Một trong các khối cấu trúc nano được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là dendrimer bởi tính chất hướng đích và phát hiện của nó. Các thiết bị nano dùng dendrimer PAMAM đa chức năng cung cấp một nền tảng nano để chụp ảnh, phân phối thuốc hướng đích và điều trị ung thư in vitro và in vivo. Trong lĩnh vực dược phẩm nó dùng làm chất mang mang thuốc đến các vị trí trong cơ thể. Đó là các vị trí chứa các khối u ác tính. Khi ta dùng dendrimer làm chất mang những loaị thuốc dùng trong hoá trị liệu có độc tính cao với cơ thể, các loại thuốc có tuổi thọ rất ngắn trong cơ thể. Khi sử dụng chất mang thì thuốc có thể được đưa đến đúng các vị trí cần điều trị trong cơ thể, lượng thuốc sử dụng ít hơn, duợc tính được tăng cao.
Ngoài ra nó không độc với cơ thể, có tính đào thải tốt.
Hình 32: Khối u được điều trị bởi dendrimer
Dendrimer được sử dụng nhiều trong y học là do tính tương hợp và độc hại của thấp. Độc tính của dendrimer do các nhóm bên ngoài quyết định, độc tính giảm dần theo thứ tự như sau:
NH3+> Guanidin+ >SO3-2 >PO3-2 >COO->PEG
Nếu các nhóm bên ngoài là OH- hay COO- thì ít độc hơn. Thường các dendrimer ở các thế hệ cao (G>6) thì không được ứng dụng nhiều trong sinh học do độc hơn so với các thế hệ thấp. Và đặc biệt nếu thế hệ quá cao thì mức độ đào thải ra khỏi cơ thể sẽ thấp.
Hình 33: So sánh độc tính của dendrimer với các nhóm bên ngoài khác nhau
Để giảm độc tính của dendrimer của nguyên tử N trong phân tử -NH2 người ta dùng các phản ứng aryl hóa, acetyl hóa hay phản ứng ghép đôi ion. Trong sinh học khi thực hiện các phản ứng trên nó còn có tác dụng giảm độ bám dính của dendrimer lên màng tế bào.
Hình 34 : Các phản ứng làm giảm bớt độc tính của nguyên tử nitơ
Hiện nay người ta ứng dụng dendrimer nhiều trong lĩnh vực sinh học bởi ưu điểm của nó là có khả năng thẩm thấu sinh học cao, chúng có thể xuyên qua mạch máu hay qua biểu mô. Vì thế dendrimer có khả năng vận chuyển hydratcarbon, protein, peptide hay oxy đi khắp các mạch máu trong cơ thể. Ở các thế hệ càng cao, do kích thước lớn nên độ thẩm thấu của chúng kém hơn hẳn các thế hệ thấp.
Với các dendrimer có kích thước nhỏ sẽ dễ dàng đào thải ra khỏi cơ thể hơn.
Do chúng có kích thước nhỏ nó sẽ len lỏi qua các vách tế bào và ra ngoài, hay khuếch tán qua tế bào đi ra ngoài. Các dendrimer có kích thước lớn sẽ khó thẩm thấu hơn và giữ lại trong cơ thể gây độc hại cao.
Sử dụng dendrimer trong lĩnh vực sinh học
Vận chuyển ở cấp độ tế bào: Thường dùng để vận chuyển DNA, RNA, và thuốc. Ít dùng để vận chuyển thuốc vào tĩnh mạch do nó bị giữ lại và lưu thông trong máu một thời gian dài.
Vận chuyển ở cấp độ biểu mô: các loại thuốc trị bệnh đường ruột do nó hấp thu vào đường ruột tốt.
Vận chuyển ở cấp độ mạch máu.
Hình 35: Quá trình đào thải dendrimer với các kích thước khác
nhau ra khỏi màng tế bào Độ tan của dendrimer là do tính chất các nhóm bên ngoài và core quyết định. Thường người ta sử dụng các dendrimer có tính ái nước thấp để vận chuyển thuốc đi vào cơ thể. Vì nếu chúng ít tan trong nước thì sẽ khó đi khắp nơi trong cơ thể nên chúng có thể an toàn hơn.
Các cation dendrimer thường có tác dụng kháng khuẩn, chống lại sự xâm
nhập của vi khuẩn vào cơ thể.
