علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
These Tiny Ultra-Porous Crystals Could Transform Cancer Treatments and More
(بقلم: دومينيك موسبيرجين – Dominique Mosbergen)
يقول الباحثون إن المواد المعروفة باسم الأطر المعدنية العضوية تبشر بإحراز تقدم في مجال الرعاية الصحية والطاقة ومجالات أخرى
تخيل إسفنجة صغيرة تزن قدرًا من مكعبات السكر ، ولكنها تحتوي على الكثير من المسام الصغيرة بحيث تعادل مساحة سطحها مساحة ملعب كرة القدم.
ماذا لو تمكن العلماء من هندسة الإسفنج لخدمة مجموعة متنوعة من الأغراض العلاجية ، بما في ذلك تخزين الأدوية وتعزيز علاجات السرطان؟ يوجد مثل هذا الإسفنج ، في فئة من البلورات فائقة المسامية تعرف باسم الأطر المعدنية العضوية ، أو الأطر العضوية المعدنية.
قال الكيميائيون إن البحث في الاستخدامات المحتملة للأطر العضوية المعدنية قد تسارعت خلال السنوات الخمس الماضية. ويتوقعون أن المركبات البلورية يمكن أن تغير الرعاية الصحية والطاقة والصناعات الأخرى. قال البعض إن الأطر العضوية المعدنية يمكن أن تنتشر على نطاق واسع مثل البوليمرات ، وهي مركبات تشكل أساس العديد من المواد التي يصنعها الإنسان مثل البلاستيك ، في العقد أو العقدين المقبلين.
قال إم. رضا شاه ، أستاذ الكيمياء في المركز الدولي للعلوم الكيميائية والبيولوجية في كراتشي ، باكستان ، “إن الأطر المعدنية هي مركب المستقبل”.
تتكون الأطر العضوية المعدنية من مكونين: معدن ومركب عضوي ، والذي يشير في الكيمياء إلى المواد التي تحتوي على الكربون. في بعض الأحيان مقارنةً بـ (Tinkertoys) ، تشبه كل بلورة (MOF) سقالة ثلاثية الأبعاد تتكون من عقد معدنية متصلة بقضبان عضوية.
تشكل العقد والقضبان شبكة منتظمة من المساحات ، حيث يمكن التقاط المواد مثل الغازات وجزيئات الأدوية وتخزينها وفصلها. قال الكيميائيون إن المساحات هي التي تمنح الأطر العضوية المعدنية جودتها الشبيهة بالإسفنج وهي جزء كبير مما يجعلها مميزة ، لأن كل بلورة من الكريستال العضوي تحتوي على عدد مذهل منها. قال الكيميائيون إن بلورة الأطر العضوية المعدنية بحجم حبة الرمل يمكن أن تحتوي على آلاف الملايين من المساحات. السجل الحالي لسعة تخزين وزارة المالية هو 7000 متر مربع للجرام. يمكن لكمية ضئيلة من الأطر العضوية المعدنية أن تجمع كمية ضخمة.
يستكشف الباحثون كيفية استخدام المسامية الفائقة للأطر العضوية المعدنية في الطب والمجالات الأخرى. قال وينبين لين ، الكيميائي بجامعة شيكاغو ، إن علاجات السرطان هي أحد المجالات التي أظهرت فيها الأطر العضوية المعدنية إمكانات كبيرة. في عام 2018 ، ساعد الدكتور لين في بدء تجربة سريرية من المرحلة الأولى لتقييم ما إذا كانت الأطر العضوية المعدنية يمكن أن تعزز فوائد العلاج الإشعاعي للمرضى المصابين بالسرطان في مراحل متقدمة.
يقتل العلاج الإشعاعي الخلايا السرطانية ويمكن أن يقلص الأورام ، لكن الإشعاع سام للخلايا الطبيعية أيضًا ويمكن أن يسبب آثارًا جانبية. أنشأ الدكتور لين ومعاونيه أطرًا عضوية معدنية تمتص الإشعاع وتضخمه. مصنوعة من معدن الهافنيوم ومركب عضوي يقول الدكتور لين إنه فعال ، تم حقن الأطر العضوية المعدنية في الأورام السرطانية ، والتي عولجت بعد ذلك بالعلاج الإشعاعي. قال الدكتور لين إن بنية الأطر العضوية المعدنية تسمح لها بحبس الجسيمات الثانوية والفوتونات من الإشعاع. الفكرة هي أن الأطر العضوية المعدنية يمكنها تعزيز تأثير الإشعاع في الخلايا السرطانية دون تضخيم الضرر الذي يلحق بالخلايا الطبيعية.
قال الدكتور لين إنه بفضل مساميتها الفائقة ، هناك حاجة إلى عدد قليل فقط من الأطر العضوية المعدنية ليتم حقنها في كل ورم. وقال إن الأطر العضوية المعدنية تتفكك في النهاية بشكل غير مؤذٍ في الجسم.
لم يتم الإفراج عن النتائج من النسخة التجريبية المكتملة. قال الدكتور لين إن التحليلات الأولية تظهر أن المرضى الذين عولجوا بأطر عضوية معدنية يمكن أن يتعرضوا لنصف كمية الإشعاع ويحققوا تأثيرًا أفضل لتقليص الورم. وأضاف أن الأطر العضوية تبدو جيدة التحمل من قبل المرضى.
قال الدكتور لين: “آمل جدًا أن يوفر هذا طريقة جديدة تمامًا لعلاج مرضى السرطان”.
