Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu phát triển phương pháp quang sinh diệt khuẩn sử dụng các hoạt chất nhạy quang chiết suất từ nguồn gốc tự nhiên (10/11/2025)

Kháng kháng sinh đang là một mối đe dọa quốc gia và toàn cầu đối với tương lai của ngành chăm sóc sức khỏe. Xuất phát từ tiến hóa của vi khuẩn xảy ra một cách tự nhiên trong quá trình chúng ta sử dụng thuốc. Các hoạt động của con người trong sử dụng kháng sinh như hành vi kê đơn thuốc thiếu thận trọng hoặc dùng các biện pháp kháng khuẩn không đúng cách đã làm cho vấn đề kháng thuốc lan rộng và phát triển nhanh hơn.

Việt Nam nằm trong khu vực nóng ẩm, nhiệt đới gió mùa, thuận lợi cho vi khuẩn phát triển, một nghiên cứu gần đây cho thấy tỷ lệ kháng kháng sinh của các vi khuẩn thường gặp có tỷ lệ cao ở hầu hết các bệnh viện. Tình trạng lạm dụng kháng sinh là một trong những nguyên nhân dẫn đến gia tăng tình trạng kháng kháng sinh. Người dân có thể dễ  dàng  mua  thuốc  kháng  sinh  mà không  cần đơn  của  bác  sĩ  để  tự  điều  trị, Hậu quả của kháng kháng sinh là dẫn đến nhiễm trùng không thể điều trị được, việc chữa trị không đáp ứng kịp thời do kháng sinh không phù hợp, các phương án thay thế tốn kém, tăng chi phí y tế, tăng nguy cơ mắc bệnh và tăng tỉ lệ tử vong.  Đề giải quyết vấn đề này, bên cạnh việc nâng cao nhận thức và hiểu biết về kháng kháng sinh, đưa ra các chính sách nghiêm ngặt về sử dụng kháng sinh, thì việc phát triển đầu tư bền vững, tăng đầu tư vào nghiên cứu thuốc mới, công cụ chẩn đoán, vắc-xin và các can thiệp khác là cần thiết. Liệu pháp quang sinh diệt khuẩn (QSDK) là một giải pháp tiếp cận đầy triển vọng do ưu điểm không gây tác dụng phụ, vi khuẩn không phát triển đề kháng với phương pháp. Hai phần quan trọng nhất cho liệu pháp diệt khuẩn này đó là thiết bị Quang sinh diệt khuẩn và các chất nhạy quang ức chế, tiêu diệt vi khuẩn. Hiện nay, các thiết bị quang cho mục đích này thường ở các vùng bước sóng đơn lẻ gây không thuận tiện cho sử dụng, kết cấu dẫn quang đơn giản không đủ linh hoạt. Các chất nhạy quang hoạt tính kháng khuẩn mạnh cho liệu pháp này có giá thành cao và không chủ động nguồn nguyên liệu.

Nghiên cứu phát triển các chất nhạy quang đã được đặt vấn đề từ khi có các ý tưởng về pháttriển PDT ở Việt Nam. Tuy nhiên, chỉ mới vài năm trở lại đây, từ khi có các kết quả nghiên cứu phát triển mạnh mẽ về công nghệ chiết tách Cucurmin (từ tinh nghệ) và Chrlorin (từ tảo xoắn), các nghiên cứu về hướng này mới trở nên thực sự triển vọng. Việc phát triển nghiên cứu về QSDK trong nước trên các khía cạnh: phương pháp, thiết bị, vật liệu và đánh giá thử nghiệm bước đầu sẽ gặp một số khó khăn, thách thức. Tuy nhiên, với nỗ lực của các thành viên tham gia thực hiện cộng với sự hỗ trợ của đối tác nước ngoài nhiều kinh nghiệm, việc triển khai nghiên cứu Quang - Sinh diệt khuẩn hứa hẹn sẽ thu được những kết quả tích cực. Do vậy, Viện Vật lý Kỹ thuật tiến hành triển khai đề tài “Nghiên cứu phát triển phương pháp quang sinh diệt khuẩn sử dụng các hoạt chất nhạy quang chiết suất từ nguồn gốc tự nhiên” do PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương làm chủ nhiệm. Đề tài tập trung vào các nội dung sau: (1) Tổng quan nghiên cứu phương pháp quang sinh diệt khuẩn; (2) Nghiên cứu chế tạo thiết bị quang sinh diệt khuẩn trên cơ sở laser/LED tích hợp đa bước sóng; (3) Nghiên cứu phát triển phương pháp thu nhận và tổng hợp mẫu chất nhạy quang từ nguồn gốc tự nhiên bao gồm curcumin và NADES – curcumin; chlorin e6 và PEI –chlorin; (4) Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả liệu pháp QSDK với thiết bị và chất nhạy quang trong y sinh trên mô hình trong phòng thí nghiệm in-vitro trước khi áp dụng thử nghiệm invivo trên mô hình động vật; (5) Kết quả đạt được của hợp tác nghiên cứu giữa đối tác Việt Nam và Belarus.

