Cảm biến sinh họ ứng dụng trong hẩn đoán sớm bệnh alzheimer

+ Bộ chuyển đổi được sử ụng để ến đổ d bi i các tín hi u hóa hệ ọc, hóa sinh được sinh ra t ừ các tương tác của chất cần phân tích với đầu thu sinh học thành các tín hiệu điện.. Trong cơ

- NGUYỄN KIẾN THẠCH

CẢM BIẾN SINH HỌC ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN SỚM BỆNH ALZHEIMER

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

TS Trương Thị Ng ọc Liên, ngườ i th ầy đã tận tình giúp đỡ hướ , ng d n và t o m i ẫ ạ ọ điề u ki n thu n l i trong công vi ệ ậ ợ ệc cũng như trong cuộ c s ng giúp tôi hoàn thành ố

t t lu ố ận văn này.

Tôi xin chân thành g ử i lờ ảm ơn tớ i c i các th y cô, các anh ch Phòng thí nghi m ầ ị ệ

V ậ t liệu điện tử, Phòng Vật lý đo lườ ng - Vi ệ n vật lý kỹ thu t, ậ trường Đạ i học Bách Khoa Hà N ội đ ạ ã t o m ọi điề u ki n v ệ ề ật tư, trang thiế v t b và t ị ận tình giúp đỡ tôi trong công tác nghiên c u, h ứ ọ c tập tại trường

Tôi xin chân thành c ảm ơn TS Vũ Công Hả o và các anh ch ị trong Phòng Khoa

h ọ c và Công nghệ, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, đã tạo mọi điều kiện về ời th gian và công s ức giúp đỡ tôi trong su t th i gian h ố ờ ọ c tậ p và nghiên c u v a qua ứ ừ Tôi xin chân thành c ảm ơn các thầ y cô và anh ch ị thu ộ c Vi n V t Lý K ệ ậ ỹ Thu t, ậ trường Đạ i h c Bách Khoa Hà N i, nh ọ ộ ững người đã tậ n tình d y d và có nh ng ạ ỗ ữ góp ý quý báu giúp tôi hoàn thành t t lu ố ận văn tố t nghi p này ệ

Tôi xin chân thành c ảm ơn các thành viên trong nhóm Biosensors t i Vi n V ạ ệ ậ t

lý k ỹ thu ật, Đạ i h c Bách Khoa Hà N ọ ội đã có nhữ ng chia s ẻ và giúp đỡ tôi trong

su t quá trình h ố ọ c tậ p và nghiên c u t ứ ại trườ ng

Cu ố i cùng, con xin dành lờ ảm ơn ới gia đình và bạn bè tôi, những người i c t luôn đồ ng hành cùng tôi trong su t th i gian qua ố ờ

Hà N i, ngày 25 ộ tháng 12 năm 2013

H c viên ọ

Nguyễn Kiến Thạch

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

2

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên c u c a riêng tôi Các k t qu ứ ủ ế ảtrong luận văn là trung thực và chưa từng công b trong b t k m t công trình nào ố ấ ỳ ộ

Tác gi ả

Nguy ễ n Kiến Thạch

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

Hình 1.3 Ả nh mô phỏng tế bào nơ ron thần kinh a) Nơ ron của người bình thường; b) -

-Nơ - ron của người bị ệnh Alzheimer với các mảng lão hóa Amyloid và đám rối sợi thần b kinh [9] 16

Hình 1.4. Chu ỗ i peptite của Aβ và vị trí củ a nó ở trên APP [21] 23

Hình 1.5 Mô phỏng hai cơ chế phân giải APP a) Phân giải không phải do gen amyloid (Non Amyloidogenic); b) Phân gi i do gen amyloid (Amyloidogenic)[21] 24 ả Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý c u t o chung c a m t h cả ấ ạ ủ ộ ệ m bi n sinh h c 27 ế ọ

Hình 2.2. Mô hình c u trúc liên k ấ ế t củ a kháng th - kháng nguyên 29 ể

Hình 2.3.Cơ chế ho ạt độ ng c ủa enzyme đóng vai trò như mộ t ch t xúc tác sinh h c 30 ấ ọ

Hình 2.4. Mô hình c u trúc c ấ ủ a DNA và RNA 31

Hình 2.5 Các phương pháp cố định đầ u thu lên trên bề ặt cảm biế m n 1 Hấp thụ ật lý, v 2.Liên k ế t cộ ng hóa tr , 3 B y, 4.Liên k ị ẫ ế t chéo giữ a các phân t , 5 Hóa r n [16] 36 ử ắ

Hình 2.6.Sơ đồ nguyên lý của cảm biế n sinh h ọ c dòng: a) cảm biế n sinh h c dòng lo ọ ạ i thứ

nh t, b) c ấ ả m biế n sinh h c dòng c a lo ọ ủ ạ i thứ hai.[25] 40

Hình 2.7.Mô hình của một cảm biến điện hóa sử ụng ISE a) ISE thông thường với lớ d p chuy n ti p l ng b) ISEs v ể ế ở thể ỏ ớ i lớ ế p ti p giáp r n [25] 42 ắ

Hình 2.8.Các dạng điện cực in lưới: (a) hệ 2 điệ ực; (b) ệ 3 điệ ự n c h n c c 44

Hình 2.9: Cấ u trúc c a m ủ ảng in lưới 8 điệ n c c và phân b c ự ố ủa các điệ n c c làm vi c 45 ự ệ

Hình 2.10: Vi ả nh c a c m bi n vi m ng Các ch ủ ả ế ả ấm sáng là các điệ n c c platin 46 ự

Hình 3.1. u di n vector Fresnel trong m t ph ng ph c 50 Biể ễ ặ ẳ ứ

Hình 3.2. T ậ p hợp điểm M trên mặt phẳng Nyquist tạo nên đường phổ ổng trở đặc trưng t cho h ệ khả o sát 51

Hình 3.3. M ạch tương đương Randles củ a c ả m biến điện hóa thông thườ ng 52 Hình 3.4 a Nguyên lý trao đổi điệ n tích c a c m bi n sinh h c đi ủ ả ế ọ ện hóa xác đị nh kháng

th ể ; b ph t ng tr ổ ổ ở tương ứ ng v ớ i m ạch tương đương Randles 53

Hình 3.5.Điệ n c ực điệ n hóa cacbon (DEP chip) 56

Hình 3.6. H AutoLab PGSTAT 12 56 ệ

Hình 3.7. Quy trình công ngh t o c ệ chế ạ ảm biến Mab Amyloid β/ pyrenyl/ DEP chip 57

Hình 3.8. Quy trình công ngh t o c ệ chế ạ ảm biến Mab Amyloid β/ SAM/ DEP chip 59

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

4

Hình 3.9 Ảnh SEM của các điện cực in cacbon đượ c bi n tính b ng h t vàng có kích ế ằ ạ thướ c nano s d ử ụng phương pháp quét thế vòng CV (t - ừ 0,6 đế n +0,5V v ới điệ n c c chu n ự ẩ Ag/AgCl) với số vòng khác nhau a) 10 vòng; b) 15 vòng; c) 20 vòng 60

Hình 3.10 Đặc trưng dòng - thế ủa phương pháp CV với 10 vòng quét, tố ộ c c đ quét 50mV/s, d i quét t -0,6 V ÷0,5 V 60 ả ừ

Hình 3.11.Sơ đồ ấ c u trúc phân t axit 16-mercaptohexadecanoic (MHDA) 61 ử

Hình 3.12.Sơ đồ mô tả quá trình xử lý NHS EDC và cố định kháng thể lên hạt nano vàng 62

-Hình 3.13.Quy trình công nghệ chế ạo cảm biến Mab Amyloid β/ protein G SAM/ DEP t - chip 63

Hình 4.1.Phổ ổng trở ứng với nồng độ kháng nguyên Amyloid β t (1-40) khác nhau của cảm

bi ến Mab Amyloid β/ pyrenyl/ DEP chip 65

Hình 4.2. Đường đặc trưng chuẩn của cảm biến Mab Amyloid β/ pyrenyl/ DEP chip với

R CT như mộ t hàm c a n ủ ồng độ kháng nguyên Aβ (1-40) 67

Hình 4.3 Phổ ở tr kháng ph c ng v i s vòng quét khác nhau c a c m bi ứ ứ ớ ố ủ ả ến đượ c ch t o ế ạ theo quy trình ch t o c ế ạ ả m biế n B 69

Hình 4.4 Phổ trở kháng phức ứng với nồng độ kháng nguyên Amyloid β (1-40) khác nhau

c a c ủ ả m biến Mab Amyloid β/ SAM/ DEP chip 70

Hình 4.5. Đường đặc trưng chuẩn của cảm biến Mab Amyloid β/ SAM/ DEP chip với R CT

như mộ t hàm c a n ủ ồng độ kháng nguyên Aβ (1-40) 72

Hình 4.6 Phổ trở kháng phức ứng với nồng độ kháng nguyên Aβ 1-42 khác nhau của cảm

bi ến Mab Amyloid β/ protein G - SAM/ DEP chip 73

Hình 4.7 Đường đặc trưng chuẩ n của cảm biến Mab Amyloid β/ protein G SAM/ DEP - chip với R CT như mộ t hàm c a n ủ ồng độ kháng nguyên Aβ (1-42) 75

Hình 4.8 Đườ ng đặc trưng chuẩ n của Mab Amyloid β/ protein G SAM/ DEP chip với -

R CT như mộ t hàm c a n ủ ồng độ BSA 76

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

6

DANH MỤC CHỮ Ế VI T TẮT

APH: anterior pharynx-defective

APOE: apolipoprotein E

APP: Amyloid precursor protein

BACE: β-site APP cleaving enzyme

BSA: Bovine serum albumin

CT: Medical imaging with computed tomography

DEP chip: Disposable Electrochemical Printed

DMSO: Dimethyl Sulfoxide

DNA: DeoxyriboNucleic Acid

EDC: 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide

EIS : Electrochemical Impedance Spectroscopy

FDA: Food and Drug Administration

IUPAC: Internatonal Union of Pure and Applied Chemistry

LOD: Limit of detection

Mab : Mono Antibody

MHDA: 16-Mercaptohexadecanoic acid

MRI: Magnetic resonance imaging

NHS: N-hydroxysulfosuccinimide

PBS: Phosphate Buffered Saline

PET: positron emission tomography

PiB: the Pittsburgh Compound B

QCM : Quartz crystal microbalance

RNA: RiboNucleic Acid

SAM: Self-Assembled monolayer

SEM: Scanning Electron Microscop

SPCEs : Screen-printed carbon electrodes

SPECT: single photon emission computed tomography

WHO: World Health Organization

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

7

M Ụ C LỤ C

Lời cảm ơn 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

DANH MỤC CHỮ VIẾT T T 6Ắ M Ở ĐẦU 10

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ Ệ B NH ALZHEIMER VÀ AMYLOID BETA 12

