الدكتورة هبة أبو الفضل تكتب : تطبيقات المواد والمركبات النانوية في الطب البيطري

أظهرت تطبيقات تقنيات النانو في مجالي الطب البشري والبيطري في الآونة الأخيرة تقدما هائلا، وقد تكهن العلماء أن التقدم في هذ المجال قد يتحقق عنه إنجازات هائلة في التصدي لبعض التحديات التي يواجها المجالين البشري والبيطري، والآمال معقودة حول هذا الطب الحديث في مجالات اكتشاف الأمراض، واستحداث علاجات جديدة عند البشر، أما في المجال البيطري فتطبيقات تقنيات النانو قد تتوفر من خلال تأمين أرضية لتجريب تقنيات مثيرة للجدل لم تجرب سابقا تبدأ باللقاحات ذات الكبسولات النانوية وتنتهي بالتحكم بجنس المواليد والتناسل.
في الوقت الحاضر، تعمل تكنولوجيا النانو على تعزيز تخليق مواد وأدوات جديدة تساعد في تحسين صحة الحيوان وإنتاجه. هناك أمثلة للتطبيقات الجوهرية لهذه التقنية تشمل استخدام العديد لمواد الجسيمات النانوية في تحسين تشخيص الأمراض وعلاجها وتوصيل الأدوية وتغذية الحيوان والتربية والتكاثر وسلامة الأغذية من أجل صحة الإنسان والحيوان. علاوة علي ذلك تدخل هذه التقنية في مجالات اضافية متعددة التخصصات منها الطب الحيوي، واكتشاف الأورام، ولقاحات الأورام، وهندسة الأنسجة، وتعزيز تباين التصوير بالرنين المغناطيسي، وتطوير أجهزة الاستشعار، واكتشاف الجزيئات البيولوجية.
خواص المواد النانوية:
يتراوح حجم المواد النانويه بين 1- 100نانومتر حيث تكتسب المواد عند المستوى النانوي صفات وخواص جديدة لم تكن موجودة حتى في المادة الام التي تكونت منها فمثلا توجد علاقة عكسية بين حجم المادة ومساحتها السطحية حيث تزداد المساحة السطحية الفعالة عند المستوى النانوي، وبالنتيجة تحفيز حدوث تفاعلات قوية وبالتالي زيادة عدد الذرات الموجودة على السطح ويمكن أيضا أن يحدث تغيير في ألوانها حسب أحجامها ونتيجه لهذة المميزات يمكن الاستفادة منها في توجيه تكنولوجيا النانو في تكوين مواد وأجهزة ونظم محسنه.
ولقد شهدت العقود الماضيه خاصه بين عامي 2005 و 2010 تقدما هائلا في تطور تكنولوجيا النانو بشكل واضح ومضاعف عن السنين السابقة واستخدامها في العديد من الجوانب المتعلقه بصحه الحيوان خاصه طرق علاج الامراض.

1. استخدام المواد النانومتريه كعوامل مضادة الميكروبات Antimicrobial agents
اكتسبت المشكلة الصحية العالمية المتمثلة في مقاومة الأدوية الميكروبية المزيد من الاهتمام في الأونه الاخيرة حيث تم اجراء المزيد من الدراسات في تخليق مضادات حيويه جديدة من جسيمات النانومتريه للمعادن كاسراتيجيه جديدة في مجالات مضادات الميكروبات المسببه لأمراض الحيوان.

تشكل المواد النانوية المعدنية عوامل فعالة مضادة للميكروبات ضد الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض الشائعة. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع الجسيمات المعدنية النانوية بمزايا مفيدة أكبر من الجزيئات المعدنية كبيرة الحجم. في الآونة الأخيرة، تم اكتشاف الجسيمات النانوية المعدنية مثل الفضه Ag وأكسيد الفضة (Ag2O) وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) والسيليكون (Si) وأكسيد النحاس (CuO) وأكسيد الزنك (ZnO) وAu وأكسيد الكالسيوم (CaO) والمغنيسيوم يمتلك أكسيد (MgO) ان لها نشاطًا مضادًا للميكروبات ضد البكتيريا المسببة للفطريات و الأمراض المختلفة وأن لها سميه وكفاءه انتقائيه للبكتريا والفطريات دون اضرار بخلايا الانسان والحيوان المستخدم ععلاج سواء بالتناول بالفم أو الحقن أو بالاضافه للأغذيه والعلائق.
من بين المعادن النانوية ، تم استخدام جسيمات الفضية النانوية منذ ثمانينيات القرن التاسع عشر. لأن الفضة لها نشاط واسع الطيف كمضاد للميكروبات ضد مجموعة واسعة من الكائنات الدقيقة . حظيت الجسيمات النانوية الفضية باهتمام غير محدود بسبب خصائصها الاستثنائية مثل الثبات الكيميائي , النشاط التحفيزي والتوصيل الممتاز ، والأهم كمضاد للميكروبات و الفطريات تجاه الأنواع الفطرية مثل Aspergillus fumigatus , كذلك تُعرف الفضة بأنها غير سامة وغير ضارة لجسم الإنسان بتركيزات منخفضة ، على عكس الجسيمات النانوية المعدنية الأخرى.

علاوة علي ذلك, ينتج علم النانو جسيمات نانومتريه ذات نشاط مضادة للميكروبات كبديل جديد للمضادات الحيويه التقليديه ضد مسببات الأمراض المختلفة، بما في ذلك البروسيلا والمتفطرة البقرية والمكورات العنقودية الذهبية والمكورات العنقودية بالإضافة إلى الفطريات والبكتيريا التي تسبب التهاب الضرع والأفلاتوكسينات في الأعلاف المستخدمه في غذاء الماشية.
2. استخدام المواد النانومتريه في تشخيص وعلاج أمراض الحيوان
تم استخدام التطبيقات البيطرية للجسيمات المعدنية النانوية في مختلف المجالات المتعلقة بتشخيص أمراض الحيوان وعلاجها بدلا من الادوات المعتادة التى غالبا ما تٌرسل إلى مختبرات خارجية وتستغرق وقتا ابتداء من ساعات وحتى أيام للحصول على نتيجتها قد تصبح أسرع من المتوقع، إذا تستطيع تقنية النانو إحضار أدوات اختبار للمشافي البيطرية أرخص سعرا وأسرع أداء وأدق نتائجا مما سبق. علي سبيل المثال, تم استخدام العديد من المواد المعدنية النانوية مثل جسيمات الزنك النانويه Zn NPs بشكل كبير في الأنشطة التشخيصية والعلاجية لأورام الغدد الليمفاوية الحيوانية، والسرطانات الجلدية، والأورام التناسلية القابلة للانتقال، والأورام اللحمية في الخيول. حدثياً, تم استخدام جزيئات الذهب Au NPs ايضا في تشخيص واكتشاف بعض الالتهابات الفيروسية في الدجاج؛ وفيروس مرض الحمى القلاعية ؛ وفيروس اللسان الأزرق في الأبقار. وكشفت دراسات أخرى أن المواد النانوية القائمة على الكربون (CBNs) مثل الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين (G) وألياف الكربون والجسيمات النانوية الكربونية لها إمكانات هائلة في الطب الحيوي والإلكترونيات النانوية والهندسة الميكانيكية. ويمكن استخدامها ايضاً في تشخيص الأمراض والعلاج الجيني والعلاجات الفسيولوجية. في الوقت الحاضر، تتمتع أنواع المواد النانوية وأجهزة الاستشعار النانوية بقيمة كبيرة في جميع جوانب علم الحيوان مثل تشخيص مرض السل في الأبقار.
3. أستخدام المواد النانويه في توصيل الأدوية الي الخلايا المستهدفه
يعد تحميل الدواء علي جسيمات النانو مفيداً في اطلاقة ببطء للمكان المستهدف كذلك في التغلب علي قيود توصيل الدواء, فالجسيمات النانويه لها العديد من المزايا مثل حجم الجسيمات الصغير مما يزيد معدل ذوبان الادويه, مساحه السطح الكبيرة والسطح القابل للتعديل. علاوة على ذلك، فإن استخدام تكنولوجيا النانو في توصيل الأدوية يقلل من كمية المضادات الحيوية المستخدمة لعلاج الحيوانات المريضة، وبالتالي يقلل من بقاياها في الأنسجة الحيوانية مما يعكس سلامة الأغذية المنتجة.
