Hầu hết những ứng dụng hiện tại của protein array tập trung vào hệ protein liên quan đến bệnh của con người bằng cách sử dụng những mảng dựa trên thủy tinh thông thường. Những loại khác của protein vẫn có thể dùng được nhưng những mảng dựa trên thủy tinh vẫn thống trị thị trường này do lợi ích về chi phí và kinh nghiệm to lớn thừa hưởng từ DNA array. Protein được phát hiện hầu như trong tất cả các loại chất lỏng của con người, bao gồm huyết thanh, chất lỏng hoạt dịch và mồ hôi. Nghiên cứu nhiều nhất được tập trung vào những bệnh ung thư khác nhau, điều này không gây ngạc nhiên vì phần lớn dược phẩm và chương trình của chính phủ dành một tỷ lệ lớn ngân quỹ của họ vào căn bệnh này.
Peptide và oligosaccharide microarray cũng được phát triển để sàng lọc tương tác kháng nguyên ” kháng thể và carbohydrate ” protein. Phân tích cơ chất của protease, độ hoạt động của cytokine và phát hiện vi khuẩn và chất độc cũng được thực hiện thành công bằng cách sử dụng sự phối hợp khác nhau của protein và peptide microarray. Vài nghiên cứu sơ bộ trên màng tế bào được báo cáo gần đây. Tính hiệu quả của những nghiên cứu này vẫn còn nhiều nghi vấn vì rất khó để lắp ráp một màng sinh học tương xứng (bắt chước chính xác hệ thống tự nhiên) trên chất nền rắn, chưa kể đến việc giám sát những
Chương 2: Đại cương kỹ thuật và ứng dụng của Biochip
tương tác thụ quang nhạy bén. Sự ổn định của những màng này vẫn là vấn đề vì những bề mặt này dễ bị ảnh hưởng bởi những thay đổi nhỏ của pH, nhiệt độ và độ ẩm. Sự phát hiện những dấu hiệu sinh học bằng cách sử dụng protein array gần đây là một trong những lĩnh vực hoạt động nhất của nghiên cứu hướng đến những ứng dụng chẩn đoán điều trị bệnh. Sử dụng phương pháp sandwich, Huang et al. [25] mô tả một mảng đơn giản dựa trên sự sàng lọc mật độ thấp để đo lường 25 cyokine song song, và đạt được mức độ phát hiện tương thích với những nồng độ protein sinh lý.
Những mảng kháng thể cũng được sử dụng để bắt giữ những những tế bào nguyên vẹn. Belov et al. [9“] đã xây dựng những mảng của 60 kháng thể khác nhau chống lại những kháng nguyên CD (cluster of differentiation). Những bạch cầu từ máu của những bệnh nhân bị bệnh bạch cầu được trải trên mảng, rửa, và mẫu tế bào liên kết trên mảng với những đặc trưng khác nhau được phân tích bằng kính hiển vi quang học. Những bạch cầu ép lên màng tế bào của chúng những tập con kháng nguyên CD khác nhau phụ thuộc vào loại bệnh bạch cầu, vì vậy mẫu những tế bào liên kết trên mảng có thể được sử dụng cho chẩn đoán, cũng như khám phá thuốc đặc trị.
Những nghiên cứu miễn dịch đảo ngược cũng có thể được sử dụng trong hình thành microarray. Trong những trường hợp này, những kháng nguyên được tinh sạch hay dịch chiết từ mô hay chất gây dị ứng được cố định lên trên những bề mặt và sau đó được dò với những kháng thể để biết được những protein hay dò với huyết thanh. Trong trường hợp sau, bệnh nhân có thể được chẩn đoán với những bệnh tự miễn dịch khác nhau [28] hay dị ứng với thuốc hay thức ăn.