(1) Tổng quan nghiên cứu phương pháp quang sinh diệt khuẩn: Nhóm nghiên cứu đã trình bày cở sở của phương pháp quang sinh diệt khuẩn là sự kết hợp giữa chất nhạy quang và vùng ánh sáng kích thích. Phương pháp này dựa trên sự kết hợp của ánh sáng khả kiến, chất nhạy sáng (photosensitizer - PS), và oxy phân tử; Khi chiếu sáng PS bằng ánh sáng phù hợp trong sự hiện diện của oxy, quá trình này sẽ tạo ra một lượng lớn các dạng oxy hoạt động (reactive oxygen species - ROS), các chất này sẽ tiếp tục phản ứng với nhiều mục tiêu khác nhau bên trong tế bào vi sinh vật và cuối cùng dẫn đến cái chết của tế bào; Chất nhạy quang (PS) lý tưởng cho PDT là một hợp chất tinh khiết với yêu cầu kiểm soát tốt về mặt chất lượng trong quá trình chế tạo, dễ dàng bảo quản và lưu giữ phép, đồng thời có giá thành phù hợp. Bên cạnh đó, các chất nhạy quang cần có các mức năng lượng cho phép dễ dàng tạo ra ROS khi bị kích thích, đồng thời duy trì được tính chất không độc hại với các mô, tế bào thông thường. Các chất nhạy quang có nguồn gốc tự nhiên là một lựa chọn lý tưởng cho aPDT. Việt Nam có một lượng phong phú các cây thuốc quý cũng như các hợp chất tự nhiên chứa hoạt chất mang dược tính có khả năng kháng khuẩn. Các nghiên cứu này đi theo hướng phát triển các loại hoạt chất diệt khuẩn mới được chiết tách từ nguồn các hợp chất tự nhiên có hoạt chất kháng khuẩn. Các nghiên cứu về chất nhạy quang có nguồn gốc từ curcumin và chlorin đã được nghiên cứu chó thấy khả năng sử dụng trong aPDT; Vùng ánh sáng kích thích là yếu tố cần thiết trong aPDT cũng đã được tổng kết, tìm ra ánh sáng phù hợp để thiết kế chế tạo thiết bị dùng trong QSDK. Các nghiên cứu về thiết bị còn là một lĩnh vực có thể khai thác, tiềm năng cho nghiên cứu chế tạo phục vụ liệu pháp QSDK.

2) Nghiên cứu chế tạo thiết bị quang sinh diệt khuẩn trên cơ sở laser/LED tích hợp đa bước sóng: - Thiết bị Quang - Sinh diệt khuẩn trên cơ sở laser được chế tạo có thông số kỹ thuật: Nguồn điện vào: 100V-240V, 50/60Hz; Thời gian thực điều khiển: Từ 0 đến 6000 giây: Màn hình hiển thị: Màn hình cảm ứng TFT LCD; Độ phân giải màn hình: 1024x600; Điều khiển: Màn hình cảm ứng, vi xử lý ARM9 core 400MHz, giao diện người dùng tiếng Việt; Số kênh độc lập: 4; Vùng bước sóng: 405 nm, 450 nm, 520 nm và 650 nm; Công suất quang lối ra mỗi kênh: Từ 0 đến 500mW; Độ ổn định công suất ra: ± 2%; Mật độ công suất quang lối ra điều chỉnh 0-50 mW/cm² (ở công suất 500mW thì diện tích tối đa của vùng chiếu xạ là 10 cm²); Chế độ hoạt động: Liên tục và xung; Tần số xung khi ở chế độ xung: Từ 1 Hz đến 10000 Hz; Chương trình lưu trữ: 16 chương trình; Kết nối máy tính: Cổng COM, RS232; Kích thước (DxRxC): 44×40×20 cm; Trọng lượng: 7kg.

Thiết  bị Quang – Sinh diệt khuẩn QSDK – 01.

- Thiết bị Quang - Sinh diệt khuẩn trên cơ sở LED được chế tạo đảm bảo các thông số kỹ thuật sau:  Nguồn điện vào: 100V-240V, 50/60Hz Thời gian thực điều khiển: Từ 0 đến 6000 giây; Màn hình hiển thị: Màn hình cảm ứng TFT LCD; Độ phân giải màn hình: 1024 x 600; Điều khiển: Màn hình cảm ứng, vi xử lý ARM9 core 400MHz, giao diện người dùng tiếng Việt; Số kênh độc lập: 4; Bước sóng: 405 nm, 460 nm, 630 nm và 660 nm; Công suất quang lối ra mỗi kênh: Từ 0 đến 1,5W: Tổng công suất quang ở 4 kênh: ≥ 6 W; Độ ổn định công suất ra: ± 2,7 %; Mật độ công suất quang lối ra: điều chỉnh 0-80 mW/cm2 (ở công suất 1500mW thì diện tích tối đa của vùng chiếu xạ khoảng 18,75 cm²); Chế độ hoạt động: Liên tục và xung; Tần số xung khi ở chế độ xung: Từ 1 Hz đến 10000 Hz; Chương trình lưu trữ: 32 chương trình; Kết nối máy tính: Cổng COM, RS232; Kích thước (DxRxC): 44×40×20 cm; Trọng lượng: 10 kg.

