Biochip - một công nghệ mới được áp dụng thành công trong phòng xét nghiệm sinh y

Nghiên cứu này đã chỉ ra cách lai tạo theo nguyên tắc bổ sung của sợi đơn oligonucleotide, điều này cũng đã được sử dụng làm cơ sở cho DNA cảm ứng.

DIỄN ĐÀN Y HỌC Chuyên đề tháng Biochip - MỘT CÔNG NGHỆ MỚI ĐƯỢC ÁP DỤNG THÀNH CÔNG TRONG PHÒNG XÉT NGHIỆM SINH Y (Biochip - a new successful technology in medical laboratory) Bùi Tuấn Anh* TÓM TẮT Sự đời vi mạch sinh học (Biochip) thành phát triển nhanh chóng cơng nghiệp cơng nghệ sinh học, bao gồm phạm vi đa dạng nghiên cứu gen, proteomic, sinh học điện tốn ngành dược Kế tiếp cơng nghệ nano, công nghiệp bán dẫn phát triển hồn thiện có khả thu nhỏ vi mạch Việc hội tụ lĩnh vực nói năm gần cho phép công nghệ sinh học chuyển từ “đóng gói” truyền thống cồng kềnh thành công cụ cảm biến không gian nhỏ - gọi Biochip Nhờ công nghệ sáng tạo phương pháp giúp cho nhà khoa học làm sáng tỏ phản ứng q trình hóa sinh phức tạp diễn bên tế bào, từ có hiểu biết giúp ích điều trị bệnh Những chip hình ảnh thu nhỏ phịng xét nghiệm y sinh nói chung hóa sinh nói riêng Giống chip máy tính thực hàng triệu phép tính giây, Biochip thực hàng trăm hàng ngàn phản ứng hóa sinh đồng thời thời gian ngắn, chẳng hạn giải mã gen vịng vài giây Sự xuất cơng nghệ Biochip vài năm gần ứng dụng: sàng lọc, chẩn đoán, theo dõi tiến triển bệnh đáp ứng bệnh trình điều trị I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ HÌNH THÀNH sử dụng để phát triển cảm Biochip biến ion năm tiếp theo: cảm biến ion Sự đời Biochip gắn với lịch sử lâu K+ sản xuất cách kết hợp valinomycin dài, phải kể đến tác phẩm dựa thành màng mỏng (Schultz, 1926) Năm 1956, sở cơng nghệ cảm biến Đó điện cực thủy tinh đo pH - dựa cảm biến hóa học Hughes phát minh năm 1922 Việc đo pH thực màng mỏng thủy tinh có tính chọn lọc cách trao đổi ion H + SiO Các khái niệm Leland Clark phát minh cảm biến điện cực oxy, thiết bị trở thành sở cho cảm biến sáng chế năm 1962 Clark Lyons, sử dụng phân tử enzym glucose oxydase gắn vào màng lọc máu Với có mặt glucosse máu, * Khoa Hóa sinh, Bệnh viện Bạch Mai enzyme có khả làm giảm lượng ơxy sẵn có Số 60 (Tháng 01/2011) Y HỌC LÂM SÀNG DIỄN ĐÀN Y HỌC Chuyên đề tháng điện cực oxy, làm thay đổi mức oxy từ xác định nồng độ glucose có máu Bộ cảm biến sinh học gọi điện cực enzyme, sử dụng nay, ví dụ số máy đo khí máu có kèm thơng số glucose Năm 1953, Watson Crick công bố phát cấu trúc chuỗi xoắn kép phân tử DNA Phát thiết lập hướng cho di truyền học nghiên cứu tiếp tục phát triển ngày (Nelson, 2000) Sự phát triển kĩ thuật giải trình tự gen năm 1977 Gilbert Sanger cho phép nhà nghiên cứu trực tiếp đọc mã di truyền cung cấp cho tổng hợp protein Nghiên cứu cách lai tạo theo nguyên tắc bổ sung sợi đơn oligonucleotide, điều sử dụng làm sở cho DNA cảm ứng Năm 1983 Kary Mullis phát minh phản ứng chuỗi polymerase (PCR), phương pháp để khuếch đại nồng độ DNA Phát minh giúp phát lượng nhỏ DNA mẫu Năm 1986, Hood đồng nghiệp tìm phương pháp đánh dấu phân tử DNA chất huỳnh quang thay cho đánh dấu chất phóng xạ, tạo cho thí nghiệm quan sát quang học Các cơng nghệ lĩnh vực hóa sinh chất bán dẫn nhanh chóng phát triển thập niên 1980 dẫn đến việc phát triển Biochip thập niên 1990 Và rõ ràng Biochip công nghệ “nền tảng” bao gồm nhiều lĩnh vực tích hợp mà thành II CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA Biochip Cấu tạo Dưới mơ hình cấu tạo Biochip phóng đại Biochip với KT gắn vùng phản ứng bề mặt Biochip Hình Mơ hình cấu tạo Biochip phóng đại Biochip Trên phương diện hóa sinh miễn dịch, người ta sử dụng kĩ thuật ELISA với phương pháp: lượng KT đặc hiệu thêm vào, phản ứng tạo phức hợp KT-KN xảy Nếu KT gắn - Phương pháp “sandwich”, ví dụ: định trực tiếp với enzyme, tín hiệu quang học enzyme lượng điểm ung thư (tumor marker), làm biến đổi chất giúp định lượng KN Cytokine, hocmon tuyến giáp cần phân tích việc đo cường độ ánh sáng phát - Phương pháp cạnh tranh, ví dụ: định quang người ta sử dụng KT thứ cấp (secondary antibody) gắn với enzyme thông qua liên lượng chất ma túy Với phương thức gắn đặc hiệu (sandwich kết đồng hóa trị phân tử sinh học Trên bề ELISA): kháng nguyên (KN) gắn với mặt Biochip vùng phản ứng gắn kháng thể (KT) đặc hiệu cho KN cần định (KN) kháng thể (KT) Y HỌC LÂM SÀNG Số 60 (Tháng 01/2011) DIỄN ĐÀN Y HỌC Chuyên đề tháng Hình Hình ảnh thực tế Biochip Biochip tập hợp xét nghiệm thu nhỏ xếp bề Biochip với diện tích khoảng 9mm2, cho phép nhiều xét nghiệm chuyên biệt thực lúc Trên bề mặt Biochip, vùng diễn phản ứng có gắn chất đồng hố trị xếp định vị theo thứ tự dãy hàng Dựa kĩ thuật ELISA giúp xác định có mặt hay khơng nồng độ KN có mẫu cần phân tích Trong cơng nghệ người ta sử dụng phương pháp ELISA phát quang, làm tăng tính đặc hiệu độ xác Ánh sáng phát từ phức hợp chứa KN-KT Sự diện phức hợp KN-KT định cường độ sáng phát Trên bề mặt Biochip có phân bố thành nhiều vùng phản ứng, vùng phân tích thông số việc xác định cường độ ánh sáng vùng Ngun lí Trong q trình phân tích chất diễn phản ứng, xuất gắn kết KN-KT- phản ứng phát quang diễn phát ánh sáng Ánh sáng thu nhận thiết bị quan trọng CCD (charge-coupled device CCD camera) có độ phân giải nhạy cảm cao phát xác các vùng phản ứng đo cường độ tín hiệu ánh sáng phản ứng phát quang có mức độ thấp Các tín hiệu phát quang từ khu vực thử nghiệm (khi thu nhận) phân tích phần mềm xử lí nhanh chóng kết dựa (từ 07 - 100 µl) tương ứng dựa đường cong chuẩn Và nồng độ chất cần phân tích (KN) mẫu hồn thành (là tỉ lệ thuận với đường chuẩn phản ứng kiểu sandwich tỉ lệ nghịch phản ứng kiểu cạnh tranh - nghĩa lượng KN gốc cao, tín hiệu sản sinh yếu) Các hình ảnh liệu lưu trữ với đường chuẩn mẫu kiểm tra (QC) III ƯU ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA Biochip Ưu điểm kĩ thuật - Nhiều xét nghiệm (bộ xét nghiệm) hóa sinh chuyên biệt thực thời điểm hỗ trợ tốt cho chẩn đoán bệnh - Sử dụng mẫu xét nghiệm với thể tích nhỏ - Độ xác cao - Giảm chi phí cho xét nghiệm - Có thể làm sở cho cơng nghệ phát triển máy xét nghiệm thời gian tới Ứng dụng Đến việc ứng dụng Biochip xét nghiệm hóa sinh giúp ích định lượng số chất gây nghiện, cytokin, điểm sinh học điểm ung thư… Dưới danh sách phân tích công nghệ Biochip Số 60 (Tháng 01/2011) Y HỌC LÂM SÀNG DIỄN ĐÀN Y HỌC Chuyên đề tháng Các chất gây nghiện Các Cytokine Các hocmon sinh sản (Fertility hocmon) Các tumour marker Các hocmon tuyến giáp Các điểm sinh học tim mạch Các phân tử kết dính (adhesion molecules) Amphetamine, methamphetamine, cocaine, barbiturate, cannabinoid, opiate, methadone, benzodiazepine Interleukin alpha (IL-1α) Interleukin beta (IL-1β) Interleukin (IL-2) Interleukin (IL-4) Interleukin (IL-6) Interleukin (IL- 8) Interleukin 10 (IL-10) Interleukin 12 (IL-12) Tumour necrosis factor –alpha (TNFα) Interferon gamma (IFN γ) Epidermal growth factor (EGF) Monocyte chemotactic protein -1 (MCP-1) Follicle stimulating hormone (FSH); Prolactin; Lutenising hormon (LH); Oestradiol; progesterone; testosterone Carcinoembryonic antigen (CEA); α-fetoprotein (AFP); Human chorionic gonadotrophin (hCG); Gastrointestinal tumour antigen; Ovarian tumour antigen; Breast cancer antigen; total prostate specific antigen (tPSA); Free prostate specific antigen (fPSA) Total tri-iodothyronine (TT3); Total thyroxine (TT4); Free tri-iodothyronine (FT3); free thyroxine (FT4); Thyroid stimulating hormone (TSH) Troponin I; Myoglobin; CK-MB I-CAM ; V-CAM VI KẾT LUẬN Biochip thành tựu khoa học - kĩ thuật giới việc ứng dụng công nghệ nano vào lĩnh vực chẩn đốn y khoa Nó thể mang tính đa ngành, cho ta thấy ngành khơng cịn mang tính tách biệt riêng rẽ trước mà chúng có đan xen vào Việc áp dụng Biochip phòng xét nghiệm sinh y bước tiến đánh dấu phát triển tích hợp chuyên ngành khoa học với Biochip giúp phịng ngừa, chẩn đốn, điều trị bệnh nghiên cứu đề phương pháp chẩn đoán điều trị bệnh Các cấu trúc nano nhân tạo tương lai có vai trị việc thay chỉnh lí cấu trúc số tổ chức giúp tái tạo phận nội tạng phức tạp Một thành tựu ứng dụng công nghệ nano triển khai áp dụng phịng xét nghiệm Biochip - phòng xét nghiệm thu nhỏ, hướng giúp ích y học TÀI LIỆU THAM KHẢO Đào Khắc An (2009): “Công nghệ micro nano điện tử”, trang 603-626, NXB giáo dục Việt Nam Randox Biochip Array Technology revolutionizes clinical testing h t t p : / / w w w b i v d a c o u k / N e w s / PressReleases/tabid/73/articleType/ArticleView/ articleId/202/Default.aspx Y HỌC LÂM SÀNG Số 60 (Tháng 01/2011) http://www.prlog.org/10020879-thirdaward-of-the-year-for-randox-laboratories.html http://www.belfasttelegraph.co.uk/business/ top-100-companies/company-list/60 randoxlaboratories-14273462.html http://www.mediafire.com/?w9k2qp92fdrlzil http://www.laboratorytalk.com/news/ran/ ran164.html ... vai trị việc thay chỉnh lí cấu trúc số tổ chức giúp tái tạo phận nội tạng phức tạp Một thành tựu ứng dụng công nghệ nano triển khai áp dụng phịng xét nghiệm Biochip - phòng xét nghiệm thu nhỏ,... sinh chuyên biệt thực thời điểm hỗ trợ tốt cho chẩn đoán bệnh - Sử dụng mẫu xét nghiệm với thể tích nhỏ - Độ xác cao - Giảm chi phí cho xét nghiệm - Có thể làm sở cho công nghệ phát triển m? ?y. .. tri-iodothyronine (TT3); Total thyroxine (TT4); Free tri-iodothyronine (FT3); free thyroxine (FT4); Thyroid stimulating hormone (TSH) Troponin I; Myoglobin; CK-MB I-CAM ; V-CAM VI KẾT LUẬN Biochip