Không chỉ sự đa dạng của protein mà hoạt tính protein cũng có thể được đánh giá trong những mảng microarray, với điều kiện là nếp gấp tự nhiên của protein được bảo toàn sau quá trình cố định. Zhu et al. [49] đã tạo dòng và sắp hàng bên trong những ‘giếng nano’ 119 trong số 122 protein kinase đã biết của nấm men, và sau đó nghiên cứu tính đặc hiệu của chúng bằng cách ủ mảng với 17 chất nền khác nhau có sự hiện diện của ATP được đánh dấu phóng xạ. Sau đó bằng sự sáp nhập của phosphate được đánh dấu phóng xạ bên trong array, họ xác định được chất nền đặc trưng của gần như tất cả protein kinase từ sinh vật này. Trong một sự nỗ lực quy mô lớn hơn [48], cũng nhóm này đã hoàn thành nhiệm vụ ấn tượng gồm có tạo dòng, biểu hiện, tinh sạch và sắp hàng 80% hệ protein của nấm men. Mỗi 5800 ORF (open reading frame) được tạo dòng bên trong một vector biểu hiện của nấm men, mã hóa cho một protein liên hợp với glutathione-S-transferase và một đuôi His. Sự biểu hiện và tinh sạch được thực hiện trong những đĩa vi chuẩn độ, và 10 ” 950 femtogram của mỗi protein được sắp hàng ở mật độ khoảng 100 điểm trên 1mm
Chương 2: Đại cương kỹ thuật và ứng dụng của Biochip
vuông. Một bề mặt có kìm Ni2+ được sử dụng, theo đó cho phép sự gắn những protein tái tổ hợp được định hướng. Phương pháp này nhận dạng 6 trong 12 protein liên kết calmodulin đã biết (những protein khác không ở trong thư viện và cũng như không được biểu hiện ở mức độ có thể phát hiện ra). Một số protein liên kết với lipid cũng được tìm thấy. Rõ ràng rằng những protein array được tạo ra từ hệ protein của nấm men và các sinh vật khác sẽ được khai thác phục vụ cho nhiều ứng dụng mới trong tương lai.
KẾT LUẬN
Hơn mười năm qua, những thiết bị phân tích có tỷ lệ micromet không ngừng tăng lên và đã gặt hái được nhiều thành tựu. Từ chất liệu chế tạo ban đầu là thủy tinh, silicon, gần đây plastic đã được ứng dụng thành công trong chế tạo. Điều này mang đến khả năng sản xuất hàng loạt những thiết bị biochip với số lượng lớn phục vụ nhu cầu mở rộng ngành hóa học phân tích và khoa học y sinh. Ưu điểm của những thiết bị kích thước micromet này là thời gian xuất kết quả nhanh, sử dụng lượng rất nhỏ chất phản ứng và mẫu thí nghiệm nên giảm chi phí phân tích và tính nguy hiểm của những hóa chất độc hại, nhỏ gọn có thể xách tay, khả năng tiến hành đồng thời hàng loạt những thử nghiệm nên độ tin cậy cao. Lab-on-a-chip và microarray là hai loại thiết bị điển hình có nhiều ứng dụng hiện nay. Hiện nay, trên thế giới đã tồn tại nhiều công ty uy tín trong chế tạo và bán thiết bị này, số lượng công ty hoạt động trong lĩnh vực này không ngừng tăng lên chứng tỏ xu hướng sử dụng thiết bị này trong tương lai.
Lab-on-a-chip với kích thước nhỏ gọn và khả năng tích hợp tất cả các bước phân tích chỉ trên một thiết bị vài centimet đóng vai trò như một phòng thí nghiệm cá nhân. Thiết bị này là công cụ giám sát sức khỏe hữu hiệu, đưa ra những kết quả chẩn đoán nhanh chóng, đóng góp trực tiếp vào việc duy trì sức khỏe và chất lượng cuộc sống.
