این جمله ریچارد شوارتز که «انتظار می‌رود تاثیر فناوری نانو از تاثیری که انقلاب الکترونیک در زندگی ما گذاشته است بیشتر شود» به‌درستی تاثیرات زیادی را که امروزه فناوری نانو در زندگی ما دارد توصیف می‌کند. فناوری نانو به مهندسی و تولید سیستم‌های عاملی در مقیاس اتمی و مولکولی می‌پردازد و فرصت‌های بی‌سابقه‌ای برای ایجاد مواد و دستگاه در محدوده بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر با کاربردهای فراوان در پزشکی، الکترونیک، مواد زیستی و تولید انرژی فراهم می‌کند. فناوری نانو قابلیتی باورنکردنی برای ایجاد انقلابی در تشخیص و درمان پزشکی تحت فرض توسعه نانوابزارهایی هوشمندانه دارد. اولین جایزه نوبل در زمینه فناوری نانو در سال ۱۹۸۶ به دکتر گرد بینینگ از آلمان و دکتر هاینریش روهر از سوئیس، برای کشف اولین میکروسکوپ پویش تونلی، اهدا شد؛ به نظر می‌رسد از آن زمان تا کنون این فناوری تقریباً در تمام زمینه‌های علوم زندگی، ازجمله پزشکی سلول‌های بنیادی، وارد شده است.
در حال حاضر، میکروسکوپ پویشی با موفقیت برای تجسم و شناسایی سلول‌های بنیادی جنینی حاصل از ضربان قلب در میان مخلوطی از انواع سلول مختلف استفاده می‌شود. سلول‌های بنیادی سلول‌های غیرویژه و کلونوژنیک هستند که می‌توانند به انواع متعددی از سلول‌های یک یا هر سه‌لایه‌ اولیه جوانه‌های جنینی (اکتودرم، مزودرم، و آندودرم) در پاسخ به سیگنال‌های مناسب وابسته به توانایی‌شان تقسیم شوند.
ملاحظه اینکه سلول‌های بنیادی واحدهای ساختمانی را برای توسعه اعضا و ترمیم بافت تشکیل می‌دهند، منجر به رشد کاربردهای آن‌ها برای پزشکی احیایی شده است. به هر حال، قبل از انتقال پتانسیل درمانی پیش‌بینی‌شده سلول‌های بنیادی به کلینیک‌های مربوطه، بسیاری از تکالیف پیش‌بالینی باید انجام شود و در این راستا، به کار گرفتن چندین فناوری کمک‌دهنده به‌طور هم‌زمان نیاز است. یک روش ترکیبی با استفاده از اصول نانوزیستی برای سلول‌های بنیادی در شرایط آزمایشگاهی و مدل‌های پیش‌بالینی آغاز شده است؛ ادغام دو کاربرد متنوع اما بسیار برجسته علم، به احتمال زیاد، منجر به پیشرفت‌های مهیج جدیدی می‌شود و از چندین پدیده غیر قابل توضیح بیماری و درمان رونمایی می‌کند (شکل ۱).