4. أستخدام المواد النانويه في انتاج اللقاحات
من المجالات التي يحتمل أن تستفيد من دراسات تقنيات النانو هي إنتاج اللقاحات، الدراسات الأكثر حداثة تظهر أن الأوليغوديكسينوكليوتيدات والمستضدات المصنعة الكروية النانوية القابلة للتحلل الحيوي يمكن لها أن تستخدم كمقارب بديل لعملية التمنيع، فالاستجابة المناعية الفضلى يبدو أن يتم الحصول عليها باستعمال الكرات النانوية القابلة للتحلل الحيوي أكثر من اللقاحات المصنعة بالطرق التقليدية.

5. استخدام المواد النانوية في تحسين الانتاج الحيوان
قد أحدثت تقنية النانو وتطبيقاتها ثورة في مجالات صناعية كثيرة مما أدى الى جذب انتباه العاملين في مجال البحوث الزراعية فقد استعملت الكبسولات النانوية لحماية العديد من الانزيمات والبروتينات التي تؤثر في نسب غذاء الدواجن وحيوانات المزرعة من اجل زيادة الانتاج . ويجرى حالياً في الدنمارك تنفيذ عدد من المشاريع التي ستسهم في تحسين انتاج الدواجن من الناحية الصحية والاقتصادية. وتقوم جامعة كوبنهاجن بتنفيذ مشروع عن استخدام عنصر الفضة فى مجال ما يسمى بالنانو الحيوي (nanobiotics) الفضي. فمن خلال تطبيقات تقنية النانو يمكن استخدام جزيئات عنصر الفضة متناهية الصغر (nanobiotic-Ag) فى انتاج اضافات دوائية تضاف لاعلاف الدواجن تكون لها القدرة على الحد من النشاط الضار للميكروبات دون قيام هذه الميكروبات بتكوين مناعة مضادة لاثر هذا المركب وبالتالى يمكن التقليل أو التخلص من سمية الفضة وضمان عدم حدوث اضرار للانسان تتعلق بالمناعة عند تناول منتجات طيور تم معالجتها بهذا المركب. كما قد يتسبب استخدام منتج هذه التقنية فى اعلاف الطيور الى زيادة النشاط البنائى الذى يترتب عليه تحسن فى النمو وزيادة فى الوزن.
في الآونة الأخيرة، كشفت العديد من الدراسات أن اضافه المكملات الغذائية لميثيونين الزنك في أعلاف الأبقار المصابة بالتهاب الضرع تحت الإكلينيكي إلى انخفاض مستوى الخلايا الجسدية وتحسين إنتاج الحليب. أضاف وانغ وشو (2004) جزيئات الكروم النانوية (500 ميكروغرام/كيلوغرام) في علف الطيور، مما أدى إلى في انخفاض محتوى الكوليسترول في العضلات وزيادة كتلة العضلات وتحسين جودة لحم الطيور.
6. استخدام المواد النانوية في سلامة الأغذية والأعلاف
تُستخدم تطبيقات المواد النانوية حاليًا في صناعة اللحوم والأغذية، بما في ذلك استخدام المواد النانوية كحاملات للمكونات الغذائية/المضافات الغذائية التي يتم وضعها مباشرة في الطعام أو كجزء من تغليف المواد الغذائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحسين قدرة توزيع المواد المضافة القابلة للذوبان في الدهون في المنتجات الغذائية، وتعزيز الطعم، وتقليل استخدام الدهون والملح والسكر والمواد الحافظة، ومنع ارتفاع ضغط الدم وأمراض القلب والأوعية الدموية لدى البشر والحيوانات. في الوقت الحاضر، تستخدم العديد من تطبيقات المواد المعدنية النانوية في الطب البيطري الزنك NPs كمادة حافظة للأغذية ومضافات للأعلاف. ومع ذلك، فهي سامة للكائنات الحية الدقيقة وتستخدم كعوامل مضادة للميكروبات. وأدت إضافتها إلى أعلاف الأبقار إلى زيادة كبيرة في إنتاج الحليب. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدامها في الحفز الكيميائي، وأجهزة الاستشعار، والعلاج البيئي، ومنتجات العناية الشخصية للإنسان والحيوان.
7. استخدام المواد النانويه للكشف عن السرطان وعلاجه وتصويرة
ومن المثير للاهتمام أن نذكر هنا أن Zn NPs يمكن أن يقتل الخلايا السرطانية دون التأثير على الخلايا المناعية الطبيعية وبالتالي يمكن استخدامها كعوامل مضادة للسرطان ولأجهزة تشخيص السرطان لدى البشر والحيوانات البيطرية. من ناحية أخرى، يمكن أن يعمل حقن تعليق الجسيمات النانوية الكربونية (CNSI) كحامل للأدوية، حيث لديه القدرة على امتصاص الأدوية مثل أدوية الإيبيروبيسين والدوكسوروبيسين، والتي تستخدم في العلاج الكيميائي اللمفاوي. حاليًا، تم تطبيق CNSI للعلاجات السريرية كجزء من الحقن أثناء جراحة الأورام. يمكن ايضا تطبيق CNSI لرسم الخرائط اللمفاوية وكذلك في تصوير أورام الغدة الدرقية والعقدة الليمفاوية، كما هو الحال في سرطان المعدة وسرطان الثدي.
وانغ وآخرون. (2008) قام بتقييم جسيمات السيليكا النانوية (SNPs) في تصوير الخلايا السرطانية، حيث تم تثبيت الأجسام المضادة الأولية أو الثانوية على SNPs وربطها بالخلايا السرطانية. يمكن أيضًا استخدام SNPs في العلاج الديناميكي الضوئي للسرطان عن طريق إنتاج أكسجين من خلال طاقة التألق المستخدم في التصوير الطبي. في الآونة الأخيرة، تم استخدام Fe2O3 NPs في الأغنام لتشخيص مرض الأوتار عن طريق التصوير الفلوري.
خطر سمية استخدام الجسيمات النانوية:
على الرغم من التطبيقات الواسعه لتكنولوجيا النانو والتي تشمل جميع نواحي الحياة الا ان خطر سميتها على الحيوانات والبيئة هو السبب الأساسي للحد من استخدامها في علوم الإنسان والحيوان. بشكل عام، تختلف سمية المواد النانوية وفقًا للجسيمات ذات الحجم النانوي، والحالة الصحية للإنسان والحيوان، والجرعات المعطاة، ووقت التعرض . أيضًا، يجب أن يشمل التقييم الفعال لمخاطر سمية الجسيمات النانوية حجم الجسيمات وشكلها، وشكلها البلوري، ووظيفتها، ونقاوتها.
فالجسيمات النانويه –بسبب صغر حجمها الشديد- يمكن ان تنفذ بسهوله شديدة من خلال الجلد الرئتين والأجهزة المعويه, وقد أشارت بعض الدراسات أن الجسيمات النانويه عند استنشاقها يمكن أن تُحدث التهابا في الرئتين أكثر مما تسبب به الجسيمات ذات الحجم الكبيرمن نفس النوع.
ووصفت دراسة أخرى أن استنشاق المواد النانويه مثل جزيئات أكسيد المغنيسيوم النانوية وتعرضها للجلد يسمح لها بدخول الخلايا العصبية والجهاز العصبي المركزي ومن ثم الوصل إلى الدورة الدموية الجهازية حث خلصت دراسه اخري الي ان الجسيمات النانويه قد تسبب في العديد من التأثيرات المثيرة للجدل مثل موت بعض القوارض وحدوق تلف في المخ للسمك.
بسبب الحجم المتناهي للمواد النانويه فانها اكثر قابليه للامتصاص داخل الجسم عن الجزيئات كبيره الحجم. وتعتبر كيفيه التعامل مع تلك الجزيئات النانويه داخل الجسم أحد القضايا التي تتطلب التوصل لها لحل.
يعتمد سلوك المواد النانويه علي حجمها وشكلها وتفاعلها السطحي مع النسيج المحيط بها. حيث قد يسبب تجمع الجزيئات النانويه الغير قابله للتحلل او تلك التي تتحلل ببطئ داخل اعضاء الانسان والحيوان آثارًا ضارة في الوظائف البيولوجية لهذة الاعضاء. لذلك، يجب إجراء قياس الجرعات الفعالة غير السامة من الجسيمات المعدنية النانوية في النماذج الحيوانية المختبرية لدراسة مدى ملاءمة تطبيقها الميداني.
وفيما يتعلق بطريق التعرض للمواد النانوية، فإن الابتلاع هو طريق التعرض الرئيسي للإنسان والحيوان. عند الابتلاع، تدخل المواد النانوية الجهاز الهضمي إلى الأمعاء ويتم التخلص منها بسرعة من خلال الكبد والطحال. وينتج الابتلاع بشكل رئيسي عن وجود الجسيمات النانوية في الطعام بسبب الاتصال المباشر للتغليف النانوي بالطعام. يتم توزيع الجسيمات النانوية في الكبد والطحال في الدورة الدموية. يعد الاستنشاق والجلد من الطرق الأخرى لتسمم الجسيمات النانوية، والتي يتم اكتشافها بشكل رئيسي في المختبر وفي العاملين في الصناعة في مصانع إنتاج المواد النانوية. وأفادت بعض الدراسات أن المواد النانوية يمكن أن تخترق الدم وتتوزع في أنسجة خلايا أعضاء الجسم، وتنتقل في بعض الأحيان إلى الجنين عن طريق إمدادات الدم.
الأحتياطات الواجب اتخاذها عند أستخدام جزئيات النانو:
كما ذكرنا هناك حاجة إلى اهتمام خاص بالجوانب السمية المعروفة للمواد النانوية قبل تطبيقها في العلوم البيطرية والحيوانية. نظرًا لعدم توفر معرفة موجزة عن دراسات علم السموم، هناك حاجة ماسة إلى إجراء الكثير من الأبحاث قبل استخدام تطبيقات تكنولوجيا النانو، ولا سيما مخاطر سميتها حيث يجب تقييم كل مادة نانويه بصورة منفردة بالاضافه الي انه يجب ان يوضع في الاعتبار الخصائص النانويه جميعها.
ولتفادي اي أضرار محتمله لهذة التقنيه يجب علي كل من يستخدم الجسيمات النانويه او يتعرض لها أستخدام وسائل الحمايه مثل الاقنعه والقفازات وما الي ذلك اثناء العمل مع المواد النانويه. كما يجب عليهم ايضا توخي الحذر بشأن التخلص من هذة المواد بمجرد الانتهاء من التجارب لضمان عدم دخول هذة الجسيمات الضارة الي البيئه وتفاقم التصنيف الجديد للتلوث (التلوث النانوي). لقد ادرجت منظمه الصحه العالميه بالفعل سلسه من الأثار الصحيه علي التعرض للجسيمات النانويه. لذلك يتعين علي العديد من البلدان وضع لوائح بشأن استخدام المنتجات النانويه سواء في مستحضرات التجميل أو الادويه أو تغليف المواد الغذائيه أو غيرها وأستخدام الاليات والقوانين التنظيميه اثناء انتاج واستخدام المواد النانويه.

References:
– Hassan, Atef A., et al. “Nanomaterials and nanocomposite applications in veterinary medicine.” Multifunctional Hybrid Nanomaterials for Sustainable Agri-Food and Ecosystems. Elsevier, 2020. 583-638.
– Hassan, A. A., et al. “The possibility of using Zinc Oxide nanoparticles in controlling some fungal and bacterial strains isolated from buffaloes.” Egypt. J. Appl. Sci 29.3 (2014): 58-83.
– Wang, Bing, et al. “Acute toxicological impact of nano-and submicro-scaled zinc oxide powder on healthy adult mice.” Journal of Nanoparticle Research 10 (2008): 263-276.

د. هبه الله محمد أبو الفضل – معمل المنصوره الفرعي والتخصص فارماكولجي – معهد بحوث الصحة الحيوانية – مركز البحوث الزراعية – مصر