Hình 36: Quá trình xâm nhập của virus vào cơ thể và quá trình chống sự xâm nhập của virus khi dùng cation dendrimer
Trong y học khi dùng các dendrimer có các nhóm bề mặt là các nhóm anion phục vụ trong hóa trị liệu hay vận chuyển ở cấp độ tế bào thì nó làm giảm sự loãng máu, ngoài nó còn có tác dụng diệt vi khuẩn, virus rất tốt. Anion dendrimer còn dùng trong việc lọc sạch các ion kim loại trong cơ thể. Các ion có hóa trị hai thường liên kết với các phân tử phospholipid trên màng tế bào. Anion dendrimer có tác dụng thay thế các ion kim loại hóa trị hai để liên kết với các phospholipid đẩy các ion ra ngoài. Tuy nhiên các dendrimer anion có nhược điểm là có khả năng phá vỡ màng tế bào do nó tương tác tĩnh điện rất mạnh với các nhóm mang địên tích âm trên bề mặt tế bào và đi sâu vào các lỗ trũng trên bề mặt tế bào.
Hình 37: Quá trình lọc sạch Ca2+ trong cơ thể
Dendrimer cho phép người ta có thể thiết kế các phân tử sao cho chúng chỉ mở lên và tỏa ra khi hiện diện những phân tử khơi mào thích hợp. Điều này mở đường cho những dendrimer được tạo theo ý muốn là các chất chỉ cho thoát ra những chất có hoạt tính sinh học trong mô hay bộ phận cơ thể cần được điều trị.
Khi thuốc được gắn vào dendrimer, thuốc có thể được phóng thích nhờ quá trình tiếp xúc với vị trí định sẵn trong cơ thể. Dendrimer có thể sử dụng như tác nhân che phủ bên ngoài để bảo vệ hay mang thuốc đến các vị trí đặc biệt trong cơ thể hay
điều tiết thời gian phóng thích các tá dược một cách hợp lý tránh hiện tượng thuốc chưa hấp thụ đã đào thải ra ngoài.
- Chất 5-Fluorouracil (5FU) được biết đáng chú ý nhất là khả năng chống ung thư, nhưng nó có độc tính cao khi sử dụng có thể gây tác dụng phụ rất cao. Kết hợp PAMAM (polyamidoamine dendrimer) với 5FU, dendrimer có thể tan được trong nước và phóng thích ra 5FU dạng tự do. Quá trình phóng thích này diễn ra từ từ nên có thể giảm tải được độc tính của 5FU.
- Việc thử nghiệm trên động vật với hoạt chất chống ung thư thuộc họ doxorubicin đã cho những kết quả tốt. Khi thử nghiệm ở chuột, liệu pháp điều trị dựa trên cấu trúc nano cho thấy đem lại hiệu quả hơn 10 lần trong việc làm chậm sự phát triển của các khối u, và cũng ít độc hại hơn so với chỉ sử dụng duy nhất dược phẩm. Các nhà nghiên cứu tin rằng liệu pháp này có thể làm biến đổi nhiều dạng bệnh ung thư từ kẻ giết người trở thành căn bệnh kinh niên có thể chữa được.
- Các dendrimer, với đường kính dưới 5 nanomet và nhỏ đủ để đi qua màng tế bào, được cho tải theo thuốc chống ung thư methotrexate, acid folic và chất tạo hình ảnh huỳnh quang. Người ta tiêm các hạt nano này lên những chú chuột thí nghiệm mang các khối u lấy từ tế bào thuộc biểu mô của người. Nghiên cứu nhận thấy chúng sống lâu hơn so với những con chuột khác.
Mục tiêu của quy trình này là nhằm đem lại hiệu quả điều trị ung thư nhiều hơn phương pháp hóa trị thông thường, dựa vào sự tập trung một lượng lớn dược phẩm thuốc chống ung thư ở chất lỏng ngoài tế bào để làm chậm sự khuếch tán qua các màng, gây hại lên các mô khỏe mạnh trong tiến trình.
Dendrimer được sử dụng nhiều trong ứng dụng này là PAMAM bởi vì có cấu trúc đặc biệt và những nhóm amino trên bề mặt nên được sử dụng như chất mang trong lĩnh vực điều trị ung thư theo phương pháp mục tiêu. Với phương pháp này nó cho phép những chất trị ung thư đi tới những khối u trong cơ thể mà suốt trong quá trình di chuyển đó không ảnh hưởng đến những vùng lân cận.
Hình 38: Sơ đồ kết hợp PAMAM với chất trị ung thư