Kuantum Fiziği ve İlaçlar

Kuantum fiziği, geçtiğimiz yüzyılda ortaya çıkan ve bilim dünyasında çığır açan bir bilim alanı. Farkına olmasak da hayatımızın her alanında karşımıza çıkıyor kuantum fiziği. Peki ilaçlar için durum nasıldır? Kuantum fiziğinin kullanıldığı ilaç formülasyonları var mıdır?

Kuantum fiziği, günümüz dünyasında kullandığımız birçok şeyde önemli rol oynayan bir bilim dalıdır. Akıllı telefonlardan bilgisayarlara, iletişim teknolojilerinden mr cihazına kadar birçok teknoloji bu alandan yararlanıyor (1). Hatta yararlanmanın “gözünü” çıkartıp insanları kandırmak için bile kullanılıyor kuantum kelimesi. İşte bu kadar geniş bir kullanım alanı varken tabii ki de farmakoloji alanı da kuantum fiziğinden nasibini almıştır. Son zamanların moda konularından olan nanoteknolojik ilaç formülasyonları bu konuya kenarından dokunur. Bugün sizlere basit bir şekilde nano ilaçların nasıl çalıştığını ve kuantum fiziği dünyasının akıl almaz gerçeklerini nasıl kendimize yarar sağlayacak şekilde kullandığımızı göstereceğim.

Nano dediğimiz şey herhangi bir birimin milyarda biri, 10^-9’u anlamına gelir. Örneğin metrenin milyarda biri nanometre, gramın milyarda biri nanogramdır. Böyle anlatınca nasıl bir boyut olduğu, ne kadar küçük bir birimden bahsettiğimiz anlaşılmıyor olabilir. Şöyle örnek verelim; bir kum tanesi 1mm yani 10-3 metredir. Bundan 10 kat aşağı indiğimizde bir saç telinin çağı olan 100 mikromekteyi görebiliriz. 10 kat daha inersek 10 mikrometrelik kırmızı kan hücreleri, diğer bir deyişle akyuvarları görürüz. 1 mikrometreye indiğimizde ise bakteri hücrelerini görüyoruz. Şu an 10^-6 metredeyiz. Daha önümüzde 1000 katlık bir mesafe var nanometre için. 10’-7 yani 100 nanometreye geldiğimizde ise virüsleri görüyoruz. 10 nanometre civarlarında ise DNA ve diğer moleküller, 1 nanometrede ise küçük molekülleri görüyoruz. İşte nanoteknoloji çoğunlukla 100 nanometrenin altındaki materyallerle çalışıyor.

National Nanotechnology Initiative, nanoteknolijiyi büyüklüğü 1-100 nanometreye kadar olan maddenin kontrolü olarak tanımlıyor. Bu tanımın bu şekilde yapılmasının gerekliliği, kuantum mekaniğinin etkilerini bu büyüklüklerde göstermeye başlamasından geliyor. Nanoteknoloji ilk defa Richard Feynman tarafından “Dipte çok fazla yer var” diye Türkçeye çevirebileceğimiz “There’s Plenty of Room at the Bottom” isimli konferansında tartışılmaya başlanmıştır. Nanoteknoloji terimi ise ilk kez 1974’te Norio Taniguchi tarafından kullanılmıştır. Gördüğünüz gibi daha çok genç bir bilim alanı olan nanoteknoloji son 10-20 yıldır ivmesini artırıp bize hizmet sunmaya başlamıştır. Tıp, inşaat, elektronik gibi birçok alanda kullanılan nano materyaller, moleküler ve DNA nanoteknolojisi, mikroişlemciler, biyonanoteknoloji gibi birçok alan var nanoteknolojide. Bir de nanorobotlar var ki ismi en karizmatik olanı bu sanırım. Bunlara nanobot da deniyor. Hatta şarkısı bile var -Şarkı- İnşallah telif yemem bundan dolayı.

Her neyse bugün bizim bakacağımız şeyler ile nanoteknolojik ilaçlar. Bu ilaçlarla yapabileceğimiz şeyler arasında spesifik hedeflenen bölgelere ilaçların taşınması, daha güvenli ilaçların üretilmesi, gelişmiş farmakokinetik gibi yararlar var. Bugün size üç farklı nanoteknolojik ilaç formülasyonundan bahsedeceğim.

