6. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN
3.2.2.Ứng dụng của hạt nano từ tron gy sinh học
Các ứng dụng của hạt nano từ trong y học được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể (phân tách tế bào) và trong cơ thể (dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ hạt nhân,…).
3.2.2.1. Trong phân tách và chọn lọc tế bào
Phân tách và chọn lọc tế bào bằng hạt nano từ tính là một trong các ứng dụng bên ngoài cơ thể người, nhằm tách những tế bào cần nghiên cứu ra khỏi các tế bào khác. Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn:
* Đánh dấu thực thể sinh học cần nghiên cứu.
* Tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường.
Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nano từ tính. Hạt nano thường dùng là hạt oxit sắt. Các hạt này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA),… Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nano phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ.
Cơ chế của quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài, nó tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu, giữ các hạt tế bào được đánh dấu lại. Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài.
GVHD: ThS. DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 36 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN
Hình 3.5. Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản [11].
Hỗn hợp tế bào và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp hoạt hóa bề mặt) được trộn với nhau để chất đánh dấu và tế bào xảy ra liên kết hóa học. Sử dụng một từ trường ngoài là một thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra một gradient từ trường. Thông thường người ta cho một số sợi từ hóa hoặc tiểu cầu từ tính trong lòng các ống rồi bơm dung dịch có chứa hạt nano từ tính và tế bào liên kết với hạt nano từ tính đi qua. Hạt nano từ tính sẽ dừng ở các sợi, các sợi có vai trò như nơi giam giữ các hạt này và tế bào. Các tế bào thường không bị giữ lại sẽ thoát ra ngoài. Sau đó người ta loại bỏ gradient từ trường và thu được các tế bào được đánh dấu. Phương pháp này có nhược điểm là hạt nano từ tính và tế bào có thể bị mất mát do bị tắc trong đám sợi.
Hình 3.6. Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài [21]. Lực thủy động tác dụng lên hạt nano từ tính được cho bởi phương trình sau:
F = 6Rmv
Trong đó là độ nhớt của môi trường xung quanh tế bào (nước), Rm là bán kính của hạt từ tính, v là sự khác biệt về vận tốc giữa tế bào và nước [21].
Tế bào thường
Nam châm
Từ trường
Dòng chảy Tế bào được đánh dấu
Bỏ từ trường
GVHD: ThS. DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 37 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN
Để từ trường bên ngoài có thể giữ được hạt nano từ tính đang chảy trong nước thì phải có sự cân bằng giữa lực thủy động và lực do từ trường tạo ra:
Ta có: Fm = Vm(B2/20)Vm(BH/2) F = 6Rmv
Khi Fm = F, suy ra: v = R2m/90B2
Với Rm là bán kính của hạt nano từ tính. Giá trị v gọi là độ linh động từ tính của hạt nano, là đại lượng thể hiện cho khả năng dễ dàng điều khiển hạt bằng từ trường, nó tỉ lệ với kích thước của hạt. Hạt có bán kính lớn sẽ có giá trị lớn. Như vậy hạt nano từ tính sẽ dễ được điều khiển bởi từ trường ngoài hơn tiểu cầu từ tính (magnetic bead).
Ngoài lực hút do từ trường ngoài, các tế bào còn chịu tác dụng của lực đẩy trong lòng chất lỏng. Lực đẩy này phụ thuộc vào sự khác biệt giữa khối lượng riêng của tế bào và nước. Trên thực tế, lực này thường được bỏ qua. Hạn chế của phương pháp này là hiệu quả tách từ không cao. Để tăng hiệu quả người ta thường dùng một gradient từ trường lớn tác động lên một dòng chảy có chứa các hạt nano từ tính cần tách lọc.