۱٫ فناوری نانو در جداسازی و ردیابی سلول‌های بنیادی در محیط زنده
جداسازی سلول‌های بنیادی اولین مرحله در استفاده موفق از این سلول‌ها برای بررسی و درمان بیماری است. دهه گذشته شاهد رشدی شگفت‌انگیز در زمینه فناوری نانوذرات در جداسازی و تحقیقات زیست‌تصویری سلولی بوده است. نانوذرات ابرپارامغناطیس اکسید آهن (SPIO) ازجمله نانوذراتی‌اند که در حال ظهور به‌عنوان یک کاوشگر ایده‌آل برای جداسازی سلول‌های بنیادی و ردیابی غیرتهاجمی سلول هستند. مطالعه شده است که نانوذرات مغناطیسی SPIO در ترکیب با آنتی‌بادی ضد CD34 باموفقیت سلول‌های خونی بنیادی را از سلول‌های خونی انسان غنی می‌کنند.SPIO به‌طور مستقیم به سلول‌های بنیادی+CD34 برچسب زده می‌شود و متعاقباً به‌وسیله مرتب کردن مغناطیسی جدا می‌شود. برچسب زدن SPIO نیز، به‌منظور نظارت بر نتیجه پیوند سلول‌های بنیادی عصبی در مغز موش صحرایی پس از گذشت ۷ هفته از پیوند، باموفقیت استفاده شده است؛ درنتیجه، دانش چگونگی مهاجرت سلول‌های بنیادی در سیستم عصبی افزایش می‌یابد. با این حال، یکی از محدودیت‌های مهم آن شامل کارایی پایین برچسب زدن داخل سلولی است که علاقه به توسعه استراتژی‌های جدید برچسب زدن را برانگیخته است. به‌عنوان مثال، استفاده از نانوذرات پرفلئوروکربن ۲۰۰ نانومتری برای برچسب زدن سلول‌های بنیادی اندوتلیال گرفته‌شده از خون بند ناف انسان، تشخیص سلول‌های بنیادی را در درون بدن توسط تصویربرداری رزونانس مغناطیسی ممکن کرده است. اسکنر MRI می‌تواند در فرکانس خاص ترکیب فلوئور در نانوذرات تنظیم شود. با این شیوه فقط سلول‌های حاوی نانوذرات در اسکن قابل مشاهده می‌شوند. در این روش، هرگونه سیگنال‌های پس‌زمینه، که اغلب با تصویربرداری پزشکی تداخل دارند، حذف می‌‌شوند. علاوه بر این، نبود تداخل، اندازه‌گیری مقادیر بسیار کم سلول‌های نشاندارشده را که براساس روشنایی تصویر است ممکن می‌سازد. رویکرد هیجان‌انگیز دیگر استفاده از نقاط کوانتومی است که برچسب‌های فلورسنت بسیار درخشان هستند و جایگزین مناسبی برای برچسب زدن سلول‌های بنیادی و ردیابی در شرایط محیط زنده (In vivo) ارائه می‌کنند. نقاط کوانتومی کریستال‌هایی در مقیاس نانو هستند که نور نشر می‌کنند و شامل اتم‌های گروه‌های II تا VI جدول تناوبی هستند؛ اغلب از کادمیوم استفاده می‌شود. آن‌ها به‌دلیل پایداری نوری و طول عمرشان، برای تجسم سلول بهتر از تکنیک‌های خاص دیگر، مانند رنگ، هستند. این همچنین امکان استفاده از آن‌ها را برای مطالعه دینامیک سلولی، در حالی که تمایز سلول‌های بنیادی در حال انجام است، فراهم می‌کند. به‌تازگی، نانولوله‌های کربنی مغناطیسی (mCNT) نیز برای برچسب زدن و ردیابی سلول‌های بنیادی خون‌ساز در داخل بدن استفاده شده‌اند.

لازم به ذکر است که می‌توان نانوذرات مغناطیسی (MNPs)، نقاط کوانتومی، و نانوذرات طلا را که برای ردیابی سلول‌های بنیادی استفاده می‌شوند با مولکول‌های زیستی مختلف مانند لیپوزوم، پلی‌اتیلن گلیکول، پپتیدها، یا آنتی‌بادی اصلاح کرد؛ درنتیجه، همچنین امکان زیادی برای تحویل داخل سلولی ژن‌ها/ اولیگونوکلئوتیدها و پروتئین/ پپتیدها ایجاد کرد. با این حال، قبل از اینکه فناوری نانوذرات برای تحویل ژن‌ها قابل استفاده شود، سوال‌های زیادی در مورد عوارض و سمیت نانوذرات واردشده درون بافت زنده وجود دارد که نیاز به بررسی و پاسخ دارد. مطالعات اخیر اثرات سیتوتوکسیک و ژنوتوکسیک نانوذرات را در سلول‌های بنیادی انسان ثابت کرده‌ است.

