه ساخت دارو در صنعت داروسازی بسیار گران و زمانبر است. معمولا 1 تا 1/5 میلیارد دلار و سال‌ها زمان لازم است تا یک داروی جدید قبل از بررسی‌های بالینی گسترده ساخته شود. چنین زمان و سرمایه‌ای تنها یک چهارم تمام هزینه‌ها و زمان مورد نیاز برای ورود یک دارو به بازار است. همچنین، چنین سرمایه‌گذاری در مراحل اولیه کشف دارو، تعیین کننده کیفیت محصول نهایی و میزان موفقیت آن در فاز آزمون‌های بالینی است. کنترل و مدیریت هزینه‌ها به ازای هر داروی تایید شده توسط سازمان غذا و دارو [1] یک موضوع حیاتی به شمار می‌رود و باعث بهینه‌سازی خروجی تحقیق و توسعه [2] در صنعت داروسازی می‌شود. تکنیک‌های تصویربرداری مولکولی [3] کمک بزرگی در کاهش هزینه‌های پروسه ساخت دارو ارائه می‌کنند. برای انتخاب یک ترکیب برای توسعه کلینیکی، باید ویژگی‌های فارماکوکینتیک [4] و فارماکودینامیک [5] بهینه‌سازی شوند تا بهترین کاندید انتخاب شود. فارماکوکینتیک و فارماکودینامیک به کاری که بدن روی دارو و کاری که دارو روی بدن انجام می‌دهد، اطلاق می‌شوند. حیاتی است که این دو ویژگی باید در پروسه کشف دارو شناسایی شده باشند. همچنین مهم است که فعالیت‌های داروی جدید، از هدف مولکولی گرفته تا تاثیر کلینیکی، به دقت شناسایی شوند. در زمینه کشف دارو، تکنیک‌های تصویربرداری مولکولی in-vivo امکان پاسخ به دو سوال مهم را به ما می‌دهند: 1. یک ناحیه مشخص در بدن چه مقدار دارو دریافت می‌کند؟ 2. دارو چه کاری انجام می‌دهد؟ برای پاسخ به این سوال‌ها با استفاده از متدهای قدیمی باید مقدار زیادی پول و زمان صرف شود. اخیرا تکنیک‌های تصویربرداری مولکولی بسیاری از قبیل تصویربرداری تشدید مغناطیسی (ام‌آرآی)[6]، توموگرافی گسیل پوزیترون (پت) [7]، توموگرافی کامپیوتری گسیل تک فوتون (اسپکت) [8]،توموگرافی کامپیوتری (سی‌تی) [9] و مدالیته‌های تصویربرداری اپتیکال مورد بررسی قرار گرفته‌اند تا پروسه کشف دارو را سرعت بخشیده و هزینه‌های تحقیق و توسعه را تحت کنترل نگه دارند. به دلیل قابلیت‌های متنوع از منظر سرعت، هزینه، در دسترس بودن و کارآمدی، تکنیک‌های تصویربرداری برپایه میکرو سی‌تی نیازمند توجه بیشتر هستند. مطابق با همین ایده، یک چشم‌اندازه نقادانه درباره اهمیت متدهای تصویربرداری میکرو سی‌تی مولکولی و تاثیر آن‌ها روی پروسه کشف دارو در مراحل اولیه، ارائه شده است. در نقطه مقابل، با ظهور نانوتکنولوژی و پتانسیل‌های آن در ساخت نانوذرات تشخیصی-درمانی تاثیر تکنیک‌های تصویربرداری سی‌تی و تصویربرداری‌های هیبرید مرتبط با آن مثل MR/CT یا SPECT/CT در پروسه کشف دارو برجسته‌تر شده است. ما انتظار داریم که ترکیب تکنیک تصویربرداری میکرو سی‌تی مولکولی و نانوذرات [10] تشخیصی-درمانی [11] می‌تواند در پروسه‌های کشف دارو در آینده انقلابی عظیم ایجاد کند. در ادامه این مقاله، ما یک مقدمه کوتاه در رابطه با تصویربرداری میکرو سی‌تی مولکولی و نانوذرات تشخیصی-درمانی ارائه می‌دهیم. در نهایت نیز دید خود را در بخش نظریات بیان می‌کنیم.