Một phương pháp khác được sử dụng mà không cần sự có mặt của các đám sợi đó là dùng một gradient từ trường xuyên tâm tạo bởi bốn thanh nam châm như hình 3.7. Gradient từ trường xuyên tâm làm các tế bào đánh dấu từ bị hút về phía thành ống rất nhanh. Một cải tiến của mô hình này là áp dụng độ linh động từ tính của các tế bào đánh dấu từ khác nhau mà tách các tế bào ra khỏi dung dịch. Trong ứng dụng này dung dịch không chuyển động mà gradient từ trường chuyển động so với dung dịch đứng yên. Phụ thuộc vào độ linh động từ tính của tế bào đánh dấu mà các tế bào sẽ được tách ra khỏi dung dịch và được thu thập bằng một nam châm vĩnh cửu.
Hình 3.7. Tách tế bào bằng từ trường sử dụng bốn thanh nam châm tạo ra một gradient từ [21].
Tách tế bào bằng từ trường đã được ứng dụng thành công trong y sinh học. Đây là một trong những phương pháp rất nhạy để có thể tách tế bào ung thư từ máu, đặc biệt là khi nồng độ tế bào ung thư rất thấp, khó có thể tìm thấy bằng các phương pháp khác.
GVHD: ThS. DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 38 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN
Người ta có thể phát hiện kí sinh trùng sốt rét trong máu bằng cách đo từ tính của kí sinh trùng đánh dấu từ hoặc đánh dấu các tế bào hồng cầu bằng chất lỏng từ tính. Ngoài ra, trong phản ứng PCR trong sinh học nhằm khuyếch đại ADN nào đó, quá trình làm giàu ADN ban đầu cũng được thực hiện nhờ hạt nano từ tính. Với nguyên tắt tương tự như phân tách tế bào, hạt nano từ tính được dùng để phân tách DNA.
3.2.2.2. Dẫn truyền thuốc (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hiện nay, hóa học trị liệu đang là phương pháp rất phổ biến để điều trị bệnh ung thư. Tuy nhiên, đây là phương pháp chữa bệnh có nhiều tác dụng phụ và không đặc hiệu. Khi vào cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung mà phân tán khắp nơi, các tế bào khỏe mạnh cũng bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc.
Phương pháp dùng các hạt nano từ tính dẫn truyền thuốc, mang thuốc đến các vị trí cần thiết trong cơ thể là một cứu cánh cho y học trị liệu, đặc biệt là khắc phục hạn chế của hóa trị và xạ trị dùng điều trị các khối u ung thư. Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt là dùng để điều trị u não, tuy nhiên kết quả vẫn còn khá khiêm tốn ở người [23].
Phương pháp này có hai lợi ích cơ bản là:
- Thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc;
- Giảm lượng thuốc điều trị, dẫn đến chi phí điều trị giảm.
Các hạt nano từ thường được dùng là oxit sắt (ɣ-Fe3O4) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA, PLGA, PCL, detran hoặc silica. Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để có thể liên kết với các phân tử khác như nhóm chức carboxyl, biotin,…
Hình 3.8. Nguyên lí chức năng hóa bề mặt của hạt nano từ tính có cấu trúc vỏ/lõi. Lõi của hạt là oxit sắt, vỏ là lớp silica, các nhóm chức bên ngoài có thể là carboxyl,
amino, streptavidin… [21].
Lúc này hạt nano có tác dụng như một hạt mang. Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể.
GVHD: ThS. DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 39 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN
Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ. Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như trong phân tách tế bào. Gradient từ trường có tác dụng tập trung hệ thuốc/hạt.
Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradient từ trường, thể tích và tính chất từ của hạt nano. Các chất mang thường đi vào các tĩnh mạnh hoặc động mạch nên các thông số như thông lượng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần hoàn đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng đến khoảng cách từ vị trí của thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết thuốc/hạt. Các hạt có kích thước micrômét (tạo thành từ những hạt siêu thuận từ có kích thước nhỏ hơn) hoạt động hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoàn đặc biệt là ở các mạch máu lớn và các động mạch. Nguồn từ trường thường là nam châm NdFeB có thể tạo ra một từ trường khoảng 0,2 T và gradient từ trường khoảng 8 T/m với động mạch đùi và khoảng 100 T/m với động mạch cổ. Điều này cho thấy quá trình dẫn thuốc bằng hạt nano từ tính có hiệu quả ở những vùng máu chảy chậm và gần nguồn từ trường. Tuy nhiên, khi các hạt nano chuyển động ở gần thành mạch máu thì chuyển động của chúng không tuân theo định luật Stoke nên với một gradient từ trường nhỏ hơn quá trình dẫn thuốc vẫn có tác dụng.
