تُقاس الخلايا بالميكرونات، ويساوي الميكرون الواحد مليون جزء من المتر، وتقاس الذرات بالنانومتر الذي يعادل الواحد منه مليار جزء من
المتر أو واحدا على 80 ألف جزء من عرض شعرة الإنسان. وترمي النانو-تكنولوجيا إلى بناء وتسخير أشياء على المستوى الذري
(من حيث الحجم). وكما يعبر الدكتور جاك جودي أستاذ الهندسة الكهربائية بجامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس
University of California, Los Angeles، هناك تصوران لنمو
النانو-تكنولوجيا؛ أولاهما ما يسميه بتكنولوجيا استقطار الثمالة، حيث يسعى مهندسو الجزيئات إلى تشكيل بنيات من النانو- تكنولوجيا تم إنتاجها الواحدة بعد الأخرى من وحدات جزيئية. أما التصور الثاني فيقوم على تصغير التكنولوجيات الموجودة إلى الحد الأقصى. وقد نشأ النوع الأخير من علوم وتطبيقات الإلكترونيات الدقيقة، وتعرف مخترعاته باسم الميمات MEMS.
يقول جودي: "ظلت تكنولوجيا التصنيع المستخدمة في صنع الميمات تتطور باستمرار بفضل صناعة الدوائر الكهربية المتناهية الصغر. ولقد أصبح من الممكن الآن إنتاج بنيات كهربية أو ميكانيكية أو سائلة تتميز بدقة الحجم بصورة تكاد تكون متناهية، إذ ننتج من الزجاج أو السيلكون وحدات ومعدات أصغر حجما من الميكرون". وهذا يعني أن الآلات المعقدة يجرى استبدالها بأخرى أصغر فأصغر حجما.
في الوقت الحاضر يعمل الدكتور جودي في مجالٍ من التكنولوجيا لعزل الخلايا ومراقبة وظائفها الفسيولوجية، ويقول عن مشروعه: "إن تعريض الخلية لمؤثرات الإشعاع أو درجة الحرارة أو معدلات تدفق السوائل أو الكيماويات الأخرى سيغيّر البيئة الخلوية الخارجية. وحاليا يتم كل ذلك ولكن بوتائر بطيئة جدا. إلا أن التكنولوجيا التي نعكف على تطويرها تسمح باستخدام عدد كبير من الخلايا في وقت واحد، وهذا بدوره يسمح للعلماء بدراسة سلوكيات الخلية بدقة أكبر مما كان متوفرا في الماضي. فقد كانوا آنذاك يستطيعون مراقبة ما يحدث خارج الخلية دون أن تكون لديهم أية فكرة عما يحدث بداخلها".
الأداة المفضلة لدى جودي هي الرقاقة البيولوجية وهي قطعة صغيرة مربّعة من الزجاج مساحتها سنتيمتر في سنتيمتر، وبها قنوات صغيرة تستطيع أن تعزل الخليّة والمنافذ المتصلة بالخليّة. ويستطيع العالم أن يراقب ما يحدث للخلية عن طريق المجهر. ويخبرنا جودي أن شركات تصنيع الأدوية تبدي اهتماما كبيرا بهذه التكنولوجيا التي يعمل على تطويرها لأنها ستسمح لتلك الشركات بتطوير مكتشفاتها في علم وصناعة الدواء.
يقول توماس ويبستر، المهندس البيولوجي والأستاذ المساعد في جامعة بردو Perdue University: "إن إيصال الدواء إلى الجسم هو واحد من أول تطبيقات النانو-تكنولوجيا المرشحة للاستخدام. وعن طريقها يمكن أن ندخل إلى الخلية جرعة دوائية يقل حجمها عن 100 نانو متر دون أن تلفت النظر". والواقع أنه يمكن إعطاء الأدوية للمرضى على هيئة أقراص يقاس حجمها بالميكرون تقوم بإطلاق الدواء على الخلايا المستهدفة. والنظرية المعتمدة هنا هي أن فاعلية الدواء تزداد إذا كانت كمياته متناهية الصغر بهذا الشكل. وكلما تضاءلت الجرعة الدوائية كلما قل ضررها على المريض لأنها لن تستهدف حينها إلا الخلايا المسببة للمرض أو للعدوى.
ويبحث ويبستر أيضا في وسائل استخدام المواد النانوية لترميم وإصلاح الأنسجة الطبيعية، إذ برهنت الوسائل التقليدية مثل زرع العظام والأوعية الدموية على عجزها عن توفير النعومة واستواء السطح الذي يتوافر باستخدام المواد النانوية. ويقول وبستر: "لقد وجدنا أن البيئات النانوية تساعد الجسم على إعادة إنتاج نفسه بصورة أفضل سواء في مجال العظام أو الأوعية الدموية أو الغضروفيات وخلايا المثانة. ولقد جرى إثبات كل ذلك عمليا. ومن المتوقع أن تتوسع استخداماتها في الجسم البشري في وقت قريب نسبيا". كما أنه من المتوقع أن تبقى المواد الجديدة عاملة داخل الجسم لمدة أطول من مدة الـ15 عاما المتاحة حاليا لمعظم أشكال استزراع الأعضاء التقليدية.
تهتم جنيفر ويست الأستاذة المساعدة لقسم الهندسة البيولوجية بجامعة رايس Rice University بمدينة هيوستن بولاية تكساس والمختصة بأبحاث علاج السرطان وإطالة عمر المصابين به. وتجري أبحاثها على مادة تعرف باسم القشور النانوية تتميز بقدرتها على التشبّع بالضوء من الدرجة فوق الأشعة الحمراء، والمعروف بقدرته على التغلغل في الجسم إلى أعماق كبيرة. وتشرح جنيفر العملية قائلة: "نقوم بحقن القشور النانوية بشكل منتظم ونتركها تتحرك خلال الجسم لتصل إلى الخلايا السرطانية وتلتحم بها، ثم نقوم بتسليط أشعة قريبة من الأشعة فوق الحمراء عبر الأنسجة، وبسب ذلك ترتفع حرارة القشور النانوية. وتخلق فتحات مسامية في غشاء الخلايا السرطانية فتلتحم بها وتسبب موتها".