في جامعة جلاسكو في اسكتلندا ، أجرى الكيميائي روس فورجان تجارب معملية لاستكشاف كيفية استخدام الأطر العضوية المعدنية لتوصيل الأدوية الفعالة مباشرة إلى الخلايا السرطانية ، مما قد يؤدي إلى زيادة الامتصاص وتخفيف بعض الآثار الجانبية. وقال إن بعض عقاقير السرطان أظهرت إمكانات في القضاء على الخلايا السرطانية لكنها تواجه صعوبة في اختراق غشاء الخلية.
قال الدكتور فورغان: “يمكننا ضبط الإطار المعدني لجعله أكثر قدرة على دخول الخلية”. لإيصال دواء معين إلى الخلايا السرطانية ، صمم الدكتور فورغان وزملاؤه إطارًا عضويًا مملوءًا بالدواء ومغلفًا بمادة كيميائية تذوب في الدهون يمكنها اختراق أغشية الخلايا السرطانية ، والتي تتكون من طبقات دهنية. وجدت دراسة شارك في تأليفها الدكتور فورغان أنه عندما تم استخدام الأطر العضوية المعدنية للعلاج ، كانت هناك حاجة إلى كمية أقل بكثير من الدواء لإحداث تأثيرات مشابهة لتلك التي تم فيها استخدام الدواء بمفرده.
قال مسعود مظفري ، مهندس الطب الحيوي بجامعة تورنتو: إن العلماء يجرون تجارب معملية على الأطر العضوية المعدنية المضيئة. وأضاف الدكتور مظفري: في حين أن مثل هذه الأطر العضوية المعدنية لم يتم استخدامها بعد للأغراض الطبية الحيوية ، إلا أنه يمكن تصميمها بحيث تنجذب إلى بعض المؤشرات الحيوية أو الخلايا. وأضاف أيضا: أنه من خلال حقن هذه الأطر العضوية المتوهجة في الجسم ، يمكن اكتشاف أمراض مثل السرطان في مرحلة مبكرة.
يعد الهافنيوم والزركونيوم والحديد والزنك من بين المعادن الشائعة الاستخدام في الأطر العضوية المعدنية المصممة للتطبيقات الطبية الحيوية. يقول الكيميائيون الذين يعملون على هذه المركبات إن الكميات الصغيرة من المعادن ليست سامة ، لكن الكميات الكبيرة يمكن أن تسبب التسمم. يمكن أن تكون بعض المركبات العضوية والمذيبات ضارة أيضًا.
من الناحية المثالية ، تكون الأطر العضوية المعدنية للاستخدام الطبي الحيوي غير سامة عند الجرعات العلاجية ومستقرة بدرجة كافية للقيام بعملها قبل أن تتحلل بشكل طبيعي. قال الدكتور لين: إن الأمر استغرق منه أكثر من عقدين من الزمن لمعرفة كيفية تصميم الأطر العضوية المعدنية للأغراض العلاجية.
قالت تينا نينوف ، عالمة بارزة في مختبرات سانديا الوطنية ، وهي مختبر أبحاث ممول اتحاديًا ومتخصص في الأمن القومي: إن تصنيع الأطر المعدنية قد يكون مكلفًا ، لا سيما عندما تشتمل على معادن باهظة الثمن مثل الزنك أو الذهب. مع تحسن التكنولوجيا وإنشاء المزيد من الأطر العضوية المعدنية ، قالت إنها تتوقع انخفاض التكاليف.
تستكشف الدكتورة نينوف كيف يمكن استخدام الأطر العضوية المعدنية كمستشعرات لاكتشاف الغازات السامة أو لفصل غاز عن آخر. وقالت: إن وزارة الطاقة ووزارة الدفاع مولتا بحثًا في هذه المستشعرات ، والتي أشارت إلى أنه قد يستخدمها الجيش الأمريكي يومًا ما للكشف عن المواد الكيميائية التي تنبعث منها الذخائر القديمة في البيئة ، من بين استخدامات أخرى.
قالت الدكتورة نينوف: “اعتمادًا على كيفية تصميمك لها ، وكيفية تزيينها ، يمكنك جعل الأطر العضوية المعدنية انتقائية جدًا لأي تطبيق تقريبًا”.
أظهرت الأطر العضوية المعدنية أيضًا نتائج واعدة في العلاجات المضادة للميكروبات وتجديد الأنسجة. قام باحثون ، بمن فيهم الدكتور فورجان ، بتصميم الأطر العضوية المعدنية التي تحيد مسببات الأمراض وزرعوها في مرشحات قناع الوجه وبطانة القسطرة. تظل هذه الأجهزة في مرحلة النموذج الأولي.
يستفيد الباحثون أيضًا من الأطر العضوية المعدنية من أجل التقاط الكربون وترشيح المياه. استثمرت شركات ، بما في ذلك (Exxon Mobil Corp) و (Saudi Arabian Oil Co) و (BASF SE) ، في البحث في الاستخدامات المحتملة لـ (MOFs).
شركة (NuMat Technologies) ، وهي شركة ناشئة مقرها إلينوي أصبحت واحدة من أولى الشركات التي تسوق الأطر العضوية المعدنية في عام 2016 ، تبيع الأطر العضوية المعدنية التي تخزن المواد الكيميائية السامة المستخدمة في صناعة الإلكترونيات.
قال عمر ياغي ، الكيميائي في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، المعروف على نطاق واسع بأنه صاغ مصطلح الأطر العضوية المعدنية وكان من بين الأوائل الذين صنعوا المركبات: “كل قطاع من قطاعات الاقتصاد تقريبًا يستخدم الأطر العضوية المعدنية”.
المصدر:
