BIOCHIP DNA ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM - ĐHĐN KHOA SINH-MÔI TRƯỜNG TIỂU LUẬN MÔN: CÔNG NGHỆ SINH HỌC DƯỢC LIỆU BIOCHIP DNA TIỀM NĂNG CHO Y HỌC Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Lớp: TS Võ Châu Tuấn Lê Văn Kiêm 13 CNSH Đà Nẵng, Tháng 12 năm 2016 MỤC LỤC I Đặt vấn đề Hiện nay, việc lạm dụng hóa chất độc hại phương thức sản xuất mang tính chất phá hại môi trường số cá nhân, tổ chức trở thành mối nguy tiềm ẩn ngày lan rộng trở thành thảm họa tương lai làm cho biến đổi vấn đề sinh học diễn kiểm soát làm ảnh hưởng đến sống, sức khỏe người Cụ thể số lượng người mắc bệnh thời đại đột quỵ, tim mạch bệnh để lại nhiều đau đớn lo lắng cho nhân loại ung thư ngày nhiều không từ Và đặc biệt nghiêm trọng co nhiều đại dịch bệnh tật ngày bùng nôt nhiều với mức độ ngày nghiêm trọng Theo dự báo nhiều tổ chức y tế giới, tương lai bệnh không lây nhiễm, đặc biệt ung thư có nguy hàng đầu cho nhân loại Mỗi năm giới có khoảng 13 triệu người mắc bệnh ung thư Theo GS-TS Nguyễn Bá Đức - Phó Chủ tịch Hội Ung thư Việt Nam, tỉ lệ mắc ung thư Việt Nam tăng nhanh Chỉ riêng Bệnh viện K, từ năm 2005 - 2009 có 71.610 bệnh nhân ung thư, so với giai đoạn 2001-2004,số bệnh nhân tăng 2,5 lần Năm 2010, tỉ lệ mắc chung loại ung thư nam giới 181,3/100.000 người, cao nhiều so với năm 2000 (141/100.000 người) Ở nữ giới, số 134,9/100.000 người, cao nhiều so với 10 năm trước (101,6/100.000 người Và với kỹ thuật cũ áp ứng việc chẩn đóa chữa trị cho ngành y học hiên Để góp phần phát sớm ngăn chặn, phát kịp thời tác nhân gây bênh tìm phương pháp, loại thuốc để chữa bệnh nhà khoa học nghiên cứu sử dụng thành tựu ngành công nghê sinh học để ứng dụng công nghệ sản xuát chip sinh học (Biochip) Biochip xem ứng dụng thông minh nghiên cứu phát loại vi trùng gây bệnh, xuất thức ăn, nước uống thể người; Trong đó, bật sử dụng biochip chẩn đoán điều trị bệnh, phát triển thuốc Biochip cho phép phát nhanh bệnh nguy hiểm chứng viêm nhiễm bên thể mà phương pháp chụp, chiếu thông thường phát được; theo dõi tác động protein tế bào, protein khác DNA,… thể người, từ tìm nguyên nhân dẫn tới bệnh tật cách điều trị bệnh cho người [9], [6] Từ vấn đề trên, tiểu luận Biochip DNA thực tìm hiểu để có nhìn tổng tiền Biochip DNA lĩnh vực Y học Được xem đầy thách thức thay đổi toàn phương pháp nghiên cứu lĩnh vực tìm kiếm loại thuốc trị bệnh thời gian nghiên cứu rút ngắn giảm chi phí, đặc biệt phương pháp chữa trị thích hợp cho bệnh nhân Nôi dung 2.1 giới thiệu chung Biochip Hướng phát triển giới nhằm vào thiết bị phân tích thu nhỏ Thường gọi thiết bị dò mang kích thước micromet hệ thông phân tích vi tổng phòng thí nghiệm chip, chip sinh học Biochip tên gọi chúng vào đặc điểm thuộc tính cấu trúc chung PCR chíp, gene chip Đặc trưng tất thiết bị dò vi thu nhỏ quy trình phân tích hay phần trình phân tích thiết bị dò xay dựng trrn mảnh nhỏ thủy tinh, plastic hay silicon Chống sản phẩm ứng dụng công trình ngiên cứu ngành như: Công nghệ gen, Công nghệ protein, Ngành dược ngành Sinh học điện toán, Công nghệ điện tử siêu bán dẫn [5], [9], [6] 6 Biochip có nhiều loại chip gene, chip protein, chip tế bào, chip mô,… Gần giống chip máy tính có mạch điện tử, biochip có phân tử sinh học phân bố giá đỡ không lớn móng tay thủy tinh, hay nhựa silicon Cũng giống chip máy tính thực hàng triệu phép tính giây, biochip thực hàng ngàn phản ứng sinh học (ví dụ giải mã gene) vài giây [13] 2.2 Biochip DNA Công nghệ chế tạo biochip đòi hỏi công cụ tinh vi xác Biochip DNA microfluidic công nghệ tảng sản xuất biochip Một thiết bị siêu nhỏ, chứa đoạn DNA vật liệu sinh học khác (protein, tế bào) cho phép thực song song hàng chục nghìn phản ứng phân tử miếng vật liệu có diện tích khoảng 1cm [7] Biochip DNA gọi chip gene hay chip microarray, loại chip phổ biến, bao gồm nhiều DNA (gọi dò) phân bố giá đỡ nhỏ (thường lam kính) Các chuỗi cần phát mRNA, virus (gọi mục tiêu) gán nhãn với chất phát huỳnh quang [9] Cấu trúc Thiết bị thu nhỏ gồm bề mặt chất rắn (đế) có cấu trúc & thành phần hóa học xác định, gắn mẫu dò DNA (probe) sợi đơn (single strand) liên kết hoá học (cộng hóa trị) vật lý (hấp phụ, đơn phân tự lắp ráp - Self Asembly Monolayer - SAM) Đây phần thụ thể sinh học chip DNA (còn gọi DNA probe arrays) [7] Chip Biochip DNA ứng dụng rộng rãi thị trường Biochip DNA (vi lưu) công nghệ bước trở thành công nghệ mũi nhọn, cho phép chế tạo vi hệ thống sử dụng vi thể tích chất lỏng Một hệ thống vi lưu (được gọi “lab-ona-chip” - phòng thí nghiệm siêu nhỏ tích hợp chip) gồm có: bơm, khoang chứa, khoang trộn, van đóng mở có khả điều khiển được,… ; có nhiều kênh dẫn với kích thước nhỏ mm Chất lỏng thường sử dụng thiết bị vi lưu bao gồm mẫu máu, tế bào vi khuẩn, protein, DNA, hóa chất dùng cho phản ứng sinh hóa [7] Hệ thống có nhiều ứng dụng khác dẫn thuốc, in ấn đặc biệt ứng dụng lĩnh vực sinh học phân tử phân tích DNA, phân tích enzyme, proteomic (phân tích, nghiên cứu protein, thuật ngữ proteomic bao gồm việc phân tích chức sản phẩm gene) [4] 2.3 Cơ chế tác động Biochip DNA Các mẫu dò DNA Gene trình tự xác định ngắn với số lượng từ hàng trăm đến hàng nghìn tùy thuộc vào mục đích sử dụng chip thông số định độ phức tạp (complexity) chip [11] Nguyên lý hoạt động Dựa khả nhận dạng (sensing) chọn lọc tức thời DNA đích (target) DNA mẫu dò đích kết hợp với tạo thành sợi kép nhờ ghép cặp bổ sung base A, T, G, C trình lai phân tử [4] – A-T G-C – Nếu phân tử DNA đích liên kết với mẫu dò có trình tự ATCGGC suy trình tự bổ sung phân tử DNA đích – RNA tuân theo nguyên tắc ghép cặp base nghiêm ngặt kết hợp với DNA Do dễ dàng suy luận trình tự sợi RNA bắt cặp với DNA microarray để lai hóa với đầu dò Sau lai hóa với dò, chuỗi mục tiêu phát lượng hóa nhờ huỳnh quang phát xạ tia laser [8], [3] Tiềm Biochip DNA Các phương pháp chụp chiếu phòng xét nghiệm hết thời! Nhờ chip sinh học siêu nhỏ, bác sĩ có chẩn đoán xác thời gian nhanh kỷ lục bệnh nguy hiểm chứng viêm nhiễm bên thể mà phương pháp chụp, chiếu thông thường cho kết Bác sĩ sử dụng chíp có chứa đoạn gen loại bệnh nguy hiểm thiết bị thử Khi nhỏ giọt mẫu máu bệnh nhân lên chip, đoạn gen bệnh tiếp xúc với gen tương ứng mẫu máu Nếu có trùng hợp chip phát thông điệp huỳnh quang truyền đến máy tính Đó lúc bệnh phát Theo chuyên gia chip sinh học, chip dùng để phát bệnh thay vài phòng thí nghiệm chuyên xét nghiệm máu Nó giúp xác định tất bệnh có bệnh nhân giọt máu [12] Ngoài ra, thuộc lĩnh vực này, đời loại biochip dùng để phát loại vi khuẩn gây bệnh thể người Thông thường, muốn tìm vi khuẩn gây bệnh, người ta lấy nước tiểu, phân hay máu bệnh nhân gửi đến phòng xét 10 nghiệm Với biochip, giọt máu người bệnh, bác sĩ vài đồng hồ xác định tới 55 loại vi khuẩn gây bệnh, từ đề phương pháp điều trị thích hợp mà không cần phải làm xét nghiệm phức tạp, nhiều thời gian [14] Thay hồ sơ bệnh án giấy: Các chuyên gia Khoa Sinh học Phân tử thuộc Đại học Duke (Bắc Carolina, Hoa Kỳ) cho biết, vòng năm nữa, hồ sơ gen cá nhân lập phổ biến với chip sinh học cho tiếp xúc với mẫu máu bệnh nhân đủ để bác sĩ đọc toàn hồ sơ gen bệnh nhân Con chíp không giúp bác sĩ truy cập hồ sơ gen cá nhân bệnh nhân mà hồ sơ bệnh án điện tử lưu giữ hệ thống y tế Từ xác định nguyên nhân dẫn tới bệnh tật định nhanh chóng phương pháp điều trị [12] Thuốc điều trị kê đơn người, bệnh hơn: Khi sử dụng công nghệ biochip phân tích ADN bệnh nhân, phần mềm máy tính quét gen tìm đa hình hay dị biệt thông tin di truyền bệnh nhân Dựa vào thông tin tìm được, bác sĩ so sánh với nghiên cứu y dược để kê đơn thuốc cho bệnh nhân dựa đặc tính gen người Đây tiền đề giúp y học đại tiến tới phát triển gọi “giải pháp y tế cá nhân” (personalized medicine) tương lai Tức là, thay áp dụng phác đồ điều trị cho tất mắc bệnh, bác sĩ dựa vào đặc tính mã gen di truyền người để đưa liệu pháp chữa trị cụ thể cho cá nhân, từ giúp nâng cao kết điều trị [10] Thay nhân viên y tế kiểm tra sức khỏe từ xa giám sát y tế cộng đồng: 11 Với biochip siêu nhỏ cấy sẵn da, người ta dễ dàng theo dõi hoạt động sinh hóa, trình tác động protein thể người Tại Nhật Bản, thay cấy da, nhà khoa học cài biochip vào điện thoại di động Những điện thoại di động supper 3G mang nhãn hiệu DoCoMo trang bị thêm biochip siêu nhỏ nên truyền tải thông tin điều kiện sinh hóa, môi trường, khí hậu, thời tiết, đồng thời phân tích chiết xuất phân tử đơn từ mồ hôi, thở người dùng Sau phân tích, liệu cảnh báo người sử dụng loạt bệnh tật, đơn giản căng thẳng, lo âu, hứng thú Dữ liệu chuyển đến chuyên gia y tế qua mạng di động để kiểm soát sức khỏe từ xa dùng cho y tế dự phòng Điều có ích cho nhiều người, đặc biệt người xa bệnh viện, xa thầy thuốc vất vả, mệt nhọc bác sĩ giảm nhiều [16] thành tưu Biochip DNA Chip sinh học DNA thu nhỏ kiểm nghiệm hiệu điều trị thuốc chống ung thư tế bào gốc ung thư viện nghiên cứu công nghệ nano kỹ thuật sin học Singapore Loại có tên gọi Droplet array, tiến hành kiểm nghiệm nói với lượng mẫu hạn chế, cần phải sàng lọc 500 tế bào Các nhà nghiên cứu sử dụng Droplet array với mục đích nghiên cứu hiệu thuốc chống ung thư tế bào gốc ung thư lấy từ tế bào ung thư vú, ung thư gan ung thư ruột kết hợp.Thành công mang tính đột phá công trình nghiên cứu giúp sàng lọc phát triển loại thuốc chống ung thư tương lai Ngoài ra, nhà nghiên cứu trường Đại học Washington, Mỹ vừa chế tạo thành công chip sinh học mà giúp thiết 12 lập mối liên kết thần kinh phần não điều khiển vận động người kết chứng minh chip sinh học gấy vào não khỉ kích thích tế bào thần kinh thay đổi Họ cho việc khôi phục lại mối liên lạc não chế đem lại hy vọng cho việc chữa trị cho người bị tổn thương não, bị đột qụy hay bị liệt Ngoài chip sinh học có khả ghi lại hoạt động vỏ não Nó chuyển đổi hoạt động thành tín hiệu mà truyền tới não, tủy sống Do đó, tạo mối liên lạc nhân tạo hoạt động bình thường trước Nhờ vào mối liên lạc nhân tạo mà não “học” cách sử dụng để thay cho mối liên lạc bị suy yếu [1] Biochip DNA phát proten ung thư siêu vi trùng tiềm ẩn Cảm biến sinh học chế tạo cách dùng kỹ thuật tương tự quay hồi chuyển hệ thống định vị túi khí Nó chế tạo thành thiết bị cầm tay giúp phân tích nhanh dễ dàng mẫu mô Nó hy vọng giúp bác sĩ chẩn đoán kiểm soát dạng ung thư thường gặp đưa liệu pháp điều trị thích hợp Thiết bị có hình đĩa với đường kính 1/10 mm, phủ kiểu đặc biệt ADN hay protein khiến tác nhân gây ung thư bị “trói” bề mặt Về chế hoạt động biochip cách nhận dạng tác nhân gây ung thư protein hay phân tử khác tế bào ung thư sản sinh [2] Và nhận định giáo sư Calum McNeil, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: “Việc chẩn đoán sớm kiểm soát hiệu ung thư 13 xem chìa khóa để điều trị bệnh này, tin kỹ thuật giúp thực điều đó” Điều quan trọng thiết bị Biochip DNA dể dàng kết nối đến nguồn thông tin hệ thống máy tính bệnh viện, Internet hay điện thoại di động Và phát triển để ứng dụng cho loại bệnh khác, bao gồm bệnh vi khuẩn gây Biochip cài vào điện thoại di động để giám sát sức khỏe người sử dụng Biochip DNA sử dụng phục vụ để thiết lập quản lý hồ sơ sinh trắc học cho cá nhân, giúp phát loại bệnh tật, nhận biết thực phẩm không an toàn, thay nhân viên y tế khám điều trị bệnh từ xa Sự kết hợp diệu kỳ công nghệ điện tử sinh học chíp bắt đầu làm biến đổi mặt y học toàn giới hứa hẹn tạo cách mạng đa ngành tương lai [15] 14 Kết luận hướng nghiên cứu Chip sinh học Công nghệ sinh học làm thay đổi đời sống người, tương tự cách mạng công nghệ thông tin Một kỹ thuật hàng đầu lĩnh vực này, dự báo có tác động mạnh mẽ chip sinh học, hay biochip Biochip ứng dụng nhiều lĩnh vực, phổ biến nghiên cứu gene, dùng để nghiên cứu độc chất, protein, hóa sinh; phát loại vi trùng gây bệnh, xuất thức ăn, nước uống thể người; hay phát nhanh tác nhân chiến tranh hóa, sinh học Biochip cho phép phát nhanh bệnh nguy hiểm chứng viêm nhiễm bên thể mà phương pháp chụp, chiếu thông thường phát được; theo dõi tác động protein tế bào, protein khác DNA,… Xu hướng phát triển ưu biochip thúc đẩy nhiều quốc gia đơn vị đầu tư vào nghiên cứu sản xuất biochip Thúc đẩy công nghệ khác sản xuất tế bào nhân tạo, kháng thể nhân tạo giúp nhận diện vào tiêu diệt mầm bệnh cách sát Tài liệu tham khảo Christoph Englert, Anne-Kristin Trützschler, Martin Raasch, Tanja Bus, Philipp Borchers (2016), Crossing the blood-brain barrier: Glutathione-conjugated poly(ethylene imine) for gene delivery, pp - 14 Elzbieta Jastrzebska, Ewelina Tomecka, Iwona Jesion (2016), Heart-on-a-chip based on stem cell biology, pp 67 - 81 15 F J Steemers, J A Ferguson, D R Walt (2000), Screening unlabeled DNA targets with randomly-ordered fiber-optic gene arrays, pp 91 - 94 G Petrucci, D Caputoa, N Lovecchio, F Costantinib, I Legnini, I Bozzoni, A Nascettic, G de Cesare., (2016), Multifunctional System-on-Glass for Lab-on-Chip applications J S Schultz., R F Taylor (1996), Introduction to Chemical and Biological Sensors, pp -10 K Baryeh, S Takalkar, M Lund, G Liu (2016), – Introduction to medical biosensors for point of care applications, pp -5 Katla Sai Krishna, Yuehao Li, Shuning Li, Challa S.S.R Kumar (2013), Lab-on-a-chip synthesis of inorganic nanomaterials and quantum dots for biomedical application, pp 470 - 495 L M Smith, J Z Sanders, R J Kaiser, P Hughes, C Dodd, C R Connell, C Heiner, S B H Kent, and L E Hood, (1986), Fluorescence detection in automated DNA sequence analysis, pp 61 - 67 M.I Haque Ansari, Shabir Hassan, Ahsanulhaq Qurashi., (2016), Biosensors and Bioelectronics, pp 247 - 260 10 Na-Li Huang, Lei Ye, Marion E Schneider, Yi-Xin Du, Yuan-Hong Xu, Li-Bin Fan, Wei-Dong Du., (2016), Development of a novel protein biochip enabling validation of immunological assays and detection of serum IgG and IgM antibodies against Treponema pallidum pathogens in the patients with syphilis, pp 465 - 471 11 P Fortina, D Graves, C Stoeckert, Jr., S McKenzie (2001), Technology Options and Applications of DNA Microarrays, pp 185 - 216 12 Rosalind Martin, Mark Latten, Padraig Hart, Helena Murray, Deborah A Bailie, Martin Crockard, John Lamont, Peter Fitzgerald, Colin A Graham (2016), Genetic diagnosis of 16 familial hypercholesterolaemia using a rapid biochip array assay for 40 common LDLR, APOB and PCSK9 mutations, pp - 13 13 Sharmili Roy, Ibrahim Abd Rahman, Jose Hernandez Santos, Minhaz Uddin Ahmed., (2016), Meat species identification using DNA-redox electrostatic interactions and non-specific adsorption on graphene biochips, pp 70 - 78 14 Talha Jamshaid, Ernandes Taveira Tenório Neto., Mohamed M Eissa, Nadia Zine., et., (2016), Magnetic particles: From preparation to lab-on-a-chip, biosensors, microsystems and microfluidics applications, pp 344 - 392 15 Wei SUN, Yu-Qing CHEN, Guo-An LUO, c, Min ZHANG, HongYang ZHANG, Yue-Rong WANG., (2016), Organs-on-chips and Its Applications, pp 533 - 541 16 Yongqiang Wang, Jiuxin Qu, Qi Ba, Jiuhong Dong, Liang Zhang, (2016), Detection and typing of human-infecting influenza viruses in China by using a multiplex DNA biochip assay, pp 178 - 185  ... triệu phép tính giây, biochip thực hàng ngàn phản ứng sinh học (ví dụ giải mã gene) vài giây [13] 2.2 Biochip DNA Công nghệ chế tạo biochip đòi hỏi công cụ tinh vi xác Biochip DNA microfluidic công... protein khác DNA, … thể người, từ tìm nguyên nhân dẫn tới bệnh tật cách điều trị bệnh cho người [9], [6] Từ vấn đề trên, tiểu luận Biochip DNA thực tìm hiểu để có nhìn tổng tiền Biochip DNA lĩnh vực... (Biochip) Biochip xem ứng dụng thông minh nghiên cứu phát loại vi trùng gây bệnh, xuất thức ăn, nước uống thể người; Trong đó, bật sử dụng biochip chẩn đoán điều trị bệnh, phát triển thuốc Biochip