میکرو سی‌تی اسکن مولکولی

تکنیک‌های تصویربرداری نقش مهمی در کنترل بیماری و پروسه تشخیص و سطح‌بندی، برنامه‌ریزی درمانی و بررسی بازده درمان بازی می‌کنند. مدالیته‌های تصویربرداری ساختاری معمول مثل سی‌تی اسکن، ام‌آر‌آی و فراصوت [12] اطلاعات آناتومیکی ارائه می‌دهند و امکان پیدا کردن ابنرمالی را در داخل بدن فراهم می‌کنند. با این وجود، این تکنیک‌ها در شناسایی زائده‌ها و ابنرمالی‌های کوچکتر از 0/5 سانتی‌متر کارآمد نیستند و نمی‌توانند کارکرد یک ارگان را به تصویر بکشند. تصویربرداری مولکولی یک حوزه جدید است که مفاهیم بیولوژی مولکولی را با تصویربرداری in-vivo ترکیب می‌کند تا حجم عظیمی از اطلاعات در رابطه با پروسه‌های بیولوژیکی متنوع را به دست بیاورد. در حال حاضر، مدالیته‌های پزشکی هسته‌ای مثل پت و اسپکت مدالیته‌های تصویربرداری مولکولی اصلی مورد استفاده در مطالعات کلینیکی و پژوهشی هستند. اما مدالیته‌های پزشکی هسته‌ای تنها اطلاعات عملکردی از پروسه‌های بیولوژیک و مولکول‌ها و متابولیت‌ها ارائه می‌دهند. واضح است که مدالیته‌های پزشکی هسته‌ای در ارائه اطلاعات آناتومیک توانایی کمی دارند.

امروزه میکرو سی‌تی یکی از پرکاربردترین ابزار تشخیصی با قابلیت ارائه اطلاعات آناتومیکی است. میکرو سی‌تی یک تکنیک پرقدرت است که توانایی اسکن یک نمونه در زوایای مختلف به کمک پرتوی ایکس برای ساخت نماهای دو بعدی از نمونه را دارد. علاوه بر این، می‌توان یک حجم سه بعدی نیز با استفاده از نماهای دو بعدی جمع‌آوری شده به کمک تکنیک‌های بازسازی کامپیوتری ساخت. بنابراین خروجی نهایی تصویربرداری میکرو سی‌تی یک حجم سه بعدی با رزولوشن بالاست. در این تکنیک به راحتی می‌توان حجم سه بعدی را دستکاری کرد و در هر زاویه‌ای از آن برش تهیه نمود. رزولوشن دو یا سه بعدی به اطلاعاتی که در یک برش یا حجم قرار گرفته است اطلاق می‌شود. رزولوشن بالاتر به معنای جزئیات بیشتر است. رزولوشن معمولا به روش‌های متنوعی مثل رزولوشن پیکسل و رزولوشن فضایی توصیف می‌شود. شکل شماره 1 یک حجم سه بعدی قابل دستکاری به دست آمده از مغز موش با قابلیت شناسایی و مشخصه‌یابی زائده مغزی را در میکرو سی‌تی نشان می‌دهد. پتانسیل مشابهی در بررسی ابنرمالی در سایر ارگان‌ها مثل کبد، طحال و کلیه‌ها نیز دیده می‌شود. می‌توان ادعا کرد که میکرو سی‌تی می‌تواند در بررسی تاثیرات ساختاری داروی جدید روی ارگان‌های مختلف کمک کننده باشد، اما نمی‌تواند اطلاعاتی در رابطه با تاثیرات عملکردی در اختیار بگذارد.

از طرف دیگر میکرو سی‌تی یک مدالیته تصویربرداری مولکولی به حساب نمی‌آید، چراکه هنوز مواد حاجب هدف گذاری شده و مختص برای مولکول‌ها وارد کلینیک نشده است. مواد حاجب فعلی سی‌تی اسکن اکثرا بر پایه ید ساخته شده‌اند که در جذب پرتوی ایکس موثر است. مواد حاجب بر پایه ید می‌توانند با بیومولکول‌های مختلف ترکیب شوند، اما شناسایی چنین ترکیب‌هایی به دلیل حساسیت پایین اسکنرهای معمول بسیار سخت است. بنابراین، علاوه بر توسعه تکنیک تصویربرداری میکرو سی‌تی، نیاز مبرمی به ساخت ترکیبات چند کاره حاوی داروی جدید تحت بررسی، ماده حاجب و لیگاندهای بیومارکر [13] احساس می‌شود. با ظهور نانوتکنولوژی، ساخت و توسعه چنین ترکیبات چند کاره رشد سریعی داشته است. این ترکیبات چند کاره‌ که توسط پروسه‌هایی بر پایه‌ی نانوتکنولوژی شاخته شده‌اند معمولا نانوذرات تشخیصی-درمانی نامیده می‌شوند. انتظار می‌رود تا با استفاده از مزایای نانوذرات تشخیصی-درمانی و تصویر سه بعدی رزولوشن بالای تهیه شده توسط میکرو سی‌تی، حجم عظیمی از اطلاعات مربوط به عملیات دارویی به دست بیاید.