Taşıyıcı Nanopartiküller

Bunlar içerisine ilaç moleküllerinin hapsedilmesi ile çalışan bir nevi kapsül görevi gören nano boyutlardaki maddelerdir. Dendrimerler, lipozomlar, nanoemülsiyonlar, nanosüspansiyonlar gibi birçok farklı çeşidi vardır taşıyıcı nanopartiküllerin. Kısaca bu teknolojinin mantığı, ortasında boşluk olan yapının içerisine ilaçların konulması şeklindedir. Bunun avantajları ise çok küçük boyutlarda oldukları için bütün biyolojik zarlardan geçebilme, vücudun bazı ilaçları uzaklaştırdığı retiküloendotelyal sistem gibi sistemlerden kaçınabilmesi ve en önemlisi de, kapsülün etrafının istenildiği gibi modifiye edilebilmesidir. Örneğin sadece hastalıklı yere gitmesini, mesela bir kanser hücresine gitmesini istediğimiz bir ilacı bu kapsüllere dolduduktan sonra, kapsülün etrafını sadece o hücreye yapışan bir materyal ile kapladığımız zaman, ilaç sadece o kanserli dokuya gidecektir ve teorikte başka hiçbir yere gitmeyeceği için yan etkisi de çok az olacaktır (2, 3, 4).

Fototermal Terapi

Fototermal terapide ise vücuda verilen bu nanopartiküller, belirlenen hedefe ulaştıktan sonra dışarıdan kanserli bölgeye lazer ışını gönderilmesi ile bu partiküllerin enerjisi artırılır. Bunun sonucunda da kanserli hücrelerin sıcaklığı artar. Bu sıcaklık artışı sonucunda da kanserli hücrelerin ölümü gerçekleşir. Nanopartiküllerin sadece kanserli hücreleri hedefleyip orada birikmesi de bu sıcaklık artışı ve ölümün sadece kanserli hücrelerde olmasını sağlar. Kanser tedavisinde kullanılan diğer ışın tedavilerinin aksine burada sadece kanserli hücrenin enerjisi artırıldığı için sadece kanserli hücrelerin ölümünün sağlanması hedeflenmektedir (5, 6).

Kuantum Noktaları

Son bahsedeceğim ve belki de en ilginç olan nanoteknolojik ilaç formülasyonu ise kuantum noktaları. Burada da yine aynı taşıyıcı nanopartiküllerdeki gibi ilaç taşınması söz konusu. Ama bu teknolojide kuantum mekaniğinin ilginç özelliklerinden birini kullanarak ilacımıza ışıma yaptırabiliyoruz ve vücutta nerede olduğunu bu ilacın kolay bir şekilde görebiliyoruz. Hatta hemen anlamanız için şöyle bir örnek göstereyim. Bakın burada bu kuantum noktaları alan bir fareyi görüyorsunuz (6). Enjekte edilen kuantum noktaları ultraviyole ışınlar ile temas edince bu şekilde bir görüntü alabiliyoruz ve ilacın nerede olduğunu basit bir şekilde görebiliyoruz. Burada da farklı kuantum noktalarının yapmış olduğu farklı ışımalar mevcut (7). Farklı şekillerde hazırlanan kuantum noktaları farklı dalga boylarında ışıma yapıyor ve bu şekilde birden fazla ilacın da nerede olduğunu izleyebiliyoruz.

Kuantum noktası dediğimiz şey çok küçük boyutlarda yarı iletken maddelerdir. Bu küçük boyutlar nedeniyle iletkenlik ve optik özellikleri diğer maddelerden ayrılır. Bunlara bazı kaynaklarda yapay atomlar da denir. Normalde bir yarı iletken bir fotonla uyarıldığı zaman, elektronlardan biri bir yörünge yükseğe geçiş yapar ve ardında bir delik, bir boşluk bırakır. Bu boşluk ve yer değiştirmiş elektrona eksiton denir. Eksiton oluşurkenki mesafeye ise eksiton Bohr yarıçapı denir. Bunlardan birazdan bahsedeceğim. Bu elektron kendi yörüngesine tekrar geri geldiği zaman ise sahip olduğu enerjiyi ışık olarak dışarıya yansıtır, işte bu gördüğümüz farklı renkteki ışıklar bundan kaynaklanır.