وتضيف جنيفر ويست: "إن ذلك تطبيق مدهش للنانو- تكنولوجيا. وقد رأينا حالات شفاء كامل من الأورام في الفئران والحيوانات المعملية الأخرى التي كنا نجري تجاربنا عليها، ومنها ما عاش لشهور وشهور دون أن تعود الأعراض التي كان يعاني منها إلى الظهور".يتوقع العلماء أن تصبح النانو-تكنولوجيا في المستقبل القريب جزءا أصيلا من الممارسة الطبية اليومية خاصة في مجال توصيل الدواء. ومع ذلك نجد جنيفر ويست تحذر من أن ذلك لن يحصل في القريب العاجل إذ تقول: "لا زلنا على مبعدة عدة عقود من تلك الآلات الدقيقة التي تسبح عبر أجسامنا لتقاتل البكتيريا والفيروسات وتحول كل البشر إلى مخلوقات صحيحة معافاة".
فيروسات في حجم الديناصورات!
قام العلماء بتكبير صور الدقائق والجسيمات والكائنات المتناهية في الصغر كالبكتيريا والفيروسات إلى أحجام تصل لحجم ملعب كرة القدم. وتمكنوا عن طريق تقنيات متقدمة؛ من رؤية المناظر بطريقة طبيعية ثلاثية الأبعاد والتفاعل معها، بل لقد قام أحدهم بوخز بعض البكتريا الموحلة في بعض الأوساط الغذائية ووخز أنابيب الكربون التي لا يتعدى حجمها النانومتر (النانو = جزء من البليون من المتر).
وأطلق على الآلة الجديدة " نانومانيبيولاتور"nanoManipulator)) أو المعالج النانومتري، ومكنت هذه الآلة الحديثة العلماء من السباحة في عالم متناه في الصغر، عن طريق ارتداء منظار خاص. وتقبع النسخة الأكثر تقدّما من النانومانيبيولاتور في قسم الفيزياء بجامعة نورث كارولينا في "تشابل هل". ولقد تم استخدام أحدث التقنيات المتقدمة في العالم اليوم لابتكار هذا الجهاز(أحدث تقنيات الحقيقة الافتراضيّة وأحدث مسبر (مجس) حسيّ دّقيق، الذي سمح للعلماء أن يلمسوا ويشعروا بجزيئات متناهية الصغر).
يقول "إيرك هينديرسون" الأستاذ في جامعة ولاية إيوا بعد زيارته لحرم الجامعة لاختبار جهاز "النانومانيبيولاتور": هذا الجهاز يشعرك بأنك تطير بين الجزيئات، ويجعل الكروموزومات تبدو هائلة مثل حجم سلسلة جبال. ويقول "ريتشارد سوبرفاين" أستاذ الفيزياء في جامعة نورث كارولينا، الذي أشرف على الفريق المطوّر لجهاز "النانومانيبيولاتور": إنّ لديه غرضا عمليّا أهم للباحثين وهو يتمثل في توفير الوقت والجهد والمال؛ حيث يمكنهم هذا الجهاز من عمل تجربة ما؛ يلاحظون ويلمسون نتائجها فورًا ويشاهدون مفرداتها على الطبيعة في ثوان معدودة.



كيف تطوّر النانومانيبيولاتور؟!

“النانومانيبيولاتور" هو ثمرة تعاون بين باحثي العلوم الطّبيعيّة ومجموعة من خبراء علم الكمبيوتر. ولقد بدأ العمل الفعلي لإنتاجه في نهايات الثمانينيات، عندما بدأ العلماء العمل على تطوير نوع جديد لمجهر سُمي "بالمجهر المسبر الماسح". وبدلاً من استعمال أمواج الضوء أو الإلكترونات لفحص عيّنة ما وتكوين صورة محسوسة لها، يقوم هذا المجهر بتحسس العيّنة مباشرةً عن طريق مسبرّ متناه في الصغر؛ يتمثل في نقطة لا يتعدى حجمها حجم الجزيء. ويمسح هذا المجس سطح العيّنة برقّة؛ مثلما يقرأ العميان بأصابعهم على طريقة بريل. وتظهر النتيجة في الحال على هيئة صورة مجسمة ثلاثية الأبعاد يمكن تكبيرها إلى أحجام تزيد عن المليون ضعف؛ بالرغم من أنها لا يزيد حجمها الأصلي عن بضع من النانومترات.

بدأ "روبينيت وارين" باحث علم الكمبيوتر في جامعة نورث كارولينا العمل الفعلي في هذا المشروع في أوائل التسعينيات عندما كان يبحث عن طريقة لاستعمال تكنولوجيا الواقع الافتراضيVirtual Reality) )، وقد كلّف "روبينيت" طالبا للدّراسات العليا بالعمل على إيجاد وسيلة تطبيقية لهذا المجال. ثم تطور المشروع ليصبح مشروعا مشتركا بين عدة أقسام علمية في جامعة نورث كارولينا.



يتضمن النانومانيبيولاتور آلة مشيرة تبدو مثل عصا قيادة السيارات، وتتصل هذه الآلة بكمبيوتر شخصيّ مزود ببطاقة رسم بيانيّ متقدمة للغاية، تقوم بتحويل بيانات المجهر لتعرضها على هيئة صورة ثلاثية الأبعاد ذات ألوان متعدّدة، ويمكن هذا المجس الدقيق العلماء من أن يلمسوا ويشعروا بمعالم الأشياء الصغيرة التي يدرسونها، ولقد شعر العلماء بالحوافّ الصّغيرة والفجوات المتواجدة في جزيئات البروتين، وبلزوجة بعض أنواع البكتريا الممرضة. كما استطاع الفيزيائيّون دراسة أنابيب الكربون الدقيقة أو النانوتيوب nanotubes) ) التي قد تشكّل أجزاء للآلات الإلكترونيّة الصغيرة والماكينات يومًا ما. ولقد شاهد الكيمائيون شجار الذّرّات داخل أنابيب الكربون الدقيقة، مما حدا بهم بالتفكير في عمل محركات صغيرة عن طريق حث هذه الأنابيب لتتحرك مثل أسنان التّرس.
ويقول "سين واشبرن" أستاذ فيزياء وعلوم الموادّ في جامعة نورث كارولينا: إنّ فريق النانومانيبيولاتور قد تعلّم كثيرا من القواعد الفيزيائية التي تحكم حركة الجسيمات الدقيقة، على سبيل المثال الجزيئات الصغيرة لا تتأثر بالجاذبيّة، ولكنهاّ تتأثر بشدة بالقوانين الفيزيائية الأخرى مثل اللّزوجة.

تكنولوجية النانو وعلاج السرطان

يمكن للأجهزة الدقيقة أن تعمل بشكل جذري على تغيير علاج السرطان إلى الأفضل وان تزيد بشكل كبير من عدد العناصر العلاجية، وذلك لأن الوسائل الدقيقة، على سبيل المثال يمكن أن تعمل كأدوات مصممة حسب الطلب تهدف لتوصيل الدواء وقادرة على وضع كميات كبيرة من العناصر الكيميائية العلاجية أو الجينات العلاجية داخل الخلايا السرطانية مع تجنب الخلايا السليمة وسوف يعمل ذلك بشكل كبير من تخفيض أو التخلص من المضاعفات الجانبية السلبية التي تصاحب معظم طرق العلاج الحالية للسرطان.

وهناك مثال جيد من العالم البيولوجي وهي كبسولة الفيروس، المصنعة من عدد محدد من البروتينات، كل منها له خصائص كيميائية محددة تعمل معا على إنشاء وسيلة متعددة الوظائف دقيقة لتوصيل المواد الجينية. سوف تعمل تكنولوجية التصغير على تغيير أساس تشخيص وعلاج والوقاية من السرطان، ومن خلال الوسائل الدقيقة المبتكرة القادرة على القيام بوظائف طبية بما في ذلك الكشف عن السرطان في مراحله المبكرة وتحديد موقعه في الجسم وتوصيل الأدوية المضادة للسرطان إلى الخلايا السرطانية وتحديد إذا كانت هذه الأدوية تقتل الخلايا السرطانية أم لا.




تطوير خطة تكنولوجية التصغير لمعالجة السرطان

تقوم خطة تكنولوجية التصغير لمعالجة السرطان على تزويد دعم مهم في هذا المجال من خلال مشاريع داخلية وخارجية ومعمل لتوحيد مقاييس التكنولوجية الدقيقة الذي سوف يعمل على تطوير معايير هامة لأجهزة ووسائل التكنولوجية الدقيقة التي سوف تمكن الباحثين من تطوير واجهات عمل متعددة الوظائف وتقوم بمهام متعددة.
قنابل نانوية لتفجير الخلايا السرطانية
طور علماء من مركز السرطان (ميموريان كيتيرنج) الأمريكي قنابل مجهرية ذكية تخترق الخلايا السرطانية، وتفجرها من الداخل. استخدم العلماء بقيادة (ديفيد شينبيرج) التقنية النانوية في إنتاج القنابل المنمنمة، ومن ثَم استخدامها في قتل الخلايا السرطانية في فئران المختبر. وعمل العلماء على تحرير ذرات مشعة من مادة (أكتينيوم 225) ترتبط بنوع من الأجسام المضادة من (قفص جزيئي)، ونجحت هذه الذرات في اختراق الخلايا السرطانية ومن ثم في قتلها.
وأكد (شينبيرج) أن فريق العلماء توصل إلى طريقة فعالة لربط الذرات بالأجسام المضادة ومن ثَم إطلاقها ضد الخلايا السرطانية. واستطاعت الفئران المصابة بالسرطان أن تعيش 300 يوم بعد هذا العلاج، في حين لم تعِش الفئران التي لم تتلقَّ العلاج أكثر من 43 يوماً.
وتوجد في كل (قنبلة) خلية ذات عناصر إشعاعية قادرة على إطلاق ثلاث جزيئات عند اضمحلالها. وكل جزيئة من هذه الجزيئات تطلق ذرة (ألفا) ذات الطاقة العالية، لذلك فإن وجودها داخل الخلية السرطانية يقلص من احتمال قيام ذرات ألفا بقتل الخلايا السليمة.
وتم تجريب الطريقة على خلايا مستنبَتة مختبرياً من مختلف الأنواع السرطانية التي تصيب الإنسان، مثل الأورام السرطانية في الثدي والبروستاتة وسرطان الدم. وستجرَّب الطريقة أولا في مكافحة سرطان الدم بعد أن تأكد العلماء أن التجارب على الفئران سارت دون ظهور أعراض جانبية.
(النانوبيوتيك).. أحدث بديل للمضاد الحيوي
توصل العلماء الأمريكيون إلى طريقة علمية جديدة لمكافحة البكتيريا القاتلة التي طورت مقاومة ضد المضادات الحيوية، وللبكتريا القاتلة الفتاكة التي طورت مناعة ذاتية للمضادات الحيوية، والبكتريا المحورة وراثيا المستخدمة عادة في الحرب البيولوجية. ويعتبر هذا النوع الجديد من الأدوية الذكية بديلا غير مسبوق للمضادات الحيوية، ويساعد على حل مشكلة مقاومة هذه الأنواع البكتيرية للأدوية.
ومن المعروف أن الجراثيم نشطت المقاومة للأدوية؛ بسبب إفراط المرضى في استخدام المضادات الحيوية، وعدم إدراك الأطباء لقدرة البكتيريا الكبيرة على تطوير نفسها لمقاومة المضادات الحيوية، كما تدخلت علوم الهندسة الوراثية والمناعة والكيمياء الحيوية في هندسة بعض الكائنات وراثياً بحيث لا تؤثر فيها المضادات الحيوية، كما لا تؤثر فيها الطعوم أو اللقاحات التي تم تحضيرها بناء علي التركيب الجيني للكائنات الطفيلية المُمرِضة العادية . وكانت منظمة الصحة العالمية قد أصدرت مؤخراً تحذيراً من أن جميع الأمراض المُعدية تطور مناعة ضد المضادات الحيوية بصورة منتظمة.
مخاوف حول التأثيرات الممكنة على الصحة الإنسانية والبيئة:
إيريك دريكسلر Eric Drexler العالم الذي وضع أسس النانو تكنولوجي حذر من التطوير القوي جداَ والتقنيات الخطيرة،في كتابه Engines of Creation ،تصور دريكسلر بأن الجزيئات الذاتية الإستنساخ التي عمل بها الناس قد تتجنب سيطرتنا. ولو أن هذه النظرية أساءت إلى سمعة الباحثين في هذا الحقل على نحو واسع،والعديد من المخاوف تبقى بخصوص تأثير النانو تكنولوجي على الصحة الإنسانية والبيئية بالإضافة إلى تأثير الصناعة الجديدة. يقلق النشطاء بإن العلم وتطوير النانو تكنولوجي سيتقدمان سريعاَ ويستطيعان إبتكار الإجراءات التنظيمية المناسبة.