1 T ng quan v bổ ề ệnh Alzheimer 12

1.1 Các giai đoạn phát tri n c a b nh 13ể ủ ệ 1.2 Nguyên nhân 15

1.3 Phòng chống và chăm sóc 18

2 Các phương pháp chẩn đoán và điều tr b nh Alzheimer 20ị ệ 2.1 Các phương pháp chẩn đoán 20

2.2 Các phương pháp điều tr 21ị 3 Protein Amyloid Beta 23

CHƯƠNG II CẢM BI N SINH HỌC ĐIỆN HÓA 26Ế 1 C m bi n sinh h c 26ả ế ọ 1.1 Tác nhân phát hi n 27ệ 1.2 u thu sinh h c 28Đầ ọ a Kháng th /kháng nguyên 28ể b Enzyme 29

c Axit Nucleic/DNA, RNA 30

d T bào hoế ặc các mô tế bào 32

e Chất mô ph ng sinh h c 32ỏ ọ 1.3 B chuyộ ển đổi 33

a Chuyển đổi điện hóa 33

b Chuyển đổi quang 33

c Chuyển đổi áp điện 34

d Chuyển đổi nhi t 35ệ e Chuyển đổi vi cơ 35

1.4 Các phương pháp cố đị nh thành ph n sinh hầ ọc lên vật liệ ắu r n 36

a Hấp th v t lý 36ụ ậ

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

8

b Liên kết cộng hóa tr 37ị

c Bẫy 38

d Liên k t chéo gi các phân t 38ế ữa ử e Hóa rắn 38

2 C m biả ến điện hóa 39

2.1 C m bi n sinh hả ế ọc đo dòng 39

2.2 C m bi n sinh hả ế ọc đo thế 40

2.3 Cảm b ếi n sinh học đo độ ẫ d n 42

3 Công ngh n cệ điệ ực in cacbon 43

4 ng d ng cỨ ụ ủa cảm bi n sinh h c 46ế ọ 4.1 Chẩn đoán bệnh trong y t ế và chăm sóc sức khỏe 47

4.2 Qu n lý chả ất lượng thực phẩm 47

4.3 Quản lý môi trường 48

CHƯƠNG III CHẾ Ạ T O CẢM BI N CẢẾ M BIẾN ĐIỆN HÓA PHỔ Ổ T NG TRỞ PHÁT HIỆN AMYLOID β(1-40) VÀ AMYLOID β(1-42) 49

1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện hóa ph t ng tr 49ổ ổ ở 1.1 Ph t ng tr ổtrở ổ ở(EIS Electrochemical Impedance Spectroscopy)– 49

1.2 C m bi n sinh hả ế ọc điện hóa ph t ng tr 51ổ ổ ở 2 Công ngh t o 55ệchế ạ 2.1 Hóa chất và thiết bị 55

a Hóa chất 55

b Thiết bị 56

2.2 Công ngh t o 57ệchế ạ a Cảm biến Mab Amyloid β/ pyrenyl/ DEP chip 57

b C m biả ến Mab Amyloid β/ SAM/ DEP chip 58

c Cảm biến Mab Amyloid β/ protein G - SAM/ DEP chip 63

CHƯƠNG IV KẾT QU VÀ THẢO LUẬN 64Ả 1 Đặc trưng phổ ổ t ng tr ởEIS 64

2 Hoạt động của cảm biến Mab Amyloid β/ pyrenyl/ DEP chip 65

3 C m biả ến Mab Amyloid β/ SAM/ DEP chip 68

a Ảnh hưởng của mật độ AuNPs t i hi u su t cố địớ ệ ấ nh kháng th 68ể b.Hoạt động của cảm biến Mab Amyloid β/ SAM/ DEP chip 70

4 C m biả ến Mab Amyloid β/ protein G - SAM/ DEP chip 73

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

9

5 Ảnh hưởng của nồng độ BSA đế ến k t qu ả đo phổ ổ t ng tr 76ở

KẾT LUẬN 77TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

10

M Ở ĐẦ U

Hội chứng mất trí là một trong những hội chứng phổ ến đối với xã hội hiện bi

đạ Thông thười ng, h i ch ng m t trí ch x y ra ộ ứ ấ ỉ ả ở người già cao tu i ngoài 65 tu i ổ ổTuy nhiên, với sự phát triển mạnh mẽ ủ c a xã hội hiện đại, h i ch ng m t trí ngày ộ ứ ấcàng phát tri và xuển ất hiện ngay cả ớ v i những người trẻ ổi dướ tu i 45 tu i v i nhiổ ớ ều hình thái bi u hiể ện khác nhau dưới dạng các bệnh như: Alzheimer, hội ch ng Down, ứ

th ể Lewy, Parkinson… Trong đó, ệb nh Alzheimer chiếm tỉ ệ cao nhấ và xảy ra l t ngay c lả ở ứa tuổi dưới 45 tu i ổ

Theo th ng kê cố ủa tổ ứ ch c Y tế th giế ới (WHO), năm 2012 trên thế giới có khoảng 35,6 triệu người mắc ội chứh ng mất trí, trong đó có khoảng 50 75% bệnh -nhân bị m c bệắ nh Alzheimer Con số này d ự đoán ẽ tăng lên gấp đôi vào năm s

2030 (65,7 triệu ngườ và tăng gấi) p 3 lần vào năm 2050 (khoảng 115,4 triệu người) [9] Hàng năm, tổng chi phí dành cho điều tr ị và chăm sóc đối v i b nh nhân ớ ệAlzheimer trên toàn thế giới vào kho ng 600 tả ỉ đô la Số ệ b nh nhân mắc mới Alzheimer tăng ngày càng nhanh là một thách th c lứ ớn đố ới v i xã h i, v i y h c và ộ ớ ọ

v i kinh t toàn c u ớ ế ầ

Alzheimer là căn ệb nh không thể chữa khỏ chưa có liệu pháp điều trị ột cách i, mtriệt để cũng như chưa có quy trình điều trị ụ ể ệnh tiến triển theo tuổi và ngày c th Bcàng tr nên tr m trở ầ ọng như: gây nên chứng mất trí nhớ, thay đổi hành vi và sau đó ngườ ệi b nh d n d n m t ki m soát các hoầ ầ ấ ể ạt động thường ngày c a cơ thể ựủ D a trên

cơ chế phát sinh c a bệủ nh Alzheimer, hi n t i chỉệ ạ có th c i thi n đư c các phương ể ả ệ ợpháp chẩn đoán sớm, điều tr b nh ị ệ và chăm sóc bệnh nhân [20]

Khi ti n hành gi i ph u não c a nh ng b nh nhân Alzheimer, các nhà khoa hế ả ẫ ủ ữ ệ ọc

nhận thấ có sự tích tụy nhiều của hai loại protein là Amyloid β và TAU dưới dạng các mảng lão hóa và đám rố ợ ầi s i th n kinh Do đó, để phát hi n s m giai ệ ớ đoạn đầu

của bệnh Alzheimer người ta ến hành xác định nồng độ ủa hai loại protein ểti c k trên

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

11

Việc này có ý nghĩa vô cùng quan trọng giúp các bác sĩ và chuyên gia y tếcó những

liệu pháp điều tr tích c c và kéo dài th i gian phát tri n cị ự ờ ể ủa bệnh

Trong nghiên c u này, tôi ti n hành nghiên c u chứ ế ứ ế ạ t o c m bi sinh hả ến ọc xác định protein Amyloid β ở hai dạng là Amyloid β1-40 và Amyloid β1-42 nhằm giúp chẩn đoán sớm b nh Alzheimer ệ

N i dung c a nghiên c u bao g m: ộ ủ ứ ồ

1.Nghiên cứu và hoàn thiện quy trình chế ạo cảm biến điện hóa phổ ổng trở t tphát hiện protein Amyloid β(1- ) 40 và Amyloid β(1- ) 42 trong chẩn đoán sớm

b nh Alzheimer ệ

2 Kh o sát hoả ạt động c a ba lo i c m biủ ạ ả ến đã chế ạ t o:

o C m biả ến Mab Amyloid β/ pyrenyl/ DEP chip

o C m biả ến Mab Amyloid β/ SAM/ DEP chip

o C m biả ến Mab Amyloid β/ protein G - SAM/ DEP chip

3 Nghiên c u ứ ảnh hưởng của protein BSA vào k t qu ế ả đo đạc của cảm biến

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

12

AMYLOID BETA

1 T ổ ng quan về ệ b nh Alzheimer

Năm 1901, bác sĩ tâm thần và th n kinh h c ầ ọ

người Đức là Alois Alzheimer đã xác định được

những triệu chứng cơ bản của bệnh nhân nữ

Auguste D., 50 tuổi (hình 1.1) b mị ắc chứng

bệnh mất trí nhớ, một chứng bệnh phổ ến ở bi

người già Ông đã theo dõi bệnh nhân này cho

tới khi bà qua đời vào năm 1906 Cũng trong

năm đó, ông đã công bố nh ng tri u ch ng cơ ữ ệ ứ

bản của bệnh trong một hội nghị ề ội chứng về v h

thần kinh Những triệu chứng của bệnh bao gồm:

suy gi m khả ả năng ngôn ngữ, mất khả năng phối

hợp các cử động phức tạp của cơ thể, suy gi m ả

trí nh và th m chí là mớ ậ ất trí, thay đổi hành vi ng xứ ử như đa nghi, ảo tưởng, mất

kh ả năng giao tiếp xã hội Ông cũng chỉ ra rằng đây là một căn bệnh không thểchữa kh i, mang tính thoái hóa và gây t ỏ ử vong Sau đó, bệnh được đặt theo tên ông

là Alzheimer

Trong thế ỷ k 20, bệnh Alzheimer được dùng để định b nh cho nhệ ững người m t ấtrí tuở ổi 45 đến 65 (“lẫn trước khi già” hay “lẫn sớm”) Những ngườ ở ổi lớn i tuhơn bị ất trí đượ m c coi là chuyện thông thường do tu i cao làm “não tê c ng” Tuy ổ ứnhiên, trong những năm 1970 – 1985, những nghiên c u khoa hứ ọc nhận thấy người

mắc bệnh mất trí ở các lứa tuổi khác nhau lại có các triệu chứng lâm sàng giống nhau Ở giai đoạn sớm, bệnh nhân Alzheimer thường biểu hiện những triệu chứng lâm sàng tương đồng nhau là không có kh ả năng nhớ các s vi c v a x y ra Khi ự ệ ừ ả

Hình 1.1. B nh nhân Auguste D ệ

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

13

bệnh tiến triển thì ất hiệ các triệu chứng bao gồxu n m: s nhự ầm lẫn, khó chịu, thay

đổi tâm tr ng, m t kh ạ ấ ả năng phân tích ngôn ngữ, m t trí nh dài h n, ấ ớ ạ ngày càn suy g

giảm các giác quan ngày càng tăng[7] Dần dần, bệnh nhân bị ất đi một số chức mnăng thường ngày và d n t i t vong Bẫ ớ ử ệnh thường x y ra nhả ở ững người cao tu i ổ(trên 65 tu i) và có th i gian biổ ờ ểu hiệ ện b nh khá dài kho ng t 8 n ả ừ đế 10 năm

1.1 Các giai đoạ n phát triển của bệnh

Theo tiến sĩ Barry Reisberg1 thì quá trình phát triển của bệnh Alzheimer được chia thành các giai đoạn và không phải bất cứ ệnh nhân nào cũng đề b u tr i qua ả

những biểu hiện của toàn bộ các giai đoạn này[8] Thông thường các bệnh nhân sẽ, chết trước khi bước sang giai đoạn cu i c a bệố ủ nh Alzheimer do các b nh truy n ệ ềnhiễm khác như viêm phổi, nhiễm trùng… B y ả giai đoạn của bệnh bao g m: ồ

Giai đoạ n 1 Không có bi - ể u hi n suy y u: ệ ế Người bệnh hoàn toàn khỏe mạnh, không g p vặ ấn đề gì v trí nh , không có biề ớ ểu hiện rõ ràng khi được chuyên gia y tếthăm khám

Giai đoạ n 2 - S suy gi m nh n th c r t nh : Ở ai đoạ ự ả ậ ứ ấ ẹ gi n này, h u h t b nh ầ ế ệnhân u rđề ất khó để xác định chính xác bệnh khi đi thăm khám y tế ặc có nhữ ho ng

biểu hiện đáng lo ngại về trí nhớ trước mặt bạn bè và gia đình Họ có thể ảm thấy ctrí nhớ ị b giảm sút, hay quên tên người, quên các t ng , quên v từ ữ ị rí đặt các v t ậ

dụng thường ngày…

Giai đoạ n 3 - S suy gi m nh n th c nh : Đây là giai đoạn đầ ủ ệ ự ả ậ ứ ẹ u c a b nh Người

bệnh bắt đầu thể ện những sự thay đổi đáng lo ngại về trí nhớ khi giao tiếp với hi

bạn bè và gia đình Những thay đổi về trí nh có th ớ ể được xác định rõ khi bác sĩ tiến hành các bài ki m tra v trí nhể ề ớ Người b nh gệ ặp khó khăn trong việc tìm các từ

ng ữ chính xác, nhớ tên người mới gặp, hay làm mất những vật có giá trị, làm việc thiếu hiệu quả, gặp khó khăn trong việc lập kế ạch và tổ chức công việc Nhữ ho ng

1 Giám đốc lâm sàng của New York University School of Medicine's Silberstein Aging and Dementia

Research Center

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

14

dấu hiệu này cùng với sự ảm sút trí nhớ là những biểu hiện rõ ràng của bệ gi nh Alzheimer

Giai đoạ n 4 - S suy gi m nh n th c v a ph i: Đây là giai đoạ ự ả ậ ứ ừ ả n gi a/nh c a ữ ẹ ủ

bệnh Alzheimer Ở giai đoạn này, người bệnh có sự thay đổi về suy nghĩ, trí nhớ và

tư duy logic khi được các chuyên gia y t ế thăm khám hoặc bi u hi n rõ rể ệ ệt trước

mặt bạn bè hoặc người thân Người bệnh cảm thấy khó khăn hơn đối với những kỹnăng hàng ngày đòi hỏ ựi s ph c tứ ạp và tư duy như nấu ăn, lên kế ho ch, thanh toán ạhóa đơn tài chính… Họ có th ể thay đổi tính cách như thờ ơ, lãnh đạm… trong các tình hu ng giao ti p xã h i c n s ố ế ộ ầ ự tư duy

Giai đoạ n 5 - S suy gi m nh n th ự ả ậ ức tương đố i nghiêm tr ng: Đây là giai đoạn ọ

gi a/vữ ừa phải của bệnh Alzheimer Người bệnh có những thay đổi lớn trong trí nhớ

và suy giảm chức năng nhận thức Lúc này, ngườ ệi b nh cần một sự quan tâm, chăm sóc đặc bi t c a gệ ủ ia đình mới có th ể hoàn thành được các hoạt động thường ngày như mặc qu n áo hay t m giầ ắ ặt Ngườ ệi b nh c m thả ấy khó khăn khi nhớ ạ l i các thông tin cá nhân như địa ch , s n tho i và không phân biỉ ố điệ ạ ệt được ngày, tháng trong

tu n và ầ trong năm Tuy nhiên, người bệnh vẫn có khả năng nhớ tên những người thân trong gia đình và tên của mình và ít gặp khó khăn lắm trong các vấn đề ăn

u ng và v ố ệ sinh cá nhân thường ngày

Giai đoạ n 6 - S suy gi m nh n th c nghiêm tr ng: Đây là giai đoạn tương đối ự ả ậ ứ ọ

nghiêm tr ng cọ ủa bệnh Alzheimer Trong giai đoạn này, trí nhớ ủa ngườ c i bệnh suy

giảm trầm trọng hơn và có ể xuất hiện ự thay đổi lớn về tính cách Họ không thểth s làm được nh ng ho t đ ng sinh ho t hàng ngày n u không có s ữ ạ ộ ạ ế ự giúp đỡ ủ c a các thành viên trong gia đình ọ thườH ng g p o giác, nghi ng trong các hành vi hàng ặ ả ờngày, b r i lo n giị ố ạ ấc ngủ, và có th ể đi lang thang trong nhà hoặc bị ạc đườ l ng

Giai đoạ n 7: S suy gi m nh n th c r t nghiêm tr ng : Đây là giai đoạn cuối ự ả ậ ứ ấ ọ

của bệnh Người bệnh cần sự chăm sóc tuyệt đối của những người thân trong gia đình Người b nh m t d n kh ệ ấ ầ ả năng ngôn ngữ, không th t m c qu n áo và th c ể ự ặ ầ ựhiện các sinh hoạt hàng ngày, hay nổi cáu Người bệnh có những tổn thương lớn

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

Ở ấp độ ế c t bào, b nh Alzheimer là m t b nh lý v th n kinh mà nguyên nhân là ệ ộ ệ ề ầ

do sự ấ m t d n cầ ủa nơ-ron th n kinh m t cách không ki m soát, dầ ộ ể o đó, làm m t đi ấcác chức năng của hệ ầ th n kinh và các kh p th n kinh ( nap thớ ầ xy- ần kinh liên k) ết

giữa các nơ-ron thần kinh ới nhau Quá trình này diễn ra chậ ở các vùng não v m khác nhau Vùng bị ảnh hưởng đầu tiên là vùng H i mã (hippocampus), vùng này ả

có chức năng ghi nhận thông tin m i và g i l i trí nh ớ ợ ạ ớ cũ từ não trước Sau đó, sựsuy giảm tế bào não sẽ ở ộng ra vùng não trước, vùng đả m r m nhận các chức năng suy nghĩ, tình cảm, ngôn ng ữvà logic Trên hình 1.2là hình nh cả ủa não người bình thường và não ngườ ị ệi b b nh Alzheimer

Hình 1.2. nh mô ph Ả ỏng não người a) Não bình thường b) Não ngườ i bị ệ b nh

Alzheimer [9]

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

16

Ở người bình thường, t i các vùng ạ ở não trước và vùng h i mã c u trúc c a não ả ấ ủkhông bị ổn thương do mất nơ t -ron th n kinh nên nh mô ph ng cho th y t t cầ ả ỏ ấ ấ ả các

phần não đều bình thường, hốc não nhỏ Trong khi đó, ới người bị ệnh Alzheimer, v b

do có sự ấ m t mát lớn các nơ-ron th n kinh bầ ị nên các hốc não mở ộ r ng ra ở ấ t t cảcác vùng Việc mất nơ-ron th n kinh vùng h i mã làm cho khầ ở ả ả năng ghi nhận thông tin mới cũng như lấy l i nh ng thông tin t trí nhạ ữ ừ ớ vĩnh cửu gặp khó khăn,

thậm chí là làm cho não mất chức năng ghi nhận và truyền đạt thông tin tới và từnão trước Bên cạnh đó, các tổn thương trong não trước s làm suy gi m các ch c ẽ ả ứnăng mà nó đảm nhận như suy giảm trí nhớ, thay đổi nhân cách, suy nghĩ, tính logic

và kh ả năng ngôn ngữ

Xét cở ấp độ phân tử, nguyên nhân gây ra bệnh Alzheimer là do ự tích tụ ủa s ccác mảng lão hóa amyloid β ở bên ngoài nơ-ron th n kinh và các đám r i s i th n ầ ố ợ ầkinh mà thành phần là các ợi protein s TAU gắn kết với nhau ở bên trong tế bào -nơron (hình 1.3)

Hình 1.3. nh mô ph Ả ỏ ng tế bào nơ -ron th ần kinh a) Nơ -ron c ủa ngườ i bình

thườ ng; b) Nơ -ron c ủa ngườ ị ệ i b b nh Alzheimer v i các m ng lão hóa Amyloid ớ ả

và đám rố ợ i s i th n kinh ầ [9].

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

17

Các chuỗi peptite Amyloid β (Aβ) ắng n, có đ c tính s liên k t vộ ẽ ế ới các thụ th b ể ề

mặt của nơ ron thần kinh, dẫn tớ làm thay đổi cấu trúc của khớp thần kinh- i , hình thành lên các mảng lão hóa Aβ ở bên ngoài tế bào Các mảng lão hóa Aβ này s dẽ ần phá hủy cầu n i thố ần kinh liên tế bào, do đó ngăn cản sự ẫ d n truy n tín hi u thề ệ ần kinh giữa các nơ-ron bên trong não, làm m t d n -ron th n kinh ấ ầ nơ ầ

Bên cạnh đó, trong mỗi nơ-ron thần kinh đều có m t c u trúc vi ộ ấ ống như một khung xương nâng đỡ ế t bào Các vi ng này hoố ạt động như các đường ng d n các ch t ố ẫ ấdinh dưỡng và phân t v t ch t t thân t ử ậ ấ ừ ế bào đến đầu kia c a tr c th n kinh và ủ ụ ầquay ngược tr l i Protein TAU ở ạ đóng vai trò là tác nhân giúp ổn định c u trúc vi ấống khi được photpho hóa Tuy nhiên, ở ngườ ị ệi b b nh Alzheimer, TAU b ị thay đổi

v m t hóa h c, tr ề ặ ọ ởnên bị photpho hóa quá nhi u; nó bề ắt cặ ới các sợp v i TAU khác,

tạo thành các đám rối sợi thần kinh và làm tan rã hệ thống vận chuyển của nơ-ron

th n kinh ầ

Việc mất đi các khớp thần kinh liên tế bào và hình thành các đám rối sợi thàn kinh

s ẽ làm hỏng các chức năng liên lạc hóa sinh giữa các nơ ron và sau đó gây chết tếbào Khi số lượng nơ-ron bị ất tăng lên sẽ m gây ra việc mất dần trí nhớ đã được lưu

-gi ữ và làm suy giảm chức năng điều khiển của hệ ần kinh đối với các hoạt độ th ng thường ngày

Xét về mặt di truyền học, hầu hết các ca bệnh Alzheimer đều là ng u nhiên, ẫnghĩa là yế ốu t di truy n hề ầu như không ảnh hưởng t i kh ớ ả năng gây bệnh m c dù ặ

có m t s gen là y u tộ ố ế ố nguy cơ của bệnh Tuy nhiên, chỉ có kho ng 0,1% sả ố ca

bệnh là do di truyền gen trội và thường bắt đầu mắc bệnh trước tuổi 65 Với những trường h p này, nguyên nhân ch yợ ủ ếu là do đột bi n gen mã protein ti n ch t ế ề ấamyloid (APP) và gen mã hóa protein presenilin 1 và 2 (PS-1, PS 2) Các đột biến -gen này làm tăng sự ả s n xu t m t lo i protein nh là Aβấ ộ ạ ỏ 42 là thành phần chính của các mảng amyloid V trí c a gen mã hóa APP n m trên nhi m s c th s 21, vì th , ị ủ ằ ễ ắ ể ố ế

những người bị ệnh Down (có 3 nhiễm sắc thể ố 21) cũng có những biểu hiện bị b s

mắc bệnh Alzheimer sớm Một yếu tố ữa làm tăng khả năng mắc bệnh Alzheimer n

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

t ốtim mạch, bia rượu, thuốc lá, tăng hàm lượng cholesteron, cao huyết áp [8]… Vì

thế, một chế độ sinh hoạt lành mạnh, ăn uống phù hợp sẽ làm giảm các nguy cơ

kh i phát c a b nh Alzheimer ở ủ ệ

Các nghiên c u d ch tứ ị ễ cũng đã đưa ra kết lu n r ng nhậ ằ ững người tích c c tham ựgia vào các hoạt động trí tuệ như đọc sách, chơi cờ, các trò chơi tập thể, trò chơi ô chữ, chơi nhạc và tương tác xã hội thường xuyên… thì nguy cơ mắc bệnh Alzheimer gi m m c dù không tìm thả ặ ấy mối liên h ệnhân quả nào

tiến triển của bệnh Chuẩn bị tư tưởng sẵn sàng đối phó với sự suy giảm về trí nhớ

và những thay đổ ề ải v c m xúc c a chính mình n nên ghi chép nh ng vi c hàng ủ Bạ ữ ệngày, nh ng sữ ự ện, lưu giữ ảnh ngườ ki i quen… vào sổ ẽ giúp đố s i phó t t v i viố ớ ệc suy gi m trí nh Nên dành th i gian nhiả ớ ờ ều hơn cho gia đình như thường xuyên nói chuyện, làm những công việc mà gia đình và bạn bè hay làm cũng như những việc

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

19

mình yêu thích… s giúp bẽ ạn đối phó v i nhớ ững thay đổ ải c m xúc c a chính mình ủ

Và c n lầ ập những kế hoạch cho tương lai như người chăm sóc mình là ai, chuyển

giao các vấn đề tài chính cho người mình tin tưởng… Việc thay đổi lối sống, sẵn sàng đối phó v i nhớ ững thay đổ ềi v nh n th c và tình c m s làm gi m gánh n ng ậ ứ ả ẽ ả ặchăm sóc cho những người trong gia đình ở những giai đoạn đầu c a bệnh ủAlzheimer và có th kéo dài th i gian phát tri n cể ờ ể ủa bệnh

N u b n ế ạ là người chăm sóc, v ệc chăm sóc người bị ệnh Alzheimer là vô cùng vấi b t

vả, đòi hỏi phải có tinh thần trách nhiệm cao và phải có tính kiên trì vì nó liên quan

tới những vấn đề ề đạo đức Việ ả v c đ m bảo an toàn cho bệnh nhân bị Alzheimer trong suốt quá trình điều tr là vô cùng n thiị cầ ế Ở giai đoạn đầt u và gi a, sữ ửa đổi môi trường s ng và l i s ng có th ố ố ố ể tăng tính an toàn cho bệnh nhân Khi b nh ti n ệ ếtriển, người bệnh có thể đi lang thang, quên những việc mình đang làm… Lúc này,

để đả m bảo an toàn cho ngườ ệnh, điềi b u quan tr ng nhọ ất là không cho ngườ ệi b nh

tiếp xúc với những nguồn gây nguy hiểm như lái xe, sử ụng các thiết bị điện, các d

dụng cụ gây nguy hiểm khác Nếu bệnh tiến triển nặng hơn, người bệnh có thểkhông có kh ả năng tự ăn uống, do đó, yêu cầu thực ph m phẩ ải được cắt thành mi ng ế

nh hoỏ ặc nghiền Khi người bệnh nuốt khó khăn thì nên phải sử ụng các loạ ống d i dẫn thức ăn Đến giai đoạn cu i c a bệnh, ngườ ệố ủ i b nh có th n m liể ằ ệt giường và khi này có thể có những vấn đề y t ế khác nhau xu t hiấ ện như bệnh răng miệng, loét áp lực do nằm quá lâu, suy dinh dưỡng, suy hô hấp, nhiễm trùng… Vì vậy, người chăm sóc phả ấ ẩi r t c n th n m i có th ậ ớ ể ngăn ngừa được chúng Trong su t quá trình ốchăm sóc bệnh nhân Alzheimer, người chăm sóc sẽ có th luôn g p ph i nh ng áp ể ặ ả ữ

lực về tinh thần, về ức khỏe, cho nên, việc trợ giúp từ toàn bộ các thành viên trong sgia đình cùng chăm sóc ngườ ệnh có ý nghĩa rấ ới b t l n Bên cạnh đó, việc s d ng ử ụthuốc và các dịch vụ y tế đối với người bệnh phải hết sức cẩn trọng và theo chỉ ẫn d

của các bác sỹ và chuyên gia y t ế

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

20

2 Các phương pháp chẩn đoán và điề u trị ệnh Alzheimer b

Bệnh Alzheimer là bệnh mang tính chất thoái hóa theo tuổi và không thể chữa

khỏi hoàn toàn Do đó, việc phát hiện sớm đểcó những biện pháp điều trị thích hợp

nhằm kéo dài thời gian tiến triển của bệnh là yếu tố vô cùng quan trọng Hiện nay, dựa trên những đặc trưng của quá trình phát triển và nguyên nhân của bệnh người ta đưa nhiều phương pháp để chẩn đoán sớm và điều tr b nh Alzheimer khác nhau ị ệ

2.1 Các phương pháp chẩn đoán

a Nghiên c u hình thái c a não bứ ủ ệnh nhân bị Alzheimer

Do não bệnh nhân mắc Alzheimer b m t dị ấ ần nơron thần kinh theo th i gian nên ờ

để quan sát quá trình này, người ta s d ng ngày càng nhiử ụ ều các phương pháp nghiên c u v hình thái c a não ti n tri n theo thứ ề ủ ế ể ời gian như chụp c t l p (CT) hoắ ớ ặc

cộng hưởng từ (MRI), chụp cắt lớp SPECT Gần đây người ta phát triển phương pháp PET để phát hi n bệ ệnh Phương pháp PiB là sự ế ợ k t h p gi a PET v i các tác ữ ớnhân liên k t, hóoc môn Thioflavinế -T để vượt qua hàng rào máu c não và liên kủa ết

với các cấu trúc Aβ, được sử ụ d ng để quan sát quá trình phát triển của các mảng lão hóa Aβ ộ m t cách trực tiếp đố ới v i nh ng b nh nhân mữ ệ ắc Alzheimer [10] Điều này cho phép đo đạc tr c ti p các tác đ ng c a kháng th amyloid và hình thái c a v ự ế ộ ủ ể ủ ỏnão và m t vài d ng b nh m t trí nh Công ngh này cung c p hình nh c a hình ộ ạ ệ ấ ớ ệ ấ ả ủthái của não và các chức năng của não biến đổi trong quá trình ti n tri n cế ể ủa bệnh Alzheimer

b Phương pháp phỏng v n và ki m tra ấ ể

Đây là phương pháp đơn giản và thường được s dử ụng để phát hi n nh ng d u ệ ữ ấ

hiệu bất thường xảy ra đối với trí nhớ ủa người bệ ở giai đoạn đầu Các chuyên c nh gia y tế ẽ ự s th c hiện các cuộc ph ng v n nhỏ ấ ỏ và các bài kiểm tra v trí nhề ớ ề, v logic

và ph i hố ợp các hoạt động thường ngày của ngườ ệnh để đưa ra nhữi b ng chẩn đoán ban đầu cho ngườ ệnh Tuy nhiên, phương pháp này không khẳng địi b nh chính xác

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

21

ngườ ệi b nh có b m c Alzheimer hay là các b nh liên quan t i ch ng m t trí khác ị ắ ệ ớ ứ ấnhư thể Lewy, b nh Parkinson ho c h i ch ng m t trí sau xu t huy t não … ệ ặ ộ ứ ấ ấ ế [8]

c Phương pháp hóa – sinh, lý – sinh

Phương pháp hóa – sinh, lý sinh t p trung vào vi c xác đ nh n– ậ ệ ị ồng độ ủ c a Amyloid-β, protein TAU và các tác nhân gây đột biến gen có trong máu của người

bệnh Đây là những phương pháp chẩn đoán có độ tin cậ cao T nhiên, giới hạn y uy

để xác đ nh rõ ràng b nh nhân có b m c Alzheimer hay không thì vị ệ ị ắ ẫn chưa được xác định rõ Do đó, đây là những phương pháp giúp chẩn đoán sớm b nh Alzheimer ệ

và giúp các chuyên gia y tế đưa ra những phương pháp điều trị thích hợp đểkéo dài

th i gian phát tri n b nh cờ ể ệ ủa bệnh nhân

2.2 Các phương pháp đ ề i u trị

Vì Alzheimer là b nh không thệ ể chữa kh i và mang tính ch t thoái hóa theo tuỏ ấ ổi, cho nên, việc điều trị ệ b nh không thể triệt để như các bệnh thông thường khác và

phải điều trị lâu dài Việc điều trị ệnh Alzheimer có thể dùng liệu pháp điều trị ử b s

dụng thuốc hoặc không sử ụng thuố ể d c đ điều trị ững triệu chứng liên quan đến nh

nh n th c và hành vi ậ ứ

a Triệu chứng liên quan tới nhận thức: Điều trị dùng thu c ố

Hiệp hội Quản lý thuốc và ực phẩm (FDA) Hoa Kỳ đã phê chuẩn hai loại Ththuốc đ điềể u trị các triệu chứng liên quan ới nhận thức ct ủa bệnh Alzheimer là chất

ức ch ếCholinesterase (như Exelon, Razadyne, Aricept) và Memantine (Namenda)[17]

Ch t ấ ức chế Cholinesterase giúp ngăn ừa sự ảm hàm lượng acetylcholine, một ng gichấ ẫt d n truy n th n kinh quan tr ng cho quá trình ghi nh và h c hỏề ầ ọ ớ ọ i B ng cách ằ

gi ữ cho hàm lượng acetylcholine ở ức cao, những loại thuốc này sẽ ỗ ợ cho quá m h tr trình truy n tín hi u giề ệ ữa các tế bào th n kinh Cáầ c chấ ứt c chế ầ th n kinh Exelon và Razadyne được s dử ụng trong điều tr bị ệnh Alzheimer trong giai đoạn nh và v a, ẹ ừ

chấ ứt c chế ần kinh đượ th c sử ụ d ng trong t t c ấ ả các giai đoạn của bệnh Alzheimer

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

22

Memantine (Namenda) giúp điều hòa ho t đ ng c a glutamate, m t lo i ch t ạ ộ ủ ộ ạ ấchuyển dẫn truyền thần kinh khác liên quan đến quá trình ghi nhớ và học hỏi Loại thuốc này được cấp phép dùng để điều trị ệnh Alzheimer's trong giai đoạn vừa và b

n ng ặ

b Triệu chứng liên quan tới hành vi

Đây là điều khó khăn và đáng lo ngại nhất đố ới người v i m c b nh Alzheimer ắ ệ

S ự thay đổi này bao gồm bối rối, lo âu, gây hấn, và xáo trộn nhận thức Có nhiều nguyên nhân gây ra sự thay đổi hành vi như tác dụng phụ ủ c a thu c, tình tr ng số ạ ức khỏe và tác động của môi trường xung quanh Để điề u tr tri u ch ng này có th s ị ệ ứ ể ử

dụng kết hợp liệu pháp dùng thuốc và không sử ụng thuốc Tuy nhiên, liệu pháp dkhông s d ng thuử ụ ốc được ưu tiên sử dụng trong quá trình điều tr này ị

Liệu pháp không sử ụng thuốc bao gồm: xác định triệu chứng, tìm hiể d u nguyên nhân và thay đổi môi trường chăm sóc để ạ ỏ các khó khăn hoặ lo i b c tr ng i Vi c ở ạ ệxác định nguyên nhân dẫn đến thay đổi hành vi có ý nghĩa quan trọng trong vi c xác ệđịnh hướng điều tr phù h p nhị ợ ất cho người b nh Nhệ ững thay đổi hành vi này thường xu t phát t ấ ừ môi trường xung quanh như người chăm sóc mới, có ngườ ại l trong nhà, ngườ ệnh đượi b c yêu c u t m ho c thay qu n áo… ầ ắ ặ ầ

Liệu pháp sử ụng thuốc: người bệnh phải sử ụng thuốc theo đơn kê củ d d a bác s có ỹ

th giúp kiể ểm soát các triệu ch ng liên quan t i hành vi cứ ớ ủa người bệnh Để đạt hiệu

qu ả cao nhất thì cần phải sử ụng hết sức cẩn trọng và kết hợp với các liệu pháp dkhông sử ụ d ng thu c khác Các lo i thuố ạ ốc cần chú tr ng t i nh ng tri u ch ng cọ ớ ữ ệ ứ ụ

th có th ể để ể theo dõi được kết qu cả ủa quá trình điều tr ị

Việc sử ụng liệu pháp điều trị dùng thuốc kết hợp với liệu pháp không sử ụ d d ng thuốc trong điều trị các triệu chứng liên quan đến hành vi và nhận thức là rất cần thi t và phế ải được giám sát ch t ch bặ ẽ ởi bác sỹ và gia đình người bệnh

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

23

3 Protein Amyloid Beta

Thành phần chính được tìm th y trong các m ng amyloid là protein ấ ả Aβ có khối lượng khoảng 4kDa Chuỗi peptit này là sản phẩm của quá trình phân giả ủi c a protein

lớn hơn gọi là protein tiền chất amyloid (APP) nặng khoảng 100 130 kDa Một chuỗi peptite Aβ hoàn chỉnh có khoảng 39-43 axit amin APP là một i loạ protein xuyên màng n m xuyên qua màng tằ ế bào của nơ-ron thần kinh, đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển, tồ ạn t i và s a chử ữa của nơ-ron thần kinh Một Aβ gồm có hai đầu, đầu N gồm 28 axit amin nằm bên ngoài tế bào và đầu C g m 12 axit amin có ồtính kỵ nư c nằớ m xuyên qua màng tế bào (hình 1.4) Cuối đầu C trong chu i peptit ỗ

-Aβ có khả năng tự liên kết và polyme hóa để ạ t o thành các sợi amyloid [21]

Có hai d ng chính cạ ủa Aβ là Aβ(1- ) 40 (gồm 40 axit amin) và Aβ(1- ) 42 (gồm 42 axit amin) Hai loại Aβ này khác nhau vềtính hòa tan và khả năng kết thành sợ Aβi (1-40) chiếm khoảng 90% tổng hàm lượng Aβ được sinh ra trong tế bào, dễ hòa tan và khảnăng kết thành s i thợ ấp hơn so với Aβ(1-42) Aβ(1-40) chỉ ấ ệ xu t hi n ở ữ ngườ nh ng i cao tuổi mắc bệnh muộn Trong khi đó, Aβ(1-42) chiếm khoảng 10% ổng hàm lượ Aβ t ng được sinh ra trong t ế bào nhưng lại là nhân t chính xu t hi n trong các mố ấ ệ ảng Aβ

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

24

hai quá trình này đều gi i phóng ra hai thành phả ần là các đoạn APP hòa tan và thành

ph n xuyên màng ầ ở đầu C Trong cơ chế phân gi i APP không ph i do gen amyloid, ả ả

đầu tiên APP b c t b i α-secretase (gị ắ ở ồm TACE/ADAM 17 và ADAM 10) để ạ t o ra các đoạn APP hòa tan và đầu C83 Còn trong cơ chế phân giải APP do gen, ban đầu APP bị ắ ởi β c t b -secretase (enzyme BACE) u N c a chuở đầ ủ ỗi peptite Aβ tạo ra các đoạn APP hòa tan và u Cđầ 89 Sau đó, đầu C83 và C89 tiếp tục bị ắt bởi γ c - secretase

và gi i phóng ra các chuả ỗi peptit tương ứng là P3 và Aβ cùng với thành ph n hòa ầtan bên trong t bào c a APP Nhế ủ ững đoạn APP hòa tan này có chức năng bảo vệ và

rất quan trọng đối với quá trình phát triển của nơ ron thần kinh Bên cạnh đó, ngườ- i

ta phát hi n ra rệ ằng, các γ- secretase gi vai trò quan tr ng trong viữ ọ ệc hình thành Aβ

γ- secretase nó là m t ch t phân gi i protein ph c hộ ấ ả ứ ợp trong đó nhân xúc tác được

tạo ra từ presenilin 1 và 2 (PS1 và PS2), được bổ sung bởi nicastrin, protein presenilin tăng cường 2 (PEN2) và APH-1

Các đặc tính c a hai lo i ủ ạ Aβ là Aβ(1- ) 40 và Aβ(1- ) 42 là đềtài của nghiên cứu trong

những năm 90 của thế ỷ k XX, khi người ta xác định được rằng Aβ là thành phần chính của các mảng lão hóa trong não Những đặc tính hóa sinh và lý sinh c a hai ủ

loại đồng phân này chỉ khác nhau ở amino axit ở cuối củ ầa đ u C Aβ(1-42) thì có tính

k ỵ nước, ít tan hơn so vớ Aβi (1-40) Đầu C của Aβ(1- 42)d ễ dàng bị polymer hóa tạo thành các oligomer nhỏ ồ g m một vài phân tử Aβ(1-42) Các oligomer của Aβ(1-42) s ẽđóng vai trò như một tâm m m cho quá trình k t t a các chuầ ế ủ ỗi Aβ để ạ t o thành các

Hình 1.5. Mô ph ỏng hai cơ chế phân gi i APP a) Phân gi i không ph i do gen amyloid ả ả ả

(Non Amyloidogenic); b) Phân gi i do gen amyloid (Amyloidogenic) ả [21]

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

25

m ng ả Aβ ớn hơn và hình thành các sợl i amyloid β Trong khi đó, Aβ- (1-40) d ễhòa tan hơn Aβ(1-42)nên nó chỉ ất hiệ ở trong các thể xu n muộn, nghĩa là sau khi có sự hình thành các oligomer của Aβ(1-42) Các sợ Aβ i liên k t l i v i nhau và liên k t vế ạ ớ ế ới các

th th b mụ ể ề ặt của nơ ron dẫn tới hình thành các mả Aβ bên ngoài nơ ron Các - ng

-m ng ả Aβ này sẽ làm ảnh hưởng tới chức năng truyền dẫn tín hiệu thông tin giữa các

nơ-ron v i nhau và c t b t các liên k t này ho c làm chớ ắ ớ ế ặ ết nơ-ron thần kinh Điều này đồng nghĩa với vi c gây ra s suy gi m d n dệ ự ả ầ ần các nơron, làm suy giảm ch c ứnăng của não như giảm trí nh , suy gi m chớ ả ức năng điều khi n hành vi c a não… ể ủ

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

26

CHƯƠNG II CẢ M BI N SINH H Ế ỌC Đ Ệ I N HÓA

1 C ả m biến sinh họ c

Việc nghiên cứu các quá trình sinh học, hóa sinh diễn ra trong các cơ thể ống s

có vai trò quan trọng trong lĩnh vực y h c, sinh h c và hóa sinh Tuy nhiên, vi c thu ọ ọ ệ

thập thông tin từ các phả ứng hóa sinh diễn ra trong các quá trình sinh học và n chuyển đổi các tín hiệu này sang các dạng tín hiệu điện để ục vụ cho quá trình phnghiên c u g p r t nhiứ ặ ấ ều khó khăn Vì vậy, các c m bi n sinh hả ế ọc ra đời nh m giúp ằ

giải quyết những khó khăn này Chúng đóng vai trò là thiết bị chuyển đổi n ữh ng thông tin từ các ph n ả ứng hóa sinh c a các quá trình sinh h c sang các d ng tín hiủ ọ ạ ệu điện để có th ghi nh n, phát hiể ậ ện, đưa ra thông tin chi tiế ủt c a các quá trình sinh

học đang diễn ra

Cảm biến sinh họ ầu tiên được đ c chế ạo bởi Clark và Lyons vào năm 1962, đó t

là c m biả ến đo nồng độ đường glucose bằng phương pháp đo dòng khi tiến hành oxi hóa đường glucose được c nh trên b mố đị ề ặt điện cực oxy hóa theo phương pháp bán th m thẩ ấu [12] Hai ông đã nêu ra phương pháp chế ạ t o các cảm biến điện hóa thông qua vi c thêm vào m t bệ ộ ộ chuyển đổi b ng enzym Trong nhằ ững năm gần đây, việc nghiên c u và phát tri n ng d ng các công ngh s n xu t c m bi n sinh ứ ể ứ ụ ệ ả ấ ả ế

học ngày càng thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực Các lo i cạ ảm biến được phát tri n và sể ử ụ d ng r ng rãi trong nhiộ ều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống như chẩn đoán sớm b nh trong y t , theo dõi các quá trình sinh ệ ế

h c, ọ ứng dụng trong công nghệ ực phẩm, xác định nồng độ các độc tố trong quản th

lý chất lượng môi trường…

Theo Hiệp hội Hóa h c Quọ ốc tế (IUPAC – Internatonal Union of Pure and Applied Chemistry), m t c m bi n sinh h c (biosensor) là m t thi t b tích h p có khộ ả ế ọ ộ ế ị ợ ả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng của một ch t thông ấ

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

27

qua việc sử ụ d ng các chất nhận di n sinh hệ ọc (đầu thu sinh h c) liên k t tr c tiọ ế ự ếp

v i m t b ph n chuyớ ộ ộ ậ ển đổi Một cảm bi n sinh h c bao g m hai b ph n chính: ế ọ ồ ộ ậ+ Đầu thu sinh h c là các phân tử ạọ nh y sinh học được cố đị nh trên b mề ặt điện

+ Các cấu trúc di truy n cề ủa tế bào như DNA, RNA, gen, axit nucleic

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý c u t o chung c a m t h cả ấ ạ ủ ộ ệ m bi n sinh h c ế ọ

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

28

+ Các loại vi khuẩn, virus như E.coli, Salmonella, vi khu n b nh than, cúm gà ẩ ệH5N1, H7N9, cúm lợn H1N1…

1.2 Đầ u thu sinh họ c

Đầu thu sinh học đóng một vai trò quan tr ng trong công ngh sinh h c Các ọ ệ ọ

đầu thu sinh h c bao g m các ch t nh n di n sinh họ ồ ấ ậ ệ ọc được c nh trên b mố đị ề ặt điện

cực của cảm biến và tương tác trực tiếp với các chất cần phân tích để ạo ra các tín t

hiệu hóa học, hóa sinh phục vụ cho việc đo lường của cảm biến Tùy vào chất nhận

diện sinh học được sử ụng để chế ạo đầu thu mà người ta có thể phân ra làm nhiề d t u

lo i c m bi n sinh hạ ả ế ọc khác nhau Có năm dạng đầu thu sinh h c chính là ọ [19]:+ Kháng th / kháng nguyên ể

nhập vào cơ thể Tương tác giữa kháng thể ới kháng nguyên có thể được hiểu đơn v

giản như khóa và chìa khóa, trong đó cấu trúc của kháng nguyên sẽ ăn khớp với cấu trúc c a kháng thủ ể để vô hi u hóa hoệ ạt tính của kháng nguyên (tương tự như khóa được mở) Điều này có nghĩa là mỗi kháng th xác đ nh ch có th b t c p v i m t ể ị ỉ ể ắ ặ ớ ộloại kháng nguyên duy nhất tương tứng với nó và liên kết giữa chúng là liên kết điểm, ch x y ra t i m t s m trong vùng liên k t trên c u trúc c a kháng th ỉ ả ạ ộ ố điể ế ấ ủ ểTính ch t duy nh t này c a kháng thấ ấ ủ ể quyết định t i khớ ả năng sử ụ d ng c a chúng ủ

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

Enzyme có thể được coi như chất xúc tác sinh h c có hoọ ạt tính cao Chúng được

s dử ụng phổ ế bi n đ làm các đầể u thu trong các cảm biến sinh học Trong cơ chếphát hi n cệ ủa chất xúc tác sinh học, các chất cần phát hiện được khuếch đại thông qua các phản ứng xúc tác của các phân tử ớ l n với các chất xúc tác sinh học là enzyme (hình 2.3) H u hầ ết các loại enzyme đều là protein chỉ ừ tr một số trường

hợp thì enzyme là phân tử axit ribonucleic Một số enzyme tương tác trực tiếp với

Hình 2.2. Mô hình c u trúc liên k ấ ế t củ a kháng th - kháng nguyên ể

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

đầu thu sinh học như enzyme oxidoreductase sử ụng để d phát hi n mu i lactate, ệ ốmalate, ascobat, amino axit, c n, choresterol, fructose, glycerol…, emzyme captan ồ

hoặc atrazine sử ụng để phát hiện xenobiotic, enzyme ligase sử ụng để phát hiện d d

độ ế bi n trên DNA…

Tuy nhiên, hoạt động của các đầu thu c m bi n làm t enzyme l i phả ế ừ ạ ụ thu c rất ộnhiều các yếu tố như nồng độ enzyme, độ PH, sự ếp chồng của enzyme, nhiệt độ x

và trong một số trường h p thì chợ ất đồng yếu tố có th duy trì ho t tính cể ạ ủa enzyme

Một nhân tố ữa ảnh hưởng tới hoạt động củ n a các đầu thu đó là phương pháp cố

định enzyme trên b mề ặt điện cực như bề dày c a l p enzyme ủ ớ

c Axit Nucleic/DNA, RNA

DNA và RNA đều là các c u trúc cao phân t cấ ử ủa các axit nucleic (NA) được

sắp xếp theo một trật tự xác định và mã hóa toàn bộ ệ gen của tế bào Hình 2.4 là h cấu trúc của DNA và RNA Theo đó, DNA là một cấu trúc xoắn kép được tạo nên

t bừ ốn loại axit nucleic là Adenine (A), Thymine (T), Guanosine (G), Cytosine (C)

Hình 2.3.Cơ chế ho ạt độ ng c ủa enzyme đóng vai trò như mộ t ch t xúc tác sinh h c ấ ọ

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

độ nh y và tính ch n l c r t cao do ái l c liên k t r t m nh gi a các chu i DNA ạ ọ ọ ấ ự ế ấ ạ ữ ỗ( ho c RNA) b sung và chu i DNA (hoặ ổ ỗ ặc RNA) đầu dò

Hiện nay, người ta tổng hợp các oligodeoxyribonucleotides (ODNs) để làm đầu

dò trong các đầu thu làm t DNA Các gừ ốc như thiol disulfite, amin hoặc biotin được h p nh t vợ ấ ới ODNs để ố đị c nh ODNs v i b m t c a c m bi n M t trong ớ ề ặ ủ ả ế ộ

những ODNs hay được sử ụng là các đoạ d n aptamer, g m g c thiol disulfite liên kồ ố ết

với một sợi đơn DNA (sDNA) hoặc RNA và thường có cấu trúc nhỏ hơn 100 mer Các tác nhân phát hi n là nhệ ững chuỗi DNA ho c RNA b sung v i các sDNA, ặ ổ ớRNA c a phân t aptamer [18][22][23] ủ ử

Hình 2.4.Mô h ình c u trúc c ấ ủ a DNA và RNA

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

32

Cảm biến sinh học điện hóa sử ụng DNA biến đổi tín hiệu bắt cặp của các axit dnucleic thành các tín hiệu điện Các c m biả ến này ngày càng được sử ụ d ng nhi u vì ềcho k t quế ả chẩn đoán nhanh, giá thành rẻ Chúng thường được sử ụng đố d i với các

bệnh liên quan tới gen, sự đột biến trong cấu trúc của DNA, phát hiện các DNA của

t ế bào ung thư và xác định các chất gây nghi n có trong huyệ ết tương…

d T ế bào hoặc các mô tế bào

Đầu thu c a c m bi n sinh h c còn có th là t bào và các mô c a t bào Nh ng ủ ả ế ọ ể ế ủ ế ữ

đầu thu sinh h c này không ch nh n di n t bào toàn b t bào mà còn nh n di n c ọ ỉ ậ ệ ế ộ ế ậ ệ ả

một số mô khác của tế bào thông qua việc hình thành liên kế ặc trưng vớt đ i các mô này V i nhớ ững đầu thu sinh h c làm tọ ừ ế t bào, m t sộ ố chất chỉ ị quang được đưa th vào bên trong t bào nh quá trình h p thế ờ ấ ụ các chất qua màng t bào Nhế ững chất này sẽ phát sáng trong các môi trường có chứa độc tố, ch t gây nghi n hoấ ệ ặc chất

cần phân tích Các loại vi khuẩn và nấm thường được sử ụng để phát hiện các chất d