نانوذرات تشخیصی-درمانی و تاثیر آن‌ها بر تصویربرداری میکرو سی‌تی مولکولی

ایده‌ی ساخت نانوذرات تشخیصی-درمانی در ترکیب سه مفهوم مختلف که در شکل 2 نمایش داده شده است، شروع شد. نانوذرات تشخیصی-درمانی معمولا برای استفاده‌ی تشخیصی و درمانی به صورت همزمان ساخته می‌شوند. همانطور که در شکل 2 میبینید، یک نانوذره‌ی تشخیصی-درمانی شامل سه ویژگی اصلی است: 1. نانوذره شامل یک لیگاند هدف‌گذاری است و می‌تواند به صورت انتخابی و با سرعت در بافت بیمار تجمع پیدا کند، 2. نانوذره معمولا یک هسته تصویربرداری مرکزی دارد که توانایی ارائه ویژگی‌های بیوشیمی و ساختاری ناحیه هدف را دارد. 3. نانوذره همچنین می‌تواند مواد درمانی را به بافت بیمار منتقل کند.

نانوذراتی که از مواد با عدد اتمی بالا مثل طلا، بیسموت، باریم و تنگستن ساخته شده‌اند ترکیبات اصلی نانوذرات تشخیصی-درمانی هستند که می‌توانند به عنوان ماده حاجب در سی‌تی استفاده شوند. این نانوذرات می‌توانند به راحتی در یک نانوحامل [14] همراه داروها و ژن‌ها قرار بگیرند. همچنین می‌توانند با مواد هدف‌گذاری متنوعی ترکیب شوند. با توجه به پتانسیل‌های ذکر شده برای نانوذرات تشخیصی-درمانی و توانایی‌های تصویربرداری سی‌تی، می‌توانیم منحنی توزیع بیولوژیک یک داروی جدید را بررسی کنیم. همین ایده می‌تواند در مطالعات طولی نیز مورد استفاده قرار بگیرد تا میزان تهاجمی بودن را به حداقل برساند و از فدا کردن حیوانات تحت آزمایش جلوگیری کند. برای توضیح بهتر این موضوع، دو مثال مهم ارائه شده‌اند. مثال اول به استفاده همزمان از پتانسیل نانوذرات تشخیصی-درمانی و میکرو سی‌تی اسکن اشاره می‌کند. مثال دوم نیز به استفاده از توانایی میکرو سی‌تی در ارائه تصاویر با رزولوشن بالا اشاره دارد.

مثال یک: فرض کنید بررسی ویژگی‌های فارماکوکینتیک و فارماکودینامیک یک داروی جدید مد نظر هستند. به صورت روتین، دوره زمانی و توزیع دارو در کبد، طحال، کلیه‌ها و خون را پس از تزریق دارو به حیوانات را در یک مدت معین مثل یک ماه بررسی و مشخصه‌یابی می‌کنیم. این عمل اطلاعات ارزشمندی به ما می‌دهد، اما نیازمند فدا کردن تعداد زیادی حیوان، صرف مدت زیادی وقت و پرداخت هزینه‌های زیادی برای پژوهشگران و کارشناسان هستیم. حال این شرایط را با شرایط زیر مقایسه کنید:

در ابتدا یک نانوسیستم تشخیصی-درمانی از نانوذرات طلا، به عنوان ماده حاجب سی‌تی، و داروی جدید طراحی می‌کنیم. حالات مختلفی برای ساخت این نانوسیستم تشخیصی-درمانی قابل انتخاب هستند که از بحث این مقاله خارج است. بهرحال، پس از تولید نانوسیستم تشخیصی-درمانی، می‌توان آن را به حیوان تزریق کرد و ارگان‌ها مختلف مثل کبد و طحال را در طول یک دوره زمانی، مثلا هر روز یا هر هفته، اسکن کرد. در واقع، می‌توان به آسانی دوره زمانی و توزیع یک داروی جدید در داخل بدن حیوان را با استفاده از تصویربرداری میکرو سی‌تی بررسی و مشخصه‌یابی کرد. در این متد ما نیازی به فدا کردن حیوانات در مراحل مختلف پژوهش نداریم و می‌توانیم آن‌ها را پس از اسکن زنده نگه داریم و در مطالعات دیگر استفاده کنیم.