۲٫ کنترل تکثیر و تمایز سلول‌های بنیادی: روش فناوری نانو
سلول‌های بنیادی به‌دلیل توانایی منحصربه‌فردشان در ایجاد هر نوع سلول مورد تحسین قرار گرفته‌اند. با توجه به نشانه‌های درست، سلول‌های بنیادی در حالت تمایزنیافته خود می‌توانند به هر سلولی در موجود زنده، به‌طور بالقوه در حال رشد به بافت قلب، روده و پوست تبدیل شوند. با این حال، مطالعات in vivo و آزمایش‌های بالینی محدودیت‌هایی عمده در بازسازی بافت مرده در اندام تخریب‌شده را اثبات کرده است. این محدودیت به‌علت نبود کنترل دقیق تکثیر سلول‌های بنیادی و بقایشان در قبل و پس از پیوند به وجود می‌آید. در این راستا، توسعه تکنیک‌هایی در مقیاس میکرو و نانو برای بازسازی نقص‌های سلول‌های بنیادی و محیط‌های میکرومتری برای نگهداری و تنظیم سلول‌های بنیادی، محققان را قادر به کنترل تکثیر، تفکیک، و بلوغشان وابسته به دانسیته جمعیت سلول، دانسیته بافت زمینه، و محیط زیست موضعی ساخته است. دستکاری ترکیب داربست پلیمرهای زیستی در مقیاس میکرو و نانو، خواص مکانیکی، و معماری سه‌بعدی با قدرت تمایز در مقیاس in vivo تاثیرات عمیقی بر روی خواص سلول‌های بنیادی دارد. فناوری نانو می‌تواند برای ایجاد میکرو محیط In vivo مانند سلول‌های بنیادی برای تعیین مکانیسم‌های مربوط به تبدیل سلول‌های تمایزنیافته به انواع سلول‌های مختلف به‌کار رود. با توجه به این واقعیت کهCNTها رسانا هستند و ابعاد نانوساختاری‌ای دارند که از ساختار سه‌بعدی پروتئین‌های موجود در بافت خارج سلولی تقلید می‌کند، نانولوله‌های کربنی (CNTs) مواد نویدبخشی برای کاربردهای مهندسی زیستی مختلف هستند. CNTها با انواع مختلفی از سلول‌های بنیادی با روش‌های مختلف برهم‌کنش دارند. برای مثال، آن‌ها به‌عنوان افزایش‌دهنده تکثیر سلول‌های بنیادی مزانشیمی (MSCs) و کمک به تمایز سلول‌های بنیادی عصبی مشتق شده از کورتکس شناخته شده‌اند. گزارش جالب دیگری نشان می‌دهد که تکثیر و تمایز سلول‌های بنیادی MSCs انسانی می‌تواند با کنترل نان توپوگرافی بسترهای کشت تنظیم شود. نانولوله‌های کوچک چسبندگی hMSCs را بدون تمایز قابل توجه ارتقا می‌دهند، در حالی که نانولوله‌های بزرگ‌تر منجر به طویل‌شدن چشمگیر سلول‌های بنیادی، شامل القا استرس cytoskeletal و تمایز انتخابی به سلول استئوبلاست‌مانند، می‌شوند. فناوری، بدون شک، مسیر مبتنی بر نانوفناوری نویدبخشی را برای درمان‌های