SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG TIÊM INSULIN

Trong những năm gần đây, đái tháo đường đã và đang trở thành một vấn đề sức khỏe toàn cầu với số lượng bệnh nhân ngày càng gia tăng, đặc biệt ở những nước đang phát triển cũng như một vài dân tộc thiểu số trên toàn thế giới. Nó đang hằng ngày đe dọa mạng sống của rất nhiều người trên thế giới. Các nhà khoa học đã liên tục tìm ra các biện pháp khác nhau để chữa trị căn bệnh này nhưng đều gặp những khó khăn nhất định. Hơn nữa những bệnh nhân tiểu đường type 1 rất cần isulin. Mà có người có thể phải tiêm đến 4 mũi insulin một ngày. Hầu hết những lần tiêm insulin thường gây cảm giác đau đớn cho bệnh nhân. Mà việc tiêm insulin cần độ chính xác cao, nếu không đúng liều lượng và đúng cách sẽ làm bệnh càng trở nên nghiêm trọng và có thể ảnh hưởng đến tính mạng bệnh nhân. Nhưng chỉ qua những thao tác đơn giản mà người bệnh có thể tự thực hiện để đưa insulin vào cơ thể.  Với lí do trên mà em chọ đề tài “ Sử dụng công nghệ nano trong tiêm insulin” để góp phần làm tăng khả năng cung cấp insulin cho bệnh nhân mà không cần phải tiêm.

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THPT Chu Văn An- Quận Tây Hồ ************** ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015). Tên đề tài: SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG TIÊM INSULIN Lĩnh vực: Y khoa và Khoa học sức khoẻ NGƯỜI HƯỚNG DẪN - TS. Nguyễn Thu Hương - Đơn vị công tác: Bệnh viện Bạch Mai TÁC GIẢ: 1. Vũ Hải Đăng Lớp:10 Sinh Trường: THPT Chu Văn An Hà Nội, tháng 11 năm 2014 Mục lục Phần I: Lí do chọn đề tài: 1.1. Lí do 1.2. Mục đích Phần II: Tổng quan vấn đề nghiên cứu và điểm mới, sáng tạo của đề tài. 2.1. Tổng quan đề tài 2.1.1. Nguyên liệu 2.1.2. Các khái niệm 2.2. Tính mới và sáng tạo Phần III: Quá trình nghiên cứu và kết quả 3.1 Các vấn đề trong quá trình nghiên cứu 3.1.1 Đái tháo đường: 3.1.2 Insulin: 3.2 Quá trình nghiên cứu: 3.2.1 Điều xuất alginate và chitosan 3.2.2 Tạo ra các hạt nano 3.2.3 Tạo ra mạng lưới các hạt nano 3.2.4 Cấy mạng lưới nano lên vi mạch điện tử có thể điều khiển 3.2.5 Đưa hoocmon insulin vào bên trong mạng lưới 3.2.6 Giải phóng các hoocmon insulin 3.2.7 Phục hồi mạng lưới hạt nano 3.3 Thử nghiệm 3.4 Kết quả 3.5 Tài liệu tham khảo Phần IV: Kết luận Phần I: Lí do chọn đề tài: 1.1. Lí do: - Trong những năm gần đây, đái tháo đường đã và đang trở thành một vấn đề sức khỏe toàn cầu với số lượng bệnh nhân ngày càng gia tăng, đặc biệt ở những nước đang phát triển cũng như một vài dân tộc thiểu số trên toàn thế giới. Nó đang hằng ngày đe dọa mạng sống của rất nhiều người trên thế giới. Các nhà khoa học đã liên tục tìm ra các biện pháp khác nhau để chữa trị căn bệnh này nhưng đều gặp những khó khăn nhất định. - Hơn nữa những bệnh nhân tiểu đường type 1 rất cần isulin. Mà có người có thể phải tiêm đến 4 mũi insulin một ngày. Hầu hết những lần tiêm insulin thường gây cảm giác đau đớn cho bệnh nhân. Mà việc tiêm insulin cần độ chính xác cao, nếu không đúng liều lượng và đúng cách sẽ làm bệnh càng trở nên nghiêm trọng và có thể ảnh hưởng đến tính mạng bệnh nhân. - Nhưng chỉ qua những thao tác đơn giản mà người bệnh có thể tự thực hiện để đưa insulin vào cơ thể.  Với lí do trên mà em chọ đề tài “ Sử dụng công nghệ nano trong tiêm insulin” để góp phần làm tăng khả năng cung cấp insulin cho bệnh nhân mà không cần phải tiêm. 1.2. Mục đích: +Giúp những bệnh nhân tiểu đường type 1 được cung cấp đầy đủ insulin, giảm số làn tiêm và tránh đau đơn khi tiêm. +Khi được cung cấp đầy đủ insulin nồng độ máu sẽ được điều hòa và mọi hoạt động diễn ra bình thường. Bằng phương pháp này mà bệnh nhân luôn được cung cấp đầy đủ insulin dù là ở đâu. Đồng thời giúp giảm chi phí, tiền bạc, góp phần làm gairm thiểu số người mất đi vì thiếu insulin ở Việt Nam cũng như toàn thế giới Phần II: Tổng quan vấn đề nghiên cứu và điểm mới, sáng tạo của đề tài. 2.1. Tổng quan đề tài: Đề tài nghiên cứu “SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG TIÊM INSULIN”, trong đó sử dụng mạng lưới các hạt nano liên kết với nhau tạo thành một vòng tròn liên kết, trong vòng tròn đấy chứa hoocmon insulin. Ta sẽ cấy các hạt nano và hoocmon insulin đó lên một vi mạch điện tử có kích thước nhỏ và vi mạch đó sẽ được cấy xuống dưới tế bào da của cơ thể. Tùy theo liều lượng và kích thước vi mạch mà ta có thể điều chỉnh sao cho lượng insulin đủ dùng trong 10 ngày hoặc 15 ngày. Khi cơ thể thiếu hoocmon insulin ta sẽ phát ra một luồng sóng siêu âm từ thiết bị điều khiển và các hạt nano sẽ tự dãn ra và đẩy insulin ra ngoài. Khi luồng sóng siêu âm kết thúc thì các hạt nano sẽ tự động co lại và trở về trạng thái ban đầu. Cứ như thế hằng ngày hoocmon insulin sẽ được đưa vào cơ thể và không cần tiêm. Khi hết insulin chúng ta sẽ bơm một liều lượng mới vào cơ thể. 2.1.1. Nguyên liệu: - Chitosan - Alginate - Vi mạch điện tử có kích thước nhỏ có thể điều khiển - Hoocmon insulin 2.1.2. Các khái niệm: - Công nghệ nano: Công nghệ nano, (nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet - Hoocmon insulin: Hormone Insulin (Công thức hóa học: C 257 H 383 N 65 O 77 S 6 ) là một loại hormone do các "tế bào đảo tụy" của tuyến tụy tiết ra với tác dụng chuyển hóa carbonhydrate - Chitosan: Chitosan một polysacarit mạch thẳng, là dẫn xuất đề axetyl hoá của chitin, trong đó nhóm (–NH2) thay thế nhóm (-COCH3) ở vị trí C(2) - Alginate: Là một acid hữu cơ có trong tảo nâu, có trọng lượng phân tử từ 32.000-200.000, do D-Mannuroic acid và L-Guluronic acid liên kết với nhau bởi liên kết glucozit. Nó tồn tại dưới dạng sợi, hạt hay bột màu trắng đế vàng nâu. được dùng làm chất tạo đông, chất ổn định, chất tạo gel, chất nhủ hóa, không tan trong nước và dung môi hữu cơ 2.2. Tính mới và sáng tạo: - Sử dụng tính liên kết của các hạt nano để giúp giữ các hoocmon isulin bên trong. - Trên thế giới mới chỉ sử dụng hạt nano để kích thích và điều hòa đường huyết trong thời gian ngắn. Nhưng trên đề tài của em sẽ sử dụng công nghệ nano để sản sinh ra hoocmon insulin và điều hòa đường huyết trong vòng 10-15 ngày. - Sử dụng cả sóng siêu âm để kích hoạt nên công việc sẽ trở nên đơn giản hơn rất nhiều -Sử dụng các phân tử hữu cở đơn giản nên không ảnh hưởng đến sức khỏe người bệnh trong quá trình sử dụng. Phần III: Quá trình nghiên cứu và kết quả: 3.1 Các vấn đề trong quá trình nghiên cứu: 3.1.1 Đái tháo đường: - Đái tháo đường là tình trạng rối loạn chuyển hoá glucid gây tăng đường huyết mạn tính, kèm theo rối loạn chuyển hoá Protid là Lipid. Đây là hậu quả của thiếu hụt bài tiết insulin hoặc hoạt động kém hiệu quả của insulin hoặc phối hợp cả hai. -Phân loại ĐTĐ + Đái tháo đường týp 1: Do tế bào bêta bị phá huỷ dẫn tới thiếu hụt Insulin hoàn toàn, thường có 2 cơ chế được đề cập.(Tự miễn, không rõ nguyên nhân). Liều trung bình 0.5- 1UI/kg/ngày với khoảng 50% là liều insulin nền, 50% còn lại chia đều cho các mũi insulin nhanh trước các bữa ăn. + Đái tháo đường týp 2: Có cơ chế kháng Insulin hoặc cả hai. - Liều insulin dao động 0.3- 2UI/kg/ngày +Đái tháo đường thái nghén: Đái tháo đường khởi phát trong khi mang thai. 3.1.2 Insulin: - Insulin người là một polypeptide bao gồm một chuỗi A với 21 acid amin và một chuỗi B với 30 acid amin, có một cầu nối disulfur trong chuỗi A và 2 cầu nối disufur nối giữa hai chuỗi A và B. Insulin ban đầu được tổng hợp ở dạng “preproinsulin” (tiền insulin) trên ribosome trong tế bào beta trong đảo Langerhans của tuyến tụy. Preproinsulin là một phân tử dạng thẳng bao gồm: một peptide tín hiệu chứa 24 acid amin (SP), chuỗi B, peptide C với 31 acid amin (C) và chuỗi A nối với nhau theo thứ tự SP-B-C-A. Khi vận chuyển qua lưới nội chất, peptide tín hiệu bị phân cắt tạo ra proinsulin. Proinsulin hình thành cầu nối disulfur trong lưới nội chất, hình thành cấu trúc bậc ba. Proinsulin bị phân cắt bởi enzyme PC1/3 tại liên kết giữa chuỗi B và peptide C và sau đó bị phân cắt bởi enzyme PC2 ngay vị trí liên kết giữa chuỗi A và peptide C. Hai acid amin đầu N của peptide nối với đầu C của chuỗi B khi bị phân cắt bởi PC1/3 sẽ được phân cắt ra khỏi chuỗi B bởi enzyme carboxypeptidase H. Kết quả cuối cùng của quá trình phân cắt tạo thành insulin. - Tác dụng của insulin: + Insulin làm tăng sử dụng glucose ở cơ + Tăng tổng hợp, dự trữ glycogen ở gan, cơ + Giảm sinh đường huyết từ các acid amin. -Trong cơ thể bình thường: 40-50% tổng số insulin bài tiết ra hàng ngày là để duy trì đường máu bình thường qua đêm, khi đói và giữa các bữa ăn. 50-60% sè insulin còn lại để tiêu thụ lượng carbonhydrate ăn vào và điều chỉnh khi có tăng bất thường về đường máu. -Các loại insulin: +Theo nguồn gốc: từ bò, lợn, cừu hay insulin tổng hợp. +Theo thời gian tác dụng: dựa vào dược động học của insulin, chia insulin thành các nhóm khác Loại insulin Bắt đầu tác Tác dụng tối Hết tác dụng đa dụng Insulin rất nhanh (Lispro, Glulisine, Aspart) 15p 45-90p 3-5h Insulin nhanh (Regular, Actrapid) ~ 1h 2-4h 4-8h Insulin trung gian (NPH, Lent, Latard) 1-3h 6-8h 12-22h Insulin chậm (Ultralente) ~ 4-8h 8-20h 24-48h Insulin hốn hợp (Mixtard) ~ 30p Tùy sự kết hợp 18-30h Insulin nền (Glargine) Insulin nền (Detemir) 4-5h 2 Không 6-9h >24h 12-24h * Insulin tác dụng nhanh và rất nhanh - Insulin regular + Là dung dịch trung tính của insulin người tổng hợp từ nấm men (yeast) + Tiêm 30p trước khi ăn + Một số biệt dược: Humulin R (Eli Lilly) lọ 100UI/ml x 10ml Actrapid HM (Novo Nordisk) lọ 100UI/ml, 40UI/ml x 10ml + Nhược điểm của insulin tự nhiên là dễ kết hợp với kẽm trong máu tạo thành các hexamer chậm giải phóng insulin monomer vào vòng tuần hoàn chính vì vậy kiểm soát đường máu sau ăn kém mà lại dễ gây hạ đường huyết xa bữa ăn (do các hexamer vẫn tiếp tục giải phóng insulin vào hệ tuần hoàn) * Insulin bán chậm: - Insulin NPH + Biệt dược hay dùng: Insulatard HM (Novo Nordisk) lọ 100UI/ml x 10ml + Là hỗn dịch insulin người sinh tổng hợp trung tính loại isophane + Chỉ dùng tiêm dưới da + Bắt đầu tác dụng trong vòng 60-90p, peak 4-12h, kéo dài 24h * Insulin hỗn hợp: - Là hỗn hợp insulin regular và NPH hoặc Lente, khi tiêm dưới da sẽ có 2 pha tác dụng là pha nhanh và pha chậm - Tỷ lệ pha có thể là 50/50 hoặc 30/70 (hay dùng hơn) *Insulin nền - Glargine + Là insulin glargine có tác dụng kéo dài, không có tác dụng đỉnh có vai trò duy trì nồng độ insulin nền trong máu. + Tiêm dưới da ngày 1 lần vào 1 thời điểm nhất định : vào buổi tối hay buổi sáng trước hoặc sau bữa ăn - Detemir + Là insulin tác dụng kéo dài. + Detemir được tiêm dưới da 2 lần/ngày + Ưu điểm của detemir là ko gây tăng cân nhiều (0.5-1kg) khi so sánh với các loại insulin nền khác + Giảm nguy cơ hạ đường huyết giữa các bữa ăn + Giảm mức dao động đường huyết 3.2 Quá trình nghiên cứu: 3.2.1 Điều xuất alginate và chitosan: Sơ đồ 1: Quy trình tách chiết để sản xuất ra alginate Sơ đồ 2: Quy trình tách chiết để tạo ra chitosan 3.2.2 Tạo ra các hạt nano: Sau khi tách chiết để tạo ra chitosan và alginate, ta sẽ sử dụng kính hiển vi điện tử để tách được các phân tử. Từ đó ta sẽ thu được các hạt nano chitosan và alginate có kích thước đơn vị là nanomet gọi là hạt nano chitosan và alginate. Vỏ tôm Chitin Loại bỏ các muối vô cơ và protein Loại bỏ tạp chất Chitosan Deacetyl hóa 3.2.3 Tạo ra mạng lưới các hạt nano: Ta sẽ cho các hạt nanao thu được ở trên đi qua bể chưa có dòng điện đi. Khi đó các hạy nano chitosan sẽ bị lực dương hút lại tạo nên hạt nano hitosan mang điện tích âm. Còn hạt alginate thì bị dòng điện dương hút lại tạo hạt nano alginate mang điện tích dương( Hoặc ngược lại) Khi ta cho các hạt này hòa lẫn với nhau thì các hạt sẽ hút nhau nhờ lực hút tĩnh điện bền chặt. Từ đây mạng lưới các hạt nano được hình thành. Một khi được tiêm vào lớp dưới da, mạng lưới nano đó giữ các hạt nano lại với nhau và ngăn không cho chúng phân tán khắp cơ thể. 3.2.4 Cấy mạng lưới nano lên vi mạch điện tử có thể điều khiển: Một vi mạch điện tử sinh học có kích thước khoảng chừng bằng một cái “sim điện thoại” ( 3cm x 1.7cm). Sau đó ta sẽ đưa cấu trúc mạng lưới nano lên vi mạch. Vì đây là một vi mạch sinh học nên cấu trúc hat nano không làm hỏng vi mạch và hơn nữa cơ thể bệnh nhân sẽ không có các phản ứng phụ với vi mạch. 3.2.5 Đưa hoocmon insulin vào bên trong mạng lưới: Vì mạng lưới các hạt nano có kích thước là nanomet ( kích thước nhỏ nhất trong sinh học) nên khi nhiều hạt nano liên kết với nhau tạo cấu trúc kín và rất khó bị thẩm thấu. Mặt khác, hoocmon insulin lại có kích thước trên nanomet nên sẽ dễ dàng bị giữ lại bên trong. 3.2.6 Giải phóng các hoocmon insulin: Các hạt nano này có cấu trúc xốp. Một khi ở trong cơ thể, insulin bắt đầu khuếch tán từ những hạt nano này. Nhưng phần lớn insulin đều không phân tán xa – nó bị lực tĩnh điện mạng lưới nano này chặn lại trong 1 bể chứa mặc nhiên ở lớp dưới da. Điều này về bản chất đã tạo ra 1 lượng insulin chờ được truyền vào dòng máu. Trong quá trình tiêm bổ sung insulin, bệnh nhân sẽ sử dụng một thiết bị cầm tay có chức năng truyền đi những sóng siêu âm hội tụ đến mạng nano. Từ đó cấu trúc mạng nano sẽ bị phá vỡ và đẩy isulin ra ngoài. Hơn nữa hoạt động này sẽ kích thích những bong bóng khí nhỏ trong mô cơ thể, phá vỡ cấu trúc mạng, làm suy giảm lực tương tác tĩnh điện thông thường ngăn khu vực mô chứa insulin không bị phân tán. Trong tất cả các trường hợp, insulin hoàn toàn có khả năng hòa tan vào máu, và được kích thích bởi lực của sóng siêu âm. 3.2.7 Phục hồi mạng lưới hạt nano: Khi hết sóng siêu âm các hạt nano sẽ trở lại trạng thái bình thường.Sau khi ngắt thiết bị truyền sóng siêu âm, mạng nano hồi phục lại cấu trúc. Khi loại bỏ sóng siêu âm, lực tĩnh điện phục hồi trở lại và kéo các hạt nano ở mạng lưới nano trở lại với nhau. Sau đó, những hạt nano này phân tán nhiều insulin hơn, làm đầy lại vi mạch. Khi một mạng nano bị phá vỡ, một loạt các hạt nano sẽ tiếp tục được tiêm vào cơ thể để thay thế, cơ thể sẽ hấp thụ mạng nano cũ trong vòng một vài tuần. Kỹ thuật này liên quan đến việc tiêm các hạt nano tương thích sinh học và có thể thoái biến sinh học vào da bệnh nhân. Bằng cách sử dụng công nghệ mới này, bệnh nhân tiểu đường không phải tiêm insulin nữa – [...]... Trước hết là chỉ qua công đoạn đơn giản mà ta có thể đưa insulin vào cơ thể Hơn nữa sử dụng công nghệ này mà bệnh nhân không đau đơn như tiêm trước kia nữa mà cứ hằng ngày hoocmon insulin sẽ tự động đưa vào cơ thể Và cuối cùng, khi sử dụng đề tài của em những vấn đề về insulin trên toàn thế giới và trước hết là Việt Nam sẽ được giải quyết Hàng triệu người đang sống trông cảnh thiếu insulin sẽ được khắc... vào vi mạch và kéo dài thời gian cung cấp insulin cho bệnh nhân hơn nữa 3.5 Tài liệu tham khảo: -http://baigiang.violet.vn/present/show/entry_id/8390290 -http://www.hoahocngaynay.com/vi/nghien-cuu-giang-day/bai-nghien-cuu/536-chitin-vachitosan.html - Chuyên đề về insulin – Bệnh viện y học cổ truyền Phần IV: Kết luận: Vây bằng công nghệ nano áp dụng trong tiêm insulin mà đã trợ giúp cho bệnh nhân tiểu...nó đã sẵn có ở đó Thay vào đó, bệnh nhân có thể sử dụng 1 thiết bị cầm tay nhỏ để gắn các sóng siêu âm hội tụ vào mạng lưới nano này, giải phóng insulin từ vi mạch mặc nhiên của nó vào dòng máu mà không gây đau đớn Từ đó insulin sẽ liên tục được đưa vào cơ thể 3.3 Thử nghiệm: Thu thập 4 con chuột với khả năng cung cáp insulin kém Cấy vi mạch lên chuột Chò xem chuột có phản ứng phụ với... thập 4 con chuột với khả năng cung cáp insulin kém Cấy vi mạch lên chuột Chò xem chuột có phản ứng phụ với vi mạch( sau 48 giờ) Truyền sóng âm lên vi mạch để giải phóng insulin Chờ sau 2 giờ và phân tích kết quả đường huyết sau khi truyền insulin Thu kết quả 3.4 Kết quả: ĐÁNH GIÁ KÉT QUẢ ĐƯỜNG MÁU SAU 48 GIỜ ĐẦU Hiện tại đề tài của em vẫn đang được tiếp tục thử nghiệm trên tế bào và đang thu được những