Khoa học - Y dược

Cảm biến sinh học hỗ trợ chẩn đoán ung thư hiệu quả hơn (03/04/2019)

Các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) ở California (Hoa Kỳ) đã phát triển thành công một cảm biến sinh học mới có thể giúp các bác sĩ lâm sàng chẩn đoán hiệu quả hơn bệnh ung thư và động kinh.

Hình ảnh mặt cắt ngang của lớp lipid kép với một ống nano carbon nằm trên bề mặt cảm biến nano silicon. ẢNh: Yuliang Zhang / LLNL

Trên thực tế, thiết bị cảm biến sinh học có khả năng theo dõi hoạt động của các phân tử, ion và proton siêu nhỏ, do đó, nó đóng vai trò rất quan trọng và được coi như một trong những công cụ chẩn đoán y tế. Thậm chí, công nghệ này còn có thể theo dõi những tín hiệu nhỏ nhất, đơn giản nhất nhưng vô cùng quan trọng, chẳng hạn như độ pH nội bào.

Tình trạng axit hóa khối u do sự hấp thu glucose và giải phóng axit lactic trong tế bào tăng cao được coi là một dấu ấn sinh học của các tế bào ung thư. Tương tự như vậy, hiện tượng axit hóa dịch ngoại bào cũng là một trong những biểu hiện quan trọng ở những bệnh nhân mặc bệnh động kinh.

Tuy nhiên, các thiết bị cảm biến sinh học nhân tạo thường bộc lộ những điểm hạn chế ở tính tương thích sinh học và sự tắc nghẽn (sự tích tụ của các vật liệu không mong muốn, làm cản trở hoặc can thiệp vào chức năng của phân tử). Các hệ thống sinh học rất giỏi trong việc bảo vệ và phân tách các thành phần quan trọng của bộ máy sinh học với màng bán thấm thường chứa các lỗ rỗng và cổng trong các bơm ở mỗi mặt của màng tế bào để hạn chế vận chuyển xuyên màng đối với một số loài nhất định.

Nhóm nghiên cứu của LLNL, do Alexanderr Noy dẫn đầu, đã chế tạo ra một cảm biến pH bằng cách tích hợp các cảm biến bóng bán dẫn thiết kế graphene trong một chiều hay còn được gọi là nanoribbons bằng silicon với lớp phủ hai lớp lipid chống dính có chứa các kênh hình thành nên những ống nano carbon thấm proton (CNTP). Bên cạnh đó, nhóm cũng sử dụng cảm biến đó đê định lượng độ mạnh của nồng độ pH trong các chất lỏng sinh học phức tạp. 

"Thiết bị của chúng tôi là một nền tảng toàn diện có khả năng phát hiện các dấu ấn sinh học của bệnh theo thời gian thực, không khớp nhãn và ghép đôi lệch giữa các sợi ADN, thậm chí là cả các loại vi rút", Xi Chen, sinh viên tốt nghiệp UC Merced, nghiên cứu sinh tại UC-National Lab tại Lawrence Livermore và là tác giả đầu tiên của bài báo được đăng tải trên tạp chí Nano Letters cho biết. Ông cho biết mục tiêu cuối cùng của nhóm nghiên cứu là phát triển hệ thống cảm biến sinh học có thể được sử dụng trong y học cấy ghép.

Để chế tạo cảm biến pH, các nhà khoa học đã kết hợp màng chứa các phân tử lipid với một kênh mạnh mẽ có tính thẩm thấu cao, đặc biệt là với các phân tử proton. Nhóm nghiên cứu của Noy trước đây đã chỉ ra rằng các CNTP có đường kính hẹp, chỉ 0,8 nanomet (khoảng 10 nanomet đoạn ống nano carbon tự động chèn vào màng lipid và hình thành các kênh xuyên màng) có độ thẩm thấu proton cực cao, có khả năng thấm một lượng lớn nước, nhiều hơn so với các phân tử proton. Sự giam cầm nước trong các lỗ ống nano có đường kính 0,8nm tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển proton được diễn ra nhanh chóng. Kích thước lỗ nhỏ và tính thấm hút proton cao cũng đảm bảo rằng các CNTP có thể ngăn chặn hầu hết các thành phần gây tích tụ, làm tắc nghẽn của hỗn hợp sinh học và ngăn chúng tiếp cận bề mặt cảm biến.

"Trong mỗi thử nghiệm, chúng tôi đã mô tả khả năng phản ứng với các biến đổi về giá trị pH của dung dịch trước và sau khi tiếp xúc liên tục với các hỗn hợp gây tích tục khác nhau của cảm biến", Noy nói. "Khi hai lớp màng có chứa các phân tử lipid kết hợp với các kênh CNTP, phản ứng pH được bảo toàn và ít có dấu hiệu suy yếu".

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ thiết kế các CNTP nhằm mục đích truyền các ion riêng biệt và các phân tử nhỏ trong khi vẫn có thể ngăn chặn các phân tử sinh học khác. Điều này có thể biến thiết bị thành một công nghệ cảm biến kiểu nền tảng linh hoạt có thể được sử dụng trong các ứng dụng từ chẩn đoán bệnh, sàng lọc di truyền và sản xuất thuốc.

Nguồn: P.K.L (NASATI)/www.vista.gov.vn

Cập nhật: 22/3/2019