hMSC مربوط به استخوان توصیه می‌کند. به هر حال، همچنین گزارش شده است که CNTها ژنوتوکسیک هستند؛ بنابراین، باید با احتیاط استفاده شوند. در حال حاضر، داربست نانوالیاف خودآرایه پپتید سازگار زیستی (SAPNS) توسعه داده شده است که ساختار ماتریکس خارج سلولی را تقلید می‌کند و مهاجرت سلول‌های بنیادی عصبی، رشد رگ‌های خونی، و آکسون‌ها درون داربست را نشان می‌دهد.SAPNS محیط واقعی سه‌بعدی را برای مهاجرت و تمایز سلول‌های زنده فراهم می‌کند. همچنین، نشان داده شده است سلول‌های بنیادی عصبی مزدوج با نانوالیاف با پیوند به بدن به نورون‌های بالغ متمایز می‌شوند. یک مطالعه جدید دیگر، یک سیستم کشت برای گسترش و حفظ سلول‌های بنیادی جنینی (mESCs) موش‌ها با استفاده از MNPs برای رشد mESCs در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی، با ایجاد سیستم کشت میدان مغناطیسی نانوذرات مغناطیسی، بنا نهاده است. سلول‌های کشت‌شده حالت OCT-4 و Nanog و فعالیت فسفاتاز قلیایی بالایی شبیه سلول‌های بنیادی جنینی طبیعی نشان دادند. علاوه بر این، در حال حاضر، رشد سلول‌های بنیادی در شرایطی که «آزمایشگاه روی یک تراشه»‌ نامیده می‌شود تحت بررسی است (شکل ۲). تراشه شامل صفحات یا مخزن‌ نانویی برای کشت سلول‌های بنیادی است، طوری ‌که هر مخزن تنها در حدود ۵۰۰ نانومتر عرض دارد. هر نانومخزن مقداری از مواد شیمیایی مایع شبیه به آنچه را که سلول‌های بنیادی در تورفتگی در معرضش هستند نگه می‌دارد. هر مخزن با یک دولایه لیپید حاوی کانال‌های دریچه‌دار ولتاژی معادل غشای سلولی احاطه شده است. برای باز کردن کانال‌ها برای نشت مواد شیمیایی و تحویل آن‌ها به سلول‌های بنیادی مجزا، جریان کوچکی از الکتریسیته به هر مخزن اعمال می‌شود. با استفاده از این فناوری، آرایه میکروراکتور زیستی نیز ساخته شده است. این آرایه‌ها کنترل کشت سلول‌های بنیادی را که یا به بستر متصل شده یا در هیدروژل محصور شده‌اند در سطوح متغیری از شرایط هیدرودینامیکی ممکن می‌سازد. چنین فناوری‌ای در آینده ممکن است رشد لایه‌لایه‌ای سلول‌های بنیادی را فراهم کند و درنتیجه، بافت‌های پیچیده را که تولیدشان در شرایطی غیر از این مشکل است ممکن سازد.

۳٫ نانوذرات و سیستم‌های انتقال ژن
در درمان سلول‌های بنیادی، انتقال ژن‌های خاص درون سلول‌های بنیادی روشی مهم برای القای تمایز و گسترش سلولی در شرایط آزمایشگاهی است.