Những thiết bị microarray bao gồm những vết kích thước micromet sắp xếp ngay ngắn trên bề mặt chất nền. Những vết này có thể là kháng thể, kháng nguyên, cDNA, oligonucleotide,...là những phân tử sinh học có ảnh hưởng to lớn trong nghiên cứu y sinh; đặc biệt trong nghiên cứu biểu hiện gen, phát hiện đột biến, phân tích protein. Những thiết bị này có thể được ứng dụng trong chẩn đoán ung thư, phân loại khối u, nghiên cứu thuốc, xác định độc tố, vi trùng gây hại hay lập bản đồ gen...
Kích thước nhỏ mang lại nhiều ưu điểm cho những thiết bị phân tích micromet nhưng cũng chính yếu tố này sinh ra một vài bất lợi như khả năng lấy mẫu đại diện và đặc biệt là những khó khăn trong chế tạo. Tuy nhiên, không dừng lại ở đó, các nhà khoa học vẫn đang nỗ lực để tạo ra những thiết bị nhỏ hơn trong phạm vi nanomet. Cho đến nay chưa có những ví dụ thiết thực về một nanochip nhưng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học từ nhiều lĩnh vực thì một nanochip trong tương lai là điều hoàn toàn có thể.
TAØI LIỆU THAM KHẢO
1. Phan Thị Danh, 2006. Sử dụng kĩ thuật Biochip trong xét nghiệm và ứng dụng lâm sàng Cytokines, Y học thành phố Hồ Chí Minh _ Tập 10 _ phụ bản của số 1: 385 ” 389. 2. Huỳnh Thùy Dương, 1997. Sinh học phân tử, Nhà xuất bản Giáo dục.
3. Lê Thị Thu Hiền, Nông Văn Hải, Lê Trần Bình, 2004. Bài tổng quan: Công nghệ Sinh học Nano, Tạp chí công nghệ Sinh học 2 (2): 133 ” 148.
4. Phạm Thành Hổ, 2008. Di truyền học. Nhà xuất bản Giáo Dục.
5. Nguyễn Đức Nghĩa, 2009. Polymer chức năng và vật liệu lai cấu trúc nano, Nhà xuất bản khoa học tự nhiên và công nghệ Hà Nội. 550 trang.
6. Trang Quan Sen, 2005. Công nghệ sinh học _ Những vấn đề trong thế kỉ XXI, Nhà xuất bản Trẻ, Thời Báo Kinh tế Sài Gòn, Trung tâm Kinh tế Châu Á _ Thái Bình Dương (Vapec).
7. Arora, A., A.J.De Mello, and A.Manz. 1997. Sub-microliter electrochemiluminescence detector: A model for small volume analysis systems. Anal. Commun, 34:393”395. 8. Banerjee, A., 2008. A polarization isolation method for measurement of fluorescent
arrays in microfluidic system using organic electronic for applications in point-of-care diagnostics, Ph.D. thesis, University of Cincinnata.
9. Belov L, de la Vega O, dos Remedios CG, Mulligan SP, Christopherson RI, 2001. Immunophenotyping of leukemias using a cluster of differentiation antibody microarray. Cancer Res, 61:4483-4489.
10.Berg, A.van den, and T.S.J.Lammerink. 1998. Micrototal analysis systems: Microfluidic aspects, integration concept and applications. In Microsystem Technology in Chemistry and Life Sciences. A.Manz and H.Becker, eds. Springer, Berlin, pp. 21” 49.
11.Bhushan B. (edit), 2004. Springer Handbook of Nanotechnology. Spinger-Verlag Berlin Heidelberg New York
12.Cheng, J., M.A.Shoffner, K.R.Mitchelson, L.J.Kricka, and P. Wilding. 1996. Analysis of ligase chain reaction products amplified in a silicon-glass chip using capillary electrophoresis. J. Chromatogr. A 732:151”158.
13.Chu, F., P.Edwards, R.P.Ekins, H.Berger, and P.Finch. 1996. Microarray-based immunoassays. 211th Am. Chem. Soc. Natl. Mtg. 211:16.
14.Colyer, C.L., T.Tang, N.Chiem, and D.J.Harrison. 1997. Clinical potential of microchip capillary electrophoresis systems. Electrophoresis, 18:1733”1741.
15.DeRisi, J., L.Penland, P.O.Brown, M.L.Bittner, P.S.Meltzer, M.Ray, Y.Chen, Y.A.Su, and J.M. Trent. 1996. Use of a cDNA microarray to analyse gene expression patterns in human cancer. Nature Gene, 14:457”460.
16.Devlin, J.P., ed. 1997. High Throughput Screening. Dekker, New York. Terry, S.C., J.H.Jerman, and J.B.Angell. 1979. A gas chromatographic air analyzer fabricated on a silicon wafer. IEEE Trans. Electron. Devices ED-26:1880”1886.
17.Drummond TG, Hill MG, Barton JK, 2003. Electrochemical DNA sensor. Nat Biotech 21(10): 1192 ” 1199. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
18.Effenhauser, C.S., A.Manz, and H.M.Widmer. 1993. Glass chips for high-speed capillary electrophoresis separations with submicrometer plate heights. Anal Chem, 65:2637”2642.
19.Ekins, R.P. 1998. Ligand assays: From electrophoresis to miniaturized microarrays.
Clin. Chem., 44:2015”2030.
20.Fung, Y. C., 1981. Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues. Springer- Verlag, New York.
21.Ge, H. UPA, 2000. A universal protein array system for quantitative detection of protein”protein, protein”DNA, protein”RNA and protein”ligand interactions. Nucleic Acids Res., 28, e3.
22.Harrison, D.J., K.Fluri, K.Seiler, Fan Zhonghui, C.S.Effenhauser, and A.Manz. 1993. Micromachining a miniaturized capillary electrophoresis-based chemical analysis system on a chip. Science, 261:895”897.
23.Hacia, J.G., K.Edgemon, B.Sun, D.Stern, S.P.A.Fodor, and F.S.Collins. 1998b. Two color hybridization analysis using high density oligonucleotide arrays and energy transfer dyes. Nucleic Acids Res, 26:3865”3866.
24.Hoheisel, J.D., 2002. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, Vol. 77.
Springer-Verlag Berlin Heidelberg
25.Huang R.P., Huang R., Fan Y., Lin Y., 2001. Simultaneous detection of multiple cytokines from conditioned media and patient’s sera by an antibody-based protein array system. Anal Biochem, 294:55-62
26.Jang. B. Rampal, Methods in molecular biology, vol. 170: DNA arrays: Method and Protocols, Humana Press Inc., Totowa, NJ.
27.Jing Cheng, Larry J.Kricka, 2005. Biochip technology _ Microchips, Bioelectronic Chips, and Gene Chips: Microanalyzers for the Next Century, Taylor & Francis e- Library.
28.Joos T.O., Schrenk M., Hopfl P., Kroger K., Chowdhury U., Stoll D., Schorner D., Durr M., Herick K., Rupp S. et al., 2000. A microarray enzyme-linked immunosorbent assay for autoimmune diagnostics. Electrophoresis, 21:2641-2650
29.Kerman K, Kobayashi M, Tamiya E, 2004. Recent trends in electrochemical DNA biosensor technology. Meas Sci Techno, 15: R1 ” R11.
30.Kambhampati, D., 2004. Protein Microarray Technology. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.
31.Kim D.S, Lee S.H, Chong H. Ahn, Lee J.Y, Tai Hun Kwon, 2006. Disposable integrated microfluidic biochip for blood typing by plastic microinjection moulding. The Royal Society of Chemistry, 6: 794”802
32.Kricka, L.J., X.Ji, O.Nozaki, and P.Wilding. 1994. Imaging of chemiluminescent reactions in mesoscale silicon-glass microstructures. J.Biolumin.Chemilumin. 9:135” 138.
33.Krishnarao Appasani, PhD, MBA, 2007. Bioarrays: From Basics to Diagnostics, Humana Press Inc., Totowa, New Jersey.
34.Kukar, T., Eckenrode, S., Gu, Y. et al. 2002. Protein microarrays to detect protein” protein interactions using red and green fluorescent proteins. Anal. Biochem., 306: 50” 54.
35.Lee, S.J., Kang, H.W, Kim, Y., Lee, G.-W., Lim, G., Cho, D.-W., 2005. Development of a micro-blood-typing system using micro-stereolithography. Sens. Mater., 17: 113”123.
36.Lorkouski, S., Cullen, P., 2003. Analyzing gene expression: A Hanbook of Methods: Possibilities and Pitfalls, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.
37.Manz, A., N.Graber, and H.M.Widmer. 1990a. Miniaturized total chemical analysis systems: A novel concept for chemical sensing. Sens. Actuators B1:244”248.
38.Moser, I., G.Jobst, E.Aschauer, P.Svasek, M.Varahram, G.Urban, V.A.Zanin, G.Y.Tjoutrina, A.V.Zharikova, and T.T.Berezov. 1995. Miniaturized thin film glutamate and glutamine biosensors. Biosens. Bioelectron. 10:527”532.
39.Mušller, U.R., Nicolau, D.V., 2005. Microarray Technology and Its Applications, Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
40.Murakami, Y., T.Takenchi, K.Yokoyama, E.Tamiya, I.Karube, and M.Suda. 1993. Integration of enzyme-immobilized column with electrochemical flow cell using micromachining techniques for a glucose detection system. Anal Chem., 65:2731”2735.
41. Petersen, K.E., W.A.McMillan, G.T.A.Kovacs, M.A.Northrup, L.A.Christel, and F. Pourahmadi. 1998. Toward next generation clinical diagnostic instruments: Scaling and new processing paradigms. J. Biomed. Microdevices, 1:71”79.
42.Qin, D., Y.Xia, J.A.Rogers, R.J.Jackman, X.-M.Zhao, and G.M.Whitsides. 1998.
Microfabrication, microstructures and microsystems. In Microsystem Technology in Chemistry and Life Sciences. A.Manz and H.Becker, eds. Springer, Berlin, pp. 1”20. 43.Chief editor : Dr. M. Raafat El-Gewely, 2003. Biotechnology annual review-volume 9,
Elsevier Science BV.
44. Xing W.L, Chen J., 2006. Frontiers in Biochip Technology. Springer Science+Business Media, Inc. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
45.Robin L. Stears, Todd Martinsky, Mark Schena, 2003. Trends in microarray analysis,
Nature Medicine - Volume 9 - Number 1, Nature Publishing Group
46. Waldo, G.S., Standish, B.M., Berendzen, J., and Terwilliger, T.C. 1999. Rapid protein- folding assay using green fluorescent protein. Nature Biotechnol., 17: 691”695
47.Wilson, D.S., Nock, S., 2001. Functional protein microarrays. Current Opinion in Chemical Biology, 6:81”85
48.Zhu, H., Bilgin, M., Bangham, R. et al., 2001. Global analysis of protein activities using proteome chips. Science, 293: 2101”2105.
49. Zhu H., Klemic J.F., Chang S., Bertone P., Casamayor A., Klemic K.G., Smith D., Gerstein M., Reed M.A., Snyder M., 2000. Analysis of yeast protein kinases using protein chips. Nat Genet, 26:283-289.
50.http://www.dost-bentre.gov.vn/tin-tuc-su-kien/khoa-hoc-cong-nghe/997-phat-hin-c-t- bng-biochip.html 51.http://www.thietbiysinh.com.vn/BMIWEB/pages/PaperDetail.aspx?id=40 52.www.google.com.vn 53.http://www.hiendaihoa.com/Tu-dong-hoa/Tich-hop-he-thong/he-vi-phan-tich-y-sinh- thong-minh-tich-hop-vi-luu-va-oled-opd.html
54.Markus F. Templin,Dieter Stoll,Monika Schrenk, Petra C. Traub, Christian F.Vưhringer and Thomas O. Joos, 2002. Review: Protein microarray technology. Trends in Biotechnology Vol.20 No.4