Biz ise bu yarı iletkenlerin kristal yapılarını, moleküler yapılarını öyle küçültüyoruz ki, bu eksiton bohr yarıçapından daha küçük mesafelerle birbirine yakın atomlardan oluşuyor bu moleküller. Örneğin bir karbon yarı iletkeninin eksiton Bohr yarıçapı 18,8 nanometre iken, biz 10 nano metre boyutlarda birbirine yakın atomları dizerek karbon kuantum noktaları oluşturabiliyoruz. Böylece ne oluyor, UV ışın ile uyarıldığında bizim maddemiz normalde olması gerektiğinden çok daha yakın bir yerde durmaya başlıyor ayrılan elektron. Bir nevi eski yerine daha yakın olmaya zorluyoruz elektronu. Bu nedenle çok daha fazla bir enerjiye sahip oluyor ve farklı dalga boylarında ışınımlar yapıyor. İşte bu şekilde moleküllerle istediğimiz gibi oynayarak farklı enerjilerde, farklı dalga boylarında ışınımlar yapmasını sağlayabiliyoruz.

Peki bunda kuantum fiziği nerede diye soracak olursanız, açıkçası onu ben de tam anladığımı söyleyemem. Ama ne demiş ünlü bilim insanı Niels Bohr; “Kuantum teorisi karşısında hayrete düşmemiş bir kimse, onu anlamamış demektir.”. Bir de “Kuantum fiziğini anlayamazsınız, ona sadece alışabilirsiniz.” diye bir söz var ama kim söylemiş tam belli değil sanırım. Ben de büyük bir öz güvenle, günlerce araştırma yapmış olmama rağmen anlamadığımı sizlere söylemek istiyorum. Ama şunlardan bahsedebilirim, kuantum mekaniğinin geçerli olduğu nano boyutlarda maddeler kuantum durumuna geçip bizim bildiğimiz fizik kanunlarından çok daha farklı şeyler yapabiliyorlar. Çok basitleştirirsek aynı anda birkaç yerde birden bulunma, hem sağa dönerken hem de sola dönme, bir yerde hem var olurken hem de olmama gibi. Biz de bu elimizdeki moleküllerin atomlarını eksiton bohr yarıçapından daha yakın olacak şekilde birleştirdiğimizde, eksitonları, yani yer değiştiren elektron ve onun bıraktığı boşluğu kuantum durumuna girmeye zorluyoruz. Bu durumlardan birisi olan excited (heyecanlı) duruma getiriyoruz yani. Zaten bu yüzden bunlara eksiton deniyor. Normalden daha yüksek enerjili bir durum olduğu için de geri dönerken yüksek enerjili ışıma yapabiliyor. Bu ışımanın enerjisini de bizler manipüle edebildiğimiz için de ister kırmızı ister mavi ışıma yaptırabiliyoruz.

Mesela hepimizin bildiği MR cihazları da benzer şekilde çalışır. İçerisindeki nano boyutlardaki parçacıklar kuantum durumuna sokularak yükse bir elektromanyetik enerji salınımı yapması sağlanıyor ve bu enerjinin dokularımız tarafından soğurulmasıyla ortaya bir tablo çıkıyor.

İşte bu şekilde, tıp ve farmakoloji alanında fizik ve kuantum fiziği de bu şekilde kullanılabiliyor. Bu yüzden sürekli derim ki, kendi alanımızı iyi öğrenmemiz, diğer alanlar hakkında da bilgi sahibi olmamız gerekiyor. Çünkü devir multidisipliner olma devri. Artık bütün bilim alanları birbiri ile iç içe. Bu yüzden az da olsa böyle gelişmelerden haberdar olmak bizler için çok iyi olacaktır.

Kaynaklar ve İleri Okuma:

  1. http://scivenue.com/2018/03/08/quantum-physics-applications/
  2. Jaison Jeevanandam, Yen San Chan, Michael K. Danquah Nano-formulations of drugs: Recent developments, impact andchallenges 2016
  3. Satomi Onoue, Shizuo Yamada, Hak-Kim Chan – Nanodrugs: pharmacokinetics and safety,  International Journal of Nanomedicine – 2014
  4. Orhan Ayata, Kadem Cem Haberal, Gönül Or, Ceren Polat, Algan Turgut – Lipozomların Tıpta Kullanımı
  5. https://www.youtube.com/watch?v=57RAsvs3AYs
  6. https://www.nature.com/articles/ncomms4796
  7. https://www.sciencealert.com/ancient-chinese-calligraphy-ink-could-hold-the-key-to-killing-cancer-cells
  8. https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2933.php
Avatar

Osman Karakuş

Gazi Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Farmakoloji AD -Benim hayat amacım bir gökkuşağı çizmek. Bunu yapabilmek için kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi, lacivert ve mor kalemlere ihtiyaç var. Ama benim elimde sadece siyah kalem var. Bu yüzden ben de "Gökkuşağı nasıl çizilir"i yazmaya başladım.

Bunları da sevebilirsiniz

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir