Công nghệ sinh học nano

Công nghệ sinh học nano GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử phát triển 1.1.1 Công nghệ sinh học Công nghệ sinh học (CNSH) thực trở thành ngành công nghiệp vào cuối năm 1970 đề cập tiên đoán tiềm phát triển từ 60 năm trước [1] CNSH tập hợp khám phá khoa học kỹ thuật thí nghiệm cho phép nhà khoa học thao tác sử dụng hệ thống sinh học nghiên cứu phát triển sản phẩm thương mại [2] Với tảng công nghệ tái tổ hợp, CNSH có bước tiến thần kỳ, với ngày nhiều ứng dụng CNSH đại tập trung nghiên cứu trình, chế mức phân tử Sinh học phân tử phát triển, cần công cụ, vật liệu nhằm thâm nhập sâu vào giới hiển vi trình, cấu trúc sinh học 1.1.2 Công nghệ nano Nano theo tiếng Latinh nghĩa nhỏ xíu Vào kỷ thứ VII trước Công nguyên, Mimnermus, thi gia HyLạp, sáng tác thơ có tên “nữ hoàng Ναννο” Đến kỷ thứ II sau Công nguyên, ναννο tên loại bánh bơ có dầu ôliu, sang kỷ thứ III sau Công nguyên lại mang nghĩa bồn rửa bát đĩa lớn Tiền tố nano xuất tài liệu khoa học lần vào năm 1908, Lohmann sử dụng để sinh vật nhỏ với đường kính 200 nm [3] Vào năm 1974, Tanigushi lần sử dụng thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology) hàm ý liên kết vật liệu cho kỹ thuật xác tương lai [3] Hiện khoa học, tiền tố nano biểu thị số 10-9 tức kích thước phần tỷ m (hình 1) Hình Các phân tử DNA có kích thước khoảng 2,5 nm 10 nguyên tử H xếp liền dài 1nm (Theo www.cecs.ucf.edu) Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc phủ Mỹ định nghĩa công nghệ nano (CNNN) “bất thứ liên quan đến cấu trúc có kích thước nhỏ 100nm” Định nghĩa loại bỏ cách độc đoán chủ thể nghiên cứu liên quan khác tập trung vào thiết bị vi lỏng (microfluidic) vật liệu tiến hành quy mô µm [4] Trong “Bionanotechnology: lessons from nature”, Goodsell định nghĩa CNNN “thao tác chế tạo quy mô nano với độ xác nguyên tử” [5] Cụ thể hơn, CNNN khoa học, kỹ thuật thao thác liên quan tới hệ thống có kích thước nano, hệ thống thực nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hóa tính toán đặc biệt Nền tảng công nghệ tượng “các cấu trúc, thiết bị hệ thống có tính chất chức kích thước siêu nhỏ” Cấu trúc CNNN bao gồm hạt hay tinh thể nano, lớp nano ống nano Các cấu trúc nano khác chỗ chúng tạo thành nguyên tử, phân tử chúng xếp [6] Hình Mối tương quan thiết bị máy móc (đồng hồ) có kích thước µm đến mm cấu tử sinh học (ribosom, tiên mao) có kích thước nano [Theo 5] 1.1.3 Công nghệ sinh học nano CNNN phát triển tất yếu dẫn tới nhu cầu tìm kiếm mối liên kết vật có kích thước nano Điều tự phát dẫn tới sinh học (lĩnh vực khoa học “nóng” nhất) (hình 2) Các nhà khoa học mong muốn giao thoa CNSH CNNN lẽ CNNN mang lại cho sinh học công cụ sinh học cho phép CNNN đạt hệ thống có chức [7] Công nghệ tạo hợp tác chưa có nhà khoa học vật liệu, vật lý học sinh học [8] CNSH nano tập CNNN, gần với CNSH thêm khả thiết kế biến đổi chi tiết sinh học mức độ nguyên tử [5] Hiện có nhiều cách định nghĩa CNSH nano CNSH nano ứng dụng CNNN nghiên cứu sinh học bao gồm: khám phá thuốc, thiết bị phân phối thuốc, công cụ chuẩn đoán, liệu pháp vật liệu sinh học [9] Theo NIH, CNSH nano là: Áp dụng công cụ kích thước nano vào hệ thống sinh học Sử dụng hệ thống sinh học làm khuôn mẫu để phát triển sản phẩm cỡ nano Ở đây, cần phân biệt ‘Nano2Bio’ (sử dụng CNNN để phân tích tạo hệ thống sinh học), ‘Bio2Nano’ (sử dụng vât liệu cấu trúc sinh học để tạo hệ thống kỹ thuật) [10] Hình thể khái quát định nghĩa CNSH nano nêu Hình Bức tranh toàn cảnh CNSH nano Trong đó, hệ thống, thiết bị riêng lẻ tích hợp tạo từ tảng giao thoa CNSH CNNN nhằm ứng dụng y học, sinh học… (Theo www.nano2life.org) 1.2 Hướng nghiên cứu Cùng với nở rộ CNNN, CNSH nano có bước tiến thành kỳ Một số ví dụ CNSH nano nghiên cứu phát triển [11]: • Chụp ảnh nghiên cứu tương tác đơn phân tử sinh học • Màng chức tự lắp ráp với tính chất xúc tác, quang hoạt, dẫn điện, điện hóa lọc nước, lọc khí, vi sinh vật • Động DNA (DNA motor) dựa lực tạo lai trình tự bổ sung với • Chụp ảnh trình vận động virus, protein, prion thuốc tế bào sống • Chuyển gene đột biến điểm xác • Các phận phân tử hướng đích tăng phản ứng miễn dịch • Công nghệ phân phối thuốc hướng đích • Khai thác động sinh học protein vận động khác, để tạo lượng điện Hiện thị trường có sản phẩm thương mại CNSH nano Bảng liệt kê số công ty thành công lĩnh vực CNSH nano theo ba hướng nghiên cứu (i) phân tích sinh học; (ii) phân phối thuốc liệu pháp; (iii) thiết bị y học cảm biến sinh học Rõ ràng, có chồng lấp lĩnh vực này, lĩnh vực phát triển xúc tác phát triển lĩnh vực khác [12] Như tất yếu lĩnh vực công nghệ cao mới, Mỹ nước dẫn đầu thể số công ty vượt trội Tuy nhiên, số nước khác Úc Nhật, Canada, Nhật, Anh có công ty tham gia vào thị trường đầy tiềm 1.3 Tiềm Có thể nói, thời điểm tại, thấy tiềm phát triển công nghệ hay kỹ thuật rõ qua nguồn ngân sách nghiên cứu hàng năm doanh thu đem lại từ sản phẩm thương mại Được toàn giới nghiên cứu đầu tư phát triển, ngân sách đầu tư cho CNNN tổ chức thuộc phủ tăng khoảng lần từ 430 triệu năm 1997 lên tỉ USD năm 2003[13] Tỷ lệ đầu tư cho nghiên cứu đào tạo CNSH nano khoảng 6% công nghệ nano Trong lĩnh vực tư nhân, công ty lớn tập trung ứng dụng CNNN cho vât liệu, hóa học, điện; đầu tư dược hệ thống sinh học nano khác ước tính khoảng 10% Tuy nhiên, công ty nhỏ quỹ đầu tư mạo hiểm chi nhiều lĩnh vực (30-40%) [13] Từ năm 1999, 52% số 900 triệu USD quỹ đầu tư mạo hiểm chi cho CNNN tập trung vào thiết lập CNSH nano (hình 4a) Trên thực tế, trong vốn đầu tư mạo hiểm suy giảm từ năm 2001 đến 2002, đầu tư vào CNSH nano lại tăng 313% (hình 4b) Sự tăng trưởng hai yếu tố chủ chốt: ưu đãi phủ khan sáng chế y dược học [9] Trên 50% vốn đầu tư mạo hiểm năm gần chi cho công ty hoạt động CNSH nano [8] Hình Sức cám dỗ ngày tăng CNNN với nhà đầu tư (a) Vốn đầu tư mạo hiểm chi cho CNSH nano so với lĩnh vực CNNN khác (b) Quỹ đầu tư mạo hiểm hàng năm chi cho CNNN [Theo 9] Mặc dù Mỹ chiếm gần 1/3 tổng chi cho CNNN toàn cầu [9] Các quốc gia khác không đứng cuộc, sau năm kể từ cựu tổng thống Mỹ Bill Clinton thành lập NNI, 35 quốc gia khác xây dựng chương trình công nghệ [8] Năm 2004, phủ Mỹ chi 847 triệu USD cho CNNN Nhật liên minh Châu Âu chi không Thái Lan giai đoạn chương trình CNNN quốc gia năm với tổng ngân sách 620 triệu USD [14] Anh quốc gia cuối tăng chi tiêu công nghệ nano, giới thiệu vào tháng gần gấp đôi cam kết với £90 ($141) triệu cho quỹ MicroNanoTechnology Network [8] Ngân sách đầu tư cho CNNN phủ số nước thể bảng Không nằm vòng xoáy chung, Việt Nam trọng vào công nghệ nano Năm 2004, vốn đầu tư vào môi trường CNNN tăng 50% so với năm 2003 [16] Trong lĩnh vực đào tạo, ĐHQG - TP.HCM [17], ĐHBK - TP.HCM [18], Trường ĐH-KHTN [19] Đại học Công nghệ trực thuộc ĐHQG-HN [20], ĐHBK-HN nghiên cứu, đào tạo công nghệ nano Khu công nghệ cao TPHCM tập trung đẩy mạnh CNNN [21] Trong triển khai thực tiễn, thành công rực rỡ CNNN Việt Nam chế tạo thành công than nano "lỏng" [22] ứng dụng làm pin nguyên liệu, chế tạo vi mạch [23] Ngoài có nghiên cứu cấu trúc nano đa lớp, vật liệu từ có cấu trúc nano [24] chế tạo thành công cảm biến nano dùng để xác định nồng độ khí gas hoá lỏng [25] Khu công nghệ cao TP.HCM hợp tác với trung tâm nhiệt đới Việt Nga để chế tạo mặt nạ sinh học dùng than nano [26], giấy mực nano [27] Tuy nhiên, CNSH nano điều lạ Việt Nam Trong lĩnh vực đào tạo, trường ĐHBK-HN có dự thảo chương trình đào tạo thạc sỹ CNSH nano Tại bắt đầu triển khai ứng dụng CNNN chế tạo thuốc hướng đích GS Phạm Thị Trân Châu (Trung tâm CNSH ĐHQG HN), PGS Nông Văn Hải (Viện Khoa học công nghệ Việt Nam) GS Nguyễn Hữu Đức (Trường Đại học Công nghệ - ĐHQG - HN) thảo luận để khởi động kết hoạch nghiên cứu ứng dụng hạt nano y - sinh học để chẩn đoán chữa bệnh [24] Nói chung, CNSH nano Việt Nam đặt viên gạch móng KHỐI CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ CHẾ TẠO 2.1 Vật liệu nano Vật liệu nano vật liệu có chiều có kích thước nm Hình cho thấy số vật liệu nano tiêu biểu kích thước chúng Đặc trưng vật liệu nano Các tính chất vật lý, hóa học vật liệu bị giới hạn kích thước, gọi kích thước tới hạn Các tính chất điện, từ, quang hóa học có độ dài tới hạn cỡ nm Nếu vật liệu nhỏ kích thước tính chất hoàn toàn bị thay đổi Tính chất đặc biệt vật liệu nano đem lại kích thước nhỏ kích thước tới hạn vật liệu Bảng Kích thước số cấu tử nano Hình Kích thước vật liệu nano tế bào (Theo http://dvworld.northwestern.edu/) Phân loại vật liệu nano Theo trạng thái, người ta phân chia vật liệu nano thành trạng thái rắn, lỏng khí Vật liệu nano tập trung nghiên cứu vật liệu rắn, sau đến chất lỏng khí Về hình dáng vật liệu, người ta chia vật liệu nano thành: • Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều có kích thước nano), ví dụ, đám nano, hạt nano • Vật liệu nano chiều vật liệu hai chiều có kích thước nano, ví dụ, dây nano, ống nano (NT), • Vật liệu nano hai chiều vật liệu chiều có kích thước nano, ví dụ, màng mỏng, • Ngoài có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite có phần vật liệu có kích thước nm, cấu trúc có nano không chiều, chiều, hai chiều đan xen lẫn Trong khuôn khổ viết tập trung vào CNSH nano này, đề cập đến vật liệu nano ứng dụng ngành khoa học mẻ Do vậy, để tiện theo dõi chia vật liệu nano dùng CNSH nano thành hai loại dạng cầu (điểm lượng tử, dendrimer, lỗ nano, vỏ nano hạt nano) dạng (ống nano, que nano, dây nano) 2.1.1 Dạng cầu Điểm lượng tử (QD) QD hạt vật chất tạo nên từ vật liệu nhóm II–VI (CdSe) III-V (InP) bảng hệ thống tuần hoàn [28], có kích thuớc nhỏ (< 10 nm) [29] tới mức thêm hay lấy điện tử làm thay đổi tính chất Khi ta kích thích QD nhỏ luợng cuờng độ phát sáng tăng, mang lại bước sóng phát xạ khả điều hướng đa hình phổ phát xạ QD (hình 6) Vì cửa ngõ cho hàng loạt áp dụng kỹ thuật (wikipedia) Hình Vi hạt gắn với QD mang lại màu khác phân tử sinh học Mười màu khác phát từ QD (CdSe gắn với ZnS) tia UV [Theo 30] Trong số vật liệu nano, QD nghiên cứu ứng dụng nhiều Có thể nói, với ưu điểm vượt trội mình, QD dần thay chất phát huỳnh quang ứng dụng trước lai in situ, FRET, xác định khả di động tế bào… Dendrimer Dendrimer phân tử chế tạo cách thêm liên tiếp đơn vị nhánh tỏa từ điểm khởi đầu (hình 7) [31] Hình Cấu trúc hai ba chiều dendrimer Ba thành phần cấu trúc: lõi (vàng), vùng bên chứa đơn vị nhánh lặp lại (xanh da trời) bề mặt (đỏ) [Theo 12] Chất khơi mào (initiator): Có thể tạo dendrimer từ phân tử gốc nguyên tố đa trị Có thể gắn thêm nhóm chức để tạo dendrimer đa chức Đơn vị nhánh: đơn vị nhánh bên toàn amin (DAB-Am = PPI = Astromol), hỗn hợp amine/amide (PAMAM), toàn amide (L-lysine dendrimers), gallate resorcinolate Nếu muốn dùng dendrimer làm thuốc, cần dùng đơn vị nhánh phù hợp với ứng dụng dược học (không độc, hiệu cao, có khả giám sát….) Thể liên kết bề mặt: Tính đa dạng cấu trúc dendrimer tạo nên chủ yếu nhóm bề mặt loại thể liên kết dùng [31] Lỗ nano (nanopore) Lỗ nano tạo nên từ vật liệu rắn (như silicon nitride) kỹ thuật khắc tia ion (ion-beam sculpting technique) [32, 33] theo hai cách: tạo lỗ cách khắc màng, lấp lỗ lớn điều kiện trình chuyển khối biên chủ đạo Chiều sâu lỗ nano màng 5-10 nm đường kĩnh lỗ 3nm Chúng nhỏ đến mức cho mạch đơn DNA qua (hình 8a) Hình Một số cấu trúc nano dạng cầu (a) Lỗ nano [Theo 34], (b) vỏ nano (http://planet.tvi.edu/) (c) hạt nano có từ tính [Theo 35] Vỏ nano (Nanoshell) Vỏ nano khối cầu silica rỗng với hạt vàng bao quanh (hình 8b) Có thể gắn kháng thể lên bề mặt nhằm tạo khối cầu hướng đích [33, 36, 37] Hạt nano (Nanoparticle) Hạt kim loại nano thường định nghĩa hạt tách biệt có kích thước - 50 nm ngăn cản kết tụ vỏ bảo vệ Phụ thuộc vào vỏ bảo vệ sử dụng, chúng tái phân tán nước (“hydrosols”) dung môi hữu (“organosols”) (hình 8c) [29, 38] Lõi hạt nano hạt C, hạt kim loại [39, 40], hạt từ, hạt hữu [41], hạt silica [42] … 2.1.2 Dạng Ống nano Được khám phá lần Dr Sumio Lijima NEC, Nhật (1991), NT carbon mạng lưới lục giác nguyên tử C thông qua liên kết C sp2 graphite, có đường kính ~1nm chiều dài 1100 µm NT carbon có tính chất ưu việt kích thước khối lượng nhỏ, độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ bền cao… [38, 43] Có hai loại NT NT vách NT đa vách (hình 9.1, 9.1) [43]… Có thể gắn cấu tử sinh học với NT carbon (hình 9.3), cho phép sử dụng hệ thống lai thiết bị cảm biến sinh học transistor với phổ hoạt động hiệu quả, tạo cấu trúc nano phức hợp mạch nano (nanocircuit) với tính chất chức điều khiển [44] Ngoài NT carbon, với phát triển công nghệ nano, ngày người ta tạo NT peptide [45] Hình NT carbon nguyên chất gắn với cấu tử sinh học (1) NT carbon vách, (2) nhiều vách (Theo http://dvworld.northwestern.edu/).(3) Ống nano carbon gắn với cấu tử khác nhau: a) gắn nucleotide; b) gắn đường; c) gắn chất hoạt động bề mặt; d) gắn peptide; e) gắn C60 [Theo 44] Dây nano Các dây nano kim loại khác gồm bạc [46], vàng [47], platinum [48], palladium [49], ZnS [50], đồng [51], silicon [52] tạo nhờ khuôn DNA tổng hợp hóa học Có thể tạo sợi vàng nano cách sử dụng protein dẫn hướng (RecA) [53] Patolsky cộng polymer bước đơn vị monomer G-actin gắn hạt vàng nano đơn vị G-actin không đánh dấu để tạo sợi protein gắn kim loại sau xúc tác kim loại hóa hạt nano (hình 10a) [54] Hình 10b minh họa dây nano silica quấn quanh sợi tóc, nhỏ phần năm virus, bền gấp lần tơ nhện Hình 10 Cấu trúc sợi vàng lõi actin [Theo 54] Dây nano quấn quanh sợi tóc (Theo http://planet.tvi.edu/) Mã vạch nano (Nanobarcode, NBC) Mã vạch nano hiểu vật liệu nano có khả mã hóa khác tương ứng với loại phân tử đích Chúng hạt nano hình trụ có vạch phân bố tự do, rộng 12 - 15 µm dài - 50 µm Các mô hình sọc làm chúng tách biệt (giống mã vạch truyền thống) ánh sáng, kính hiển vi huỳnh quang khối phổ (hình 11) [29] Nanobarcode tạo thành vừa có khả mã hóa vừa có khả dò Gần đây, que nano đa kim loại với sọc barcode chế tạo thành công Người ta nhận diện chúng cách đo hệ số phản xạ [55] Hình 11 Ảnh phát huỳnh quang hai hạt barcode A B (trong hình iii) sử dụng thí nghiệm lai DNA đánh dấu Cy3 (i) Ảnh đen trắng; (ii) Ảnh kênh Cy3; (iii) hảnh đất thu sử dụng lọc ánh sáng dài 420 nm Ngoài người ta tạo NBC có chất phân tử DNA lai có nhiều đầu, đầu gắn với loại mẫu dò tín hiệu phát huỳnh quang màu khác để tạo phân tử có khả mã hóa [56] Que nano (Nanorod) Trong CNNN, que nano sử dụng phổ biến Chúng tạo thành từ kim loại, phi kim muối Co, CuO, Au, CdSe, BaCrO4, BaWO4 [38], gắn với nhóm chức nhằm mang lại khả tự lắp ráp thành cấu trúc hai ba chiều Hiện tại, CNSH, que nano đa thành phần que nano Au/Ni [57] (phần vàng gắn với yếu tố hướng đích, phần Ni gắn với plasmid tạo vector chuyển gene hiệu quả), Au-Ni-Au cho thấy ứng dụng to lớn chuyển gene phân tách chọn lọc cấu tử sinh học Hình 12 Các loại que nano cấu trúc nano tạo nên từ chúng (A) Que nano thành phần AuNi-Au [Theo 57] (B) Que nano thành phần Au-Ni [Theo 58] (C) Que nano thành phần Au-Ppy cấu trúc nano tạo nên từ chúng [Theo 59] Ngoài vật liệu nano kể trên, với phương pháp tổng hợp hóa học, người ta tạo cấu trúc đĩa nano (nanodisks), hạt nano đa vỏ, cách tử nano tam giác cấu trúc nano nhánh [41], mang lại ứng dụng đa dạng CNSH nano Bên cạnh vật liệu nano, phần tử sinh học đóng vai trò vô quan trọng CHSH nano Cho đến nay, người ta lợi dụng phần nhỏ cấu tử, cấu trúc nguyên lý sinh học CNSH nano 2.2 Các phần tử sinh học CNSH nano Tế bào tập hợp hàng ngàn máy nano (nanomachine, nanodevice), chúng thu nhận biến đổi để thực nhiệm vụ CNNN tùy theo chủ định Hiện tại, 10.000 máy nano làm việc thể người Đáng ý sau tách tinh chế, máy nano giữ chức kích thước phân tử Chúng máy phân tử độc lập, lợi dụng để phục vụ người [5] Các phân tử sinh học đóng vai trò thành phần thu nhận, vận chuyển ánh sáng, chuyển hóa tín hiệu, xúc tác, bơm đông máy nano để tạo lượng sản phẩm đặc biệt, thực nhiệm vụ kiểm soát hay lưu giữ liệu [60] Các cấu trúc thiết yếu trao đổi chất tế bào (ty thể, túi vận chuyển, ribosome…) trở thành “bộ phận” máy sinh học-nano Và với tiến công nghệ, mở rộng chức máy theo mục đích mình, biến đổi máy nano phân tử bào (cell patterning), điện cực dùng chuẩn đoán, lỗ nano để giải trình tự DNA, vật liệu nano để hình đơn phân tử tế bào thiết bị/vật liệu/hạt nano sử dụng phân phối thuốc liệu pháp y học [4] Các sản phẩm CNSH nano kính hiển vi microfluidic để thao tác quy mô nm Sau thị trường đưa hệ thống sử dụng vật liệu nano điểm lượng tử, vật liệu composite (cơ cấu peptide-lipid) cảm biến sinh học (mảng ống nano carbon) Mặc dù sau vài năm thương mại hóa, sản phẩm sử dụng vật liệu cấu trúc nano để phân phối thuốc kỹ thuật mô tiếp cận pha thử nghiệm y học Xa với khả thương mại hóa thiết bị điện nano tích hợp, đầy hứa hẹn với ứng dụng chăm sóc sức khỏe điện cực cấy da với khả quản lý đáp ứng theo tình trạng sức khỏe [12] Mihail Roco, chủ tịch Nanoscale Science, Engineering and Technology Subcommittee NNI, tiên đoán vào năm 2015, nửa loại thuốc tạo dựa CNNN [8] Hình 29 Các ví dụ mức độ can thiệp CNSH nano với người [Theo 111] 4.1 Khám phá, phân phối thuốc phân tử liệu pháp Trong lĩnh vực CNSH nano, nghiên cứu ứng dụng bật thuộc lĩnh vực chuẩn đoán khám phá thuốc, điều thể qua nguồn tài trội dành cho hai lĩnh vực (hình 30) Các hệ thống phân phối thuốc siêu nhỏ in vivo đích đến quan trọng nghiên cứu CNSH nano [9] Hình 30 Nguồn tài (a) Thống kê quỹ đầu tư mạo hiểm tập trung CNSH nano từ năm 1998 đến (b) Phân bổ quỹ đầu tư mạo hiểm CNNN từ năm 1998 tới [Theo 9] Một khối cấu trúc nano sử dụng phổ biến chiến lược phân phối thuốc dendrimer (hình 7) tính chất hướng đích phát Các thiết bị nano dùng dendrimer PAMAM đa chức cung cấp tảng nano để chụp ảnh, phân phối thuốc hướng đích điều chị ung thư in vitro in vivo [112-114], giúp tăng hoạt lực thuốc tạo đáp ứng dược học nhanh chóng Tháng năm 2003, thuốc điều trị HIV có chất dendrimer công ty StarPharma (Melbourne, Australia) phát triển cho thấy hiệu điều trị rõ rệt thử nghiệm pha I Thuốc loại gel chứa anionic polyamidoamine dendrimer có khả gây nhiễu trình xâm nhiễm dung hợp virus HIV [12] Polymer dendrimer thiết bị nano đa với khả hướng đích tới tế bào KB canh trường, phân phối chọn lọc thuốc chống ung thư methotrexate nội bào cung cấp tín hiệu hình ảnh quang học thông qua chất phát huỳnh quang gắn với vector nano [115] Một chiến lược hướng đích sử dụng độ nhạy pH in vivo để giải phóng thuốc chống ung thư paclitaxel nằm chất mang polymer nano phân hủy sinh học [116] Chiến lược có khả đáp ứng với điều kiện riêng biệt vị trí khối u [117] Các loại hạt nano khác phát triển để phân phối thuốc Công ty C Sixty (Houston, TX, USA) nghiên cứu fullerene ứng dụng liệu pháp phân phối công ty Nanospectra Biosciences (Houston, Texas, USA) phát triển vỏ nano (hình cho phép phân phối liều lượng, vị trí cắt bỏ mô theo chế thứ hai (như quang hoạt) [12] Một số ứng dụng thú vị hạt nano khả loại bỏ cholesterol công ty BioSante Pharmaceuticals (Lincolnshire, IL, USA) NanoBio Corporation (Ann Arbor, MI, USA) theo đuổi [12] Prasad cộng dùng hạt nano từ tính gói silica để ly giải từ tính (magnetocytolysis) chọn lọc tế bào ung thư [118] Nang nano sinh học (BNC) có kích thước trung bình 130nm, lớp kháng nguyên bề mặt vi khuẩn viêm gan B máy nano hiệu với khả phân phối gene, thuốc protein huỳnh quang đặc hiệu tới tế bào gan người [119] Ủ hạt nano protein chứa aptamer gắn thụ thể phối tử tạo gắn xâm nhập hạt liệu pháp hóa trị ba vào tế bào, sau điều biến apoptosis tế bào ung thư tế bào lympho bệnh bạch cầu [120] Kam Leong đồng Johns Hopkins University School of Medicine sử dụng que nano (hình 12) kim loại chứa nhiều phân đoạn Au Ni gắn với phân tử sinh học khác để phân phối vật liệu di truyền vào tế bào [57] Một nhóm nghiên cứu gồm nhà khoa học Ý, Pháp, Anh dùng NT carbon để chuyển thành công DNA vào tế bào động vật có vú [121] Gần đây, Benenson cộng cho thấy sử dụng máy tự động có chất DNA hệ thống chuẩn đoán phân phối thuốc [122, 123] Sự chuyển tiếp phân tử máy tự động với tảng enzyme giới hạn FokI thiết kế để có hoạt tính có mRNA Với phân tử chuyển tiếp này, chế tạo máy tính phân tử để xác định hàm lượng phân tử mRNA cao hay thấp Qua đó, phân phối “thuốc” có chất đoạn DNA mạch đơn, ngắn, có khả gắn với mRNA thích hợp, giúp kìm hãm tổng hợp protein liên quan đến ung thư Cách tiếp cận dùng in vivo với cảm biến hóa sinh chuẩn đoán điều trị y học [123] Các phương pháp hướng đích khác sử dụng lượng để hoạt hóa chỗ hoạt tính gây độc tế bào, chứng minh mô hình động vật Các ví dụ dùng siêu âm tập trung để phá vỡ lipid bao quanh vi bong bóng (lipid encapsulated ‘microbubbles’) [124]; liệu pháp quang động (photodynamic) với chất mang có chất silica [125, 126]; cắt bỏ chỗ nhiệt tổn thương ung thư cách sử dụng kết hợp vỏ nano hoạt hóa quang học bước sóng gần hồng ngoại, để xâm nhập sâu vào mô [33, 36, 37] Các hệ thống tương lai lập trình trước để có tốc độ phân phối biến đổi theo thời gian tự điều hòa đáp ứng với kích thích môi trường (những kích thích phát cảm biến sinh học vị trí cấy) Dựa công nghệ kênh nano, hệ thống điều khiển hoạt hóa phát triển cho thiết bị cấy ghép để thực thi chương trình, điều khiển từ xa tự điều hòa [117] 4.2 Chẩn đoán điều trị Chẩn đoán lĩnh vực đầu tư kinh phí nhiều thứ hai sau phân phối thuốc (hình 30) Hiện đa có nhiều thành công Các cảm biến sinh học nano sử dụng thành công đo đạc nội bào Điện cực PEBBLE xác định pH, Mg+, Cl-, K+, Ca2+, oxy glucose nội bào xác [84] Các cảm biến nano sợi quang Vo-Dinh cộng [127] chế tạo thành công để đo nồng độ benzo-a-pyrenetetrol (BPT) bào tương tế bào ung thư vú người tế bào biểu mô gan chuột Điện cực sinh học nano dùng enzyme để phát gián tiếp glutamate (chất truyền dẫn nơron quan trọng hệ thần kinh trung ương) cách liên tục chế tạo thành công, thụ thể sinh học glutamate dehydrogenase [128] Hình 31 Hướng đích ảnh in vivo dùng QD (A) Thí nghiệm mô ex vivo tế bào ung thư đánh dấu QD phổi chuột (B) Hiện ảnh in vivo vi hạt QD đa màu chuột sống (C) Hướng đích phân tử ảnh in vivo khối u tiền liệt tuyến chuột dùng kháng thể kết hợp với QD [Theo 129] Thanh Rosenzweig phát triển thí nghiệm nồng độ kháng thể xác định thông qua hàm kết tụ hạt vàng gói kháng nguyên [130] Hirsch đồng phát triển thí nghiệm kết tụ để phát immunoglobin máu sử dụng vỏ nano [36] Gần đây, Gao cộng sử dụng thành công QD để chụp ảnh hướng đích ung thư in vivo Họ gắn QD với kháng thể đặc hiệu tế bào ung thư tiền liệt tuyến Sau tiêm vào chuột (đã chuyển tế bào ung thư tiền liệt tuyến người), nhận biết chụp ảnh kháng thể PSMA đánh dấu QD gắn với vị trí khối u in vivo (hình 31) [129] Wu đồng phát triển mẫu dò QD đặc hiệu đáng tin cậy để định vị thị bề mặt tế bào ung thư vú (Her2), sợi cytoskeleton, kháng nguyên tế bào cố định, tế bào sống phân đoạn mô [131] Công ty iMEDD (Columbus, OH, USA) tạo lỗ nano thiết bị phân phối thuốc cấy da để điều khiển trình giải phóng thuốc Các chương trình hợp tác National Aeronautics Space Agency Ames Research Center (Moffet Field, CA, USA) Stanford University (Stanford, CA, USA) cố gắn kết hợp điện cực lỗ nano cấy vào võng mạc nhằm tạo giao tiếp chức dây thần kinh võng mạc (hình 32) [12] Hình 32 Neurons (neurons) thâm nhập vào mạng lưới lập thể sợi nano tự lắp ghép [Theo 12] Weissleder đồng gần chứng minh hạt nano có tính chât từ, ưa béo (lymphotropic paramagnetic nanoparticle) cho phép chụp ảnh cộng hưởng từ kích thước nano (MRI) người bệnh ung thư tiền liệt tuyến, phát cách không cấy ghép khác (noninvasive) [132] Các hạt nano oxit sắt từ siêu nhỏ, gói dextran cho phép chụp ảnh phát phẫu thuật u não từ lực thấp [40] Đánh giá định lượng đáp ứng tế bào với hợp chất mdinitrobenzene, hạt nano phát huỳnh quang sử dụng để xác định nồng độ Ca2+ nội bào, tiền chất gây chết tế bào tế bào tu thần kinh đệm C6 nguyên bào thần kinh (neuroblastoma) SY5Y người [133, 134] Các kênh nano cho thấy khả cung cấp phát miễn dịch mảnh ghép tế bào (cell xenograft) điều trị bệnh tiểu đường [135, 136] Các vật liệu nano tăng vai trò vật liệu thiết bị thao tác mô Công ty AngstroMedica (Newton, MA, USA) sử dụng vật liệu cấu trúc quy mô nano để ổn định tái tạo xương từ canxi phosphate Công ty pSiMedica (The Malverns, UK) sử dụng silicon phân hủy sinh học để cấy vào xương Các loại kiến trúc quy mô nano khác phát triển để tái tạo thần kinh công ty NanoMateria (Chicago, IL, hình 3) [12] Các nhà khoa học Northwestern University phát triển mã vạch nano (bio-barcode) siêu nhạy có chất hạt vàng nano DNA để phát phân tử DNA đích (kháng nguyên đặc hiệu tiền liệt tuyến, PSA) nồng độ thấp máu [137] PSA sử dụng để phát ung thư phổi ung thư tiền liệt tuyến, hai số loại ung thư thường thấy Cũng nguyên lý mã vạch nano, PSA phát thông qua vi hạt có từ tính nằm kháng thể đơn dòng PSA PSA bị bắt giữ vi hạt có từ tính phản ứng với vỏ hạt vàng nano với kháng thể PSA đa dòng barcode DNA hybrid Phức hệ kẹp PSA bị bắt giữ từ tính giải phóng barcode DNA Sau barcode DNA phát mảng sau gắn với yếu tố gắn phát sử dụng oligonucleotide bổ sung gắn với hạt vàng nano [138] Hình 33 Tái tạo ba chiều Pelvic Lymph Nodes dựa ảnh cộng hưởng từ trợ giúp hạt nano từ tính [Theo 132] Mới nhất, vào tháng 10 năm 2005, tờ Nature, Zheng cộng công bố nghiên cứu thú vị Ở đó, họ sử dụng mảng dây nano silicon để phát protein thị ung thư (kháng nguyên đặc hiệu tiền liệt tuyến) dựa tín hiệu điện hóa với độ nhạy cao không cần đánh dấu đích [52] 4.3 Kháng vi sinh vật Không trợ giúp thêm cho liệu pháp y học, vật liệu nano trực tiếp có khả kháng khuẩn Fernadanez- Lopez cộng tìm peptide vòng chứa gốc axit amin tác động ưu tiên đến vi khuẩn Gram âm dương so với tế bào động vật [139] Bởi vậy, NT tạo từ peptide có khả vào thành tế bào vi khuẩn, làm chúng bị chết nhanh chóng [140] Các nhà nghiên cứu thuộc McGowan Institute for Regenerative Medicine University of Pittsburgh tổng hợp NT đồng từ phân tử muối amine HBr bậc hai, NT có khả giết vi khuẩn xác định chất khác qua thị màu [141] SPL7013, dendrimer đặc biệt với lõi hóa trị hai, với liều lượng thích hợp âm đạo kìm hãm nhiễm HIV mà không gây độc [31] 4.4 Phát hiện-xác định cấu tử sinh học Nhóm Lee phát triển tụ điện rỗng nano (nano-gap capacitors) (không gian điện cực 50 nm) với mẫu dò ssDNA cố định bề mặt điện cực Các tính chất điện môi mẫu dò ssDNA dsDNA tạo thành lai với đích khác đo thông qua đo đạch điện dung tụ điện rỗng nano [30] Brasuel cộng phát triển điện cực PEBBLE (Probes Encapsulated By Biologically Localized Embedding) nhạy với O dùng giám sát tế bào sống [142] Có thể xác định trình tự ssDNA vận chuyển điện tích chuỗi DNA qua lỗ nano màng silicon nitride [143] qua lỗ α-hemolysis màng lipid kép (hình 34) [144] Đường kính lỗ hai trường hợp [...]... nói, sinh học phân tử là một công cụ không thể thiếu, là kỹ thuật nền của công nghệ sinh học nano 4 ỨNG DỤNG CNSH nano phản ánh tầm quan trọng ngày càng tăng của khoa học nano và công cụ nano trong việc tạo ra các loại vật liệu sinh học mới để sử dụng trong kỹ thuật mô (tissue engineering) và sắp xếp tế bào (cell patterning), điện cực dùng trong chuẩn đoán, lỗ nano để giải trình tự DNA, vật liệu nano. .. và (B) dây nano ZnS-virus [Theo 50] 3.3.3 Phỏng sinh học Trong tương lai, các hệ thống vật liệu chức năng được phát triển cho công nghệ sinh học nano hoặc công nghệ nano có thể gồm protein (hình 27) Chúng tham gia vào quá trình lắp ráp, chế tác và chắc chắn, trong cấu trúc sản phẩm cuối cùng, mang lại các chức năng đặc biệt, có thể điều khiển tương tự các cấu trúc trong mô xốp và rắn sinh học Trong... dây nano [50] Với sự phát triển như vũ bão của công nghệ hiện nay, có thể nói, mọi cấu tử sinh học ở kích thước nano đều có tiềm năng ứng dụng trong CNSH nano 2.3 Cấu trúc nano tích hợp Ngày nay, người ta thiết kế và chế tạo các bộ máy sinh học nano để thực hiện các nhiệm vụ đặc biệt ở quy mô nano, như hướng đích tới các tế bào ung thư hoặc giải quyết một một nhiệm vụ máy tính đơn giản Khi CNSH nano. .. sinh học là một thiết bị gồm thụ thể sinh học và một yếu tố chuyển đổi có khả năng chuyển hóa những thông tin đặc biệt thành các hiệu ứng có thể đo đạc (như tín hiệu điện) Vì tính đặc hiệu cao của các thụ thể sinh học (DNA, kháng thể), so với điện cực hóa học, điện cực sinh học nhạy hơn nhiều trong các đánh giá sinh học [82] Dùng vật liệu nano trong điện cực sinh học cho phép sử dụng một số kỹ thuật... 109] Giải pháp thứ ba là tự lắp ráp và/hoặc đồng lắp ráp các phân tử sinh học thành cấu trúc nano có trật tự Điều này đảm bảo một quá trình lắp ráp tinh vi để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp, và có thể là các cấu trúc có thứ bậc, tương tự trong tự nhiên Hình 28 Tiềm năng ứng dụng của MB trong công nghệ nano và công nghệ sinh học nano sử dụng các polypeptide biến đổi di truyền gắn chất vô cơ [Theo 38].. .sinh học sẵn có hoặc thiết kế những cái hoàn toàn mới [5, 61] Theo xu thế hiện nay, người ta không ngừng tìm hiểu, khám phá các cơ chế sinh học, tận dụng tối đa mọi tiềm năng sẵn có trong các hệ thống sinh học để ứng dụng vào CNSH nano Bởi thế, có thể nọi mọi cấu tử sinh học đều đã và đang là đối tượng nghiên cứu của CNSH nano 2.2.1 Protein Trong CNSH nano, protein được sử dụng... công nghệ cho CNSH nano Các kỹ thuật lai, dung hợp protein, tạo đột biến… được dùng thường nhật trong CNSH nano để tạo ra các khối cấu trúc sinh học, các kỹ thuật nhạy mới Các hệ thống sinh học có khả năng độc nhất vô nhị trong việc điều khiển cấu trúc, pha, chiều hướng và topo học cấu trúc nano của các tinh thể vô cơ Các nghiên cứu gần đây đã lợi dụng các nguyên lý nhận biết sinh học để phát triển... nano trong đó protein và tính chất gắn của nó được tạo ra nhờ kỹ thuật DNA trong khi thành phần vô cơ mang các chức năng đặc biệt (như điện, quang, từ) Các polypeptide gắn này (hay các protein nhỏ) được gọi là các protein kỹ thuật di truyền cho chất vô cơ [38] 3.3.4 Sinh học phân tử Một phần không thể thiếu trong CNSH nano là sinh học phân tử Sinh học phân tử phát triển mang lại một nền tảng công nghệ. .. thành công Các cảm biến sinh học nano được sử dụng thành công trong các đo đạc nội bào Điện cực PEBBLE có thể xác định pH, Mg+, Cl-, K+, Ca2+, oxy và glucose nội bào khá chính xác [84] Các cảm biến nano sợi quang của Vo-Dinh và cộng sự [127] được chế tạo thành công để đo nồng độ benzo-a-pyrenetetrol (BPT) trong bào tương của tế bào ung thư vú của người và tế bào biểu mô gan chuột Điện cực sinh học nano. .. thao tác mô Công ty AngstroMedica (Newton, MA, USA) đang sử dụng các vật liệu được cấu trúc ở quy mô nano để ổn định và tái tạo xương từ canxi và phosphate Công ty pSiMedica (The Malverns, UK) đang sử dụng silicon phân hủy sinh học để cấy vào xương Các loại kiến trúc quy mô nano khác đang được phát triển để tái tạo thần kinh ở công ty NanoMateria (Chicago, IL, hình 3) [12] Các nhà khoa học tại Northwestern