độc ho c ặ ảnh hưởng c a các kim lo i n ng t i hoủ ạ ặ ớ ạt động c a t bào Vủ ế ới các đầu thu làm từ các mô t ế bào, chúng tương tác với các chấ ần phân tích tương tự như một c t

chất xúc tác Các đầu thu sinh h loọc ại này có thể được sử ụ d ng trong m t th i gian ộ ờdài và đượ ử ụng đểc s d phát hi n t bào vi khuệ ế ẩn như Salmonella E.coli, …

e Ch t mô ph ng sinh h c ấ ỏ ọ

Các chất mô ph ng sinh hỏ ọc cũng được sử ụng để d ế ạo các đầch t u thu sinh h c ọ

Một số phương pháp được áp dụng để chế ạo đầu thu loại này là: phương pháp tái t

t hổ ợp, màng nhân tạo, in phân tử Phương pháp tái tổ ợp cho phép tổng hợp hoặc hthay đổ ấi c u trúc c a các liên kủ ết điểm trong m t d i r ng và tr thành công c h u ộ ả ộ ở ụ ữ

hiệu cho việc chế ạ t o các đầu thu sinh học với những tính chất như mong muốn Phương pháp tạo màng nhân tạo được s d ng trong nhi u ng d ng khác nhau và ử ụ ề ứ ụcác hóa chất được cố đị nh trên b m t c m bi n nh ề ặ ả ế ờ các thể m ẹ (thường là các màng polymer) để ạ t o thành các b y s b t c p v i các tác nhân sinh h c c n phân ẫ ẽ ắ ặ ớ ọ ầtích Hiện nay, phương pháp in phân tử được nghiên c u nhi u.Trong công nghứ ề ệnày, các chất phân tích được tr n v i các monomer v i s ộ ớ ớ ố lượng l n các liên k t ớ ế

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

33

chéo Sau quá trình polymer hóa, các ch t polymer r n lấ ắ ắng đọng dướ ại d ng bột làm

nền củ ầa đ u thu Các chất phân tích được tách khỏi cấu trúc rắn nhờ các dung môi

hữu cơ và kết quả là cấu trúc polymer rắn tồn tại các chỗ khuyết hoặc vị trí liên kết điểm tương ứng v i các liên k t b sung c a các ch t c n phát hi n ớ ế ổ ủ ấ ầ ệ

1.3 B ộ chuyể ổ n đ i

B phộ ận chuyển đổi có nhiều dạng, phụ thuộc vào cách thức chuyể ổn đ i tín hiệu như chuyển đổi điện hoá, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhi t, chuyệ ển đổ ằi b ng tinh

th ể áp điện hoặc chuyển đổ ằng các hệ vi cơ.i b

a Chuyể n đ ổi điện hóa

Các bộ chuyển đổi điện hóa hoạt động trên nguyên lý là khi các ph n ng hóa ả ứ

học giữa các phân tử sinh học được cố định với các chất cần phân tích sẽ sinh ra

hoặc tiêu thụ điện tử hoặc ion và làm thay đổi tính chất điện củ ầa đ u thu sinh học

của cảm biến Sự thay đổi này tạo ra các tín hiệu điện có thể đo đạc được như dòng điện, điện th ho c đ d n Tùy thu c vào tín hiế ặ ộ ẫ ộ ệu đầu ra c a b chuyủ ộ ển đổi mà các

cảm biến sinh học có thể ân loại thành cảm biến sinh học dòng, cảm biến sinh ph

học thế và cảm biến sinh họ ộc đ dẫn Các loại cảm biến này sẽ đượ ềc đ cập chi tiết

ở ph n 3 cầ ủa chương này

b Chuyể n đ i quang ổ

Các bộ chuy n đ i này hoể ổ ạt động trên nguyên lý ghi nh n các ph quang h c ậ ổ ọ

th cứ ấp (như phổ ấ h p thụ, huỳnh quang, lân quang, phổ Raman, phổ nhiễu xạ, phổtán sắc…) được phát ra từ các phân t sinh h c ở ạử ọ tr ng thái kích thích khi bị chi u ếsáng b i tia c c tím, tia laser hoở ự ặc các bức xạ điệ ừ năng lượng cao Các đại lượ n t ng được đo có th ể là biên độ, năng lượng, s phân c c, ho c pha c a các tín hi u quang ự ự ặ ủ ệđược phát ra (thường là hu nh quang ho c lân quang) Trong ỳ ặ dó, biên độ là đại lượng được s d ng nhi u nh t trong các ph n t và nó cho bi t nử ụ ề ấ ổ điệ ừ ế ồng độ ủ c a

chấ ần phân tích Năng lượt c ng của b c xứ ạ điệ ừ là đại lượ n t ng có th cho bi t thông ể ếtin về ự thay đổ s i các yế ố ầu t c n phân tích của môi trường xung quanh, nh ng dao ữ

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

34

động n i t i c a phân t ho c hình thái c a các mộ ạ ủ ử ặ ủ ức năng lượng m i xu t hi n khi ớ ấ ệcác tương tác sinh học x y ra V i nh ng phân t sinh hả ớ ữ ử ọc được c nh trên m t b ố đị ộ ềmặt thì ánh sáng phát ra của chúng là ánh sáng phân cực Thời gian tồn tại của tín

hiệu phát xạ cung cấp các thông tin về quá trình tương tác giữa các phân tử vì thời gian này r t phấ ụ thuộc vào tr ng thái kích thích c a phân tạ ủ ử và môi trường xung quanh nó

Các cảm bi n sinh h c sử ụế ọ d ng b chuyộ ển đổi quang có tính ch n lọ ọc, độ nh y ạ

rất cao và thời gian đáp ứng nhanh Các cảm biến loại này thường được ứng dụng vào vi c phát hi n sệ ệ ự ồ t n t i c a phân t sinh h và cho bi t các thông tin vạ ủ ử ọc ế ề các

chất này như nồng độ, tương tác của các phân tử sinh học…

c Chuyển đổi áp điện

Có nhi u loề ại vậ ệt li u thể ện tính áp điện như thạ hi ch anh, tourmalin, tantanlate, nhôm nitrit, kẽm oxit định hướng… Tuy nhiên, v t liậ ệu áp điện chủ ếu đượ y c sử

dụng nhiều để làm bộ chuyển đổi trong các cảm biến sinh học đó là tinh thể ạch thanh và được ph lên trên b m t các đi n c c vàng Tinh th ủ ề ặ ệ ự ể áp điện th ch anh s ạ ẽdao động cưỡng b c m t t n s xác đứ ở ộ ầ ố ịnh khi đặt lên các điện c c vàng m t tín ự ộ

hiệu điệ ở ộn m t tần số xác định Tần số ủa bộ dao động chỉ ụ c ph thuộc vào tần số

của dòng điện được đặt vào và nó tỉ ệ ới khối lượng của tinh thể Dựa trên nguyên l v

lý này, khi các đầu thu sinh học được g n k t lên trên b m t c a các đi n c c s ắ ế ề ặ ủ ệ ự ẽtương tác v i các tác nhân c n phát hi n s ớ ầ ệ ẽ làm tăng (hoặc gi m) khả ối lượng bám trên bề ặ m t các điệ ực, do đó, làm thay đổ ầ ố dao độn c i t n s ng c a tinh th th ch anh ủ ể ạ

S ự thay đổi này tuân theo phương trình Sauerbrey:

2 6

2,3.10 f m f

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

biến sinh học sử ụng bộ d chuyển đổi áp điện tinh thể ạch anh được sử ụng nhiề th d u

là các hệ vi cân tinh th thể ạch anh (QCM) và được ứng d ng trong qu n lý ch t ụ ả ấlượng th c ph m, môi tr ng và y t ự ẩ ườ ế

d Chuyể n đ i nhiệ ổ t

Với bộ chuyển đổi này, các đầu thu sinh học được cố định trên các cảm biến nhiệt độ Khi tác nhân phát hiện tương tác với đầu thu sinh học sẽ hình thành hoặc phá v liên k t hóa h c giỡ ế ọ ữa chúng và làm thay đổi entanpi của các phả ứn ng của enzyme Tổng lượng nhiệt được sinh ra hoặc bị ấ h p thụ ẽ tương ứ s ng v i tớ ổng entanpi và t ng s phân t trong phổ ố ử ả ứn ng Nhiệt độ ẽ đượ s c ghi nh n bậ ởi các nhiệt điện tr ở

Các cảm bi n sinh hế ọc sử ụ d ng b chuyộ ển đổi nhi t không yêu cệ ầu thường xuyên ph i ch nh lả ỉ ại và có độ ch n lọc, độ ạy kém hơn so vớọ nh i các cảm biến sử

dụng bộ chuyển đổi quang hoặc điện hóa Cảm biến loại này có thể được sử ụ d ng cho công ngh th c ph m, m phệ ự ẩ ỹ ẩm, dược phẩm

e Chuyển đổi vi cơ

Một loại chuyển đổi khác được sử ụng trong các cảm biến sinh học là chuyển dđổi vi cơ nhờ ệ ị cơ thanh dầ h v m (cantilever) Các b chuyộ ển đổi này s phát hi n ẽ ệ

s ự thay đổi tần số dao động hoặc sự ốn cong của các thanh dầm có kích thước umicro Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi này là d a trên sự ự ấ h p thụ ho c ặtương tác của các phân t xác đ nh x y ra trên b m t c a các thanh d m d n t i s ử ị ả ề ặ ủ ầ ẫ ớ ựthay đổi đáp ứng cơ học c a các thanh dủ ầm như độ cong, t n s ầ ố dao động Vi c ghi ệ

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

36

nhận sự thay đổi này có thể ử ụng tia laser cùng với cảm biến quang hoặc các bộ s dghi t n D a vào các tín hi u này có thầ ự ệ ể cho phép xác định lực tác dụng lên thanh

dầm và do đó xác định được nồng độ ủa chất cầ c n phân tích B chuyộ ển đổi vi cơ có

th ể dùng để xác định độ nhớt, vận tốc dòng chảy của dung dịch và nồng độ ủa tác cnhân phát hi n ệ

1.4 Các phương pháp cố đị nh thành phần sinh học lên vậ ệu rắ t li n

Một trong những yếu tố quan trọng quyết định tới chất lượng của cảm biến sinh

học chính là các phương pháp cố định các đầu thu sinh học lên trên bề ặt của các mđiện c c c a c m biự ủ ả ến Các phương pháp này không những phải đảm b o tính g n ả ắ

kết, cố định về ặt cơ họ m c mà còn phải đảm b o liên k t v m t tín hi u gi a đ u ả ế ề ặ ệ ữ ầthu sinh học vớ ội b phận chuyển đổi Các phương pháp cố định chủ ếu thườ y ng được s dử ụng đố ới v i các c m bi n sinh h c là h p th v t lýả ế ọ ấ ụ ậ (adsorption), liên kết

cộng hóa trị (covalent binding), bẫy(entrapment), liên kết chéo giữa các phân tử(cross-linking), hóa r n (encapsulation) ắ [16]

a H p th vấ ụ ật lý

Phương pháp hấp th v t lý s d ng các liên k t c a l c Van der Waals, liên ụ ậ ử ụ ế ủ ự

kết hydro, lực liên kết ion để ắn các thành phần sinh học lên trên bề ặt của cảm g m

biến Có nhiều loại đế như cellulose, collodion, silica gel, thủy tinh… được sử ụ d ng làm thành ph n h p thầ ấ ụ các phân t ửsinh họ Đây là một phương pháp nhanh chóng, c

Hình 2.5.Các phương pháp cố định đầ u thu lên trên b m ề ặ t cảm biế n

1 H p th v ấ ụ ậ t lý, 2 Liên kết cộ ng hóa tr , 3 B y, 4.Liên k t chéo gi a các phân t ị ẫ ế ữ ử ,

5 Hóa r n [16] ắ

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

37

đơn giản và đặc biệt có ý nghĩa đố ới v i các c m bi n sinh h c s d ng m t l n Tuy ả ế ọ ử ụ ộ ầnhiên, do l c liên kự ết giữa phần tử sinh học với bề ặt thườ m ng yếu và khó điều khiển cho nên hiệu suất cố định phần tử sinh học thấp và các thành phần sinh học này dễ ị ạ ỏ b lo i b trong quá trình chế ạ t o Chất lượng của cảm bi n phế ụ thuộc nhiều vào điều ki n ch tệ ế ạo như: độ pH, nhiệt độ, dung môi…

b Liên kết cộng hóa tr ị

Để tăng hiệu su t c nh các ph n t sinh h c lên trên b mấ ố đị ầ ử ọ ề ặt điện c c c a ự ủ

c m biả ến thì người ta s d ng các liên k t c ng hóa tr giử ụ ế ộ ị ữa các phần tử sinh học với

b mề ặt cảm biến Trước tiên, bề ặt của cảm biến được biến tính bởi các gốc phản mứng để có th cho phép các v t li u sinh h c liên k t v i b m t c m bi n thông qua ể ậ ệ ọ ế ớ ề ặ ả ếcác liên kết hóa h c ọ Phương pháp này cải thiện được hình thái, mật độ ự, s phân b ố

của các tác nhân sinh học cũng như tái tạo lại và đồng nhất bề ặt cảm biế m n Phương pháp cố đị nh b ng liên k t c ng hóa tr có th làm gi m ho c lo i b m t s ằ ế ộ ị ể ả ặ ạ ỏ ộ ố

vấn đề như: sự không ổn định, khuế h tán, kết tủa, hoặc khử ạt tính của phân tửc hosinh h … cọc ủa phương pháp hấp thụ ậ v t lý Các chất phả ứng như glutaraldehyde, n carbodiimide, succinimide este, maleinimide, và periodate thường được s d ng ử ụlàm v t liậ ệu để ố định đầ c u thu sinh h c lên trên b m t b chuyọ ề ặ ộ ển đổi

Đượ ử ục s d ng nhi u nhề ất để ch t o c m bi n vế ạ ả ế ới phương pháp này là tạo màng đơn

lớp tự ắp ghép (SAM Self Assembled Monolayer) Trong phương pháp này, bề l –

-mặt điện cực thường làm bằng kim loại Au hoặc được biến tính bởi các hạt nano Au Màng đơn lớp đượ ạc t o ra d dàng bễ ằng cách nhúng điện c c c a c m bi n vào ự ủ ả ếtrong dung dịch chứa các hợp ch t có ch a liên kấ ứ ết lưu huỳnh như: nhóm thiol, nhóm sulfide, nhóm disulfides Các nhóm hoạt tính như cacboxyl (-COOH), amin (-

NH2), hydroxit (-OH) trên bề mặt của màng đơn lớp sẽ tương tác với các phầ ử n tsinh học để ạ t o ra liên kết amit Đặc trưng của màng SAM là có tính ổn định, khảnăng lặ ại và độ đồp l ng nh t cao ấ

Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

38

c B y ẫ

Với phương pháp này, các phân tử đầu thu sinh học được cố định bên trong

th m ể ẹ là các màng polymer dạng keo tạo thành ấu trúc ba chiề Trong các cấu c u trúc này, các phân t sinh hử ọc đóng vai trò là các bẫy để ắ b t các phân tử ủ c a chất

cần phân tích Các loại polymer thường được sử ụng là polyacrylamide, tinh bộ d t, aliganate, pectate, polyvinyl chloride, polycarbonate, polyacrylamide, cellulose acetate và silica gel Đặc điểm n i b t cổ ậ ủa phương pháp này là khả năng thích ứng cao của th m i vớể ẹ đố i nhi u lo i ph n t sinh hề ạ ầ ử ọc được cố định Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là các phầ ử ủ ần t c a đ u thu có th thoát ra ngoài trong quá ểtrình s dử ụng, do đó làm mấ ầt d n hoạt tính của đầu dò

d Liên kết chéo giữa các phân t ử

Phương pháp này sử ụ d ng liên k t chéo n i phân t gi a các phân t hai ch c ế ộ ử ữ ử ứ

hoặc đa chức như glutaraldehyde, hexamethylene di isocyanate, 1,5 difluoro 2,4- - dinitrobenzene và axit bisdiazobenzidine-2,2’-disulphonic… Hóa ch t t o liên kấ ạ ết chéo thường đượ ử ục s d ng trong các c m bi n là glutaraldehyde t o liên k t c p v i ả ế ạ ế ặ ớ

-gốc amino lysine của các enzymes Tuy nhiên, phương pháp này có một số nhược điểm như hình thái củ ớa l p enzyme không c ng, yêu cứ ầu cao đố ới hàm lượi v ng v t ậliệu sinh học, liên kết chéo gây ra hình thái đa lớp của enzyme làm giảm hoạt tính

của lớp được cố định Hơn nữa, hàng rào khuếch tán lớn có thể àm suy giảm các ltương tác giữa ch t phân tích v i phân t u thu sinh h c ấ ớ ử đầ ọ

e Hóa r n ắ

Trong phương pháp này, một màng xốp (porous) được hình thành xung quanh

vật liệu sinh học và giúp gắn kết chúng với cảm biến Phương pháp sol gel thườ- ng được s dử ụng để ố đị c nh các phân t sinh h c trên s , th y tinh, và nh ng v t li u ử ọ ứ ủ ữ ậ ệphi sinh h c khác Trong mô hình sol gel, phân t sinh họ - ử ọc được cố định trong thể

m ẹ là một màng xốp Hơn nữa, quá trình sol gel có thể được thực hiện tại nhiệt độphòng và màng xốp có tác dụng bảo vệ các phân t ửsinh học chống lạ ự ếi s bi n tính Phân t sinh hử ọc được cố định theo phương pháp này rất bền nhưng để ể ki m soát

-Học viên: Nguyễn Kiến Thạch

39

kích thước h t là m t vạ ộ ấn đề ở tr ng i l n Nh ng vạ ớ ữ ấn đề như giới h n khu ch tán ạ ếvào bên trong màng x p, tính giòn cố ủa màng trong su t, khố ả năng tái sản xuất và tính không đồng nh t trong quá trình chu n b phấ ẩ ị ải được x ử lý trước khi s d ng ử ụphương pháp này cho các ứng d ng cu c sụ ộ ống thường ngày

2 C ả m biế n đi ệ n hóa

Hiện nay, cảm biến sinh học điện hóa đang thu hút được sự quan tâm nghiên

cứu và phát triể ứng dụng của nhiều nhà khoa học trên thế ới Các cảm biến này n gi

có nhiều ưu điểm như có thể xác định được chấ ầt c n phân tích mà không phá hủy các mẫu sinh h c, thọ ời gian đáp ứng nhanh, độ nh y và đ chạ ộ ọn lọc cao, d ế ạễch t o, giá rẻ và d s dễ ử ụng Chúng có thể được sử ụ d ng trong các phân tích y sinh học,

kiểm soát trực tiếp các quá trình đang diễn ra trong công nghiệp và môi trường,

hoặc các nghiên cứu trong phòng thí nghi m ệ

2.1 C ả m biến sinh học đo dòng

Cảm biến sinh học dòng đo dòng điện được sinh ra từ các phả ứng oxy hóa n

kh cử ủa các vật liệu điện hóa trên bề ặt của điện cực làm việc khi đặt một thế mkhông đổi Các điện t s di chuy n t ch t phân tích tử ẽ ể ừ ấ ới điện c c làm vi c ho c ự ệ ặngượ ạc l i Chi u cề ủa dòng điện tùy thu c vào tính ch t c a ch t phân tích và có th ộ ấ ủ ấ ểđiều khiển được nh th ờ ế đặt lên điện c c làm viự ệc Các điện c c làm viự ệc thường là các kim loại trơ về mặt hóa học như vàng và platin Điện c c chuự ẩn thường là Ag/AgCl được đặt m t th c nh so vộ ế ố đị ới điện c c làm viự ệc Cường độ dòng tuy n ếtính cho bi t nế ồng độ ủ c a các ion của các chất cần phân tích

Cảm biến đo dòng thường sử ụng các màng enzyme được cố định trên bề ặt d m

của các cảm biến đóng vai trò như chất xúc tác của quá trình phả ứng diễn ra và n trên bề ặ điệ m t n c c làm vi c Tín hiự ệ ệu điện thu được sẽ được khuếch đại nhờ cơ chế tương tác của enzyme với các cơ chất Tùy thuộc vào cơ chế trao đổi điện tích

mà các cảm bi n sinh hế ọc dòng được chia thành ba lo i sau: ạ