به‌تازگی، از انواع مختلفی از نانوذرات برای طراحی این سیستم‌های انتقال – به‌منظور تسهیل انتقال ژن، هم در شرایط آزمایشگاهی و هم در داخل بدن – استفاده شده است. به‌عنوان مثال، نانوذرات فلزی با موفقیت برای انتقال غیرویروسی ژن در hMSCs استفاده شده است. سیستم‌های مبتنی بر بردار نانوذرات فلزی ترکیبی از مزایای کلیدی برای درمان سلول ارائه می‌کنند؛ ازجمله: (I) ایمنی، (II) انتقال مولکول‌های زیستی درمانی (DNA / siRNA) قابل تقویت از طریق روش‌های مغناطیسی، (III) هدف‌گیری سلولی مغناطیسی سلول‌های نشاندارشده با نانوذرات فلزی به محل‌های آسیب‌دیده، و (IV) تصویربرداری غیرتهاجمی از جمعیت پیوندشده نشاندارشده با نانوذرات فلزی برای ردیابی سلولی. در یک مطالعه دیگر، نانوذرات زیست‌تخریب‌پذیر کو پلیمر (DL-لاکتیک، گلیکولیک اسید) (PLGA) به‌عنوان حامل ژن و به‌عنوان حدواسط انتقال ژن SOX9 در hMSCs مورد استفاده قرار گرفته‌اند. سیستم نانوذرات مخلوط‌شده با سطح بالایی از SOX9 DNA پلاسمید اجازه ظهور ژن قوی در hMSCs، هم در شرایط آزمایشگاهی و هم در داخل بدن، را می‌دهد و غضروف‌سازی را تحریک می‌کند. علاوه بر سلول‌های بنیادی بالغ، سیستم انتقال ژن مبتنی بر فناوری نانو در تهیه سلول‌های بنیادی قلب و نخاع القاشده (iPSCs) نیز مورد استفاده قرار گرفته است. iPSCs از سلول‌های بالغ توسط ترانسفکشن ویروسی ژن‌های مهم مربوط به مغز و نخاع (Sox2 ،Oct 3/4 ،c-Myc ،Nanong ،LIN28 و KLF4) مشتق شده‌ است. نشان داده شده است که این سلول‌ها زمانی که به جنین میزبان مقاوم ایمنی پیوند می‌خورند، وارد همه سطوح سلول می‌شوند؛ از این رو، iPSCs نامیده شدند. به‌تازگی، Ruan و همکارانش به‌طور موثر iPS را با انتقال چهار ژن عامل رونویسی – Oct4 ،Sox2 ،LIN28، و Nanog – به فیبروبلاست‌های انسانی، با استفاده از نانوذرات مغناطیسی اصلاح‌شده با دندریمر به‌عنوان سیستم انتقال، تولید کرده‌اند. iPSCsهای آماده‌شده همچنین با نانوذرات مغناطیسی فلورسانس برای مشاهده و ردیابی طولانی‌مدت توسط میکروسکوپ فلورسانس و تصویربرداری با تشدید مغناطیسی نشاندار شده‌اند.

۴٫ نانو‌حسگرهای زیستی و سلول‌های بنیادی
حسگرهای زیستی شامل عنصر تشخیص ‌دهنده زیستی هستند که تغییر در محیط مجاور را به سیگنال‌های مناسب پردازش تبدیل می‌کنند. حسگرهای زیستی دارای دو ویژگی مهم هستند: آن‌ها دارای گزینش‌پذیری طبیعی نسبت به آنالیت‌های زیستی یا فعال زیستی هستند، و آن‌ها توانایی پاسخ‌دهی به آنالیت‌ها را به روش‌های مناسب فیزیولوژیکی دارند. حسگرهای زیستی با گنجاندن سلول‌های پستانداران اجازه اندازه‌گیری مستقیم عملکرد فیزیولوژیکی سلول‌ها را با فراهم آوردن حساسیت نسبت به طیف گسترده‌ای از محرک‌های زیست‌شیمیایی یا آنالیت‌ها می‌دهند. به هر حال، بسیاری از استراتژی‌های بررسی تغییرات محیط درون‌سلولی نیاز به پردازش (ثابت کردن، برچسب زدن، و غیره) سلول‌ها دارد و برای استفاده در روش‌های با خروجی زیاد چندان مناسب نیست. برای پرداختن به این موضوع، در حال حاضر، نانوحسگرهایی برای سلول‌های سوماتیک توسعه داده شده‌اند. نانوحسگر زیستی به‌طور کلی از مولکول سوبسترای زیستی تثبیت‌شده بر روی سطح نانوذرات تشکیل شده است. مطالعه اخیر، تهیه نانوذرات پلیمری حاوی بستر پپتید کیناز و یک فلوئوروفور ناحیه مادون قرمز را که به روش شیمیایی به نانوذرات متصل شده گزارش داد. در حالت غیرفسفری‌شده، این نانوذرات سطح پایینی از فلوئورسانس نشان می‌دهند. پس از فسفوریلاسیون، یک تغییر عمیق در فلورسانس وجود دارد و آن را تبدیل به نانوپروب جاذب برای پروتئین کیناز در تک‌سلول‌ها می‌کند. این نانوحسگرها ممکن است توان تشخیص وضعیت فسفوریلاسیون سلول را در پاسخ به عوامل مختلف ارائه دهد.
تقویت سیگنال فلورسانس نانوذرات طلا نیز برای توسعه تکنیک‌های سنجش پروتئاز حساس‌تر و سریع‌تر انجام می‌شود. مشابه سلول‌های سوماتیک، نانوذرات می‌توانند همچنین به‌عنوان نانوحسگرها برای سلول‌های بنیادی مورد استفاده قرار گیرند.
نانوذراتی که قادر به تعیین کمیت فعالیت کیناز و کاسپاز هستند به‌ترتیب برای اندازه‌گیری فعالیت تبدیل سیگنال و مسیرهای اپوپتوتیک، زمانی که سلول‌های بنیادی در معرض عوامل مختلف خارجی قرار می‌گیرند، مورد توجه‌اند. حسگر پتانسیومتری جدید سلول‌های جنینی مبتنی بر نورفشانی (LAPS) برای نمایش ضربان سلولی توسعه یافته است. براساس این مطالعه، سلول‌های بنیادی جنینی موش برای تمایز بین قلب در شرایط آزمایشگاهی تحریک شدند و پتانسیل‌های میدان خارج سلولی ضربان خودبه‌خودی قلب ناشی از سلول‌های بنیادی توسط LAPS ثبت شدند. با توجه به قابلیت‌های این حسگر برای نظارت بر پارامترهای مهم فیزیولوژیکی مانند پتانسیل و فرکانس در شرایط آزمایشگاهی، می‌توان از آن در آنالیز داروها و تشخیص سم با روشی طولانی و غیرتهاجمی استفاده کرد. سنجش مولکول‌های زیستی درون سلولی، فعالیت آنزیم، و pH در زمان واقعی می‌تواند به درک بهتر فرایندهای کلیدی زیستی در سلول‌های بنیادی کمک کند و ممکن است منجر به توسعه استراتژی‌های موثرتر برای کنترل آن‌ها و استفاده از آن‌ها در درمان شود.

۵٫ نتیجه‌گیری
کاربردهای فناوری نانو در ردیابی، تحویل، حسگری، و کنترل سلول‌های بنیادی امکان شگرف و غیر قابل تصوری برای دستیابی به مکانیسم‌های اصولی و توسعه روش‌های تشخیصی و درمانی جدید برای بیماری‌های انسان فراهم می‌کند. نانومهندسی و فناوری نانو ساخت آرایه‌های کشت سلولی در شرایط آزمایشگاهی کنترل‌شده و با خروجی بالا را برای کشت سلول‌های بنیادی و نمونه که رشدشان مشکل است ممکن ساخته است، همین‌طور توسعه سیستم‌های تشخیص بسیار حساس و ویژه را برای ردیابی و تشخیص سلول‌های بنیادی پیوندشده در درون بدن در بیماری‌های مختلف. در حال حاضر، برای ورود این فناوری در سطح بالینی، به دست آوردن نانوذرات جدیدی که نه‌تنها بسیار حساس، پایدار و قابل تصویرسازی‌اند بلکه بی‌خطر و زیست‌سازگار نیز هستند، مطلوب است. برای این هدف، ائتلافی قوی بین دانشمندان رشته مواد، فیزیک‌دانان، شیمی‌دانان، زیست‌شناسان و پزشکان ضروری است. علاوه بر این، به مقداری ادراک، احتیاط و ملاحظه نیاز است.