Hình 3.9. Con đường dẫn truyền thuốc đến cấp độ tế bào của hạt nano từ Hơn nữa, phương pháp này còn giảm thiểu các hiệu ứng phụ do thuốc gây ra. Một số nhóm đã nghiên cứu thử nghiệm với chất lỏng từ tính cho 14 bệnh nhân. Nghiên cứu cho thấy người ta có thể dẫn các hạt nano từ tính đến các u bướu trong cơ thể người
Thuốc điềutrị
Gardient từ trường ngoài rất mạnh
GVHD: ThS. DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 40 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN
mà không gây độc cho cơ thể. Tuy việc ứng dụng trên người còn hạn chế, các nghiên cứu sau đó trên ung thư gan cho thấy kết quả ban đầu rất khả quan.
Hình 3.10. Nguyên lí dẫn thuốc dùng hạt nano từ tính [21]
3.2.2.3. Tăng thân nhiệt (gây sốt) cục bộ
Phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ là quá trình điều trị sử dụng các hạt nano từ tính để tăng nhiệt độ của một vùng cơ thể có khối u ác tính hoặc các u khác. Phương pháp này không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường.
Nguyên tắc hoạt động là các hạt nano từ tính có kích thước từ 20 - 100 nm được phân tán trong các mô mong muốn, sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho các hạt nano từ hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt độ khoảng 420C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư. Nghiên cứu về kĩ thuật tăng thân nhiệt cục bộ được phát triển từ rất lâu và có rất nhiều công trình đề cập đến kĩ thuật này nhưng chưa có công bố nào thành công trên người. Khó khăn chủ yếu đó là việc dẫn truyền lượng hạt nano phù hợp để tạo ra đủ nhiệt lượng khi có sự có mặt của từ trường ngoài mạnh trong phạm vi điều trị cho phép. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung nóng cục bộ là lưu lượng máu và phân bố của các mô.
Hình 3.11. Nghiên cứu thử nghiệm đốt nhiệt từ trên thỏ [21]
t (s) t (0C)
GVHD: ThS. DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 41 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN
Một nghiên cứu thử nghiệm tăng thân nhiệt trên thỏ cho thấy nhiệt độ bên ngoài và bên trong u bướu (hai đường trên cùng) cao hơn nhiều so với nhiệt độ của những vùng xung quanh (những đường dưới) (hình 3.11).
Thực nghiệm và tính toán cho biết tỉ số phát nhiệt vào khoảng 100 mW/cm3 là đủ trong hầu hết các trường hợp thực nghiệm. Tần số và biên độ của từ trường thường dùng dao động trong khoảng f = 0,05 - 1,2 MHz, H < 0,02 T. Mật độ hạt nano cần thiết vào khoảng 5-10 mg/cm3. Vật liệu dùng để làm hạt nano thường là magnetite và maghemite và có thể có tính sắt từ hoặc siêu thuận từ. Phần lớn các thí nghiệm được tiến hành với hạt siêu thuận từ. Với hạt siêu thuận từ, khi áp dụng một từ trường xoay chiều thì hạt sẽ hưởng ứng dưới tác dụng của từ trường đó. Sự hưởng ứng được thể hiện bằng chuyển động quay vật lý và quay mômen từ của hạt. Hai quá trình quay này được đặc trưng bởi hai thông số là thời gian hồi phục Brown ( B) và thời gian hồi phục Néel ( N). Với một kích thước hạt cho trước tổn hao Brown thắng thế ở tần số thấp, tổn hao Néel thắng thế ở tần số cao.
Tính toàn lượng nhiệt thoát ra của hạt nano siêu thuận từ dựa trên mô hình Debye lần đầu tiên được tính cho chất lỏng phân cực. Phương trình tính công suất thoát nhiệt của hạt nano siêu thuận từ không tương tác dưới tác dụng của từ trường xoay chiều được cho bởi công thức sau:
P = 0f”H2
Trong đó 0 là từ thẩm của môi trường, f là tần số từ trường xoay chiều,” là thành phần ngược pha của độ cảm từ phức (độ hấp thụ), H là cường độ từ trường [21]. Nếu chuyển động của hạt nano từ tính ngược pha so với từ trường thì một phần năng lượng từ chuyển thành nội năng của hệ. Một chất lỏng từ được đặc trưng bởi tốc độ hấp thụ riêng (specific absorption rate - SAR) có đơn vị là W/g. Tích số của SAR với mật độ hạt nano từ tính cho công suất thoát nhiệt của hạt nano. Ngoài khả năng thoát nhiệt của hạt siêu thuận từ, hạt sắt từ cũng là một ứng cử viên trong đốt nhiệt từ. Công suất đốt nhiệt của hạt sắt từ phụ thuộc vào diện tích của đường cong từ trễ.
P =0fHdM (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Công suất thoát nhiệt sắt từ sẽ lớn ở từ trường lớn đến 100 kA/m. Tuy nhiên trong các ứng dụng thực tế, từ trường ngoài đặt vào chỉ khoảng 15 kA/m nên công suất phát nhiệt sắt từ thường nhỏ hơn công suất phát nhiệt siêu thuận từ. Với chất lỏng từ tốt giá trị SAR có thể đạt giá trị 45 W/g tại từ trường cỡ 5,6 kA/m, tần số 300 kHz.
3.2.2.4. Diệt khuẩn E.coli
Khuẩn E.coli là căn nguyên của 1/3 số trường hợp tiêu chảy, người bị nhiễm E.coli nghiêm trọng có thể bị rối loạn máu và suy thận. Việc chuẩn đoán nhiễm khuẩn gặp nhiều khó khăn vì các triệu chứng lâm sàng không đặc hiệu. E.coli thường có trong nguồn nước sinh hoạt và rất khó tiêu diệt bằng các thuốc khử trùng nước.
GVHD: ThS. DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN 42 SVTH: VÕ THỊ MỸ XUYÊN
Hình 3.12. Khuẩn E.coli [11].
Để phòng tránh nhiễm E.coli một cách hiệu quả, ngoài giữ gìn vệ sinh ăn uống, hiện nay có một phương pháp mới khá hiệu quả là sử dụng hạt nano có lõi là oxit sắt Fe3O4 được bao phủ một lớp vỏ bạc (Ag) để diệt khuẩn E.coli.
Ta đã biết từ xa xưa, con người đã biết dùng bạc chế tạo các dụng cụ chứa đồ ăn, nước uống để trị bệnh. Thậm chí trong chiến tranh, bạc còn được dùng để điều trị nhiễm trùng trước khi thuốc kháng sinh ra đời. Ion bạc có khả năng biến đổi cấu trúc và gây tổn thương màng tế bào của vi khuẩn, tác dụng với AND làm cho vi khuẩn không thể tái tạo mARN để tạo ra các protein mới. Những biến đổi đó sẽ làm cho vi khuẩn phát triển chậm và cuối cùng bị tiêu diệt.
Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghệ nano, con người chế tạo ra các hạt nano từ có kích thước rất nhỏ, diện tích bề mặt tiếp xúc lớn mang theo các ion bạc dễ dàng tác động và thâm nhập qua lớp màng tế bào của vi khuẩn. Vì thế, tác dụng diệt