(3) Nghiên cứu phát triển phương pháp thu nhận và tổng hợp mẫu chất nhạy quang từ nguồn gốc tự nhiên bao gồm curcumin và NADES – curcumin; chlorin e6 và PEI –chlorin:

Các hoạt chất nhạy quang có nguồn gốc tự nhiên được chiết tách, tổng hợp thành công ở quy mô phòng thí nghiệm. Nghiên cứu đã đưa ra quy trình công nghệ chiết tách mẫu chất nhạy quang từ curcumin nguồn gốc tự nhiên cho thấy tính ổn định, lặp lại, tạo được mẫu đáp ứng yêu cầu ứng dụng y sinh, thân thiện môi trường và có khả năng triển khai rộng rãi. Nồng độ curcumin dạng bột ≥85%; có thể hấp thụ ánh sáng chiếu trong vùng bước sóng 405/450 nm.  NADES – curcumin có hàm lượng curcumin trong dung dịch NADES là 1,01g/100mL, hấp thụ mạnh ở vùng bước sóng với đỉnh hấp thụ trong khoảng từ 408 đến 434 nm.

Quy trình công nghệ thể hiện quá trình thu hồi và chuyển hóa chlorophyl từ tảo spirulina thành chlorin e6. Hàm lượng Chlorin-e6 ≥ 50%, có khả năng hấp thụ trong vùng bước sóng 405/450/520/650 nm.

PEI – Chlorin e6 tổng hợp trong nghiên cứu có hàm lượng 60%. Khả năng hấp thụ nằm trong vùng ánh sáng khoảng 400 nm tới 450 nm (dải Soret) và vùng đỏ (650 - 670 nm), rất phù hợp để kích hoạt chlorin trong các ứng dụng điều trị.

(4) Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả liệu pháp QSDK với thiết bị và chất nhạy quang trong y sinh trên mô hình trong phòng thí nghiệm in-vitro trước khi áp dụng thử nghiệm invivo trên mô hình động vật:

Các thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của curcumin, NADES curcumin, chlorin và polyethylenimine Chlorin (e6) trên in vitro cho thấy khi kết hợp với nguồn sáng laser và LED các hoạt chất thể hiện tính kháng khuẩn, MIC và MBC giảm đi ít nhất 2 lần so với không sử dụng nguồn sáng. Nghiên cứu cho thấy khả năng tăng cường tính kháng khuẩn của các hoạt chất nhạy quang có nguồn gốc tự nhiên trong liệu pháp quang sinh diệt khuẩn.

Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình bỏng thực nghiệm trên thỏ. Các kết quả phân lập vi sinh vật và diện tích vết bỏng tại thời điểm kết thúc thí nghiệm cũng cho thấy hiệu quả kháng khuẩn và kích thích phục hồi vết thương của curcumin, chlorine và liệu pháp aPDT ở bước sóng 450 nm và 650nm. Phân lập vi sinh vật cho thấy có sự suy giảm về số lượng khuẩn lạc hình thành và có sự thay đổi về các chủng vi khuẩn phát hiện được trên vết bỏng, cho thấy hiệu quả của các liệu pháp điều trị đối với các chủng vi khuẩn được cấy lên vết bỏng là Pseudomonas aeruginosa & Staphylococcus aureus. 

(5) Kết quả đạt được của hợp tác nghiên cứu giữa đối tác Việt Nam và Belarus: Thảo luận kết quả hợp tác nghiên cứu tính chất quang, hoạt tính KK của các chất  nhạy quang dùng cho liệu pháp: Curcumin, NADES curcumin, Chlorin E6, PEIchlorin và một số chất mà phía bạn đang nghiên cứu; Trao đổi thảo luận các cơ chế diệt khuẩn của các nhóm ROS và phân tử oxy đơn mức, các thông số tối ưu cho thiết kế, chế tạo thiết bị laser và thiết bị LED trị liệu; Thảo luận các thông số tối ưu cho quá trình chế tạo linh kiện quang học dùng trong trị liệu, hợp tác nghiên cứu thành phần của một số chất chiết xuất từ cây thuốc, khả năng tạo ra oxy nhóm đơn và đánh giá tác dụng quang động của chất chiết xuất chống lại vi khuẩn Gram dương và Gram âm. Đánh giá tác động của ánh sáng lên cơ chế diệt khuẩn của các chất nhạy quang; Trao đổi thảo luận về việc tiếp tục công bố chung các kết quả nghiên cứu thu được.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu nhiệm vụ  tại Trung tâm Công nghệ thông tin và Truyền thông Hải Phòng./.