مثال دو: فرض کنید بررسی دقیق تاثیرات سمی یک داروی جدید روی کبد، طحال و کلیه‌ها مد نظر است. سمیت معمولا به صورت تدریجی یا ناگهانی پس از تزریق دارو ایجاد می‌شود و می‌تواند به کمک تکنیک‌های تصویربرداری شناسایی شود. می‌توان یکپارچگی ساختاری کبد، طحال و کلیه‌ها رابه آسانی توسط تصویربرداری میکرو سی‌تی در طول یک دوره زمانی بررسی کرد. پس از اندوسیتوز شدن توسط فاگوسیت‌های تک هسته‌ای [15]، مکانیسم تجمع مولکول‌های دارو از گردش خون باعث تجمع در سلول‌های کوپفر [16] در کبد و ماکروفاژها در طحال می‌شود. وقتی ما منحنی تضعیف پرتوی ایکس در کبد و طحال را توسط تصویربرداری میکرو سی‌تی بررسی می‌کنیم، می‌توانیم آسیب‌های احتمالی به وجود آمده در این ارگان‌ها را بررسی کنیم. بررسی با مقایسه تصاویر قبل از تزریق و بعد از آن به آسانی انجام می‌شود. قابل ذکر است که اخیرا دانشمندان رزولوشن تصویربرداری در حدود 5 میکرون را برای میکرو سی‌تی گزارش کرده‌اند. این یک رزولوشن فوق‌العاده برای بررسی تغییرات در سطح مقطع، دانسیته و حجم کبد، طحال و کلیه‌ها و حتی مغز در بازه‌ی زمانی طولانی بعد از تزریق دارو است. همچنین، به نظر می‌آید تصویربرداری میکرو سی‌تی برای بررسی کبد و طحال در بررسی‌های فارماکولوژی و سم‌شناسی حاد و زیرحاد قابل استفاده است.

نتیجه‌گیری

تصویربرداری میکرو سی‌تی می‌تواند در کیفیت پروسه‌های کشف داروی فعلی، در عین کاهش کار و تخصص مورد نیاز انقلابی عظیم ایجاد کند. دانشمندان دائما در تلاش هستند تا تصویربرداری میکرو سی‌تی را برای کمی‌سازی و نمایش سریع و غیرتهاجمی تاثیرات داروی بهینه‌سازی کنند. با توجه به پتانسیل‌های ذکر شده برای نانوذرات تشخیصی-درمانی و میکرو سی‌تی مولکولی، می‌توانیم یک سناریو جدید در حیطه کشف دارو طراحی کنیم. می‌توان با تکیه بر نکات گفته شده در این مقاله برداشت کرد که استفاده از نانوذرات تشخیصی-درمانی و تصویربرداری میکرو سی‌تی در ساخت یک مدالیته تصویربرداری غیر تهاجمی برای بررسی ماکرومورفولوژی [17] ارگان‌های متنوع، پتانسیل بالایی دارد. به علاوه، چنین مدالیته تصویربرداری سریع و غیر تهاجمی کمک شایانی در مطالعات طولی فارماکولوژی و سم‌شناسی در دوره یک تا 6 ماهه می‌کند.

نظر متخصص

برای مطالعه عملکرد یک داروی جدید، متدهای سنتی در فیلد کشف دارو، مطالعات هیستولوژیک [18] سنتی و نمونه‌برداری از خون [19] هستند. برای مثال، مطالعه هیستولوژیک زمانی انجام می‌شود که ما نیاز داریم تا تعیین شود که آیا یک ترکیب مصنوعی باعث ایجاد ضایعه در ارگان‌هایی مثل مغز یا کبد می‌شود؟ شناسایی و کمی‌سازی ضایعه از طریق آزمون هیستولوژیک برای یک ارگان برش داده شده یک پروسه زمانبر است و به شدت به تخمین دستی وابسته است. در واقع، برش دادن سخت و چالش‌برانگیز است چراکه می‌تواند باعث آسیب جدی و بهم ریختگی در بافت شود. به همین دلیل، نیاز به برش دادن در بررسی‌های هیستولوژیک پروسه را کند و کم دقت می‌کند. می‌توان ادعا کرد که نیاز شدیدی به توسعه روش‌های دیگر برای کمی‌سازی و نمایش تاثیرات یک داروی جدید وجود دارد. تصویربرداری میکرو سی‌تی می‌تواند به عنوان یک جایگزین مناسب برای این چالش به شمار برود؛ چراکه غیرتهاجمی، دقیق، صحیح، سریع و نیازمند کار کمتر است و می‌تواند نتایج دقیقتری به نسبت روش‌های سنتی ارائه دهد. علاوه بر این، میکرو سی‌تی می‌تواند بازسازی سه بعدی از یک ارگان با ضخامت برش‌های وابسته به چیزی که می‌خواهیم بدانیم، از 5 تا 15 میکرون تهیه کند. تصاویر بازسازی شده نیز می‌توانند به صورت دستی یا اتوماتیک بخش‌بندی شوند. این‌ها چندین مثال از موقعیت‌هایی هستند که توسط میکرو سی‌تی در حالی فراهم شده‌اند که روش‌های سنتی در ارائه چنین حجم از اطلاعات ناتوان مانده‌اند.

در کنار مشکلات شناخته شده تصویربرداری سی‌تی مثل تابش پرتوهای یونیزان و یا حساسیت پایین در مقابل مواد حاجب سنتی که بر پایه ید هستند، چالش اصلی در مقابل توسعه بیشتر میکرو سی‌تی، شفاف بودن بیشتر بافت ارگان‌ها نسبت به پرتوهای ایکس است. خوشبختانه، داروها و نانوحامل‌های حاوی مواد رادیواوپاکی [20] وجود دارند که می‌توانند مشکلات کنتراست بافت نرم را در رنج وسیعی از مطالعات دارویی، تا حد قابل قبولی حل کنند. یک جایگزین دیگر برای تصویربرداری سه بعدی و مشاهده تاثیرات دارو، تصویربرداری تشدید مغناطیسی میکروسکوپی [21] است. با وجود اینکه تشدید مغناظیسی میکروسکوپی حساسیت کنتراست بافت نرم بالاتری در مقایسه با میکرو سی‌تی دارد، اما رزولوشن فضایی ام‌آر‌آی ضعیفتر و در حد 25 میکرون است. همچنین، تهیه و نگهداری میکرو ام‌آر‌آی هزینه‌برتر است. بنابراین میکرو سی‌تی برتری خود را برای استفاده در پروسه کشف داروی جدید دارد.

با در نظر گرفتن پتانسیل‌های نانوذرات تشخیصی-درمانی، کاربرد دیگر میکرو سی‌تی در کشف داروی جدید، شناسایی دقیق اندیس‌های فارماکولوژیکی [22] یک ترکیب مصنوعی جدید است. همچنین می‌توانیم یک دارو را به سمت یک ارگان هدف‌گذاری کنیم و تاثیرات دارو را بررسی کنیم. این ادعا نشان می‌دهد که ما از هم‌افزایی پیشرفت‌های اخیر در میکرو سی‌تی و نانوذرات تشخیصی-درمانی حمایت می‌کنیم تا بتوان برخی پروسه‌های کشف داروی جدید را توسعه داد. با این وجود، یکی از موانع بزرگ، عدم ارتباط بین پیشرفت‌های اخیر گزارش شده در حیطه میکرو سی‌تی، نانوتکنولوژی، تشخیص و درمان و پروسه‌های هدف‌گذاری است. این در حالی است که پروسه‌های سنتی کشف دارو همچنان به طور وسیع مورد استفاده هستند و به شرطی که مفاهیم سی‌تی اسکن مولکولی و نانوسیستم‌های مدرن با یکدیگر ترکیب شوند، می‌توانند دچار تحول عظیمی بشوند. چنین ترکیب خردمندانه‌ای باعث پیشرفت سریع در پروسه‌های کشف دارو در آینده نزدیک می‌شود.

ما باور داریم که پروسه‌های کشف دارو تغییر می‌کنند و با ترکیب مزایای میکرو سی‌تی مولکولی و نانوذرات تشخیصی-درمانی پیشرفت چشم‌گیری در آن‌ها ایجاد می‌شود. چنین ترکیبی قطعا توانایی تسریع پروسه‌های کشف دارو و کاهش هزینه‌های مورد نیاز برای توسعه یک داروی جدید قبل از آزمایشات کلینیکی را دارد. در عین اینکه میکرو سی‌تی به شدت مورد توجه قرار گرفته است، ما شانس بزرگی برای بهتر شدن متدهای تصویربرداری مولکولی بر پایه میکرو سی‌تی می‌بینیم. انتظار می‌رود در صورتی که متدهای تصویربرداری مولکولی بر پایه میکرو سی‌تی در محل اصلی خود قرار بگیرند، تغییرات کیفی بیشتری در پروسه‌های کشف دارو شاهد باشیم. همچنین انتظار داریم که متدهای تصویربرداری مولکولی بر پایه میکرو سی‌تی با ارائه تخمین‌های کمی بیشتر، کمک بزرگی در توسعه متدهای دارو رسانی تحت تصویربرداری ارائه دهند.